河西走廊東部一次霜凍天氣過程成因及其對農(nóng)業(yè)的影響

錢 莉， 楊 鑫， 滕 杰

（1.武威市氣象局，甘肅 武威733000；2.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州730020）

霜凍是影響范圍較大的災害性天氣， 發(fā)生地區(qū)幾乎遍及全國各地，并危害多種農(nóng)林作物。霜凍又分為早霜凍和晚霜凍兩種， 西北地區(qū)一般晚霜凍結(jié)束期在4 月下旬—5 月中旬，此時小麥、玉米、馬鈴薯、露地瓜菜和葡萄、蘋果、梨等農(nóng)林作物正處于幼苗生長和開花坐果階段， 抗凍能力弱， 往往造成嚴重災害。

河西走廊東部是甘肅省重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地，僅武威市2016 年特色林果業(yè)總面積就達到11.2 萬hm2，且成為農(nóng)民增收新的增長點。 霜凍是河西走廊東部主要的農(nóng)業(yè)氣象災害，隨著全球氣候變暖，作物生育期提前，晚霜凍出現(xiàn)日期推遲，對玉米苗期、經(jīng)濟林幼果和花期危害程度加劇。 2004 年5 月2—5日河西走廊東部出現(xiàn)的晚霜凍災害造成正值苗期的大部分農(nóng)作物受凍，植物莖桿軟化，葉色變褐，枯萎死亡；玉米、棉花、瓜類、豆類等喜溫作物受凍全部成重災，正值花果期的蘋果、桃子、杏子、梨等果類和釀造葡萄基本絕收，直接經(jīng)濟損失達2.65 億元。 2011年5 月12 日河西走廊東部的民勤縣出現(xiàn)霜凍，造成棉花、瓜果作物受災面積達0.39 萬hm2，直接經(jīng)濟損失達1321.1 萬元。

張養(yǎng)才等[1]對中國農(nóng)業(yè)氣象災害研究進展進行了論述， 目前針對霜凍天氣氣候特征及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害和預防措施的研究已經(jīng)不少[2-7]，對一些典型霜凍成因和對策研究已有許多[8-12]，對霜凍氣象風險評估和氣候預測已初步開展[13-20]。 關于霜凍已有的研究成果大多研究霜凍天氣發(fā)生的成因、 預報、預測、風險評估，而霜凍發(fā)生程度及凍害對農(nóng)作物影響機理研究較少。 霜凍天氣雖然出現(xiàn)概率小， 但來勢猛，影響范圍廣，預防難度大，危害重，是天氣預報工作的重點和難點。據(jù)歷史資料顯示，河西走廊東部最強霜凍天氣過程出現(xiàn)在1976 年5 月4 日，淺山區(qū)和川區(qū)地面最低溫度和最低氣溫分別為-7.1、-3.0 ℃；凍害最重的霜凍過程出現(xiàn)在2004 年5 月2—5 日，淺山區(qū)和川區(qū)地面最低溫度和最低氣溫分別為-6.4、-4.7 ℃，凍害持續(xù)3 d，共造成直接經(jīng)濟損失2.65 億元[8]。 2016 年5 月15 日出現(xiàn)的這次霜凍過程，淺山區(qū)和川區(qū)地面最低溫度和最低氣溫分別為-4.9 ℃、-3.2 ℃， 從地面最低溫度和持續(xù)時間看， 均不是很強，但為何造成的農(nóng)作物凍害如此嚴重呢？本文選取河西走廊東部2016 年5 月14—15 日武威、民勤、古浪、天祝、永昌、烏鞘嶺6 個國家自動氣象觀測站的逐小時氣溫、0 cm 地溫、最低氣溫、最高氣溫、地面最低溫度、相對濕度觀測值，以及研究區(qū)內(nèi)93 個區(qū)域氣象觀測站逐小時氣溫、最低氣溫、最高氣溫觀測值， 結(jié)合高空和地面形勢特征及物理量場等因素分析研究了這次霜凍過程的成因。 希望能揭示霜凍天氣發(fā)生的天氣特征及不同發(fā)生程度的成因， 進一步提高預報和防御能力，減免和降低其造成的經(jīng)濟損失。

