且末地區(qū)紅棗越冬綜合凍害指數(shù)研究

黃玖君，李大武，張慧琴，鄧新建，馮浩

（1.庫(kù)爾勒市氣象局，新疆庫(kù)爾勒 841000；2.且末縣紅棗管理中心，新疆且末 841900；3.吐魯番氣象局，新疆吐魯番 838000;4.且末縣氣象局，新疆且末 841900）

且末地區(qū)紅棗越冬綜合凍害指數(shù)研究

黃玖君1，李大武2，張慧琴3，鄧新建1，馮浩4

（1.庫(kù)爾勒市氣象局，新疆庫(kù)爾勒 841000；2.且末縣紅棗管理中心，新疆且末 841900；3.吐魯番氣象局，新疆吐魯番 838000;4.且末縣氣象局，新疆且末 841900）

根據(jù)且末氣象站1971—2012年冬季逐日氣溫資料，通過(guò)對(duì)冬季極端最低氣溫、日平均氣溫≤-10℃負(fù)積溫、最低氣溫≤-18℃日數(shù)、≥1 cm積雪持續(xù)日數(shù)等凍害氣象因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，運(yùn)用主分量分析方法計(jì)算紅棗綜合凍害指數(shù)，并采用線性回歸，Mann-Kendall檢驗(yàn)和小波分析方法對(duì)綜合凍害指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，綜合凍害指數(shù)數(shù)值越小，凍害越嚴(yán)重；確定綜合凍害指數(shù)≤-1.0為紅棗出現(xiàn)凍害的臨界指標(biāo)；凍害指數(shù)在1977年前后出現(xiàn)了一次增大突變；預(yù)測(cè)2013年冬季紅棗受凍情況與實(shí)際一致。

紅棗；越冬凍害；凍害指數(shù)

且末地處昆侖山北麓，塔里木盆地東南緣，境內(nèi)光熱、水土資源豐富，全年每平方厘米太陽(yáng)輻射量為150 kcal，年日照時(shí)數(shù)高達(dá)2 908 h，棗樹(shù)萌芽到果實(shí)成熟期≥0℃的積溫為3 852℃，秋季紅棗成熟期日平均溫差達(dá)到20℃以上。所產(chǎn)紅棗外形豐滿美觀，果皮深紅發(fā)亮，平均單果重11.5 g。干棗果肉富有彈性，肉質(zhì)緊密，耐擠壓，肉核易分離，含糖量60%～70%。因個(gè)大飽滿，皮薄肉厚，品質(zhì)極優(yōu)，綠色無(wú)污染，2009年成為新疆首個(gè)“全國(guó)綠色食品原料紅棗標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基地”。截至目前，全縣耕地面積26 800 hm2，種植紅棗就達(dá)9 380 hm2，掛果面積7 035 hm2，年產(chǎn)鮮棗21 000 t，總產(chǎn)值3.4億元，人均增收6 400元。紅棗已成為且末縣繁榮農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入的支柱產(chǎn)業(yè)和陽(yáng)光產(chǎn)業(yè)。然而且末又是典型的氣象災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，大風(fēng)、沙塵暴、越冬凍害是其主要災(zāi)害。近年來(lái)，隨著全球氣候和新疆區(qū)域氣候的變暖，異常極端天氣事件頻繁發(fā)生。根據(jù)且末縣紅棗管理中心統(tǒng)計(jì)，近10a來(lái)，2001/2002年冬季紅棗受害面積536 hm2，2007/2008年紅棗凍害最嚴(yán)重，凍害面積4 059 hm2，其中嚴(yán)重凍害就達(dá)1 291 hm2，2010/2011年冬季持續(xù)嚴(yán)寒也都對(duì)紅棗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)?？梢?jiàn)，冬季凍害已成為紅棗產(chǎn)業(yè)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，故開(kāi)展紅棗凍害研究具有重要意義。近年來(lái)，有關(guān)棗樹(shù)凍害研究很多，如張亞新等[1]對(duì)阿克蘇地區(qū)棗樹(shù)凍害類型及主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行了分析，胡云喜等[2]對(duì)塔里木河上游墾區(qū)棗樹(shù)凍害調(diào)查及預(yù)防對(duì)策進(jìn)行分析，但這些研究大多側(cè)重于對(duì)凍害成因的分析。截止目前，對(duì)本地區(qū)棗樹(shù)綜合凍害指標(biāo)的研究尚不多見(jiàn)。果樹(shù)凍害主要原因是氣象因子的異常變化、低溫強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間等因素綜合決定其受凍程度[4]。本文利用且末縣冬季氣象資料和紅棗災(zāi)情資料，綜合考慮極端最低氣溫、低溫強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間、積雪日數(shù)等因素對(duì)紅棗凍害的影響，應(yīng)用主分量分析方法計(jì)算且末紅棗綜合凍害指數(shù)，分析其變化特征和周期特征，為特色林果防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料及方法

