海南岛冬季瓜菜寒害气象指标及发生规律研究

邹海平　张京红　李伟光　陈小敏　白蕤　吕润

关键词：冬季瓜菜；寒害气象指标；Mann-Kendall 趋势检验；站次比；海南岛

中图分类号：P49 文献标志码：A

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2024.04.021

海南岛地处热带，属热带季风海洋性气候，冬季均温为18.1～22.8 ℃[1]，为冬季瓜菜生产提供了极其有利的自然条件。目前，海南岛冬种瓜菜种植面积保持在20 万hm²左右，出岛量近年均保持在300 万t 以上[2]。冬季瓜菜作为海南热带高效农业中的支柱性产业，是海南建设国家现代热带高效农业基地的重要组成部分，在海南省产业脱贫、促进增收和保障民生及建设海南自由贸易港等方面发挥着重要作用。海南已成为我国冬季北运瓜菜重要的生产基地，在全国冬季瓜菜市场发挥了不可替代的作用[3-4]。但受冬季风影响，北方冷空气仍有可能影响海南，引发冬季瓜菜低温寒害[5]，导致减产。如2008 年1 月下旬至2 月中旬发生的重度低温阴雨天气导致海南冬季瓜菜受灾达5.33 万hm²，经济损失约4.37 亿元[6]。农业气象灾害等级指标的准确性及其时空分布特征是农业气象灾害研究的基础，只有正确判断灾害的活动区域及其发生频率，才能对研究区域灾害程度有直观、准确的了解，为下一步灾害监测和风险评估等提供科学依据[7]。因此，研究海南岛冬季瓜菜寒害气象指标及其时空变化规律显得十分必要。

研究者对水稻冷害[8]、玉米冷害[9]、冬小麦冻害[10]、香蕉和荔枝寒害[11]等低温灾害指标及其变化特征开展了大量细致的研究。在瓜菜寒害方面，有学者从农学角度分析了寒害对辣椒[12]、冬瓜[13]、西瓜[14]等瓜菜形态学和生理生化指标的影响。有学者采用考虑瓜菜生物学特性的有害积寒[15-16]和构建致灾指标，分析了瓜菜寒害风险区划。如张蕾等[16]基于海南岛1998—2011 年气象资料，分别以日最低气温≤10.0 ℃、持续日数≥3 d，日最低气温≤12.0 ℃、持续日数≥5d，日最低气温≤15.0 ℃、持续日数≥6 d 寒害过程的有害积寒和作为西瓜、辣椒、豇豆和丝瓜寒害年度气候致灾因子，综合孕灾敏感性、承载体易损性和防灾能力，对海南岛4 种瓜菜寒害进行风险评价与区划。此外，海南省气象局从气候角度制定了海南冬季低温阴雨过程等级标准[1]。前人在瓜菜寒害气象指标和风险区划方面做了大量工作，但也存在一些不足。采用有害积寒和构建各种瓜菜寒害致灾指标虽然考虑了瓜菜生物学特性，但其仅考虑温度对各种瓜菜的不利影响，未考虑阴雨寡照的影响，且该指标仅适合年度寒害等级确定，无法确定历次寒害过程等级，同时该指标无法确定寒害对瓜菜这一大类的影响程度。海南冬季低温阴雨灾害等级虽然考虑了阴雨寡照对农作物的影响且能对每次寒害过程进行评估，但其所涉及温度指标未充分考虑瓜菜的生物学特征。为此，本研究拟在前人研究基础上，利用1971—2020 年气象数据和瓜菜寒害灾情资料，制定既考虑阴雨寡照影响又能量化历次寒害过程影响程度且具备生物学特征的海南冬季瓜菜這一大类寒害气象指标，并利用该指标得出海南冬季瓜菜寒害变化规律，以期为海南冬季瓜菜优化种植布局、抗寒减灾和寒害监测预警等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

影响海南岛冬季瓜菜的寒害主要发生在每年冬季的12 月至翌年2 月，因此采用此3 个月的1971—2020 年气象数据和灾情数据。其中，气象数据包括海南岛18 个气象站的逐日平均温度、最低温度和日照时数，来自海南省气象信息中心；灾情数据来自《中国气象灾害大典·海南卷》[5]及海南省气候中心调研、收集整理的灾情库。

1.2 方法

1.2.1 冬季瓜菜寒害气象指标海南岛主要种植瓜菜（如辣椒、豇豆、西瓜、南瓜、苦瓜等）的生物学温度为日均温15 ℃和12 ℃、日低温10 ℃和5 ℃[17-19]。因此，将海南低温阴雨过程等级标准中不具有生物学特征的温度临界值日均温13 ℃、日低温8 ℃ 和6 ℃ [1]分别改为日均温12 ℃、日低温10 ℃和5 ℃。利用海南冬季瓜菜寒害灾情资料确定不同等级冬季瓜菜寒害过程的持续日数（表1）。表中寒害过程允许间隔1 日不符合寒害气象指标条件，寒害过程持续日数为符合寒害气象指标的日数。同一寒害过程若同时符合多种项目条件则取寒害等级最重者。

