石榴晚霜冻综合气候指标及等级划分

陜西省西安市临潼区现有石榴种植面积8万余亩，果农年均收入万元左右，占当地果农年收入的约80%。因全球气候变暖，近年来，春季低温对石榴生长产生较大影响。曾有研究分析了石榴冻害发生的气象条件，并提出相应的预防措施[1-8]，但随着精细化气象服务的提出，单一的温度已不能满足当前精细化服务需求，因此，本文在前人研究成果的基础上，结合实地走访、查阅气象资料，确定临潼区石榴晚霜冻临界气温，通过分析晚霜冻实例的致灾因子，构建临潼石榴晚霜冻综合气候指标，为石榴晚霜冻精细化气象服务提供模式支撑。

1材料与方法

1.1数据来源

临潼国家气象观测站1991～2020年春季（3～5月）日平均气温、日最低气温及降温幅度等资料，1996～2020年临潼区石榴产量资料。

1.2过程有害积寒的计算

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，本文采用文献[9-10]提出的过程有害积寒概念，其计算公式可表示为：

式（1）中，X日为一日内的积寒（℃），Tc为果树晚霜冻的临界温度，Tt是瞬时温度（℃），Tt≤Tc，t1、t2分别是一日中低于晚霜冻临界温度的起始、终止时刻。

1.3致灾因子标准化

导致石榴晚霜冻的致灾因子较多，对各致灾因子进行标准化处理[11-14]，以增强数据可比性，公式为：

经过处理的标准化致灾因子的最小值为0，最大值为1，与原来的数值相比，它只是数字形式的转换，而因数被处理成1的量纲，保留了因子的统计学和生物学意义[15]。

1.4冻害临界气温的确定

赵静等[16-18]针对临潼石榴春季受冻特点做出研究，并指出3℃是临潼石榴花期受冻的临界温度，因此，本文确定3℃为临潼石榴主栽产品晚霜冻的临界气温，即当最低气温≤3℃时，石榴花期冻害过程开始。

2结果分析

2.1冻害致灾因子的确定

本文主要对以气温为主的气象因子进行分析，如冻害过程的极端最低温度、过程的持续天数、过程的有害积寒（冻害过程的温度累积值）、过程的降温幅度（日最低温度的下降幅度）等。通过对各因子与晚霜冻实例灾害进行相关分析，与灾害等级有显著关系的有：≤3℃过程极端最低气温（X1），≤3℃持续低温日数（X2），≤3℃过程有害积寒（X3），≤3℃过程降温幅度（X4）等。此次入选的4个致灾因子是在对临潼石榴春季受冻进行调查分析的基础上产生的，所以，入选的这4个致灾因子具有一定的代表性。

2.2临潼晚霜冻综合气候指标计算

计算致灾因子间的相关性，除X4外，其余3个致灾因子均显著相关（表1），表明X1、X2、X3三者之间相互影响，互不独立，可以使用主要成分分析法进行分析。采用主要成分分析方法对X1、X2和X3这3个致灾因子进行全面简化，构建公式。文中对各致灾因子进行了标准化处理，对标准化后的石榴晚霜冻3个致灾因子X1、X2、X3序列，利用R统计软件中的主成分分析工具进行了分析（表2），软件提取了主成分1，其累计方差贡献率达到了80.8%，表明主成分1已经能够充分说明数据之间波动的原因。

通过求解正交矩阵Q（表3），构建的石榴晚霜冻综合气候指标Z表示为：

由于系数的正负在主成分表达式中本身并无实际意义，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，这意味着第一个主成分是对3个变量的综合测度，即反映3个致灾因子的信息。

晚霜冻综合气候指标Z与春季极端最低气温X1呈正相关关系，而与≤3℃持续低温日数X2、≤3℃过程有害积寒X3呈负相关关系，即春季极端最低气温越低，Z值越小；综合指标与其他2个致灾因子呈负相关关系，即：≤3℃低温持续日数越多、≤3℃有害积寒越大，则晚霜冻冻害综合气候指标Z越小，这与石榴生长实际发生的晚霜冻冻害过程相符。

2.3晚霜冻冻害综合气候指标分级

K-means聚类分析是经典的基于划分聚类算法，在气象数据分析和农业气象灾害等级划分等方面得到应用[19-23]。本文采用R统计软件中的K-means聚类分析工具，对131个晚霜冻冻害等级和对应的晚霜冻冻害综合气候指标进行分析，获取各冻害等级对应的Z阈值，故研究中选择晚霜冻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，聚类数为3类，初始类中心由系统指定方式确定。结果表明：3个类中心点经过2次迭代后，得到最终的各聚类中心分别为-2.12，-1.34，-0.71（图1）。由此可知，临潼石榴晚霜冻的轻度、中度、重度综合气候指标分级分别为-1.34≤Z<-0.71，-2.12≤Z<-1.34，Z<-2.12。

2.4典型年對比分析

根据调查走访，2004年、2005年、2010年均出现不同程度晚霜冻天气，其中2010年4月14日出现降雪天气，对石榴生长影响较大。计算2004年、2005年和2010年晚霜冻综合气候指标：2004年Z值为-0.50，为轻度冻害；2005年Z值为-0.68，为轻度冻害；2010年Z值为-5.22，为重度冻害，印证了石榴晚霜冻冻害等级。

