辽宁西北部霜冻特征变化及致灾风险强度研究

王 一，王 丁

（1辽宁省气象装备保障中心，沈阳 110116；2河北省东光县气象局，河北东光 061600）

0 引言

霜冻是正常自然天气现象，是作物、植物生长期的界限指标，当春季霜冻结束过晚、秋季霜冻来临过早时，就成为极端天气事件，就会对生态系统、人民生活造成不利影响。在一定程度上，霜冻出现的时间关系着气象灾害的致灾风险，威胁粮食安全和人类福祉[1-3]。IPCC第六次评估报告指出，自1850年以来，全球平均地表温度上升了1.1℃，未来20 a升温将达到或超过1.5℃[4]。随着全球变暖，未来极端天气事件的频率和强度在加剧[5-6]，而霜冻对农业生态系统的影响更突出。霜冻是与农业相关的最严重的极端事件之一，致灾风险正在增加[7]。PAPAGIANNAKI[8]研究北美和欧洲与气候相关的灾害时，认为春霜冻对作物和果树开花的损害所造成的农业经济损失相对较大。2021年4 月，春霜冻席卷欧洲[5]，其中法国遭遇40 a 来最严重的春霜冻，造成杏的产量比前一年下降43.0%，葡萄酒产业损失过半，农业大幅减产。2021年日本山形县樱桃产区受严重霜冻影响，新鲜樱桃减产1.3万t[9]。春季农作物苗期、果树解除休眠后进入开花期，晚秋作物灌浆乳熟期抗寒能力弱，若遇到寒潮或霜冻天气，容易受到低温伤害，影响其正常生长发育[10-11]。宁夏2020年4 月下旬，遭遇了60 a 来大范围的霜冻影响，梨、苹果等普遍受到中度至重度的霜冻害，葡萄叶片受冻致死率达100%，总受灾面积达5.1万hm2，经济损失约4.3亿元[12]。值得关注的是，随着气温升高霜冻日数减少，无霜期延长，但霜冻害灾情并未因此而减轻[13-15]。针对这种现象，一是气候变暖背景下气候异常变率加大，二是调整农业措施应对气候变暖的策略不科学或不正确，以及对霜冻变化和致灾风险认识不足。霜冻是区域性很强的气象灾害，因此，本研究以辽宁西北部的朝阳、阜新地区为研究对象，更新到2020年最新数据，从气象角度，对1951—2020 年终霜冻、初霜冻趋势变化特征分析以及对霜冻致灾风险进行评估，更新和丰富已有的认识。为更好地适应气候变化，预防霜冻灾害，以期为农业生产调整提供参考。

1 资料与方法

1.1 地理概况

辽宁省西北部包括阜新和朝阳地区。该地区西、北与河北省承德市、内蒙古赤峰市为邻。该地区以玉米栽培为主，谷子、绿豆、荞麦等优质杂粮负有盛名，盛产大枣，葡萄、苹果、安国梨等，酒葡萄是当地的新兴农业产业。境内属于低山丘陵地带，沟壑纵横，绕阳河、柳河、秀水河、大凌河、小凌河、六股河、老哈河、牤牛河等多条流域。辽宁西北部属北温带亚干旱气候区[16]，四季分明，光照充足，雨热同季，气象灾害频繁。

1.2 资料来源

观测事实分析所用的数据资料来自辽宁省气象信息服务中心。研究中涉及11个气象观测站，在基础上均一化订正后得到1951—2020 年逐日气温数据集。大田作物播种出苗、果树萌芽开花和作物成熟收获期等物候资料来自地方农业管理部门和农业科研机构。计算分析过程在Excel程序支持下进行。

1.3 资料处理与方法

1.3.1 霜冻指标的确定 霜冻指标有很多种，例如，朱永宁等[17]用日最低气温＜0℃、郭晓雷等[18]用日最低气温≤-1℃、张旭晖等[19]用日最低气温≤2℃，马尚谦等[20]用地表0 cm 日最低温度≤0℃作为霜冻指标。本研究根据中国气象局2007年6月12日第16号令《气象灾害预警信号发布与传播办法》[21]的规定，地面最低温度＜0℃对农作物、蔬菜、花卉、瓜果、林业育种产生影响，作为严霜冻指标，＜2℃作为轻霜指标。

1.3.2 霜冻致灾时间段 春季霜冻（终霜）致灾时间段，依据辽宁西北地区农业生产实践，农作物及果树萌芽开花阶段与霜期出现概率归纳得出春季4月15日之后出现的霜冻确定为致灾霜冻。4月15日之后葡萄萌芽新梢生长期，各种果树进入花蕾期、杏树处于开花期，大田作物、蔬菜相继进入播种出苗期，春季霜冻出现越晚危害越重、损失越大。辽宁西北部历年最晚霜冻日出现在5月14日（1977年）。

