库尔勒市霜冻特征及其驱动力分析

周成龙，钟昕洁，孙怀琴，马　凯，叶晓婷

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.塔克拉玛干沙漠大气环境试验观测站，新疆 塔中 841000；3.巴州气象局，新疆 库尔勒 841000）

在我国各地，从南到北、从东到西霜冻现象都时有发生[1]。叶殿秀等[2]利用1961—2007年我国577个测站的均一化逐日最低气温资料，根据通用的霜冻气候统计指标计算历年初、终霜冻日期及无霜冻期。给出初、终霜冻日期及无霜冻期标准差和极差北方地区较南方地区偏小；全国大部地区终霜冻日期的年际间差异比初霜冻日期大，无霜冻期的年际变化又比终霜冻日大。马柱国[3]从中国北方62个站的日平均温度出发，分析北方1951—2000年有霜冻（温度在零度以下）日数和强度的变化趋势；同时给出了秋冬交替时霜冻日开始日期和冬春转换时霜冻日结束日期的变化趋势。杜军等[4]以≤0℃最低气温作为霜冻指标，利用雅鲁藏布江中游4个气象站点1961—2000年的逐日最低气温资料，采用现代气候诊断分析方法，分析了该流域近40 a初、终霜冻异常的气候变化。给出近40 a，流域东段表现为初霜来得迟、终霜结束得早、无霜期延长的显著趋势；江孜则表现为终霜日推迟、无霜期缩短的不显著趋势。其他有关霜冻的研究大多基于对农业的危害、风险评估、致灾机理[5-14]。而对于霜冻的预报方法的研究较少，周彬等[15]利用查表法对无锡地区的霜冻做出预报，并取得良好的效果；杨晓玲等[16]、景学义等[17]分别利用其它方法对霜冻的短期预报和预报指标做了系统分析。

对新疆地区霜冻的研究，众多学者都获得了一定的认知[18-21]，但有关霜冻预报的研究却鲜有涉及，在过往研究中，张月华[22]利用库尔勒1961—2000年初终霜冻资料，给出终霜期在3月25日前后，初霜期在10月25日前后，并对库尔勒市霜冻做出预报并进行检验，但上述研究并未充分考虑到霜冻的影响因子，仅从趋势分析和周期分析相互叠加的方法做初霜冻预报，且试报结果不理想。鉴于此，本研究将利用库尔勒市气象局多年地面观测资料，在充分考虑风速和云量对其影响的情况下，拟给出该地区的霜冻特征和预报方程，以掌握该地区霜冻的发生规律，提早做出霜冻预判，制定相应的农业措施，以减少霜冻对该地区农作物的危害，为库尔勒市后期的农业服务提供一定的科学依据。

1　数据来源与方法

植物枯黄期不适宜统计霜冻期，果树在冬季时遇到低温，此时为休眠过冬期。因此选用库尔勒市气象局2003—2012年春、秋季节地温、气温、气压、风速、云量等气象要素。当日最低气温和最低地温选取时段为前一日20时至当日20时，风速、云量资料均为整点观测值，风速选用2 min平均风速，云量选用总云量。

霜冻是指土壤表面或植株表面的温度下降到足以使得农作物遭受冻害甚至死亡的一种天气现象，发生霜冻时，地面温度通常低于或接近0℃[23]。借鉴中国气象局发布霜冻预警信号的标准中的降温等级，在本研究中规定当-3℃＜最小地面温度（Tmin_sur）≤0℃时，为轻微霜冻；当-5℃＜Tmin_sur≤-3℃时，为一般霜冻；当最小地面温度≤-5℃时，为严重霜冻。

2　结果与分析

2.1　霜冻的时间分布特征

库尔勒市2003—2012年间，初霜期约在10月20日前后，最早出现在9月30日，终霜期约在3月28日前后，最晚出现5月19日。春、秋季共出现霜冻666 d，年平均为66.6 d，其中轻微霜冻117 d，一般霜冻141 d，严重霜冻408 d（表1）。

