中国北方苹果连阴雨灾害时空分布特征*

韩文静，姜会飞，霍治国，姚光林

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.中国气象科学研究院，北京 100081；3.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044；4.山东省第八地质矿产勘查院，日照 276005）

0 引言

苹果是重要的经济作物，在世界上广泛栽培。据联合国粮农及农业组织资料统计，近10 年来，我国苹果种植面积和产量连续位居世界各国第一[1]，已成为世界上苹果种植面积和产量最大的国家。2018年我国苹果栽培面积201 万hm2，占世界总栽培面积的43%；产量392 万t，占世界总产量的46%。随着苹果产业的发展，目前我国已形成渤海湾、黄土高原、黄河故道、西南冷凉高地和新疆等特色产区[2]。北方地区是我国苹果的主产区。

苹果对阴雨天气较为敏感，持续的阴雨天气会对苹果的品质和产量产生显著影响[3,4]。特别是在关键生育阶段，如在开花—坐果期，阴雨天气会造成苹果授粉不良，挂果量减少或形成畸形果；在着色—采收期，苹果会因光照不足，造成表面返青、着色差，严重时由于湿度较大会引发病害[5-11]。目前，关于苹果连阴雨灾害研究报道较少。李美荣等[12]对陕西省果区研究表明，着色成熟期阴雨持续日数≥5 d，过程降水量≥30 mm，相对光照＜60%，温度＜20 ℃时，影响苹果着色和品质，会引发果锈、果斑和病虫害，降低果实商品率和种植效益。刘璐等[13]对陕西省30个苹果基地县近50年苹果着色—成熟期连续3 d以上的降水日数和无降水日数进行统计，设计了苹果着色—成熟期连阴雨指数公式并划分等级。刘文杰等[14]在陕西宝鸡地区果园调查中指出，4 月份阴雨天气会影响苹果花期授粉，好的果园坐果率为40%~50%，差的果园坐果率仅为20%左右。杨双晓等[15]通过对陕西渭北苹果产区调查表明，2016 年和2017 年苹果成熟期均有连阴雨天气出现，造成果实着色差、褐斑病严重和商品率降低。上述苹果连阴雨灾害仅探究了小区域连阴雨灾害特征，对整个苹果主产区连阴雨灾害时空分布规律尚不明确，有待进一步探究。因此，文章以我国北方苹果种植区为研究区域，基于已有研究中降水量和日照构建苹果连阴雨灾害指标，探究北方苹果不同生育阶段连阴雨时空分布特征，为我国苹果园生产管理提供参考。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域

研究区域为北京、天津、河北、陕西、山西、河南、山东、黑龙江、吉林、辽宁、宁夏、甘肃、内蒙古和新疆14 个省（市、自治区）。该区域位于30°N~55°N，70°E~140°E。根据李世奎等[16]对苹果种植区划的研究，以温度和降水确定苹果适栽区的农业气候指标。具体为日最低气温≤-20 ℃日数＜24 d保证率N＜80%为北界，夏季（6—8 月）平均气温≥26 ℃，同时年降水量≥950 mm 为南界，平均气温≥10 ℃日数＜140 d 为西界。最终确定苹果适栽区及气象站点如图1所示。

图1 苹果适栽区及气象站点分布

1.2 数据来源

1.2.1 气象数据

1982—2018 年逐日气象数据来源于国家气象信息中心，包括日降水量、日照时数、日最高气温、日最低气温和日平均气温等，对于缺测数据较多且无法核校补充的台站或年份予以剔除。

1.2.2 苹果发育期数据

该文选取我国栽种范围较广的富士系苹果。按照地理气候条件差异，结合可获取发育期资料，在渤海湾、黄土高原、黄河故道和新疆4个北方产区内选取典型站点，包括河北秦皇岛、山东福山、河南三门峡、陕西洛川、甘肃西峰和新疆阿克苏站点部分年份的萌芽期、花期、幼果期、着色期和成熟期数据。上述数据来源于相关省（区）气象局和《中国动植物物候观测年报》，其余站点发育期数据采用《基于积温理论模拟测算北方苹果发育期系统》（计算机软件著作权证书号：2020SRBJ0241）测算。

