暖春、晚霜與晚霜凍害探析
——以深州蜜桃產(chǎn)區(qū)為例

王榮英，王 瓊，關(guān)鈞元，王 霞

1.衡水市氣象局，河北衡水 053000；2.雄安新區(qū)氣象局，河北雄安 071800；3.饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)，河北饒陽(yáng) 053900

近年來(lái)，在全球氣候變暖大背景下，暖冬和暖春年份增多，而春季氣溫不穩(wěn)定性增加，果樹花期遭遇晚霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)增大，嚴(yán)重影響了果樹栽培的經(jīng)濟(jì)效益[1-6]。據(jù)調(diào)查，晚霜凍害與冰雹同為最受果農(nóng)關(guān)注的氣象災(zāi)害，因此受到從業(yè)技術(shù)人員和氣象服務(wù)人員的高度關(guān)注。大量研究表明：引發(fā)晚霜凍害的根本原因就是果樹花期或幼果期遭遇晚霜凍天氣，物候條件（花期或幼果期）和晚霜凍天氣是發(fā)生晚霜凍害的2個(gè)先決條件。物候與春季氣溫密切相關(guān)，春季氣溫偏高則花期或幼果期提前，而此時(shí)氣溫的不穩(wěn)定性較強(qiáng)，晚霜凍的發(fā)生概率較大，發(fā)生晚霜凍害的概率較高；晚霜結(jié)束日期（即終霜日）偏晚，霜凍發(fā)生時(shí)果樹基本已進(jìn)入開花或幼果期，同樣會(huì)引發(fā)晚霜凍害。理論上而言，早春氣溫偏高（以下稱暖春），同時(shí)終霜日期偏晚（以下稱晚霜）的年份，發(fā)生晚霜凍害的概率較大。樊曉春等[7]發(fā)現(xiàn)春季氣溫上升能使蘋果發(fā)育期提前，終霜日期推遲會(huì)加劇晚霜凍害的嚴(yán)重程度。

目前，關(guān)于果樹晚霜凍害風(fēng)險(xiǎn)的研究多是基于固定的物候期（開花期或開花至幼果期）而開展的，屈振江等[8]基于積溫、氣溫和降水等氣象因子對(duì)主產(chǎn)區(qū)蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估；邱美娟等[9]基于蘋果花期晚霜凍的出現(xiàn)頻率、日數(shù)以及終霜日期變化趨勢(shì)對(duì)晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估；袁佰順等[10]基于最低氣溫和不同強(qiáng)度霜凍發(fā)生頻率，對(duì)蘋果、桃花果期晚霜凍害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。而果樹每年的開花時(shí)間不盡相同，與早春氣溫密切相關(guān)，將基于早春氣溫和終霜日期研究果樹晚霜凍害的發(fā)生概率。

深州蜜桃位于中國(guó)四大傳統(tǒng)名桃之首，昔日曾為皇家貢品，如今是中國(guó)國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品、衡水市的特色產(chǎn)品[11]。以深州蜜桃產(chǎn)區(qū)——深州市為例，分析實(shí)際生產(chǎn)中暖春和晚霜同年出現(xiàn)時(shí)晚霜凍害的發(fā)生情況，以及暖春、晚霜的氣候變化趨勢(shì)，以期為提升晚霜凍害的預(yù)報(bào)預(yù)警能力、有效避免或減輕晚霜凍害的不利影響奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

選取深州市國(guó)家氣象站1957—2021年的氣象數(shù)據(jù)、2015—2020年衡水市區(qū)域氣象站的氣象數(shù)據(jù)和2010—2021年深州蜜桃物候觀測(cè)資料，以及2001—2021年衡水市果樹晚霜凍害資料等，所有氣象數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)河北省氣象信息中心的質(zhì)量控制，深州蜜桃物候觀測(cè)資料來(lái)源于深州市農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，果樹晚霜凍害資料來(lái)源于衡水市林業(yè)技術(shù)推廣站。