表1　2003—2012年霜冻月分布　d

库尔勒市从9月起至次年5月均有可能出现霜冻，春、秋霜冻主要出现时段为10月、11月和次年的3月，其余月份累积出现霜冻天数仅为总数的8.26%，出现频次明显少于上述3个月。从霜冻级别来看，严重霜冻出现次数最多，一般霜冻次之，轻微霜冻出现次数最少，分别占总数的61.3%、21.2%和17.5%。严重霜冻主要出现在11月和3月份，占总霜冻日数的54.4%，5月和9月未出现过严重霜冻；一般霜冻主要出现在10、11月和次年的3月，4月次之，5月和9月同样未出现过一般霜冻；轻霜冻一般出现在初霜期和终霜期阶段。

霜冻与冷空气活动密切相关。库尔勒市霜冻的高发时段就出现在当年秋末至次年春初这段时间。11月冷空气活动开始活跃，平均气压为1 030.2 hPa，因此出现霜冻次数最多，3月冷空气活动开始减弱，平均气压降为1 020.0 hPa，此时虽然霜冻出现次数仍较高，但是严重霜冻次数明显减少，4月和5月冷空气活动大幅减弱，4月平均气压下降至1 012.5 hPa，到5月仅为1 007.5 hPa。9月平均气压为1 010.2 hPa，到10月平均气压有10 hPa的加压，从10月开始霜冻次数明显增加。

2.2　霜冻与气象要素之间的关系

2.2.1霜冻与最低气温

霜冻是指地表最低温度（以下简称Tmin_sur）低于0℃的一种天气现象，所以霜冻与最低气温（Tmin_air）的关系就是Tmin_sur与Tmin_air的关系。近地面大气的主要热量来源于地面长波辐射，地面长波辐射的强度取决于地面温度，且与地面温度呈正相关关系，因此地面温度与气温密切相关。

定义T′为最低气温与最低地面温度之差，即T′=Tmin_air-Tmin_sur（以下类同）。由图1a可知，二者差值介于-3～8 ℃，T′＜0仅为总数的3.4%，T′在0～2 ℃占统计总数的15.8%，T′＞5 ℃的只有8.3%，T′在3～5 ℃的比例最高，占总数的72.5%。由此可知绝大多数情况下，Tmin_air比Tmin_sur要高3～5 ℃。霜冻预报，即Tmin_sur的预报可以参考Tmin_air的预报标准，在其基础上下降3～5℃，如果Tmin_air预报为3℃，则Tmin_sur很大可能达到0℃或以下，满足霜冻标准。

进而分析可知，T′月变化近似呈正弦趋势分布（图1b），在3和11月前后出现2个极大值，平均值分别为5.62℃和4.87℃，而极小值出现在8月，平均值为2.48℃，可见不同的季节背景，二者差值差异较大，低值区出现在夏季，高值区出现在秋末冬初和春季。

2.2.2霜冻与海平面气压

霜冻和冷空气的活动密切相关，海平面气压在一定程度上可以表示冷空气的强弱。由于地面最低温度常出现在清晨，因此选取08时（北京时，以下同）海平面气压作为当日气压，分析海平面气压与霜冻之间的关系。

图2是2003—2012年春、秋季08时海平面气压与Tmin_sur的关系，分析发现Tmin_sur与08时气压呈反相关关系，08时海平面气压越高Tmin_sur越低。通过线性拟合得到拟合方程为：

求得a=-0.669，b=684.4，则方程变为：

图1　温差T′的分布特征

图2　08时海平面气压与地面最低温度的关系

根据拟合方程计算求得当Tmin_sur≤0时，P08≥1 023.0 hPa，即当08时海平面气压＞1 023.0 hPa时，Tmin_sur＜0 ℃，达到霜冻标准。

图3　不同气压下霜冻概率及霜冻级别

图3为2003—2012年春、秋季节早晨08时气压与霜冻发生的概率关系，由图可见当海平面气压小于1015 hPa时，出现霜冻的概率很低，仅为4.8%，当气压在1015～1020 hPa之间时，出现霜冻的概率上升至32.5%，当气压在1020～1025 hPa时，霜冻发生的概率为58.1%，所以在霜冻预报工作中，08时海平面气压超过1020 hPa时，应结合其他要素考虑是否会出现霜冻。当08时气压超过1025 hPa时，发生霜冻的概率达84.7%，因此仅凭气压单个指标预报霜冻，准确率就可以达到较高水准。在发生霜冻的情况下，08时气压不同，则造成霜冻的严重程度也不同，轻微霜冻和一般霜冻大都发生在气压小于1025 hPa，严重霜冻在气压高于1030 hPa时发生的概率为75.8%。