秋季霜冻（初霜）致灾时间段，进入9 月份各种作物逐渐进入乳熟、成熟期，依据农业生产实践9月30日之后出现的霜冻对农业生产已无影响，而9月30之前的霜冻对农业存在致灾风险，初霜冻日越早危害越大，农业损失也就越大。

1.3.3 霜冻致灾强度的等级划分 霜冻致灾强度包括2个因素，一是霜冻出现的时间，二是最低气温的程度。春季霜冻结束越晚温度越低致灾强度越大，而秋季霜冻来临越早温度越低致灾强度越大。

霜冻出现时间致灾等级划分：依据历年霜冻日资料以及农业春播期、果树幼芽和开花时间、农作物成熟等物候期资料，春季4 月16 日—5 月15 日、秋季9 月1日—30日期间出现的霜冻存在致灾风险，按出现时间分别规划6个风险等级。即：春季4月16日—22日为1级、4月23日—25日为2级、4月26日—27日为3级、4月28 日—30 日为4 级、5 月1—4 日为5 级、5 月5 日之后为6级。秋季9月10之前为6级、9月11日—15日为5级、9月16日—20日为4级、9月21日—24日为3级、9月25日—27日为2级、9月28日—30日为1级。

由此确定不同日期出现的霜冻致灾强度（用百分数表示），采用公式(1)计算日期霜冻致灾风险强度。

式中，AHji为霜冻日期致灾强度等级，Hmax为霜日致灾等级最大值为6，Hi为霜冻致灾等级。

最低温度致灾等级划分：按照温度越低受灾越严重的原则，当日最低气温≤2.0℃以及降到0℃以下时时，大田作物、果树花蕾期受害严重甚至停止生长。按照植物忍受低温伤害程度划分6个致灾等级。最低气温2.0℃≥Ti＞0.0℃时为1～4 级；0.0℃≥Ti＞-1.0℃为5级；Ti≤-1.0 为6 级。最低气温致灾风险强度采用公式(2)计算。

式中，ATi为日最低温度强度等级，Tmax为日最低温度致灾等级最大值为6，Ti为最低温度致灾等级。

霜冻致灾风险强度(STc)由最低气温(≤2℃)与最低气温所发生的时间的集合，即霜冻致灾强度(ST)是最低气温(Ti)与最低气温所出现时间(Hi)的函数，见公式(3)。

2 结果与分析

2.1 霜冻日数及趋势变化

2.1.1 春霜冻日数和终霜日趋势变化 从图1(a)可见，终霜日期分布在4 月上旬至5 月中旬之间的45 d 之内。以4 月下旬概率最高为36.7%，4 月份概率为81.0%，5月上旬概率为16.2%，5月中旬概率为2.8%，5月份概率为19.0%。5月份的霜冻对农业的危害最大，这样严重的春霜冻平均约5 a一遇。春季霜冻出现日期越晚对农作物苗期、果树花蕾初放或开花危害越严重。如：1977 年5 月14 日气温0.7℃的轻霜冻，冻死了双子叶作物幼苗（如：豆科类、棉花等），2014年5月12日气温-2.8℃严霜冻冻死了所有大田幼苗和葡萄幼枝以及各种果树的花蕾，造成当年水果大幅度减产或绝收，迫使大田作物重新翻种。

辽宁西北部1951—2020 年终霜日累年平均日期在4 月21 日，最晚结束在5 月14 日（1977 年），最早结束在4 月1 日（1975、1995 年），80%保证率出现在4 月27 日。图1(b)所示，1951—2020 年终霜日变化可分为4 个阶段：1951—1960 年终霜日期偏晚，平均在5 月1日；1961—1981 年终霜日偏早，平均在4 月16 日；1982—1994年终霜日较偏晚，平均在4月27日；1995—2009年较偏早，平均在4月17日；2010—2020年终霜日变率较大，平均日期与总平均值相同。终霜日标准偏差为±10 d，即：终霜日在4月10日—5月2日之间属于正常变化，4 月9 日之前属于偏早，偏早的概率为17.1%；5 月3 日之后属于偏晚，偏晚的概率为15.7%。从历年终霜日趋势变化看，有提前结束的倾向性，气候倾向率[22-23]为-0.438 d/10 a，序列相关系数为-0.0123(P＞0.05)变化趋势不显著。2001—2020年终霜平均日期在4月20日，与总平均值相比仅提前1 d。