1.2.3 苹果灾情资料

苹果连阴雨灾情资料来源于陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心常规灾害调查记录。

2 研究方法

2.1 生育阶段的选取

苹果对阴雨天气最敏感的3个生育阶段为始花—幼果期、着色—成熟期和采收期。其中，考虑到果园实际采收受经济效益等因素影响，人为可控性强，该文仅从理论角度出发，参考国内学者们对苹果最适采收期研究[17-19]，结合所用苹果成熟期为生理成熟期，以成熟期为基准往前7 d作为最佳采收期。

2.2 连阴雨灾害指标

基于学者们对苹果生长发育受连阴雨天气影响的研究，结合陕西、甘肃和山东等苹果主产省对连阴雨天气标准的定义，并考虑苹果不同发育阶段生长特性[12,13,20-26]，从日降水量、连阴雨天数、连阴雨过程总降水量和日照时数综合确定连阴雨灾害指标如下：始花—幼果期：站点连续5 d及以上有降水，日降水量≥0.1 mm，过程总降水量≥20 mm；着色—成熟期：站点连续5 d及以上有降水，日降水量≥0.1 mm，期间允许有无降水或微量降水间隔，但该日日照＜2 h，过程总降水量≥30 mm；采收期：站点连续4 d 及以上有降水，日降水量≥0.1 mm，期间允许有无降水或微量降水间隔，但该日日照＜2 h，过程总降水量≥20 mm。

2.3 连阴雨灾害统计方法

统计各站历年连阴雨过程均降水量、过程均天数、灾害强度、年均过程次数和灾害频率。

过程均降水量公式为：

式（1）中，RL为连阴雨过程均降水量；RZ为发生连阴雨灾害时过程总降水量；FZ为发生连阴雨灾害总次数。

过程均天数公式为：

式（2）中，DL为连阴雨过程均天数；DZ为发生连阴雨灾害总天数；FZ为发生连阴雨灾害总次数。

灾害强度公式为：

式（3）中，IL为连阴雨灾害强度；RZ为发生连阴雨灾害时过程总降水量；DZ为发生连阴雨灾害总天数。

年均过程次数公式为：

式（4）中，FL为年均过程次数；FZ为发生连阴雨总次数；N为统计年数。

灾害频率公式为：

式（5）中，P为连阴雨灾害发生频率；M为发生连阴雨灾害年数；N为统计年数。

3 结果与分析

3.1 苹果各生育阶段连阴雨灾害空间分布

3.1.1 连阴雨过程均降水量空间分布

图2 为中国北方苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期连阴雨过程均降水量空间分布。由图2 a可知，苹果始花—幼果期连阴雨灾害过程均降水量在20~78 mm，集中发生在辽宁、山西、陕西和河南4个省份，山东沿海、甘肃南部、北京、天津和新疆也有少数站点发生。大部分地区连阴雨过程均降水量在20~40 mm，连阴雨过程均降水量＞40 mm 站点较少且分布零散，有河北邢台、辽宁新民、辽宁建昌、辽宁绥中、山东海阳和山东日照。其中，连阴雨过程均降水量最高值和最低值分别在辽宁建昌、陕西秦都。新疆大部分地区、内蒙古和甘肃北部无连阴雨灾害发生。

由图2 b 可知，苹果着色—成熟期连阴雨过程均降水量为24~157 mm，连阴雨灾害集中发生在河北、山东、山西、陕西、宁夏和河南大部分地区，新疆、甘肃和辽宁部分地区有灾害分布。发生连阴雨灾害地区中，过程均降水量＜60 mm 分布在新疆、甘肃、宁夏和辽宁；大部分地区过程均降水量在60~100 mm；过程均降水量＞100 mm 站点仅在河南、陕西、河北和山东有零散分布。其中，连阴雨过程均降水量最高值和最低值分别在河南永城、陕西石泉。新疆、甘肃和内蒙古大部分区域无灾害发生。

