1961—2014年臨夏州霜凍特征及防御對策

岳高峰++馬旭潔++馬孝智

摘要 利用甘肅省臨夏州6個國家級地面氣象觀測站1961—2014年共54年地面常規(guī)氣象資料，使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、趨勢分析和Morlet小波分析方法，對臨夏州霜凍天氣氣候進行分析和研究，結果表明：臨夏州的初霜凍出現(xiàn)于9月上旬至10月上旬，終霜凍結束于次年的3月下旬至5月上旬；霜凍出現(xiàn)頻次最多和次多月份分別為4月、10月；54年間霜凍發(fā)生次數(shù)呈先減少后增加趨勢；不同強度的霜凍日數(shù)變率較大；54年間霜凍發(fā)生存在25年、13年、8年和4年周期振蕩。

關鍵詞 霜凍；氣候特征；小波分析；災害防御；甘肅臨夏；1961—21014年

中圖分類號 P423.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）20-0239-02

氣象學上定義：霜是接近地面層附近的空氣溫度下降至0 ℃及以下時，空氣中的水汽在地面或地面附著物體上凝華為白色的松脆冰晶狀物體[1]，因顏色呈乳白色而俗稱為“白霜”。霜凍是指空氣溫度下降至0 ℃及以下時，由于低溫造成農作物、林果樹的植株、莖葉、花和果體受到傷害或死亡的農業(yè)氣象現(xiàn)象，又被稱為“黑霜”。霜凍在我國北方的秋季和春季比較常見，是一種較嚴重的農業(yè)氣象災害。春季正值農作物出苗和果樹掛蕾、開花，而秋季是農作物、蔬菜和瓜果成熟收獲時節(jié)，而霜凍可致使農作物、林果樹的幼苗、花蕾或葉莖遭受到嚴重的損害或死亡，造成當年糧食和林果業(yè)產量銳減或絕收。

臨夏回族自治州（簡稱臨夏州，下同）地處甘肅省中南部，地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶，大部分地方屬溫帶半干旱氣候，其中西南部山區(qū)為高寒陰濕，東北部為干旱地區(qū)。特殊的地理位置造成臨夏州霜凍氣象災害高發(fā)、頻發(fā)，對農業(yè)生產造成嚴重危害[2]。臨夏州是一個以農業(yè)生產為主的少數(shù)民族地區(qū)，近年來地方政府大力倡導和扶持以雙壟溝播玉米為代表的旱作農業(yè)種植，并取得了一定效益。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅“十二五”期間，臨夏州每年平均遭受霜凍低溫凍害農作物面積達8.1萬hm2，占全州耕地面積的57.2%，經濟損失達2.64億元。因此，利用歷史氣象要素資料分析研究臨夏州霜凍時空分布和發(fā)生規(guī)律，對于防御霜凍災害，提高農作物和林果業(yè)產量具有一定的現(xiàn)實意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

按霜凍出現(xiàn)和結束的時間來分，將霜凍分為初（秋季）霜凍和終（春季）霜凍。秋季出現(xiàn)的第1個霜凍日被稱為當年初霜凍日，春季出現(xiàn)的最后一個霜凍日則被稱為當年終霜凍日。從終霜凍日的后1 d開始至初霜凍的前1 d持續(xù)的日數(shù)被稱為當年的無霜期。本文將霜凍分為輕度、中度、重度3個級別，令Tmin代表日最低氣溫，定義輕度霜凍為0 ℃≥Tmin> -2 ℃；中度霜凍為-2 ℃≥Tmin>-5 ℃；重度霜凍為-5 ℃≥Tmin。所用資料來源于臨夏州所轄的臨夏市、永靖縣、東鄉(xiāng)縣、和政縣、廣河縣和康樂縣6個國家級自動氣象觀站，1961—2014年共54年間的逐日常規(guī)氣象觀測資料，從中挑選出日最低氣溫要素，并進行異常值的剔除和滑動插值處理，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

1.2 分析方法

小波分析方法是20世紀80年代由Morlet提出的一種具有時-頻多分辨功能的方法。它能夠揭示出隱藏在時間序列中的多種變化周期，充分反映系統(tǒng)在不同時間尺度中的變化趨勢，并能對系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢進行定性估計。小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù)，先由小波變換得到小波系數(shù)，再將小波系數(shù)的平方值在B域上進行積分，得到小波方差，小波系數(shù)和小波方差是分析時間序列的時頻變化特征的基礎。本文利用數(shù)理統(tǒng)計方法和線性趨勢法對臨夏州1961—2014年54年間初、終霜凍日，無霜期時空間分布和霜凍頻次進行統(tǒng)計和分析；使用Morlet小波分析對霜凍周期規(guī)律進行分析，找出振蕩周期的規(guī)律。