應(yīng)用氣候變化傾向率、Morlet小波分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法[12]，分析了終霜日期和早春氣溫的時(shí)間演變特征，初步分析了暖春、晚霜與晚霜凍害的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 晚霜的時(shí)間演變特征

霜凍標(biāo)準(zhǔn)是地面最低溫度≤0℃，終霜日定義為前半年最后一次出現(xiàn)地面溫度≤0℃的日期。終霜日期晚于多年平均日期的確定為晚霜年份。根據(jù)原始?xì)庀髷?shù)據(jù)，分別將每年終霜日出現(xiàn)的日序（如將1月1日的日序定義為1，如2020年3月20日的日序?yàn)?0）標(biāo)記為終霜日期，用于比較終霜日期的早晚。

深州市1958—2021年（1957年終霜日期缺測(cè)）終霜日序呈下降趨勢(shì)（圖1），即終霜日期提前，提前趨勢(shì)為2.358 d/10年。多年平均終霜日序?yàn)?00.5，即終霜日期為4月10日前后。從圖中可以看出，1997年及以后有超過(guò)80%年份的終霜日表現(xiàn)為較平均日期提前，1996年及以前有近60%年份的終霜日表現(xiàn)為較平均日期推后。終霜日序最大值為117（4月27日前后），最小值為74（3月15日前后），均出現(xiàn)在1997年后，期間終霜日期波動(dòng)較大，最多相差達(dá)43 d；1996年及以前終霜日序最大值同樣為117，最小值為92（4月2日前后），期間終霜日期波動(dòng)相對(duì)較小，終霜日期最多相差25 d，較1997年以后的43 d偏少18 d。1997年后，氣候的不穩(wěn)定性較1958—1996年有所增強(qiáng)。

圖1 1958—2021年深州市終霜的日序變化曲線

對(duì)終霜日序進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，結(jié)果表明：1958—2021年深州市終霜日序表現(xiàn)為波動(dòng)下降，下降趨勢(shì)在2003年后達(dá)到或接近顯著水平（P＝0.05）。尤其是2015年后，即深州市終霜日期表現(xiàn)為明顯的提前趨勢(shì)（圖2）。終霜日序在1997年（UB和UF的交叉點(diǎn)）發(fā)生了突變，即終霜日期發(fā)生了氣候突變。

圖2 1958-2021年深州市終霜日序M-K突變檢驗(yàn)

用Morlet小波方法分析深州市1958—2021年終霜日期的周期演變特征，深州市1958—2021年終霜日期存在準(zhǔn)16年的振蕩周期（圖3），且通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，周期異常顯著。按照準(zhǔn)16年的演變周期，對(duì)應(yīng)其小波實(shí)部圖可以發(fā)現(xiàn)，2013—2021年終霜日期表現(xiàn)為提前的趨勢(shì)，可推測(cè)2021—2029年終霜日期將表現(xiàn)為推后的趨勢(shì)。

圖3 1958—2021年深州市終霜日序的Morlet小波變化及其方差變化

2.2 暖春的時(shí)間演變特征

日平均氣溫達(dá)到5℃以上，桃樹即可萌芽，深州市日平均氣溫達(dá)到5℃的多年平均日期為3月8日前后；物候觀測(cè)資料顯示：深州市桃樹的始花期多集中在3月底—4月上旬。桃樹開花日期受3月份氣溫影響最大，此處將暖春的時(shí)段定義為3月份，將3月份平均氣溫作為暖春的判定要素。通常，氣溫對(duì)果樹的始花期起主導(dǎo)作用，3月份氣溫高，桃樹始花期早，反之3月份氣溫低則始花期遲[13-14]。

1957—2021年深州市3月份平均氣溫為7.1℃，多年來(lái)表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，其線性傾向率為0.66℃/10年。其中，2000年之前多在4℃～8℃波動(dòng)，2000—2013年 多 在6℃～10℃波 動(dòng)，2014—2021年多在9℃～11℃波動(dòng)。用M-K突變檢驗(yàn)法對(duì)3月份平均氣溫進(jìn)行氣候突變檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1996年后，3月份平均氣溫表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢(shì)，2003年上升趨勢(shì)達(dá)到顯著水平（P=0.05），在2000年發(fā)生了氣候突變。

