寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍災害致災危險性分析

楊文軍，李棟梁，陳 榮，李紅英

（1.南京信息工程大學/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.銀川市賀蘭縣氣象局，寧夏 賀蘭 750200；3.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002；4.寧夏氣象科學研究所，寧夏 銀川 750002）

寧夏賀蘭山東麓位于寧夏黃河沖擊平原和賀蘭山?jīng)_積扇之間，屬中溫帶半干旱氣候，因其獨特的地理、氣候和土壤優(yōu)勢，已成為中國優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄原料的重要生產(chǎn)基地之一。在全球氣候變暖背景下，近40年以來寧夏年平均氣溫升高顯著［1-2］，尤其1986年以后增溫速率加快，年增溫幅度高于全國平均值［3-4］，導致釀酒葡萄春季萌芽期普遍提前，加之賀蘭山東麓春季氣候條件不穩(wěn)定、冷暖交替頻繁，春季霜凍已成為影響賀蘭山東麓釀酒葡萄生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害之一［5］，給釀酒葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)均帶來很大影響。晚霜凍重災年份，寧夏賀蘭山東麓數(shù)千畝釀酒葡萄剛萌發(fā)的新梢全部凍干、絕產(chǎn)，幼苗地上部分幾乎全部受凍、抽干［6］。因此，掌握賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍的發(fā)生規(guī)律，對災害風險進行評估，可采取及時有效的應對措施進行防災減災，對釀酒葡萄高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)提升、產(chǎn)量預測等有重要意義。

致災因子危險性作為災害風險的一個重要組成部分，往往對災害風險大小具有決定性作用［7］。研究者們開展了大量農(nóng)業(yè)氣象災害致災危險性和災害風險分析方面的研究［8］。林曉梅等［9］以冬小麥各生育階段不同災害等級的年霜凍日數(shù)和全生育期內(nèi)不同等級霜凍的發(fā)生概率為指標評價了我國冬小麥霜凍致災因子危險度，為大尺度的作物霜凍災害區(qū)劃提供了依據(jù)。李軍玲等［10］引入有效積寒和晚霜凍發(fā)生頻率作為主要致災因子指標，研究了河南省冬小麥晚霜凍致災因子危險性。馬瓊［11］在評價黃土高原冬小麥晚霜凍致災因子危險性時，用過程積霜表示強度，和頻率組成冬小麥晚霜凍危險性的兩個因子，研究了黃土高原1980—2014年不同等級晚霜凍致災因子危險性指數(shù)分布特征。袁佰順等［12］將不同強度霜凍發(fā)生頻率作為災害危險性指數(shù)，得到天水各縣（區(qū)）蘋果開花坐果期霜凍災害的災情指數(shù)，并以此作為災害風險區(qū)劃指標。寧夏作為受霜凍影響較嚴重的地區(qū)之一，唐晶等［13］曾利用現(xiàn)代氣候診斷方法對寧夏近44年來初（終） 霜日、無霜期的氣候特征和氣候變化進行了分析。曹寧等［14］采用統(tǒng)計和氣候診斷分析方法，研究了寧夏釀酒葡萄的晚霜凍日數(shù)和變化趨勢。張曉煜等［15］通過試驗研究出寧夏主要作物霜凍指標。李紅英等［16-17］利用站次比分析寧夏霜凍發(fā)生范圍、頻率并構建了強度指數(shù)來衡量霜凍等級，在此基礎上得到致災因子危險性指數(shù)對其特征進行分析，并開展了寧夏霜凍區(qū)劃。然而前期的研究多集中在寧夏霜凍指標和大范圍霜凍規(guī)律分析等方面［18-19］，缺少對賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍災害風險的研究。為此，我們在分析寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生范圍、強度和頻率的基礎上，以霜凍強度和發(fā)生頻率作為致災因子危險性指標，建立霜凍致災因子危險性指數(shù)，對賀蘭山東麓晚霜凍致災因子危險性進行區(qū)劃，從而明確晚霜凍重點防御區(qū)域，為提高釀酒葡萄種植產(chǎn)區(qū)防災減災能力提供有效依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及資料來源