1 災情及天氣實況

2016 年5 月11—14 日受強冷空氣東移南壓影響，河西走廊東部（包括武威市的三縣一區(qū)和金昌市的永昌縣）出現(xiàn)區(qū)域性寒潮（有3 站48 h 平均氣溫降幅≥12 ℃），15 日清晨出現(xiàn)區(qū)域性霜凍，區(qū)域內(nèi)地面極端最低溫度降至-6.5 ℃， 淺山區(qū)和川區(qū)地面最低溫度達-4.9 ℃（表1），作物出現(xiàn)凍害；15 日最高氣溫迅速攀升， 區(qū)域內(nèi)極端最高氣溫升至27.6 ℃，劇烈的升溫進一步加重了受害程度。 區(qū)域內(nèi)南部為海拔2000 m 以上的山區(qū)和高山區(qū)， 主要以森林和草原為主， 少數(shù)耕地種植的農(nóng)作物也為抗凍性較強的青稞、小麥等農(nóng)作物和油菜等經(jīng)濟作物，且播種遲，5月上中旬的晚霜凍對沿祁連山區(qū)農(nóng)林牧業(yè)影響較輕。 海拔在2000 m 以下的區(qū)域為淺山區(qū)和川區(qū)平原，是區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物、經(jīng)濟類作物和特色林果業(yè)的種植區(qū)，也是晚霜凍主要影響區(qū)域。凍害嚴重地區(qū)發(fā)生在河西走廊東部的川區(qū)和沿山區(qū)， 主要出現(xiàn)在涼州區(qū)西營鎮(zhèn)、洪祥鎮(zhèn)、永昌鎮(zhèn)、張義鎮(zhèn)、雙城鎮(zhèn)、黃羊鎮(zhèn)以及古浪縣的海子灘鎮(zhèn)、直灘鎮(zhèn)、土門鎮(zhèn)等（圖1），共計51 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)294 個村28.97 萬人受災，農(nóng)作物受災面積44 414.9 hm2， 凍害共造成直接經(jīng)濟損失12 829 萬元。受凍的農(nóng)作物主要為玉米、馬鈴薯、葵花、豆類、瓜菜、油料、小麥和中藥材等，特別是玉米70%以上嚴重受凍，估計減產(chǎn)50%；受災的特色林果業(yè)為皇冠梨、釀造葡萄、蘋果、紅棗等，特別是釀造葡萄、皇冠梨90%以上嚴重受凍。 此次霜凍災害損失僅次于有氣象記錄以來凍害災情最重的2004年5 月2—5 日凍害過程。

表1 5 月15 日河西走廊東部六站霜凍實況

圖1 5 月15 日河西走廊東部最低溫度分布

2 天氣成因分析

2.1 高空形勢演變

5 月14 日08 時500 hPa 高空圖上亞歐中高緯度為兩槽一脊型，高壓脊位于新疆至貝加爾湖西側(cè)，兩個低壓槽分別位于烏拉爾山和貝加爾湖附近（圖2a）。新疆至貝加爾湖西側(cè)高壓脊后有暖脊強烈發(fā)展（△T24中心達20 ℃），高壓脊前暖平流加強，促使高壓脊向東北方向伸展， 脊前強偏北急流引導冷空氣向南爆發(fā)，貝加爾湖低槽曲率明顯加大，溫度槽落后于高度槽，槽前后變高為北正南負配置，差值達+24 dagpm，有利于貝加爾湖低槽東移南壓加強。 河西走廊處在貝加爾湖低槽底部和新疆脊前的西北氣流中，伴有明顯冷平流，河西走廊中部△T24中心達-9 ℃，-20 ℃等溫線最南點位于河西走廊西北部（41°N，98°E），由于無西南暖濕氣流配合，這次過程為干冷空氣影響。 此時，700 hPa 河西走廊西部存在明顯的冷溫度槽， 冷鋒前沿在內(nèi)蒙古的阿拉善地區(qū)到張掖一線， 河西走廊存在≥12 m·s-1的低空北風急流和強冷平流，等溫線與等高線近乎垂直，河西走廊東部△T24達-11 ℃，說明冷平流強，強的變溫梯度和斜壓性有利于貝加爾湖低槽南壓加強（圖2b）。

