石榴冻害综合气候指标等级划分及应用

赵 静，杨 政，张 欣，范静儿，郭晓成

(1.西安市临潼区气象局，陕西 西安 710600；2.西安市果业技术推广中心，陕西 西安 710600)

石榴作为陕西临潼特色优势产业，一直以来受到政府有关部门及社会各界的高度重视和大力支持，临潼现有石榴种植面积5 333余hm2，在骊山北麓形成了一条东西长约30 km，南北宽约5～10 km的石榴林带，全区10个街办的2万余农户从中受益，农户年均石榴产业收入达万元左右，占当地果农年收入的约80%。在当前全球变暖的背景下，北半球区域性极端低温事件频繁发生[1-2]，石榴遭受冻害的几率明显增加，对石榴生产造成不同程度的损失。曾有研究引起石榴冻害发生的气象条件，并提出相应的预防措施[3-10]，但针对石榴冻害的综合气候指标研究相对较少，这就造成石榴气象服务存在一定局限性。且石榴冻害指标分级制订存在差异，缺乏统一标准，不利于石榴冻害监测预报预警和灾情评估[11]。因此，本文在前人研究成果的基础上，以临潼区自然条件下发生的冻害为基础，结合实地调查、翻阅资料所得到的低温过程为研究对象，确定临潼石榴冻害临界气温，并对冻害实例进行致灾因子分析，运用聚类分析等方法，构建临潼石榴精细化冻害综合气候指标，为石榴冻害的监测预报预警服务和灾情评估提供技术支撑。

1 数据来源

1996-2020年临潼区石榴产量数据，1991-2020年冬季(当年12月至次年2月)临潼国家气象观测站的逐日平均气温、逐日最低气温和过程降温幅度等数据。

2 研究方法

2.1 计算过程有害积寒

采用文献[12-13]提出的过程有害积寒概念，作为临潼石榴冻害过程中的气象因子进行深入分析。过程有害积寒是指，果树在低温过程中逐时低于临界受害气温的累积值，其计算公式可表示为：

(1)

式(1)中，X代表过程有害积寒(单位：℃·d)，N代表低温过程持续日数(单位：d)，Tc代表冻害临界气温(单位：℃)，Tmin代表日最低气温(单位：℃)，Tmin≤Tc，Tm代表日平均气温(单位：℃)。

2.2 致灾因子标准化

导致临潼石榴冻害的致灾因子较多，为了增强数据可比性，消除量纲影响，需要对各致灾因子进行标准化处理[14-17]，公式为：

(2)

处理后的标准化致灾因子最小值为0，最大值为1，其与原数值相比，只是数据形式的变换，将因子处理成量纲为1，保留了因子的统计学和生物学意义[18]，且不影响数据研究及分析工作。

2.3 确定冻害临界气温

赵静等[19-21]针对临潼石榴受冻特点做出研究，并提出-10 ℃是临潼石榴受冻的临界温度，因此，本文确定-10 ℃为临潼石榴主栽产品冻害的临界气温，即当最低气温≤-10 ℃时，石榴冻害过程开始。

3 结果分析

3.1 确定冻害致灾因子

本文主要分析了冻害过程极端最低气温、持续日数、有害积寒、日最低气温降温幅度等[22-24]以气温作为主要分析对象的气象因子。通过各因子与冻害实例进行相关分析，结果(见表1)表明：过程极端最低气温(X1)、≤-10 ℃低温持续日数(X2)、日最低气温≤-10 ℃的过程有害积寒(X3)、≤-10 ℃过程降温幅度(X4)等与石榴冻害均为显著相关关系[25]。由于研究选取的4个致灾因子是基于临潼石榴灾情调查分析的结果，因此，各个致灾因子具有一定的代表性。

表1 致灾因子间的相关系数矩阵

3.2 计算临潼石榴冻害综合气候指标

通过计算各个致灾因子间的相关性发现，4个致灾因子中除了X4以外的其余致灾因子，两两间均呈显著相关，且达到0.05显著性水平(见表1)，这表明X1、X2、X3之间互有影响，并不独立，适合运用主成分分析法进行数据分析。

因此，采用主成分分析方法时，对X1、X2、X3这3个致灾因子进行综合简化并构建公式。将各致灾因子进行标准化处理，运用R统计软件中的主成分分析函数，对标准化后的石榴冻害3个致灾因子X1、X2、X3序列进行分析(见表2)，提取第1个主成分，其累计方差贡献率已经达到84.6%，说明第1个主成分能够充分代表数据间的波动原因。

表2 方差累积率以及载荷矩阵

通过求解正交矩阵Q(见表3)，可构建临潼石榴冻害综合气候指标Z，表示为：

表3 正交矩阵Q

Z=0.585X1-0.560X2-0.586X3

(3)