研究區(qū)域以寧夏賀蘭山東麓葡萄酒原產(chǎn)地保護范圍為主，輻射寧夏釀酒葡萄種植區(qū)域（圖1，封三）。其中賀蘭山東麓葡萄酒原產(chǎn)地保護范圍按照《寧夏回族自治區(qū)賀蘭山東麓葡萄酒產(chǎn)區(qū)保護條例》第三條規(guī)定［20］，寧夏釀酒葡萄種植區(qū)域基于文獻［21-23］進行劃分。

本研究所用資料來自寧夏氣象信息中心，包括賀蘭山東麓釀酒葡萄種植區(qū)內(nèi)的大武口、惠農(nóng)、平羅、陶樂、銀川、賀蘭、永寧、青銅峽、紅寺堡9個氣象臺站1961—2015年4月10日～5月20日期間的日最低氣溫數(shù)據(jù)。

1.2 霜凍等級指標

綜合考慮普適性霜凍指標對釀酒葡萄的影響，采用1.5 m處百葉箱最低氣溫作為霜凍災害判斷指標。根據(jù)寧夏釀酒葡萄生長發(fā)育情況，以4月10日～5月20日（萌芽～新稍生長期）為晚霜凍研究時段。釀酒葡萄晚霜凍災害指標為：輕霜凍，-2℃

1.3 霜凍致災因子危險性指數(shù)計算

根據(jù)災害風險理論，霜凍致災因子危險性計算考慮霜凍發(fā)生強度和頻率兩個因素，強度通過霜凍強度指數(shù)定義推斷得到，頻率通過霜凍日資料統(tǒng)計分析得到。某站的霜凍致災因子危險性指數(shù)（FI）根據(jù)以下公式計算：

式中，i表示霜凍災害等級（分為輕、中、重3級），ATi表示各等級霜凍強度指數(shù)，Pi表示各等級霜凍發(fā)生頻率。結合寧夏實際［16］，危險性指數(shù)和等級劃分標準如表1所示。

表1 賀蘭山東麓晚霜凍致災因子危險性指數(shù)等級劃分標準

其中，霜凍強度由最低氣溫體現(xiàn)，考慮最低氣溫有正負，為規(guī)范強度指標，對霜凍強度指數(shù)（AT）定義如下：

霜凍發(fā)生頻率分站、分級統(tǒng)計：

式中，n表示霜凍日數(shù)為0的年數(shù)，N為資料總年數(shù)。

2 結果與分析

2.1 寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生日數(shù)特征

2.1.1 空間分布特征 從圖2可以看出，近55年寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生日數(shù)各站差異較大，其中陶樂、平羅和惠農(nóng)霜凍發(fā)生日數(shù)超過180 d，最大為233 d；賀蘭、銀川、永寧、青銅峽和紅寺堡霜凍發(fā)生日數(shù)在110～135 d之間；而大武口霜凍發(fā)生日數(shù)最少（78 d）。同時，各站不同等級霜凍發(fā)生日數(shù)規(guī)律均為輕霜凍＞中霜凍＞重霜凍，其中輕霜凍發(fā)生日數(shù)除大武口為42 d外，其他各站均在60 d以上，最高達125 d（陶樂）；中霜凍和重霜凍平均發(fā)生日數(shù)分別為41 d和22 d，發(fā)生日數(shù)最少均在大武口，分別為27 d和9 d，發(fā)生日數(shù)最大均在陶樂，分別為65 d和43 d。

圖2 寧夏賀蘭山東麓各站1961—2015年霜凍發(fā)生日數(shù)

