遼西北霜期氣候變化及氣象服務(wù)對策

趙凌塵，王祿祿，趙胡笳，張夢佳，王賽頔，馬 林，劉玉徹，劉振宏

（1遼寧省氣象裝備保障中心，沈陽 110166；2遼寧省鐵嶺市氣象局，遼寧鐵嶺 112000；3中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，沈陽 110166；4遼寧省人工影響天氣辦公室，沈陽 110166；5遼寧省氣象服務(wù)中心，沈陽 110166）

0 引言

霜期農(nóng)業(yè)是利用冷涼時期的氣候資源，通過日光溫室或塑料大棚開展的工程農(nóng)業(yè)，以解決工業(yè)用地和農(nóng)業(yè)用地的矛盾，充分利用氣候資源和土地資源，增加提升復(fù)種指數(shù)，控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，適應(yīng)和減緩不利氣候變化的影響，實現(xiàn)“菜籃子”工程[1-3]。在霜期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，掌握氣候變化，對災(zāi)害性天氣的預(yù)防非常必要，設(shè)施農(nóng)業(yè)的進展與擴大需要氣象的跟蹤及預(yù)測服務(wù)。當(dāng)前一些常規(guī)天氣預(yù)報服務(wù)已經(jīng)不能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，必須建立適應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象專業(yè)服務(wù)體系，實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理的需求和目標(biāo)[4-6]。祝青林等[7]針對大連設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的趨勢和風(fēng)險進行了分析，認(rèn)為隨著氣候變暖寒潮和大風(fēng)在減少，而寡照天氣對于設(shè)施農(nóng)業(yè)影響最突出。李建新[8]分析山西冬季大風(fēng)、強降溫、降雪等災(zāi)害性天氣頻發(fā)，日光溫室嚴(yán)重受損，總結(jié)出蔬菜災(zāi)害性天氣的防范措施。陳思寧等[9]總結(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)災(zāi)害現(xiàn)狀，提出農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險評估方法、模型、技術(shù)的解決方案新模式。高浩等[10]研究表明設(shè)施農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展催生了設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的新領(lǐng)域，提出建設(shè)設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測預(yù)警和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系，推動設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)受氣候的影響，具有明顯的地域性差異[11-13]，從分析、掌握地方氣候變化入手，建設(shè)霜期農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的評估、監(jiān)測、預(yù)警體系是霜期農(nóng)業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的氣象保障。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，GIS、INTERNET和遠程無線監(jiān)控技術(shù)的進步，為霜期農(nóng)業(yè)氣象精細(xì)化服務(wù)提供了支撐。本研究在分析遼西北地區(qū)霜期氣候變化以及不利的氣象條件對霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)影響的基礎(chǔ)上，針對霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象的服務(wù)現(xiàn)狀，探討存在的問題，提高霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)水平，并提出相應(yīng)對策，旨在為霜期農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展保駕護航提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 資料來源

采用1951—2020年遼西北地區(qū)（朝陽、葉柏壽、阜新、鐵嶺、東陵、新民、遼中）氣象觀測資料，分別統(tǒng)計10月—翌年4月霜期各月日照時數(shù)，太陽總輻射，平均氣溫，平均最高氣溫、平均最低氣溫，極端最低氣溫，降水量（雪）、陰天日數(shù)（總云量≥8成），大風(fēng)日數(shù)（≥6級）。

1.2 分析方法

采用一元線性回歸（最小二乘法）計算氣候要素隨時間的變化速率，并采用序列相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗，見文獻[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜期變化

根據(jù)中國氣象局《氣象災(zāi)害預(yù)警信號發(fā)布與傳播辦法》第16號令[15]規(guī)定，氣溫在＜2°C及以下為霜凍指標(biāo)。從初霜（秋季）到終霜（春季）的連續(xù)天數(shù)為霜期。遼西北地區(qū)初霜平均出現(xiàn)在10 月7 日，終霜平均止于4 月25 日，有霜期174 d（1998 年）～225 d（1969 年），平均201 d。由圖1 可見，遼西北地區(qū)霜期以-2.495 d/10 a 的傾向率在縮短，序列相關(guān)(r＝-0.441；P＜0.01)達到極顯著水平，在1951—2020年的70 a里霜期線性縮短17.5 d，近30 a（1991—2020 年，下同）同比前40 a（1951—1990年，下同）霜期平均縮短9 d。