因为主成分表达式中系数的正负本身并没有实际意义，有意义的是不同主成分之间统一变量的系数大小：由式(3)可知，在第1个主成分中，3个变量的系数比较接近，这意味着第1个主成分是对3个变量的综合测度，即体现3个致灾因子的信息。

冻害综合气候指标Z与冬季极端最低气温X1呈正相关关系，而与X2、X3呈负相关关系，即表明冬季极端最低气温越低，≤-10 ℃低温持续日数越多、≤-10 ℃有害积寒越大，则冻害综合气候指标Z越小，这与临潼石榴实际发生的冻害过程一致。

3.3 冻害综合气候指标分级

K-means聚类分析是经典的聚类算法，常应用在气象数据分析和农业气象灾害等级划分等方面[26-29]。本文采用R统计软件中的K-means聚类分析函数，通过分析37个冻害等级对应的冻害综合气候指标，并获取各冻害等级对应的Z值，研究中选择冻害综合气候指标作为聚类分析的变量，1996—2020年临潼区石榴产量数据作为标识变量，聚类数分为3类，初始类中心按照系统指定方式确定。结果表明：3个聚类中心点经过2次迭代后，得到最终的各聚类中心分别为-6.77，-7.56，-8.36(见图1)。由此可知，临潼石榴的轻度、中度、重度冻害综合气候指标分级分别为-7.56≤Z<-6.77，-8.36≤Z<-7.56，Z<-8.36，在业务应用中设置相应风险等级颜色，轻度用蓝色表示、中度用黄色表示、重度用红色表示(见表4)。

图1 聚类结果散点图

表4 冻害综合气候指标分级表

3.4 典型年对比验证及网格预报应用

3.4.1 典型年份对比验证

通过结合临潼石榴亩(667 m2)产数据与冻害综合气候指标对应关系发现，冻害综合气候指标及其分级与实际发生的冻害情况较吻合，即可用冻害综合气候指标分析临潼石榴遭受冻害的程度，并对亩(667 m2)产记录未知年份和历史灾情进行验证。

1)计算1991-1993年冻害综合气候指标Z发现，1991年Z值为-14.71，达重度冻害；1992年Z值为-9.50，达重度冻害；1993年Z值为-8.78，达重度冻害。根据查阅资料和走访调查，1991年临潼石榴遭受了历史上毁灭性灾害，验证了临潼石榴在相应年份遭受的冻害等级。

2)2020年冻害综合气候指标Z值为-8.44，达重度冻害。根据园区调查，由于2020年冬季石榴树体受冻，造成石榴果量减少，减产明显，通过z值验证。

3.4.2 精细化网格预报应用

为更好将指标及分级应用于气象服务，选取2020年12月27-31日降温过程为对象模拟进行石榴精细化网格预报服务。

应用个例：临潼区气象台发布重要天气报告,受高空偏南暖湿气流和北方冷空气南下影响，预计12月27-31日将有一次降雪、吹风、强降温天气过程。27日晚-28日城区有小雪，南部山区小到中雪，28-30日有5级左右偏北风，阵风可达6级，30-31日最低气温北部平原-10～-8 ℃，南部山区-12～-10 ℃。

精细化网格预报30日、31日2:00后均出现可能影响石榴生长的冻害温度，根据公式(3)计算Z值为：城区-6.97，为轻度风险;山区-8.73，为重度风险(见表5)。

表5 石榴冻害格点预报气象服务应用

根据表5，基于临潼GIS地图制作临潼区石榴产区受冻风险图用于气象服务，为石榴生产管理提供保障服务(见图2)。

图2 临潼区石榴产区受冻风险图

4 讨论与结论

1)影响石榴冻害的主要气象因子为极端最低气温、低温持续日数和低温过程有害积寒。将3个致灾因子进行标准化处理后，得到的石榴冻害综合气候指标，包括：轻度，-7.56≤Z<-6.77；中度，-8.36≤Z<-7.56；重度，Z<-8.36。

2)通过典型年对比验证及智能网格预报应用，石榴冻害综合气候指标能较好的预报预测石榴冻害风险，为气象服务石榴高质量发展提供模式支撑。

3)由于引起果树冻害的因子复杂，且冻害程度还和植物学因子的有关[30-32]。本文目前只针对影响石榴冻害重要的气象因子—气温进行了分析，暂未对临潼石榴遭受冻害后的植物生理指标进行测定。其他气象因子对石榴冻害的影响程度及其指标建立和等级划分等工作，还有待今后进一步研究。

4)随着国内外石榴品种软籽化发展趋势，此模式将根据临潼主栽品种的变化和服务需要及时修订和完善。