庫爾勒市霜凍特征及其驅(qū)動力分析

周成龍，鐘昕潔，孫懷琴，馬　凱，葉曉婷

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境試驗觀測站，新疆 塔中 841000；3.巴州氣象局，新疆 庫爾勒 841000）

在我國各地，從南到北、從東到西霜凍現(xiàn)象都時有發(fā)生[1]。葉殿秀等[2]利用1961—2007年我國577個測站的均一化逐日最低氣溫資料，根據(jù)通用的霜凍氣候統(tǒng)計指標計算歷年初、終霜凍日期及無霜凍期。給出初、終霜凍日期及無霜凍期標準差和極差北方地區(qū)較南方地區(qū)偏小；全國大部地區(qū)終霜凍日期的年際間差異比初霜凍日期大，無霜凍期的年際變化又比終霜凍日大。馬柱國[3]從中國北方62個站的日平均溫度出發(fā)，分析北方1951—2000年有霜凍（溫度在零度以下）日數(shù)和強度的變化趨勢；同時給出了秋冬交替時霜凍日開始日期和冬春轉(zhuǎn)換時霜凍日結(jié)束日期的變化趨勢。杜軍等[4]以≤0℃最低氣溫作為霜凍指標，利用雅魯藏布江中游4個氣象站點1961—2000年的逐日最低氣溫資料，采用現(xiàn)代氣候診斷分析方法，分析了該流域近40 a初、終霜凍異常的氣候變化。給出近40 a，流域東段表現(xiàn)為初霜來得遲、終霜結(jié)束得早、無霜期延長的顯著趨勢；江孜則表現(xiàn)為終霜日推遲、無霜期縮短的不顯著趨勢。其他有關霜凍的研究大多基于對農(nóng)業(yè)的危害、風險評估、致災機理[5-14]。而對于霜凍的預報方法的研究較少，周彬等[15]利用查表法對無錫地區(qū)的霜凍做出預報，并取得良好的效果；楊曉玲等[16]、景學義等[17]分別利用其它方法對霜凍的短期預報和預報指標做了系統(tǒng)分析。

對新疆地區(qū)霜凍的研究，眾多學者都獲得了一定的認知[18-21]，但有關霜凍預報的研究卻鮮有涉及，在過往研究中，張月華[22]利用庫爾勒1961—2000年初終霜凍資料，給出終霜期在3月25日前后，初霜期在10月25日前后，并對庫爾勒市霜凍做出預報并進行檢驗，但上述研究并未充分考慮到霜凍的影響因子，僅從趨勢分析和周期分析相互疊加的方法做初霜凍預報，且試報結(jié)果不理想。鑒于此，本研究將利用庫爾勒市氣象局多年地面觀測資料，在充分考慮風速和云量對其影響的情況下，擬給出該地區(qū)的霜凍特征和預報方程，以掌握該地區(qū)霜凍的發(fā)生規(guī)律，提早做出霜凍預判，制定相應的農(nóng)業(yè)措施，以減少霜凍對該地區(qū)農(nóng)作物的危害，為庫爾勒市后期的農(nóng)業(yè)服務提供一定的科學依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)來源與方法

植物枯黃期不適宜統(tǒng)計霜凍期，果樹在冬季時遇到低溫，此時為休眠過冬期。因此選用庫爾勒市氣象局2003—2012年春、秋季節(jié)地溫、氣溫、氣壓、風速、云量等氣象要素。當日最低氣溫和最低地溫選取時段為前一日20時至當日20時，風速、云量資料均為整點觀測值，風速選用2 min平均風速，云量選用總云量。

霜凍是指土壤表面或植株表面的溫度下降到足以使得農(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，地面溫度通常低于或接近0℃[23]。借鑒中國氣象局發(fā)布霜凍預警信號的標準中的降溫等級，在本研究中規(guī)定當-3℃＜最小地面溫度（Tmin_sur）≤0℃時，為輕微霜凍；當-5℃＜Tmin_sur≤-3℃時，為一般霜凍；當最小地面溫度≤-5℃時，為嚴重霜凍。

2　結(jié)果與分析

2.1　霜凍的時間分布特征

庫爾勒市2003—2012年間，初霜期約在10月20日前后，最早出現(xiàn)在9月30日，終霜期約在3月28日前后，最晚出現(xiàn)5月19日。春、秋季共出現(xiàn)霜凍666 d，年平均為66.6 d，其中輕微霜凍117 d，一般霜凍141 d，嚴重霜凍408 d（表1）。

