石河子地區葡萄越冬氣候及終霜凍致災風險評價

季 芬，王 進，杜 峰，侯慧杰，劉 勇，楊明鳳*

（1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆烏蘭烏蘇生態與農業氣象野外科學觀測研究站/烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，新疆 石河子 832021；3.新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學觀測研究站/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點實驗室/中國氣象局 塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地，新疆 巴音郭楞 841000；4.石河子市氣象站，新疆 石河子 832000；5.新疆農業氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

葡萄是經濟果樹之一，其生產已成為新疆農業經濟發展的重要產業［1］。近年來，氣候系統的不穩定性加劇，極端天氣事件頻發，終霜凍已成為影響新疆石河子地區葡萄產業發展的主要氣象災害［2-3］。霜凍是自然天氣現象，是植物生長的界限指標，春季最后一場霜凍稱之為終霜凍，當春季霜凍結束過晚時，就成為極端天氣事件而成災，直接影響到葡萄產量和品質，甚至使葡萄新芽以及新梢受凍致死［4-5］，終霜凍越晚受災越嚴重。因此，開展終霜凍致災風險程度研究，對規避、預防霜凍風險，提高葡萄產業發展具有重要意義。

隨著全球變暖，未來極端天氣事件的頻率和強度逐漸加?。?-7］。霜凍是與農業相關的最嚴重的極端事件之一，致災風險正在增加［8］。Papagiannaki等［9］研究了北美和歐洲與氣候相關的災害，認為終霜凍對作物和果樹開花的損害所造成的農業經濟損失相對較大。2021年4月終霜凍席卷歐洲［6］，其中法國遭遇40 a來最嚴重的終霜凍，造成杏的產量比前1 a下降了43.0%，葡萄酒產業損失過半，農作物產量大幅減產。2021年日本山形縣櫻桃產區受嚴重霜凍影響，新鮮櫻桃減產1.3萬t［10］。春季農作物苗期、果樹解除休眠后進入開花期，晚秋作物灌漿乳熟期抗寒能力弱，若遇到寒潮或霜凍天氣，容易受到低溫傷害，影響其正常生長發育［11-12］。寧夏2020年4月下旬，遭遇了60 a來大范圍的霜凍影響，梨、蘋果等水果普遍受到中度至重度的霜凍害，葡萄葉片受凍致死率達100%，總受災面積達5.1萬hm2，經濟損失約4.3億元［13］。值得關注的是，隨著氣溫的升高霜凍日數減少，無霜期延長，但霜凍害災情并未因此而減輕［14-15］。這種現象產生的原因主要包括2個方面：一是氣候變暖背景下氣候異常概率加大；二是調整農業措施應對氣候變暖的策略不科學、不正確，以及針對霜凍變化和致災風險認識不足。

霜凍是區域性很強的氣象災害，因此，本研究以新疆石河子地區葡萄為研究對象，從氣象角度分析1964—2022年葡萄越冬期氣溫、地溫變化情況，以及終霜凍變化特征，并對寒冷期氣溫、終霜凍對葡萄致災風險進行評估，充分掌握冬季氣溫、終霜凍變化規律，旨在為提高石河子葡萄產業防災能力提供科學依據。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

資料來源于石河子地區的烏蘭烏蘇農業氣象試驗站和炮臺、莫索灣氣象站，包括1964—2022年全年逐日最低氣溫、2013—2022年葡萄生長發育期資料。

根據2013—2022年葡萄物候期觀測資料（表1）可知，石河子地區4月中下旬葡萄開墩上架，每年萌芽期在4月10—20日間變化，花序出現之前為葡萄新梢生長期。資料顯示，葡萄在4月底—5月初完成芽開放、展葉和新梢生長，其可采成熟期在8月下旬—9月上旬。

1.2 春季霜凍（終霜凍）等級及強度劃分方法

霜凍致災強度包括2個因素：一是最低氣溫的程度，二是霜凍出現的時間。春季霜凍結束越晚氣溫越低，致災風險及其強度越大。

1.2.1 春季霜凍氣溫的等級劃分 按照溫度越低受災越嚴重的原則，將當日最低氣溫≤2.0 ℃以及降到0 ℃以下劃分為6個致災等級：最低氣溫2.0℃≥Tmin＞0 ℃為1級；0 ℃≥Ti＞/0.5 ℃為2級；-0.5 ℃≥Ti＞-1.0 ℃為3級；-1.0 ℃≥Ti＞ -1.5℃為4級；-1.5 ℃≥Ti＞-2.0 ℃為5級，Ti≤-2.0℃為6級。

