晋北仁(肉)用杏晚霜冻害与气象因子和地理环境的关系分析

李效珍， 鲁宇星， 李子龙， 贾利芳， 张建新

(1.大同市气象局，山西 大同 037010； 2.丰镇市气象局，内蒙古 丰镇 012100; 3.山西省气象局，太原 030002)

引 言

山西省阳高县是晋北仁(肉)用杏主产区。近年来，随着全球气候逐渐变暖[1]，植物物候期有提前趋势[2-5]，杏树物候期亦明显提前。晋北杏树盛花期一般在4月上中旬，幼果期在4月下旬至5月上旬，此时冷空气活动频繁，杏树极易造成晚霜冻害，导致杏安全生产受到威胁。如2018年盛花期较常年偏早16 d，而4月7日出现了雪后冻害，致使阳高县杏花受冻严重，减产率达到90%。

国内学者针对果树及杏树冻害、生产方面存在的问题及对策做了大量的研究[6-8]。衣淑玉等[9]分析了霜冻对果树、花及幼果危害的表现，花期受冻表现为雌雄蕊变褐发干，失去授粉能力，幼果期受冻后果实表皮出现褐色斑块，之后果实生长缓慢或逐渐脱落。张鑫[10]、朱琳[11]、王少敏[12]、彭伟秀[13]等认为，杏器官的冻害程度与其所处的发育期有关，同一品种不同时期的抗寒性强弱顺序为树干的>枝条的>蕾期的>盛花期的>幼果期的。目前杏晚霜冻害与气象因子和地理环境关系的研究鲜有报道。由于仁(肉)用杏是晋北农民脱贫致富的主要支柱产业之一，而晚霜冻害是影响晋北仁(肉)用杏高产稳产的主要气象灾害之一，且一次冻害往往是多个气象因子共同影响的结果，因此有必要对晋北仁(肉)用杏晚霜冻害与气象因子和地理环境的关系做深入细致的研究，以期为杏晚霜冻早期预测预警及预防提供科学依据。本文利用阳高县气象观测站多年气象数据及近年来加密区域自动站资料，对典型冻害年份的气象资料进行分析。

1 资料与方法

1.1 资 料

以山西省阳高县杏主产区为研究区域，所用气象资料包括：(1)阳高县气象观测站(以下简称本站)观测的1972-2018年的气温(℃)、逐小时风速(10 min平均风速,m/s)、前一日10 min最大风速(从前一日逐小时风速中选取最大值,m/s)、相对湿度(%)、降水量(mm)等要素;(2)2018年区域自动站、杏园的气温、风速资料；(3)有关杏树冻害资料、物候资料是通过查阅相关文献，并结合调查资料、相关研究成果取得，主要包括杏树物候期(盛花期、幼果期)、冻害日期、减产程度等，选取1995-2018年杏树盛花期、幼果期冻害日对应的最低气温值对照阳高县气象观测站逐日逐时观测资料进行了订正。

用1972-2018年阳高县本站资料分析日平均气温稳定通过0 ℃初日至平均盛花期积温、平均幼果期积温长期变化趋势。用1995-2018年杏树盛花期、幼果期冻害资料，建立积温与减产率的关系式，统计盛花期、幼果期冻害温度值，分析不同降水相态对冻害的影响。应用2014-2018年4月1日至5月10日阳高县气象观测站资料，分析日最低气温与前一日14时气温、当日01-06时最小相对湿度、当日01-06时10 min平均风速、前一日10 min最大风速等主要气象因子的偏相关关系。用2018年4月7日本站资料、区域站资料、杏园小气候资料分析地理位置、海拔、地形、周围环境对霜冻的影响。应用2014年5月3日至5日、2018年4月4日至7日逐小时资料分析逐小时风速、相对湿度与逐小时气温的相关性。