1.2.2 站次比计算站次比（%）是指某一年份某一区域内某等级冬季瓜菜寒害发生的站数占该区域内全部站数的比例，用于评价寒害影响范围的大小，即

式中，Y_j 为站次比，j 为某年，m 为某级冬季瓜菜寒害发生的站数，M 为全部站数，即18。

1.2.3 Mann-Kendall 趋势检验 Mann-Kendall 趋势检验法[20-21]是一种非参数统计检验方法，不需要样本遵从一定的分布，也不受异常值干扰，被广泛应用于气候和水文序列的分析，因此本研究采用该方法对冬季瓜菜寒害发生次数和站次比进行显著性检验。

1.2.4 其他方法采用 ArcGIS9.3 软件中的反距离权重模块插值生成冬季瓜菜寒害发生次数的空间分布图，栅格大小为200 m×200 m，再利用自然断点法进行等级划分。

2 结果与分析

2.1 冬季瓜菜寒害气象指标的适应性验证

利用 1971—2020 年寒害灾情资料对冬季瓜菜寒害气象指标准确性进行验证，结果表明海南岛63 个样本中灾情与瓜菜寒害气象指标计算结果符合的样本数为53 个，符合率为84.1%。可见本研究构建的冬季瓜菜寒害气象指标可用于海南岛冬季瓜菜寒害变化规律分析。因篇幅有限，仅列举具有代表性的5 个站点灾情验证结果（表2）。

2.2 冬季瓜菜寒害发生次数的变化特征

2.2.1 冬季瓜菜寒害发生次数的空间分布（1）各月寒害发生次数。图1 为海南岛冬季各月瓜菜寒害1971—2020 年发生总次数空间分布图。可见，海南岛18 站点12 月、1 月和2 月瓜菜寒害50 年发生总次数分别为0～24、1～44 和0～22，其中12 月和1 月瓜菜寒害50 年发生总次数均大致呈中部、西北部向沿海地区减少趋势，2 月略有不同，大致由中部、北部向沿海地区减少。18 个站点12 月瓜菜寒害50 年发生总次数占3 个月相应次数之和的比例为0.0%～66.7%，均值为28.0%，1 月和2 月相对应的占比均值分别为48.6%和23.4%。可见3 个月中海南岛瓜菜寒害主要发生在1 月，约占3 个月瓜菜寒害发生次数的50%。

（2）各月不同等级寒害发生次数。图2 为12月瓜菜不同等级寒害1971—2020 年发生总次数空间分布图。由图2 可见，海南岛12 月瓜菜轻度和中度寒害50 年发生总次数均大致自中部、西北部向沿海地区减少，重度寒害略有不同大致由中部向沿海地区减少；1 月瓜菜各等级寒害50 年发生总次数空间分布均与1 月瓜菜寒害50 年发生总次数相似；2 月瓜菜轻度和中度寒害50 年发生总次数空间分布与2 月瓜菜寒害50 年发生总次数相似，重度寒害略有不同大致自中部、西北部向沿海地区减少。整体上，海南岛冬季各月及各月不同等级瓜菜寒害发生次数高和次高值区主要分布在西北部和中部，低和次低值区主要分布在西部、南部、东部沿海一带。

18 个站点12 月瓜菜轻度寒害50 年发生总次数 占 当 月 50 年发生总次数的比例为33.3%～100.0%，均值为59.2%，12 月中、重度寒害相对应的占比均值分别为27.1%、13.7%；1 月瓜菜轻至重度寒害相对应的占比均值分别为70.6%、19.2%、10.2%；2 月分别为65.7%、23.0%、11.3%。各月轻、中度寒害占比之和分别为86.3%、89.8%和88.7%。可见，3 个月瓜菜寒害均主要以轻、中度为主。18 个站点12 月瓜菜轻度寒害50 年发生总次数占3 个月瓜菜轻度寒害相应次数之和的比例为0.0%～66.7%，均值为25.4%，1 月和2 月轻度寒害相对应的占比均值分别为50.2%、24.4%；3 个月瓜菜中度寒害相对应的占比均值分别为35.2%、43.4%、21.4%；3 个月瓜菜重度寒害相对应的占比均值分别为27.4%、40.2%和32.4%。可见3 个月中，瓜菜轻、中和重度寒害均在1 月出现最多。

