石河子地區(qū)葡萄越冬氣候及終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

季 芬，王 進(jìn)，杜 峰，侯慧杰，劉 勇，楊明鳳*

（1.中國(guó)氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆烏蘭烏蘇生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學(xué)觀測(cè)研究站/烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆 石河子 832021；3.新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局 塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，新疆 巴音郭楞 841000；4.石河子市氣象站，新疆 石河子 832000；5.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

葡萄是經(jīng)濟(jì)果樹(shù)之一，其生產(chǎn)已成為新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)［1］。近年來(lái)，氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定性加劇，極端天氣事件頻發(fā)，終霜凍已成為影響新疆石河子地區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要?dú)庀鬄?zāi)害［2-3］。霜凍是自然天氣現(xiàn)象，是植物生長(zhǎng)的界限指標(biāo)，春季最后一場(chǎng)霜凍稱之為終霜凍，當(dāng)春季霜凍結(jié)束過(guò)晚時(shí)，就成為極端天氣事件而成災(zāi)，直接影響到葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至使葡萄新芽以及新梢受凍致死［4-5］，終霜凍越晚受災(zāi)越嚴(yán)重。因此，開(kāi)展終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度研究，對(duì)規(guī)避、預(yù)防霜凍風(fēng)險(xiǎn)，提高葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

隨著全球變暖，未來(lái)極端天氣事件的頻率和強(qiáng)度逐漸加?。?-7］。霜凍是與農(nóng)業(yè)相關(guān)的最嚴(yán)重的極端事件之一，致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)正在增加［8］。Papagiannaki等［9］研究了北美和歐洲與氣候相關(guān)的災(zāi)害，認(rèn)為終霜凍對(duì)作物和果樹(shù)開(kāi)花的損害所造成的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失相對(duì)較大。2021年4月終霜凍席卷歐洲［6］，其中法國(guó)遭遇40 a來(lái)最嚴(yán)重的終霜凍，造成杏的產(chǎn)量比前1 a下降了43.0%，葡萄酒產(chǎn)業(yè)損失過(guò)半，農(nóng)作物產(chǎn)量大幅減產(chǎn)。2021年日本山形縣櫻桃產(chǎn)區(qū)受嚴(yán)重霜凍影響，新鮮櫻桃減產(chǎn)1.3萬(wàn)t［10］。春季農(nóng)作物苗期、果樹(shù)解除休眠后進(jìn)入開(kāi)花期，晚秋作物灌漿乳熟期抗寒能力弱，若遇到寒潮或霜凍天氣，容易受到低溫傷害，影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育［11-12］。寧夏2020年4月下旬，遭遇了60 a來(lái)大范圍的霜凍影響，梨、蘋果等水果普遍受到中度至重度的霜凍害，葡萄葉片受凍致死率達(dá)100%，總受災(zāi)面積達(dá)5.1萬(wàn)hm2，經(jīng)濟(jì)損失約4.3億元［13］。值得關(guān)注的是，隨著氣溫的升高霜凍日數(shù)減少，無(wú)霜期延長(zhǎng)，但霜凍害災(zāi)情并未因此而減輕［14-15］。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要包括2個(gè)方面：一是氣候變暖背景下氣候異常概率加大；二是調(diào)整農(nóng)業(yè)措施應(yīng)對(duì)氣候變暖的策略不科學(xué)、不正確，以及針對(duì)霜凍變化和致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足。

霜凍是區(qū)域性很強(qiáng)的氣象災(zāi)害，因此，本研究以新疆石河子地區(qū)葡萄為研究對(duì)象，從氣象角度分析1964—2022年葡萄越冬期氣溫、地溫變化情況，以及終霜凍變化特征，并對(duì)寒冷期氣溫、終霜凍對(duì)葡萄致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，充分掌握冬季氣溫、終霜凍變化規(guī)律，旨在為提高石河子葡萄產(chǎn)業(yè)防災(zāi)能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 資料來(lái)源

