近30年重慶市晚熟柑橘冬季極端凍害模擬分析

李澤明　 唐余學(xué)

摘要 利用重慶市1984～2013年12月～次年2月的逐日最低氣溫資料，在考慮海拔高度的影響下，模擬分析了極端凍害在重慶市晚熟柑橘適宜區(qū)的時(shí)空分布規(guī)律以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。結(jié)果表明，在重慶市晚熟柑橘適宜區(qū)，極端凍害多出現(xiàn)在12月下旬，發(fā)生的程度一般為輕度凍害，發(fā)生的面積約占適宜區(qū)總面積的1/4左右，發(fā)生的概率一般低于4%，東北部的梁平、忠縣、奉節(jié)、云陽等地和中部的墊江、長(zhǎng)壽以及西部的合川、江津、渝北等地凍害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)較低。重慶市長(zhǎng)江沿岸海拔400 m以下的大部地區(qū)，適宜晚熟柑橘栽培，但部分地區(qū)仍需要做好凍害防御。

關(guān)鍵詞 晚熟柑橘；極端凍害；風(fēng)險(xiǎn)；模擬；冬季；重慶市

中圖分類號(hào) S162.5+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）08-02421-04

Simulation Analysis of Extreme Freezing Injury of Latematuring Citrus in Winter in Recent 30 years

LI Zeming， TANG Yuxue （Chongqing Meteorological Information and Technical Support Center， Chongqing 401147； Chongqing Institute of Meteorological Sciences， Chongqing 401147）

Abstract By using the daily minimum temperature during December to February from 1984 to 2013 in Chongqing， based on effect of altitude， spatial and temporal distribution and risk levels of simulate analysis of extreme freezing injury of latematuring citrus in winter were completed. The results showed that extreme freezing injury of latematuring often occurred in late December， and a lesser degree of occurrence， the percentage of total suitable area was 25%， and probability was less than 4%. Lowrisk areas included Liangping， Zhongxian， Fengjie and Yunyang etc in Northeastern Chongqing and Dianjiang， Changshou in centre region of Chongqing， and Hechuan， Jiangjin， Yubei in Western Chongqing. Latematuring citrus were suitable in most areas below the altitude of 400 meters along the Yangtze River in Chongqing， defense of freezing injury was premeditated yet.

Key words Latematuring citrus； Extreme freezing injury； Risk； Simulation； Winter； Congqing City

重慶市位于長(zhǎng)江上游、四川盆地東南部，降水豐沛，光熱充足，冬暖春早，終年少霜雪，適宜晚熟柑橘生長(zhǎng)。晚熟柑橘錯(cuò)季上市，經(jīng)濟(jì)效益可觀，近年來種植面積逐年增長(zhǎng)，2012年約6.0萬hm2。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《全國(guó)柑橘優(yōu)勢(shì)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃》的相關(guān)內(nèi)容，到2015年，重慶市將發(fā)展晚熟柑橘6.7萬hm2，建設(shè)成為我國(guó)最大的晚熟柑橘基地。盡管重慶市自然條件得天獨(dú)厚，但冬季仍有凍害發(fā)生，成為發(fā)展晚熟柑橘的最大障礙。晚熟柑橘在冬季（12月～次年2月）如遭遇凍害，將造成留樹果實(shí)受凍或脫落，果實(shí)被凍傷后出現(xiàn)留疤、變形、潰爛等情況，十分影響銷售。2008年1月，重慶市出現(xiàn)了罕見的雨雪冰凍天氣，忠縣以夏橙為主要品種的晚熟柑橘落果現(xiàn)象嚴(yán)重，部分果園落果率達(dá)40%，萬州部分地區(qū)凍傷柑橘果實(shí)每噸降低售價(jià)400元左右[1]。由于凍害對(duì)晚熟柑橘經(jīng)濟(jì)效益的影響十分嚴(yán)重，因此其空間分布特征在一定程度上左右著晚熟柑橘的產(chǎn)業(yè)布局。了解凍害發(fā)生的時(shí)間、區(qū)域、范圍等特征，有助于決策者和生產(chǎn)者正確選擇種植區(qū)域、制定凍害防御的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。