14 日20 時500 hPa 高空圖上，原位于中亞的暖脊由于脊前暖平流的作用快速向東北方向發(fā)展（△T24中心為14 ℃）， 新疆東部至河西走廊中西部為暖高壓脊控制，脊線位于哈密附近。貝加爾湖槽明顯東移南壓加強，槽線位于內(nèi)蒙古東部至河套地區(qū)，并出現(xiàn)-28 ℃冷溫度中心，-20 ℃等溫線最南點南壓到河西走廊東部（38°N，103°E），河西走廊處在低槽底部和新疆脊前的西北氣流中。 由于低槽前后變高差達+25 dagpm，且為西北—東南向配置，有利于低槽快速東移南壓（圖2c）。此時，700 hPa 冷溫度槽已移到關中地區(qū)，河西走廊被高壓脊控制，并在河西走廊西部出現(xiàn)317 dagpm 的高壓中心，850 hPa 河西走廊也處在高壓中心包圍之中，18 ℃的暖脊已從南疆伸入河西走廊西部。 15 日08 時500 hPa 貝加爾湖低槽東移南壓到東北—華北地區(qū)， 原位于哈密附近的高壓脊東移北上到蒙古國一帶， 河西走廊處在脊底部的西北氣流中， 并且有明顯的冷溫度槽配合（圖2d）。對應850 hPa 河西走廊處在-8 ℃的冷溫度中心的控制之下。 河西走廊近地面附近強冷溫度中心加上高壓脊控制下的晴朗微風天氣促使霜凍災害爆發(fā)（圖2e）。

圖2 5 月14 日08 時—15 日20 時高空環(huán)流形勢演變

15 日20 時500 hPa 高空圖上，貝加爾湖槽已移到渤海附近，河西走廊處在高壓脊控制之下，對應850 hPa 青藏高原暖脊強烈發(fā)展，形成24 ℃的閉合暖中心（圖2d），并在河西走廊出現(xiàn)ΔT24升溫達10 ℃。

由此可見， 這是一次強冷空氣經(jīng)西伯利亞—新疆北部—蒙古—內(nèi)蒙古東移南下， 在甘肅河西走廊東部爆發(fā)的強霜凍過程。 這次霜凍過程的一個特點是中亞高壓脊強烈發(fā)展， 脊前北風急流不斷將極地冷空氣向南輸送，冷空氣在河西走廊堆積，使氣壓梯度、溫度梯度加大，從而為河西走廊東部霜凍形成提供了冷空氣條件。另一個特點是冷空氣過后，原位于中亞的暖高壓脊迅速控制河西走廊， 河西走廊原冷溫度中心快速被暖溫度中心替換，氣溫迅速上升，巨大的冷熱溫差加重了凍害影響程度。

2.2 地面形勢和云圖反映

14 日08 時—15 日08 時地面冷高壓不斷擴散南下，14 日20 時霜凍災害發(fā)生前河西走廊處在冷高壓中心，中心值為1026 hPa，地面圖上河西走廊天空狀況為晴空，風速4 m·s-1，天氣現(xiàn)象無降水，民勤、涼州溫度露點差達33 ℃，近地面濕度小；從FY-2E 紅外云圖上也可看出，河西走廊均無云。 本次霜凍是較為典型的平流、 輻射混合降溫型晚霜凍。 晴朗、微風、干燥的環(huán)境場有利于輻射降溫，再加上受地面冷高壓擴散南下降溫影響， 共同促發(fā)霜凍災害的發(fā)生。 15 日05 時永昌、古浪、天祝、涼州0 cm 地面溫度均≤0 ℃。