資料來(lái)源于石河子地區(qū)的烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站和炮臺(tái)、莫索灣氣象站，包括1964—2022年全年逐日最低氣溫、2013—2022年葡萄生長(zhǎng)發(fā)育期資料。

根據(jù)2013—2022年葡萄物候期觀測(cè)資料（表1）可知，石河子地區(qū)4月中下旬葡萄開(kāi)墩上架，每年萌芽期在4月10—20日間變化，花序出現(xiàn)之前為葡萄新梢生長(zhǎng)期。資料顯示，葡萄在4月底—5月初完成芽開(kāi)放、展葉和新梢生長(zhǎng)，其可采成熟期在8月下旬—9月上旬。

1.2 春季霜凍（終霜凍）等級(jí)及強(qiáng)度劃分方法

霜凍致災(zāi)強(qiáng)度包括2個(gè)因素：一是最低氣溫的程度，二是霜凍出現(xiàn)的時(shí)間。春季霜凍結(jié)束越晚氣溫越低，致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及其強(qiáng)度越大。

1.2.1 春季霜凍氣溫的等級(jí)劃分 按照溫度越低受災(zāi)越嚴(yán)重的原則，將當(dāng)日最低氣溫≤2.0 ℃以及降到0 ℃以下劃分為6個(gè)致災(zāi)等級(jí)：最低氣溫2.0℃≥Tmin＞0 ℃為1級(jí)；0 ℃≥Ti＞/0.5 ℃為2級(jí)；-0.5 ℃≥Ti＞-1.0 ℃為3級(jí)；-1.0 ℃≥Ti＞ -1.5℃為4級(jí)；-1.5 ℃≥Ti＞-2.0 ℃為5級(jí)，Ti≤-2.0℃為6級(jí)。

計(jì)算最低氣溫致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

式（1）中，ATi為日最低溫度強(qiáng)度等級(jí)；Tmax為日最低溫度致災(zāi)等級(jí)最大值（致災(zāi)等級(jí)最高為6）；Ti為最低溫度致災(zāi)等級(jí)。

1.2.2 終霜凍出現(xiàn)時(shí)間的等級(jí)劃分 根據(jù)葡萄萌芽及新梢生長(zhǎng)期間，4月中旬—5月中下旬按終霜凍出現(xiàn)時(shí)間劃分為6個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：春季4月11—20日為1級(jí)；4月21—25日為2級(jí)；4月26—28日為3級(jí)；4月29—5月1日為4級(jí)；5月2—4日為5級(jí)；5月6日之后為6級(jí)。由此確定不同日期出現(xiàn)的霜凍致災(zāi)強(qiáng)度，計(jì)算日期霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

式（2）中，AHji為終霜凍日期致災(zāi)強(qiáng)度等級(jí)；Hmax為終霜凍日致災(zāi)等級(jí)最大值（致災(zāi)等級(jí)最高為6）；Hi為終霜凍致災(zāi)等級(jí)。

1.2.3 霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度 霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度（STc）為最低氣溫與最低氣溫所發(fā)生時(shí)間的集合，即霜凍致災(zāi)強(qiáng)度（STc）是最低氣溫強(qiáng)度（ATi）與最低氣溫所出現(xiàn)時(shí)間（AHc）的函數(shù)，計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 石河子地區(qū)葡萄越冬期氣候特點(diǎn)

2.1.1 葡萄越冬期間氣溫變化特征 由表2可知，1964—2022年石河子地區(qū)冬季（12月—翌年2月，下同）平均氣溫介于-15.5~-10.1 ℃之間，以莫索灣最低。冬季平均氣溫氣候傾向率為0.314 ℃/10 a，氣溫升高趨勢(shì)顯著（P＜0.05，r= 0.290）。1月是冬季最冷時(shí)間段，平均氣溫為-18.2~-15.9 ℃。1月平均氣溫氣候傾向率為0.051 ℃/10 a，變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。

