辽西北霜期气候变化及气象服务对策

赵凌尘，王禄禄，赵胡笳，张梦佳，王赛頔，马 林，刘玉彻，刘振宏

（1辽宁省气象装备保障中心，沈阳 110166；2辽宁省铁岭市气象局，辽宁铁岭 112000；3中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳 110166；4辽宁省人工影响天气办公室，沈阳 110166；5辽宁省气象服务中心，沈阳 110166）

0 引言

霜期农业是利用冷凉时期的气候资源，通过日光温室或塑料大棚开展的工程农业，以解决工业用地和农业用地的矛盾，充分利用气候资源和土地资源，增加提升复种指数，控制农业生产环境，适应和减缓不利气候变化的影响，实现“菜篮子”工程[1-3]。在霜期农业生产过程中，掌握气候变化，对灾害性天气的预防非常必要，设施农业的进展与扩大需要气象的跟踪及预测服务。当前一些常规天气预报服务已经不能满足设施农业生产的需求，必须建立适应设施农业气象专业服务体系，实现设施农业精细化管理的需求和目标[4-6]。祝青林等[7]针对大连设施农业气象灾害的趋势和风险进行了分析，认为随着气候变暖寒潮和大风在减少，而寡照天气对于设施农业影响最突出。李建新[8]分析山西冬季大风、强降温、降雪等灾害性天气频发，日光温室严重受损，总结出蔬菜灾害性天气的防范措施。陈思宁等[9]总结设施农业灾害现状，提出农业气象灾害风险评估方法、模型、技术的解决方案新模式。高浩等[10]研究表明设施农业的飞速发展催生了设施农业气象服务的新领域，提出建设设施农业气象监测预警和服务网络体系，推动设施农业可持续发展。霜期设施农业受气候的影响，具有明显的地域性差异[11-13]，从分析、掌握地方气候变化入手，建设霜期农业气象服务的评估、监测、预警体系是霜期农业平稳发展的气象保障。随着现代科技的发展，GIS、INTERNET和远程无线监控技术的进步，为霜期农业气象精细化服务提供了支撑。本研究在分析辽西北地区霜期气候变化以及不利的气象条件对霜期设施农业影响的基础上，针对霜期设施农业气象的服务现状，探讨存在的问题，提高霜期设施农业气象服务水平，并提出相应对策，旨在为霜期农业防灾减灾及农业可持续发展保驾护航提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 资料来源

采用1951—2020年辽西北地区（朝阳、叶柏寿、阜新、铁岭、东陵、新民、辽中）气象观测资料，分别统计10月—翌年4月霜期各月日照时数，太阳总辐射，平均气温，平均最高气温、平均最低气温，极端最低气温，降水量（雪）、阴天日数（总云量≥8成），大风日数（≥6级）。

1.2 分析方法

采用一元线性回归（最小二乘法）计算气候要素随时间的变化速率，并采用序列相关系数进行显著性检验，见文献[14]。

2 结果与分析

2.1 霜期变化

根据中国气象局《气象灾害预警信号发布与传播办法》第16号令[15]规定，气温在＜2°C及以下为霜冻指标。从初霜（秋季）到终霜（春季）的连续天数为霜期。辽西北地区初霜平均出现在10 月7 日，终霜平均止于4 月25 日，有霜期174 d（1998 年）～225 d（1969 年），平均201 d。由图1 可见，辽西北地区霜期以-2.495 d/10 a 的倾向率在缩短，序列相关(r＝-0.441；P＜0.01)达到极显著水平，在1951—2020年的70 a里霜期线性缩短17.5 d，近30 a（1991—2020 年，下同）同比前40 a（1951—1990年，下同）霜期平均缩短9 d。

