石河子地区葡萄越冬气候及终霜冻致灾风险评价

季 芬，王 进，杜 峰，侯慧杰，刘 勇，杨明凤*

（1.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆乌兰乌苏生态与农业气象野外科学观测研究站/乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 832021；3.新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室/中国气象局 塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 巴音郭楞 841000；4.石河子市气象站，新疆 石河子 832000；5.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

葡萄是经济果树之一，其生产已成为新疆农业经济发展的重要产业［1］。近年来，气候系统的不稳定性加剧，极端天气事件频发，终霜冻已成为影响新疆石河子地区葡萄产业发展的主要气象灾害［2-3］。霜冻是自然天气现象，是植物生长的界限指标，春季最后一场霜冻称之为终霜冻，当春季霜冻结束过晚时，就成为极端天气事件而成灾，直接影响到葡萄产量和品质，甚至使葡萄新芽以及新梢受冻致死［4-5］，终霜冻越晚受灾越严重。因此，开展终霜冻致灾风险程度研究，对规避、预防霜冻风险，提高葡萄产业发展具有重要意义。

随着全球变暖，未来极端天气事件的频率和强度逐渐加剧［6-7］。霜冻是与农业相关的最严重的极端事件之一，致灾风险正在增加［8］。Papagiannaki等［9］研究了北美和欧洲与气候相关的灾害，认为终霜冻对作物和果树开花的损害所造成的农业经济损失相对较大。2021年4月终霜冻席卷欧洲［6］，其中法国遭遇40 a来最严重的终霜冻，造成杏的产量比前1 a下降了43.0%，葡萄酒产业损失过半，农作物产量大幅减产。2021年日本山形县樱桃产区受严重霜冻影响，新鲜樱桃减产1.3万t［10］。春季农作物苗期、果树解除休眠后进入开花期，晚秋作物灌浆乳熟期抗寒能力弱，若遇到寒潮或霜冻天气，容易受到低温伤害，影响其正常生长发育［11-12］。宁夏2020年4月下旬，遭遇了60 a来大范围的霜冻影响，梨、苹果等水果普遍受到中度至重度的霜冻害，葡萄叶片受冻致死率达100%，总受灾面积达5.1万hm2，经济损失约4.3亿元［13］。值得关注的是，随着气温的升高霜冻日数减少，无霜期延长，但霜冻害灾情并未因此而减轻［14-15］。这种现象产生的原因主要包括2个方面：一是气候变暖背景下气候异常概率加大；二是调整农业措施应对气候变暖的策略不科学、不正确，以及针对霜冻变化和致灾风险认识不足。

霜冻是区域性很强的气象灾害，因此，本研究以新疆石河子地区葡萄为研究对象，从气象角度分析1964—2022年葡萄越冬期气温、地温变化情况，以及终霜冻变化特征，并对寒冷期气温、终霜冻对葡萄致灾风险进行评估，充分掌握冬季气温、终霜冻变化规律，旨在为提高石河子葡萄产业防灾能力提供科学依据。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

资料来源于石河子地区的乌兰乌苏农业气象试验站和炮台、莫索湾气象站，包括1964—2022年全年逐日最低气温、2013—2022年葡萄生长发育期资料。

根据2013—2022年葡萄物候期观测资料（表1）可知，石河子地区4月中下旬葡萄开墩上架，每年萌芽期在4月10—20日间变化，花序出现之前为葡萄新梢生长期。资料显示，葡萄在4月底—5月初完成芽开放、展叶和新梢生长，其可采成熟期在8月下旬—9月上旬。

1.2 春季霜冻（终霜冻）等级及强度划分方法

霜冻致灾强度包括2个因素：一是最低气温的程度，二是霜冻出现的时间。春季霜冻结束越晚气温越低，致灾风险及其强度越大。

1.2.1 春季霜冻气温的等级划分 按照温度越低受灾越严重的原则，将当日最低气温≤2.0 ℃以及降到0 ℃以下划分为6个致灾等级：最低气温2.0℃≥Tmin＞0 ℃为1级；0 ℃≥Ti＞/0.5 ℃为2级；-0.5 ℃≥Ti＞-1.0 ℃为3级；-1.0 ℃≥Ti＞ -1.5℃为4级；-1.5 ℃≥Ti＞-2.0 ℃为5级，Ti≤-2.0℃为6级。