圖1 遼西北1951—2020年霜期變化趨勢

2.2 霜期氣溫變化

遼西北地區(qū)霜期在10月—翌年4月，此時期歷年平均氣溫在-3.1℃（1957年）～1.4℃（1998年）之間，累年平均值為-0.8℃。由圖2所示，霜期氣溫以0.245℃/10 a的傾向率升高，序列相關(guān)(r＝0.543；P＜0.01)達到極顯著水平，在1951—2020年的70 a里霜期氣溫線性升高1.7℃，近30 a同比前40 a霜期平均升高0.8℃。遼西北地區(qū)霜期氣溫標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.9，屬于不穩(wěn)定變化，給霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理帶來難度。

圖2 遼西北1951—2020年霜期平均氣溫變化趨勢

遼西北地區(qū)1—2 月最寒冷，極端最低氣溫波動在-33.1℃（2001 年）～-15.0℃（2007 年）之間，累年平均值為-22.8℃，極差為18.1℃。由圖3所示，氣候傾向率為0.929℃/10 a，序列相關(guān)(r＝0.498，P＜0.01)達到極顯著水平，1951—2020年線性升高6.5℃，近30 a同比前40 a極端最低氣溫平均升高3.6℃。極值氣溫均出現(xiàn)在2000年之后，雖然平均氣溫在升高，但極端溫度更為突出。

圖3 遼西北1951—2020年極端最低氣溫變化趨勢

2.3 霜期光照變化

光照是霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要熱能來源。遼西北地區(qū)霜期日照時數(shù)在1079 h（2003 年）～1514 h（1960 年）之間，累年平均日照時間1306 h，占全年的53.0%。由圖4可示，霜期日照時數(shù)呈明顯減少趨勢，氣候傾向率為-28.823 h/10 a，序列相關(guān)(r＝-0.580，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少202 h。近30 a同比前40 a日照時數(shù)平均減少105 h。

圖4 遼西北1951—2020年霜期日照時數(shù)變化趨勢

12 月至翌年2 月是霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵期，此時日照制約著設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成敗。遼西北12 月至翌年2 月日照時數(shù)在382 h（2001 年）～628 h（2008年）之間，累年平均為489 h，占霜期的37.4%。霜期日照時數(shù)呈明顯減少趨勢（圖略），氣候傾向率為-8.632 h/10 a，序列相關(guān)(r＝-0.340，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少60 h。近30 a同比前40 a日照時數(shù)平均減少26 h。

霜期太陽總輻射在76.49 MJ/m2（2008 年）～83.53 MJ/m2（1967 年）之間，累年平均為80.33 MJ/m2，占全年的46.1%。圖5所示，氣候傾向率為-0.505 h/10 a，序列相關(guān)(r＝-0.325，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少3.54 MJ/m2。近30 a 同比前40 a 太陽總輻射平均減少1.88 MJ/m2。

圖5 遼西北1951—2020年霜期太陽總輻射變化趨勢

12 月至翌年2 月太陽總輻射在26.90 MJ/m2（1987年）～31.05 MJ/m2（1963 年）之間，平均為28.46 MJ/m2，占霜期的35.4%。傾向率為-0.212 MJ/(m2·10 a)，序列相關(guān)(r＝-0.335，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少1.484 MJ/m2。近30 a 同比前40 a 12 月至翌年2月太陽總輻射平均減少1.56 MJ/m2。

2.4 霜期降水

霜期降水（降雪）是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利因素，降雪量大將成為災(zāi)害對設(shè)施（大棚）施壓或損壞。遼西北地區(qū)1951—2020 年降水量在56.8 mm（1989 年）～304.3 mm（2010年），累年平均值為150.8 mm。圖6所示，霜期降水量呈增加趨勢，傾向率為8.833 mm/10 a，序列相關(guān)(r＝0.330，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性增加61.8 mm。近30 a同比前40 a平均增加23.9 mm。

圖6 遼西北1951—2020年霜期降水量變化趨勢

12月—翌年2月寒冷期雨雪量過大造成危害最嚴(yán)重。遼西北1951—2020 年12—2 月降水量在4.9 mm（1996年）～68.7 mm（1990年）之間，累年平均為25.7 mm。傾向率為1.059 mm/10 a，序列相關(guān)(r＝0.118，P＞0.05)增加趨勢不顯著。近30 a（1991—2020 年）同比前40 a 12 月至翌年2月降水量平均增加4.0 mm。遼西北12月—翌年2月寒冷期降水量標(biāo)準(zhǔn)偏差為±15.53 mm，正常降水量為10.0～40.0 mm，1951—2020年多雨年(＞40.0 mm)有12年，幾率為17.1%，近30 a（1991—2020年）發(fā)生7 a，幾率為23.3%，相對于前40 a（1951—1990年）增加5.2個百分點。降水量≥5.0 mm為大雪，對霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)都有一定的影響，遼西北地區(qū)12月至翌年2月寒冷期大雪日數(shù)平均為3.5 d，最多8 d（2010年），出現(xiàn)3～4 d屬于正常，大雪日數(shù)氣候傾向率為0.024 d/10 a，呈弱增加趨勢。