2.1.2 年代際變化特征 由圖3可知，近55年來寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生日數(shù)總體呈下降趨勢。除惠農(nóng)和賀蘭持續(xù)下降外，其他各站在下降過程中均出現(xiàn)1或2個躍升時段，其中1960～1970年代霜凍發(fā)生日數(shù)各站都出現(xiàn)增加的情況，特別是陶樂站增加較為明顯（增加40%），大武口和紅寺堡1990～2000年代也出現(xiàn)明顯的增加；其他時段各站均呈下降趨勢，尤其1970～1980年代下降速度較快。并且55年來，晚霜凍發(fā)生日數(shù)各站差距也有所減小，1961年在26～50 d之間，而2015年在4～12 d之間，并且不同級別霜凍變化趨勢也不同（圖4），輕霜凍發(fā)生日數(shù)下降速度較快；中霜凍和重霜凍發(fā)生日數(shù)下降的幅度較小，尤其是重霜凍1980年代以后變化幅度明顯偏?。恢?015年中霜凍和重霜凍發(fā)生日數(shù)差異均在2 d以下。

圖3 寧夏賀蘭山東麓1961-2015年釀酒葡萄霜凍發(fā)生日數(shù)變化

2.2 寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生頻率特征

2.2.1 地域間差異 由圖5可知，除北部除大武口，賀蘭山東麓晚霜凍頻率分布呈現(xiàn)自北向南輻射遞減的規(guī)律，且與中度、重度霜凍發(fā)生的頻率相比，發(fā)生輕霜凍的頻率更高。各等級霜凍頻率最大出現(xiàn)在陶樂，最小出現(xiàn)在大武口。輕霜凍發(fā)生頻率平均為4%，而中霜凍和重霜凍平均為1.9%和1.0%，其中，輕霜凍發(fā)生頻率差異較大，除大武口（1.9%）和永寧（2.7%）外，其他各站均在3%以上，最高達5.5%（陶樂），極差為3.7%，中、重霜凍頻率極差分別為1.7%和1.5%。

圖4 寧夏賀蘭山東麓代表站1961-2015年各級別霜凍發(fā)生日數(shù)年代際特征

圖5 寧夏賀蘭山東麓各站1961-2015年霜凍頻率變化

2.2.2 年代際變化特征 由圖6可知，與霜凍日數(shù)總體變化特征相似，近55年來寧夏賀蘭山東麓各站各等級釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生頻率總體呈下降趨勢。除惠農(nóng)持續(xù)下降外，其他各站在下降過程中均出現(xiàn)2個或3個躍升階段，其中1960～1970年代、1990～2000年代和2000～2010年代為3個主要躍升階段且1960～1970年代為各站霜凍頻率上升較為集中的時期，除惠農(nóng)、賀蘭外，其他各站霜凍頻率均呈上升趨勢，其中陶樂增加最為顯著，達40%。1980～2000年代，霜凍頻率除大武口和紅寺堡在1990～2000年代呈上升趨勢外其他各站隨年代逐年下降，下降幅度均在50%以上，其中賀蘭下降最為顯著、達67%。2000～2010年代，9個站中有5個站呈下降趨勢，分別為大武口、惠農(nóng)、陶樂、銀川、永寧，其他4個站呈上升趨勢，下降幅度大武口最大，為55%，惠農(nóng)最小，為17%，上升幅度賀蘭最大，為67%，青銅峽最小，為8%。不同級別霜凍頻率隨年代變化有較大差異（圖7），平均而言，重霜凍下降幅度較快，輕霜凍下降幅度最慢。

圖6 寧夏賀蘭山東麓1961-2015年釀酒葡萄霜凍發(fā)生頻率變化

圖7 寧夏賀蘭山東麓代表站1961-2015年各級別霜凍發(fā)生頻率年代際特征

2.3 寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍致災危險性分布

利用GIS軟件，采用IDW差值方法對晚霜凍致災因子危險性進行插值，完成賀蘭山東麓晚霜凍致災危險性分布（圖8，封三）。1961—2015近55年來寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄種植區(qū)內(nèi)，釀酒葡萄晚霜凍致災危險性處于次低到次高之間（0.02

