新疆香梨花期霜凍災害風險評估模型構建及適用性

吉春容，火勛國，谷 然，張山清*，李迎春，張祖蓮

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆興農網信息中心/新疆農業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

全球氣候變化加劇了農業(yè)氣象災害的發(fā)生，新疆林果種植業(yè)長期以來一直受到低溫霜凍、高溫、大風沙塵、冰雹等多類型氣象災害的影響[1]。據不完全統(tǒng)計，低溫凍害（霜凍）造成林果業(yè)受災面積占比為17.2%，對林果生產的影響越來越大，人們也更加關注氣候效應給林果生產帶來的災害風險[2]。

霜凍是指在作物生長季，植株表面溫度降至0 ℃以下使植株體內水分形成冰晶，造成作物受害的低溫凍害[3]；果樹遭受霜凍后常常會造成花芽、枝條、葉片和新長出的幼嫩器官褐變、樹勢變弱，進而影響開花座果，造成減產。研究表明[4-6]，低溫強度和低溫持續(xù)時間是決定霜凍災害是否發(fā)生、發(fā)生強度的關鍵性因子。關于橄欖樹[7]、龍眼[8]、香蕉[9]、蘋果[10]、荔枝[11]等果樹的研究表明，可根據歷史災情、實地觀測和氣象因子等資料，從最低氣溫提出果樹枝條、葉片受凍等級指標。有學者采用最低溫度、負積溫、最冷月平均溫度[12]，或者采用極端最低氣溫、最大降溫幅度、低溫持續(xù)日數、有害積寒值等建立凍害綜合指標[13]，或者采用氣溫、降水及其持續(xù)時間構建柑橘凍害[14]、蘋果霜凍[15]、枇杷[16]幼果凍害等級指標。也有通過人工氣候箱模擬試驗確定蘋果花期的霜凍指標為極端最低氣溫、0 ℃以下低溫持續(xù)時間，以受凍率和受凍表現描述蘋果花受凍后的生理形態(tài)[15]。還有學者通過枸杞花期霜凍模擬試驗，統(tǒng)計不同溫度及其不同持續(xù)時間下枸杞花期的受凍率，引入危害積溫的概念，建立的指標更符合客觀實際[17]。

果樹往往因某次強低溫天氣過程而遭受嚴重損失，有不少研究成果已經建立了不同果樹[18-19]低溫災害預報預警模式，利用探空站最低氣溫，并結合前期云量、風速、濕度值估算降溫幅度，對最低氣溫進行短時預報，然后結合不同果樹抗低溫災害指標進行果樹凍害或霜凍災害預報預警。還有很多學者進行了不同果樹[19]引種凍害風險分析與區(qū)劃，開展了基于GIS 的避凍[20]區(qū)劃以及風險區(qū)劃評估（蘋果、香蕉、荔枝、蜜桔、枇杷、臍橙）[21-23]，應用遙感數據進行了果樹[24]凍害監(jiān)測，并集成到區(qū)域農業(yè)氣象服務系統(tǒng)[25-27]開展果樹凍害監(jiān)測預警服務。

圍繞霜凍天氣過程特征、變化規(guī)律以及致災機理、災害防御[28]等方面開展研究獲得的眾多成果，為開展不同果樹霜凍災害監(jiān)測預警及風險評估提供了科學依據。新疆是全國果品的主要產區(qū)，庫爾勒香梨更是馳名中外，也是當地林果生產的支柱產業(yè)和農民增收的主要渠道[29]。明確香梨低溫災害受災指標，開展風險預警并提前防范，是防災減災減損的有效途徑。本文基于已有研究成果和全國氣象災害風險普查技術規(guī)范，選擇最低氣溫、低溫持續(xù)時間、降溫幅度等致災因子構建了香梨霜凍災害風險評估模型，基于格點預報產品進行了香梨霜凍災害風險預警，并開展受災果園災害現場觀測，結合氣象實況對致災指標和風險評估模型進行了適用性驗證，以期為制作、發(fā)布精準化香梨霜凍災害風險預警，采取有效防凍措施提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1981—2020 年的新疆霜凍災情信息，包括農作物受災面積、農作物類型和受災區(qū)域，來源于《中國氣象災害大典（新疆卷）》[30]、新疆統(tǒng)計年鑒[31]、災情直報系統(tǒng)。1981—2020 年氣象資料，包括全疆105個國家氣象觀測站的日平均氣溫、日最低氣溫，氣象資料和格點預報數據均來自新疆氣象信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 霜凍災害過程指標統(tǒng)計

