河西走廊东部一次霜冻天气过程成因及其对农业的影响

2019-11-08钱莉，杨鑫，滕杰

沙漠与绿洲气象 2019年5期

钱莉，杨鑫，滕杰

（1.武威市气象局，甘肃武威733000；2.甘肃省气象局，甘肃兰州730020）

霜冻是影响范围较大的灾害性天气，发生地区几乎遍及全国各地，并危害多种农林作物。霜冻又分为早霜冻和晚霜冻两种，西北地区一般晚霜冻结束期在4 月下旬—5 月中旬，此时小麦、玉米、马铃薯、露地瓜菜和葡萄、苹果、梨等农林作物正处于幼苗生长和开花坐果阶段，抗冻能力弱，往往造成严重灾害。

河西走廊东部是甘肃省重要的农业产业基地，仅武威市2016 年特色林果业总面积就达到11.2 万hm2，且成为农民增收新的增长点。霜冻是河西走廊东部主要的农业气象灾害，随着全球气候变暖，作物生育期提前，晚霜冻出现日期推迟，对玉米苗期、经济林幼果和花期危害程度加剧。 2004 年5 月2—5日河西走廊东部出现的晚霜冻灾害造成正值苗期的大部分农作物受冻，植物茎杆软化，叶色变褐，枯萎死亡；玉米、棉花、瓜类、豆类等喜温作物受冻全部成重灾，正值花果期的苹果、桃子、杏子、梨等果类和酿造葡萄基本绝收，直接经济损失达2.65 亿元。 2011年5 月12 日河西走廊东部的民勤县出现霜冻，造成棉花、瓜果作物受灾面积达0.39 万hm2，直接经济损失达1321.1 万元。

张养才等[1]对中国农业气象灾害研究进展进行了论述，目前针对霜冻天气气候特征及其对农业生产危害和预防措施的研究已经不少[2-7]，对一些典型霜冻成因和对策研究已有许多[8-12]，对霜冻气象风险评估和气候预测已初步开展[13-20]。关于霜冻已有的研究成果大多研究霜冻天气发生的成因、预报、预测、风险评估，而霜冻发生程度及冻害对农作物影响机理研究较少。霜冻天气虽然出现概率小，但来势猛，影响范围广，预防难度大，危害重，是天气预报工作的重点和难点。据历史资料显示，河西走廊东部最强霜冻天气过程出现在1976 年5 月4 日，浅山区和川区地面最低温度和最低气温分别为-7.1、-3.0 ℃；冻害最重的霜冻过程出现在2004 年5 月2—5 日，浅山区和川区地面最低温度和最低气温分别为-6.4、-4.7 ℃，冻害持续3 d，共造成直接经济损失2.65 亿元[8]。 2016 年5 月15 日出现的这次霜冻过程，浅山区和川区地面最低温度和最低气温分别为-4.9 ℃、-3.2 ℃，从地面最低温度和持续时间看，均不是很强，但为何造成的农作物冻害如此严重呢？本文选取河西走廊东部2016 年5 月14—15 日武威、民勤、古浪、天祝、永昌、乌鞘岭6 个国家自动气象观测站的逐小时气温、0 cm 地温、最低气温、最高气温、地面最低温度、相对湿度观测值，以及研究区内93 个区域气象观测站逐小时气温、最低气温、最高气温观测值，结合高空和地面形势特征及物理量场等因素分析研究了这次霜冻过程的成因。希望能揭示霜冻天气发生的天气特征及不同发生程度的成因，进一步提高预报和防御能力，减免和降低其造成的经济损失。

