基于Mortle小波的渭南市4月倒春寒特征分析

馬耀絨 韓蓓蓓 許偉峰 尹貞鈐

（渭南市氣象局，陜西渭南 714000）

我國是農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害多發(fā)重發(fā)地區(qū)[1]，在氣候變暖背景下，做好農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)測對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。春季倒春寒是影響大田作物和經(jīng)濟(jì)林果生長的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。不同學(xué)者對(duì)倒春寒做了一系列研究。黃繼用等[2]提出由不同持續(xù)天數(shù)確定倒春寒等級(jí)的方法，并從倒春寒發(fā)生頻率、災(zāi)害強(qiáng)度的平均狀況或過程日數(shù)等方面對(duì)倒春寒空間分布特征進(jìn)行了分析，提出了貴州省倒春寒災(zāi)害分區(qū)。張淑惠[3]研究發(fā)現(xiàn)，福建省輕度倒春寒的頻率最大為33%，重度倒春寒的頻率最小為13%，中度倒春寒與無倒春寒的概率相等。李 勇等[4]分析得出20世紀(jì)90年代貴州省倒春寒強(qiáng)度最強(qiáng)，50多年來西部高海拔地區(qū)、中部和北部地區(qū)倒春寒強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，而東部、南部地區(qū)倒春寒強(qiáng)度呈略微降低趨勢。李德萍等[5]指出青島地區(qū)倒春寒主要為輕度倒春寒和中度倒春寒，主要發(fā)生在4月，且4月中下旬倒春寒發(fā)生概率最大，易造成霜凍和低溫凍害。

倒春寒是嚴(yán)重影響渭南市春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣象災(zāi)害。春季，渭南市冬小麥開始返青并進(jìn)入拔節(jié)期，蘋果、酥梨等陸續(xù)進(jìn)入始花期、盛花期、幼果期，倒春寒天氣導(dǎo)致冬小麥莖、葉受凍，經(jīng)濟(jì)林果發(fā)芽、展葉、開花、坐果受阻。研究指出，自20世紀(jì)90年代以來渭南市平均氣溫呈增暖趨勢，春季冷空氣入侵更容易造成危害，尤以4月最嚴(yán)重[6]。本文參考馬耀絨等[6]的4月倒春寒研究結(jié)果，對(duì)渭南市近49年氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討當(dāng)?shù)氐勾汉l(fā)生的氣象等級(jí)、概率、周期及時(shí)空演變特征，并通過分析當(dāng)?shù)貫?zāi)情發(fā)生的氣象條件，得出當(dāng)?shù)?月倒春寒致災(zāi)條件，以期為后期準(zhǔn)確預(yù)測倒春寒發(fā)生、提高4月倒春寒防御能力提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料為渭南市11個(gè)縣（市、區(qū)）國家氣象站1971—2019年4月逐日平均氣溫、日極端最低氣溫資料。

1.2 研究方法

1.2.1 倒春寒氣象指標(biāo)。倒春寒是一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。本文以較強(qiáng)冷空氣標(biāo)準(zhǔn)[7-8]、渭南市春季氣候特點(diǎn)、當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物是否受害[9-10]作為倒春寒的判斷依據(jù)。倒春寒過程為：4月日平均氣溫距平＜0℃持續(xù)日數(shù)≥3 d，且持續(xù)時(shí)段極端最低氣溫≤2℃；或日最低氣溫48h降幅≥6℃，且持續(xù)時(shí)段極端最低氣溫≤2℃。2次倒春寒過程間隔≤2 d，記為1次過程。按照降溫過程日極端最低氣溫，將倒春寒分為輕度、中度、重度3個(gè)等級(jí)：輕度倒春寒，2℃≥過程日極端最低氣溫＞0℃；中度倒春寒，0℃≥過程日極端最低氣溫＞-2℃；重度倒春寒，過程日極端最低氣溫≤-2℃。

1.2.2 Mortle小波分析。小波分析在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部性質(zhì)，通過小波分析可以得出時(shí)間序列周期變化的局部特征，能更清楚地看出各周期隨時(shí)間變化的情況[11-12]。本研究選取Mortle小波函數(shù)，利用MATLAB軟件完成時(shí)間序列邊界效應(yīng)消除、小波系數(shù)求取工作；在Suffer 8.0軟件中繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖；根據(jù)小波方差及方差檢驗(yàn)結(jié)果，完成小波方差圖，繪制第一主周期和第二主周期小波系數(shù)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 倒春寒發(fā)生頻次和空間特征