2.3 物理量場分析

由于空氣水平運動將引起氣溫局地變化。 冷平流使局地氣溫下降，冷平流越強，局地氣溫下降越明顯。 冷空氣的強弱與降溫層次成正比，冷空氣越厚，降溫越大。 沿37.5°N 作垂直剖面，分析14 日08 時高空850～300 hPa 總溫度平流場-V·△Tσ的垂直剖面圖，發(fā)現(xiàn)河西走廊東部（101°~103°E）850～300 hPa均為冷平流控制，冷平流中心出現(xiàn)在500 hPa，中心值為-74.4×10-4℃·s-1， 且冷平流中心由高空向低空嵌入。 由此可見，此次冷空氣過程影響河西走廊東部時，存在深厚的冷平流，對流層中層為強冷平流中心控制，高層冷平流向近地面?zhèn)鬟f（圖3）。 強冷平流和深厚的冷平流層是造成15 日清晨強霜凍的主要原因。

圖3 5 月14 日08 時總溫度平流沿37.5°N 垂直剖面

分析2016 年5 月14 日08 時—15 日20 時500 hPa -V·△Tσ 變化發(fā)現(xiàn)，14 日08 時河西走廊東部處在冷平流中心控制（圖4a），中心強度達-99.9×10-4 ℃·s-1；14 日20 時冷平流中心東移南壓到甘肅東南部，但河西走廊東部仍處在-40×10-4℃·s-1的冷平流等值線控制之下（圖4b）；15 日08 時冷平流中心繼續(xù)東移南壓到陜北一帶， 河西走廊西部已處在46.3×10-4℃·s-1的暖平流中心， 河西走廊東部處在冷平流的尾部（圖4c）；15 日20 時整個河西走廊被寬廣的暖平流中心控制（圖4d），中心強度達53.3×10-4℃·s-1。 由此可見，這次過程的另一個特點為冷暖平流均強且交替迅速。

2.4 霜凍預報指標

根據(jù)霜凍形成機制， 以西北氣流強冷平流為主要特征，從天氣學意義出發(fā)，高空風速越大、等溫線越密集、冷平流越強，降溫幅度越大；地面濕度越小，則不利于凝結(jié)潛熱釋放而有利于霜凍的形成。 核對武威市氣象局霜凍預報指標[21]，發(fā)現(xiàn)此次霜凍過程，內(nèi)蒙古西部到河西走廊500 hPa 最大風速為34 m·s-1、最大△H24為10 dagpm、T馬鬃山=-19 ℃、T張掖=-19 ℃、T民勤=-20 ℃， 700 hPa T酒泉=-3 ℃，均滿足晚霜凍預報指標（表2）。

3 霜凍對農(nóng)作物影響

3.1 劇烈降溫和長時間0 ℃以下低溫使凍害嚴重

圖4 5 月14 日—15 日500 hPa 總溫度平流演變

表2 河西走廊東部晚霜凍預報指標及實況值

選取凍害嚴重區(qū)域川區(qū)和淺山區(qū)永昌、涼州、古浪3 個代表觀測站資料， 分析發(fā)現(xiàn)2016 年5 月15日最低氣溫永昌-3.2 ℃、涼州4.4 ℃、古浪0.5 ℃；地面最低溫度永昌-4.9 ℃、涼州-0.2 ℃、古浪-3.9 ℃。2016 年5 月14 日21：00—15 日20：00 氣溫和0 cm地面溫度變化顯示（圖5a、5b），14 日夜間至15 日清晨氣溫急劇下降，溫度最低值均出現(xiàn)在清晨06 時。進一步利用區(qū)域內(nèi)99 個氣象觀測站逐小時氣溫計算≤0 ℃的持續(xù)時間（圖6），發(fā)現(xiàn)氣溫≤0 ℃的持續(xù)時間存在2 個大值中心， 一個位于海拔2000 m 以上高山區(qū)的天?？h烏鞘嶺（海拔高度3040 m），達14 h；另一個位于川區(qū)的涼州區(qū)林技中心，達9 h，這個也是受災最嚴重區(qū)域。 由此可見，劇烈降溫和長時間氣溫持續(xù)≤0 ℃，使川區(qū)和淺山區(qū)玉米、瓜類、蔬菜等喜溫作物無法忍受長時間的低溫而凍傷甚至死亡，正處在萌芽、現(xiàn)蕾和開花期的釀造葡萄、皇冠梨等經(jīng)濟林抗寒能力較弱，長時間的持續(xù)低溫使經(jīng)濟林的葉片、新稍、花序、幼果絕大部分凍死，萎蔫干枯，損失慘重。