图2 苹果各生育阶段连阴雨过程均水量空间分布

由图2 c 可知，苹果采收期连阴雨过程均降水量在21~145 mm。连阴雨灾害集中发生区域与着色—成熟期基本相同。发生连阴雨灾害地区中，过程均降水量＜60 mm的地区为新疆、宁夏、陕西北部和辽宁，过程均降水量在60~100 mm 的地区分布在山东、河北、河南和陕西部分地区，过程均降水量＞100 mm 主要在陕西南部、山东和河北部分地区。其中，连阴雨过程均降水量最高值和最低值分别在山东威海、甘肃民勤。甘肃北部、新疆和辽宁大部分地区无灾害发生。

3.1.2 连阴雨过程均天数分布

图3为中国北方苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期3个生育阶段连阴雨过程均天数空间分布。由图3 a 可知，苹果始花—幼果期过程均天数在4~8 d。大多数地区连阴雨过程均天数在4~6 d，部分地区连阴雨过程均天数达到7~8 d，仅在甘肃、河北、河南、山东、山西、陕西和新疆有零散分布。其中，河南西峡、甘肃武都和辽宁庄河连阴雨过程均天数最高，为8 d。由图3 b 可知，苹果着色—成熟期连阴雨过程均天数在4~10 d。大多数地区连阴雨过程均天数在5~8 d，过程均天数＞8 d 的站点有陕西凤翔、陕西延长、陕西商南、河南栾川、河南驻马店和山东平度。由图3 c 可知，苹果采收期连阴雨过程均天数在4~7 d，分布区域与着色—成熟期基本一致。大多数地区过程均天数在4~5 d，过程均天数＞5 d 的地区主要分布在陕西、河南和山西南部，河北和山东也有零星分布，山东成山头连阴雨过程均天数最长，为7 d。

图3 苹果各生育阶段连阴雨过程均天数空间分布

3.1.3 连阴雨灾害强度分布

图4为中国北方苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期连阴雨灾害强度空间分布。由图4 a可知，苹果始花—幼果期连阴雨灾害强度为2.8~15.7 mm/d，主要发生在陕西、山西和河南3 个省份。多数地区连阴雨灾害强度在3.6~7.1 mm/d，陕西、山西和河南等地呈现连片状分布，高值区即灾害强度＞7.1 mm/d 分布在辽东半岛，最高值在辽宁建昌，灾害强度为15.7 mm/d。低值区即灾害强度＜3.6 mm/d 分布在甘肃北部、陕西北部和山西北部等纬度较高地区，范围较小，最低值在甘肃武都，为2.8 mm/d。由图4 b可知，苹果着色—成熟期连阴雨灾害强度在3.2~26.1 mm/d，集中发生在陕西、山西、河南、山东和河北五个省份。大部分地区灾害强度值在6.9~13.2 mm/d，呈现连片状分布。高值区即灾害强度＞13.2 mm/d在河北、河南、山东、山西和陕西有零散分布，河南永城灾害强度最大，为26.1 mm/d。低值区即灾害强度＜3.2 mm/d 分布在宁夏、甘肃和辽宁等纬度较高地区，宁夏中宁灾害强度最小，为3.2 mm/d。由图4 c可知，苹果采收期连阴雨灾害强度在4.4~29.0 mm/d，分布区域与着色—成熟期大致相同，仅新疆地区分布站点相对较多。大多数地区灾害强度在7.5~14.2 mm/d。高值区集中分布在山东和河北，山东威海连阴雨灾害强度最大，为29.0 mm/d。低值区分布在纬度较高的辽宁、陕西北部、宁夏和新疆地区，宁夏中卫连阴雨灾害强度最小，为4.4 mm/d。

