保山市霜凍氣候特征及精細(xì)預(yù)報(bào)方法探究

姚德寬

摘 要 利用云南省保山市5個(gè)國(guó)家站1964—2020年逐日地面觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了保山市霜凍天氣的時(shí)間分布特征，并開展了精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的霜凍天氣預(yù)報(bào)方法研究。結(jié)果表明：保山市的霜凍天氣主要出現(xiàn)在每年的12月至次年的3月，其中1月出現(xiàn)頻率最高，2月次之，3月出現(xiàn)頻率最低。當(dāng)?shù)乇碜畹蜏囟取? ℃時(shí)出現(xiàn)霜凍天氣的概率為95%，當(dāng)最低氣溫≤2.0 ℃時(shí)出現(xiàn)霜凍天氣的概率為91%，因此可以把地表最低溫度≤0 ℃或最低氣溫≤2.0 ℃作為當(dāng)?shù)厮獌鎏鞖忸A(yù)報(bào)的臨界指標(biāo)。在日最低氣溫相同的情況下，晴朗無風(fēng)的天氣更易形成霜凍。根據(jù)最低氣溫預(yù)報(bào)，并用云量、風(fēng)速預(yù)報(bào)訂正最低氣溫與地表溫度差，則霜凍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可以得到進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞 霜凍;最低氣溫;地面溫度;精細(xì)預(yù)報(bào);云南省保山市

中圖分類號(hào)：S425;P45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.12.063

霜凍是指土壤表面或植株表面的溫度下降到足以使農(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(shí)，地表溫度通常低于或接近0 ℃，因此霜凍預(yù)報(bào)實(shí)際上是對(duì)地表溫度的預(yù)報(bào)[1]。目前，鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站均沒有地表溫度觀測(cè)項(xiàng)目，因而利用保山市5個(gè)國(guó)家站最近57年的地面氣象觀測(cè)資料（1964—2020年），總結(jié)了保山市霜期（12月至次年3月）逐月地表溫度和夜間最低氣溫、云量、風(fēng)速等氣象要素之間的關(guān)系，利用數(shù)值模式格點(diǎn)預(yù)報(bào)資料建立各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低氣溫預(yù)報(bào)方程，再利用云量和風(fēng)速預(yù)報(bào)確定各預(yù)報(bào)站點(diǎn)最低氣溫與地表溫度差值的經(jīng)驗(yàn)值，從而推算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的霜凍等級(jí)預(yù)報(bào)[2-5]。

1 調(diào)查方法

霜凍天氣劃分標(biāo)準(zhǔn)：把最低地表溫度≤0 ℃定為一個(gè)霜凍日;-1.0 ℃<最低地表溫度≤0 ℃為輕霜凍;

-3.0 ℃<最低地表溫度≤-1.0 ℃為中霜凍;-5.0 ℃

<最低地表溫度≤-3.0℃為重霜凍;最低地表溫度≤-5.0 ℃為強(qiáng)霜凍[1]。

霜凍資料：利用云南省保山市轄區(qū)內(nèi)的5個(gè)國(guó)家氣象站1964—2020年逐日地表最低溫度及霜凍觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)各代表站逐旬、逐月、逐年的霜凍日數(shù)，分析霜凍的時(shí)間分布特征。

最低氣溫預(yù)報(bào)因子選取2020年2月—2021年11月逐日ECMWF數(shù)值預(yù)報(bào)20：00起報(bào)的格點(diǎn)預(yù)報(bào)資料，采用Press準(zhǔn)則進(jìn)行因子初選，采用逐步回歸方法建立最低氣溫預(yù)報(bào)方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 保山市霜凍天氣的時(shí)間分布特征

從圖1中可以看出，保山市的霜凍天氣最早出現(xiàn)在每年12月上旬，最晚出現(xiàn)于次年3月下旬，1月出現(xiàn)次數(shù)最多，3月出現(xiàn)次數(shù)最少。

由圖2可見，保山市各站的年霜凍日數(shù)總體呈減少趨勢(shì)。用線性擬合統(tǒng)計(jì)保山市近57年來霜凍日數(shù)變化趨勢(shì)（每10年增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)）：隆陽(yáng)為-7.73 d，騰沖為-11.24 d，龍陵為-8.58 d，施甸為-7.08 d，昌寧為-5.72 d，不同年份之間的霜凍日數(shù)差異極顯著（P<0.01）。

