1961—2014年临夏州霜冻特征及防御对策

岳高峰++马旭洁++马孝智

摘要 利用甘肃省临夏州6个国家级地面气象观测站1961—2014年共54年地面常规气象资料，使用数据统计、趋势分析和Morlet小波分析方法，对临夏州霜冻天气气候进行分析和研究，结果表明：临夏州的初霜冻出现于9月上旬至10月上旬，终霜冻结束于次年的3月下旬至5月上旬；霜冻出现频次最多和次多月份分别为4月、10月；54年间霜冻发生次数呈先减少后增加趋势；不同强度的霜冻日数变率较大；54年间霜冻发生存在25年、13年、8年和4年周期振荡。

关键词 霜冻；气候特征；小波分析；灾害防御；甘肃临夏；1961—21014年

中图分类号 P423.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）20-0239-02

气象学上定义：霜是接近地面层附近的空气温度下降至0 ℃及以下时，空气中的水汽在地面或地面附着物体上凝华为白色的松脆冰晶状物体[1]，因颜色呈乳白色而俗称为“白霜”。霜冻是指空气温度下降至0 ℃及以下时，由于低温造成农作物、林果树的植株、茎叶、花和果体受到伤害或死亡的农业气象现象，又被称为“黑霜”。霜冻在我国北方的秋季和春季比较常见，是一种较严重的农业气象灾害。春季正值农作物出苗和果树挂蕾、开花，而秋季是农作物、蔬菜和瓜果成熟收获时节，而霜冻可致使农作物、林果树的幼苗、花蕾或叶茎遭受到严重的损害或死亡，造成当年粮食和林果业产量锐减或绝收。

临夏回族自治州（简称临夏州，下同）地处甘肃省中南部，地处青藏高原和黄土高原的过渡地带，大部分地方属温带半干旱气候，其中西南部山区为高寒阴湿，东北部为干旱地区。特殊的地理位置造成临夏州霜冻气象灾害高发、频发，对农业生产造成严重危害[2]。临夏州是一个以农业生产为主的少数民族地区，近年来地方政府大力倡导和扶持以双垄沟播玉米为代表的旱作农业种植，并取得了一定效益。据不完全统计，仅“十二五”期间，临夏州每年平均遭受霜冻低温冻害农作物面积达8.1万hm2，占全州耕地面积的57.2%，经济损失达2.64亿元。因此，利用历史气象要素资料分析研究临夏州霜冻时空分布和发生规律，对于防御霜冻灾害，提高农作物和林果业产量具有一定的现实意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

按霜冻出现和结束的时间来分，将霜冻分为初（秋季）霜冻和终（春季）霜冻。秋季出现的第1个霜冻日被称为当年初霜冻日，春季出现的最后一个霜冻日则被称为当年终霜冻日。从终霜冻日的后1 d开始至初霜冻的前1 d持续的日数被称为当年的无霜期。本文将霜冻分为轻度、中度、重度3个级别，令Tmin代表日最低气温，定义轻度霜冻为0 ℃≥Tmin> -2 ℃；中度霜冻为-2 ℃≥Tmin>-5 ℃；重度霜冻为-5 ℃≥Tmin。所用资料来源于临夏州所辖的临夏市、永靖县、东乡县、和政县、广河县和康乐县6个国家级自动气象观站，1961—2014年共54年间的逐日常规气象观测资料，从中挑选出日最低气温要素，并进行异常值的剔除和滑动插值处理，确保数据的可靠性。

1.2 分析方法

小波分析方法是20世纪80年代由Morlet提出的一种具有时-频多分辨功能的方法。它能够揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期，充分反映系统在不同时间尺度中的变化趋势，并能对系统未来发展趋势进行定性估计。小波分析的基本思想是用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数，先由小波变换得到小波系数，再将小波系数的平方值在B域上进行积分，得到小波方差，小波系数和小波方差是分析时间序列的时频变化特征的基础。本文利用数理统计方法和线性趋势法对临夏州1961—2014年54年间初、终霜冻日，无霜期时空间分布和霜冻频次进行统计和分析；使用Morlet小波分析对霜冻周期规律进行分析，找出振荡周期的规律。

