绍兴市柯桥区霜现象气候特征及出现概率预报方法

2022-12-31周弘媛郑选军杨欣洁

中国科学探险 2022年8期

周弘媛，郑选军，杨欣洁

绍兴市柯桥区气象局

霜冻害是指在早春或晚秋时节，气温突然下降危害作物生长，继而影响作物经济效益的一种农业气象灾害。为科学提升作物霜冻防御能力，我国学者进行了大量研究。金志凤等诸多学者结合茶树、枇杷、冬小麦等作物开展霜冻害气候指标建立和风险分析［1-4］。受全球气候变化的影响，浙江省气候发生变化，暖冬明显，茶叶等作物萌动提前，春霜冻害也呈现出多发重发态势［5-6］，严重威胁作物生产安全。《越地茶史》详细记录了1998—2018年霜冻、倒春寒等灾害对柯桥名优茶、特早生和部分早生两种茶树等造成的严重影响，仅2015—2018年，试点阶段触发茶叶低温气象指数保险10次，理赔金额达172万元。因此，准确地开展霜现象出现概率预报方法研究，对指导农业生产采取有效应对措施，提升农业生产经济效益意义重大。

众多学者开展了霜冻灾害方面的研究，一些学者从初霜、终霜的气候变化特征及对农业生产的影响进行分析［7-10］；一些学者从大气环流形式、初霜早晚与气象因子内在关系、数理统计规律等方面开展初霜冻预报方法研究［11-12］；也有学者通过单次霜冻灾害的调研来分析验证低温霜冻评估指标的准确性，但较少关于霜冻天气预报的研究。霜期持续时间较长，农业部门和种养大户无法长时间开展大范围霜冻防御措施，尤其是作物生长后期遭遇霜冻，将带来巨大损失，因此，有必要对霜现象进行科学预测。本文以绍兴市柯桥区为研究对象，探讨其霜现象的气候特征，并研究出现概率的预报方法，为农作物生产防灾减灾提供可靠的参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

柯桥国家站1981—2017年逐日温度、湿度、风、降水、日照等要素资料及霜现象观测资料，其中1981—2010年观测资料用以建立霜现象出现概率预报方程，2011—2017年观测资料用以检验预报方程的效果。

1.2 方法

为建立准确、有效的出霜概率预报方程，本文定义了全要素拟合、大系数拟合、高相关拟合三种拟合预报方式。其中，全要素拟合指将所有可能影响霜现象的气象要素与霜现象开展的拟合预报；大系数拟合指全要素拟合中拟合系数较大（≥0.002）的气象要素对霜现象的拟合预报；高相关拟合指与关系密切的气象要素（相关系数≥0.3）对霜现象的拟合预报。

2 霜现象气候特征

2.1 常年（1981—2010年）特征

柯桥区常年霜日37.8 d，最多为53 d（1995和2003年），最少为19 d（2007年）；常年初霜日在11月21日，最早在10月30日，最晚在12月15日；常年终霜日在3月12日，最早在2月4日，最晚在4月16日。因此，本文将可能出霜时段（10月至次年4月）定义为霜期。

2.2 年（代）际特征

1961—2017年，霜期的初终日期年际变化明显，具体特点如下：终霜日较常年偏迟20 d以上的个例均出现在20世纪90年代以前，终霜较常年偏早20 d以上的个例均在21世纪之后，终霜日有0.5 d/y的提前趋势。其中，20世纪60年代和70年代，终霜晚于常年终霜日的比例达90%，有6年终霜日在4月，较常年严重偏迟；20世纪80年代，终霜期变动较大，1985年与1987年的终霜日相差53 d；20世纪90年代起终霜日较常年开始提前，21世纪以来终霜日提前明显，71%的年份终霜早于常年终霜日。初霜期也存在类似现象，初霜日总体有每年延后0.3 d的趋势，初霜较常年偏迟20 d以上的个例均在21世纪之后，初霜较常年偏早20 d以上的个例均在20世纪90年代以前。年霜日呈现出波动减小的趋势，总体表现为每10年减少2 d，尤其是21世纪以来，减少趋势明显，2006年以来，年霜日普遍低于常年值。

