2020, Vol. 28
2. 青岛市气象局 青岛 266003
2. Qingdao Meteorological Bureau, Qingdao 266003, China
在全球气候变暖背景下, 农业是气候变化最敏感的对象之一[1]。当前我国正处在发展生态农业和产业振兴大业时期, 选用优良品种和科学栽培[2-3]是提高农作物品质和产量的必由之路。然而, 我国是农业气象灾害多发重发地区之一[4-5], 做好农业气象灾害及生态气象灾害监测预测[6-7]对农业发展也十分重要。倒春寒是春季(3—5月)出现的前期暖后期冷, 且后期气温明显低于正常年份的天气现象[8-9]。主要由冷空气频繁侵入等原因造成, 当它们危及小麦(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)等作物时, 就会成为冻害、霜冻和春季低温冷害等农业气象灾害。近些年我国倒春寒时有发生[10-11]。由于春季冷空气在长江流域以南等地造成的持续性低温阴雨天气, 严重威胁到早稻育秧及秧苗, 吴增福等[12]给出了江南部分区域倒春寒的划分标准和预报方法。李勇等[13]、张淑惠[14]分别对贵州、福建倒春寒的时空演变规律等进行了研究。在北方对冻害、低温冷害及春季霜冻研究较多。王位泰等[15]研究了黄土高原中部的甘肃冬小麦生长对春季晚霜冻变化的影响, 指出甘肃1997年以来4月极端最低气温波动幅度增大, 2001年和2006年出现了最小值, 冻害严重。李茂松等[16]指出我国冬小麦主产区冻害发生的频率近年来呈加剧趋势。桑婧等[17]在研究近30年中国主要农业气象灾害典型场时空格局时发现, 我国在气候变化影响下, 低温冻害等主要农业气象灾害近几年受灾率等呈下降趋势, 但北方因灾损失程度却重于南方。与春季霜冻和低温冷害研究相比, 北方地区倒春寒研究相对较少。刘海涛等[18]研究北京地区倒春寒时空演变特征时指出, 北京地区倒春寒发生频率差异较大, 从南向北依次升高。青岛地处山东半岛东南部, 为气象灾害频发区域之一[19], 辖区内除沿海城市经济区外, 也是地貌类型多样的良好农区[20]。因农业气象灾害与气象灾害关系十分密切, 近年来受春季冷空气影响, 春季气温波动较大, 倒春寒天气时有发生。如2013年4月19—20日, 受较强冷空气影响, 青岛地区部分果树遭受冻害, 个别园片减产60%~80%。况且百年来尤其20世纪90年代以来青岛平均气温是增暖趋势[21-22]。当春季冷空气入侵时, 更易造成此类灾害性天气。而北方地区有关倒春寒研究较少, 甚至概念也较模糊[9, 23], 有关而青岛地区的倒春寒也更鲜有探讨, 因此对本地区倒春寒天气特征的研究尤为重要。2017年11月GB/T 34816—2017《倒春寒气象指标》颁布[8]。本研究依其定义及相关方法, 对青岛地区前期气象数据进行统计分析, 探讨其倒春寒气象等级、发生概率及时空演变特征, 并通过分析本地灾情普查资料, 得出倒春寒致灾概率。进一步分析灾情发生时气象条件, 得出本地致灾性倒春寒的气象指标, 为预测倒春寒天气趋势, 提高防御能力及气象防灾减灾服务。
1 资料与方法 1.1 资料来源气象资料选取青岛地区7个国家气象站1961—2015年共55年春季(3—5月)逐日平均气温、最低气温资料。7个国家气象站分别位于青岛、崂山、即墨、平度、莱西、胶州和黄岛(图 1)。图中崂山站位于李村(即李村站, 区别于崂山山脉), 青岛为单站(区别于青岛地区)。
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图 1 青岛地区地形和气象站点分布图 Fig. 1 Topography and distribution of meteorological stations in Qingdao area |
灾情资料选取1961—2015年青岛地区农作物冻害、霜冻或低温冷害资料。, 来源于青岛市民政局灾情普查、中国气象灾害大典(山东卷)[24]及青岛市农业农村局的调查的资料。1961—2015年青岛地区农作物冻害、霜冻或低温冷害资料。气象资料和灾情资料可靠性和连续性能满足研究需求。
