兴安盟大豆秋季霜冻发生的演变特征及气候危险性风险指数构建探究

王晨阳

（阿尔山市气象局，内蒙古 兴安盟 137400）

大豆是当今世界的主要粮油兼用作物，兴安盟是我国生产大豆的主要区域，现有品种资源十分丰富。兴安盟所在地区纬度较高，复杂的气候和地形，导致该地区气象灾害频发，其中，最具代表性的即为秋季霜冻。近几年，围绕霜冻风险开展的研究数量不断增加，结果表明，决定霜冻风险的要素为霜冻风险性，要想实现丰产，关键是掌握每年出现霜冻的规律。

1 秋季霜冻评定指标

现阶段，关于大豆霜冻风险的研究较少，关于时间分布情况的研究有待深入，在科技持续发展的当下，人们所能掌握时空资料的精细程度较之前更高，这也为有关人员对霜冻出现时间进行全面研究提供了便利。

在前期准备阶段，要对霜冻评定指标加以确定。研究表明，大豆发育期和日温度最低值对是否出现霜冻灾害有决定作用。基于此，笔者选择以气象观测站提供大豆生育期相关资料为参考，在对成熟日期平均值加以统计的基础上，利用耿贝尔法对成熟日期进行检验，将检验所得日期视为霜冻界限，如果日气温最低值在界限前出现，代表该地区有霜冻灾害存在[1]。对于尚未设立观测站的区域，其界限由临近区域界限进行替代。

在聚类分析理论指导下，参考各区域气象特点，对兴安盟气候生态区数量及范围加以确定，保证各生态区均有相应资料和试验数据相对应。随后，笔者以我国气象行业现行标准为依据，结合兴安盟所种植大豆的结构、气候情况和霜冻温度指标，将秋季霜冻分为以下三级：第一级，日气温最低值≤0.5 ℃的轻霜冻；第二级，日气温最低值≤0 ℃的中霜冻；第三级，日气温最低值≤-1 ℃的重霜冻。随后，通过对出现初霜冻的时间和界限进行比对的方式，判断该区域是否有秋季霜冻存在。

2 霜冻气候风险指标

2.1 变异性

即便是同一地区，每年出现秋季灾害的日期均不确定，且存在较大的年际差异，年际差异往往会给霜冻风险大小带来直接影响，基于此，笔者决定将日期变异性视为对致灾因子风险性加以反映的又一指标，其计算公式如下：

其中：Dv代表变异系数，σ代表日序标准差，代表数学期望。

2.2 强度频率

先将兴安盟出现秋季霜冻的年份数量划分成不同等级，再对各等级出现霜冻的频率进行计算，其公式为：

其中：Dj代表各等级霜冻出现的频率；Di代表霜冻出现次数，1为轻霜冻，2为中霜冻，3为重霜冻。

与此同时，对出现霜冻时间最低气温平均值进行计算，结合出现频率确定强度频率。在确定强度频率时，通常使用以下公式：

其中：Ih代表强度频率，n代表年数，Gj代表最低气温平均值。

2.3 风险指数

致灾风险是决定风险能否出现并存在的核心条件，通常与出现频率、风险强度和不稳定性存在密切联系。上文提到的变异性及强度频率，先后以日变异性、出现频率为切入点，对霜冻风险进行了反映。随后，有关人员以兴安盟大豆种植情况为依据，借助经验赋值法，对上述指标权重进行了确定，变异性权重为0.25，强度频率权重为0.75，通过加权求和的方式，可获得兴安盟气候风险指数，具体如下：

3 秋季霜冻年际变化

兴安盟地区可能出现秋季霜冻的范围存在较大波动，整体趋势为持平略减。存在范围较大的霜冻等级为轻霜冻，占比为25%～40%，近半数观测站的气温最低值均符合轻霜冻标准。中霜冻占比平均值为20%，重霜冻占比平均值为15%。由此可见，霜冻出现站次占比的年际变化如下：轻霜冻＞中霜冻＞重霜冻，其中，重霜冻站次占比的最小值均为4%。

除此之外，在过去的数十年间，各等级霜冻出现的时间均有所提前。下文将逐一介绍，供相关人员参考：首先，轻霜冻对应气候倾向率大致是1.9d/10 年，其中，最早出现在8 月1 日，最晚出现在9 月10 日。其次，中霜冻对应气候倾向率大致是1.7d/10年，最早出现在8月4日，最晚出现在9月13日。最后，重霜冻对应气候倾向率大致是1.7d/10年，其中，最早出现在8月4日，最晚出现在9月20日。自21世纪之初，出现秋季霜冻的时间便逐渐提前，其中，提前幅度最大的霜冻类等级为轻霜冻，这点应当引起重视。