图4 苹果各生育阶段连阴雨灾害强度空间分布

综上所述，苹果在始花—幼果期、着色—成熟期和采收期3 个生育阶段内，连阴雨灾害集中发生于苹果适栽区东南地区，且主要分布在沿海和南部站点。对于连阴雨过程均降水量，着色—成熟期和采收期连阴雨过程均降水量值范围基本一致。与始花—幼果期相比，着色—成熟期和采收期灾害发生区域更广，连阴雨过程均降水量值变化范围更大。其中，辽宁省在苹果花期—幼果期连阴雨灾害发生区域分布大，而着色—成熟期和采收期几乎无灾害发生。这是由于辽宁地区纬度较高，热量资源偏少，导致苹果成熟期和采收期较晚，而此时受副热带高压影响，雨带南移，降水较少，阴雨天气也相应减少变弱。

对于连阴雨过程均天数，与过程均降水量空间分布基本一致。着色—成熟期连阴雨过程均天数波动范围比始花—幼果期和采收期大，最长为10 d，最短为3 d，而花期—幼果期和采收期过程均天数范围都稳定在4~7 d。这是由不同生育阶段降水量不同造成的，苹果着色—成熟期在8—10月，始花—幼果期在4—5 月，受季风气候的影响，我国北方地区在8月份降水较多，易发生持续的阴雨天气。

对于连阴雨灾害强度，连阴雨灾害强度分布与过程均降水量、过程均天数范围基本一致。同时强度受到降水量和天数的共同影响，当降水量高，天数少，即强度大，反之亦然。与始花—幼果期相比，着色—成熟期和采收期连阴雨灾害强度要明显偏大，主要是由于该生育阶段内北方苹果种植区正值雨季，降水量偏多。

3.1.4 连阴雨年均过程次数分布

图5 为中国北方苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期连阴雨灾害年均过程次数空间分布。由图可知，苹果3 个生育阶段连阴雨灾害年均过程次数均在0.1~0.5 次，且各地区年均过程次数多在0.1~0.3 次，多年内连阴雨灾害发生次数极小。如图5 a 所示，苹果始花—幼果期连阴雨灾害年均过程次数＞0 区域集中分布在甘肃南部、陕西南部、河南南部和辽东半岛，山东、山西和河北有零散站点分布。由图5 b和图5 c可知，苹果着色—成熟期和采收期连阴雨灾害年均过程次数＞0 区域集中分布在河北、山东、山西、陕西、河南和甘肃南部。与始花—幼果期相比，分布范围要更广。由此可知，苹果在着色—成熟期和采收期更易遭受连阴雨天气影响。

图5 苹果各生育阶段连阴雨灾害年均过程次数空间分布

3.1.5 连阴雨灾害频率

图6 为中国北方苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期连阴雨灾害频率空间分布。由图6 a 可知，苹果始花—幼果期发生连阴雨灾害频率为2.7%~40.7%，集中分布在辽宁、山西、陕西和河南4 个省份。高值区主要分布在陕西南部，连阴雨灾害频率为10.3%~40.7%，陕西镇巴连阴雨灾害频率最高，为40.7%。低值区连阴雨灾害频率＜10.2%，位于陕西和山西纬度较高地区，辽宁及山东沿海也有分布，新疆仅伊宁有发生，灾害频率为2.9%。新疆、甘肃、宁夏、河北和山东大部分地区连阴雨灾害频率为0。

由图6 b可知，苹果着色—成熟期发生连阴雨灾害频率在2.7%~42.1%，集中在山西、陕西、河南、山东和河北5 个省份。高值区灾害频率在16.3%~42.1%，分布在陕西南部、甘肃南部和河南南部部分区域，陕西柞水连阴雨灾害频率最高，为42.1%。低值区灾害频率在2.7%~7.1%，分布在山西北部、陕西北部、北京、天津、河北北部和山东。新疆乌鲁木齐灾害频率为3.1%。