保山市歷年平均霜凍日數(shù)為46.8 d，各地區(qū)霜凍時(shí)間最長(zhǎng)的年份分別為：隆陽(yáng)1971年（80 d）、騰沖1971年（109 d）、龍陵1978年（93 d）、施甸1971年（66 d）、昌寧1996年（96 d）。

2.2 霜凍與氣象要素間的關(guān)系

2.2.1 霜凍與最低氣溫

霜凍是指最低地表溫度≤0 ℃的一種天氣現(xiàn)象，因此霜凍與最低氣溫的關(guān)系是最低地表溫度與最低氣溫的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)5個(gè)國(guó)家站1964—2020年最低氣溫與最低地表溫度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)情況下最低地表溫度<最低氣溫，最低氣溫與最低地表溫度差值<0 ℃

的情況僅占樣本的5%;最低氣溫與最低地表溫度差值在0～4 ℃的情況最多，占樣本的82%;而最低氣溫與最低地表溫度差值>4 ℃的情況只有12%。由此可見，在大部分情況下，最低氣溫比最低地表溫度要高0～4 ℃，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象站點(diǎn)缺少地表溫度觀測(cè)項(xiàng)目的情況下，霜凍預(yù)報(bào)可參考最低氣溫的預(yù)報(bào)，在其基礎(chǔ)上下降0～4 ℃，如預(yù)報(bào)最低氣溫低于2 ℃，那么最低地表溫度很有可能達(dá)到0 ℃以下，要考慮預(yù)報(bào)霜凍。

月統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（圖3），1991—2020年保山市最低氣溫與最低地表溫度的月平均溫差差異較大，1月的平均溫差最大，達(dá)到了2.4 ℃;其次是2月、12月，平均溫差達(dá)到了2.3 ℃;而7—9月最小，平均溫差只有0.2～0.4 ℃，可見不同的季節(jié)背景下，最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差差異較大，其值在夏季最小，在冬季最大。

2.2.2 霜凍與云量、風(fēng)速的關(guān)系

霜凍與最低氣溫密切相關(guān)，然而在最低氣溫相同的情況下，風(fēng)速和云量影響著最低氣溫與最低地表溫度的溫差大小，即影響著霜凍天氣的出現(xiàn)。這里選取了5個(gè)國(guó)家站1991—2020年的云量、風(fēng)速、最低氣溫及最低地表溫度資料進(jìn)行分析。由于最低氣溫、最低地表溫度絕大多數(shù)出現(xiàn)在夜間至清晨（2：00—8：00），因此云量選用2：00人工觀測(cè)的總云量資料，風(fēng)速選用2：00自動(dòng)觀測(cè)儀器測(cè)得的2分鐘內(nèi)的平均風(fēng)速，分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。在同一月里最低氣溫與最低地表溫度的溫差大小和風(fēng)速有關(guān)：當(dāng)風(fēng)速<

1 m·s-1時(shí)，各月最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差為2.0～2.3 ℃;當(dāng)風(fēng)速為1～3 m·s-1時(shí)，各月最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差為2.3～2.8 ℃;當(dāng)風(fēng)速>3 m·s-1時(shí)，各月最低氣溫與最低地表溫度的平均溫差為2.1～2.6 ℃。云量也是影響最低氣溫與最低地表溫度溫差大小的一個(gè)重要因子，云量越多則溫差越小。以上的分析結(jié)果與周彬等人的研究結(jié)果較一致，即在日最低氣溫相同的情況下，晴朗無風(fēng)的天氣更易形成霜凍[2]。

2.3 霜凍的短期預(yù)報(bào)

霜凍的中短期預(yù)報(bào)基礎(chǔ)是最低氣溫預(yù)報(bào)，目前國(guó)家網(wǎng)格預(yù)報(bào)（SCMOC）產(chǎn)品對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低。為提高霜凍天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，必須提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的最低氣溫預(yù)報(bào)水平。建立預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)最低氣溫預(yù)報(bào)模型后，霜凍短期預(yù)報(bào)的關(guān)鍵就變成了對(duì)最低氣溫與最低地表溫度的溫差預(yù)報(bào)。由于最低氣溫與最低地表溫度的溫差隨季節(jié)、云量、風(fēng)速變化較大，用常規(guī)的線性方程和多元方程擬合誤差較大，而采用查表法預(yù)報(bào)霜凍相對(duì)簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確。最低地表溫度A的預(yù)報(bào)公式為：