4 处理数据并制图表

4.1 处理数据

对风险指数进行构建时，要想使数据对应量纲统一，最有效的方法是利用极差标准化方法处理变异系数、强度频率及其他致灾因子，表达式如下：

其中：k*代表经过标准化处理的数据，k代表原始数据，kmax代表最大指标，kmin代表最小指标。

4.2 制作专题图

基于线性倾向估计，对大豆出现秋季霜冻的年际变化及其特点加以分析。利用Excel软件处理数据并制图，借助GIS完成专题图的绘制工作。

5 研究结果相关分析

5.1 变异性

变异系数所描述内容是数值在特定时间序列的分散程度，通常被用来判断某个范围内数据的存在形式。一般来说，具有越大变异系数的序列，其稳定性越差，受灾风险自然越高。对气象站经纬度、海拔高度和霜冻变异系数进行回归分析，通常可得到以下回归模型：

其中：λ代表经度，φ代表纬度，h代表海拔高度。另外，置信度是99%，R2是0.68，F是80。

结合栅格计算所得系数图可知，兴安盟的阿尔山地区为高变异区，变异系数≥0.5，其他地区均为中低变异区，变异系数为0.15～0.35。

5.2 强度频率

基于气象站经纬度、海拔高度和霜冻频率与强度指标进行回归分析，再利用GIS 进行推算，便可获得霜冻频率和强度分布图[2-3]。在兴安盟地区，霜冻强度及频率发生情况如下：首先，阿尔山较易出现轻霜冻，其频率能够达到75%，其他地区出现轻霜冻的频率，均未达到75%。其次，中霜冻在兴安盟的出现频率为25%～55%。最后，阿尔山出现重霜冻的频率为50%～75%，其他地区的出现频率未超过25%，这与该地区海拔密切相关。除此之外，兴安盟的北部为强度高值区，其强度频率普遍能够达到0.4及以上。兴安盟的中部地区，出现霜冻的频率较低，通常为0.2～0.4。其他地区的霜冻频率均未达到0.2，就是说霜冻给其他地区大豆种植带来的影响相对较小。

5.3 风险指数

基于小网格对标准风险指数进行推算所得回归模型为：

其中：λ、φ、h对应内容同上。另外，置信度是99%，R2是0.49，F是37。

利用GIS 对模型进行计算并划分风险等级，可获得风险分布图。分析可知，兴安盟的阿尔山地区是高风险区，风险指数≥0.55，出现中重度霜冻的次数较多，且有一定的变异性；北部地区是中风险区，风险指数为0.4～0.55；中部地区是低风险区，风险指数为0.2～0.4。

5.4 小结及讨论

兴安盟大豆出现秋季霜冻的范围较多，且具有明显的区域特征。结合年际变化情况可知，初霜冻出现时间有所提前，各等级霜冻出现范围均有较大波动，整体趋势有所减小，首次出现霜冻的日期均为8月下旬。

秋季霜冻出现时间，大豆普遍进入鼓粒期，由于大豆并不具备良好的耐寒能力，如果遭受冻害，必然带来难以挽回的损失，这也决定了出现霜冻的时间越早，大豆所遭受损失越大[4]。即便是在全球气候变暖的当下，有关人员仍要对预测和防御霜冻的工作引起重视。

各等级霜冻出现频率均为东北高、西南低，频繁出现轻霜冻的区域，其出现中重霜冻的可能性也较其他区域更大。若以低温强度为切入点，阿尔山的强度频率极高，在空间分布上，霜冻变异性和强度频率的重合度较高，这也决定了阿尔山地区所出现霜冻，通常有较大的变异系数。

总而言之，兴安盟大豆出现秋季霜冻的风险性，主要由地形及纬度决定，其规律可被概括为“自北向南降低”和“随海拔增加而增高”，阿尔山所在地区具有极高的风险性。要想达到丰产丰收，关键是对霜冻变化规律加以掌握，在此基础上，调整大豆品种熟型并控制播种期，保证其成熟期和预计时间大致相同，最大程度减弱霜冻灾害所带来影响。

6 结语

综上所述，兴安盟出现霜冻的频率极高，这是由低温强度决定的。给霜冻危险性带来影响的因素较多，最具代表性的有大豆品种、地形和天气条件，有关人员考虑到能够获取的数据有限，如决定利用霜冻频率、强度以及出现时间表现出的变异性，对风险评价指标与模型进行构建，在此基础上，参考品种和地形特征，对霜冻危险发生等级进行预测，通常可最大程度保证预测结果的准确性。