趙 靜，楊 政，張 欣，范靜兒，郭曉成

(1.西安市臨潼區(qū)氣象局，陜西 西安 710600；2.西安市果業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 西安 710600)

石榴作為陜西臨潼特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，一直以來(lái)受到政府有關(guān)部門及社會(huì)各界的高度重視和大力支持，臨潼現(xiàn)有石榴種植面積5 333余hm2，在驪山北麓形成了一條東西長(zhǎng)約30 km，南北寬約5～10 km的石榴林帶，全區(qū)10個(gè)街辦的2萬(wàn)余農(nóng)戶從中受益，農(nóng)戶年均石榴產(chǎn)業(yè)收入達(dá)萬(wàn)元左右，占當(dāng)?shù)毓r(nóng)年收入的約80%。在當(dāng)前全球變暖的背景下，北半球區(qū)域性極端低溫事件頻繁發(fā)生[1-2]，石榴遭受凍害的幾率明顯增加，對(duì)石榴生產(chǎn)造成不同程度的損失。曾有研究引起石榴凍害發(fā)生的氣象條件，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施[3-10]，但針對(duì)石榴凍害的綜合氣候指標(biāo)研究相對(duì)較少，這就造成石榴氣象服務(wù)存在一定局限性。且石榴凍害指標(biāo)分級(jí)制訂存在差異，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不利于石榴凍害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警和災(zāi)情評(píng)估[11]。因此，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以臨潼區(qū)自然條件下發(fā)生的凍害為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查、翻閱資料所得到的低溫過(guò)程為研究對(duì)象，確定臨潼石榴凍害臨界氣溫，并對(duì)凍害實(shí)例進(jìn)行致災(zāi)因子分析，運(yùn)用聚類分析等方法，構(gòu)建臨潼石榴精細(xì)化凍害綜合氣候指標(biāo)，為石榴凍害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)和災(zāi)情評(píng)估提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1996-2020年臨潼區(qū)石榴產(chǎn)量數(shù)據(jù)，1991-2020年冬季(當(dāng)年12月至次年2月)臨潼國(guó)家氣象觀測(cè)站的逐日平均氣溫、逐日最低氣溫和過(guò)程降溫幅度等數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 計(jì)算過(guò)程有害積寒

采用文獻(xiàn)[12-13]提出的過(guò)程有害積寒概念，作為臨潼石榴凍害過(guò)程中的氣象因子進(jìn)行深入分析。過(guò)程有害積寒是指，果樹在低溫過(guò)程中逐時(shí)低于臨界受害氣溫的累積值，其計(jì)算公式可表示為：

(1)

式(1)中，X代表過(guò)程有害積寒(單位：℃·d)，N代表低溫過(guò)程持續(xù)日數(shù)(單位：d)，Tc代表凍害臨界氣溫(單位：℃)，Tmin代表日最低氣溫(單位：℃)，Tmin≤Tc，Tm代表日平均氣溫(單位：℃)。

2.2 致災(zāi)因子標(biāo)準(zhǔn)化

導(dǎo)致臨潼石榴凍害的致災(zāi)因子較多，為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)可比性，消除量綱影響，需要對(duì)各致災(zāi)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[14-17]，公式為：

(2)

處理后的標(biāo)準(zhǔn)化致災(zāi)因子最小值為0，最大值為1，其與原數(shù)值相比，只是數(shù)據(jù)形式的變換，將因子處理成量綱為1，保留了因子的統(tǒng)計(jì)學(xué)和生物學(xué)意義[18]，且不影響數(shù)據(jù)研究及分析工作。

2.3 確定凍害臨界氣溫

趙靜等[19-21]針對(duì)臨潼石榴受凍特點(diǎn)做出研究，并提出-10 ℃是臨潼石榴受凍的臨界溫度，因此，本文確定-10 ℃為臨潼石榴主栽產(chǎn)品凍害的臨界氣溫，即當(dāng)最低氣溫≤-10 ℃時(shí)，石榴凍害過(guò)程開始。

3 結(jié)果分析

3.1 確定凍害致災(zāi)因子

本文主要分析了凍害過(guò)程極端最低氣溫、持續(xù)日數(shù)、有害積寒、日最低氣溫降溫幅度等[22-24]以氣溫作為主要分析對(duì)象的氣象因子。通過(guò)各因子與凍害實(shí)例進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果(見表1)表明：過(guò)程極端最低氣溫(X1)、≤-10 ℃低溫持續(xù)日數(shù)(X2)、日最低氣溫≤-10 ℃的過(guò)程有害積寒(X3)、≤-10 ℃過(guò)程降溫幅度(X4)等與石榴凍害均為顯著相關(guān)關(guān)系[25]。由于研究選取的4個(gè)致災(zāi)因子是基于臨潼石榴災(zāi)情調(diào)查分析的結(jié)果，因此，各個(gè)致災(zāi)因子具有一定的代表性。