图1 辽西北1951—2020年霜期变化趋势

2.2 霜期气温变化

辽西北地区霜期在10月—翌年4月，此时期历年平均气温在-3.1℃（1957年）～1.4℃（1998年）之间，累年平均值为-0.8℃。由图2所示，霜期气温以0.245℃/10 a的倾向率升高，序列相关(r＝0.543；P＜0.01)达到极显著水平，在1951—2020年的70 a里霜期气温线性升高1.7℃，近30 a同比前40 a霜期平均升高0.8℃。辽西北地区霜期气温标准偏差为±0.9，属于不稳定变化，给霜期设施农业生产管理带来难度。

图2 辽西北1951—2020年霜期平均气温变化趋势

辽西北地区1—2 月最寒冷，极端最低气温波动在-33.1℃（2001 年）～-15.0℃（2007 年）之间，累年平均值为-22.8℃，极差为18.1℃。由图3所示，气候倾向率为0.929℃/10 a，序列相关(r＝0.498，P＜0.01)达到极显著水平，1951—2020年线性升高6.5℃，近30 a同比前40 a极端最低气温平均升高3.6℃。极值气温均出现在2000年之后，虽然平均气温在升高，但极端温度更为突出。

图3 辽西北1951—2020年极端最低气温变化趋势

2.3 霜期光照变化

光照是霜期设施农业的主要热能来源。辽西北地区霜期日照时数在1079 h（2003 年）～1514 h（1960 年）之间，累年平均日照时间1306 h，占全年的53.0%。由图4可示，霜期日照时数呈明显减少趋势，气候倾向率为-28.823 h/10 a，序列相关(r＝-0.580，P＜0.01)达极显著水平，1951—2020年线性减少202 h。近30 a同比前40 a日照时数平均减少105 h。

图4 辽西北1951—2020年霜期日照时数变化趋势

12 月至翌年2 月是霜期设施农业生产的关键期，此时日照制约着设施农业生产的成败。辽西北12 月至翌年2 月日照时数在382 h（2001 年）～628 h（2008年）之间，累年平均为489 h，占霜期的37.4%。霜期日照时数呈明显减少趋势（图略），气候倾向率为-8.632 h/10 a，序列相关(r＝-0.340，P＜0.01)达极显著水平，1951—2020年线性减少60 h。近30 a同比前40 a日照时数平均减少26 h。

霜期太阳总辐射在76.49 MJ/m2（2008 年）～83.53 MJ/m2（1967 年）之间，累年平均为80.33 MJ/m2，占全年的46.1%。图5所示，气候倾向率为-0.505 h/10 a，序列相关(r＝-0.325，P＜0.01)达极显著水平，1951—2020年线性减少3.54 MJ/m2。近30 a 同比前40 a 太阳总辐射平均减少1.88 MJ/m2。

图5 辽西北1951—2020年霜期太阳总辐射变化趋势

12 月至翌年2 月太阳总辐射在26.90 MJ/m2（1987年）～31.05 MJ/m2（1963 年）之间，平均为28.46 MJ/m2，占霜期的35.4%。倾向率为-0.212 MJ/(m2·10 a)，序列相关(r＝-0.335，P＜0.01)达极显著水平，1951—2020年线性减少1.484 MJ/m2。近30 a 同比前40 a 12 月至翌年2月太阳总辐射平均减少1.56 MJ/m2。

2.4 霜期降水

霜期降水（降雪）是设施农业生产的不利因素，降雪量大将成为灾害对设施（大棚）施压或损坏。辽西北地区1951—2020 年降水量在56.8 mm（1989 年）～304.3 mm（2010年），累年平均值为150.8 mm。图6所示，霜期降水量呈增加趋势，倾向率为8.833 mm/10 a，序列相关(r＝0.330，P＜0.01)达极显著水平，1951—2020年线性增加61.8 mm。近30 a同比前40 a平均增加23.9 mm。