表2 1964—2022年石河子地區(qū)冬季（12月—翌年2月）及1月氣溫特征值 ℃

1964—2022年冬季石河子地區(qū)的炮臺(tái)極端最低氣溫為-41.4 ℃、莫索灣為-42.8 ℃、烏蘭烏蘇為-36.0 ℃。冬季平均最低氣溫介于-20.5~-18.0 ℃之間。石河子地區(qū)冬季平均最低氣溫氣候傾向率為0.70 ℃/10 a，升高趨勢(shì)顯著（P＜ 0.01，r= 0.403）。1月平均最低氣溫介于-23.3~-21.0 ℃之間，氣候傾向率為0.06 ℃/10 a，歷年1月平均最低氣溫略有升高的趨勢(shì)（P＞0.05，r= 0.030）。

2.1.2 葡萄越冬期地溫變化特征 楊豫等［17-18］研究認(rèn)為，葡萄安全越冬溫度為≥-6.0 ℃。石河子地區(qū)冬季地溫滯后于氣溫，最低溫度出現(xiàn)在1月下旬—2月上旬［19］。冬季土層厚度為20 cm的平均地溫介于-9.4~-2.4 ℃之間。12月土層厚度為20 cm的地溫日均＞-6.0 ℃。1月土層厚度為20 cm的平均地溫介于-9.4~-3.4 ℃，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現(xiàn)概率為40%、炮臺(tái)的概率為49%、莫索灣的概率為55%。2月土層厚度為20 cm的平均地溫介于-8.1~-3.1 ℃，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現(xiàn)概率為20%、炮臺(tái)的概率為30%、莫索灣的概率為35%。

冬季土層厚度為40 cm的平均地溫介于 -7.5~0.8℃之間。12月土層厚度為40 cm的地溫＞-6.0 ℃。1月土層厚度為40 cm的平均地溫介于-7.5~-2.3℃，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現(xiàn)概率為23%，炮臺(tái)的概率為28%，莫索灣的概率為30%。2月土層厚度為40 cm的平均地溫介于-7.5~-1.8 ℃之間，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現(xiàn)概率為10%、炮臺(tái)的概率為21%、莫索灣的概率為25%。

2.1.3 葡萄越冬期間積雪特征 有穩(wěn)定的積雪覆蓋對(duì)葡萄越冬十分有利，石河子地區(qū)積雪初日最早出現(xiàn)在11月上旬，最晚出現(xiàn)在12月上旬，平均出現(xiàn)在11月中旬。年最大積雪深度平均為32 cm，介于13~60 cm之間。冬季平均積雪深度為16 cm，其中12月平均積雪深度為10 cm，1月平均積雪深度為17 cm，2月平均積雪深度為20 cm。冬季積雪等同于葡萄越冬覆蓋物，是葡萄安全越冬的氣象保障。

2.2 石河子地區(qū)葡萄越冬寒冷期（1—2月）平均最低氣溫變化及對(duì)葡萄萌芽期的影響

2.2.1 寒冷期（1—2月）平均最低氣溫變化趨勢(shì) 石河子地區(qū)葡萄休眠期在10月下旬—翌年4月上旬，歷時(shí)170 d左右，1—2月是葡萄越冬關(guān)鍵期。石河子地區(qū)寒冷期（1—2月，下同）平均最低氣溫歷年變化情況如圖1所示。烏蘭烏蘇1964—2022年寒冷期平均最低氣溫介于-24.8~-15.1 ℃之間，平均為-18.9℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.43 ℃，異常偏冷（≤-21.3℃）發(fā)生在2005年之前的年份有11 a，概率為18.6%。圖1a顯示，1964—2022年1—2月烏蘭烏蘇平均最低氣溫呈顯著升高趨勢(shì)（P＜0.05，r= 0.279），升高傾向率為0.396 ℃/10 a。炮臺(tái)1964—2022年寒冷期平均最低氣溫介于-28.8~-15.5 ℃之間，平均為-20.5℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.91 ℃，異常偏冷（≤-23.4 ℃）發(fā)生在2005年之前的年份有11 a，概率為18.6%。圖1b顯示，1964—2022年1—2月炮臺(tái)平均最低氣溫呈顯著升高趨勢(shì)（P＜0.01，r=0.432），升高傾向率為0.732 ℃/10 a。莫索灣1964—2022年寒冷期平均最低氣溫介于-29.9~-15.6 ℃之間，平均為-21.6℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.09 ℃，異常偏冷（≤-23.4 ℃）發(fā)生在2005年之前的年份有9 a，概率為15.3%。圖1c顯示，1964—2022年1—2月莫索灣平均最低氣溫呈顯著升高趨勢(shì)（P＜0.01，r= 0.375），升高速率為0.676 ℃/10 a。