2.5 霜期陰天

霜期陰天日數(shù)1951—2020 年最多達47 d（2002年），累年平均為25.4 d，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±7.0 d，正常陰天日數(shù)為18～32 d，＞32 d 有11 a，幾率為15.7%，其中近30 a（1991—2020 年）占9 a，幾率上升到30.0%。圖7所示，1951—2010 年霜期陰天日數(shù)呈增加趨勢，氣候傾向率為2.268 d/10 a，序列相關(guān)(r＝0.622，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020 年線性增加15.9 d。近30 a比前40 a平均增加了10 d。陰天日數(shù)增加相對減少了光照時間，減弱了輻射能，日光溫室、塑料大棚內(nèi)溫度下降，植物要承受低溫冷害，因此，陰天是霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)中最主要災(zāi)害之一。

圖7 遼西北1951—2020年霜期陰天日數(shù)變化趨勢

2.6 霜期大風(fēng)

6級以上為大風(fēng)日對設(shè)施農(nóng)業(yè)具有一定的破壞作用。遼西北地區(qū)霜期平均風(fēng)速3.2 m/s，風(fēng)速年變化屬冬季最小。霜期大風(fēng)日1966年最多出現(xiàn)50 d，累年平均為11.1 d，超過20 d 的有11 a，均發(fā)生在1955—1969年之間。圖8所示，大風(fēng)日數(shù)呈顯著減少趨勢，傾向率為-2.996 d/10 a，序列相關(guān)(r＝-0.590，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020 年線性減少20.9 d。從20 世紀(jì)50、60年代大風(fēng)日平均23 d，70年代之后至21世紀(jì)10年代大風(fēng)日減少至平均6 d/a，同比減少73.9%。21 世紀(jì)以來8級以上大風(fēng)次數(shù)呈增加趨勢。

圖8 遼西北1951—2020年霜期大風(fēng)日數(shù)變化趨勢

3 結(jié)論

隨著全球氣候變暖遼西北地區(qū)霜期存在延長趨勢，冬半年氣溫明顯升高熱能源增加，而光能資源在減少，陰天增多，暴雪增加，極端最低氣溫、極端大風(fēng)天氣頻繁出現(xiàn)，給設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來風(fēng)險。

遼西北包括鐵嶺、沈陽、阜新、朝陽等地區(qū)，該區(qū)域以丘陵山地為主，霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較早，因受極端天氣的影響，多處設(shè)施農(nóng)業(yè)處于癱瘓狀態(tài)，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)勢在必行，應(yīng)從研究入手，利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建一系列設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)手段，促進恢復(fù)霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 討論

4.1 氣象條件對霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響

綜上所述，隨著氣候變暖氣象要素隨之改變，遼西北地區(qū)霜期氣溫升高而不穩(wěn)，極端氣溫天氣更顯突出，夏半年降水減少[16]，冬半年降水增加，陰天日數(shù)增加，日照時間減少，太陽總輻射減弱，大風(fēng)日雖有減少但強度增加，形成了氣象要素新格局。霜期極端天氣現(xiàn)象對霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)影響顯著，開展霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)勢在必行。

霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)與環(huán)境氣象要素密切相關(guān)，光溫水等極端天氣現(xiàn)象制約著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，災(zāi)害性天氣具有強烈的地域性特征。此外，氣象災(zāi)害的地域性特征，也決定了設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展和走向。極端最低氣溫、光照時間、陰天、大雪和大風(fēng)等要素是霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)工程設(shè)計的重要參數(shù)。極端最低氣溫影響溫室選址、架構(gòu)及保溫材料的選擇。光照、陰天則影響材料的透光性、位置、朝向的選擇。遼西北地區(qū)大風(fēng)日數(shù)雖然減少，但強度依然，風(fēng)鼓膜破，大雪壓塌骨架等毀壞設(shè)施[1,17]的案例常見。朝陽2007年3月4日大暴雪壓毀大棚，經(jīng)濟損失3.2億元。因此，霜期設(shè)施工程設(shè)計、材料和強度的選擇離不開區(qū)域氣象條件的評估。當(dāng)前氣候背景下，遼西北地區(qū)以及其他地區(qū)極端災(zāi)害性天氣頻率和強度有增強趨勢[18-20]，設(shè)施工程設(shè)計要充分考慮寒潮冰雪天氣、大風(fēng)、暴雨（雪）和冰雹災(zāi)害的頻率和強度，提升防災(zāi)減災(zāi)理念。持續(xù)的連陰雨（雪）可造成植株徒長、座果率下降，久陰驟晴溫差大會使植株蒸騰加速，出現(xiàn)急速萎蔫凋枯死亡現(xiàn)象[21]。因此，氣象條件的變化對設(shè)施內(nèi)環(huán)境影響的控制，對農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提出新的要求。霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)是利用冬閑季節(jié)，運用可控的技術(shù)手段，實現(xiàn)集約、高效、可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)方式[22-23]。在可控的設(shè)施農(nóng)業(yè)層面仍然受不利氣象條件的影響，主要體現(xiàn)在區(qū)劃布局、環(huán)境控制、工程設(shè)計和能源節(jié)約等方面。