3结论与讨论

本文以临潼石榴自然条件下春季低温冻害过程为研究对象，以过程有害积寒、过程最大降温幅度等致灾因素为基础，构建了石榴晚霜冻综合气候指标，并针对131个冻害调查实例中的各个过程进行了分析，得出如下结论：

（1）在已有研究结论的基础上，确定3℃为临潼石榴花期冻害临界气温，即当最低气温≤3℃时，冻害过程开始；当最低气温>3℃时，冻害过程结束。

（2）确定≤3℃过程极端最低气温、≤3℃过程持续日数和≤3℃过程有害积寒为临潼石榴晚霜冻的3个致灾因子。

（3）采用K-means聚类分析方法，结合晚霜冻等级，确定临潼石榴晚霜冻的轻度、中度、重度综合气候指标分级分别为-1.34≤Z<-0.71，-2.12≤Z<-1.34，Z<-2.12。通过对晚霜冻综合气候等级指标与相应年份发生的冻害情况进行对比，结果较为吻合，验证了指标的可靠性和实用性。

（4）影响石榴春季冻害的因子比较复杂，其发生也可能与地形、湿度、风速等因素有关，本文只针对影响石榴春季生长关键气象因子进行了分析，如何结合阴雨、大风、日照等其他因子设计晚霜冻指标研究的试验，并得到晚霜冻预警评估业务的综合性指标，还有待今后进一步研究。

参考文献

[1]冯玉增，李战鸿，赵艳丽，等.石榴花期冻害与低温程度的关系[J].河北果树，2003（1）：14-17.

[2]谢建华.石榴树冻害类型及影响因素[J].陕西农业科学，2012（6）：267.

[3]李剑雄.北京房山地区石榴花期冻害调查分析[J].现代园艺，2018（8）：7-8.

[4]刘昭武，张其忠，蔡永伟.滨州市石榴生长的气象条件分析[J].时代农机，2015（1）：124-125.

[5]李曦.豫西地区软籽石榴花期冻害成因及防冻措施[J].现代农业科技，2018（14）：94-97.

[6]刘文献，赵丹，王坤宇，等.石榴花期冻害的发生与预防[J].现代农村科技，2010（3）：21.

[7]毕润霞，马敏，罗华，等.枣庄市石榴花期冻害预防及冻后补救措施[J].现代农业科技，2018（17）：90-92.

[8]刘英胜.石榴花期冻害的原因及预防措施[J].河北果树，2017（2）：31-32.

[9]杜尧东，李春梅，毛慧琴.广东省香蕉与荔枝寒害致灾因子和综合气候指标研究[J].生态学杂志，2006，25（2）：225-230.

[10]柏秦凤.华南寒害致灾气候因子及综合指数研究[D].北京：中国气象科学研究院，2008：4-5.

[11]闵晶晶，孙景荣，刘还珠，等.一种改进的BP算法及在降水预报中的应用[J].应用气象学报，2010，21（1）：55-62.

[12]陈家金，李丽纯，林晶，等.福建省枇杷气象灾害综合风险评估[J].应用气象学报，2014，25（2）：232-241.

[13]何斌.陕西省农业干旱风险评估方法研究[D].西安：西安理工大学，2017：20-21.

[14]王永利，侯琼，苗百岭，等.内蒙古马铃薯干旱风险区划[J].应用气象学报，2017，28（4）：504-512.

[15]李登科，权文婷，谢飞舟.陕西省小麦条锈病气象预报模型[J].干旱气象，2017，35（1）：128-133.

[16]赵静，王昱，何倩茹.石榴生长主要物候期气象服务指标分析[J].资源与环境科学，2015（19）：263-264.

[17]李艳丽，赵静，刘映宁，等.低温雨雪冰冻灾害对我省石榴影响分析[J].陕西农业科学，2009（1）：116-118.

[18]赵静，贾毅萍，柏永耀.石榴受冻年份的气候特点[J].山西果树，2007（6）：24-25.

[19]刘静，马力文，张晓煜，等.春小麦干热风灾害监测指标与损失评估模型方法探讨——以宁夏引黄灌区为例[J].应用气象学报，2004，15（2）：217-225.

[20]张洪兵，贾来喜，李璐.R宝典[D].北京：电子工业出版社，2007：353-364.

[21]任义方，赵艳霞，王春乙.河南省冬小麦干旱保险风险评估与区划[J].应用气象学报，2011，22（5）：537-548.

[22]刘瑞娜，杨太明，陈鹏，等.安徽省油菜花期连阴雨灾害损失评估指标[J].中国农业气象，2016，37（4）：471-478.

[23]赵静，杨政，张欣，等.石榴冻害综合气候指标等级划分及应用[J].果树资源学报，2022（3）：29-33.

【基金项目：西安市科技局“科技+”行动计划农业技术研发项目（XA2020-NYJSYF-0001）】（1陕西省西安市临潼区气象局赵静，熊溪若；2陕西省汉中市西乡县气象局杨政）