圖1 石河子地區(qū)葡萄寒冷期（1—2月）平均最低氣溫變化趨勢(shì)

2.2.2 葡萄越冬寒冷期（1—2月）平均最低氣溫對(duì)葡萄萌芽期的影響 圖2所示，石河子地區(qū)1—2月平均最低氣溫對(duì)葡萄萌芽時(shí)間影響明顯，并具有極顯著的相關(guān)性（P＜0.01，r= 0.954），當(dāng)平均最低氣溫≥-17.0 ℃時(shí)，葡萄萌芽期在4月15日之前；當(dāng)-17.0 ℃＞平均最低氣溫≥-19.0 ℃時(shí)，葡萄萌芽期介于4月15—18日之間；當(dāng)-19.0 ℃＞平均最低氣溫≥-22.0 ℃時(shí)，葡萄萌芽期介于4月19—23日之間；當(dāng)平均最低氣溫＜-22.0 ℃時(shí)，葡萄萌芽期在4月24日之后。

圖2 石河子地區(qū)葡萄萌芽期與1—2月平均最低氣溫的關(guān)系

2.3 終霜凍日期變化趨勢(shì)

石河子地區(qū)1964—2022年終霜凍日累年平均日期為4月21日，最晚結(jié)束日期為5月21日（1998年），最早結(jié)束日期為3月23日（2009年），80%保證率出現(xiàn)在5月3日。圖3顯示，1964—2022年終霜凍日變化極不穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差為14 d，終霜日介于4月9日—5月6日之間屬于正常，4月9日之前屬于偏早，偏早的概率為13.6%；5月6日之后屬于偏晚，偏晚的概率為18.6%。從歷年終霜凍日期變化趨勢(shì)來(lái)看，有提前結(jié)束的傾向性，氣候傾向率為-1.438 d/10 a，序列相關(guān)系數(shù)為-0.177，變化趨勢(shì)不顯著。

圖3 石河子地區(qū)終霜凍日期年際變化趨勢(shì)

由圖4可知，終霜凍日期分布在3月下旬—5月下旬之間的58 d之內(nèi)。其中4月中下旬概率最高，為54.2%，5月概率為25.4%。春季霜凍出現(xiàn)日期越晚對(duì)葡萄萌芽和新梢生長(zhǎng)危害越嚴(yán)重。根據(jù)葡萄萌芽期分析可知，4月中旬之后出現(xiàn)的終霜凍對(duì)葡萄萌芽以及新梢生長(zhǎng)均可構(gòu)成不同程度的低溫傷害。2019年5月18日的輕霜凍（最低氣溫0.8℃）使葡萄開(kāi)花受凍，嚴(yán)重影響了葡萄的開(kāi)花授粉。2021年4月25日的嚴(yán)重霜凍（日最低氣溫-1.5℃）凍死了葡萄幼枝（新梢），造成當(dāng)年葡萄大幅度減產(chǎn)或絕收。