表1 致災(zāi)因子間的相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2 計(jì)算臨潼石榴凍害綜合氣候指標(biāo)

通過(guò)計(jì)算各個(gè)致災(zāi)因子間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，4個(gè)致災(zāi)因子中除了X4以外的其余致災(zāi)因子，兩兩間均呈顯著相關(guān)，且達(dá)到0.05顯著性水平(見表1)，這表明X1、X2、X3之間互有影響，并不獨(dú)立，適合運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

因此，采用主成分分析方法時(shí)，對(duì)X1、X2、X3這3個(gè)致災(zāi)因子進(jìn)行綜合簡(jiǎn)化并構(gòu)建公式。將各致災(zāi)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，運(yùn)用R統(tǒng)計(jì)軟件中的主成分分析函數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的石榴凍害3個(gè)致災(zāi)因子X1、X2、X3序列進(jìn)行分析(見表2)，提取第1個(gè)主成分，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到84.6%，說(shuō)明第1個(gè)主成分能夠充分代表數(shù)據(jù)間的波動(dòng)原因。

表2 方差累積率以及載荷矩陣

通過(guò)求解正交矩陣Q(見表3)，可構(gòu)建臨潼石榴凍害綜合氣候指標(biāo)Z，表示為：

表3 正交矩陣Q

Z=0.585X1-0.560X2-0.586X3

(3)

因?yàn)橹鞒煞直磉_(dá)式中系數(shù)的正負(fù)本身并沒(méi)有實(shí)際意義，有意義的是不同主成分之間統(tǒng)一變量的系數(shù)大?。河墒?3)可知，在第1個(gè)主成分中，3個(gè)變量的系數(shù)比較接近，這意味著第1個(gè)主成分是對(duì)3個(gè)變量的綜合測(cè)度，即體現(xiàn)3個(gè)致災(zāi)因子的信息。

凍害綜合氣候指標(biāo)Z與冬季極端最低氣溫X1呈正相關(guān)關(guān)系，而與X2、X3呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即表明冬季極端最低氣溫越低，≤-10 ℃低溫持續(xù)日數(shù)越多、≤-10 ℃有害積寒越大，則凍害綜合氣候指標(biāo)Z越小，這與臨潼石榴實(shí)際發(fā)生的凍害過(guò)程一致。

3.3 凍害綜合氣候指標(biāo)分級(jí)

K-means聚類分析是經(jīng)典的聚類算法，常應(yīng)用在氣象數(shù)據(jù)分析和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害等級(jí)劃分等方面[26-29]。本文采用R統(tǒng)計(jì)軟件中的K-means聚類分析函數(shù)，通過(guò)分析37個(gè)凍害等級(jí)對(duì)應(yīng)的凍害綜合氣候指標(biāo)，并獲取各凍害等級(jí)對(duì)應(yīng)的Z值，研究中選擇凍害綜合氣候指標(biāo)作為聚類分析的變量，1996—2020年臨潼區(qū)石榴產(chǎn)量數(shù)據(jù)作為標(biāo)識(shí)變量，聚類數(shù)分為3類，初始類中心按照系統(tǒng)指定方式確定。結(jié)果表明：3個(gè)聚類中心點(diǎn)經(jīng)過(guò)2次迭代后，得到最終的各聚類中心分別為-6.77，-7.56，-8.36(見圖1)。由此可知，臨潼石榴的輕度、中度、重度凍害綜合氣候指標(biāo)分級(jí)分別為-7.56≤Z<-6.77，-8.36≤Z<-7.56，Z<-8.36，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中設(shè)置相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)顏色，輕度用藍(lán)色表示、中度用黃色表示、重度用紅色表示(見表4)。