2.1.2 秋霜冻日数和初霜日趋势变化 从图2a可见，秋季霜冻9月上中旬概率为11.6%；9月份概率为51.3%，10 月份概率为48.7%。统计1951—2020 年秋季霜冻日数分布在39 d之内（9月9日—10月18日），当气温≤2.0℃时，低于大部分大田作物生物学下限温度指标[24]，而受到冻害的威胁。当气温低于2.0℃时，超过大多数大田作物的生物学下限温度[24]，而受到冻害的威胁。辽宁西北部农作物、果树成熟期一般在9月30日之前完成，因此，进入10 月份的霜冻对农业已无影响，而9月份出现的霜冻对秋季作物及各种果树成熟期可造成不同程度的危害。

图2 秋季各旬初霜日概率(%)及初霜日期年际趋势变化

辽宁西北部1951—2020 年初霜日累年平均在10月1日，80%保证率出现在9月28日。最早出现在9月9 日（1966 年），最晚出现在10 月18 日（1989、2006、2019 年）。图2b 所示，1951—2020 年初霜日变化可分为2 个阶段：1951—1993 年初霜日期较偏早，平均在9月27 日；1994—2020 年偏晚，平均在10 月6 日。初霜日标准偏差为±9 d，即9月22日—10月10日出现的霜冻属于正常范畴，偏早（9 月22 日之前）有8 a，概率为11.4%。从历年初霜日期变化趋势看，气候倾向率为1.734 d/10 a，序列相关系数为0.4067(P＜0.01)达到极显著水平，后推趋势十分明显，线性后推12 d。1994—2020年比1951—1993年平均后推9 d。

2.2 霜冻致灾风险强度分析

2.2.1 终霜冻致灾风险强度分析 辽宁西北部春季霜冻对农业生产致灾风险强度平均为41.6%。在1951—2020年里，无霜冻危害(ST=0)21 a，概率为30.0%；有霜冻危害(ST＞0)49 a，概率为70.0%，其中：轻度灾害(0.0%＜ST≤35%)7 a，概率为10.0%；中度灾害(35%＜ST≤70%)28 a，概率为40.0%；重度致灾(70%＜ST≤100%)14 a，概率为20.0%。以年代时间尺度分析，20世纪50、80年代终霜致灾风险度最高，超过50%；其次是20世纪70年代和21世纪10年代终霜致灾风险度在40%以上；20 世纪60 年代和21 世纪00 年代最小在20%～30%之间。由图3 所示，终霜致灾风险度倾向率为-1.34%/10 a，70 a 间线性下降9.4 个百分点，下降速率并不显著（序列相关系数r=-0.098，P＞0.05）。在总体下降和终霜日提前的趋势上，还叠加有年际尺度的变率，在70 a 间，2014 年终霜致灾风险度最高达到100%，其次是1977 年为91.7%，造成农业损失惨重。1961—1981 年的20 a 间终霜致灾风险强度平均为32.6%；1995—2013 年终霜致灾风险强度平均为29.0%；进入21 世纪的前10 a（2001—2010 年）终霜日结束的早，终霜致灾风险强度为28.3%，而后10 a（2011—2020 年）中的2014 年极大值使终霜致灾风险强度增加至47.5%。2001—2020 年比1951—2000 年终霜冻致灾风险强度仅下降5.2个百分点。

图3 历年春季终霜冻致灾风险强度

2.2.2 初霜冻致灾风险强度分析 辽宁西北部秋季霜冻对农业生产致灾风险强度平均为27.7%。1951—2020年，无霜冻危害(ST=0)35 a，概率为50.0%；有霜冻灾害(ST＞0)35 a，概率为50.0%，其中：轻度灾害(0.0%＜ST≤35%)8 a，概率为11.4%；中度灾害(35%＜ST≤70%)23 a，概率为32.9%；重度致灾(70%＜ST≤100%)4 a，概率为5.7%。以年代时间尺度分析，20 世纪50—80 年代初霜致灾风险度最高，在30.0%～40.0%之间；90年代下降至20.0%；进入21 世纪初霜致灾风险强度下降更明显，2001—2020 年初霜致灾风险强度仅有8.4%，比1951—2000 年下降24.9 个百分点。由图4 所示，初霜致灾风险度以-4.856%/10 a 的倾向率显著下降（序列相关系数r=-0.3482，ST＜0.01），1951—2020 年初霜致灾风险强度线性下降34.0个百分点。