2 結果與分析

2.1 霜凍初、終日時空分布特征

受特殊地形和氣候的影響，臨夏州各地的初、終霜凍平均日期差異較大。各地初霜凍平均日期介于9月下旬至10月中旬之間，平均日期最早為和政縣9月25日，最晚為永靖縣10月22日。各地終霜凍平均日期介于4月中旬至5月中旬之間，平均日期最早為永靖縣4月16日，而最晚為和政縣5月13日。在空間分布上，全州初霜凍最早在東南方先出現(xiàn)，中部次之，西北部則出現(xiàn)時間為最遲；終霜凍出現(xiàn)時間則剛好相反，空間分布為西北部最早，中部次之，東南部最遲。

2.2 霜凍發(fā)生頻次及年際變化

1961—2014年共54年間，臨夏州4—6月終霜凍發(fā)生頻次及輕、中、重度霜凍發(fā)生頻次呈先增后減趨勢，其中1961—1980年呈波動增長趨勢，而在1981—2014年又呈減少趨勢。而9—10月的初霜凍發(fā)生頻次及輕、中、重度霜凍發(fā)生頻次為1960—1970變化不顯著，1971—1980顯著增加，1981—2014呈顯著減少趨勢。整體來看，臨夏州54年間初終霜凍趨勢變化與近年全球氣候變暖的氣候趨勢相一致，說明全球氣候變暖對霜凍的影響是比較顯著的。

2.3 霜凍的旬、月際變化

臨夏州各地月霜凍分布變化中，4月最多，占全部霜凍日數(shù)的39.6%～47.9%，10月為次多，占全部霜凍日數(shù)的27.6%～32.8%，其余月時段共占全部霜凍日數(shù)的5.6%～12.8%。各地旬霜凍分布變化中，4月中旬最多，占全部霜凍日數(shù)的28.6%～43.8%；10月上旬為次多，占全部霜凍日數(shù)的22.6%～32.8%，其余旬時段共占全部霜凍日數(shù)的8.6%～16.8%。

2.4 霜凍強度變化特征

對54年霜凍氣象資料統(tǒng)計分析，全州各地輕度、中度、重度的霜凍日數(shù)變率較大。54年中，輕度霜凍共出現(xiàn)78次，占全部霜凍次數(shù)的67.2%；中度霜凍共出現(xiàn)31次，占全部霜凍次數(shù)的26.7%；重度霜凍共出現(xiàn)7次，占全部霜凍次數(shù)的6.1%。臨夏州歷史上最嚴重的一次霜凍天氣出現(xiàn)在1970年4月12日，日最低氣溫降至-9.7 ℃，致使全州各地當年的農作物、果樹、蔬菜等產量遭受巨大損失。

2.5 霜凍發(fā)生頻次振蕩周期特征

54年中，臨夏州霜凍發(fā)生的頻次年代際存在著以下特點：大、中尺度周期振蕩比小尺度周期振蕩變化更加顯著。小波方差圖顯示，存在25年、13年中長期振蕩和8年、4年短期周期振蕩。小波系數(shù)圖顯示，25年、13年周期振蕩顯著；8年周期振蕩較顯著；而4年周期振蕩不顯著。

3 霜凍對農業(yè)的影響分析及防御對策

IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）發(fā)布第五次評估報告指出，全球正處在氣候變暖的環(huán)境中，過去的130年全球升溫0.85 ℃；而過去30年可能是史上最熱的30年[3]。全球氣候變曖導致氣候極端事件頻發(fā)高發(fā)成為常態(tài)，而低溫霜凍是極端氣象災害的一種表現(xiàn)形式，其發(fā)生范圍廣、危害生、損失大，對全球糧食安全構成嚴重威脅[4-5]。

3.1 霜凍的類型

按霜凍形成的物理機制，可分為：冷平流型霜凍、平流輻射型霜凍和輻射型霜凍。冷平流型霜凍是由于強冷空氣南移，造成強降溫和寒潮天氣，引起霜凍發(fā)生。強冷空氣常引發(fā)大風天氣，故該類霜凍天氣又被稱為“風霜”。平流輻射型霜凍是由強冷空氣和地面強輻射相互作用形成，由于冷空氣密度大，海拔較低的川塬和低洼地帶的農業(yè)、果林更易遭受到此類霜凍的損害[6]。輻射型霜凍是由于在無風或微風的晴朗夜晚，地面層強烈降溫，從而導致近地面空氣輻射降溫而發(fā)生的霜凍。3種類型霜凍中，平流輻射型霜凍對農業(yè)和林果業(yè)影響最為嚴重，冷平流型霜凍次之，輻射型霜凍對農業(yè)影響相對較輕。