圖4 春季各旬終霜凍日出現(xiàn)概率

2.4 終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度分析

通過(guò)終霜凍出現(xiàn)日期與日最低氣溫的疊加運(yùn)算，石河子地區(qū)春季霜凍對(duì)葡萄致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度平均為47.5%。1964—2022年，無(wú)霜凍危害（ST=0）的年份有12 a，概率為20.3%；有霜凍危害（ST＞0)的年份有 49 a，概率為79.7%，其中：輕度災(zāi)害(0%＜ST≤35%）16 a，概率為27.1%；中度災(zāi)害(35%＜ST≤70%）14 a，概率為23.7%；重度致災(zāi)(70%＜ST≤100%）17 a，概率為28.8%。由圖5可知，終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度傾向率為-1.96%/10 a，1964—2022年線性下降了11.6個(gè)百分點(diǎn)，下降速率并不顯著。1964—2000年終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度平均為55.0%，2001—2022年終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度平均為34.8%，進(jìn)入21世紀(jì)因終霜凍日結(jié)束日期提早，與1964—2000年終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度相比平均下降了約20個(gè)百分點(diǎn)。

圖5 歷年春季終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度

3 結(jié)論

（1）石河子地區(qū)冬季氣溫較低，1—2月土層厚度為40 cm的地溫＜-6.0 ℃的概率介于23%~30%之間，雖然有平均16 cm的積雪層，葡萄仍要有40 cm以上的覆蓋層，才能安全越冬。1—2月平均最低氣溫對(duì)葡萄萌芽期影響顯著，隨著氣溫的升高萌芽期提前。

（2）石河子地區(qū)終霜凍日分布在5月21日之前，終霜凍日期存在提前結(jié)束的傾向性。2001—2022年終霜凍平均日期為4月16日，雖然比總平均值提前了5 d，但仍然存在終霜凍的風(fēng)險(xiǎn)。如2018年5月8日和2019年5月18日的春季輕霜凍對(duì)葡萄新梢生長(zhǎng)構(gòu)成了危害。

（3）春季霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，1964—2022年線性下降了11.6個(gè)百分點(diǎn)。春季霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度平均為47.5%，重度致災(zāi)（70%＜ST≤100%）風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率為28.8%，約3年1次。

（4）石河子地區(qū)葡萄越冬關(guān)鍵期在1—2月，平均最低氣溫是關(guān)鍵氣候因子，增加覆蓋物保溫是關(guān)鍵?；跉v史觀測(cè)數(shù)據(jù)（1964—2022年）分析，石河子地區(qū)葡萄開(kāi)墩上架一般在4月中旬，接著是萌芽及新梢生長(zhǎng)，此時(shí)的霜凍風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)79.7%。

4 討論

本研究針對(duì)石河子地區(qū)1964—2022年葡萄越冬期的氣候資源及萌芽和新梢生長(zhǎng)期終霜凍的演變特征進(jìn)行分析，從氣溫、地溫和積雪深度等角度明確了石河子地區(qū)葡萄越冬期的敏感因子，采用量化方法評(píng)價(jià)了春季終霜凍對(duì)葡萄生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)度，為下一步合理高效利用該地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源葡萄安全越冬、提高春季防霜凍奠定了理論基礎(chǔ)［20-21］。

終霜凍日期提前這一研究結(jié)果，與當(dāng)前其他區(qū)域尺度的研究［22-24］所得結(jié)論基本一致，表明氣候變暖對(duì)霜凍的影響具有普遍性。由于春季氣溫的升高，春季終霜凍日結(jié)束的提前，使終霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度減小，但由于氣候變化的作用，極端天氣（2018年5月8日和2019年5月18日的輕霜凍）仍然存在，在葡萄生產(chǎn)中，應(yīng)適時(shí)調(diào)整開(kāi)墩上架時(shí)間，重視對(duì)終霜凍的預(yù)防和應(yīng)對(duì)。

本研究在參考前人［25］研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用終霜凍發(fā)生時(shí)間與日低溫強(qiáng)度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法轉(zhuǎn)化為霜凍致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度，使霜凍災(zāi)害強(qiáng)度量值化，便于農(nóng)業(yè)防霜應(yīng)用尺度。分析結(jié)果可能存在一定程度上的主觀性，但霜凍等級(jí)對(duì)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警具有指導(dǎo)意義。