兰溪枇杷花果期低温冻害预报模型初探

简单，陆韬，邵小卫，金杨

(兰溪市气象局，浙江 兰溪 321100)

兰溪市为亚热带季风气候，光热资源丰富，具有春季回温早、增温快、积温高、雨热同步等气候特点，满足枇杷生长所需的温暖湿润、阳光充足的气候条件[1]。因其传统名果优势明显，兰溪枇杷获得农业农村部地理标志登记保护。枇杷是兰溪的特色农产品之一，种植面积达1 330 hm2，年产量7 000 t，主要分布在女埠、黄店、横溪等中北部地区，其中以女埠街道的穆坞枇杷最为出名，穆坞枇杷指的是穆坞村内种植的枇杷，该村种植枇杷已有近百年历史，被誉为“华东枇杷第一村”[2]。

枇杷自每年的10月起头花开放至次年2月上旬三花开毕，花期持续时间较长，12月上旬幼果初生，气温恰是向一年中最冷时段发展，在这样的气候条件下，枇杷花、果极易遭受低温冻害[3-4]。加上近些年极端气候增多[5-6]，极端低温的出现对枇杷的生长发育、产量形成、品质塑造等也产生了一定影响。尤其是2020年枇杷受强寒潮天气影响，减产近半，种植户损失惨重。尽管通过枇杷保险农户获得理赔金额134.82万元，但是对于受损农户而言，仍旧是杯水车薪。基于这种情况，充分利用枇杷种植重点区域的气象观测站实时监测数据，能够很好地起到观测、评估与预防枇杷低温冻害的作用[7]。

本文使用兰溪市枇杷种植重点区域内气象观测站(甘溪、花塘、黄店、穆坞)逐时最低气温观测资料，与兰溪国家气象观测站同期观测数据进行对比研究，根据气象行业标准《枇杷冻害等级》的低温指标，分析枇杷花果期最低气温变化情况，以及不同等级低温冻害日数的变化特征，结合容易发生枇杷低温冻害的天气特征，探索建立枇杷低温冻害预报模型，及早做好监测预警服务，并通过短信、微信、电视等渠道提醒枇杷种植户及早做好相关防御，为果农们防范低温冻害做好气象服务与灾害自救工作。

1 材料与方法

1.1 气象站

本文选用兰溪市枇杷种植重点区域内气象观测站K6174(甘溪站)、K6217(花塘站)、K6297(黄店站)、K6303(穆坞站)和58548(兰溪市国家气象观测站)气象资料，进行统计分析。

1.2 枇杷花果期

咨询兰溪本地农业专家后，根据兰溪市内枇杷的种植特点，将10月至次年2月上旬定为枇杷开花期，12月至次年4月下旬定为枇杷幼果生长(发育+膨大)期。枇杷开花期和幼果期持续时间长，且时间跨度上有交集，故本文将枇杷花果期确定为10月至次年4月[8]。

以2020年的10月至次年4月枇杷花果期逐时气象观测资料为分析对象，选取兰溪枇杷种植重点区域内气象观测站中最低气温逐时观测数据进行分析，若数据中有缺测值，则选用同一站点前后时次的数据进行差值补齐。

1.3 数据处理

统计分析采用SPSS 24.0以及Excel 2007进行。

1.4 枇杷低温冻害指标

根据气象行业标准《枇杷冻害等级》[9]，最低气温是判断枇杷花果期是否遭受低温冻害最重要的气象要素，结合兰溪当地枇杷生长气候特征和农业专家意见[10]，把10月至次年2月上旬确定为本地枇杷开花期，并根据最低气温，将枇杷开花期低温冻害划分为轻度(最低气温>-4～-3 ℃)、中度(最低气温>-5～-4 ℃)、重度(最低气温>-6～-4 ℃)和极重(最低气温≤-6 ℃)；将12月至次年4月确定为当地枇杷幼果期，低温冻害气象指标根据最低气温划分为轻度(最低气温>-2.5～-1.0 ℃，时间≤3 d)、中度(最低气温>-3.5～-2.5 ℃，时间≤3 d或>-2.5～-1.0 ℃，时间>3 d)、重度(>-4.5～-3.5 ℃，时间≤3 d或>-3.5～-2.5 ℃，时间>3 d)和极重(最低气温≤-4.5 ℃，时间≤3 d或最低气温>-4.5～-3.5 ℃，时间>3 d)4个等级。