由图6 c 可知，苹果采收期连阴雨灾害频率在2.7%~45.0%，整体分布范围与着色—采收期基本一致。陕西南部地区为连阴雨灾害频率高值区，频率在16.8%以上，陕西镇坪是连阴雨灾害频率最高的地区，为45.0%。甘肃北部、宁夏、陕西北部、山西北部、河北北部和辽宁为低值区，连阴雨灾害频率在2.7%~7.5%，新疆仅有阿拉尔、库车和柯坪3 个站点，频率分别为2.7%、2.7%、2.9%。

图6 苹果各生育阶段连阴雨灾害频率空间分布

综上所述，苹果在始花—幼果期、着色—成熟期和采收期3个生育阶段中，受地理位置的影响，新疆和甘肃深居内陆，远离海洋，周围高大山脉阻挡海洋暖湿气流的进入，降水较少，气候干燥，大多数站点连阴雨灾害频率为0。连阴雨灾害频率值波动范围大致相同，且发生区域呈现由南至北逐渐减弱的趋势。整体来看，北方苹果适栽区发生连阴雨频率极小。

3.2 苹果连阴雨灾害时间变化规律

因历年来北方各站点发生连阴雨灾害次数较少，该文仅以北方地区所有研究站点为整体，统计北方苹果适栽区所有站点1982—2018 年连阴雨灾害发生情况，对苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期3个生育阶段内历年所有研究站点连阴雨灾害次数、过程均降水量和灾害强度进行探究。

图7为中国北方苹果在始花—幼果期、着色—成熟期和采收期3个生育阶段内各站点发生连阴雨次数总和年际变化。由图7 可知，1982—1999 年连阴雨灾害次数波动较小且平缓，大多数年份苹果各生育阶段连阴雨灾害总次数＜30 次，在1985 年和1990 年灾害总次数较高，分别为40 次、42 次。2000 年以后，苹果各生育阶段连阴雨灾害总次数波动较大，呈现明显上升趋势，极端高值与低值间相差较多。连阴雨灾害总次数最高和最低年份分别是2011年和2013年，分别为79次、6次。

图7 1982—2018年苹果各生育阶段连阴雨灾害次数年际变化

对比分析苹果各生育阶段可知，始花—幼果期连阴雨次数变化幅度小，稳定在20 次以下，1990 年最高，为28次。着色—成熟期和采收期年际间连阴雨次数波动呈现一致性，均在2011年连阴雨灾害次数最高，着色—成熟期灾害次数达41 次，采收期灾害次数为36 次。与始花—幼果期相比，着色—成熟期和采收期连阴雨灾害次数较多，表明苹果在着色—成熟期和采收期易受连阴雨天气影响。对应陕西省常规灾害调查记载，2011 年9 月陕西苹果产区降水显著偏多，日照明显偏少，主要果区出现5 次连阴雨天气，持续阴雨低温寡照天气，对果实着色和干物质累积造成显著影响，部分果区褐斑病和斑点落叶病偏重发生。因此，果园生产中要防范连阴雨天气对果树的危害，应着重关注着色—成熟期和采收期。

图8 为中国北方苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期连阴雨过程均降水量年际变化。由图8 可知，1982—2018 年苹果各生育阶段连阴雨过程均降水量呈波动变化。苹果始花—幼果期发生连阴雨灾害年份中，连阴雨过程均降水量为21~53 mm，最高值和最低值分别出现在2006年和1991年，连阴雨过程均降水量值分别为53 mm、21 mm。1982年、1984 年、2000 年、2007 年 和2013 年 在苹果始花—幼果期各站均无连阴雨灾害发生。苹果着色—成熟期连阴雨过程均降水量在32~112 mm 波动，37 年中有31 年连阴雨过程均降水量在50 mm 以上，最高值和最低值分别出现在2003年和1987年，连阴雨过程均降水量值分别为112 mm、32 mm。苹果采收期连阴雨过程均降水量在35~102 mm，37 年中有21 年过程均降水量在50 mm 以上，最高值和最低值分别出现在1986年和2012年。