图6 辽西北1951—2020年霜期降水量变化趋势

12月—翌年2月寒冷期雨雪量过大造成危害最严重。辽西北1951—2020 年12—2 月降水量在4.9 mm（1996年）～68.7 mm（1990年）之间，累年平均为25.7 mm。倾向率为1.059 mm/10 a，序列相关(r＝0.118，P＞0.05)增加趋势不显著。近30 a（1991—2020 年）同比前40 a 12 月至翌年2月降水量平均增加4.0 mm。辽西北12月—翌年2月寒冷期降水量标准偏差为±15.53 mm，正常降水量为10.0～40.0 mm，1951—2020年多雨年(＞40.0 mm)有12年，几率为17.1%，近30 a（1991—2020年）发生7 a，几率为23.3%，相对于前40 a（1951—1990年）增加5.2个百分点。降水量≥5.0 mm为大雪，对霜期设施农业都有一定的影响，辽西北地区12月至翌年2月寒冷期大雪日数平均为3.5 d，最多8 d（2010年），出现3～4 d属于正常，大雪日数气候倾向率为0.024 d/10 a，呈弱增加趋势。

2.5 霜期阴天

霜期阴天日数1951—2020 年最多达47 d（2002年），累年平均为25.4 d，标准偏差为±7.0 d，正常阴天日数为18～32 d，＞32 d 有11 a，几率为15.7%，其中近30 a（1991—2020 年）占9 a，几率上升到30.0%。图7所示，1951—2010 年霜期阴天日数呈增加趋势，气候倾向率为2.268 d/10 a，序列相关(r＝0.622，P＜0.01)达极显著水平，1951—2020 年线性增加15.9 d。近30 a比前40 a平均增加了10 d。阴天日数增加相对减少了光照时间，减弱了辐射能，日光温室、塑料大棚内温度下降，植物要承受低温冷害，因此，阴天是霜期设施农业中最主要灾害之一。

图7 辽西北1951—2020年霜期阴天日数变化趋势

2.6 霜期大风

6级以上为大风日对设施农业具有一定的破坏作用。辽西北地区霜期平均风速3.2 m/s，风速年变化属冬季最小。霜期大风日1966年最多出现50 d，累年平均为11.1 d，超过20 d 的有11 a，均发生在1955—1969年之间。图8所示，大风日数呈显著减少趋势，倾向率为-2.996 d/10 a，序列相关(r＝-0.590，P＜0.01)达极显著水平，1951—2020 年线性减少20.9 d。从20 世纪50、60年代大风日平均23 d，70年代之后至21世纪10年代大风日减少至平均6 d/a，同比减少73.9%。21 世纪以来8级以上大风次数呈增加趋势。

图8 辽西北1951—2020年霜期大风日数变化趋势

3 结论

随着全球气候变暖辽西北地区霜期存在延长趋势，冬半年气温明显升高热能源增加，而光能资源在减少，阴天增多，暴雪增加，极端最低气温、极端大风天气频繁出现，给设施农业生产带来风险。

辽西北包括铁岭、沈阳、阜新、朝阳等地区，该区域以丘陵山地为主，霜期设施农业发展较早，因受极端天气的影响，多处设施农业处于瘫痪状态，农业气象服务势在必行，应从研究入手，利用网络系统搭建一系列设施农业气象服务手段，促进恢复霜期设施农业生产。

4 讨论

4.1 气象条件对霜期设施农业的影响

综上所述，随着气候变暖气象要素随之改变，辽西北地区霜期气温升高而不稳，极端气温天气更显突出，夏半年降水减少[16]，冬半年降水增加，阴天日数增加，日照时间减少，太阳总辐射减弱，大风日虽有减少但强度增加，形成了气象要素新格局。霜期极端天气现象对霜期设施农业影响显著，开展霜期设施农业气象服务势在必行。