1.5 天气类型划分

将天气类型按日平均总云量(指云遮蔽天空视野的占比)的多少分为晴天(日平均总云量0%～<20%)、少云(日平均总云量20%～<50%)、多云(日平均总云量50%～<80%)、阴(雨雪)(日平均总云量≥80%)4种天气类型。

2 结果与分析

2.1 最低气温变化特征

2.1.1 最低气温日变化特征

由枇杷花果期最低气温的日变化曲线(图1)可以看出，各站的最低气温日变化趋势总体较为一致，日变化呈单峰曲线，表现为先降后升再降的趋势。夜间辐射降温，0—6时气温缓慢降低，气温最低点出现时间基本集中在6时左右；日出后气温随太阳辐射的增强而升高，6—14时气温逐渐升高，气温最高点出现时间在14—15时(午后)，而后气温逐渐降低。其中甘溪在7—14时升温幅度最快，主要是甘溪周围下垫面为硬化地(植被不密集)，这使得该处有更大的吸热率和更小的比热容，即升温较快。最低气温由低至高为穆坞<甘溪<黄店<花塘，主要是海拔高度的影响，在底层大气中，气温随高度的增加而降低，海拔高度为穆坞(120 m)>甘溪(64 m)>黄店(50 m)>花塘(42 m)。8—15时兰溪气温低于枇杷种植区域内的自动站，而在傍晚—夜间—凌晨气温明显高于其他4个气象站，兰溪气温最高点出现时间较自动站滞后约1 h，主要是兰溪站周围建筑密集，造成热岛效应。

图1 最低气温日变化曲线

2.1.2 不同天气类型最低气温日变化特征

由图2可以看出，在不同天气类型下，即晴天、少云、多云、阴(雨雪)，最低气温日变化仍呈单峰形曲线，变化趋势总体较为一致，晴天气温总是最高，其次为少云、多云，阴(雨雪)天最低，最低气温昼夜变化幅度差异显著。晴天最低气温日较差较大，最大甘溪达到15.9 ℃，其中6时出现最低值3.5 ℃，14时出现最高值19.4 ℃。少云天气时的最低气温变化幅度有所减缓，最低气温日较差最大的甘溪达到11.1 ℃，夜间最低气温升高直接导致气温日较差的减小。如6时甘溪最低气温为8.4 ℃，较晴天3.5 ℃升高了4.9 ℃。多云天气时的最低气温变化幅度更为缓慢，日较差最大为甘溪仅4.9 ℃。阴(雨雪)天时，最低气温变化幅度最小，趋于平缓，日较差最大为甘溪有3.7 ℃，最小为兰溪只有2.7 ℃。甘溪谷值在5时为12.2 ℃，峰值在13时为15.9 ℃，气温日变化起伏不大。但是在不同的天气类型下，都是甘溪昼夜温差最大，兰溪温差最小。

图2 不同天气类型最低气温日变化曲线

2.1.3 最低气温月变化特征

由枇杷花果期平均最低气温(表1)可以看出，发生低温冻害的时间段主要集中在12月和1月。其中兰溪最低气温最高，穆坞最低气温最低。从极端最低气温分布情况来看，1月气温最低，最低站为甘溪站，仅-9.4 ℃。

表1 枇杷花果期月最低气温

2.1.4 夜间最低气温变化影响

对于枇杷花果期而言，最低气温是花果受冻害的最主要因素。夜间是最低气温下降最明显的时间段，相较于白天，夜间最低气温下降幅度大，且持续时间长，在每天的5—7时多为日最低气温出现的时段，若不能提前预测最低气温，待到温度降至最低后采取防御措施，将会给种植户带来损失。

2.2 枇杷花果期低温冻害程度

2.2.1 枇杷开花期低温冻害程度分析

由表2可知，在开花期，枇杷种植区域内平均冻害日数为11.3 d，兰溪为5.0 d，其中甘溪站发生冻害的日数最多，达13.0 d，且极重冻害日数为7.0 d，占总冻害日数的50%以上。

表2 枇杷开花期不同等级低温冻害日数

由图3可以看出，冻害发生在12月下旬至1月中旬，区域站与国家站最低气温的变化趋势基本一致。在1月上、中旬，这5个站之间差异显著。1月上旬出现了最低气温的谷值，且枇杷冻害日数也是1月上旬最多，是枇杷开花期遭受冻害最为严重的时候。从花期特性来看，枇杷三花(1月上旬至2月上旬开放的花)遭受冻害的可能性最大，平均时间9.5 d，远超于二花(11月下旬至12月下旬开放的花)和头花(11月中旬以前开放的花)。