A=B-（Tf+Ty）/2 ? ? （1）

式中：A為最低地表溫度;B為最低氣溫預(yù)報(bào);Tf和Ty為風(fēng)速和云量對(duì)最低氣溫與最低地表溫度之間溫差的影響因子，隨季節(jié)變化，其中Tf是根據(jù)SCMOC北京時(shí)間2：00—8：00對(duì)站點(diǎn)的地面風(fēng)速預(yù)報(bào)查表1得到的訂正值;Ty是根據(jù)SCMOC北京時(shí)間2：00—8：00對(duì)站點(diǎn)的地面云量預(yù)報(bào)查表1得到的訂正值。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)最低氣溫預(yù)報(bào)：經(jīng)過相關(guān)分析，歐洲高分辨率數(shù)值模式（ECMWF_HR）的850 hPa溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)、比濕場(chǎng)與本地最低氣溫的相關(guān)性最好，并且冬春季節(jié)最低氣溫一般出現(xiàn)在8：00左右，因此選取2020年2月—2021年11月ECMWF_HR模式逐日20：00起報(bào)的12 h、36 h、60 h、84 h、108 h、132 h、

156 h、180 h、204 h、228 h預(yù)報(bào)時(shí)效850 hPa溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)、比濕場(chǎng)作為最低氣溫的預(yù)報(bào)因子，因子選取E 98°～100°、N 24°～26°，采用常規(guī)的逐步回歸方法建立起鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的最低氣溫預(yù)報(bào)方程（MOS方程）。

2.4 霜凍精細(xì)化預(yù)報(bào)模型應(yīng)用效果分析

通過對(duì)2021年12月21日—2022年1月31日最低氣溫進(jìn)行預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)，上面建立的最低氣溫預(yù)報(bào)方程具有很好的預(yù)報(bào)能力，24～96 h誤差在2 ℃以內(nèi)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到了81%～88%。利用2021年12月21日—2022年1月31日5個(gè)國(guó)家氣象站逐日最低地表溫度及霜凍資料對(duì)同期霜凍預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)定，2021年12月21日—2022年1月31日5個(gè)國(guó)家站共出現(xiàn)了34站次霜凍，其中預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的有26站次，霜凍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到了76%，具有較好的預(yù)報(bào)效果。因此，對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的霜凍預(yù)報(bào)也可以用最低氣溫-（Tf+Ty）/2≤0這個(gè)指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

1）保山市的霜凍天氣出現(xiàn)在每年的12月上旬至次年的3月下旬，其中1月霜凍天氣出現(xiàn)頻率最高，2月次之，3月出現(xiàn)頻率最低。

2）當(dāng)最低地表溫度≤0.0℃時(shí)出現(xiàn)霜凍的概率為95%，當(dāng)最低氣溫≤2.0℃時(shí)出現(xiàn)霜凍的概率為91%，因此可以把最低地表溫度≤0.0℃或最低氣溫≤2.0 ℃作為當(dāng)?shù)厮獌鎏鞖忸A(yù)報(bào)的臨界指標(biāo)。

3）預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果表明，利用歐洲高分辨率數(shù)值模式（ECMWF_HR）預(yù)報(bào)格點(diǎn)場(chǎng)資料，采用逐步回歸方法建立的鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低氣溫預(yù)報(bào)方程（MOS方程）在保山市轄區(qū)內(nèi)具有較好的預(yù)報(bào)效果。24～96 h誤差在2 ℃

以內(nèi)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到了81%～88%，具有重要的參考價(jià)值。根據(jù)最低氣溫及風(fēng)速、云量預(yù)報(bào)，采用查表法預(yù)報(bào)霜凍效果良好，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率得到進(jìn)一步提高，可以作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)霜凍精細(xì)預(yù)報(bào)的方法。

4）霜凍天氣與最低氣溫、風(fēng)速、云量密切相關(guān)，在日最低氣溫相同的情況下，晴朗無風(fēng)的天氣更容易形成霜凍。

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（責(zé)任編輯：張春雨）