表1　2003—2012年霜凍月分布　d

庫爾勒市從9月起至次年5月均有可能出現(xiàn)霜凍，春、秋霜凍主要出現(xiàn)時段為10月、11月和次年的3月，其余月份累積出現(xiàn)霜凍天數(shù)僅為總數(shù)的8.26%，出現(xiàn)頻次明顯少于上述3個月。從霜凍級別來看，嚴重霜凍出現(xiàn)次數(shù)最多，一般霜凍次之，輕微霜凍出現(xiàn)次數(shù)最少，分別占總數(shù)的61.3%、21.2%和17.5%。嚴重霜凍主要出現(xiàn)在11月和3月份，占總霜凍日數(shù)的54.4%，5月和9月未出現(xiàn)過嚴重霜凍；一般霜凍主要出現(xiàn)在10、11月和次年的3月，4月次之，5月和9月同樣未出現(xiàn)過一般霜凍；輕霜凍一般出現(xiàn)在初霜期和終霜期階段。

霜凍與冷空氣活動密切相關。庫爾勒市霜凍的高發(fā)時段就出現(xiàn)在當年秋末至次年春初這段時間。11月冷空氣活動開始活躍，平均氣壓為1 030.2 hPa，因此出現(xiàn)霜凍次數(shù)最多，3月冷空氣活動開始減弱，平均氣壓降為1 020.0 hPa，此時雖然霜凍出現(xiàn)次數(shù)仍較高，但是嚴重霜凍次數(shù)明顯減少，4月和5月冷空氣活動大幅減弱，4月平均氣壓下降至1 012.5 hPa，到5月僅為1 007.5 hPa。9月平均氣壓為1 010.2 hPa，到10月平均氣壓有10 hPa的加壓，從10月開始霜凍次數(shù)明顯增加。

2.2　霜凍與氣象要素之間的關系

2.2.1霜凍與最低氣溫

霜凍是指地表最低溫度（以下簡稱Tmin_sur）低于0℃的一種天氣現(xiàn)象，所以霜凍與最低氣溫（Tmin_air）的關系就是Tmin_sur與Tmin_air的關系。近地面大氣的主要熱量來源于地面長波輻射，地面長波輻射的強度取決于地面溫度，且與地面溫度呈正相關關系，因此地面溫度與氣溫密切相關。

定義T′為最低氣溫與最低地面溫度之差，即T′=Tmin_air-Tmin_sur（以下類同）。由圖1a可知，二者差值介于-3～8 ℃，T′＜0僅為總數(shù)的3.4%，T′在0～2 ℃占統(tǒng)計總數(shù)的15.8%，T′＞5 ℃的只有8.3%，T′在3～5 ℃的比例最高，占總數(shù)的72.5%。由此可知絕大多數(shù)情況下，Tmin_air比Tmin_sur要高3～5 ℃。霜凍預報，即Tmin_sur的預報可以參考Tmin_air的預報標準，在其基礎上下降3～5℃，如果Tmin_air預報為3℃，則Tmin_sur很大可能達到0℃或以下，滿足霜凍標準。

進而分析可知，T′月變化近似呈正弦趨勢分布（圖1b），在3和11月前后出現(xiàn)2個極大值，平均值分別為5.62℃和4.87℃，而極小值出現(xiàn)在8月，平均值為2.48℃，可見不同的季節(jié)背景，二者差值差異較大，低值區(qū)出現(xiàn)在夏季，高值區(qū)出現(xiàn)在秋末冬初和春季。

2.2.2霜凍與海平面氣壓

霜凍和冷空氣的活動密切相關，海平面氣壓在一定程度上可以表示冷空氣的強弱。由于地面最低溫度常出現(xiàn)在清晨，因此選取08時（北京時，以下同）海平面氣壓作為當日氣壓，分析海平面氣壓與霜凍之間的關系。

圖2是2003—2012年春、秋季08時海平面氣壓與Tmin_sur的關系，分析發(fā)現(xiàn)Tmin_sur與08時氣壓呈反相關關系，08時海平面氣壓越高Tmin_sur越低。通過線性擬合得到擬合方程為：

求得a=-0.669，b=684.4，則方程變?yōu)椋?/p>

圖1　溫差T′的分布特征

圖2　08時海平面氣壓與地面最低溫度的關系

根據(jù)擬合方程計算求得當Tmin_sur≤0時，P08≥1 023.0 hPa，即當08時海平面氣壓＞1 023.0 hPa時，Tmin_sur＜0 ℃，達到霜凍標準。

圖3　不同氣壓下霜凍概率及霜凍級別

圖3為2003—2012年春、秋季節(jié)早晨08時氣壓與霜凍發(fā)生的概率關系，由圖可見當海平面氣壓小于1015 hPa時，出現(xiàn)霜凍的概率很低，僅為4.8%，當氣壓在1015～1020 hPa之間時，出現(xiàn)霜凍的概率上升至32.5%，當氣壓在1020～1025 hPa時，霜凍發(fā)生的概率為58.1%，所以在霜凍預報工作中，08時海平面氣壓超過1020 hPa時，應結(jié)合其他要素考慮是否會出現(xiàn)霜凍。當08時氣壓超過1025 hPa時，發(fā)生霜凍的概率達84.7%，因此僅憑氣壓單個指標預報霜凍，準確率就可以達到較高水準。在發(fā)生霜凍的情況下，08時氣壓不同，則造成霜凍的嚴重程度也不同，輕微霜凍和一般霜凍大都發(fā)生在氣壓小于1025 hPa，嚴重霜凍在氣壓高于1030 hPa時發(fā)生的概率為75.8%。