2.2.2 冬季瓜菜寒害发生次数的变化趋势表 3为1971—2020 年冬季各月瓜菜寒害年发生次数变化趋势。各月瓜菜寒害年发生次数呈减少趋势的站点个数分别为17 个、17 个和14 个，占所有站点的比例分别高达94.4%、94.4%和77.8%（减少显著的站点占比分别为11.1%、0.0%和5.6%）；不显著增加的站点占比分别为0.0%、5.6%和5.6%；其余为未发生寒害无变化趋势站点。具体到各寒害等级上，12 月瓜菜轻至重度寒害年发生次数不显著减少的站点占比分别高达88.9%、83.3%和61.1%，不显著增加的站点占比分别仅为5.6%、0.0%和5.6%，其余为未发生寒害无变化趋势站点。此为绝大多数站点12 月瓜菜寒害年发生次数随时间减少的原因；1 月情形与12 月类似，瓜菜轻至重度寒害年发生次数不显著减少的站点占多数（占比分别为77.8%、72.2%和66.7%）；2月瓜菜轻、中度寒害情形与12 月和1 月类似，其年发生次数不显著减少的站点占比分别为77.8%和66.7%。重度寒害有所不同，其年发生次数不显著减少的站点占比仅为33.3%，不显著增加的站点占比高达38.9%（主要分布在东部、中部、西部），但因轻、中度寒害年发生次数呈减少趋势站点占比较高，导致大多数站点2 月瓜菜寒害年发生次数仍呈减少趋势。可见，冬季各月及各月不同等级瓜菜寒害中除2 月重度瓜菜寒害年发生次数呈增加趋势的站点较多外，其余瓜菜寒害年發生次数不显著减少的站点占多数。

2.3 冬季瓜菜寒害发生站次比的变化特征

表 4 为1971—2020 年冬季各月瓜菜寒害发生站次比的均值及变化趋势。各月瓜菜轻度寒害发生站次比均值明显大于中度，中度又明显大于重度，表明各月瓜菜不同等级寒害影响范围均按寒害轻度至重度顺序明显缩小。月之间相比，12 月和2 月瓜菜寒害发生站次比均值接近（分别为19.8%和20.7%），明显低于1 月数值（35.4%）；轻度和中度瓜菜寒害月之间亦表现出类似规律；重度瓜菜寒害情形有所不同，12 月和1 月瓜菜寒害发生站次比均值较接近（分别为4.2%和5.3%），明显高于2 月数值（2.9%）。说明3 个月之间相比，12 月和2 月瓜菜寒害影响范围接近且明显小于1月；轻度和中度瓜菜寒害影响范围月之间对比规律类似；重度寒害影响范围有所不同12 月和1 月接近且明显大于2 月。

时间变化趋势上，冬季各月及各月轻至重度瓜菜寒害发生站次比均呈减小趋势，其中仅12 月及其轻度寒害发生站次比显著减小。可见，近50年海南岛冬季各月及各月不同等级瓜菜寒害发生影响范围均随时间在缩小，且以不显著缩小为主。

3 讨论

（1）构建的海南岛冬季瓜菜寒害气象指标准确率为84.1%，可用于分析海南岛冬季瓜菜寒害时空变化规律。

（2）空间分布上，海南岛冬季各月及各月不同等级瓜菜寒害主要出现在西北部和中部地区，西部、南部、东部沿海一带地区出现概率相对较低。因此，海南岛冬季需重点防范中部、西北部地区瓜菜寒害，与海南冬季主要瓜菜寒害致灾危险性结果[16]较一致。这是因为影响海南岛的冷空气主要自西北部或北部登陆，海南岛中间高、四周低，冷空气到达中部山区后受山体阻挡，不易逾越，在山区北部不断积聚，且山间盆地有利于辐射降温，而沿海地区有海温调节作用，其遭受寒害程度和次数会轻于内陆[1， 22]；时间分布上，3个月中，海南岛瓜菜寒害主要发生在1 月，瓜菜轻至重度寒害亦均在1 月出现最多。这是由海南岛一年中1 月冷空气系统出现频率最高所致[23]；寒害发生等级上，各月瓜菜寒害均主要以轻、中度为主，二者占比约88.3%。这与海南岛所处地理位置有关，海南岛地处南海北部，北方冷空气到达时已大为减弱，其对瓜菜的影响程度相应减轻。

（3）时间变化上，Mann-Kendall 趋势检验表明，近50 年海南岛大多数站点冬季各月及各月不同等级（除2 月为重度外）瓜菜寒害年发生次数呈不显著减少趋势，这与当前气候变暖背景下我国寒潮事件减少[24]、海南省冷事件发生频率整体降低[25]事实吻合。寒害发生站次比方面，近50年冬季各月及各月不同等级瓜菜寒害发生站次比均呈减小趋势，这与海南省冷事件强度减弱[25]事实吻合。冬季瓜菜寒害年发生次数减少、发生站次比减小，对海南岛冬季瓜菜种植总体有利。但2 月东部、中部、西部地区瓜菜重度寒害年发生次数呈增加趋势，对当地冬季瓜菜种植不利，需重点关注。

本研究亦存在一些不足之处：因冬季瓜菜寒害灾情资料有限，本研究仅用63 个样本对构建的冬季瓜菜寒害气象指标进行验证，略显不足。加之有些历史灾情资料对寒害等级的记载为人为判定，具有一定的主观性，对指标的验证有一定影响。因此今后需补充典型站点的实际寒害灾情对瓜菜寒害气象指标进行细致订正，使研究结果更接近实际。此外，本研究对象为冬季瓜菜这一大类，而不同瓜菜其抗寒能力不同，在遭受同一寒害影响时，受灾程度不尽相同，因此，后续将加强针对每一种瓜菜寒害气象指标及其发生规律的研究，以提高海南冬季瓜菜寒害监测预警的精确度。