圖1 聚類結(jié)果散點(diǎn)圖

表4 凍害綜合氣候指標(biāo)分級(jí)表

3.4 典型年對(duì)比驗(yàn)證及網(wǎng)格預(yù)報(bào)應(yīng)用

3.4.1 典型年份對(duì)比驗(yàn)證

通過(guò)結(jié)合臨潼石榴畝(667 m2)產(chǎn)數(shù)據(jù)與凍害綜合氣候指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，凍害綜合氣候指標(biāo)及其分級(jí)與實(shí)際發(fā)生的凍害情況較吻合，即可用凍害綜合氣候指標(biāo)分析臨潼石榴遭受凍害的程度，并對(duì)畝(667 m2)產(chǎn)記錄未知年份和歷史災(zāi)情進(jìn)行驗(yàn)證。

1)計(jì)算1991-1993年凍害綜合氣候指標(biāo)Z發(fā)現(xiàn)，1991年Z值為-14.71，達(dá)重度凍害；1992年Z值為-9.50，達(dá)重度凍害；1993年Z值為-8.78，達(dá)重度凍害。根據(jù)查閱資料和走訪調(diào)查，1991年臨潼石榴遭受了歷史上毀滅性災(zāi)害，驗(yàn)證了臨潼石榴在相應(yīng)年份遭受的凍害等級(jí)。

2)2020年凍害綜合氣候指標(biāo)Z值為-8.44，達(dá)重度凍害。根據(jù)園區(qū)調(diào)查，由于2020年冬季石榴樹體受凍，造成石榴果量減少，減產(chǎn)明顯，通過(guò)z值驗(yàn)證。

3.4.2 精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)應(yīng)用

為更好將指標(biāo)及分級(jí)應(yīng)用于氣象服務(wù)，選取2020年12月27-31日降溫過(guò)程為對(duì)象模擬進(jìn)行石榴精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)服務(wù)。

應(yīng)用個(gè)例：臨潼區(qū)氣象臺(tái)發(fā)布重要天氣報(bào)告,受高空偏南暖濕氣流和北方冷空氣南下影響，預(yù)計(jì)12月27-31日將有一次降雪、吹風(fēng)、強(qiáng)降溫天氣過(guò)程。27日晚-28日城區(qū)有小雪，南部山區(qū)小到中雪，28-30日有5級(jí)左右偏北風(fēng)，陣風(fēng)可達(dá)6級(jí)，30-31日最低氣溫北部平原-10～-8 ℃，南部山區(qū)-12～-10 ℃。

精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)30日、31日2:00后均出現(xiàn)可能影響石榴生長(zhǎng)的凍害溫度，根據(jù)公式(3)計(jì)算Z值為：城區(qū)-6.97，為輕度風(fēng)險(xiǎn);山區(qū)-8.73，為重度風(fēng)險(xiǎn)(見表5)。

表5 石榴凍害格點(diǎn)預(yù)報(bào)氣象服務(wù)應(yīng)用

根據(jù)表5，基于臨潼GIS地圖制作臨潼區(qū)石榴產(chǎn)區(qū)受凍風(fēng)險(xiǎn)圖用于氣象服務(wù)，為石榴生產(chǎn)管理提供保障服務(wù)(見圖2)。

圖2 臨潼區(qū)石榴產(chǎn)區(qū)受凍風(fēng)險(xiǎn)圖

4 討論與結(jié)論

1)影響石榴凍害的主要?dú)庀笠蜃訛闃O端最低氣溫、低溫持續(xù)日數(shù)和低溫過(guò)程有害積寒。將3個(gè)致災(zāi)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到的石榴凍害綜合氣候指標(biāo)，包括：輕度，-7.56≤Z<-6.77；中度，-8.36≤Z<-7.56；重度，Z<-8.36。

2)通過(guò)典型年對(duì)比驗(yàn)證及智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)應(yīng)用，石榴凍害綜合氣候指標(biāo)能較好的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)石榴凍害風(fēng)險(xiǎn)，為氣象服務(wù)石榴高質(zhì)量發(fā)展提供模式支撐。

3)由于引起果樹凍害的因子復(fù)雜，且凍害程度還和植物學(xué)因子的有關(guān)[30-32]。本文目前只針對(duì)影響石榴凍害重要的氣象因子—?dú)鉁剡M(jìn)行了分析，暫未對(duì)臨潼石榴遭受凍害后的植物生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。其他氣象因子對(duì)石榴凍害的影響程度及其指標(biāo)建立和等級(jí)劃分等工作，還有待今后進(jìn)一步研究。

4)隨著國(guó)內(nèi)外石榴品種軟籽化發(fā)展趨勢(shì)，此模式將根據(jù)臨潼主栽品種的變化和服務(wù)需要及時(shí)修訂和完善。