1 灾情及天气实况

2016 年5 月11—14 日受强冷空气东移南压影响，河西走廊东部（包括武威市的三县一区和金昌市的永昌县）出现区域性寒潮（有3 站48 h 平均气温降幅≥12 ℃），15 日清晨出现区域性霜冻，区域内地面极端最低温度降至-6.5 ℃，浅山区和川区地面最低温度达-4.9 ℃（表1），作物出现冻害；15 日最高气温迅速攀升，区域内极端最高气温升至27.6 ℃，剧烈的升温进一步加重了受害程度。区域内南部为海拔2000 m 以上的山区和高山区，主要以森林和草原为主，少数耕地种植的农作物也为抗冻性较强的青稞、小麦等农作物和油菜等经济作物，且播种迟，5月上中旬的晚霜冻对沿祁连山区农林牧业影响较轻。海拔在2000 m 以下的区域为浅山区和川区平原，是区域内主要农作物、经济类作物和特色林果业的种植区，也是晚霜冻主要影响区域。冻害严重地区发生在河西走廊东部的川区和沿山区，主要出现在凉州区西营镇、洪祥镇、永昌镇、张义镇、双城镇、黄羊镇以及古浪县的海子滩镇、直滩镇、土门镇等（图1），共计51 个乡镇294 个村28.97 万人受灾，农作物受灾面积44 414.9 hm2，冻害共造成直接经济损失12 829 万元。受冻的农作物主要为玉米、马铃薯、葵花、豆类、瓜菜、油料、小麦和中药材等，特别是玉米70%以上严重受冻，估计减产50%；受灾的特色林果业为皇冠梨、酿造葡萄、苹果、红枣等，特别是酿造葡萄、皇冠梨90%以上严重受冻。此次霜冻灾害损失仅次于有气象记录以来冻害灾情最重的2004年5 月2—5 日冻害过程。

表1 5 月15 日河西走廊东部六站霜冻实况

图1 5 月15 日河西走廊东部最低温度分布

2 天气成因分析

2.1 高空形势演变

5 月14 日08 时500 hPa 高空图上亚欧中高纬度为两槽一脊型，高压脊位于新疆至贝加尔湖西侧，两个低压槽分别位于乌拉尔山和贝加尔湖附近（图2a）。新疆至贝加尔湖西侧高压脊后有暖脊强烈发展（△T24中心达20 ℃），高压脊前暖平流加强，促使高压脊向东北方向伸展，脊前强偏北急流引导冷空气向南爆发，贝加尔湖低槽曲率明显加大，温度槽落后于高度槽，槽前后变高为北正南负配置，差值达+24 dagpm，有利于贝加尔湖低槽东移南压加强。河西走廊处在贝加尔湖低槽底部和新疆脊前的西北气流中，伴有明显冷平流，河西走廊中部△T24中心达-9 ℃，-20 ℃等温线最南点位于河西走廊西北部（41°N，98°E），由于无西南暖湿气流配合，这次过程为干冷空气影响。此时，700 hPa 河西走廊西部存在明显的冷温度槽，冷锋前沿在内蒙古的阿拉善地区到张掖一线，河西走廊存在≥12 m·s-1的低空北风急流和强冷平流，等温线与等高线近乎垂直，河西走廊东部△T24达-11 ℃，说明冷平流强，强的变温梯度和斜压性有利于贝加尔湖低槽南压加强（图2b）。

14 日20 时500 hPa 高空图上，原位于中亚的暖脊由于脊前暖平流的作用快速向东北方向发展（△T24中心为14 ℃），新疆东部至河西走廊中西部为暖高压脊控制，脊线位于哈密附近。贝加尔湖槽明显东移南压加强，槽线位于内蒙古东部至河套地区，并出现-28 ℃冷温度中心，-20 ℃等温线最南点南压到河西走廊东部（38°N，103°E），河西走廊处在低槽底部和新疆脊前的西北气流中。由于低槽前后变高差达+25 dagpm，且为西北—东南向配置，有利于低槽快速东移南压（图2c）。此时，700 hPa 冷温度槽已移到关中地区，河西走廊被高压脊控制，并在河西走廊西部出现317 dagpm 的高压中心，850 hPa 河西走廊也处在高压中心包围之中，18 ℃的暖脊已从南疆伸入河西走廊西部。 15 日08 时500 hPa 贝加尔湖低槽东移南压到东北—华北地区，原位于哈密附近的高压脊东移北上到蒙古国一带，河西走廊处在脊底部的西北气流中，并且有明显的冷温度槽配合（图2d）。对应850 hPa 河西走廊处在-8 ℃的冷温度中心的控制之下。河西走廊近地面附近强冷温度中心加上高压脊控制下的晴朗微风天气促使霜冻灾害爆发（图2e）。