根據(jù)渭南市4月倒春寒定義及等級(jí)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，近49年渭南市4月倒春寒發(fā)生344站次，年均站次數(shù)為0.64站次，縣域間差異明顯，見圖1（a）。年均站次數(shù)由北（除韓城市外）向南遞減，高發(fā)區(qū)位于白水縣、合陽縣、澄城縣一帶，其中白水縣年均站次數(shù)為0.98次；低發(fā)區(qū)分散在韓城市、潼關(guān)縣、臨渭區(qū)、蒲城縣，其中潼關(guān)縣年均站次數(shù)最低，為0.39次。近49年渭南市4月輕度倒春寒發(fā)生206站次，年均站次數(shù)為0.38站次，縣域間差異較小，見圖1（b）。年均站次數(shù)由北部（除韓城市外）和南部向中部減少，高發(fā)區(qū)位于白水縣和華州區(qū)，其中白水縣年均站次數(shù)為0.53次；低發(fā)區(qū)分布在中部和東部，其中蒲城縣和潼關(guān)縣年均站次數(shù)為0.29次。近49年渭南市4月中度倒春寒發(fā)生105站次，年均站次數(shù)為0.19站次，縣域間差異明顯，見圖1（c）。年均站次數(shù)由北（除韓城市外）向西南減少，高發(fā)區(qū)出現(xiàn)在合陽縣，年均站次數(shù)為0.37次；低發(fā)區(qū)出現(xiàn)在韓城市、臨渭區(qū)，年均站次數(shù)為0.08次。近49年渭南市4月重度倒春寒發(fā)生33站次，年均站次數(shù)為0.06站次，縣域間差異明顯，見圖1（d）。年均站次數(shù)由北（除韓城市外）向南減少，高發(fā)區(qū)位于白水縣、合陽縣、澄城縣一帶，其中白水縣年均站次數(shù)為0.16次，即6年左右有1次重度倒春寒發(fā)生；低發(fā)區(qū)出現(xiàn)在韓城市、潼關(guān)縣、大荔縣、臨渭區(qū)等地，其中韓城市、潼關(guān)縣近49年無重度倒春寒發(fā)生。

圖1 近49年渭南市4月各等級(jí)倒春寒年均站次數(shù)分布

2.2 倒春寒年代際變化

渭南市4月倒春寒年均站次數(shù)變化趨勢（圖2）顯示：近49年渭南市4月倒春寒年均站次數(shù)呈下降趨勢，下降速率為0.118站次/（10 a）。20世紀(jì)70年代曲線緩慢上升，1980年達(dá)最高值（年均站次數(shù)為2.00站次），10年間全市年均站次數(shù)為1.01站次。1980年后曲線開始下降，年均站次數(shù)在平均線上下擺動(dòng)，年均站次數(shù)線下年份明顯多于線上年份。20世紀(jì)80年代年均站次數(shù)降至0.63站次，90年代年均站次數(shù)降至0.53站次。21世紀(jì)初（2001—2010年）略有回升，年均站次數(shù)為0.65站次，2010年年均站次數(shù)出現(xiàn)20世紀(jì)90年代以來的最高值（1.55站次）。2010年后繼續(xù)下降，至21世紀(jì)10年代降至0.32站次。近49年全市4月無倒春寒發(fā)生年份共4年，分別為1984年、1999年、2008年和2014年。

圖2 近49年渭南市4月倒春寒年均站次數(shù)變化趨勢

2.3 倒春寒時(shí)間序列周期變化

2.3.1 小波系數(shù)實(shí)部分析。圖3反映了倒春寒年均站次數(shù)在不同時(shí)間尺度上的周期變化，通過圖3可進(jìn)一步判斷在不同時(shí)間尺度上年均站次數(shù)的未來變化情況。近49年渭南市4月倒春寒年均站次數(shù)存在4～6、6～13、15～20、22～32 a 4 類時(shí)間尺度周期變化規(guī)律，其中：4～6、6～13 a時(shí)間尺度上出現(xiàn) 8 次少—多交替振蕩；22～32 a時(shí)間尺度上存在3次多—少交替振蕩。以上3種時(shí)間尺度表現(xiàn)穩(wěn)定，具有全域性。

圖3 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

2.3.2 小波方差、主周期分析。從圖4可以看出，渭南市4月倒春寒存在4個(gè)較為明顯的峰值，依次對(duì)應(yīng)6、10、17、28 a時(shí)間尺度。其中：最大峰值對(duì)應(yīng)6 a時(shí)間尺度，周期振蕩最強(qiáng)，為第一主周期；第二峰值對(duì)應(yīng)10 a時(shí)間尺度，為第二主周期；第三峰值、第四峰值分別對(duì)應(yīng)28、17 a時(shí)間尺度，為第三、第四主周期。根據(jù)方差檢驗(yàn)結(jié)果，繪制第一、第二主周期系數(shù)圖。通過主周期趨勢圖可以看出，4月倒春寒年均站次數(shù)存在的平均周期和多—少變化。圖4中6 a時(shí)間尺度上年均站次數(shù)變化平均周期為4 a左右，存在12次少—多振蕩；10 a時(shí)間尺度上年均站次數(shù)變化平均周期約為6.5 a，出現(xiàn)8次少—多振蕩。通過對(duì)比分析可知，渭南市4月倒春寒周期與重災(zāi)區(qū)白水縣4月發(fā)生倒春寒的時(shí)空變化具有較好的一致性。

