2018年吉县苹果花期霜冻害成因分析及气候特征研究

杨斌斌，李旸，孙悦，贺东东，代淑媚

1.山西省临汾市气象局，山西 临汾 041000；2.山西省气象服务中心，山西 太原 030000

0 引言

霜冻是一种常见的农业气象灾害，在山西其严重程度仅次于干旱.而极端强度的霜冻对农业带来的影响会更大，导致农作物或经济林大量减产.为了认识霜冻的发生演变规律多年来国内外无数的科研工作者已从不同角度作了大量研究：各地霜冻的气候特征和变化存在明显的区域性差异，霜冻日数在近10年有明显减少的趋势[1～6]；在年变化上，初霜冻日有显著推迟，终霜冻日显著提前的趋势[7～10]；赵桂香，范卫东等[11]研究指出，初霜冻日推后、终霜冻日提前、无霜期延长，但不同区域其结果存在一定的差异，临汾不在终霜冻日显著提前的区域.吴海婷[12]等对临汾市0 ℃界限温度气候特征研究表明，吉县≥0 ℃初日常年在2月27日出现，年代变化有提前趋势，说明吉县终霜冻日提前，一旦发生晚霜冻，低温持续时间长，很容易使果树冻伤，造成毁灭性的灾害[13].

2018年4月6日～7日，受强冷空气影响，吉县出现大风降温天气，6日白天出现大风，风力达6级～8级，极大瞬时风速达17.3 m/s，24 h最低气温下降了7.7 ℃，7日早晨最低气温降至-4.8 ℃，为近38年以来的第三最低值.这次大风降温过程的出现范围广，强度大，持续时间长，为历史罕见，使得正处于盛花期的吉县红富士苹果遭受了严重的冻害，冻害使苹果花柱头、花粉管、子房不同程度坏死变黑，对果树的产量及果实品质造成严重影响[14].据调查得知本次冻害有三成果园发生轻度花期冻害，四成果园发生中度花期冻害、三成果园发生重度花期冻害，受灾面积11 866.7 公顷，经济损失为15 512.5万元.因此有必要对此次霜冻强度作细致的研究分析，探讨其发生的气候特征，对提高当地的霜冻预测和防御能力有着十分重要的意义.

1 2018年4月6日～7日花期霜冻害情况分析

1.1 冷空气强度

对于霜冻强度的定义，很多文献中表示为：地表温度≤0 ℃，≤-2 ℃和≤-5 ℃分别为轻微、中度和重度终霜冻.

从2018年4月6日～7日吉县逐小时地表最低气温时序图(图1)可以看出，4月6日～22日地表最低气温开始小于0 ℃，7日00时降到-2 ℃以下，至6时降到最低-4.8 ℃，所以6日夜间吉县冻害以中到重度为主，持续7小时左右.受7日白天太阳辐射的影响，气温迅速回升，7日夜间地表温度最低为-2.1 ℃，只持续两小时，对果花的冻害影响不大.

图1 吉县2018年4月6日21时～7日10时地表最低温度Fig.1 Minimum surface temperature in Jixian from 21：00 to 10：00 on April 6 in 2018

1.2 冻害原因

2018年3月吉县月平均气温为9.6 ℃，较历年同期平均5.1 ℃偏高4.5 ℃.吉县3月上、中、下旬旬平均气温分别是6.2 ℃、9.4 ℃、13.0 ℃，分别比历年同期偏高3.6 ℃、4.1 ℃、5.8 ℃.3月温度异常偏高，致吉县苹果开花期显著提前，较常年平均4月17日提前近10天.果树开花期抗寒力弱，对低温忍耐力差，剧烈的降温和持续的低温出现，果树越容易受灾[14～16].强冷空气与盛花期叠加，是导致本次强冻害的主要原因.

2 吉县苹果花期霜冻害气候特征

2.1 资料和方法

选取临汾市吉县1981年～2018年4月逐日地表0 cm最低温度作为霜冻资料，在确保时间序列完整的前提下，对期间一些有疑义的数据进行逐一核实查证.本文采用线性倾向法，分析吉县1981年～2018年4月霜冻日的演变情况；采用M-K法检测霜冻强度在演变过程中可能出现的间断点即突变点；用Morlet小波分析，分析1981年～2018年4月吉县霜冻强度的周期性变化特征.