1.1 資料

1.1.1 氣象資料

以12月至次年2月為冬季，選取且末氣象站1971年12月—2013年2月的逐日最低氣溫、日平均氣溫及積雪日數(shù)等氣象資料作為凍害主要因子進(jìn)行分析。

1.1.2 紅棗凍害資料

紅棗凍害災(zāi)情資料來(lái)自且末縣紅棗管理中心。

1.2 分析方法

1.2.1 主分量分析

將相關(guān)性顯著的凍害因子序列，運(yùn)用主分量分析方法[4]，計(jì)算紅棗綜合凍害指數(shù)。

1.2.2 變化特征分析

采用線性回歸方法分析綜合凍害指數(shù)的趨勢(shì)變化特征，用Mann-Kendall方法進(jìn)行突變檢測(cè)；運(yùn)用morlet小波分析方法研究?jī)龊χ笖?shù)周期變化特征[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅棗綜合凍害指數(shù)的分析與計(jì)算

2.1.1 凍害因子的分析

根據(jù)前人研究[1-3]和近幾年觀測(cè)調(diào)查凍害情況，經(jīng)分析確定，以極端最低氣溫表示冬季短時(shí)冷暖的強(qiáng)度，定義為x（1℃）；以日平均氣溫≤-10℃的負(fù)積溫反映冬季嚴(yán)寒的累積效應(yīng)，定義為x（2℃）；因一定低溫條件持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)樹(shù)體忍耐限度果樹(shù)就會(huì)凍傷[4]，因此，經(jīng)相關(guān)檢驗(yàn)以最低氣溫小于-18℃定義為x（3℃）；冬季積雪可增大棗樹(shù)地表濕度引起凍害，因此以冬季積雪大于1 cm日數(shù)定義為x（4d）；各指標(biāo)的原始值見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，且末1971—2012年冬季極端最低氣溫為-27.3℃，出現(xiàn)在2007年，該年且末紅棗出現(xiàn)了嚴(yán)重凍害；年極端最低氣溫最大值-15.4℃，出現(xiàn)在2004年，為42a最暖冬季。日平均氣溫≤-10℃的負(fù)積溫最大值出現(xiàn)在1984年冬季，為-596.9℃，負(fù)值越大出現(xiàn)凍害的概率也就越高。42a中有5a負(fù)積溫為0，分別是1985、1989、1999、2003、2006年冬季，這幾年果樹(shù)均安全越冬。最低氣溫≤-18℃的日數(shù)最長(zhǎng)為25d，出現(xiàn)在2007年冬季，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)凍害可能性也越大?！? cm積雪最長(zhǎng)日數(shù)出現(xiàn)在1977年和2007年，積雪時(shí)間長(zhǎng)，引起根頸凍融交替造成凍害。

2.1.2 各指標(biāo)因子相關(guān)性分析

計(jì)算表1中x1，x2，x3，x4序列間相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示x1，x2，x3，x4之間線性相關(guān)顯著，R（x1，x2）= 0.680，R（x1，x3）=-0.858，R（x1，x4）=-0.623，R（x2，x3）=-0.917，R（x2，x4）=-0.518，R（x3，x4）=0.604，其中x1、x3和x2、x3相關(guān)程度最高，這6個(gè)相關(guān)系數(shù)均通過(guò)信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明它們之間互相存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

表1 且末紅棗凍害因子原始值

2.1.3 綜合凍害指數(shù)的計(jì)算

用主要分量分析方法[4-6]，計(jì)算出凍害指標(biāo)x1、x2、x3、x4序列4個(gè)的主要分量，把其中一個(gè)物理意義清晰，且方差占總方差大部分的一個(gè)主要分量（要求這個(gè)主要分量的方差對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率大于75%），作為該站的綜合凍害指數(shù)[6]。計(jì)算出綜合指數(shù)如下：

yi1=0.519 9x1+0.515 9x2-0.536 8x3-0.418 8x4（1）

由表2可見(jiàn)，通過(guò)方差分解主成分，提取1個(gè)主成分，第一個(gè)主要分量方差已占到79%，即新變量包含原始變量79%以上的信息，且其物理意義明確，表明新變量yi1可以表示且末紅棗冬季凍害程度的綜合指數(shù)。