3.2 霜凍出現(xiàn)時間偏晚，農(nóng)作物抵抗低溫凍害能力下降

春季霜凍出現(xiàn)越晚，對農(nóng)作物危害越大。 受全球氣候變暖的影響，河西走廊東部農(nóng)事活動普遍提前，加之2016 年4 月氣溫偏高幅度達1.5 ℃，使春季大田農(nóng)作物播種后生長加快。 據(jù)調(diào)查，2016 年玉米播種到三葉期較前10 年平均提前1 d，春小麥播種到三葉、拔節(jié)期較前10 a 平均提前11、3 d。 由于作物發(fā)育期提前，各生育階段對氣溫的要求越來越高，相應抗凍能力減弱。 河西走廊東部川區(qū)晚霜凍結(jié)束期常年出現(xiàn)在4 月下旬末至5 月初， 本次晚霜凍出現(xiàn)時間比常年偏晚15 d，5 月中旬作物耐受低溫能力明顯下降，此時，即使出現(xiàn)短時的低溫，對農(nóng)、林作物也有很大的威脅。

圖5 5 月14 日21:00—15 日20:00 代表站氣溫和0 cm 地面溫度變化

圖6 5 月14 日21:00—15 日20:00≤0 ℃氣溫持續(xù)時間分布

5 月中旬河西走廊東部春小麥正處于三葉—拔節(jié)期、玉米處于三葉期、葡萄正處于新梢生長和花序形成期、蘋果和梨正處于坐果期，菜豆、黃瓜、番茄、瓜類等處在幼苗期，根據(jù)氣象行標《作物霜凍凍害等級》（QX/T88-2008）[22]， 此時小麥的受凍臨界溫度為-3 ℃，玉米的受凍臨界溫度為-1 ℃，葡萄的受凍臨界溫度為0 ℃，蘋果的受凍臨界溫度為-0.5 ℃，梨的受凍臨界溫度為0 ℃， 瓜菜類的受凍溫度在1～2.5 ℃。 本次凍害武威市川區(qū)和淺山區(qū)平均最低氣溫為-1.1 ℃，局地最低氣溫為-5.8 ℃，超過了玉米受凍臨界溫度，葡萄、蘋果、梨、瓜菜等達到了中等強度霜凍害標準。 特別是災情嚴重的涼州區(qū)林技中心附近，最低氣溫為-3.1 ℃，達到了玉米、葡萄、蘋果、梨、瓜菜重霜凍標準。從作物凍害程度看，最重的為釀酒葡萄、皇冠梨，90%以上嚴重受凍；其次為玉米，70%以上嚴重受凍。