1.2 研究方法

1.2.1 气象因子筛选

根据短期预报中预报气温时考虑的因子，查阅相关文献，结合对当地杏农的一些调研，初步确定与杏晚霜冻害有关的主要影响因子，然后应用相关分析法，对所选因子进行引进剔除。

(1)温度因子：把杏树晚霜冻害易发期(4月1日至5月10日)的每日空气温度(AT)、前一日14时气温(T14B)作为温度因子。

(2)积温因子：日平均气温稳定通过0 ℃(5 d滑动平均)至杏树平均盛花期或幼果期积温作为积温因子(CT)。

(3)湿度和风速因子：将4月1日到5月10日逐日01-06时最小相对湿度(RH)、01-06时10 min平均风速(WD)、前一日10 min最大风速(PWD)作为湿度因子和风速因子。

1.2.2 统计分析

偏相关分析是指两个变量同时与第三个或以上变量相关时，将第三个变量的影响剔除，只分析两个变量之间相关程度的过程。一次冻害过程，往往与多个气象因子相关，本研究选取2014-2018年晚霜冻害常发时段(4月1日-5月10日)的阳高县本站气象数据，以每日最低气温作为因变量，前一日14时气温、前一日10 min最大风速、当日01-06时最小相对湿度、当日01-06时10 min平均风速作为自变量，通过SPSS分析软件，分析每日最低气温与各因子之间的偏相关系数。

2 结果与分析

2.1 历年晚霜冻害情况

阳高县仁(肉)用杏晚霜冻害有较详细记录的资料是从1995年开始的。1995-2018年24年间杏树盛花期和幼果期共发生9年冻害，具体冻害发生日期、冻害程度见表1。杏树盛花期冻害的年份依次为1998、2006、2012、2018年，幼果期冻害的年份依次为1995、2005、2007、2009、2014年。盛花期冻害发生在4月上中旬，盛花期冻害温度≤-2 ℃时，冻害减产率在50%及以上。杏树盛花期冻害最严重的年份为2018年4月7日，日最低气温为-6.4 ℃，历史同期(1981-2010年)4月极端最低气温为-10.3 ℃，出现在1995的4月2日(杏树未进入花期，因此未发生花期冻害)。稳定通过0 ℃初日主要出现在3月中旬，冻害减产率与0 ℃初日线性相关性不显著，未通过P<0.05的显著性检验。从调查结果看，幼果期冻害发生的次数较多，冻害一般发生在4月下旬至5月上旬，幼果期发生冻害时平均减产幅度较大。

2.2 降水相态与杏晚霜冻害的关系

通过分析表1中冻害对应的天气过程，发现大部分冻害天气发生前期往往伴有降水。降雨或降雪对空气中悬浮物有沉降作用，降水过后有利于地面辐射降温，但降水相态不同，冻害的影响程度不同。以2006年4月20日和2018年4月7日两次晚霜冻害事件为例进行分析。2006年4月18日，研究区有小雨，降水过后18-19日出现5～6级西北风，20日早晨出现霜冻害。2018年4月3日至5日研究区出现了雨夹雪转雪天气，过程降水量为25.1 mm，超过了历年4月总降水量(17.9 mm)，降雪从4月3日开始，降雪后4月6日出现5～6级西北风，7日早晨出现冻害。

表1 1995-2018年山西省阳高县杏树盛花期、幼果期冻害日对应的气象条件、物候期、减产率

两次冻害过程前均出现降水、大风，而雪后的冻害更为严重。从表1也可以看出，雪后发生的冻害，最低气温更低,减产幅度更大，这与文献[14]的“雪后凝霜则冻害特别重”的研究结论一致。

2.3 积温与杏晚霜冻害的关系

植物在其生长发育过程中，不仅需要一个适宜的温度条件，而且还需要一定的热量总和，它表明植物在其全生育期或某一生育期对热量的总要求[15]。杏树从萌动期到盛花期需要的平均积温为230.0 ℃·d，从萌动期到幼果期需要的平均积温为494.7 ℃·d。1972-2018年稳定通过0 ℃(5 d滑动平均)初日到杏树平均盛花期即4月20日的积温总体上呈上升趋势(图1)，通过0.01的显著性检验,增速为2.564 ℃·d·a-1，47年来积温增加120.5 ℃·d。其中20世纪70、80、90年代积温均低于47年平均值，而2000年以来平均积温高于47年平均值。2014年的积温最大，为414.2 ℃·d，比平均积温高80%；1996年的积温最小，为96.3 ℃·d，比平均积温低58%。1972-2018年杏树萌动期到幼果期，即稳定通过0 ℃(5 d滑动平均)初日到5月10日的积温总体呈上升趋势(图略)，通过0.01的显著性检验，增速为3.241 ℃·d·a-1，47年来积温增加152.3 ℃·d。其中20世纪70、80、90年代积温均低于47年平均值，而2000年以来积温均高于47年平均值。2014年的积温最大，为665.8 ℃·d，比平均积温高35%；1991年的积温最小，为324.2 ℃·d，比平均积温低34%。