2.2.3風速和云量對霜凍的影響

影響霜凍的關鍵氣象要素是Tmin_air，然而在Tmin_air相同的情況下，風速和云量影響著Tmin_air與Tmin_sur之差。為了研究風速和云量對Tmin_air與Tmin_sur之差的影響，選取2003—2012年春、秋季節(jié)的云量、風速、Tmin_air和Tmin_sur資料。由于地面降溫時間多在夜間，云量選用夜間02時人工觀測的總云量資料，風速選用02時自動觀測儀器測得的2分鐘平均風速。

風速對T′的影響較大，當風速＜1 m/s時，3月對其影響最大，T′平均值可達5.54℃，影響最小的出現(xiàn)在9月，T′平均值為2.99 ℃。當風速在1～3 m/s時，對T′的影響最為顯著，其中最大值出現(xiàn)在3月，平均值為6.28℃，最小值出現(xiàn)在9月，平均值為3.44℃，當風速大于3 m/s時，11月對T′影響最小，平均值為2.00℃，3月對其影響最大，平均值為5.21℃。

云量同樣是T′的一個重要影響因子，隨著云量的增加，T′的差值越小。以11月為例，在晴朗少云的時候（0～3成云量），T′的平均值為5.30 ℃，而云量為8～10成時，T′為3.51 ℃。

2.3　云量和風速對地面最低溫度的綜合作用

對霜凍短期預報的前提是對Tmin_air的預報，這是一項日常預報項目，現(xiàn)階段有關Tmin_air的預報已建立了成熟的思路和方法，且準確率較高，因此霜凍短期預報的關鍵是對T′的預報。由于隨著季節(jié)、風速、云量的變化，T′變化較大，用擬合方程誤差較大，采用查表法預報霜凍相對簡單而準確。

其中TF為風速的影響，TY為云量的影響。當Tmin_sur≤0時，預報將出現(xiàn)霜凍。TF和TY采用查表法（表2），所占比例均為50%。

表2　風速和云量的影響

通過2003—2012年10 a的氣象資料對所得預報方程進行檢驗，結(jié)果如表3所示。利用此方程對各月的Tmin_sur進行預報，當預報值與實際值差值的絕對值小于等于2℃時，就認為預報值為正確。從表3可知，9、3、4和5月的Tmin_sur預報準確率都超過了80%，預報準確率最低的11月也達到了70.0%。

對霜凍進行檢驗，2003—2012年春、秋季節(jié)共發(fā)生666 d霜凍，其中預報準確的有599 d，空報38 d，漏報29 d。TS評分計算公式為：

TZ為準確天數(shù)，TK為空報天數(shù)，TL為漏報天數(shù)，則TS=89.9%，空報率為5.7%，漏報率為4.4%?？梢姶朔椒▽λ獌龅念A報有較好效果。

表3　Tmin_sur與霜凍預報

3　結(jié)論

利用庫爾勒市氣象局2003—2012年春、秋季節(jié)地溫、氣溫、氣壓、風速、云量氣象要素進行分析，在充分考慮風速和云量對預報方程的影響下，得出如下結(jié)論：

（1）庫爾勒市春、秋季節(jié)均會出現(xiàn)霜凍，最早出現(xiàn)在9月，最晚出現(xiàn)在次年5月，霜凍主要出現(xiàn)時段為10月、11月以及次年的3月。

（2）最低氣溫與最低地面溫度之差介于-3～8℃，其中在3～5℃之間占總數(shù)的72.5%。霜凍預報，即Tmin_sur的預報可以參考Tmin_air的預報標準，在其基礎上下降3～5℃，T′在夏季最小，秋末冬初和春季較大。

（3）根據(jù)擬合方程計算可知當08時的海平面氣壓高于1 023.0 hPa時，Tmin_sur＜0 ℃，達到霜凍標準。當08時氣壓低于1015 hPa時，發(fā)生霜凍的概率很低，僅為4.8%；氣壓超過1025 hPa時，出現(xiàn)霜凍的概率達84.7%。

（4）通過最低氣溫、云量和風速建立的最低地面氣溫預報方程，分別對最低地面溫度和霜凍做出預報，其中最低地面溫度預報的準確率在70.0%～83.5%之間，霜凍預報的準確率為89.9%，空報率為5.7%，漏報率為4.4%，效果良好。