由式（1）可見(jiàn)，最低氣溫愈低，對(duì)新指數(shù)的貢獻(xiàn)越大，這一部分對(duì)新指數(shù)的貢獻(xiàn)為0.52；而負(fù)積溫越多，對(duì)新指數(shù)貢獻(xiàn)越大，這一部分為0.52，最低氣溫持續(xù)日數(shù)越長(zhǎng)對(duì)凍害指數(shù)貢獻(xiàn)越大，這一部分為-0.54，大于1 cm積雪日數(shù)越長(zhǎng)對(duì)凍害指數(shù)貢獻(xiàn)越大，這一部分為-0.42，根據(jù)式（1）計(jì)算且末冬季的綜合凍害指數(shù)（圖1）。

表2 各凍害因子在主分量中的特征向量及其貢獻(xiàn)率

圖1 且末紅棗凍害指數(shù)的年際變化

2.1.4 凍害指數(shù)臨界指標(biāo)

1971—2012年且末紅棗綜合凍害指數(shù)最小值為-6.00，出現(xiàn)在2007年冬季，與前面分析的42a最冷的年份是一致的，是出現(xiàn)凍害最嚴(yán)重的一年。最大值為1.88。2004年是最暖的冬季，當(dāng)年極端最低氣溫-15.4℃，是42a來(lái)最高的一年。且末在最近的2008年冬季未受過(guò)凍害，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)和對(duì)比印證方法，確定綜合凍害指數(shù)小于-1.0為紅棗凍害臨界指標(biāo)。42a中出現(xiàn)凍害概率為17%，進(jìn)入21世紀(jì)有3a達(dá)到了紅棗凍害標(biāo)準(zhǔn)。由于且末2001年才開(kāi)始大面積種植紅棗，對(duì)于之前紅棗凍害情況無(wú)法得到驗(yàn)證（圖1）。

2.2 綜合指數(shù)的年代際分析

20世紀(jì)70年代到80年代中期以前，指數(shù)波動(dòng)明顯，80年代中期到2000年代前期進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)期，即這期間受凍害概率較小，2000年代中期后綜合凍害指數(shù)又開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)明顯的波動(dòng)期，即紅棗安全的不確定性在增加。

2.3 綜合凍害指數(shù)的突變分析

用Mann-Kendal方法檢測(cè)綜合凍數(shù)指數(shù)的突變，給定0.05顯著性水平（u0.05=1.96），20世紀(jì)70年代中后期至80年代初以來(lái)凍害指數(shù)呈增大趨勢(shì)，并在2000年以前維持相對(duì)穩(wěn)定，尤其在1989年前后超過(guò)了顯著水平0.05的臨界（u0.05=1.96）。圖中UF與UB曲線的交點(diǎn)位于臨界線之間，交于1977、2006年前后，其中只有在1977年前后交叉后呈上升趨勢(shì)，2000年代中后期UF與UB曲線也出現(xiàn)了一些交點(diǎn)，但突變趨勢(shì)不明顯。

2.4 綜合凍害指數(shù)的周期變化特征分析

本文用Morlet小波變換分析且末紅棗凍害指數(shù)的多時(shí)間尺度特征。圖2為紅棗綜合凍害指數(shù)小波變換實(shí)部，由圖2可看出，綜合凍害指數(shù)變化存在多時(shí)間尺度特征，年代際變化以38～42a左右的周期信號(hào)明顯，表現(xiàn)為明顯的“正—負(fù)—正”閉合中心貫穿整個(gè)序列且交替振蕩顯著，即為明顯的冷—暖—冷交替變化。20世紀(jì)80年代以前為偏冷期，此后至2000年為偏暖期，進(jìn)入21世紀(jì)后前12a為偏冷期。此外年代際尺度還存在17a的準(zhǔn)周期；年際尺度存在9a周期，但這種周期在2000年以前信號(hào)最強(qiáng)，2000年以后有向更短周期發(fā)展的趨勢(shì)，并在2005年以后形成3～5a周期變化。從大尺度背景來(lái)看，負(fù)值中心還未閉合，由小波系數(shù)負(fù)值范圍可推測(cè)[7]，未來(lái)一段時(shí)間綜合指數(shù)仍處于負(fù)值區(qū)，但從小尺度變化來(lái)講，預(yù)測(cè)2013年冬季凍害指數(shù)處于正值區(qū)周期，屬不易受凍年份。經(jīng)過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)，2013年冬季綜合指數(shù)為1.46，與預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

