保山市霜冻气候特征及精细预报方法探究

姚德宽

（保山市气象局，云南保山 678000）

霜冻是指土壤表面或植株表面的温度下降到足以使农作物遭受冻害甚至死亡的一种天气现象，发生霜冻时，地表温度通常低于或接近0 ℃，因此霜冻预报实际上是对地表温度的预报[1]。目前，乡镇自动气象站均没有地表温度观测项目，因而利用保山市5 个国家站最近57 年的地面气象观测资料（1964—2020 年），总结了保山市霜期（12 月至次年3 月）逐月地表温度和夜间最低气温、云量、风速等气象要素之间的关系，利用数值模式格点预报资料建立各乡镇的最低气温预报方程，再利用云量和风速预报确定各预报站点最低气温与地表温度差值的经验值，从而推算出各乡镇的霜冻等级预报[2-5]。

1 调查方法

霜冻天气划分标准：把最低地表温度≤0 ℃定为一个霜冻日；-1.0 ℃＜最低地表温度≤0 ℃为轻霜冻；-3.0 ℃＜最低地表温度≤-1.0 ℃为中霜冻；-5.0 ℃＜最低地表温度≤-3.0℃为重霜冻；最低地表温度≤-5.0 ℃为强霜冻[1]。

霜冻资料：利用云南省保山市辖区内的5 个国家气象站1964—2020 年逐日地表最低温度及霜冻观测资料，统计各代表站逐旬、逐月、逐年的霜冻日数，分析霜冻的时间分布特征。

最低气温预报因子选取2020 年2 月—2021 年11月逐日ECMWF数值预报20:00起报的格点预报资料，采用Press 准则进行因子初选，采用逐步回归方法建立最低气温预报方程。

2 结果与分析

2.1 保山市霜冻天气的时间分布特征

从图1 中可以看出，保山市的霜冻天气最早出现在每年12 月上旬，最晚出现于次年3 月下旬，1 月出现次数最多，3 月出现次数最少。

图1 1964—2020 年保山市霜冻天气时间分布图

由图2 可见，保山市各站的年霜冻日数总体呈减少趋势。用线性拟合统计保山市近57 年来霜冻日数变化趋势（每10 年增长率数据）：隆阳为-7.73 d，腾冲为-11.24 d，龙陵为-8.58 d，施甸为-7.08 d，昌宁为-5.72 d，不同年份之间的霜冻日数差异极显著（P＜0.01）。保山市历年平均霜冻日数为46.8 d，各地区霜冻时间最长的年份分别为：隆阳1971 年（80 d）、腾冲1971 年（109 d）、龙陵1978 年（93 d）、施甸1971 年（66 d）、昌宁1996 年（96 d）。

图2 1964—2020 年保山市各站逐年霜冻日数变化曲线

2.2 霜冻与气象要素间的关系

2.2.1 霜冻与最低气温

霜冻是指最低地表温度≤0 ℃的一种天气现象，因此霜冻与最低气温的关系是最低地表温度与最低气温的关系。统计5 个国家站1964—2020 年最低气温与最低地表温度的关系发现，绝大多数情况下最低地表温度＜最低气温，最低气温与最低地表温度差值＜0 ℃的情况仅占样本的5%；最低气温与最低地表温度差值在0～4 ℃的情况最多，占样本的82%；而最低气温与最低地表温度差值＞4 ℃的情况只有12%。由此可见，在大部分情况下，最低气温比最低地表温度要高0～4 ℃，在乡镇气象站点缺少地表温度观测项目的情况下，霜冻预报可参考最低气温的预报，在其基础上下降0～4 ℃，如预报最低气温低于2 ℃，那么最低地表温度很有可能达到0 ℃以下，要考虑预报霜冻。

月统计结果表明（图3），1991—2020 年保山市最低气温与最低地表温度的月平均温差差异较大，1月的平均温差最大，达到了2.4 ℃；其次是2月、12月，平均温差达到了2.3 ℃；而7—9 月最小，平均温差只有0.2～0.4 ℃，可见不同的季节背景下，最低气温与最低地表温度的平均温差差异较大，其值在夏季最小，在冬季最大。