图2 5 月14 日08 时—15 日20 时高空环流形势演变

15 日20 时500 hPa 高空图上，贝加尔湖槽已移到渤海附近，河西走廊处在高压脊控制之下，对应850 hPa 青藏高原暖脊强烈发展，形成24 ℃的闭合暖中心（图2d），并在河西走廊出现ΔT24升温达10 ℃。

由此可见，这是一次强冷空气经西伯利亚—新疆北部—蒙古—内蒙古东移南下，在甘肃河西走廊东部爆发的强霜冻过程。这次霜冻过程的一个特点是中亚高压脊强烈发展，脊前北风急流不断将极地冷空气向南输送，冷空气在河西走廊堆积，使气压梯度、温度梯度加大，从而为河西走廊东部霜冻形成提供了冷空气条件。另一个特点是冷空气过后，原位于中亚的暖高压脊迅速控制河西走廊，河西走廊原冷温度中心快速被暖温度中心替换，气温迅速上升，巨大的冷热温差加重了冻害影响程度。

2.2 地面形势和云图反映

14 日08 时—15 日08 时地面冷高压不断扩散南下，14 日20 时霜冻灾害发生前河西走廊处在冷高压中心，中心值为1026 hPa，地面图上河西走廊天空状况为晴空，风速4 m·s-1，天气现象无降水，民勤、凉州温度露点差达33 ℃，近地面湿度小；从FY-2E 红外云图上也可看出，河西走廊均无云。本次霜冻是较为典型的平流、辐射混合降温型晚霜冻。晴朗、微风、干燥的环境场有利于辐射降温，再加上受地面冷高压扩散南下降温影响，共同促发霜冻灾害的发生。 15 日05 时永昌、古浪、天祝、凉州0 cm 地面温度均≤0 ℃。

2.3 物理量场分析

由于空气水平运动将引起气温局地变化。冷平流使局地气温下降，冷平流越强，局地气温下降越明显。冷空气的强弱与降温层次成正比，冷空气越厚，降温越大。沿37.5°N 作垂直剖面，分析14 日08 时高空850～300 hPa 总温度平流场-V·△Tσ的垂直剖面图，发现河西走廊东部（101°~103°E）850～300 hPa均为冷平流控制，冷平流中心出现在500 hPa，中心值为-74.4×10-4℃·s-1，且冷平流中心由高空向低空嵌入。由此可见，此次冷空气过程影响河西走廊东部时，存在深厚的冷平流，对流层中层为强冷平流中心控制，高层冷平流向近地面传递（图3）。强冷平流和深厚的冷平流层是造成15 日清晨强霜冻的主要原因。

图3 5 月14 日08 时总温度平流沿37.5°N 垂直剖面

分析2016 年5 月14 日08 时—15 日20 时500 hPa -V·△Tσ 变化发现，14 日08 时河西走廊东部处在冷平流中心控制（图4a），中心强度达-99.9×10-4 ℃·s-1；14 日20 时冷平流中心东移南压到甘肃东南部，但河西走廊东部仍处在-40×10-4℃·s-1的冷平流等值线控制之下（图4b）；15 日08 时冷平流中心继续东移南压到陕北一带，河西走廊西部已处在46.3×10-4℃·s-1的暖平流中心，河西走廊东部处在冷平流的尾部（图4c）；15 日20 时整个河西走廊被宽广的暖平流中心控制（图4d），中心强度达53.3×10-4℃·s-1。由此可见，这次过程的另一个特点为冷暖平流均强且交替迅速。