2 结果与分析

2.1 霜冻初、终日时空分布特征

受特殊地形和气候的影响，临夏州各地的初、终霜冻平均日期差异较大。各地初霜冻平均日期介于9月下旬至10月中旬之间，平均日期最早为和政县9月25日，最晚为永靖县10月22日。各地终霜冻平均日期介于4月中旬至5月中旬之间，平均日期最早为永靖县4月16日，而最晚为和政县5月13日。在空间分布上，全州初霜冻最早在东南方先出现，中部次之，西北部则出现时间为最迟；终霜冻出现时间则刚好相反，空间分布为西北部最早，中部次之，东南部最迟。

2.2 霜冻发生频次及年际变化

1961—2014年共54年间，临夏州4—6月终霜冻发生频次及轻、中、重度霜冻发生频次呈先增后减趋势，其中1961—1980年呈波动增长趋势，而在1981—2014年又呈减少趋势。而9—10月的初霜冻发生频次及轻、中、重度霜冻发生频次为1960—1970变化不显著，1971—1980显著增加，1981—2014呈显著减少趋势。整体来看，临夏州54年间初终霜冻趋势变化与近年全球气候变暖的气候趋势相一致，说明全球气候变暖对霜冻的影响是比较显著的。

2.3 霜冻的旬、月际变化

临夏州各地月霜冻分布变化中，4月最多，占全部霜冻日数的39.6%～47.9%，10月为次多，占全部霜冻日数的27.6%～32.8%，其余月时段共占全部霜冻日数的5.6%～12.8%。各地旬霜冻分布变化中，4月中旬最多，占全部霜冻日数的28.6%～43.8%；10月上旬为次多，占全部霜冻日数的22.6%～32.8%，其余旬时段共占全部霜冻日数的8.6%～16.8%。

2.4 霜冻强度变化特征

对54年霜冻气象资料统计分析，全州各地轻度、中度、重度的霜冻日数变率较大。54年中，轻度霜冻共出现78次，占全部霜冻次数的67.2%；中度霜冻共出现31次，占全部霜冻次数的26.7%；重度霜冻共出现7次，占全部霜冻次数的6.1%。临夏州历史上最严重的一次霜冻天气出现在1970年4月12日，日最低气温降至-9.7 ℃，致使全州各地当年的农作物、果树、蔬菜等产量遭受巨大损失。

2.5 霜冻发生频次振荡周期特征

54年中，临夏州霜冻发生的频次年代际存在着以下特点：大、中尺度周期振荡比小尺度周期振荡变化更加显著。小波方差图显示，存在25年、13年中长期振荡和8年、4年短期周期振荡。小波系数图显示，25年、13年周期振荡显著；8年周期振荡较显著；而4年周期振荡不显著。

3 霜冻对农业的影响分析及防御对策

IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）发布第五次评估报告指出，全球正处在气候变暖的环境中，过去的130年全球升温0.85 ℃；而过去30年可能是史上最热的30年[3]。全球气候变暧导致气候极端事件频发高发成为常态，而低温霜冻是极端气象灾害的一种表现形式，其发生范围广、危害生、损失大，对全球粮食安全构成严重威胁[4-5]。

3.1 霜冻的类型

按霜冻形成的物理机制，可分为：冷平流型霜冻、平流辐射型霜冻和辐射型霜冻。冷平流型霜冻是由于强冷空气南移，造成强降温和寒潮天气，引起霜冻发生。强冷空气常引发大风天气，故该类霜冻天气又被称为“风霜”。平流辐射型霜冻是由强冷空气和地面强辐射相互作用形成，由于冷空气密度大，海拔较低的川塬和低洼地带的农业、果林更易遭受到此类霜冻的损害[6]。辐射型霜冻是由于在无风或微风的晴朗夜晚，地面层强烈降温，从而导致近地面空气辐射降温而发生的霜冻。3种类型霜冻中，平流辐射型霜冻对农业和林果业影响最为严重，冷平流型霜冻次之，辐射型霜冻对农业影响相对较轻。