1.2 研究方法据GB/T 34816—2017《倒春寒气象指标》, 倒春寒为春季(3—5月)出现的前期暖后期冷, 且后期气温明显低于正常年份的现象。倒春寒气象等级用气象指标K值表示, 分为3级, 计算公式为:
| $ K = \delta {T_1}/4 - \delta {T_2}/2 + L/10 $ | (1) |
式中: δT1、δT2和L分别为倒春寒前期偏暖程度过程持续天数、前期偏暖及后期偏冷程度及过程持续时间[8]。K≤3为轻度倒春寒, 3 < K < 5为中度倒春寒, K≥5为重度倒春寒。
根据定义, 首先确定前期偏暖程度δT1、后期偏冷程度δT2及持续时间L。δT1为此前连续10 d平均气温距平, 必须大于或等于0。δT2表示春季某时段平均气温较常年同期偏冷期间偏冷程度最大的连续10 d平均气温距平, 必须小于0。L表示持续天数时间, 为倒春寒起始日期到终止日期之间的天数(d), 应大于3, 表示倒春寒天气持续天数超过3 d。第二, 确定起始日期和终止日期。第三, 计算气象指标, 即对青岛地区1961—2015年共55年春季(3—5月)逐日平均气温资料循环计算, 得到各站1991—2015年倒春寒气象指标K值(其中, 1961—1990年数据作为第1个30年平均气候平均常年值使用)。然后按照K值大小划分倒春寒气象等级。
2 结果与分析 2.1 青岛地区倒春寒发生的次数和空间特征统计结果表明, 1991—2015年青岛地区各站倒春寒等级指标K在0.4~4.9, 均小于5(表略)。根据等级划分, 青岛地区无重度倒春寒, 有轻度和中度两级。倒春寒年际变化不均, 有的年份出现3次, 有的年份0次; 平均持续时长17.3 d, 其中轻度14.4 d, 中度23.3 d。
表 1为青岛地区1991—2015年累年倒春寒总发生次数及不同程度的占比。全区25年平均出现倒春寒26.6站次(年均1.1站次), 其中平度最多, 年均1.20次; 崂山最少, 年均0.92次。全区轻度和中度倒春寒占比分别为67.3%和32.7%。轻度南部的青岛、黄岛最多, 年均0.84次, 但各自站占比不一, 分别为75.0%和84.0%。中度即墨最多, 年均0.48次, 占单站的48.0%;黄岛最少, 年均0.16次, 占单站的16.0%。崂山倒春寒总数最少的原因主要与地形作用有关[25], 因崂山站地处崂山山麓南边, 山体阻挡了冷空气的侵入。同样, 即墨中度最多, 也与站点位于崂山山麓北边, 冷空气直接侵入且易出现堆积效应有关。
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表 1 青岛地区1991—2015年倒春寒年均总次数及轻度、中度倒春寒次数占比 Table 1 Annual averages of total number of late spring coldness, and frequencies and proportions of mild to moderate late spring coldness in Qingdao area from 1991 to 2015 |
根据青岛地区1991—2015年倒春寒发生次数逐年变化时间序列, 发现青岛站变化趋势不明显, 其余各站年际变化均呈减少趋势。图 2A为青岛(代表沿海地区)倒春寒年际变化趋势图, 倒春寒气候倾向率0.03次·(10a)-1, 变化不明显。图 2B为平度(代表内陆地区)倒春寒年际变化趋势图, 气候倾向率为—0.3次·(10a)-1, 变幅最大。其余5站气候倾向率均为负值(图略), 胶州最小, 为-0.1次·(10a)-1。说明青岛地区倒春寒年际变化主要为减少趋势。
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图 2 青岛站(代表沿海地区, A)和平度站(代表内陆地区, B)1991—2015年倒春寒年际变化趋势图 Fig. 2 Interannual trends of late spring coldness in Qingdao station (representing the coastal area, A) and Pingdu station (representing the inland area, B) from 1991 to 2015 |