計算最低氣溫致災風險強度，計算公式為：

式（1）中，ATi為日最低溫度強度等級；Tmax為日最低溫度致災等級最大值（致災等級最高為6）；Ti為最低溫度致災等級。

1.2.2 終霜凍出現時間的等級劃分 根據葡萄萌芽及新梢生長期間，4月中旬—5月中下旬按終霜凍出現時間劃分為6個風險等級：春季4月11—20日為1級；4月21—25日為2級；4月26—28日為3級；4月29—5月1日為4級；5月2—4日為5級；5月6日之后為6級。由此確定不同日期出現的霜凍致災強度，計算日期霜凍致災風險強度，計算公式為：

式（2）中，AHji為終霜凍日期致災強度等級；Hmax為終霜凍日致災等級最大值（致災等級最高為6）；Hi為終霜凍致災等級。

1.2.3 霜凍致災風險強度 霜凍致災風險強度（STc）為最低氣溫與最低氣溫所發生時間的集合，即霜凍致災強度（STc）是最低氣溫強度（ATi）與最低氣溫所出現時間（AHc）的函數，計算公式為：

2 結果與分析

2.1 石河子地區葡萄越冬期氣候特點

2.1.1 葡萄越冬期間氣溫變化特征 由表2可知，1964—2022年石河子地區冬季（12月—翌年2月，下同）平均氣溫介于-15.5~-10.1 ℃之間，以莫索灣最低。冬季平均氣溫氣候傾向率為0.314 ℃/10 a，氣溫升高趨勢顯著（P＜0.05，r= 0.290）。1月是冬季最冷時間段，平均氣溫為-18.2~-15.9 ℃。1月平均氣溫氣候傾向率為0.051 ℃/10 a，變化趨勢相對穩定。

表2 1964—2022年石河子地區冬季（12月—翌年2月）及1月氣溫特征值 ℃

1964—2022年冬季石河子地區的炮臺極端最低氣溫為-41.4 ℃、莫索灣為-42.8 ℃、烏蘭烏蘇為-36.0 ℃。冬季平均最低氣溫介于-20.5~-18.0 ℃之間。石河子地區冬季平均最低氣溫氣候傾向率為0.70 ℃/10 a，升高趨勢顯著（P＜ 0.01，r= 0.403）。1月平均最低氣溫介于-23.3~-21.0 ℃之間，氣候傾向率為0.06 ℃/10 a，歷年1月平均最低氣溫略有升高的趨勢（P＞0.05，r= 0.030）。

2.1.2 葡萄越冬期地溫變化特征 楊豫等［17-18］研究認為，葡萄安全越冬溫度為≥-6.0 ℃。石河子地區冬季地溫滯后于氣溫，最低溫度出現在1月下旬—2月上旬［19］。冬季土層厚度為20 cm的平均地溫介于-9.4~-2.4 ℃之間。12月土層厚度為20 cm的地溫日均＞-6.0 ℃。1月土層厚度為20 cm的平均地溫介于-9.4~-3.4 ℃，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現概率為40%、炮臺的概率為49%、莫索灣的概率為55%。2月土層厚度為20 cm的平均地溫介于-8.1~-3.1 ℃，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現概率為20%、炮臺的概率為30%、莫索灣的概率為35%。

冬季土層厚度為40 cm的平均地溫介于 -7.5~0.8℃之間。12月土層厚度為40 cm的地溫＞-6.0 ℃。1月土層厚度為40 cm的平均地溫介于-7.5~-2.3℃，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現概率為23%，炮臺的概率為28%，莫索灣的概率為30%。2月土層厚度為40 cm的平均地溫介于-7.5~-1.8 ℃之間，其中烏蘭烏蘇地溫≤-6.0 ℃的年份出現概率為10%、炮臺的概率為21%、莫索灣的概率為25%。