3.3 凍害發(fā)生后劇烈升溫和降濕使凍害加重

本次霜凍過程中快速升溫與低濕條件成為凍害升級的又一個主要因素。 從圖5a 可以看出15 日06時凍害最為嚴重，之后氣溫相繼進入攀升階段。分析顯示， 從出現(xiàn)最低氣溫到升至最高氣溫受災最重的淺山區(qū)和山區(qū)3 個代表站（永昌、涼州、古浪）的氣溫以平均≥1.9 ℃·h-1速度攀升，17 時氣溫達到一日最高，最高溫度永昌19.5 ℃、涼州25.1 ℃、古浪20.9℃，氣溫日較差分別為24.4、25.3、24.8 ℃。 進一步利用區(qū)域內(nèi)99 個氣象觀測站最高、 最低溫度分析了15 日氣溫日較差的空間分布，發(fā)現(xiàn)氣溫日較差大值中心出現(xiàn)在凍害嚴重的涼州區(qū)林技中心， 達29.4℃。在凍害發(fā)生后，作物受凍細胞自我修復時段內(nèi)溫度迅速攀升，使受凍作物解凍速率顯著加快，不僅使作物受凍細胞不能正?；謴?， 而且強烈光照使幼苗與幼果細胞水分迅速失調(diào)，葉片蒸騰加劇，使作物葉片、枝干、果實灼傷，受災程度加重。如玉米在災后救助中不得不剔除幼苗受凍葉片， 受災嚴重地區(qū)甚至改種，產(chǎn)量受到極大影響；皇冠梨和釀造葡萄在災后剔除了凍傷幼果，但受災果品依然著色不均、斑痕明顯，進而影響到成熟期果品品質(zhì)。

霜凍過程中隨著低溫來臨，相對濕度越小，水汽凝華潛能越小，這種“黑霜”現(xiàn)象比“白霜”危害更為嚴重。 從圖7 可以看出本次凍害受災最重的川區(qū)和淺山區(qū)3 個代表站日平均相對濕度為18%，01—06時凍害嚴重時平均相對濕度永昌29%、 涼州27%、古浪38%，低溫凍害加上空氣干燥，加重了受災深度。 白天隨著氣溫的攀升，相對濕度迅速減小，氣溫升高到一日最高時，相對濕度達到一日最小，3 個代表站最小相對濕度永昌7%、涼州3%、古浪8%（圖7）。 研究表明，霜凍使植物細胞間隙的水形成冰晶，消耗了細胞水分， 引起原生質(zhì)脫水使原生質(zhì)膠體變質(zhì)，在嚴寒霜凍后，氣溫突然回升、空氣濕度迅速下降，則作物滲出來的水分很快變成水汽散失掉，細胞失去的水分沒法復原，葉片就會干枯，受災程度加劇[23]。

圖7 5 月14 日21:00—15 日20:00 代表站相對濕度變化

4 討論與結(jié)論

4.1 歷史上災害最重的3 次強霜凍過程特征對比

本次過程與歷史上災情嚴重的“2004·5·2—5”和“2011·5·12”強霜凍過程相比，“2004·5·2—5”強霜凍過程連續(xù)3 d 最低氣溫≤0 ℃，本次強霜凍和“2011·5·12” 強霜凍過程均只有1 d 最低氣溫≤0 ℃?！?004·5·2—5”強霜凍、“2011·5·12”強霜凍和本次強霜凍過程結(jié)束后日平均氣溫分別上升了2.9、4.4、6.6 ℃，本次霜凍過程后升溫幅度最大。 由此可以看出，“2004·5·2—5” 強霜凍凍害為持續(xù)低溫冷害所致，本次強霜凍和“2011·5·12”強霜凍凍害為平流降溫和輻射降溫所致， 所不同的是本次霜凍過程后伴隨溫度急劇上升，加之濕度極低，加重了對植物的危害。

4.2 結(jié)論

（1）中亞高壓脊向東北方向發(fā)展，其前部偏北急流將強冷平流攜帶至貝加爾湖低槽中， 使低槽向南加深，高壓脊東南衰退過程中推動低槽東南下，強冷平流和晴空輻射降溫共同促使霜凍爆發(fā)。

（2）霜凍持續(xù)時間越長，空氣濕度越小，作物耐受低溫的能力越低，造成的凍害越強。

（2）霜凍出現(xiàn)后，氣溫急劇上升、濕度迅速下降，受凍的作物細胞無法修復，失去的水分沒法復原，受災程度加劇。

（3）由于氣候變暖，農(nóng)作物播種期普遍提前，農(nóng)林作物農(nóng)作期和生育期也普遍提前， 此次晚霜凍出現(xiàn)時間偏遲，農(nóng)林作物抵抗凍害的能力明顯下降，凍害影響加重。