图1 1972-2018年山西省阳高县杏树萌动期-盛花期0 ℃积温年变化

以积温(稳定通过0 ℃初日至平均盛花期或平均幼果期)为自变量，减产率为因变量，用线性回归法得出1995-2018年杏树盛花期或幼果期冻害年积温与减产率的相关系数为0.764，通过0.05的显著性检验,即积温与减产率呈正相关关系，即积温越高,减产率越大，二者的关系式为

DF=0.001CT+0.305

(1)

式中,CT为稳定通过0 ℃初日至平均盛花期或平均幼果期的积温，DF为冻害减产率。

2.4 地理位置、海拔、周围环境对晚霜冻的影响

由于阳高县杏园立地条件差异大，小气候特征明显，因而一次霜冻害过程表现出的最低气温存在差异。本文在阳高县选择具有代表性的杏树集中种植区，按照地理位置及地形不同，将研究区阳高县划分为北部山区、中部平川区、南部丘陵区3个部分，其中阳高县气象观测站、杏园划分在中部平川区。分别以北部山区长城乡、中部平川区王官屯镇、南部丘陵区东小村镇、中部平川区杏园小气候资料为依据，在霜冻害发生期间用区域自动站气温、杏园气温与本站气温进行对比，以2018年4月7日这次冻害为例进行分析,结果见表2。从表2可以看出，此次冻害过程最低气温由低到高的顺序为北部山区长城乡的、中部平川区杏园的、中部平川区王官屯镇的、南部丘陵区东小村镇的、中部平川区本站的，说明最低气温除了受海拔、纬度影响外，还与周围环境条件有关。由于杏园处于相对空旷地带，周围没有建筑物阻挡，因此气温较本站低。

表2 2018年4月7日山西省阳高县不同区域日最低气温

为了进一步分析纬度、海拔对晚霜冻的影响，选取2018年4月7日区域自动站日最低气温与对应的纬度、海拔高度进行相关分析。结果表明，日最低气温与纬度(r=-0.484)和海拔(r=-0.526)均呈负相关关系,且均通过了0.01的显著性检验。运用多元回归法，建立了日最低气温与纬度和海拔的关系式：

MinT=136.463-3.364φ-0.008h

(2)

r=0.743,F=19.77

式中，MinT为日最低气温，Φ和h分别代表站点的纬度和海拔。

纬度与日最低气温的关系式为

MinT=116.542-3.092φ

(3)

晋北黄土高原高寒区春季4月纬度每抬高1°，日最低气温降低3.1 ℃,海拔与日最低气温的关系式为

MinT=1.386-0.007h

(4)

晋北黄土高原高寒区春季4月海拔升高100 m,日最低气温下降0.7 ℃。

2.5 风速、相对湿度对晚霜冻害的影响

低温是导致晚霜冻害的主导因子，而风速、相对湿度则是影响霜冻害程度的调节因子[16]。以2014年5月3-5日、2018年4月4-7日冻害过程为例，分析逐小时风速、相对湿度对的逐小时气温及霜冻害的影响。

选取2014年5月3-5日逐小时风速与2日21:00至5日20:00逐小时气温，以逐小时气温为因变量，逐小时风速为自变量，通过SPSS分析软件，得出逐小时风速与对应的逐小时气温呈正相关关系，相关系数为0.379，通过0.01的显著性检验。风速越大，气温越高，降温速度越慢。二者的关系式为

AT=0.747W10+4.34

(5)

式中,AT为逐小时气温，W10为逐小时风速。

选取2018年4月4-7日逐小时相对湿度与3日21:00至7日20:00逐小时气温，以逐小时气温为因变量，逐小时相对湿度为自变量，通过SPSS分析软件，得出二者的相关系数为0.397，通过0.01的显著性检验。相对湿度越大，气温越高，降温速度越慢。二者的关系式为