3 霜现象与最低气温的相关性

检验各气象要素和霜现象的相关性发现，仅日最低气温的相关性高于50%，故预判日最低气温为霜现象出现的主要因子。

为深入了解日最低气温与霜现象的关系，本节分低温段绘制1981—2010年霜现象出现概率，水平参照线分别表示5个出霜概率：可能性极低、可能性较小、有可能、可能性较大、可能性很大。发现：当日最低气温高于6 ℃时，无霜；当日最低气温为4.5～6 ℃时，出现霜的可能性极低；当日最低气温为3～4.5 ℃时，出现霜的可能性较小；当日最低气温为1.5～3 ℃时，可能出现霜；当日最低气温为-0.5～1.5 ℃时，出现霜的可能性较大；当气温低于-0.5 ℃时，出现霜的可能性很大。日最低气温与出霜概率有较好的对应关系，下文将根据最低气温分段开展霜现象预报研究。

4 霜现象预报方法

4.1 预报规则

为提高霜概率预报公式的可用性，本段通过全要素拟合、大系数拟合、高相关拟合三种拟合方式对柯桥国家站（58453）1981—2010年霜期，且日最低气温低于6 ℃的分析样本开展分段研究分析，并参照TS评分方法统计了各拟合结果的准确率、空报率和漏报率。分析发现，该方法无漏报现象，低温和拟合阈值相同的情况下，三种拟合方式拟合结果的准确率差距较小，80%的准确率差异低于0.01，10%的准确率差异大于0.02，最大为0.04；各低温段与霜现象相关性较大的气象因子差异较大，当日最低气温低于-0.5 ℃时，日平均气温、日最高气温、日最大相对湿度等11个气象因子的相关性高于0.3，当日最低气温为1.5～3 ℃时，仅日平均气温、日最高气温、日平均相对湿度等7个气象因子的相关性高于0.3，当日最低气温为4.5～6 ℃时，各气象因子与霜现象的相关系数普遍低于0.2。因此，本文依托大系数拟合方式（以下简称拟合）开展较简便、准确的霜现象出现概率拟合预报。

分析1981—2010年霜期拟合值，有如下结论：拟合值区间为-0.75～0.97，其中正负一个标准差的区间（-0.2～0.5）占比86%，具有较明显的正态分布特征；当且仅当拟合值大于等于0.2时，才有霜；拟合值在不同低温段代表的准确率不同，即代表的出霜概率不同；各低温段，均有拟合值越高，出现霜的可能性越大的特征；日最低气温为3～4.5 ℃时，拟合值普遍低于0.6，但拟合值高于0.5时，出现霜的概率仍可达80%；日最低气温高于4.5 ℃时，拟合值普遍低于0.2，且与霜无明显关系，与该温度下无高相关气象要素结论一致，鉴于该低温段霜出现的概率低于2%，故当预报最低气温高于4.5 ℃时，默认不可能出现霜。

表1 1981-2010年霜现象拟合概率表单位/%

为做好霜出现概率分级预报，将出霜概率分为极有可能、很可能、有可能和不可能四级，检验常年霜现象拟合值发现，极有可能出霜的准确率达98%，很可能出霜的准确率达88%，有可能出霜的准确率为35%，不可能出霜的准确率达98%，可见上述拟合规则能较准确的预报霜出现概率。

4.2 预报检验

本段用该预报方法对2011—2017年霜现象做进一步检验，发现：与常年资料有类似的结论，当日最低气温高于6 ℃时，无霜；当日最低气温为5～6 ℃时出现霜的可能性极低，当日最低气温在2.5～4 ℃时出现霜的可能性较小，当日最低气温在-0.5～2.5 ℃时可能出现霜，当日最低气温在-0.5 ℃时出现霜的概率较大。另外，计算2011—2017年霜期霜现象拟合概率，极有可能出霜（＞=95%）的准确率达90%，很可能出霜（60%～95%）的准确率达80%，有可能出霜（50%～60%）的准确率为32%，不可能出霜（＜5%）的准确率达95%，总体表现较好。对《越地茶史》、区农业局茶叶霜冻记录时段的预测效果检验正确率几乎达100%，完全可以在业务上应用与推广。