图3 兰溪枇杷开花期低温冻害变化特征

2.2.2 枇杷幼果期低温冻害程度分析

由表3可知，在幼果生长期，枇杷种植区域内平均冻害日数为18.0 d，兰溪最少为11.0 d，其中花塘站发生冻害的日数为15.0 d，其他3个站均为19.0 d，且极重冻害甘溪、穆坞站都为9.0 d，占总冻害日数近50%。

表3 枇杷幼果生长期不同等级低温冻害日数

由图4可以看出，冻害发生在12月中旬至1月中旬，区域站与国家站最低气温的变化趋势基本一致。在1月上、中旬，这5个站之间差异显著，在1月上旬出现了最低气温的谷值，枇杷冻害日数为1月上、中旬最多。

图4 兰溪枇杷幼果期低温冻害变化特征

2.3 枇杷花果期低温冻害预报模型

以2020年10月至次年4月兰溪枇杷重点种植区域气象站观测数据为建模系列，分为不区分天气类型以及区分天气类型(晴天、少云、多云、阴天)，分别建立基于兰溪站温度的枇杷低温冻害线性预测方程[11]。枇杷花果期种植区域内气象观测站与兰溪国家气象观测站最低气温符合显著正相关关系，即最低气温的变化趋势是一致的，相关系数在0.95以上，低温预测回归方程的决定系数均在0.90以上，预测效果较好。其中，在晴天时，不区分天气类型预测方程的决定系数比区分天气类型的要高；在少云时，甘溪、花塘、穆坞的预测方程决定系数比不区分天况时要低。故将决定系数高的预报模型替代决定系数低的预报模型，以达到最佳的预测效果，得到如下的枇杷最低气温预报模型(表4)。

表4 枇杷最低气温预报模型

为了进一步验证各模型在推算枇杷遭受低温冻害时温度的可靠性，利用2019年12月—2020年2月观测数据对预报模型进行检验。由于检验时段还未有云量数据，无法对天气类型进行分类，由于不区分天气类型的预测模型决定系数比区分天气类型要低，故可以先对不区分天气类型的预测模型进行初步检验，若预测效果好，则说明在区分天气类型时，预测效果更好。由误差统计参数计算结果(表5)可见，各模型的误差算数平均值接近1 ℃。其中误差绝对值79%以上在2 ℃以内，50%以上在1 ℃以内，预测效果较好，若区分天气类型后带入预测模型中进行计算，预测效果会更好。

表5 最低气温预测检验

总的来看，枇杷低温冻害大多发生在雨雪后转晴，干冷空气补充导致低温的发生。天气形势高空为“两槽一脊”、地面处“L”型高压前底部，夜间晴空辐射使得降温明显，对枇杷花果产生低温冻害。这些在数值预报中都能提前预报。

所以，在一般情况下，根据对未来天气的预报来划分天气情况，然后根据预报兰溪的最低气温大致推算出兰溪枇杷种植区域中离气象观测站最近的点的最低气温情况，而后判别冻害类型，可提早开展枇杷低温冻害监测预警服务并采取相应的防御措施。

3 小结

通过最低气温可以判断出枇杷花果期是否遭受低温冻害及冻害程度。晴天最低气温变幅最大，阴(雨雪)天变幅较小。12月至1月为枇杷花果期遭受冻害最严重的时候，三花期受冻害的概率最高，幼果期在1月份受冻害的可能性最大。

枇杷低温冻害大多发生在高空为“两槽一脊”、地面处“L”型高压前底部天气形势下，出现此类天气，可以提早开展相关预报及服务。利用低温预报模型，预估出兰溪枇杷重点种植区域内冷空气袭来后的最低气温，判断其冻害等级，提早采取枇杷对应冻害防御措施，减轻冻害对种植户造成的经济损失。

本研究建立的预测模型采用的是一元回归统计方法，仅选用气象站温度一种因子，过于单一，且预测精度也需提高，后期可从气象大数据方面考虑建立基于多气象要素的枇杷低温冻害预测模型，在方法上也需采取更为先进的模型算法，做好模型订正，使模型更加准确。