在分析霜凍發(fā)生日數(shù)和頻率年代間變化時發(fā)現(xiàn)，1960～1970年代和1990～2000年代出現(xiàn)兩個明顯的變化，按照王素艷等［24］關于賀蘭山東麓氣候資源分析發(fā)現(xiàn)，1980年和1997年是區(qū)域熱量資料變化的兩個突變點，因此在分析釀酒葡萄晚霜凍致災危險性時將1980年和1997年作為兩個時間節(jié)點，通過對比分析1960—1980年、1981—1997年和1998—2015年3個時期釀酒葡萄霜凍致災危險性發(fā)現(xiàn)，中度以上致災危險性區(qū)域明顯減少。1960—1980年期間，以中度、次高以及高危險性為主；1981—1997年期間，釀酒葡萄種植區(qū)內(nèi)從北到南中部區(qū)域霜凍致災危險性均從之前的中度變?yōu)榇蔚偷燃?，中度危險區(qū)域東移北擴，次高和高危險區(qū)大大減少，僅在北部和西部小范圍存在；至1998—2015年期間次低危險性等級大大增加，并且出現(xiàn)小范圍的低危險性區(qū)域，高危險性區(qū)域消失，次高和中等危險性區(qū)域也僅剩西部較小范圍。

從圖8（封三）還可以看出，賀蘭山東麓葡萄酒原產(chǎn)地保護范圍內(nèi)，大武口、永寧、青銅峽等地釀酒葡萄霜凍致災危險性處于次低等級，其他區(qū)域均為中度危險性；釀酒葡萄晚霜凍危險性隨年代變化明顯，從1960—1980年的中度致災危險性逐步變?yōu)?998—2015年的次低危險性。

3 結論與討論

本研究在分析寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生日數(shù)和頻率特征基礎上，對比分析了釀酒葡萄晚霜凍致災因子危險性變化特征，得出如下結論：

（1）近55年來寧夏賀蘭山東麓晚霜凍發(fā)生日數(shù)在78～233 d之間，各站差異較大，并且輕霜凍發(fā)生日數(shù)明顯多于中霜凍和重霜凍。隨年代變化，霜凍發(fā)生日數(shù)整體呈下降趨勢，且輕霜凍發(fā)生日數(shù)下降速度大于中霜凍和重霜凍，1970年代末和1990年代末出現(xiàn)兩個明顯變化時段。

（2）近55年來，除北部大武口，寧夏賀蘭山東麓晚霜凍頻率分布呈現(xiàn)自北向南輻射遞減的規(guī)律，且與中度、重度霜凍發(fā)生的頻率相比，發(fā)生輕霜凍的頻率更高。各等級霜凍頻率最大出現(xiàn)在陶樂，最小出現(xiàn)在大武口。各站釀酒葡萄霜凍發(fā)生頻率隨年代變化總體呈下降趨勢。除惠農(nóng)持續(xù)下降外，其他各站在下降過程中均出現(xiàn)2個或3個躍升階段，其中1960～1970年代、1990～2000年代和2000～2010年代為3個主要躍升期，且1960～1970年代為各站霜凍頻率上升較為集中的時期。

（3）寧夏賀蘭山東麓各站釀酒葡萄晚霜凍致災危險性大部處于中度偏低水平，且隨著氣候變化，霜凍致災危險性有變小的趨勢，中、低等致災危險范圍明顯增大，截至目前，高危險性區(qū)域基本消失，次高和中等危險區(qū)域范圍也大大縮小。

（4）在分析寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄晚霜凍發(fā)生日數(shù)和頻率特征時，發(fā)現(xiàn)了兩個明顯的突變階段，在最終分析釀酒葡萄霜凍致災危險性時，綜合考慮了其他學者關于寧夏賀蘭山東麓氣候資源分析結果，將1980、1997年作為兩個氣候突變點，以更好地對比區(qū)域釀酒葡萄霜凍致災危險性隨年代的變化特征。

（5）本研究僅分析了研究區(qū)域內(nèi)釀酒葡萄晚霜凍致災危險性，只是霜凍災害風險評估的一部分內(nèi)容，區(qū)域內(nèi)釀酒葡萄發(fā)生霜凍災害的風險大小、如何進行風險管理，還要綜合考慮暴露度、環(huán)境條件和防災減災能力等其他因素的影響，因此在將本研究成果應用于災害管理時還需做進一步研究。