石榴晚霜凍綜合氣候指標及等級劃分

陜西省西安市臨潼區現有石榴種植面積8萬余畝，果農年均收入萬元左右，占當地果農年收入的約80%。因全球氣候變暖，近年來，春季低溫對石榴生長產生較大影響。曾有研究分析了石榴凍害發生的氣象條件，并提出相應的預防措施[1-8]，但隨著精細化氣象服務的提出，單一的溫度已不能滿足當前精細化服務需求，因此，本文在前人研究成果的基礎上，結合實地走訪、查閱氣象資料，確定臨潼區石榴晚霜凍臨界氣溫，通過分析晚霜凍實例的致災因子，構建臨潼石榴晚霜凍綜合氣候指標，為石榴晚霜凍精細化氣象服務提供模式支撐。

1材料與方法

1.1數據來源

臨潼國家氣象觀測站1991～2020年春季（3～5月）日平均氣溫、日最低氣溫及降溫幅度等資料，1996～2020年臨潼區石榴產量資料。

1.2過程有害積寒的計算

過程有害積寒是指果樹在低溫過程中逐時低于臨界受害氣溫的累積值，本文采用文獻[9-10]提出的過程有害積寒概念，其計算公式可表示為：

式（1）中，X日為一日內的積寒（℃），Tc為果樹晚霜凍的臨界溫度，Tt是瞬時溫度（℃），Tt≤Tc，t1、t2分別是一日中低于晚霜凍臨界溫度的起始、終止時刻。

1.3致災因子標準化

導致石榴晚霜凍的致災因子較多，對各致災因子進行標準化處理[11-14]，以增強數據可比性，公式為：

經過處理的標準化致災因子的最小值為0，最大值為1，與原來的數值相比，它只是數字形式的轉換，而因數被處理成1的量綱，保留了因子的統計學和生物學意義[15]。

1.4凍害臨界氣溫的確定

趙靜等[16-18]針對臨潼石榴春季受凍特點做出研究，并指出3℃是臨潼石榴花期受凍的臨界溫度，因此，本文確定3℃為臨潼石榴主栽產品晚霜凍的臨界氣溫，即當最低氣溫≤3℃時，石榴花期凍害過程開始。

2結果分析

2.1凍害致災因子的確定

本文主要對以氣溫為主的氣象因子進行分析，如凍害過程的極端最低溫度、過程的持續天數、過程的有害積寒（凍害過程的溫度累積值）、過程的降溫幅度（日最低溫度的下降幅度）等。通過對各因子與晚霜凍實例災害進行相關分析，與災害等級有顯著關系的有：≤3℃過程極端最低氣溫（X1），≤3℃持續低溫日數（X2），≤3℃過程有害積寒（X3），≤3℃過程降溫幅度（X4）等。此次入選的4個致災因子是在對臨潼石榴春季受凍進行調查分析的基礎上產生的，所以，入選的這4個致災因子具有一定的代表性。

2.2臨潼晚霜凍綜合氣候指標計算

計算致災因子間的相關性，除X4外，其余3個致災因子均顯著相關（表1），表明X1、X2、X3三者之間相互影響，互不獨立，可以使用主要成分分析法進行分析。采用主要成分分析方法對X1、X2和X3這3個致災因子進行全面簡化，構建公式。文中對各致災因子進行了標準化處理，對標準化后的石榴晚霜凍3個致災因子X1、X2、X3序列，利用R統計軟件中的主成分分析工具進行了分析（表2），軟件提取了主成分1，其累計方差貢獻率達到了80.8%，表明主成分1已經能夠充分說明數據之間波動的原因。

通過求解正交矩陣Q（表3），構建的石榴晚霜凍綜合氣候指標Z表示為：

由于系數的正負在主成分表達式中本身并無實際意義，有意義的是不同主成分之間統一變量的系數大?。河墒剑?）可知，在第1個主成分中，3個變量的系數比較接近，這意味著第一個主成分是對3個變量的綜合測度，即反映3個致災因子的信息。

晚霜凍綜合氣候指標Z與春季極端最低氣溫X1呈正相關關系，而與≤3℃持續低溫日數X2、≤3℃過程有害積寒X3呈負相關關系，即春季極端最低氣溫越低，Z值越??；綜合指標與其他2個致災因子呈負相關關系，即：≤3℃低溫持續日數越多、≤3℃有害積寒越大，則晚霜凍凍害綜合氣候指標Z越小，這與石榴生長實際發生的晚霜凍凍害過程相符。

2.3晚霜凍凍害綜合氣候指標分級

K-means聚類分析是經典的基于劃分聚類算法，在氣象數據分析和農業氣象災害等級劃分等方面得到應用[19-23]。本文采用R統計軟件中的K-means聚類分析工具，對131個晚霜凍凍害等級和對應的晚霜凍凍害綜合氣候指標進行分析，獲取各凍害等級對應的Z閾值，故研究中選擇晚霜凍凍害綜合氣候指標作為聚類分析的變量，1996～2020年臨潼區石榴產量數據作為標識變量，聚類數為3類，初始類中心由系統指定方式確定。結果表明：3個類中心點經過2次迭代后，得到最終的各聚類中心分別為-2.12，-1.34，-0.71（圖1）。由此可知，臨潼石榴晚霜凍的輕度、中度、重度綜合氣候指標分級分別為-1.34≤Z<-0.71，-2.12≤Z<-1.34，Z<-2.12。

2.4典型年對比分析

根據調查走訪，2004年、2005年、2010年均出現不同程度晚霜凍天氣，其中2010年4月14日出現降雪天氣，對石榴生長影響較大。計算2004年、2005年和2010年晚霜凍綜合氣候指標：2004年Z值為-0.50，為輕度凍害；2005年Z值為-0.68，為輕度凍害；2010年Z值為-5.22，為重度凍害，印證了石榴晚霜凍凍害等級。

3結論與討論

本文以臨潼石榴自然條件下春季低溫凍害過程為研究對象，以過程有害積寒、過程最大降溫幅度等致災因素為基礎，構建了石榴晚霜凍綜合氣候指標，并針對131個凍害調查實例中的各個過程進行了分析，得出如下結論：

（1）在已有研究結論的基礎上，確定3℃為臨潼石榴花期凍害臨界氣溫，即當最低氣溫≤3℃時，凍害過程開始；當最低氣溫>3℃時，凍害過程結束。

（2）確定≤3℃過程極端最低氣溫、≤3℃過程持續日數和≤3℃過程有害積寒為臨潼石榴晚霜凍的3個致災因子。

（3）采用K-means聚類分析方法，結合晚霜凍等級，確定臨潼石榴晚霜凍的輕度、中度、重度綜合氣候指標分級分別為-1.34≤Z<-0.71，-2.12≤Z<-1.34，Z<-2.12。通過對晚霜凍綜合氣候等級指標與相應年份發生的凍害情況進行對比，結果較為吻合，驗證了指標的可靠性和實用性。

（4）影響石榴春季凍害的因子比較復雜，其發生也可能與地形、濕度、風速等因素有關，本文只針對影響石榴春季生長關鍵氣象因子進行了分析，如何結合陰雨、大風、日照等其他因子設計晚霜凍指標研究的試驗，并得到晚霜凍預警評估業務的綜合性指標，還有待今后進一步研究。

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【基金項目：西安市科技局“科技+”行動計劃農業技術研發項目（XA2020-NYJSYF-0001）】（1陜西省西安市臨潼區氣象局趙靜，熊溪若；2陜西省漢中市西鄉縣氣象局楊政）