计算最低气温致灾风险强度，计算公式为：

式（1）中，ATi为日最低温度强度等级；Tmax为日最低温度致灾等级最大值（致灾等级最高为6）；Ti为最低温度致灾等级。

1.2.2 终霜冻出现时间的等级划分 根据葡萄萌芽及新梢生长期间，4月中旬—5月中下旬按终霜冻出现时间划分为6个风险等级：春季4月11—20日为1级；4月21—25日为2级；4月26—28日为3级；4月29—5月1日为4级；5月2—4日为5级；5月6日之后为6级。由此确定不同日期出现的霜冻致灾强度，计算日期霜冻致灾风险强度，计算公式为：

式（2）中，AHji为终霜冻日期致灾强度等级；Hmax为终霜冻日致灾等级最大值（致灾等级最高为6）；Hi为终霜冻致灾等级。

1.2.3 霜冻致灾风险强度 霜冻致灾风险强度（STc）为最低气温与最低气温所发生时间的集合，即霜冻致灾强度（STc）是最低气温强度（ATi）与最低气温所出现时间（AHc）的函数，计算公式为：

2 结果与分析

2.1 石河子地区葡萄越冬期气候特点

2.1.1 葡萄越冬期间气温变化特征 由表2可知，1964—2022年石河子地区冬季（12月—翌年2月，下同）平均气温介于-15.5~-10.1 ℃之间，以莫索湾最低。冬季平均气温气候倾向率为0.314 ℃/10 a，气温升高趋势显著（P＜0.05，r= 0.290）。1月是冬季最冷时间段，平均气温为-18.2~-15.9 ℃。1月平均气温气候倾向率为0.051 ℃/10 a，变化趋势相对稳定。

表2 1964—2022年石河子地区冬季（12月—翌年2月）及1月气温特征值 ℃

1964—2022年冬季石河子地区的炮台极端最低气温为-41.4 ℃、莫索湾为-42.8 ℃、乌兰乌苏为-36.0 ℃。冬季平均最低气温介于-20.5~-18.0 ℃之间。石河子地区冬季平均最低气温气候倾向率为0.70 ℃/10 a，升高趋势显著（P＜ 0.01，r= 0.403）。1月平均最低气温介于-23.3~-21.0 ℃之间，气候倾向率为0.06 ℃/10 a，历年1月平均最低气温略有升高的趋势（P＞0.05，r= 0.030）。

2.1.2 葡萄越冬期地温变化特征 杨豫等［17-18］研究认为，葡萄安全越冬温度为≥-6.0 ℃。石河子地区冬季地温滞后于气温，最低温度出现在1月下旬—2月上旬［19］。冬季土层厚度为20 cm的平均地温介于-9.4~-2.4 ℃之间。12月土层厚度为20 cm的地温日均＞-6.0 ℃。1月土层厚度为20 cm的平均地温介于-9.4~-3.4 ℃，其中乌兰乌苏地温≤-6.0 ℃的年份出现概率为40%、炮台的概率为49%、莫索湾的概率为55%。2月土层厚度为20 cm的平均地温介于-8.1~-3.1 ℃，其中乌兰乌苏地温≤-6.0 ℃的年份出现概率为20%、炮台的概率为30%、莫索湾的概率为35%。

冬季土层厚度为40 cm的平均地温介于 -7.5~0.8℃之间。12月土层厚度为40 cm的地温＞-6.0 ℃。1月土层厚度为40 cm的平均地温介于-7.5~-2.3℃，其中乌兰乌苏地温≤-6.0 ℃的年份出现概率为23%，炮台的概率为28%，莫索湾的概率为30%。2月土层厚度为40 cm的平均地温介于-7.5~-1.8 ℃之间，其中乌兰乌苏地温≤-6.0 ℃的年份出现概率为10%、炮台的概率为21%、莫索湾的概率为25%。