根據1981—2020 年的新疆霜凍災情資料，參考應急管理部2021 年印發(fā)的第一次全國自然災害綜合風險普查技術規(guī)范FXPC/YJ P-11《自然災害農作物綜合風險評估技術規(guī)范》、《全國氣象災害綜合風險普查技術規(guī)范》，統(tǒng)計分析1981—2020 年霜凍災害發(fā)生過程的日最低氣溫、降溫幅度、低溫持續(xù)時間，作為霜凍災害致災因子。

1.2.2 霜凍災害危險性指數計算

利用加權法構建霜凍災害致災危險性指數，計算公式為：

式中：Hfrost為霜凍危險性指數，Dfros為霜凍災害過程低溫持續(xù)時間（d），MaxΔT 為霜凍災害過程降溫幅度（℃）、Tmin為霜凍災害過程日最低氣溫（℃），分別對3 個致災因子指數進行歸一化；A、B、C 為權重系數，參考《全國氣象災害綜合風險普查技術規(guī)范》采用信息熵賦值法確定，分別為0.15、0.21、0.64。

1.2.3 承災體暴露度指數計算

參照QX/T 527-2019，以區(qū)域范圍內承災體種植面積與總面積之比作為承災體暴露度指標，暴露度指數計算公式為：

式中：IVS為承災體暴露度指數，SE為區(qū)域內承災體種植面積（hm2），S 為區(qū)域承災體總種植面積（hm2）。本文承災體區(qū)域為新疆、庫爾勒市。

1.2.4 承災體脆弱性指數計算

以區(qū)域范圍內農作物受災面積與農作物總種植面積之比作為脆弱性指標，脆弱性指數計算公式為：

式中：Vi為承災體脆弱性指數，SV為受災面積（hm2），S 為農作物種植總面積（hm2）。

1.2.5 霜凍災害風險評估模型構建

綜合霜凍災害危險性指數、承災體暴露度指數和脆弱性指數，建立風險評估模型，計算公式為：

式中：R 為承災體霜凍災害風險指數，H 為危險性指數，E 為承災體暴露度指數，V 為脆弱性指數。

根據應急管理部2021 年印發(fā)的第一次全國自然災害綜合風險普查技術規(guī)范FXPC/YJ P-11《自然災害農作物綜合風險評估技術規(guī)范》，暫不考慮承災體脆弱性差異，即Vi取1，式（4）簡化為

運用ArcGIS 對致災因子危險性、承災體暴露度指標進行柵格化處理，分辨率為500 m×500 m。采用風險評估模型計算霜凍災害風險指數，通過自然斷點法劃分5 個風險等級，繪制霜凍風險分布圖。

2 結果與分析

2.1 霜凍災害風險分布特征

2.1.1 致災因子危險性分布特征

由致災因子危險性分布（圖1）可知，春季霜凍災害危險性等級的空間分布總體呈現北部高、南部低，山區(qū)高、平原地帶低的特點。北疆西部、天山北坡的西部和中部農區(qū)，南疆西部山區(qū)和昆侖山北坡的山前農區(qū)，為霜凍災害危險性高等級區(qū)。北疆北部、天山北坡東部農區(qū)，為霜凍災害危險性較高等級區(qū)。東疆大部、沙漠和山區(qū)除外的南疆其余大部農區(qū)，為霜凍災害危險性較低等級區(qū)。