2.4 霜冻预报指标

根据霜冻形成机制，以西北气流强冷平流为主要特征，从天气学意义出发，高空风速越大、等温线越密集、冷平流越强，降温幅度越大；地面湿度越小，则不利于凝结潜热释放而有利于霜冻的形成。核对武威市气象局霜冻预报指标[21]，发现此次霜冻过程，内蒙古西部到河西走廊500 hPa 最大风速为34 m·s-1、最大△H24为10 dagpm、T马鬃山=-19 ℃、T张掖=-19 ℃、T民勤=-20 ℃， 700 hPa T酒泉=-3 ℃，均满足晚霜冻预报指标（表2）。

3 霜冻对农作物影响

3.1 剧烈降温和长时间0 ℃以下低温使冻害严重

图4 5 月14 日—15 日500 hPa 总温度平流演变

表2 河西走廊东部晚霜冻预报指标及实况值

选取冻害严重区域川区和浅山区永昌、凉州、古浪3 个代表观测站资料，分析发现2016 年5 月15日最低气温永昌-3.2 ℃、凉州4.4 ℃、古浪0.5 ℃；地面最低温度永昌-4.9 ℃、凉州-0.2 ℃、古浪-3.9 ℃。2016 年5 月14 日21：00—15 日20：00 气温和0 cm地面温度变化显示（图5a、5b），14 日夜间至15 日清晨气温急剧下降，温度最低值均出现在清晨06 时。进一步利用区域内99 个气象观测站逐小时气温计算≤0 ℃的持续时间（图6），发现气温≤0 ℃的持续时间存在2 个大值中心，一个位于海拔2000 m 以上高山区的天祝县乌鞘岭（海拔高度3040 m），达14 h；另一个位于川区的凉州区林技中心，达9 h，这个也是受灾最严重区域。由此可见，剧烈降温和长时间气温持续≤0 ℃，使川区和浅山区玉米、瓜类、蔬菜等喜温作物无法忍受长时间的低温而冻伤甚至死亡，正处在萌芽、现蕾和开花期的酿造葡萄、皇冠梨等经济林抗寒能力较弱，长时间的持续低温使经济林的叶片、新稍、花序、幼果绝大部分冻死，萎蔫干枯，损失惨重。

3.2 霜冻出现时间偏晚，农作物抵抗低温冻害能力下降

春季霜冻出现越晚，对农作物危害越大。受全球气候变暖的影响，河西走廊东部农事活动普遍提前，加之2016 年4 月气温偏高幅度达1.5 ℃，使春季大田农作物播种后生长加快。据调查，2016 年玉米播种到三叶期较前10 年平均提前1 d，春小麦播种到三叶、拔节期较前10 a 平均提前11、3 d。由于作物发育期提前，各生育阶段对气温的要求越来越高，相应抗冻能力减弱。河西走廊东部川区晚霜冻结束期常年出现在4 月下旬末至5 月初，本次晚霜冻出现时间比常年偏晚15 d，5 月中旬作物耐受低温能力明显下降，此时，即使出现短时的低温，对农、林作物也有很大的威胁。

图5 5 月14 日21:00—15 日20:00 代表站气温和0 cm 地面温度变化

图6 5 月14 日21:00—15 日20:00≤0 ℃气温持续时间分布

5 月中旬河西走廊东部春小麦正处于三叶—拔节期、玉米处于三叶期、葡萄正处于新梢生长和花序形成期、苹果和梨正处于坐果期，菜豆、黄瓜、番茄、瓜类等处在幼苗期，根据气象行标《作物霜冻冻害等级》（QX/T88-2008）[22]，此时小麦的受冻临界温度为-3 ℃，玉米的受冻临界温度为-1 ℃，葡萄的受冻临界温度为0 ℃，苹果的受冻临界温度为-0.5 ℃，梨的受冻临界温度为0 ℃，瓜菜类的受冻温度在1～2.5 ℃。本次冻害武威市川区和浅山区平均最低气温为-1.1 ℃，局地最低气温为-5.8 ℃，超过了玉米受冻临界温度，葡萄、苹果、梨、瓜菜等达到了中等强度霜冻害标准。特别是灾情严重的凉州区林技中心附近，最低气温为-3.1 ℃，达到了玉米、葡萄、苹果、梨、瓜菜重霜冻标准。从作物冻害程度看，最重的为酿酒葡萄、皇冠梨，90%以上严重受冻；其次为玉米，70%以上严重受冻。