目前，在對(duì)柑橘凍害的研究中，一般以現(xiàn)布設(shè)的氣象站點(diǎn)觀測(cè)資料為依據(jù)。但重慶市地形地貌復(fù)雜，天氣氣候局地特征較強(qiáng)，單個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象觀測(cè)記錄并不能充分反映行政區(qū)域內(nèi)的立體氣候狀況。形成凍害的基本氣象因子是最低氣溫，發(fā)生凍害期間的極端最低氣溫（極端低溫）則反映了凍害的最嚴(yán)重程度，暫稱為“極端凍害”，而多年的極端凍害一般能用對(duì)應(yīng)時(shí)段的極端低溫進(jìn)行描述。重慶晚熟柑橘凍害發(fā)生極少，因此可以通過對(duì)極端凍害的模擬，研究在最嚴(yán)重的情況下凍害發(fā)生的規(guī)律。筆者擬以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用近30年各站點(diǎn)在冬季每天的極端最低氣溫，模擬晚熟柑橘適宜栽培區(qū)冬季的極端凍害并對(duì)其進(jìn)行分析，以期為晚熟柑橘種植前的選址、果園冬季凍害防御規(guī)劃等各方面提供有益的參考。

1 資料與方法

1.1 資料及處理

所用最低氣溫?cái)?shù)據(jù)為1984～2013年的12月～次年2月的34個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日最低氣溫資料，該數(shù)據(jù)來源于重慶市氣象局。日極端最低氣溫采用Tij=Min（Tik）（k=1，2，3…）公式進(jìn)行處理，式中Tij為冬季第i個(gè)站點(diǎn)第j日的極端最低氣溫，Tik為第i個(gè)站點(diǎn)1984～2013年里每年第k日的日最低氣溫。1∶25萬數(shù)字高程模型（DEM）來源于重慶市地理信息中心，空間分辨率100 m×100 m。根據(jù)DEM數(shù)據(jù)劃定了晚熟柑橘栽培的適宜區(qū)域，主要分布在重慶市西部淺丘、河谷地區(qū)以及重慶中部、東北部的長(zhǎng)江沿岸地區(qū)。氣象站點(diǎn)及晚熟柑橘適宜區(qū)域分布如圖1所示。

圖1 重慶市氣象站點(diǎn)分布及晚熟柑橘適宜區(qū)域

1.2 研究方法

1.2.1 極端凍害的界限及等級(jí)劃分。

在我國(guó)冬季凍害出現(xiàn)較多的主要柑橘種植區(qū)，如湖北、江西、浙江等地，常將-3、-5或-7 ℃作為柑橘凍害的臨界指標(biāo)之一[2-4]。在對(duì)重慶市2008、2011、2012年等年份的晚熟柑橘凍害調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，果園的溫度-1.7 ℃左右時(shí)，凍害就已經(jīng)產(chǎn)生，溫度越低，凍害越嚴(yán)重；2013年出現(xiàn)嚴(yán)重凍害時(shí)，奉節(jié)等地的一些果園的凹地由于“冷湖效應(yīng)”，出現(xiàn)過-6～-7 ℃的低溫。因此，重慶晚熟柑橘凍害發(fā)生的最低氣溫臨界指標(biāo)應(yīng)在-1.7 ℃左右，低至-6 ℃時(shí)將出現(xiàn)十分嚴(yán)重的凍害。參考朱海濤等的研究成果[5]，將重慶市晚熟柑橘遭受凍害的臨界溫度定為最低氣溫-1.5 ℃。

極端凍害以危害負(fù)積溫為指標(biāo)，計(jì)算公式為Kij=（Tis-T0p），式中Kij為第i個(gè)站點(diǎn)第j日的危害負(fù)積溫，Tis為第i個(gè)站點(diǎn)第s日的極端最低氣溫，T0p為晚熟柑橘凍害的臨界溫度，T0p=-1.5 ℃。如凍害的等級(jí)亦以危害負(fù)積溫的多少劃分為3級(jí)，則危害負(fù)積溫0～-2 ℃·d為輕度凍害，-2～-4 ℃·d為中度凍害，低于-4 ℃·d（絕對(duì)值大于4 ℃·d）為重度凍害。