3.2 霜冻对农业的影响

霜冻对农业的影响是严重的。通过对临夏州1991—2010年共20年的玉米、春小米等农业产量进行统计分析，结果显示，霜冻发生的次数和等级与产量的高低相关系数为0.86，说明霜冻灾害对农业的影响非常显著。在临夏州，初霜冻较终霜冻危害要轻，初霜冻开始时，大部分农作物已经收获，像玉米、马铃薯等都已经成型，即使出现霜冻天气也影响较小；而像大白菜等未成熟的蔬菜会受到一定影响。终霜冻对农业和林果业的影响要严重得多，而且终霜冻发生的时间越晚对农作物和林果业的危害越严重，对农业的影响越大。54年间临夏州终霜冻出现最早的时间为3月12日，最迟时间为6月3日。3月下旬至4月上旬，临夏州大部分地方开始春小麦、旱作玉米的播种，4月中旬开始出苗并进入苗期；3—4月正值早酥梨、大接杏、啤特果等特色林果的现蕾和开花时段，而此时出现的霜冻对作物和林果的影响是巨大的，如果此时发生重度的霜冻则更是毁灭性的打击。

3.3 霜冻防御

霜冻的防御主要有2条途径：一是提高霜冻天气的预报预警能力，二是加强物理防范工作。借助于新一代多普勒天气雷达、气象卫星云图和高空探测技术等现代化的技术和手段，如今对气象灾害的监测和预报预警能力得到大幅提升和改善。目前，全国各级气象台站普遍都建立和利用数值天气预报模式，预报准确率和精细化程度不断提高，对各类霜冻天气的预报预警和监测工作日趋完善。

霜冻物理防御方法主要有灌溉法、烟熏法、喷药法和覆盖法。灌溉法是指在霜冻来临前对地段进行灌溉，以增大土壤的热容量和导热率，从而可以延缓近地面层空气温度下降的速度，降低霜冻的强度。烟熏法是一种简单易行的防霜冻方法，在霜冻来临前，通过燃烧物体产生大量烟雾，依靠烟雾中的大量颗粒吸收空气中的水汽释放出潜热，同时物体燃烧时自身也释放热量，可达到双重增加空气温度的效果。喷药法是通过霜冻前在作物和林果树体上喷洒药物，通过阻止冰核活性细菌诱发植物体内细胞水结冰来预防霜冻或降低霜冻强度。覆盖法是在霜冻来临之前，通过在保护物上覆盖一层物体，阻止热量散失和空气对流，达到保护农作物和林果的目的。2013年，甘肃省气象局人影办研制出了国内首台防霜机并在天水市花牛苹果基地投入使用。该防霜机是由农电或柴油发动机作为动力源，经齿轮箱、传动轴带动叶片转动产生风能，利用“逆温现象”，对果园上方空气进行物理扰动，混合小环境内上下层空气，促进冷暖空气对流，提升果园树蓬面温度，能够起到良好的防霜冻效果。

4 结语

利用甘肃省临夏州6个国家级气象观测站1961—2014共54年气象要素资料，将霜冻分为轻度、中度、重度3个级别，使用数据统计、趋势分析和Morlet小波分析方法分析研究霜冻发生规律和对农林果业的影响。临夏州各地的初、终霜冻平均日期差异较大。各地初霜冻平均日期介于9月下旬至10月中旬之间，平均日期最早为和政县9月25日，最晚为永靖县10月22日。54年间霜冻发生频次先增后减。霜冻发生的频次年代际存在25年、13年、8年、4年周期振荡，其中25年、13年周期振荡显著，8年周期振荡较显著，而4年周期振荡不显著。霜冻发生的次数与等级与产量的高低相关系数高，对农业的影响非常显著。临夏州常见的霜冻有冷平流型霜冻、平流辐射型霜冻和辐射型霜冻，其中平流辐射型霜冻危害最严重。物理防御方法有灌溉法、烟熏法、喷药法和覆盖法，使用多种方法进行防御效果更佳。

5 参考文献

[1] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003：21-22.

[2] 尹宪志.临夏气象[M].北京：气象出版社，2011：3-5.

[3] 秦大河，Thomas Stocker，沈永平，等.IPCC第五次评估报告第一工作组报告的结论[J].气候变化研究进展，2014，10（1）：1-6.

[4] 沈能展，梁荣欣，赵秀半，等.哈尔滨地区初、终霜冻日分布特点的研究[J].东北农业大学学报，2000，31（2）：129-136.

[5] 吴国兴，高安宁，陈业国.广西异常霜冻天气过程特征指数研究[J].地理，2003（58）：31-37.

[6] 李卫伟.春季果树低温冻害应对措施[J].农业技术与装备，2012（2）：75.