图3 1991—2020 年保山市各月最低气温与最低地表温度的平均温差

2.2.2 霜冻与云量、风速的关系

霜冻与最低气温密切相关，然而在最低气温相同的情况下，风速和云量影响着最低气温与最低地表温度的温差大小，即影响着霜冻天气的出现。这里选取了5 个国家站1991—2020 年的云量、风速、最低气温及最低地表温度资料进行分析。由于最低气温、最低地表温度绝大多数出现在夜间至清晨（2:00—8:00），因此云量选用2:00 人工观测的总云量资料，风速选用2:00 自动观测仪器测得的2 分钟内的平均风速，分级统计结果见表1。在同一月里最低气温与最低地表温度的温差大小和风速有关：当风速＜1 m·s-1时，各月最低气温与最低地表温度的平均温差为2.0～2.3 ℃；当风速为1～3 m·s-1时，各月最低气温与最低地表温度的平均温差为2.3～2.8 ℃；当风速＞3 m·s-1时，各月最低气温与最低地表温度的平均温差为2.1～2.6 ℃。云量也是影响最低气温与最低地表温度温差大小的一个重要因子，云量越多则温差越小。以上的分析结果与周彬等人的研究结果较一致，即在日最低气温相同的情况下，晴朗无风的天气更易形成霜冻[2]。

表1 1991—2020 年风速和云量对最低气温与最低地表温度的平均温差分段统计结果

2.3 霜冻的短期预报

霜冻的中短期预报基础是最低气温预报，目前国家网格预报（SCMOC）产品对乡镇站点的最低气温预报准确率较低。为提高霜冻天气预报的准确率，必须提高乡镇站点的最低气温预报水平。建立预报准确率较高的乡镇站点最低气温预报模型后，霜冻短期预报的关键就变成了对最低气温与最低地表温度的温差预报。由于最低气温与最低地表温度的温差随季节、云量、风速变化较大，用常规的线性方程和多元方程拟合误差较大，而采用查表法预报霜冻相对简单且准确。最低地表温度A的预报公式为：

式中：A为最低地表温度；B为最低气温预报；Tf和Ty为风速和云量对最低气温与最低地表温度之间温差的影响因子，随季节变化，其中Tf是根据SCMOC北京时间2:00—8:00 对站点的地面风速预报查表1 得到的订正值；Ty是根据SCMOC 北京时间2:00—8:00对站点的地面云量预报查表1 得到的订正值。

乡镇站点最低气温预报：经过相关分析，欧洲高分辨率数值模式（ECMWF_HR）的850 hPa 温度场、相对湿度场、比湿场与本地最低气温的相关性最好，并且冬春季节最低气温一般出现在8:00 左右，因此选取2020 年2 月—2021 年11 月ECMWF_HR 模式逐日20:00 起报的12 h、36 h、60 h、84 h、108 h、132 h、156 h、180 h、204 h、228 h 预报时效850 hPa 温度场、相对湿度场、比湿场作为最低气温的预报因子，因子选取E 98°～100°、N 24°～26°，采用常规的逐步回归方法建立起乡镇站点的最低气温预报方程（MOS 方程）。

2.4 霜冻精细化预报模型应用效果分析

通过对2021 年12 月21 日—2022 年1 月31 日最低气温进行预报质量检验，上面建立的最低气温预报方程具有很好的预报能力，24～96 h 误差在2 ℃以内的预报准确率达到了81%～88%。利用2021 年12月21 日—2022 年1 月31 日5 个国家气象站逐日最低地表温度及霜冻资料对同期霜冻预报结果进行了质量 评定，2021 年12 月21 日—2022 年1 月31 日5 个国家站共出现了34 站次霜冻，其中预报准确的有26站次，霜冻预报准确率达到了76%，具有较好的预报效果。因此，对乡镇的霜冻预报也可以用最低气温－(Tf+Ty)/2 ≤0 这个指标。

3 结论与讨论

1）保山市的霜冻天气出现在每年的12 月上旬至次年的3 月下旬，其中1 月霜冻天气出现频率最高，2月次之，3 月出现频率最低。

2）当最低地表温度≤0.0℃时出现霜冻的概率为95%，当最低气温≤2.0℃时出现霜冻的概率为91%，因此可以把最低地表温度≤0.0℃或最低气温≤2.0 ℃作为当地霜冻天气预报的临界指标。

3）预报检验结果表明，利用欧洲高分辨率数值模式（ECMWF_HR）预报格点场资料，采用逐步回归方法建立的乡镇最低气温预报方程（MOS 方程）在保山市辖区内具有较好的预报效果。24～96 h 误差在2 ℃以内的预报准确率达到了81%～88%，具有重要的参考价值。根据最低气温及风速、云量预报，采用查表法预报霜冻效果良好，预报准确率得到进一步提高，可以作为乡镇霜冻精细预报的方法。

4）霜冻天气与最低气温、风速、云量密切相关，在日最低气温相同的情况下，晴朗无风的天气更容易形成霜冻。