圖2 凍害指數(shù)的Morlet小波變換實(shí)部

3 結(jié)論

（1）且末紅棗凍害指數(shù)能較好反映凍害情況，綜合凍害指數(shù)越小，凍害程度越大，確定凍害指數(shù)小于-1.0為凍害臨界指標(biāo)，基本上能涵蓋歷史上受凍害年份，尤其包含了2000年以后凍害基本情況。但由于且末紅棗發(fā)展歷史較短，無(wú)法對(duì)2000年以前凍害年份進(jìn)行檢驗(yàn)。2010年冬季綜合凍害指數(shù)排名較靠前，卻沒(méi)有相關(guān)災(zāi)情記錄，可能與經(jīng)過(guò)2007/2008年冬季的極端嚴(yán)寒，且末縣各級(jí)政府加強(qiáng)了紅棗防凍措施有關(guān)。

（2）且末紅棗凍害指數(shù)增大趨勢(shì)不明顯，20世紀(jì)70年代到80年代中期以前，指數(shù)波動(dòng)明顯，80年代中期到2000年代前期進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)期，這期間受凍害概率較小，2000年后又開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)明顯的波動(dòng)期。

（3）紅棗綜合凍害指數(shù)年代際變化以38～42a和17a左右的周期信號(hào)明顯。從大尺度背景來(lái)看，未來(lái)一段時(shí)間綜合指數(shù)仍處于負(fù)值區(qū)，但從小尺度來(lái)看，2013冬季凍害指數(shù)處于正值區(qū)周期，事實(shí)上2013年冬季為明顯暖冬，紅棗未受凍害。

（4）果樹(shù)凍害是氣象因子、植物學(xué)因子以及其它人為因素共同影響的結(jié)果，本文從極端最低氣溫、負(fù)積溫、低溫強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間以及冬季積雪角度，研究發(fā)現(xiàn)紅棗綜合凍害指數(shù)，主要為該地區(qū)紅棗凍害預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)起到一個(gè)拋磚引玉的作用。但由于棗樹(shù)受害年份少，對(duì)于凍害因子的確定有可能還不全面，今后仍需持續(xù)開(kāi)展這方面的研究。

[1]張亞新，劉海蓉，李茂春，等.阿克蘇地區(qū)棗樹(shù)凍害類型及主要?dú)庀笠蜃拥挠绊懛治鯷J].沙漠與綠洲氣象，2009，3（6）：43-46.

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[4]黃嘉佑.氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法[M].北京:氣象出版社，2009：57-69.

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Index of Freezing Injury on Jujube in Qiemoarea in Winter

HUANG Jiujun1，LI Dawu2，ZHANG Huiqing3，DENG Xingjian1，F(xiàn)ENG Hao4
（1.Korlameteorological Bureau,Korla 841900，China；2.Qiemomanagement Center of Jujube，Qiemo 841900，China；3.Turpanmeteorological Bureau，Turpan 838000，China；4.Qiemeomoteological Bureau，Qiemo 841900，China）

according to the daily temperature data during 1971-2012 in themeteorological station of Qiemo,themeteorological factors of freeze injury including winter extremelyminimum temperature,negativeaccumulated temperature with dailyaverage temperature≤-10℃,day numbers of the lowest temperature≤-18℃,last days of snow≥1cm were standardized.The principal componentanalyticalmethod was used to calculate the comprehensive index of freezing injury of jujube,and the linear regression,Man-Kendall testingand waveletanalysis were used toanalyze the comprehensive index of freezing injury.The results showed that,the smaller the comprehensive index of frost damage was,themore serious freeze injury was;wealso determined that the comprehensive index of frost damage≤-1.0 was the critical index for freeze injury occurrence;the index of freezing injury hadan increasedmutation in 1977.

Jujube；freeze injury in winter；index of freeze injury

S425

B

1002-0799（2014）06-0056-04

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.010

2014-04-14；

2014-07-17

中國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)（CCSF201425）；巴州科學(xué)技術(shù)研究（含星火）計(jì)劃項(xiàng)目（201306）和巴州氣象局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（201312）共同資助。

黃玖君（1975-），女，工程師，主要從事氣象服務(wù)和農(nóng)業(yè)氣象工作。E-mail：xjscmy@126.com

黃玖君，李大武，張慧琴，等.且末地區(qū)紅棗越冬綜合凍害指數(shù)研究[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（6）：56-59.