圖1 霜凍致災因子危險性等級分布

2.1.2 香梨暴露度分布特征

承災體的易損性是指暴露在致險要素影響范圍內的承災體數量或面積，香梨種植的易損性通過暴露度指數來評價，暴露度等級越高，遭受霜凍后的損失越高。從圖2 可知，香梨暴露度等級分布，庫爾勒市及其周圍種植區(qū)、阿克蘇市及其南部部分種植區(qū)為高、較高等級區(qū)域，易損性大；巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)其余大部，和田、喀什地區(qū)北部的香梨種植區(qū)為暴露度中等級區(qū)域；全疆其他各地為香梨種植低或較低暴露度等級區(qū)。

圖2 香梨暴露度等級分布

2.1.3 霜凍風險分布特征

綜合考慮致災因子、孕災環(huán)境和承災體，得到香梨春季霜凍風險等級分布圖（圖3），高風險區(qū)（占3.2%）和較高風險區(qū)（占14.3%），主要分布在北疆西部、天山北坡中部以及南疆巴州北部、阿克蘇市及其南部部分區(qū)域，遭受霜凍的風險和損失較高；中風險區(qū)（占21.2%）主要分布在北疆東北部、南疆巴州的東南部、阿克蘇地區(qū)大部以及和田地區(qū)和喀什地區(qū)的北部區(qū)域；北疆北部、東疆大部、南疆西部的平原區(qū)大部為較低、低等級風險區(qū)。

2.2 霜凍災害風險評估模型服務應用分析

根據構建的霜凍災害風險評估模型，結合2023年3 月30 日格點預報服務產品，基于香梨種植氣候適宜性區(qū)劃研究結果[32]，繪制了不同時間（未來1～7 d）、不同程度（高、較高、中、較低、低等級）香梨果樹霜凍風險影響預估區(qū)域。由于區(qū)劃結論與香梨實際種植區(qū)域并未完全重合，因此僅對香梨主產區(qū)的霜凍災害風險等級進行了應用分析。如圖4 中新疆東部的部分區(qū)域根據氣候區(qū)劃指標屬于香梨適宜種植區(qū)域，但實際生產中該區(qū)域并不屬于香梨主產區(qū)，但在此次天氣過程中達到了香梨凍害指標的高風險區(qū)。

圖4 4 月2—5 日香梨霜凍災害風險等級預警

由圖4 可知，4 月2 日伊犁州西部、輪臺縣南部、若羌縣大部梨產區(qū)存在較高風險；4 月3 日霍城縣和伊寧市大部、庫車縣南部、若羌縣大部、且末縣中部以及輪臺縣產區(qū)存在較高風險；4 月4—5 日巴州和阿克蘇地區(qū)大部產區(qū)均存在較高風險，其中庫爾勒市東部、尉犁縣大部、輪臺縣南部、庫車縣南部等主產區(qū)均處于霜凍災害較高風險、中風險分區(qū)。

3 霜凍災害風險評估模型適用性分析

采用氣象實況和香梨果園現場災害觀測相結合，對香梨霜凍災害風險評估模型和影響預估區(qū)域進行了驗證和適用性分析。根據已有研究成果，4 月初庫爾勒香梨處于展葉期和開花前期，受凍臨界溫度花蕾期為-2.2 ℃、開花期為-1.7 ℃。2023 年春季，受3 月30 日—4 月3 日寒潮天氣過程影響，庫爾勒市香梨種植區(qū)最低氣溫降至0 ℃以下，低溫時段主要集中4 月4—6 日。從圖5 可以看出，日最低氣溫從東向西呈逐漸上升趨勢，香梨種植區(qū)的最低氣溫為-7.4～0.4 ℃。其中經濟牧場香梨園氣溫最低，為-7.4 ℃，阿瓦提鄉(xiāng)、英下鄉(xiāng)、上戶鎮(zhèn)、沙依東園藝場、包頭湖農場、托布里其鄉(xiāng)、哈拉玉宮鄉(xiāng)最低氣溫為-5.6～-4.4 ℃，阿瓦提農場、29 團、普惠農場、蘭干鄉(xiāng)、30 團、和什力克鄉(xiāng)、哈拉蘇原種場為-4.0～-2.1℃，庫爾勒市區(qū)、哈拉蘇鄉(xiāng)、庫爾楚園藝場為-1.7～-1.3 ℃。香梨霜凍災害風險影響的預估區(qū)域，為經濟牧場、阿瓦提鄉(xiāng)、沙依東園藝場、包頭湖農場、托布里其鄉(xiāng)、阿瓦提農場、庫爾楚園藝場等，從氣象實況看與4 月4、5 日巴州和阿克蘇地區(qū)大部產區(qū)均存在較高風險的預估區(qū)域（圖4）比較一致。

