黑龙江省水稻初霜冻灾害致灾因子危险性分析*

朱红蕊，于宏敏，姚俊英，刘赫男，孙爽

(黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨，150030)

0 引言

霜冻是指日平均气温高于0℃的温暖时期，地面和作物体表面的温度骤降至0℃以下，使作物遭受冻害或死亡的现象。主要发生在春、秋两季，春季霜冻也叫终霜冻，主要危害作物幼苗期和果树花芽期;秋季霜冻也叫初霜冻，主要危害作物乳熟期，影响作物成熟。鉴于霜冻危害多种农作物，造成巨大经济损失，很早就引起许多学者的关注［1－3］。

黑龙江省是我国重要商品粮基地之一，农业生产在全国有举足轻重的地位。同时，由于黑龙江省地处中高纬地区，其特定的地理位置使其无霜期较短，霜冻常使黑龙江省大田作物受害或致死，影响粮食作物的产量和质量，造成巨大的经济损失。水稻是黑龙江的主要作物，成熟期在9月中上旬，霜冻较早，将会对其产量和质量造成重大影响，较早的强霜冻将使粮食减产5%～10%，大约15～30亿kg，中等强度的早霜将使粮食减产2%。可见霜冻造成减产的危害程度之大，是影响黑龙江省农业生产最主要的气象灾害之一［4－6］。

尽管近40年来受全球气候变暖的影响，黑龙江省气候条件也相应地发生了较大的变化，但初秋冷空气活动仍然较频繁，黑龙江省大田主要作物遭受霜冻的潜在危险性仍然存在，因此，有必要对黑龙江省主要农作物开展霜冻灾害风险区划方法研究，掌握各地霜冻灾害的等级，进行积极防御，对作物的合理布局，提高粮食产量和质量具有积极的参考作用。同时，为了适应气候变化，减轻气象灾害损失，保障国家经济建设和社会可持续发展，有必要重新认识在气候变化背景下霜冻灾害的自然属性和社会属性，认识霜冻灾害的时空分布特点和发生、发展规律，根据霜冻灾害的空间分布、影响范围、影响程度，结合黑龙江省社会经济发展水平进行霜冻灾害区划，这对指导防灾减灾有很重要的现实意义。

本文根据黑龙江省水稻的生长发育期，以全省77个台站1961－2009年的逐日最低气温资料、霜冻历史灾情数据、社会经济资料、地理信息数据及作物生育期资料为基础，综合运用GIS空间分析和灾害风险评估数学方法，分析了黑龙江省初霜冻灾害的灾情时空特征，并根据霜冻灾害的形成机制，确定了致灾因子，对致灾因子危险性进行分析与评估，从而为大尺度的作物霜冻灾害区划及农业保险提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

作物霜冻灾害常采用的温度指标有地面最低温度、最低气温、植株体温。地面最低温度受下垫面影响较大，情况复杂，代表性有限;植株温度高低是霜冻时植株本身温度的真实反应，但叶温数据通常需要通过实验获得，区域较大时数据获取困难，不适用于较大区域的研究。有研究认为最低叶温与最低气温之间存在统计学关系，由实验得到的作物霜冻灾害叶温经验值可以换算成气温数据，并做成标准以供使用。在实际预报中，最低气温是常规预报项目，较易获得，因此在农业气象研究中，以气温为指标来分析霜冻对农作物的影响较合适，可以利用最低气温的历史资料分析霜冻的出现情况。

本研究选用逐日最低气温作为基础数据，所用资料包括:

(1)1961－2009年8－9月全省各台站逐日最低气温资料;

(2)1984－2009年全省以县为单元的霜冻历史灾情数据;

(3)社会经济资料(人口、耕地面积、经济GDP等);

(4)水稻生育期、种植面积、产量等农业气象资料。

1.2 研究方法

1.2.1初霜冻发生频率

根据气象行业标准《作物霜冻害等级》［7］，把黑龙江省水稻霜冻害温度指标，初步确定为以≤0℃为标准，统计8－9月黑龙江省初霜冻发生频率。

将全年霜冻日数为零视为无霜冻发生的情况，其它均视为霜冻发生，霜冻灾害发生概率为:

式中:n为经筛选与统计得到全年霜冻日数为零的年数;N为气象观测总年数。由此得到各站点霜冻发生概率［8－9］。

1.2.2 水稻偏早初霜冻害发生频率

根据《中国灾害性天气气候图集》(1961－2006年)［10］，将偏早、偏晚初霜冻标准定为:初霜冻日期距平＜－σ为偏早霜冻，＞σ为偏晚霜冻，σ为初霜冻日期的均方差。计算黑龙江省水稻偏早初霜冻(最低气温≤0℃为标准)发生的频率。

1.2.3 综合计算初霜冻致灾因子的危险度

利用层次分析法对初霜冻和偏早初霜冻发生概率进行权重赋值，并对两个指标进行综合叠加，得到黑龙江省水稻初霜冻灾害致灾因子指标，对该指标进行危险性评价，进而揭示黑龙江省水稻初霜冻灾害在地域空间上的差异性规律和特征，为各地因地制宜制定灾害防治规划及对策提供科学依据。研究技术路线如图1所示。

图1 黑龙江省水稻初霜冻灾害致灾因子危险性评价流程

1.2.4 自然断点分级法

自然断点分级法用统计公式来确定属性值的自然聚类。公式的功能就是减少同一级中的差异，增加级间的差异。

式中:A为数组(数组长度为N);meani－j为每个等级中的平均值。该方法可用GIS软件实现。

2 黑龙江省初霜冻灾情分析

统计黑龙江省1984－2009年初霜冻灾害发生次数及受灾面积，结果如图2、图3所示。由初霜冻灾害发生次数分布图可见，嫩江发生次数最多达11次，其次为五大连池6次，黑河、逊克、五常、肇东、海林和饶河出现3～5次，其它地区发生次数较少。