从年代际变化看, 青岛单站略有增加, 其余各站均呈减少趋势(图 3)。青岛站前10年(1991—2000年)年均发生1.0次, 21世纪的15年(2001—2015年)年均发生1.2次; 其余站前10年(1991—2000年)年均发生1.0(崂山)~1.5次(平度), 后15年年均发生0.9(崂山、黄岛和即墨)~1.0次(胶州、莱西和平度)。可见20世纪90年代以来, 青岛地区倒春寒年代际变化主要呈减少趋势(青岛市区则略有增加)。
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图 3 青岛地区1991—2015年倒春寒年代际变率空间分布图 Fig. 3 Spatial distribution of interdecadal variability of late spring coldness in Qingdao during 1991—2015 |
统计显示, 青岛地区倒春寒在3月上旬至5月下旬均有发生。按月份统计, 3月、4月和5月各站倒春寒平均占比分别为34.6%、42.9%和22.6%, 4月出现概率最大。由于各站每年发生时段不一, 有的跨月份。将各站1991—2015年3月1日至5月31日逐日出现的倒春寒总次数求标准差, 将标准差≥1的日期作为高发时段[26], 青岛、崂山和即墨倒春寒出现在4月, 莱西、胶州和黄岛倒春寒出现在3月中、下旬—4月底5月初, 且莱西和胶州分2~3个时段出现, 而平度则主要集中在4月中下旬—5月初(表 2)。
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表 2 1991—2015年青岛地区各站点倒春寒高发时段(月-日) Table 2 High incidence period (month-day) of late spring coldness in each district of Qingdao |
青岛地区地势东高西低, 崂山主峰海拔1 132.7 m, 是胶东半岛第一高峰。农业区主要分布在西南沿海丘陵、北部丘陵及平洼地区。农作物有冬小麦、花生(Arachis hypogaea)、地瓜(Ipomoea batatas)等, 林果业主要有苹果(Malus pumila)、梨(Pyrus spp.)、桃(Amygdalus persica)和樱桃(Cerasus spp.)等[19]。从灾情资料得知, 1961—2015年青岛地区有19次春季霜冻、低温冷害和冻害(以下简称冻害)记录, 其中平度最多(11次), 占57.9%。1991—2015年共有7次冻害记录。从长序列看, 1961—2000年有12次冻害(年平均0.3次), 2001—2015年6次(年均0.4次)。可见21世纪以来, 青岛地区春季冻害呈增加趋势。由表 3可见, 1991—2015年7次冻害记录出现在6年里, 其中2009年3月下旬至4月初有2次记录, 1993年和2013年的2次过程影响范围较大, 前者为全区性受灾, 后者遭受区域性灾害, 2次过程记录为冻害。其余过程则影响范围较小, 为2站或1站, 记录为霜冻或低温冷害。从倒春寒统计结果看, 1993年和2013年全区分别有5站和4站统计出中度倒春寒, 出现时间在4月上旬至中旬。其余5次过程除2004年4月24日, 胶州和莱西记录为霜冻, 未统计出倒春寒外, 均在相应时段统计出轻度倒春寒。经分析判断, 该过程亦属轻度倒春寒(漏检原因后述)。从冻害发生时间分析, 4月冻害出现概率为85.7%, 因6次过程出现在4月, 其中1次跨月。4月份因为冬春转换季节, 冷空气活动频繁, 对春季气温增暖的贡献率最小[27]。由于1991—2015年全区平均出现26.6次倒春寒, 期间7次出现灾害, 可见致灾概率为26.3%。此类过程为致灾性倒春寒, 可造成霜冻、低温冷害或冻害这样的农业气象灾害。从致灾类型看, 中度和轻度有所不同。中度多造成农作物冻害, 轻度造成霜冻或低温冷害。另外, 从发生时段看, 中度时间略早, 在4月上旬和中旬; 轻度略晚, 在4月中下旬(占比为66.7%)。分析中度过程偏早的原因与早春冷空气偏强有关。