1.2.2 冬季極端凍害發(fā)生概率的計(jì)算。

冬季極端凍害的發(fā)生概率等于日最低氣溫達(dá)到凍害標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)除以冬季總天數(shù)，計(jì)算公式為P=D/N×100%，式中，P為發(fā)生概率，D為凍害天數(shù)，N為冬季總天數(shù)。

1.2.3 冬季極端凍害的風(fēng)險(xiǎn)分析。從概念上講，風(fēng)險(xiǎn)是一件事或一系列不同強(qiáng)度時(shí)間發(fā)生的概率和時(shí)間后果這2個(gè)因素的函數(shù)[6]。由此，極端凍害綜合指數(shù)可定義為極端凍害發(fā)生的概率與嚴(yán)重程度（即危害負(fù)積溫）的綜合指標(biāo)，用輕度凍害、中度凍害、重度凍害的概率與概率權(quán)重系數(shù)的乘積之和表示。在此采用主成分方法進(jìn)行分析，首先將原數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，公式為yij=xij-xminxmax-xmin；其次，輕度凍害、中度凍害、重度凍害分別用變量x1、x2、x3表示，并構(gòu)建它們新變量的綜合指標(biāo)Z1、Z2、Z3，分別為原變量的第1、2、3主成分，從Z1到Z3方差依次減小，可表示為

最后，用SPSS軟件進(jìn)行主成分計(jì)算，并用主成分變量建立模型Q=3i=1μiPi，式中，Pi是主成分變量，μi是主成分的權(quán)重系數(shù)，即各主成分的方差貢獻(xiàn)率。將主成分變量及權(quán)重系數(shù)代入公式，得到極端凍害綜合指數(shù)模型：Q=0.801Z1。

按照ArcGis軟件提供的自然斷點(diǎn)分級(jí)方法（Natural Breaks），將模型計(jì)算的極端凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為4級(jí)：指數(shù)>-3為極低風(fēng)險(xiǎn)，指數(shù)在-3～-6為低風(fēng)險(xiǎn)，指數(shù)在-6～-9為中等風(fēng)險(xiǎn)，指數(shù)<-9為高風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 最低氣溫與海拔高度的關(guān)系

海拔高度是影響氣溫地域分布的重要因子。宏觀上可以認(rèn)為，在對(duì)流層范圍內(nèi)，海拔高度每升高100 m，氣溫平均約降低0.65 ℃。具體到某個(gè)區(qū)域或某個(gè)時(shí)段，氣溫隨海拔高度的變化則出現(xiàn)不同的情況。蔡迪花等基于DEM數(shù)據(jù)對(duì)甘肅省河?xùn)|區(qū)的平均氣溫進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)平均氣溫隨海拔高度的遞減率隨著季節(jié)變化存在差異[7]；張海靜等計(jì)算出青海省1月最低氣溫隨海拔高度的遞減率為1.1 ℃/100 m，7月則為0.7 ℃/100 m[8]，表明在不同的季節(jié)，最低氣溫隨海拔高度增加亦呈現(xiàn)不同的規(guī)律。因此，筆者將重慶市1984～2013年的冬季里在同一天內(nèi)同樣天氣狀況下的站點(diǎn)的最低氣溫和海拔高度資料進(jìn)行相關(guān)分析，并用一元線性回歸方法計(jì)算最低氣溫隨海拔高度變化的100 m遞減率，結(jié)果（表1）表明，最低氣溫與海拔高度存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在-0.417～-0.480；最低氣溫隨海拔的增加逐漸降低，12、1和2月的海拔高度100 m遞減率分別為-0.8、-0.9、-0.8 ℃，可見在冬季的各月里，最低氣溫隨海拔高度的增加遞減率的差異較小，可以取這3個(gè)月的平均值-0.83 ℃/100m作為整個(gè)冬季的最低氣溫海拔高度100 m遞減率。