使用Morlet小波分析1957—2021年3月份平均氣溫的周期演變特征，3月份平均氣溫存在準(zhǔn)7年和19～20年的顯著振蕩周期，其中19～20年周期異常顯著。對(duì)應(yīng)小波實(shí)部圖中19～20年的振蕩周期，可以推測(cè)2022—2024年3月份平均氣溫處于增加階段，即2022—2024年3月份平均氣溫偏高。

2.3 暖春遇晚霜年與晚霜凍害分析

關(guān)于暖春、晚霜的界定：鑒于終霜日期在1997年、3月份平均氣溫在2000年發(fā)生了氣候突變，1997年后終霜日明顯提前，2000年后3月平均氣溫明顯升高。以1997年和2000年為界，分別統(tǒng)計(jì)了終霜日和3月平均氣溫前、后2個(gè)時(shí)段的平均值：終霜平均日期1957—1997年為4月14日，1997—2021年為4月4日，3月份氣溫平均值1957—2000年為6.2℃，2000—2021年為8.9℃。晚于該時(shí)段終霜平均日期的年份定義為晚霜，高于該時(shí)段3月平均氣溫的年份定義為暖春。晚霜和暖春同年發(fā)生的年份，1958—1999年間42年中出現(xiàn)了10年，2000—2021年間22年中出現(xiàn)了5年，2個(gè)時(shí)段內(nèi)晚霜和暖春同年發(fā)生的概率相當(dāng)，即氣候變化未改變晚霜和暖春同年出現(xiàn)的發(fā)生概率。

因目前能收集到的較完整的桃晚霜凍害的歷史數(shù)據(jù)多為2000年以后的，所以僅分析2000年后暖春和晚霜同時(shí)出現(xiàn)年份的晚霜凍害情況?？紤]到單個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)或因城市發(fā)展受周邊環(huán)境變化較大，影響其數(shù)據(jù)的代表性，在分析晚霜凍害發(fā)生情況時(shí)均參考了全衡水市的氣象條件（最低氣溫、地表最低溫度、降水、積雪等）。

2001—2021年共出現(xiàn)了12年暖春、9年晚霜，暖春和晚霜同時(shí)出現(xiàn)的年份有2006、2015、2018、2020年，期間發(fā)生晚霜凍害的年份有2001、2013、2018、2020年（表1）。暖春年晚霜凍害的發(fā)生概率為4/12，晚霜年晚霜凍害的發(fā)生概率為3/9，暖春又晚霜年晚霜凍害發(fā)生概率為2/4，可以發(fā)現(xiàn)，暖春和晚霜同時(shí)出現(xiàn)的年份晚霜凍害出現(xiàn)的概率較大，約占50%。

表1 2001—2021年深州市果樹晚霜凍害發(fā)生情況

依此分析2001—2021年發(fā)生的每次晚霜凍害過(guò)程，其中2013年凍害較輕，其他年份有中等程度以上凍害發(fā)生。2001年3月平均氣溫9.2℃，較常年偏高2.1℃，桃樹開花早，3月27—28日全市范圍內(nèi)遭遇-3℃～-2℃的強(qiáng)低溫（氣溫）天氣，凍害較重；2006、2015年終霜日期雖然偏晚（4月13日、4月7日），但最低氣溫多≥0℃且地表最低溫度均＞-2℃（衡水市），未達(dá)到桃樹發(fā)生晚霜凍害的指標(biāo)，故沒(méi)有凍害發(fā)生；2013年有晚霜無(wú)暖春，終霜出現(xiàn)前有雨轉(zhuǎn)雪的明顯降水過(guò)程，過(guò)程降水量超過(guò)15 mm，大部分桃花上出現(xiàn)積雪，最低氣溫基本≥-0.9℃，地表最低溫度基本＞0℃，有輕度凍害發(fā)生，未影響產(chǎn)量（晚霜凍害于疏花疏果前發(fā)生）；2018年4月7日氣象站最低氣溫多＜2℃（全市超過(guò)70%的區(qū)域站＜0℃），地表最低溫度均＜-2℃，溫度偏低，有中度凍害發(fā)生，對(duì)產(chǎn)量有不利影響；2020年4月22—23日氣象站最低氣溫多為-0.9℃～3.1℃，地表最低溫度多＜-1℃，時(shí)值桃樹幼果期（耐寒性最差，且已疏果），有中等偏重程度的凍害發(fā)生，對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大。