2.2.3风速和云量对霜冻的影响

影响霜冻的关键气象要素是Tmin_air，然而在Tmin_air相同的情况下，风速和云量影响着Tmin_air与Tmin_sur之差。为了研究风速和云量对Tmin_air与Tmin_sur之差的影响，选取2003—2012年春、秋季节的云量、风速、Tmin_air和Tmin_sur资料。由于地面降温时间多在夜间，云量选用夜间02时人工观测的总云量资料，风速选用02时自动观测仪器测得的2分钟平均风速。

风速对T′的影响较大，当风速＜1 m/s时，3月对其影响最大，T′平均值可达5.54℃，影响最小的出现在9月，T′平均值为2.99 ℃。当风速在1～3 m/s时，对T′的影响最为显著，其中最大值出现在3月，平均值为6.28℃，最小值出现在9月，平均值为3.44℃，当风速大于3 m/s时，11月对T′影响最小，平均值为2.00℃，3月对其影响最大，平均值为5.21℃。

云量同样是T′的一个重要影响因子，随着云量的增加，T′的差值越小。以11月为例，在晴朗少云的时候（0～3成云量），T′的平均值为5.30 ℃，而云量为8～10成时，T′为3.51 ℃。

2.3　云量和风速对地面最低温度的综合作用

对霜冻短期预报的前提是对Tmin_air的预报，这是一项日常预报项目，现阶段有关Tmin_air的预报已建立了成熟的思路和方法，且准确率较高，因此霜冻短期预报的关键是对T′的预报。由于随着季节、风速、云量的变化，T′变化较大，用拟合方程误差较大，采用查表法预报霜冻相对简单而准确。

其中TF为风速的影响，TY为云量的影响。当Tmin_sur≤0时，预报将出现霜冻。TF和TY采用查表法（表2），所占比例均为50%。

表2　风速和云量的影响

通过2003—2012年10 a的气象资料对所得预报方程进行检验，结果如表3所示。利用此方程对各月的Tmin_sur进行预报，当预报值与实际值差值的绝对值小于等于2℃时，就认为预报值为正确。从表3可知，9、3、4和5月的Tmin_sur预报准确率都超过了80%，预报准确率最低的11月也达到了70.0%。

对霜冻进行检验，2003—2012年春、秋季节共发生666 d霜冻，其中预报准确的有599 d，空报38 d，漏报29 d。TS评分计算公式为：

TZ为准确天数，TK为空报天数，TL为漏报天数，则TS=89.9%，空报率为5.7%，漏报率为4.4%。可见此方法对霜冻的预报有较好效果。

表3　Tmin_sur与霜冻预报

3　结论

利用库尔勒市气象局2003—2012年春、秋季节地温、气温、气压、风速、云量气象要素进行分析，在充分考虑风速和云量对预报方程的影响下，得出如下结论：

（1）库尔勒市春、秋季节均会出现霜冻，最早出现在9月，最晚出现在次年5月，霜冻主要出现时段为10月、11月以及次年的3月。

（2）最低气温与最低地面温度之差介于-3～8℃，其中在3～5℃之间占总数的72.5%。霜冻预报，即Tmin_sur的预报可以参考Tmin_air的预报标准，在其基础上下降3～5℃，T′在夏季最小，秋末冬初和春季较大。

（3）根据拟合方程计算可知当08时的海平面气压高于1 023.0 hPa时，Tmin_sur＜0 ℃，达到霜冻标准。当08时气压低于1015 hPa时，发生霜冻的概率很低，仅为4.8%；气压超过1025 hPa时，出现霜冻的概率达84.7%。

（4）通过最低气温、云量和风速建立的最低地面气温预报方程，分别对最低地面温度和霜冻做出预报，其中最低地面温度预报的准确率在70.0%～83.5%之间，霜冻预报的准确率为89.9%，空报率为5.7%，漏报率为4.4%，效果良好。