4.2 霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)現(xiàn)狀和問題

隨著能源短缺，糧食生產(chǎn)安全矛盾的突出，霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，有效利用霜期氣候資源，提高防災(zāi)減災(zāi)能力，給農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提出了新的要求。近年來，為適宜霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，不斷更新拓寬農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)方式方法，加強相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究，建立具有地方特色的設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報系統(tǒng)，豐富了設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)手段。目前霜期農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)現(xiàn)狀，在區(qū)劃布局方面，局地建立了農(nóng)業(yè)氣候資源庫，分析了農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害特征變化等。在環(huán)境調(diào)控方面，通過對設(shè)施內(nèi)小氣候要素的采集，建立設(shè)施內(nèi)外溫度的關(guān)系，指導(dǎo)設(shè)施調(diào)控及減災(zāi)措施[24-25]。在設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報方面，基于網(wǎng)絡(luò)開展手機短信、“氣象121”為設(shè)施農(nóng)業(yè)傳遞氣象預(yù)報信息，應(yīng)對災(zāi)害天氣，直接指導(dǎo)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4,10]。

在適應(yīng)霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)的需求中，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)研究取得了一定成果，但應(yīng)對霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)手段仍顯滯后。遼西北地區(qū)霜期設(shè)施結(jié)構(gòu)以日光溫室、塑料大棚為主，由于設(shè)施設(shè)計很少考慮極端自然災(zāi)害的影響，抗風(fēng)、抗雪能力較差，缺乏設(shè)施農(nóng)業(yè)工程氣象評估；缺乏農(nóng)業(yè)氣候遠程監(jiān)測和遠程服務(wù)管理；傳統(tǒng)的中、長期氣象預(yù)報對設(shè)施農(nóng)業(yè)缺少針對性；缺少大氣候與設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候相互關(guān)聯(lián)的分析與研究；缺少對設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)作物環(huán)境條件變化的研究；凸出的水肥管理造成小氣候的改變，使設(shè)施內(nèi)病蟲害發(fā)生等與農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)相關(guān)的問題。

4.3 霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)對策

在設(shè)施農(nóng)業(yè)工程方面，充分掌握氣候資源與環(huán)境特點的同時，增加設(shè)施農(nóng)業(yè)工程評估服務(wù)，重點在選址、設(shè)計、材料選配和抵抗氣象災(zāi)害方面展開研究，為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展建設(shè)提供技術(shù)支撐；增設(shè)設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候自動監(jiān)測網(wǎng)，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的防災(zāi)能力。

在環(huán)境控制方面，開展霜期設(shè)施內(nèi)農(nóng)作物小氣候監(jiān)測，建立設(shè)施農(nóng)作物指標(biāo)系統(tǒng)，確定設(shè)施內(nèi)外氣候變化影響預(yù)報模型，應(yīng)用遠程環(huán)境監(jiān)測智能系統(tǒng)結(jié)合臨近天氣預(yù)報實時氣象災(zāi)害動態(tài)分析，通過網(wǎng)絡(luò)搭建專業(yè)化、動態(tài)化、多元化、精細(xì)化的霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)預(yù)警平臺，提高防災(zāi)減災(zāi)能力。

在能源利用節(jié)能方面，評估氣候資源，科學(xué)區(qū)劃布局霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)，充分利用遼西北地區(qū)的氣候資源；開展設(shè)施環(huán)境下種植、養(yǎng)殖與氣象環(huán)境因子的相互作用機制和對極值氣象要素的耐受性研究，為霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)溫光水等環(huán)境控制節(jié)能模式提供依據(jù)，為實現(xiàn)霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

在適應(yīng)氣候變化方面，研究極端氣候事件對設(shè)施農(nóng)業(yè)影響最大程度和應(yīng)對極端氣候事件的對策，建立評估、監(jiān)測、預(yù)警霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害業(yè)務(wù)一體化服務(wù)系統(tǒng)，預(yù)防極端氣象事件，減少設(shè)施農(nóng)業(yè)的損失。隨著霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展不斷更新、提高農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)質(zhì)量，確保霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。