比較以上幾次晚霜凍害過(guò)程發(fā)現(xiàn)：桃樹開花期，當(dāng)全市氣象站最低氣溫多＜0℃，或地表最低溫度多＜-2.0℃時(shí)，桃樹發(fā)生凍害的可能性較大；幼果期地表最低溫度多＜-1℃時(shí)就可發(fā)生凍害，較開花期更不耐凍；積雪或會(huì)加重凍害發(fā)生程度。

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

（1）1958—2021年深州市多年平均終霜日期為4月10日前后，期間終霜日期表現(xiàn)為提前趨勢(shì)，其線性傾向率為2.358 d/10年，提前趨勢(shì)在2003年達(dá)到或接近顯著水平（P＝0.05），尤其是2015年后；在1997年發(fā)生了氣候突變。終霜日期存在準(zhǔn)16年的振蕩周期，且通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，周期異常顯著。1997年以后，年際間終霜日期的波動(dòng)增大，春季氣溫的不穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（2）1957—2021年深州市早春（3月份）平均氣溫為7.1℃，多年來(lái)表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，其線性傾向率為0.66℃/10年，尤其是1996年后，表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢(shì)，2003年上升趨勢(shì)達(dá)到顯著水平（P＝0.05）；2000年發(fā)生氣候突變。早春平均氣溫存在準(zhǔn)7年和19～20年的顯著振蕩周期，其中19～20年周期表現(xiàn)異常顯著。

氣候變化未改變暖春和晚霜同年出現(xiàn)的發(fā)生概率。深州市2001—2021年的氣象、物候和果樹凍害資料表明：暖春和晚霜同時(shí)出現(xiàn)的年份，晚霜凍害出現(xiàn)的概率較大，約占50%。

3.2 討論

暖春年份，果樹物候期提前，但此時(shí)氣溫很不穩(wěn)定，增加了發(fā)生晚霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)；晚霜年份，終霜發(fā)生時(shí)，果樹多已進(jìn)入花期或幼果期，耐寒能力下降，同樣增加了發(fā)生晚霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)，可見暖春或晚霜與晚霜凍害的發(fā)生與否密切相關(guān)。但晚霜凍害的發(fā)生程度要取決于物候期、最低氣溫及低溫持續(xù)時(shí)間、地表最低溫度以及積雪情況等，此處僅對(duì)暖春、晚霜與晚霜凍害是否發(fā)生的相關(guān)性做了定性分析，關(guān)于晚霜凍害發(fā)生程度的定量分析有待進(jìn)一步研究。

因獲取的物候記錄和果樹凍害資料的年限不長(zhǎng)，在判定暖春和晚霜同時(shí)出現(xiàn)的年份里晚霜凍害出現(xiàn)的概率上或有一定的局限性。近年來(lái)，隨著果園小氣候監(jiān)測(cè)站的建設(shè)，發(fā)現(xiàn)果園內(nèi)的小氣候與常規(guī)氣象站或存在明顯差異,如2020年4月22—23日，深州市氣象站與臨近桃園內(nèi)的最低氣溫相差6.9℃，桃園內(nèi)小氣候與晚霜凍害的發(fā)生有更好的相關(guān)性，只是果園小氣候數(shù)據(jù)的年限較短，不足以用來(lái)進(jìn)行氣候變化分析，今后將繼續(xù)關(guān)注。