霜期设施农业与环境气象要素密切相关，光温水等极端天气现象制约着设施农业的发展，灾害性天气具有强烈的地域性特征。此外，气象灾害的地域性特征，也决定了设施农业的发展和走向。极端最低气温、光照时间、阴天、大雪和大风等要素是霜期设施农业工程设计的重要参数。极端最低气温影响温室选址、架构及保温材料的选择。光照、阴天则影响材料的透光性、位置、朝向的选择。辽西北地区大风日数虽然减少，但强度依然，风鼓膜破，大雪压塌骨架等毁坏设施[1,17]的案例常见。朝阳2007年3月4日大暴雪压毁大棚，经济损失3.2亿元。因此，霜期设施工程设计、材料和强度的选择离不开区域气象条件的评估。当前气候背景下，辽西北地区以及其他地区极端灾害性天气频率和强度有增强趋势[18-20]，设施工程设计要充分考虑寒潮冰雪天气、大风、暴雨（雪）和冰雹灾害的频率和强度，提升防灾减灾理念。持续的连阴雨（雪）可造成植株徒长、座果率下降，久阴骤晴温差大会使植株蒸腾加速，出现急速萎蔫凋枯死亡现象[21]。因此，气象条件的变化对设施内环境影响的控制，对农业气象服务提出新的要求。霜期设施农业是利用冬闲季节，运用可控的技术手段，实现集约、高效、可持续发展的生产方式[22-23]。在可控的设施农业层面仍然受不利气象条件的影响，主要体现在区划布局、环境控制、工程设计和能源节约等方面。

4.2 霜期设施农业气象服务现状和问题

随着能源短缺，粮食生产安全矛盾的突出，霜期设施农业迅速发展，有效利用霜期气候资源，提高防灾减灾能力，给农业气象服务提出了新的要求。近年来，为适宜霜期设施农业生产的需要，不断更新拓宽农业气象服务方式方法，加强相关技术应用研究，建立具有地方特色的设施农业气象预报系统，丰富了设施农业气象服务手段。目前霜期农业气象服务现状，在区划布局方面，局地建立了农业气候资源库，分析了农业气象灾害特征变化等。在环境调控方面，通过对设施内小气候要素的采集，建立设施内外温度的关系，指导设施调控及减灾措施[24-25]。在设施农业气象预报方面，基于网络开展手机短信、“气象121”为设施农业传递气象预报信息，应对灾害天气，直接指导设施农业生产[4,10]。

在适应霜期设施农业的需求中，农业气象服务研究取得了一定成果，但应对霜期设施农业现代化快速发展，农业气象服务手段仍显滞后。辽西北地区霜期设施结构以日光温室、塑料大棚为主，由于设施设计很少考虑极端自然灾害的影响，抗风、抗雪能力较差，缺乏设施农业工程气象评估；缺乏农业气候远程监测和远程服务管理；传统的中、长期气象预报对设施农业缺少针对性；缺少大气候与设施农业小气候相互关联的分析与研究；缺少对设施农业内作物环境条件变化的研究；凸出的水肥管理造成小气候的改变，使设施内病虫害发生等与农业气象服务相关的问题。

4.3 霜期设施农业气象服务对策

在设施农业工程方面，充分掌握气候资源与环境特点的同时，增加设施农业工程评估服务，重点在选址、设计、材料选配和抵抗气象灾害方面展开研究，为设施农业发展建设提供技术支撑；增设设施农业气候自动监测网，提高设施农业的防灾能力。

在环境控制方面，开展霜期设施内农作物小气候监测，建立设施农作物指标系统，确定设施内外气候变化影响预报模型，应用远程环境监测智能系统结合临近天气预报实时气象灾害动态分析，通过网络搭建专业化、动态化、多元化、精细化的霜期设施农业气象服务预警平台，提高防灾减灾能力。

在能源利用节能方面，评估气候资源，科学区划布局霜期设施农业区，充分利用辽西北地区的气候资源；开展设施环境下种植、养殖与气象环境因子的相互作用机制和对极值气象要素的耐受性研究，为霜期设施农业温光水等环境控制节能模式提供依据，为实现霜期设施农业的高效、高产、优质服务。

在适应气候变化方面，研究极端气候事件对设施农业影响最大程度和应对极端气候事件的对策，建立评估、监测、预警霜期设施农业气象灾害业务一体化服务系统，预防极端气象事件，减少设施农业的损失。随着霜期设施农业的发展不断更新、提高农业气象服务质量，确保霜期设施农业可持续发展。