保山市霜凍氣候特征及精細(xì)預(yù)報方法探究

姚德寬

（保山市氣象局，云南保山 678000）

霜凍是指土壤表面或植株表面的溫度下降到足以使農(nóng)作物遭受凍害甚至死亡的一種天氣現(xiàn)象，發(fā)生霜凍時，地表溫度通常低于或接近0 ℃，因此霜凍預(yù)報實際上是對地表溫度的預(yù)報[1]。目前，鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動氣象站均沒有地表溫度觀測項目，因而利用保山市5 個國家站最近57 年的地面氣象觀測資料（1964—2020 年），總結(jié)了保山市霜期（12 月至次年3 月）逐月地表溫度和夜間最低氣溫、云量、風(fēng)速等氣象要素之間的關(guān)系，利用數(shù)值模式格點預(yù)報資料建立各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低氣溫預(yù)報方程，再利用云量和風(fēng)速預(yù)報確定各預(yù)報站點最低氣溫與地表溫度差值的經(jīng)驗值，從而推算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的霜凍等級預(yù)報[2-5]。

1 調(diào)查方法

霜凍天氣劃分標(biāo)準(zhǔn)：把最低地表溫度≤0 ℃定為一個霜凍日；-1.0 ℃＜最低地表溫度≤0 ℃為輕霜凍；-3.0 ℃＜最低地表溫度≤-1.0 ℃為中霜凍；-5.0 ℃＜最低地表溫度≤-3.0℃為重霜凍；最低地表溫度≤-5.0 ℃為強霜凍[1]。

霜凍資料：利用云南省保山市轄區(qū)內(nèi)的5 個國家氣象站1964—2020 年逐日地表最低溫度及霜凍觀測資料，統(tǒng)計各代表站逐旬、逐月、逐年的霜凍日數(shù)，分析霜凍的時間分布特征。

最低氣溫預(yù)報因子選取2020 年2 月—2021 年11月逐日ECMWF數(shù)值預(yù)報20:00起報的格點預(yù)報資料，采用Press 準(zhǔn)則進行因子初選，采用逐步回歸方法建立最低氣溫預(yù)報方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 保山市霜凍天氣的時間分布特征

從圖1 中可以看出，保山市的霜凍天氣最早出現(xiàn)在每年12 月上旬，最晚出現(xiàn)于次年3 月下旬，1 月出現(xiàn)次數(shù)最多，3 月出現(xiàn)次數(shù)最少。

圖1 1964—2020 年保山市霜凍天氣時間分布圖

由圖2 可見，保山市各站的年霜凍日數(shù)總體呈減少趨勢。用線性擬合統(tǒng)計保山市近57 年來霜凍日數(shù)變化趨勢（每10 年增長率數(shù)據(jù)）：隆陽為-7.73 d，騰沖為-11.24 d，龍陵為-8.58 d，施甸為-7.08 d，昌寧為-5.72 d，不同年份之間的霜凍日數(shù)差異極顯著（P＜0.01）。保山市歷年平均霜凍日數(shù)為46.8 d，各地區(qū)霜凍時間最長的年份分別為：隆陽1971 年（80 d）、騰沖1971 年（109 d）、龍陵1978 年（93 d）、施甸1971 年（66 d）、昌寧1996 年（96 d）。

圖2 1964—2020 年保山市各站逐年霜凍日數(shù)變化曲線

2.2 霜凍與氣象要素間的關(guān)系

2.2.1 霜凍與最低氣溫

霜凍是指最低地表溫度≤0 ℃的一種天氣現(xiàn)象，因此霜凍與最低氣溫的關(guān)系是最低地表溫度與最低氣溫的關(guān)系。統(tǒng)計5 個國家站1964—2020 年最低氣溫與最低地表溫度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)情況下最低地表溫度＜最低氣溫，最低氣溫與最低地表溫度差值＜0 ℃的情況僅占樣本的5%；最低氣溫與最低地表溫度差值在0～4 ℃的情況最多，占樣本的82%；而最低氣溫與最低地表溫度差值＞4 ℃的情況只有12%。由此可見，在大部分情況下，最低氣溫比最低地表溫度要高0～4 ℃，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象站點缺少地表溫度觀測項目的情況下，霜凍預(yù)報可參考最低氣溫的預(yù)報，在其基礎(chǔ)上下降0～4 ℃，如預(yù)報最低氣溫低于2 ℃，那么最低地表溫度很有可能達(dá)到0 ℃以下，要考慮預(yù)報霜凍。

月統(tǒng)計結(jié)果表明（圖3），1991—2020 年保山市最低氣溫與最低地表溫度的月平均溫差差異較大，1月的平均溫差最大，達(dá)到了2.4 ℃；其次是2月、12月，平均溫差達(dá)到了2.3 ℃；而7—9 月最小，平均溫差只有0.2～0.4 ℃，可見不同的季節(jié)背景下，最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差差異較大，其值在夏季最小，在冬季最大。