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表 3 青岛地区1991—2015年冻害过程最低气温、冷空气等级及倒春寒等级表 Table 3 Minimum temperature, cold air level intensity and late spring coldness grade of freezing injury processes in Qingdao area during 1991—2015 |
表 3给出了致灾性过程发生时最低气温和冷空气等级[28]。可见，多数过程为较强等级以上冷空气造成。其中有2次寒潮天气过程。而两次中度倒春寒过程分别由寒潮过程和较强冷空气过程引发，最低气温下降明显。1993年4月5—10日, 受寒潮影响, 4月8日莱西最低气温下降至—5.6 ℃, 造成小麦叶片受冻干枯, 穗部组织坏死, 全市小麦受冻面积4.03万hm2, 其中10 000 hm2已濒临死亡[24]。另一次过程为2013年4月中旬末, 受较强冷空气影响, 平度、胶州、黄岛发生冻害, 最低气温降至0.1 ℃(接近0 ℃)。5次轻度过程最低气温降至0.6~3.3 ℃。综合分析, 轻度过程发生时最低气温一般降至0~5 ℃, 中度一般降至0 ℃以下。另一气象条件分析为过程时段内的平均气温距平, 表 4给出了7次过程实际发生时段内平均气温距平及持续时间。表 4可见, 过程全区平均气温距平中度为–4.1 ℃和–5.3 ℃; 轻度为–3.9~–2.1 ℃, 且冻害发生区域数值多数低于全区平均。由此得出:轻度发生时过程平均气温距平在–4.0~–2.0℃; 中度在–4.0 ℃以下。另外, 表 4中的过程时长指过程实际持续时间, 可见明显低于统计时长，而且多数轻度过程为3d（过程实际时长是依据倒春寒定义和天气实况确定的。即起始日为前期平均气温明显偏高的终日, 终止日为后期气温明显升高的始日, 同时参考最低气温实况）。表 4可见, 中度倒春寒时长6 d和11 d, 轻度在3~4 d。综合分析确定轻度倒春寒持续时长3~5 d, 中度型持续6 d以上。
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表 4 青岛地区1991—2015年7次冻害过程平均气温距平及过程时长 Table 4 Mean temperature anomaly and process duration of 7 freezing damage processes in Qingdao area during 1991—2015 |
青岛地区主要农作物冬小麦3月下旬—4月上旬处于起身生长—拔节期, 4月中下旬处于拨节—孕穗期[29]。苹果3月下旬—4月上旬处于萌芽期, 4月中下旬为开花期、萌芽展叶、叶片生长期; 梨3月下旬—4月上旬处于萌芽期, 4月上中旬处于开花期, 4月下旬谢花。可见4月中下旬无论是冬小麦还是果树都属于生长敏感期, 此时遇到较强冷空气入境极易遭受霜冻灾害[30-31]。综合灾情与统计分析发现, 中度倒春寒影响范围为区域性的, 发生时段主要在3月下旬—4月中旬, 可引起农作物冻害发生; 轻度倒春寒则影响范围在2站以下, 主要出现在4月中旬—5月上旬, 可造成霜冻或低温冷害。值得关注的是轻度发生频率高, 发生时段与本地农作物生长关键期重叠, 遭受损失程度同样不容小觑。
2.4 致灾性倒春寒气象指标的确立综合灾害发生时最低气温、过程平均气温距平及持续时间3个因子, 得出青岛地区致灾性倒春寒气象指标:轻度型最低气温在0~5 ℃, 过程平均气温距平为—4.0~—2.0℃, 持续时间3~5 d; 中度型最低气温在0 ℃以下, 过程平均气温距平在—4.0 ℃以下, 持续时间在6 d以上(表 5)。