图4 历年秋季终霜冻致灾风险强度

2.3 年度霜冻致灾风险强度分析

辽宁西北部年度霜冻对农业生产最大致灾风险度累年平均值为51.0%。无霜冻灾害(ST=0)12 a，占统计年数的17.1%；出现霜冻致灾(ST＞0)58 a，占统计年数的82.9%；其中：轻度致灾(0＜ST≤35.0%)4 a，占致灾年数的6.9%；中度致灾(35.0%＜ST≤70.0%)36 a，占62.1%；重度致灾(70.0%＜ST≤100%)18 a，占31.0%。从各个年代霜冻致灾强度变化看，20 世纪50、60、70、80、90 和21 世纪10 年代为中度致灾风险(46.7%～66.7%)，21 世纪00 年代为轻度致灾强度(29.2%)。由图5 可知，随着年际更替，霜冻致灾风险强度气候倾向率为-3.655/10 a，序列相关系数为-0.2672(P＜0.05)，强度减小趋势达到显著水平，1951—2020 年辽宁西北部霜冻致灾风险强度线性下降25.6 个百分点；2001—2020 年较1951—2000 年霜冻致灾风险强度平均下降17.1 个百分点。说明受气候变暖的影响，辽宁西北地区年度霜冻致灾风险强度总体在减弱。

图5 辽宁西北地区霜冻致灾风险强度变化趋势

3 结论

（1）辽宁西北部终霜日分布在5月15日之前，终霜日期存在提前结束的倾向性，而2014年5月12日的终霜冻颠覆了春季霜冻危害减少的趋势性。2001—2020年终霜平均日期在4月20日，与总平均值相比仅提前1 d。春季霜冻致灾风险强度平均为41.6%，重度致灾(70%＜ST≤100%)14 a，概率为20.0%，约5 a 一遇。春季霜冻致灾风险强度倾向率-1.34%/10 a，线性下降9.4个百分点。

（2）初霜日分布在9月9日之后，1987—2020年分布在9 月20 日之后，稳定后推趋势，1951—2020 年初霜日线性后推约12 d，2001—2020年初霜日平均在10月6 日，1951—2000 年平均在9 月28 日，后推约8 d。秋季霜冻致灾风险强度平均为27.7%，重度致灾(70%＜ST≤100%)4 a，概率为5.7%，这4 a 均出现在1980 年之前。秋季霜冻致灾风险强度倾向率为-4.856%/10 a，线性下降34.0个百分点。

（3）辽宁西北部年度霜冻致灾风险强度平均为51.0%。霜冻致灾风险强度气候倾向率为-3.655/10 a，1951—2020年线性下降25.6个百分点，而2001—2020年比1951—2000 年霜冻致灾风险强度下降17.1 个百分点。

本研究在参考前人[25]研究结果的基础上，将霜冻致灾风险指数转化为霜冻致灾风险强度，使霜冻灾害量值化，更能体现对农业的影响程度。分析结果可能存在一定程度上的主观性，但霜冻等级对气象预报预警仍具有科学指导意义。本研究以辽宁西北部所有作物作为研究对象，在后续的研究中，可以考虑对大宗作物或地产名优水果等的霜冻及低温冷害进行单独研究，为地方农业生产提供更加精细化的服务与指导。

4 讨论

基于历史观测数据链（1951—2020年）分析，辽宁西北部春霜冻日数减少和终霜日提前，秋霜日数减少和初霜日后推的结果与当前其他区域尺度的研究[26-27]所得结论一致，表明气候变暖对霜冻的影响具有普遍性。仅从气温气象要素的变化上看，春季、秋季日最低气温≤2.0℃或≤0.0℃的天数减少后，春霜冻、秋霜冻致灾风险强度的减小趋势，终霜日提前、秋霜日后推也意味着一年中无霜期在延长。但由于年际变率的作用，极端天气（如2014年5月12日的严霜冻）仍然存在，在农业生产布局中还不能盲目地提前播期、品种调整，仍要重视对春、秋霜冻的预防和应对[28]。

从20 世纪90 年代开始，伴随着气候变暖气温上升，热量资源增加，北方区域农作物物候期提前，农业生长期延长[14,29]，农业种植结构也在发生着变化。农业气候带向北方推移，热源植物也向北扩展，改变了农业格局[19]。但这种农业格局的调整必须建立在科学的前提下，所以，即使无霜期延长、热量资源增加的情况下，也应谨慎调整农业布局和北移作物的种植界限。

辽宁西北部终霜日虽有提前结束的趋势性，但稳定性较差，在农业生产中还不能加以利用，所以春季农业生产格局调整需谨慎。1986年之后的30多年初霜日稳定出现在9月下旬之后，无霜日相对稳定，可以应用这一热量资源延长农作物生长期，提高农作物生物产量。辽宁西北部霜冻致灾风险强度明显下降，主要以秋季霜冻致灾强度下降为主体。也就是说，在农业生产期内，秋季霜冻的致灾风险发生频率越来越低。