3.2 霜凍對農業(yè)的影響

霜凍對農業(yè)的影響是嚴重的。通過對臨夏州1991—2010年共20年的玉米、春小米等農業(yè)產量進行統(tǒng)計分析，結果顯示，霜凍發(fā)生的次數(shù)和等級與產量的高低相關系數(shù)為0.86，說明霜凍災害對農業(yè)的影響非常顯著。在臨夏州，初霜凍較終霜凍危害要輕，初霜凍開始時，大部分農作物已經收獲，像玉米、馬鈴薯等都已經成型，即使出現(xiàn)霜凍天氣也影響較??；而像大白菜等未成熟的蔬菜會受到一定影響。終霜凍對農業(yè)和林果業(yè)的影響要嚴重得多，而且終霜凍發(fā)生的時間越晚對農作物和林果業(yè)的危害越嚴重，對農業(yè)的影響越大。54年間臨夏州終霜凍出現(xiàn)最早的時間為3月12日，最遲時間為6月3日。3月下旬至4月上旬，臨夏州大部分地方開始春小麥、旱作玉米的播種，4月中旬開始出苗并進入苗期；3—4月正值早酥梨、大接杏、啤特果等特色林果的現(xiàn)蕾和開花時段，而此時出現(xiàn)的霜凍對作物和林果的影響是巨大的，如果此時發(fā)生重度的霜凍則更是毀滅性的打擊。

3.3 霜凍防御

霜凍的防御主要有2條途徑：一是提高霜凍天氣的預報預警能力，二是加強物理防范工作。借助于新一代多普勒天氣雷達、氣象衛(wèi)星云圖和高空探測技術等現(xiàn)代化的技術和手段，如今對氣象災害的監(jiān)測和預報預警能力得到大幅提升和改善。目前，全國各級氣象臺站普遍都建立和利用數(shù)值天氣預報模式，預報準確率和精細化程度不斷提高，對各類霜凍天氣的預報預警和監(jiān)測工作日趨完善。

霜凍物理防御方法主要有灌溉法、煙熏法、噴藥法和覆蓋法。灌溉法是指在霜凍來臨前對地段進行灌溉，以增大土壤的熱容量和導熱率，從而可以延緩近地面層空氣溫度下降的速度，降低霜凍的強度。煙熏法是一種簡單易行的防霜凍方法，在霜凍來臨前，通過燃燒物體產生大量煙霧，依靠煙霧中的大量顆粒吸收空氣中的水汽釋放出潛熱，同時物體燃燒時自身也釋放熱量，可達到雙重增加空氣溫度的效果。噴藥法是通過霜凍前在作物和林果樹體上噴灑藥物，通過阻止冰核活性細菌誘發(fā)植物體內細胞水結冰來預防霜凍或降低霜凍強度。覆蓋法是在霜凍來臨之前，通過在保護物上覆蓋一層物體，阻止熱量散失和空氣對流，達到保護農作物和林果的目的。2013年，甘肅省氣象局人影辦研制出了國內首臺防霜機并在天水市花牛蘋果基地投入使用。該防霜機是由農電或柴油發(fā)動機作為動力源，經齒輪箱、傳動軸帶動葉片轉動產生風能，利用“逆溫現(xiàn)象”，對果園上方空氣進行物理擾動，混合小環(huán)境內上下層空氣，促進冷暖空氣對流，提升果園樹蓬面溫度，能夠起到良好的防霜凍效果。

4 結語

利用甘肅省臨夏州6個國家級氣象觀測站1961—2014共54年氣象要素資料，將霜凍分為輕度、中度、重度3個級別，使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、趨勢分析和Morlet小波分析方法分析研究霜凍發(fā)生規(guī)律和對農林果業(yè)的影響。臨夏州各地的初、終霜凍平均日期差異較大。各地初霜凍平均日期介于9月下旬至10月中旬之間，平均日期最早為和政縣9月25日，最晚為永靖縣10月22日。54年間霜凍發(fā)生頻次先增后減。霜凍發(fā)生的頻次年代際存在25年、13年、8年、4年周期振蕩，其中25年、13年周期振蕩顯著，8年周期振蕩較顯著，而4年周期振蕩不顯著。霜凍發(fā)生的次數(shù)與等級與產量的高低相關系數(shù)高，對農業(yè)的影響非常顯著。臨夏州常見的霜凍有冷平流型霜凍、平流輻射型霜凍和輻射型霜凍，其中平流輻射型霜凍危害最嚴重。物理防御方法有灌溉法、煙熏法、噴藥法和覆蓋法，使用多種方法進行防御效果更佳。

5 參考文獻

[1] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：21-22.

[2] 尹憲志.臨夏氣象[M].北京：氣象出版社，2011：3-5.

[3] 秦大河，Thomas Stocker，沈永平，等.IPCC第五次評估報告第一工作組報告的結論[J].氣候變化研究進展，2014，10（1）：1-6.

[4] 沈能展，梁榮欣，趙秀半，等.哈爾濱地區(qū)初、終霜凍日分布特點的研究[J].東北農業(yè)大學學報，2000，31（2）：129-136.

[5] 吳國興，高安寧，陳業(yè)國.廣西異常霜凍天氣過程特征指數(shù)研究[J].地理，2003（58）：31-37.

[6] 李衛(wèi)偉.春季果樹低溫凍害應對措施[J].農業(yè)技術與裝備，2012（2）：75.