2.1.3 葡萄越冬期間積雪特征 有穩定的積雪覆蓋對葡萄越冬十分有利，石河子地區積雪初日最早出現在11月上旬，最晚出現在12月上旬，平均出現在11月中旬。年最大積雪深度平均為32 cm，介于13~60 cm之間。冬季平均積雪深度為16 cm，其中12月平均積雪深度為10 cm，1月平均積雪深度為17 cm，2月平均積雪深度為20 cm。冬季積雪等同于葡萄越冬覆蓋物，是葡萄安全越冬的氣象保障。

2.2 石河子地區葡萄越冬寒冷期（1—2月）平均最低氣溫變化及對葡萄萌芽期的影響

2.2.1 寒冷期（1—2月）平均最低氣溫變化趨勢 石河子地區葡萄休眠期在10月下旬—翌年4月上旬，歷時170 d左右，1—2月是葡萄越冬關鍵期。石河子地區寒冷期（1—2月，下同）平均最低氣溫歷年變化情況如圖1所示。烏蘭烏蘇1964—2022年寒冷期平均最低氣溫介于-24.8~-15.1 ℃之間，平均為-18.9℃，標準偏差為2.43 ℃，異常偏冷（≤-21.3℃）發生在2005年之前的年份有11 a，概率為18.6%。圖1a顯示，1964—2022年1—2月烏蘭烏蘇平均最低氣溫呈顯著升高趨勢（P＜0.05，r= 0.279），升高傾向率為0.396 ℃/10 a。炮臺1964—2022年寒冷期平均最低氣溫介于-28.8~-15.5 ℃之間，平均為-20.5℃，標準偏差為2.91 ℃，異常偏冷（≤-23.4 ℃）發生在2005年之前的年份有11 a，概率為18.6%。圖1b顯示，1964—2022年1—2月炮臺平均最低氣溫呈顯著升高趨勢（P＜0.01，r=0.432），升高傾向率為0.732 ℃/10 a。莫索灣1964—2022年寒冷期平均最低氣溫介于-29.9~-15.6 ℃之間，平均為-21.6℃，標準偏差為3.09 ℃，異常偏冷（≤-23.4 ℃）發生在2005年之前的年份有9 a，概率為15.3%。圖1c顯示，1964—2022年1—2月莫索灣平均最低氣溫呈顯著升高趨勢（P＜0.01，r= 0.375），升高速率為0.676 ℃/10 a。

圖1 石河子地區葡萄寒冷期（1—2月）平均最低氣溫變化趨勢

2.2.2 葡萄越冬寒冷期（1—2月）平均最低氣溫對葡萄萌芽期的影響 圖2所示，石河子地區1—2月平均最低氣溫對葡萄萌芽時間影響明顯，并具有極顯著的相關性（P＜0.01，r= 0.954），當平均最低氣溫≥-17.0 ℃時，葡萄萌芽期在4月15日之前；當-17.0 ℃＞平均最低氣溫≥-19.0 ℃時，葡萄萌芽期介于4月15—18日之間；當-19.0 ℃＞平均最低氣溫≥-22.0 ℃時，葡萄萌芽期介于4月19—23日之間；當平均最低氣溫＜-22.0 ℃時，葡萄萌芽期在4月24日之后。

圖2 石河子地區葡萄萌芽期與1—2月平均最低氣溫的關系

2.3 終霜凍日期變化趨勢

石河子地區1964—2022年終霜凍日累年平均日期為4月21日，最晚結束日期為5月21日（1998年），最早結束日期為3月23日（2009年），80%保證率出現在5月3日。圖3顯示，1964—2022年終霜凍日變化極不穩定，標準偏差為14 d，終霜日介于4月9日—5月6日之間屬于正常，4月9日之前屬于偏早，偏早的概率為13.6%；5月6日之后屬于偏晚，偏晚的概率為18.6%。從歷年終霜凍日期變化趨勢來看，有提前結束的傾向性，氣候傾向率為-1.438 d/10 a，序列相關系數為-0.177，變化趨勢不顯著。