根据黑龙江省霜冻灾害年平均受灾面积分布可见，受灾较重区域与霜冻发生高频区基本一致，受灾较重区域主要集中在大兴安岭南部，黑河大部，松嫩平原部分县市以及三江平原部分地区，其中嫩江和肇东年均受灾面积超过5 000 hm2。

图2 1984－2009年黑龙江省初霜冻灾害发生次数

图3 黑龙江省初霜冻灾害年平均受灾面积

3 水稻初霜冻灾害致灾因子危险性分析

3.1 水稻初霜冻发生频率分析

图4为黑龙江省水稻初霜冻发生概率分布图。由图4可以看出，水稻初霜冻灾害发生的概率随纬度的增加大致呈增大的分布，大兴安岭、黑河、伊春大部、通河、木兰、尚志、林口、穆棱、绥芬河是水稻初霜冻灾害的多发区，发生概率在60%以上，尤其是大兴安岭大部、嫩江、孙吴、伊春发生概率在80%以上，松嫩平原北部、哈尔滨东部、牡丹江大部发生概率为40%～60%，牡丹江地区水稻初霜冻的发生频率高于同纬度地区，这与当地山地地形影响下的气候因素有关。松嫩平原西南部和三江平原大部发生概率较小。

3.2 水稻偏早初霜冻发生频率分析

图5为黑龙江省水稻偏早初霜冻发生概率分布图，可以看出，大兴安岭大部、黑河南部、松嫩平原北部、三江平原大部为水稻偏早初霜冻相对多发区，概率在15%以上，其中，呼玛、逊克、嘉荫、克山、明水、林甸、海伦、富锦等地发生概率在20%以上，伊春、鹤岗、绥化、哈尔滨部分市县、牡丹江水稻偏早初霜冻发生概率较小在10%以下，其它地区为10%～15%。

图4 黑龙江省水稻初霜冻发生概率分布图

图5 黑龙江省水稻偏早初霜冻发生概率分布图

图6 黑龙江省水稻初霜冻致灾因子危险度评价

3.3 水稻初霜冻灾害危险度评价

利用层次分析法计算初霜冻和偏早初霜冻发生概率的权重，并将两个指标进行综合叠加，得到黑龙江省水稻初霜冻灾害致灾因子指标，这里权重系数均取0.5，该指标不仅考虑了温度条件(既包含纬度因素也包含局地小环境影响)，还考虑了霜冻的变异性。图6是黑龙江省水稻初霜冻灾害危险度评价结果图。利用自然断点分级法将致灾因子划分为低危险，次低危险，中等危险，次高危险和高危险五个等级。大兴安岭、孙吴、逊克、嘉荫、伊春、嫩江、克山、拜泉、海伦等市县为高危险区，黑河大部、齐齐哈尔东部、绥化北部、尚志、穆棱、富锦为次高危险区，松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江南部为次低及低危险区。

将黑龙江省水稻初霜冻致灾因子危险度评价结果与1984－2009年黑龙江省初霜冻灾情进行比较，由于大兴安岭地区无水稻种植区，因而不对该区进行考虑，致灾因子危险度评价结果与灾情结果存在差异，这主要是由于，黑龙江省霜冻灾情数据从1984年开始统计，而评价结果自1961年开始计算，而且评价结果显示为针对水稻单一农作物发生初霜冻灾害时的危险度，因而两者结果存在一定差异，但在黑河地区，两者基本一致，均表现为初霜冻发生频率较大，危险性较高，为次高和高危险区。

4 结论与讨论

本文根据黑龙江省水稻的生长发育期，以全省77个台站1961－2009年的逐日最低气温资料、霜冻历史灾情数据、社会经济资料、地理信息数据及作物生育期资料为基础，综合运用GIS空间分析和灾害风险评估数学方法，分析了黑龙江省初霜冻灾害的灾情特征，并根据霜冻灾害的形成机制，确定了致灾因子，对致灾因子危险性进行分析与评估，得出如下结论:

(1)水稻初霜冻灾害发生的概率随纬度的增加大致呈增大的分布形势，大兴安岭、黑河、伊春大部、通河、木兰、尚志、林口、穆棱、绥芬河是水稻初霜冻灾害的多发区，发生概率在60%以上，尤其是大兴安岭大部、嫩江、孙吴、伊春发生概率在80%以上。

(2)大兴安岭大部、黑河南部、松嫩平原北部、三江平原大部为水稻偏早初霜冻相对多发区。

(3)大兴安岭、孙吴、逊克、嘉荫、伊春、嫩江、克山、拜泉、海伦等市县为高危险区，黑河大部、齐齐哈尔东部、绥化北部、尚志、穆棱、富锦为次高危险区，松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江南部为次低及低危险区。

［1］韩荣青，李维京，艾婉秀，等．中国北方初霜冻日期变化及其对农业的影响［J］．地理学报，2010，65(5):525－532．

［2］叶殿秀，张勇.1961－2007年我国霜冻变化特征［J］．应用气象学报，2008，19(6):661－665．

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［7］中国气象局.QX/T 88－2008行标－作物霜冻害等级［S］．北京:气象出版社，2008．

［8］林晓梅，岳耀杰，苏筠．我国冬小麦霜冻灾害致灾因子危险度评价［J］．灾害学，2009，24(4):45－50．

［9］章国材.气象灾害风险评估与区划方法［M］．北京:气象出版社，2010:32－50．

［10］中国气象局.中国灾害性天气气候图集(1961－2006年)［M］．北京:气象出版社，2007:36－68.