2.1.3 葡萄越冬期间积雪特征 有稳定的积雪覆盖对葡萄越冬十分有利，石河子地区积雪初日最早出现在11月上旬，最晚出现在12月上旬，平均出现在11月中旬。年最大积雪深度平均为32 cm，介于13~60 cm之间。冬季平均积雪深度为16 cm，其中12月平均积雪深度为10 cm，1月平均积雪深度为17 cm，2月平均积雪深度为20 cm。冬季积雪等同于葡萄越冬覆盖物，是葡萄安全越冬的气象保障。

2.2 石河子地区葡萄越冬寒冷期（1—2月）平均最低气温变化及对葡萄萌芽期的影响

2.2.1 寒冷期（1—2月）平均最低气温变化趋势 石河子地区葡萄休眠期在10月下旬—翌年4月上旬，历时170 d左右，1—2月是葡萄越冬关键期。石河子地区寒冷期（1—2月，下同）平均最低气温历年变化情况如图1所示。乌兰乌苏1964—2022年寒冷期平均最低气温介于-24.8~-15.1 ℃之间，平均为-18.9℃，标准偏差为2.43 ℃，异常偏冷（≤-21.3℃）发生在2005年之前的年份有11 a，概率为18.6%。图1a显示，1964—2022年1—2月乌兰乌苏平均最低气温呈显著升高趋势（P＜0.05，r= 0.279），升高倾向率为0.396 ℃/10 a。炮台1964—2022年寒冷期平均最低气温介于-28.8~-15.5 ℃之间，平均为-20.5℃，标准偏差为2.91 ℃，异常偏冷（≤-23.4 ℃）发生在2005年之前的年份有11 a，概率为18.6%。图1b显示，1964—2022年1—2月炮台平均最低气温呈显著升高趋势（P＜0.01，r=0.432），升高倾向率为0.732 ℃/10 a。莫索湾1964—2022年寒冷期平均最低气温介于-29.9~-15.6 ℃之间，平均为-21.6℃，标准偏差为3.09 ℃，异常偏冷（≤-23.4 ℃）发生在2005年之前的年份有9 a，概率为15.3%。图1c显示，1964—2022年1—2月莫索湾平均最低气温呈显著升高趋势（P＜0.01，r= 0.375），升高速率为0.676 ℃/10 a。

图1 石河子地区葡萄寒冷期（1—2月）平均最低气温变化趋势

2.2.2 葡萄越冬寒冷期（1—2月）平均最低气温对葡萄萌芽期的影响 图2所示，石河子地区1—2月平均最低气温对葡萄萌芽时间影响明显，并具有极显著的相关性（P＜0.01，r= 0.954），当平均最低气温≥-17.0 ℃时，葡萄萌芽期在4月15日之前；当-17.0 ℃＞平均最低气温≥-19.0 ℃时，葡萄萌芽期介于4月15—18日之间；当-19.0 ℃＞平均最低气温≥-22.0 ℃时，葡萄萌芽期介于4月19—23日之间；当平均最低气温＜-22.0 ℃时，葡萄萌芽期在4月24日之后。

图2 石河子地区葡萄萌芽期与1—2月平均最低气温的关系

2.3 终霜冻日期变化趋势

石河子地区1964—2022年终霜冻日累年平均日期为4月21日，最晚结束日期为5月21日（1998年），最早结束日期为3月23日（2009年），80%保证率出现在5月3日。图3显示，1964—2022年终霜冻日变化极不稳定，标准偏差为14 d，终霜日介于4月9日—5月6日之间属于正常，4月9日之前属于偏早，偏早的概率为13.6%；5月6日之后属于偏晚，偏晚的概率为18.6%。从历年终霜冻日期变化趋势来看，有提前结束的倾向性，气候倾向率为-1.438 d/10 a，序列相关系数为-0.177，变化趋势不显著。