圖3 1991—2020 年保山市各月最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差

2.2.2 霜凍與云量、風(fēng)速的關(guān)系

霜凍與最低氣溫密切相關(guān)，然而在最低氣溫相同的情況下，風(fēng)速和云量影響著最低氣溫與最低地表溫度的溫差大小，即影響著霜凍天氣的出現(xiàn)。這里選取了5 個國家站1991—2020 年的云量、風(fēng)速、最低氣溫及最低地表溫度資料進行分析。由于最低氣溫、最低地表溫度絕大多數(shù)出現(xiàn)在夜間至清晨（2:00—8:00），因此云量選用2:00 人工觀測的總云量資料，風(fēng)速選用2:00 自動觀測儀器測得的2 分鐘內(nèi)的平均風(fēng)速，分級統(tǒng)計結(jié)果見表1。在同一月里最低氣溫與最低地表溫度的溫差大小和風(fēng)速有關(guān)：當(dāng)風(fēng)速＜1 m·s-1時，各月最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差為2.0～2.3 ℃；當(dāng)風(fēng)速為1～3 m·s-1時，各月最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差為2.3～2.8 ℃；當(dāng)風(fēng)速＞3 m·s-1時，各月最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差為2.1～2.6 ℃。云量也是影響最低氣溫與最低地表溫度溫差大小的一個重要因子，云量越多則溫差越小。以上的分析結(jié)果與周彬等人的研究結(jié)果較一致，即在日最低氣溫相同的情況下，晴朗無風(fēng)的天氣更易形成霜凍[2]。

表1 1991—2020 年風(fēng)速和云量對最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差分段統(tǒng)計結(jié)果

2.3 霜凍的短期預(yù)報

霜凍的中短期預(yù)報基礎(chǔ)是最低氣溫預(yù)報，目前國家網(wǎng)格預(yù)報（SCMOC）產(chǎn)品對鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點的最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較低。為提高霜凍天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率，必須提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點的最低氣溫預(yù)報水平。建立預(yù)報準(zhǔn)確率較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點最低氣溫預(yù)報模型后，霜凍短期預(yù)報的關(guān)鍵就變成了對最低氣溫與最低地表溫度的溫差預(yù)報。由于最低氣溫與最低地表溫度的溫差隨季節(jié)、云量、風(fēng)速變化較大，用常規(guī)的線性方程和多元方程擬合誤差較大，而采用查表法預(yù)報霜凍相對簡單且準(zhǔn)確。最低地表溫度A的預(yù)報公式為：

式中：A為最低地表溫度；B為最低氣溫預(yù)報；Tf和Ty為風(fēng)速和云量對最低氣溫與最低地表溫度之間溫差的影響因子，隨季節(jié)變化，其中Tf是根據(jù)SCMOC北京時間2:00—8:00 對站點的地面風(fēng)速預(yù)報查表1 得到的訂正值；Ty是根據(jù)SCMOC 北京時間2:00—8:00對站點的地面云量預(yù)報查表1 得到的訂正值。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點最低氣溫預(yù)報：經(jīng)過相關(guān)分析，歐洲高分辨率數(shù)值模式（ECMWF_HR）的850 hPa 溫度場、相對濕度場、比濕場與本地最低氣溫的相關(guān)性最好，并且冬春季節(jié)最低氣溫一般出現(xiàn)在8:00 左右，因此選取2020 年2 月—2021 年11 月ECMWF_HR 模式逐日20:00 起報的12 h、36 h、60 h、84 h、108 h、132 h、156 h、180 h、204 h、228 h 預(yù)報時效850 hPa 溫度場、相對濕度場、比濕場作為最低氣溫的預(yù)報因子，因子選取E 98°～100°、N 24°～26°，采用常規(guī)的逐步回歸方法建立起鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點的最低氣溫預(yù)報方程（MOS 方程）。

2.4 霜凍精細(xì)化預(yù)報模型應(yīng)用效果分析

通過對2021 年12 月21 日—2022 年1 月31 日最低氣溫進行預(yù)報質(zhì)量檢驗，上面建立的最低氣溫預(yù)報方程具有很好的預(yù)報能力，24～96 h 誤差在2 ℃以內(nèi)的預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到了81%～88%。利用2021 年12月21 日—2022 年1 月31 日5 個國家氣象站逐日最低地表溫度及霜凍資料對同期霜凍預(yù)報結(jié)果進行了質(zhì)量 評定，2021 年12 月21 日—2022 年1 月31 日5 個國家站共出現(xiàn)了34 站次霜凍，其中預(yù)報準(zhǔn)確的有26站次，霜凍預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到了76%，具有較好的預(yù)報效果。因此，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)的霜凍預(yù)報也可以用最低氣溫－(Tf+Ty)/2 ≤0 這個指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

1）保山市的霜凍天氣出現(xiàn)在每年的12 月上旬至次年的3 月下旬，其中1 月霜凍天氣出現(xiàn)頻率最高，2月次之，3 月出現(xiàn)頻率最低。

2）當(dāng)最低地表溫度≤0.0℃時出現(xiàn)霜凍的概率為95%，當(dāng)最低氣溫≤2.0℃時出現(xiàn)霜凍的概率為91%，因此可以把最低地表溫度≤0.0℃或最低氣溫≤2.0 ℃作為當(dāng)?shù)厮獌鎏鞖忸A(yù)報的臨界指標(biāo)。

3）預(yù)報檢驗結(jié)果表明，利用歐洲高分辨率數(shù)值模式（ECMWF_HR）預(yù)報格點場資料，采用逐步回歸方法建立的鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低氣溫預(yù)報方程（MOS 方程）在保山市轄區(qū)內(nèi)具有較好的預(yù)報效果。24～96 h 誤差在2 ℃以內(nèi)的預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到了81%～88%，具有重要的參考價值。根據(jù)最低氣溫及風(fēng)速、云量預(yù)報，采用查表法預(yù)報霜凍效果良好，預(yù)報準(zhǔn)確率得到進一步提高，可以作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)霜凍精細(xì)預(yù)報的方法。

4）霜凍天氣與最低氣溫、風(fēng)速、云量密切相關(guān)，在日最低氣溫相同的情況下，晴朗無風(fēng)的天氣更容易形成霜凍。