2.2 基于DEM的最低氣溫空間插值

根據(jù)表1的最低氣溫海拔高度100 m遞減率進(jìn)行計(jì)算，將34個(gè)氣象站點(diǎn)的1984～2013年12月～次年2月的逐日極端最低氣溫統(tǒng)一訂

正到虛擬海平面，并應(yīng)用ArcGis的克里金插值方法（Kriging）將虛擬海平面的極端最低氣溫在晚熟柑橘適宜區(qū)進(jìn)行空間插值；根據(jù)在DEM中提取的海拔高度，再次應(yīng)用表1的最低氣溫100 m遞減率，將最低氣溫推算到DEM柵格的每個(gè)格點(diǎn)，得到基于海拔高度的極端最低氣溫空

間分布圖。從1月1日氣象站點(diǎn)的極端最低氣溫和空間插值后的極端最低氣溫（圖2）可以看出，1月1日，重慶市各氣象站點(diǎn)的極端最低氣溫為-6.9～1.1 ℃，東北部的城口最低，江津、巴南最高；根據(jù)海拔高度進(jìn)行空間插值后，極端最低氣溫的范圍擴(kuò)大至-16.7～10.5 ℃，東北部大巴山脈區(qū)域的氣溫最低，其次為東南部七曜山的氣溫，西部的氣溫最高。可見，插值前后，氣溫高低分布形勢(shì)二者基本相似，但插值后更能體現(xiàn)出地形對(duì)氣溫立體分布的影響。

2.3 冬季極端凍害的主要時(shí)段與空間分布

根據(jù)極端凍害的定義可知，當(dāng)晚熟柑橘適宜區(qū)內(nèi)任一個(gè)柵格值小于-1.5（即負(fù)積溫多于-1.5 ℃·d），則認(rèn)為區(qū)域出現(xiàn)凍害，在一定時(shí)段內(nèi)達(dá)到該條件的天數(shù)即是發(fā)生凍害的天數(shù)，相應(yīng)地，柵格的數(shù)量用于描述凍害的發(fā)生范圍。從近30年里重慶市冬季晚熟柑橘出現(xiàn)凍害的天數(shù)（圖3）上看，12月下旬、1月中旬和1月下旬天數(shù)最多，一般在7 d以上，其余時(shí)段天數(shù)較

少，一般為1～3 d；從出現(xiàn)凍害的柵格數(shù)量上看，明顯地可劃分為3個(gè)等級(jí)，凍害范圍最大的是12月下旬，凍害柵格數(shù)量達(dá)18萬個(gè)，遠(yuǎn)大于冬季其他旬的凍害范圍，其次是1月中旬、1月下旬和2月上旬，凍害柵格數(shù)量為4～6萬個(gè)，且隨時(shí)間后移范圍變小，其余各旬為第3等級(jí)。從總體上看，12月下旬極端凍害的發(fā)生天數(shù)和發(fā)生范圍均為冬季各旬之冠。

間分布情況（圖4）可見，凍害主要為輕度凍害，約占晚熟柑

橘適宜區(qū)面積的25.6%，中度凍害和重度凍害分別約占4.8%和4.1%。輕度凍害主要分布在重慶市中部以及西部的部分區(qū)縣，主要包括墊江、長(zhǎng)壽、合川、銅梁、永川、雙橋、榮昌等地，危害負(fù)積溫在0～-1.5 ℃·d的地區(qū)占輕度凍害面積的74.6%，東北部的梁平、忠縣、云陽等地，幾乎連輕度凍害也沒有，是晚熟柑橘絕佳的栽培地區(qū)；中度凍害主要分布在中部的墊江以及西部的榮昌、大足等地，其中危害負(fù)積溫在-2.0～-3.2 ℃·d的地區(qū)占中度凍害面積的81.0%；重度凍害分布的范圍較小，主要集中在東北部的開縣、萬州等地，其中危害負(fù)積溫在-6.0～-5.5 ℃·d的地區(qū)占重度凍害面積的92.1%。