圖3 石河子地區終霜凍日期年際變化趨勢

由圖4可知，終霜凍日期分布在3月下旬—5月下旬之間的58 d之內。其中4月中下旬概率最高，為54.2%，5月概率為25.4%。春季霜凍出現日期越晚對葡萄萌芽和新梢生長危害越嚴重。根據葡萄萌芽期分析可知，4月中旬之后出現的終霜凍對葡萄萌芽以及新梢生長均可構成不同程度的低溫傷害。2019年5月18日的輕霜凍（最低氣溫0.8℃）使葡萄開花受凍，嚴重影響了葡萄的開花授粉。2021年4月25日的嚴重霜凍（日最低氣溫-1.5℃）凍死了葡萄幼枝（新梢），造成當年葡萄大幅度減產或絕收。

圖4 春季各旬終霜凍日出現概率

2.4 終霜凍致災風險強度分析

通過終霜凍出現日期與日最低氣溫的疊加運算，石河子地區春季霜凍對葡萄致災風險強度平均為47.5%。1964—2022年，無霜凍危害（ST=0）的年份有12 a，概率為20.3%；有霜凍危害（ST＞0)的年份有 49 a，概率為79.7%，其中：輕度災害(0%＜ST≤35%）16 a，概率為27.1%；中度災害(35%＜ST≤70%）14 a，概率為23.7%；重度致災(70%＜ST≤100%）17 a，概率為28.8%。由圖5可知，終霜凍致災風險強度傾向率為-1.96%/10 a，1964—2022年線性下降了11.6個百分點，下降速率并不顯著。1964—2000年終霜凍致災風險強度平均為55.0%，2001—2022年終霜凍致災風險強度平均為34.8%，進入21世紀因終霜凍日結束日期提早，與1964—2000年終霜凍致災風險強度相比平均下降了約20個百分點。

圖5 歷年春季終霜凍致災風險強度

3 結論

（1）石河子地區冬季氣溫較低，1—2月土層厚度為40 cm的地溫＜-6.0 ℃的概率介于23%~30%之間，雖然有平均16 cm的積雪層，葡萄仍要有40 cm以上的覆蓋層，才能安全越冬。1—2月平均最低氣溫對葡萄萌芽期影響顯著，隨著氣溫的升高萌芽期提前。

（2）石河子地區終霜凍日分布在5月21日之前，終霜凍日期存在提前結束的傾向性。2001—2022年終霜凍平均日期為4月16日，雖然比總平均值提前了5 d，但仍然存在終霜凍的風險。如2018年5月8日和2019年5月18日的春季輕霜凍對葡萄新梢生長構成了危害。

（3）春季霜凍致災風險強度呈減弱趨勢，1964—2022年線性下降了11.6個百分點。春季霜凍致災風險強度平均為47.5%，重度致災（70%＜ST≤100%）風險發生概率為28.8%，約3年1次。

（4）石河子地區葡萄越冬關鍵期在1—2月，平均最低氣溫是關鍵氣候因子，增加覆蓋物保溫是關鍵?；跉v史觀測數據（1964—2022年）分析，石河子地區葡萄開墩上架一般在4月中旬，接著是萌芽及新梢生長，此時的霜凍風險高達79.7%。

4 討論

本研究針對石河子地區1964—2022年葡萄越冬期的氣候資源及萌芽和新梢生長期終霜凍的演變特征進行分析，從氣溫、地溫和積雪深度等角度明確了石河子地區葡萄越冬期的敏感因子，采用量化方法評價了春季終霜凍對葡萄生長的風險度，為下一步合理高效利用該地區農業氣候資源葡萄安全越冬、提高春季防霜凍奠定了理論基礎［20-21］。

終霜凍日期提前這一研究結果，與當前其他區域尺度的研究［22-24］所得結論基本一致，表明氣候變暖對霜凍的影響具有普遍性。由于春季氣溫的升高，春季終霜凍日結束的提前，使終霜凍致災風險強度減小，但由于氣候變化的作用，極端天氣（2018年5月8日和2019年5月18日的輕霜凍）仍然存在，在葡萄生產中，應適時調整開墩上架時間，重視對終霜凍的預防和應對。

本研究在參考前人［25］研究結果的基礎上，利用終霜凍發生時間與日低溫強度，通過統計學方法轉化為霜凍致災風險強度，使霜凍災害強度量值化，便于農業防霜應用尺度。分析結果可能存在一定程度上的主觀性，但霜凍等級對氣象預報預警具有指導意義。