3.3 冻害发生后剧烈升温和降湿使冻害加重

本次霜冻过程中快速升温与低湿条件成为冻害升级的又一个主要因素。从图5a 可以看出15 日06时冻害最为严重，之后气温相继进入攀升阶段。分析显示，从出现最低气温到升至最高气温受灾最重的浅山区和山区3 个代表站（永昌、凉州、古浪）的气温以平均≥1.9 ℃·h-1速度攀升，17 时气温达到一日最高，最高温度永昌19.5 ℃、凉州25.1 ℃、古浪20.9℃，气温日较差分别为24.4、25.3、24.8 ℃。进一步利用区域内99 个气象观测站最高、最低温度分析了15 日气温日较差的空间分布，发现气温日较差大值中心出现在冻害严重的凉州区林技中心，达29.4℃。在冻害发生后，作物受冻细胞自我修复时段内温度迅速攀升，使受冻作物解冻速率显著加快，不仅使作物受冻细胞不能正常恢复，而且强烈光照使幼苗与幼果细胞水分迅速失调，叶片蒸腾加剧，使作物叶片、枝干、果实灼伤，受灾程度加重。如玉米在灾后救助中不得不剔除幼苗受冻叶片，受灾严重地区甚至改种，产量受到极大影响；皇冠梨和酿造葡萄在灾后剔除了冻伤幼果，但受灾果品依然着色不均、斑痕明显，进而影响到成熟期果品品质。

霜冻过程中随着低温来临，相对湿度越小，水汽凝华潜能越小，这种“黑霜”现象比“白霜”危害更为严重。从图7 可以看出本次冻害受灾最重的川区和浅山区3 个代表站日平均相对湿度为18%，01—06时冻害严重时平均相对湿度永昌29%、凉州27%、古浪38%，低温冻害加上空气干燥，加重了受灾深度。白天随着气温的攀升，相对湿度迅速减小，气温升高到一日最高时，相对湿度达到一日最小，3 个代表站最小相对湿度永昌7%、凉州3%、古浪8%（图7）。研究表明，霜冻使植物细胞间隙的水形成冰晶，消耗了细胞水分，引起原生质脱水使原生质胶体变质，在严寒霜冻后，气温突然回升、空气湿度迅速下降，则作物渗出来的水分很快变成水汽散失掉，细胞失去的水分没法复原，叶片就会干枯，受灾程度加剧[23]。

图7 5 月14 日21:00—15 日20:00 代表站相对湿度变化

4 讨论与结论

4.1 历史上灾害最重的3 次强霜冻过程特征对比

本次过程与历史上灾情严重的“2004·5·2—5”和“2011·5·12”强霜冻过程相比，“2004·5·2—5”强霜冻过程连续3 d 最低气温≤0 ℃，本次强霜冻和“2011·5·12” 强霜冻过程均只有1 d 最低气温≤0 ℃。“2004·5·2—5”强霜冻、“2011·5·12”强霜冻和本次强霜冻过程结束后日平均气温分别上升了2.9、4.4、6.6 ℃，本次霜冻过程后升温幅度最大。由此可以看出，“2004·5·2—5” 强霜冻冻害为持续低温冷害所致，本次强霜冻和“2011·5·12”强霜冻冻害为平流降温和辐射降温所致，所不同的是本次霜冻过程后伴随温度急剧上升，加之湿度极低，加重了对植物的危害。