图3 石河子地区终霜冻日期年际变化趋势

由图4可知，终霜冻日期分布在3月下旬—5月下旬之间的58 d之内。其中4月中下旬概率最高，为54.2%，5月概率为25.4%。春季霜冻出现日期越晚对葡萄萌芽和新梢生长危害越严重。根据葡萄萌芽期分析可知，4月中旬之后出现的终霜冻对葡萄萌芽以及新梢生长均可构成不同程度的低温伤害。2019年5月18日的轻霜冻（最低气温0.8℃）使葡萄开花受冻，严重影响了葡萄的开花授粉。2021年4月25日的严重霜冻（日最低气温-1.5℃）冻死了葡萄幼枝（新梢），造成当年葡萄大幅度减产或绝收。

图4 春季各旬终霜冻日出现概率

2.4 终霜冻致灾风险强度分析

通过终霜冻出现日期与日最低气温的叠加运算，石河子地区春季霜冻对葡萄致灾风险强度平均为47.5%。1964—2022年，无霜冻危害（ST=0）的年份有12 a，概率为20.3%；有霜冻危害（ST＞0)的年份有 49 a，概率为79.7%，其中：轻度灾害(0%＜ST≤35%）16 a，概率为27.1%；中度灾害(35%＜ST≤70%）14 a，概率为23.7%；重度致灾(70%＜ST≤100%）17 a，概率为28.8%。由图5可知，终霜冻致灾风险强度倾向率为-1.96%/10 a，1964—2022年线性下降了11.6个百分点，下降速率并不显著。1964—2000年终霜冻致灾风险强度平均为55.0%，2001—2022年终霜冻致灾风险强度平均为34.8%，进入21世纪因终霜冻日结束日期提早，与1964—2000年终霜冻致灾风险强度相比平均下降了约20个百分点。

图5 历年春季终霜冻致灾风险强度

3 结论

（1）石河子地区冬季气温较低，1—2月土层厚度为40 cm的地温＜-6.0 ℃的概率介于23%~30%之间，虽然有平均16 cm的积雪层，葡萄仍要有40 cm以上的覆盖层，才能安全越冬。1—2月平均最低气温对葡萄萌芽期影响显著，随着气温的升高萌芽期提前。

（2）石河子地区终霜冻日分布在5月21日之前，终霜冻日期存在提前结束的倾向性。2001—2022年终霜冻平均日期为4月16日，虽然比总平均值提前了5 d，但仍然存在终霜冻的风险。如2018年5月8日和2019年5月18日的春季轻霜冻对葡萄新梢生长构成了危害。

（3）春季霜冻致灾风险强度呈减弱趋势，1964—2022年线性下降了11.6个百分点。春季霜冻致灾风险强度平均为47.5%，重度致灾（70%＜ST≤100%）风险发生概率为28.8%，约3年1次。

（4）石河子地区葡萄越冬关键期在1—2月，平均最低气温是关键气候因子，增加覆盖物保温是关键。基于历史观测数据（1964—2022年）分析，石河子地区葡萄开墩上架一般在4月中旬，接着是萌芽及新梢生长，此时的霜冻风险高达79.7%。

4 讨论

本研究针对石河子地区1964—2022年葡萄越冬期的气候资源及萌芽和新梢生长期终霜冻的演变特征进行分析，从气温、地温和积雪深度等角度明确了石河子地区葡萄越冬期的敏感因子，采用量化方法评价了春季终霜冻对葡萄生长的风险度，为下一步合理高效利用该地区农业气候资源葡萄安全越冬、提高春季防霜冻奠定了理论基础［20-21］。

终霜冻日期提前这一研究结果，与当前其他区域尺度的研究［22-24］所得结论基本一致，表明气候变暖对霜冻的影响具有普遍性。由于春季气温的升高，春季终霜冻日结束的提前，使终霜冻致灾风险强度减小，但由于气候变化的作用，极端天气（2018年5月8日和2019年5月18日的轻霜冻）仍然存在，在葡萄生产中，应适时调整开墩上架时间，重视对终霜冻的预防和应对。

本研究在参考前人［25］研究结果的基础上，利用终霜冻发生时间与日低温强度，通过统计学方法转化为霜冻致灾风险强度，使霜冻灾害强度量值化，便于农业防霜应用尺度。分析结果可能存在一定程度上的主观性，但霜冻等级对气象预报预警具有指导意义。