AT=0.071RH-6.898

(6)

式中，AT为逐小时气温，RH为逐小时相对湿度。

2.6 日最低气温与各主要气象因子的偏相关分析

对2014-2018年4月1日-5月10日最低气温与其对应的当日01-06时最小相对湿度(RH)、当日01-06时10 min平均风速(WD)、冻害前一日14时气温(T14B)、前一日10 min最大风速(PWD)进行偏相关分析，结果见表3。由表3可知，日最低气温与以上因子均呈正相关关系。其中，日最低气温与前一日14时气温的偏相关系数最大，为0.790，通过0.01的显著性检验；与当日01-06时最小相对湿度、当日01-06时10 min平均风速的偏相关系数分别为0.267、0.209，均通过0.01的显著性检验;与前一日10 min最大风速的偏相关系数为0.140，通过0.05的显著性检验。这一结果说明一次晚霜冻害的强弱，冷空气强度是主导因子，当日夜间风速、相对湿度是调节因子，当日夜间风速越小、空气湿度越低,气温降得越低，造成的晚霜冻害越严重。

表3 2014-2018年4月1日-5月10日山西省阳高县气象观测站日最低气温与其他气象因子的偏相关系数

3 结论与讨论

阳高县1972-2018年杏树萌动期至盛花期、萌动期至幼果期稳定通过0 ℃积温均呈波动式增加趋势，47年来积温分别增加2.564、3.241 ℃·d·a-1，与全球气温变化的趋势一致[17]。积温与减产率呈正相关关系，即积温越高，杏树盛花期、幼果期发生冻害时减产率越大。这与白金莲等[18]的研究结果一致。积温高则发育期提前，发育期提前与晚霜冻推后[19-23]均会导致杏树晚霜冻害的风险增加。1995-2018年杏树发生9年冻害，其中有5年是幼果期冻害，且平均减产率较重，因此，晚霜冻推后年份，要警惕杏树幼果期冻害。一次冻害过程前期往往伴有降水，而雪后发生的冻害，最低气温更低，减产幅度更大。

同一次冻害过程中，通常杏园气温比本站气温低[24]。丁改秀等[25]指出，气象部门的观测站大都位于城市边缘，难以对杏园达到准确的监控。本研究未分析杏园植被对霜冻的影响，可能存在局限性。通过对2018年4月7日区域自动站日最低气温与对应的纬度、海拔高度进行相关分析表明，晋北黄土高原高寒区日最低气温存在立体差异。春季4月纬度每抬高1°，日最低气温降低3.1 ℃；海拔每升高100 m，日最低气温降低0.7 ℃。因此在晚霜冻害日常预报预警业务工作中，应考虑气象观测站与杏园之间的霜冻差异。

邓振镛等[26]提出最低气温为-2～-3 ℃时，杏花器官会受冻。王静等[27]提出杏树器官受冻临界气温为-2.9～-3.7 ℃。而晋北仁(肉)用杏盛花期最低气温≤-2 ℃时，减产率达50%或以上，说明晋北杏树盛花期冻害的临界温度高于-2 ℃。

逐小时气温与逐小时风速、相对湿度均呈正相关关系，相关系数分别为0.379、0.397，均通过0.01的显著性检验，即风速越大，气温下降越缓和[28]，相对湿度越大，气温下降速度越慢。

日最低气温与当日01-06时最小相对湿度、当日01-06时10 min平均风速、前一日14时气温、前一日10 min最大风速的偏相关系数按从大到小的顺序为与前一日14时气温的>与当日01-06时最小相对湿度的>与当日01-06时10 min平均风速的>与前一日10 min最大风速的，均通过0.01或0.05的显著性检验。这一结果表明，前一日冷空气暴发性侵入越强[29]，当日夜间微风、空气越干燥，越易形成冻害[30-32]。

由于研究区有关杏树发育期观测资料少，详细的冻害资料更少，因此本文一些晚霜冻害与气象因子和地理环境的关系、冻害指标的确定有待于今后进一步探讨。