图8 1982—2018年苹果各生育阶段连阴雨过程均降水量年际变化

对比苹果3 个生育阶段连阴雨灾害过程均降水量年际变化可知，着色—成熟期和采收期过程均降水量波动情况大致相同，且比始花—幼果期过程均降水量波动值大。主要是由于苹果着色—成熟期和采收期正处北方地区8—9 月份，雨水较多，而苹果始花—幼果期为3—5月份，降水较少。

图9 为中国北方苹果始花—幼果期、着色—成熟期和采收期连阴雨灾害强度年际变化。1982—2018 年苹果各生育阶段灾害强度较稳定。在苹果始花—幼果期发生连阴雨灾害年份中，灾害强度在3.6~9.4 mm/d，大多数年份灾害在5.0 mm/d 左右波动。最高值和最低值分别出现在1998 年和2001 年，灾害强度分别为9.4 mm/d、3.6 mm/d。1982 年、1984 年、2000 年、2007 年和2013 年 无连 阴 雨灾 害发生。苹果着色—成熟期连阴雨灾害强度在4.3~18.3 mm/d，最高值和最低值分别出现在1990 年和1987 年。苹果采收期连阴雨灾害强度在8.1~19.6 mm/d。1983 年灾害强度最小，为8.1 mm/d，1987年灾害强度最大，为19.6 mm/d。对比苹果各生长发育阶段，着色—成熟期和采收期灾害强度明显高于始花—幼果期，且波动幅度较大。由此可知，着色—成熟期和采收期连阴雨灾害不确定性更强。

图9 1982—2018年苹果各生育阶段连阴雨灾害强度年际变化

4 结论与讨论

该文基于1982—2018 年中国北方苹果适栽区各站点气象数据和发育期数据，结合连阴雨灾害指标，采用ArcGIS 分析过去37 年间苹果生长季内连阴雨灾害时空分布特征，得主要结论如下。

（1）研究区域内不同生育阶段苹果连阴雨过程均降水量、过程均天数、频率和年均过程次数的统计结果均呈现由东南向西北逐渐减弱的趋势。不同生育阶段连阴雨灾害发生区域均主要分布在东南区域，其中，着色—成熟期和采收期发生连阴雨灾害区域较大。

（2）过去37 年间中国北方苹果连阴雨灾害总次数较少，在45 次以下。其中，2011 年着色—成熟期和采收期连阴雨灾害次数最多，达到40 次以上。连阴雨灾害过程均降水量和灾害强度均呈现高低间隔波动。对比3 个生育阶段可知，多数年份着色—成熟期和采收期连阴雨灾害次数、过程均降水量和灾害强度高于始花—幼果期。

该文为针对北方苹果连阴雨灾害的基础研究，结合前人对苹果连阴雨灾害的探究，利用降水量和日照两个因子构建连阴雨灾害指标，分析了中国北方地区苹果各生育阶段时空变化特征，填补了区域大尺度苹果连阴雨灾害研究的空白，从宏观上把握了苹果连阴雨灾害发生的时空特征。

该文在苹果发育期测算中运用积温模型，根据典型站点的发育期观测资料提取积温指标，对缺乏数据的台站和年份进行苹果发育期测算，得到北方苹果发育期的动态时空数据。与目前常用的以固定起止日期来确定历年发育期相比，更加科学和有效。

由于收集到的研究资料有限，该文仅以栽种范围较广的富士系为主，从温度和降水两大气象要素出发，探究苹果适栽区。而实际生产中，苹果品质资源丰富，苹果种植除受光照、地形等自然因素的影响，还受政策和市场等社会因素影响。此外，由于灾情资料不足，未能具体量化灾害对苹果各生育阶段危害程度及其对产量和品质的影响。在今后研究中，仍需对苹果灾情数据进行完善，进一步探究不同生育阶段连阴雨灾害指标，同时结合不同地区实际情况对连阴雨灾害分布特征进行具体分析，使研究结论更具有实用性。