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表 5 青岛地区致灾性倒春寒气象指标 Table 5 Meteorological indexes of disaster causing late spring coldness in Qingdao |
青岛地区为北温带季风气候区, 沿海一带海洋性气候特点明显。通过GB/T 34816—2017《倒春寒气象指标》在本地应用, 对其适用性分析得出3条结论: 1)从过程上看, GB/T 34816—2017《倒春寒气象指标》在青岛地区适用准确性可达85.7%。这是因为7次倒春寒过程漏检1次。分析2004年4月24日过程漏检的原因, 是因为δT2(后期偏冷程度)达不到计算要求的0 ℃以下, 才被剔除。气象指标K计算公式δT2作为偏冷程度最大的连续10 d平均气温距平, 规定必须小于0 ℃。而2004年4月下旬δT2为0.1 ℃(未达标)。分析天气实况, 实际过程时段4月24—27日, 为4 d, 说明本次倒春寒实际持续时间较短, 此时段平均气温距平为—2.1 ℃。分析前期(3月中旬—4月上旬)平均气温偏高1.4 ℃, 至4月中旬偏高2.9 ℃, 过程结束后气温回升, 至5月中旬平均气温偏高1.2 ℃。这些都符合倒春寒定义[8]。只是实际过程只有4 d, 而前后气温高, 按10 d滑动平均气温计算的气温距平最低为0.1 ℃, 这样才被漏选。2)中度倒春寒统计与本地实况匹配度高, 表明气象等级统计基本准确。3)过程持续时间的统计偏长。分析原因发现, 按规定计算时将时长阈值定为25 d, 这与南方大部地区处于亚热带, 冷空气造成的低温阴雨寡照时间相对较长, 即天气过程较长的气候特点相符。而北方地区气候与南方存在明显差异, 空气中水汽含量较低, 天气过程应较南方偏短, 阈值仍定为25 d不合理。
3 结论与讨论青岛地区倒春寒年均出现1.1站次。3月上旬至5月下旬均有发生, 4月份发生概率最大。气象等级分轻度和中度两级, 无重度倒春寒。轻度与中度分别占比67.3%和32.7%。20世纪90年代以来, 倒春寒年际或年代际变化主要呈减少趋势。空间分布从西北部内陆到东南沿海逐渐减少。受到崂山山脉影响, 即墨发生中度倒春寒的概率最大。
青岛地区倒春寒致灾概率平均为26.3%, 此类倒春寒可带来霜冻、低温冷害或冻害等农业气象灾害, 造成农业经济损失。中度影响范围较大, 可造成区域性冻害发生, 主要发生时段略早于轻度, 在3月下旬—4月中旬, 这与早春冷空气偏强有关。轻度影响范围小于中度, 以单站或2站为主, 发生时段在4月中下旬概率较大, 可造成霜冻或低温冷害。由于轻度发生频率高于中度, 而且主要发生时段为本地果树、冬小麦等农作物生长关键期, 所以造成的危害依然较大。
致灾性倒春寒气象指标为:轻度型最低气温0~5 ℃, 过程平均气温距平为—4.0~—2.0 ℃, 持续时间3~5 d; 中度型最低气温在0 ℃以下, 过程平均气温距平在—4.0 ℃以下, 持续时间在6 d以上。
GB/T 34816—2017《倒春寒气象指标》基本适用于青岛地区。在过程统计上准确率可达85.7%，气象等级甄别准确率高于过程筛选。但是由于气候的差异, 在北方地区应用时存在过程时长统计比本地实况明显偏长的问题。另外, 气象指标公式里个别参数阈值设定在后续使用中应注意调节。
青岛站倒春寒年际变化不明显, 年代际变率甚至有所增加, 与青岛地区整体分布不一致。原因与青岛典型气候特征有关。受海洋的调节作用，青岛地区自东南沿海到西北内陆地区气温存在明显差异, 海洋性气候特点逐渐减弱。常年春夏季气温沿海地区低于内陆地区; 秋冬季则相反。从年平均气温来看, 青岛站为13.0 ℃, 高于青岛地区的12.8 ℃; 冬春季节转换从3月中旬起内陆地区平均气温开始高于沿海地区。反映在4月平均气温上, 青岛11.3 ℃低于青岛地区12.3 ℃。这一气候特征从常年进入气象意义春季指标上也得以体现:常年青岛地区大多在4月上旬陆续入春，胶州最早, 在4月6日, 青岛最晚, 在4月12日[32]。
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