圖5 庫爾勒市香梨種植區(qū)4 月4—6 日最低氣溫分布

從香梨果園災害現場觀測結果表明，3 月30日—4 月3 日出現雨雪、降溫天氣，大面積香梨果樹受凍，受其影響，部分果樹花期推遲，已開花的果樹也因霜凍花苞受凍、雌蕊雄蕊變黑，影響幼果形成。根據香梨果園受凍百分率進行霜凍災害發(fā)生等級劃分（圖6）可以看出，阿瓦提鄉(xiāng)、經濟牧場、沙依東園藝場、包頭湖農場為香梨受凍程度重度等級區(qū)，英下鄉(xiāng)、托布里其鄉(xiāng)、上戶鎮(zhèn)為為受凍較重等級區(qū)，29團、哈拉玉宮鄉(xiāng)、阿瓦提農場、普惠農場為受凍中度等級區(qū)，30 團、蘭干鄉(xiāng)、庫爾楚園藝場、和什力克鄉(xiāng)為受凍較輕等級區(qū)，庫爾勒市區(qū)、哈拉蘇鄉(xiāng)、哈拉蘇原種場為受凍輕度等級區(qū)。

圖6 庫爾勒市香梨種植區(qū)霜凍災害發(fā)生等級分布

綜合分析調查區(qū)域的香梨災害發(fā)生情況，霜凍災害實際發(fā)生區(qū)域、災害程度與香梨樹霜凍風險影響預估區(qū)域、預估等級一致率分別達到94.7%、89.4%，采用的香梨霜凍災害風險評估模型具有客觀性和合理性。

4 結論

（1）新疆春季霜凍危險性空間分布，總體呈北部高、南部低的特點，北疆西部、天山北坡西部和中部區(qū)域的農區(qū)，遭受霜凍天氣影響的次數較多，屬于霜凍致災危險性高等級區(qū)域。

（2）承災體香梨暴露度等級較高的區(qū)域，主要分布在庫爾勒市及其周圍種植區(qū)、阿克蘇市及其南部部分種植區(qū)，遭受霜凍后的損失較高。

（3）香梨遭受春季霜凍的風險分布，高、較高等級主要分布在北疆西部、天山北坡的西部和中部以及南疆巴州北部、阿克蘇市及其南部部分區(qū)域，遭受霜凍的風險和損失較高。

（4）選擇過程最低氣溫、降溫幅度、低溫持續(xù)時間作為致災因子計算霜凍災害危險性指數，基于種植面積計算承災體暴露度指數，綜合構建的霜凍災害風險評估模型，結合格點預報對香梨霜凍災害風險預估區(qū)域和影響等級比較吻合，該風險評估方法具有客觀性和合理性。

（5）結合氣象實況和果園災害現場觀測可以看出，在霜凍災害風險不同影響程度如重度、輕度等級分別存在5.2%、2.6%的差異，需要進一步深入研究風險評估的數據和方法，并結合果園種植區(qū)域環(huán)境條件細化霜凍指標、風險等級。另外，本研究還缺少與實際生產完全一致的香梨種植區(qū)域，需要進一步開展評估模型在香梨種植區(qū)域的檢驗和應用完善。同時，本結論僅是基于2023 年3 月30 日—4 月6日寒潮降溫天氣對庫爾勒市香梨的影響進行調研而初步得到，對全疆不同區(qū)域、不同生長發(fā)育階段出現的寒潮降溫天氣對香梨的影響，有待繼續(xù)深入研究。