圖4 倒春寒年均站次數(shù)第一、第二主周期系數(shù)圖

2.4 致災(zāi)性倒春寒發(fā)生的氣象條件

20世紀(jì)60年代以來，渭南市4月上旬出現(xiàn)12次較強(qiáng)倒春寒天氣，出現(xiàn)時(shí)間多集中在清明前后，最強(qiáng)倒春寒出現(xiàn)在1962年，1969年次之，2018年倒春寒強(qiáng)度排第5位（表1）。以2018年4月倒春寒為例，4月6日晚至7日凌晨渭南市氣溫劇烈下降，地面最低溫度降至-4.8～-0.8℃，大部分地方出現(xiàn)了霜凍，其中：69個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)極端最低氣溫＜0℃；39個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)極端最低氣溫＜0℃持續(xù)時(shí)間長達(dá)4 h以上；7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)極端最低氣溫＜0℃持續(xù)時(shí)間達(dá)8 h以上；潼關(guān)縣善車峪及澄城縣莊頭鎮(zhèn)極端最低氣溫＜0℃持續(xù)時(shí)間達(dá)10 h。從低溫分布空間來看，渭南市中北部最低溫度普遍低于0℃，白水縣最低達(dá)-3.2℃，南部為-0.4～3.7℃，最低溫度出現(xiàn)在華陰市華陽縣，為-4.9℃。此次倒春寒導(dǎo)致中北部部分蘋果開花受到影響，部分櫻桃、酥梨、桃、杏等幼果受凍，花椒新芽發(fā)暗，南部部分獼猴桃、葡萄葉片凋萎，局地植株發(fā)黑，山區(qū)核桃花葉受凍嚴(yán)重，部分絕收。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，此次倒春寒災(zāi)害共造成渭南市9 666.87 hm2農(nóng)作物受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失約4 122萬元。

表1 1960—2019年渭南市倒春寒強(qiáng)度對(duì)比分析

3 結(jié)論與討論

（1）渭南市4月倒春寒年均出現(xiàn)0.61站次，并且4月初發(fā)生中度倒春寒的概率較高，輕度倒春寒和中度倒春寒占比較大，分別為59.9%和30.5%，重度倒春寒僅占9.6%。受氣候變暖影響，渭南市4月倒春寒年均站次數(shù)呈下降趨勢，20世紀(jì)70年代全市年均站次數(shù)最多，21世紀(jì)10年代最少。1980年達(dá)最高值，1984年、1999年、2008年及2014年全市無倒春寒發(fā)生。

（2）渭南市4月倒春寒分布呈現(xiàn)北部重、南部次之、中部及韓城市偏少的特點(diǎn)。縣域之間的差異明顯，重災(zāi)區(qū)處于白水縣、澄城縣、合陽縣一帶。年均站次數(shù)變化過程存在 4～6、6～11、12～17、25～32 a 4 類時(shí)間尺度周期變化規(guī)律。6、10、28、17 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)倒春寒年均站次數(shù)第一、第二、第三、第四主周期。6 a時(shí)間尺度經(jīng)歷12次少—多振蕩，10 a時(shí)間尺度經(jīng)歷8次少—多振蕩。4月倒春寒周期與重災(zāi)區(qū)白水縣4月發(fā)生倒春寒的時(shí)空變化具有較好的一致性。

（3）本文中倒春寒的定義是根據(jù)渭南市當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱椭饕r(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)林果受凍指標(biāo)確立的，而未采用《倒春寒氣象指標(biāo)》（GB/T 34816—2017）。 究其原因主要是北方倒春寒以晴空輻射降溫為主，主要表現(xiàn)為最低氣溫的降溫幅度劇烈，低溫持續(xù)時(shí)間一般不超過3 d，但是由于降溫導(dǎo)致最低氣溫已經(jīng)降至經(jīng)濟(jì)林果花、幼果和冬小麥拔節(jié)期凍害指標(biāo)范圍，同樣容易導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生。以2018年渭南市發(fā)生的重度倒春寒為例，采用《倒春寒氣象指標(biāo)》（GB/T 34816—2017）統(tǒng)計(jì)分析，渭南市倒春寒最嚴(yán)重的白水縣只發(fā)生輕度倒春寒，其余地區(qū)均無倒春寒出現(xiàn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用的是平均氣溫和低溫持續(xù)時(shí)長＞3 d，主要適應(yīng)于南方水稻在春季遇陰雨天氣、氣溫持續(xù)下降時(shí)出現(xiàn)的倒春寒。然而，北方經(jīng)濟(jì)林果花期倒春寒指標(biāo)等研究[9，13]均采用致使作物受凍的最低氣溫的臨界值為標(biāo)準(zhǔn)。