圖4 重慶市晚熟柑橘冬季輕度凍害（a）、中度凍害（b）和重度凍害（c）的空間分布

42卷8期 李澤明等 近30年重慶市晚熟柑橘冬季極端凍害模擬分析

2.4 冬季極端凍害的發(fā)生概率 由重慶市晚熟柑橘適宜栽培區(qū)的極端凍害發(fā)生概率情況（圖5）可見，大部分地區(qū)發(fā)生凍害的概率均在4%以下，柵格數(shù)量占發(fā)生凍害柵格數(shù)的78.4%；少數(shù)地區(qū)凍害的發(fā)生概率達(dá)6%～8%，約占總數(shù)的16.7%，主要分布在東北部的開縣、萬州和西部的榮昌、大足等地；東北部開縣的局部地區(qū)發(fā)生概率超過10%，約占總數(shù)的5.9%。這與高陽華等的研究結(jié)論長(zhǎng)江和嘉陵江沿線及重慶西部的大部分地區(qū)屬凍害少發(fā)區(qū)[9]基本吻合。

2.5 冬季極端凍害的風(fēng)險(xiǎn)分布 由SPSS軟件進(jìn)行的主成分計(jì)算結(jié)果（表2）可見，主成分1的方差累積貢獻(xiàn)率超過80%，故新的綜合變量為Z1，其表達(dá)式為Z1=0.854x1+0.968x2+0.558x3。將風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的結(jié)果繪成圖（圖6）可見，在晚熟柑橘適宜栽培區(qū)的極端凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要為極低風(fēng)險(xiǎn)

圖5 重慶市晚熟柑橘極端凍害發(fā)生概率

區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約占總面積的38.2%，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占總面積的52.1%，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別占總面積的7.5%、2.2%；極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在重慶市東北部的梁平、忠縣、奉節(jié)、云陽等地，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在重慶中部的墊江、長(zhǎng)壽和西部的合川、江津、渝北等地，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在開縣的部分地區(qū)；風(fēng)險(xiǎn)程度不同的區(qū)域并不呈一致分布，而是呈交雜分布，即不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的區(qū)域存在彼此交叉的現(xiàn)象，這主要是由于局部氣溫的條件不同而引起凍害風(fēng)險(xiǎn)的差異；一個(gè)行政區(qū)域內(nèi)，存在多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，如長(zhǎng)壽區(qū)、墊江縣既有極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，也有低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3 結(jié)論

（1）重慶市晚熟柑橘適宜區(qū)的極端凍害出現(xiàn)天數(shù)最多的是12月下旬，一般在7 d以上，出現(xiàn)范圍也最大，且遠(yuǎn)大于冬

季其余各旬的凍害范圍，其次是1月中旬～2月上旬，據(jù)統(tǒng)

計(jì)，近幾年的凍害也常發(fā)生在12月下旬～2月上旬[10]。極端凍害的等級(jí)一般為輕度凍害，約占晚熟柑橘適宜區(qū)總面積的25.6%，主要分布在重慶市中部以及西部的部分區(qū)縣。

（2）在極端低溫的情形下，凍害的發(fā)生概率一般低于

4%，少數(shù)地區(qū)凍害的發(fā)生概率達(dá)6%～8%，主要分布在東北

部的開縣、萬州和西部的榮昌、大足等地，僅東北部開縣的局部地區(qū)發(fā)生概率超過10%。

（3）東北部的梁平、忠縣、奉節(jié)、云陽等地和中部的墊江、長(zhǎng)壽以及西部的合川、江津、渝北等地極端凍害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)較低，占晚熟柑橘適宜栽培區(qū)總面積的90.3%，中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占9.7%，意味著在長(zhǎng)江沿岸海拔400 m以下的大部分地區(qū)，適宜晚熟柑橘栽培，但仍然需要針對(duì)海拔相對(duì)較高的地方做好一般性凍害的防御規(guī)劃。

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