2.2 1981年～2018年吉县苹果花期霜冻年变化特征

1981年～2018年中吉县4月共出现霜冻191天，月平均5.0天；其中有4年的4月未出现霜冻，分别为1989年、1998年、2014年和2016年；最多年份出现在1996年和2010年，分别为12天.由图2可见，霜冻日数20世纪80年代为57天，90年代达50天，21世纪初十年为56天，各年代际变化不大，而2011年～2018年仅28天，霜冻日数呈明显的下降趋势，这与大趋势的变化是一致的，其变化可用线性方程y=-0.054 6x+6.091表示，其气候倾向率为-0.5 d/10 a，即吉县4月份霜冻日以每10年减少半天速度减缓.

2.3 1981年～2018年吉县花期霜冻M-K间断点分析

图3给出1981年～2018年吉县4月最低霜冻值的突变检验.其中UF和UB为统计曲线，取±1.96为临界曲线的M-K检验值，在整个研究时段发现UF、UB两条曲线的杂点较多，没有特别明显的突变点，UF值始终在0线以下，说明1981至今吉县的霜冻强度呈加强的趋势，在2003年～2013年有明显的下滑趋势，并在2010年后的几年内超过-1.96的临界值，于2013年达到了降温的极限值，说明该时段降温极其显著，超过0.05显著性水平.而在2013年之后转入逐渐回升的趋势.统计数据可见，2013年4月0 cm最低气温为-6.2 ℃，2015年为-3.3 ℃，而2014年和2016年的4月却未出现霜冻，说明了阶段性回暖后仍有出现气温极低的可能.

2.4 1981年～2018年吉县花期霜冻小波特征分析

小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部性，可以对信号进行多尺度分析并能聚焦到所研究对象的任意微小细节，可用小波实部和小波方差来表达.图4小波实部可以看出，吉县的霜冻强度震荡周期波形清晰层次分明，存在多尺度的震荡周期.在28年～29年附近时间尺度上，震荡周期清晰可见，其中1981年～1984年，1997年～2005年，2015年～2018为正位相，表示该时段霜冻强度偏强；1986年～1996年和2006年～2014年为负位相，表示该时段霜冻偏弱.从图中还可以看出，在整个研究时段还存在14年～15年的周期，呈现出弱-强-弱-强-弱-强-弱-强8个阶段的明显震荡，此阶段等值线稀疏，说明此阶段霜冻强度变化相对平稳.在1981年～2006年间，还存在6年～7年的周期，期间1997年～2001年等值线相对密集，说明该时段霜冻起伏性大，忽高忽低的现象明显；在2006年～2018年，在4年附近的时间尺度上也出现了小周期，闭合等值线稀疏，震荡周期较弱.从吉县霜冻的小波方差分布图(图5)可以看出，其小波方差有3个峰值，对应时间尺度分别为7 a、14 a、29 a，而在这些周期中29 a峰值最高能量最大，其次是14 a，因此29 a是吉县霜冻强度变化的主周期，14 a是霜冻强度变化的次周期.

图2 1981年～2018年吉县4月霜冻出现次数演变趋势Fig.2 ThetrendchangeoffrostfrequencyinAprilfrom1981to2018inJixian图3 1981年～2018年吉县花期霜冻M-K检验分析Fig.3 M-Ktestofthefrostinflorescenceinfrom1981to2018inJixian

图4 1981年～2018年吉县花期霜冻小波实部特征Fig.4 WaveletrealfeaturesoffrostinflorescenceininJixianfrom1981to2018图5 1981年～2018年吉县花期霜冻小波方差特征Fig.5 WaveletvariancefeaturesoffrostinflorescenceininJixianfrom1981to2018

3 小结

(1)该次冷空气出现范围广，强度大，持续时间长，为近38年以来第三最低值，由于前期3月温度异常偏高，使得吉县红富士苹果花期提前近10天，盛花期遇强冻害，是造成果花受冻的主要原因.

(2)吉县1981年～2018年霜冻日的气候倾向率为-0.5 d/10 a，即吉县霜冻日数呈现出每10年减少半天的趋势；从霜冻强度来看，吉县的霜冻强度呈加强的趋势，2003年～2013年是明显的加强时段，2013年之后开始减弱；从间断点看出，1981年～2018年没出现明显的突变点，说明未来出现强霜冻的可能性仍是存在的.

(3)从变化周期来看，呈现出多层次的周期性结构，主周期29 a，次周期14 a.14 a这个周期上强度的震荡相对平缓.

4 存在的问题

本研究过程中使用的霜冻资料来源于气象观测资料，而并非果树种植处之数据，另外果花的冻害程度与地理位置(迎风坡、背风坡)、周围环境(高大树木、建筑阻挡)、以及地形(山坡、洼地)等都有密切关系，所以研究结果难免会出现偏差.要解决数据的代表性问题，就需要在果树种植处安装农田小气候仪，以便研究出更加科学合理的数据，达到防灾减灾的目的.