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        紹興市柯橋區(qū)霜現(xiàn)象氣候特征及出現(xiàn)概率預(yù)報(bào)方法

        2022-12-31 07:28:04周弘媛鄭選軍楊欣潔
        中國科學(xué)探險(xiǎn) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:最低氣溫霜凍柯橋

        周弘媛,鄭選軍,楊欣潔

        紹興市柯橋區(qū)氣象局

        霜凍害是指在早春或晚秋時(shí)節(jié),氣溫突然下降危害作物生長,繼而影響作物經(jīng)濟(jì)效益的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。為科學(xué)提升作物霜凍防御能力,我國學(xué)者進(jìn)行了大量研究。金志鳳等諸多學(xué)者結(jié)合茶樹、枇杷、冬小麥等作物開展霜凍害氣候指標(biāo)建立和風(fēng)險(xiǎn)分析[1-4]。受全球氣候變化的影響,浙江省氣候發(fā)生變化,暖冬明顯,茶葉等作物萌動(dòng)提前,春霜凍害也呈現(xiàn)出多發(fā)重發(fā)態(tài)勢(shì)[5-6],嚴(yán)重威脅作物生產(chǎn)安全?!对降夭枋贰吩敿?xì)記錄了1998—2018年霜凍、倒春寒等災(zāi)害對(duì)柯橋名優(yōu)茶、特早生和部分早生兩種茶樹等造成的嚴(yán)重影響,僅2015—2018年,試點(diǎn)階段觸發(fā)茶葉低溫氣象指數(shù)保險(xiǎn)10次,理賠金額達(dá)172萬元。因此,準(zhǔn)確地開展霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率預(yù)報(bào)方法研究,對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采取有效應(yīng)對(duì)措施,提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益意義重大。

        眾多學(xué)者開展了霜凍災(zāi)害方面的研究,一些學(xué)者從初霜、終霜的氣候變化特征及對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響進(jìn)行分析[7-10];一些學(xué)者從大氣環(huán)流形式、初霜早晚與氣象因子內(nèi)在關(guān)系、數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律等方面開展初霜凍預(yù)報(bào)方法研究[11-12];也有學(xué)者通過單次霜凍災(zāi)害的調(diào)研來分析驗(yàn)證低溫霜凍評(píng)估指標(biāo)的準(zhǔn)確性,但較少關(guān)于霜凍天氣預(yù)報(bào)的研究。霜期持續(xù)時(shí)間較長,農(nóng)業(yè)部門和種養(yǎng)大戶無法長時(shí)間開展大范圍霜凍防御措施,尤其是作物生長后期遭遇霜凍,將帶來巨大損失,因此,有必要對(duì)霜現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)。本文以紹興市柯橋區(qū)為研究對(duì)象,探討其霜現(xiàn)象的氣候特征,并研究出現(xiàn)概率的預(yù)報(bào)方法,為農(nóng)作物生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供可靠的參考依據(jù)。

        1 資料與方法

        1.1 資料

        柯橋國家站1981—2017年逐日溫度、濕度、風(fēng)、降水、日照等要素資料及霜現(xiàn)象觀測(cè)資料,其中1981—2010年觀測(cè)資料用以建立霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率預(yù)報(bào)方程,2011—2017年觀測(cè)資料用以檢驗(yàn)預(yù)報(bào)方程的效果。

        1.2 方法

        為建立準(zhǔn)確、有效的出霜概率預(yù)報(bào)方程,本文定義了全要素?cái)M合、大系數(shù)擬合、高相關(guān)擬合三種擬合預(yù)報(bào)方式。其中,全要素?cái)M合指將所有可能影響霜現(xiàn)象的氣象要素與霜現(xiàn)象開展的擬合預(yù)報(bào);大系數(shù)擬合指全要素?cái)M合中擬合系數(shù)較大(≥0.002)的氣象要素對(duì)霜現(xiàn)象的擬合預(yù)報(bào);高相關(guān)擬合指與關(guān)系密切的氣象要素(相關(guān)系數(shù)≥0.3)對(duì)霜現(xiàn)象的擬合預(yù)報(bào)。

        2 霜現(xiàn)象氣候特征

        2.1 常年(1981—2010年)特征

        柯橋區(qū)常年霜日37.8 d,最多為53 d(1995和2003年),最少為19 d(2007年);常年初霜日在11月21日,最早在10月30日,最晚在12月15日;常年終霜日在3月12日,最早在2月4日,最晚在4月16日。因此,本文將可能出霜時(shí)段(10月至次年4月)定義為霜期。

        2.2 年(代)際特征

        1961—2017年,霜期的初終日期年際變化明顯,具體特點(diǎn)如下:終霜日較常年偏遲20 d以上的個(gè)例均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代以前,終霜較常年偏早20 d以上的個(gè)例均在21世紀(jì)之后,終霜日有0.5 d/y的提前趨勢(shì)。其中,20世紀(jì)60年代和70年代,終霜晚于常年終霜日的比例達(dá)90%,有6年終霜日在4月,較常年嚴(yán)重偏遲;20世紀(jì)80年代,終霜期變動(dòng)較大,1985年與1987年的終霜日相差53 d;20世紀(jì)90年代起終霜日較常年開始提前,21世紀(jì)以來終霜日提前明顯,71%的年份終霜早于常年終霜日。初霜期也存在類似現(xiàn)象,初霜日總體有每年延后0.3 d的趨勢(shì),初霜較常年偏遲20 d以上的個(gè)例均在21世紀(jì)之后,初霜較常年偏早20 d以上的個(gè)例均在20世紀(jì)90年代以前。年霜日呈現(xiàn)出波動(dòng)減小的趨勢(shì),總體表現(xiàn)為每10年減少2 d,尤其是21世紀(jì)以來,減少趨勢(shì)明顯,2006年以來,年霜日普遍低于常年值。

        3 霜現(xiàn)象與最低氣溫的相關(guān)性

        檢驗(yàn)各氣象要素和霜現(xiàn)象的相關(guān)性發(fā)現(xiàn),僅日最低氣溫的相關(guān)性高于50%,故預(yù)判日最低氣溫為霜現(xiàn)象出現(xiàn)的主要因子。

        為深入了解日最低氣溫與霜現(xiàn)象的關(guān)系,本節(jié)分低溫段繪制1981—2010年霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率,水平參照線分別表示5個(gè)出霜概率:可能性極低、可能性較小、有可能、可能性較大、可能性很大。發(fā)現(xiàn):當(dāng)日最低氣溫高于6 ℃時(shí),無霜;當(dāng)日最低氣溫為4.5~6 ℃時(shí),出現(xiàn)霜的可能性極低;當(dāng)日最低氣溫為3~4.5 ℃時(shí),出現(xiàn)霜的可能性較??;當(dāng)日最低氣溫為1.5~3 ℃時(shí),可能出現(xiàn)霜;當(dāng)日最低氣溫為-0.5~1.5 ℃時(shí),出現(xiàn)霜的可能性較大;當(dāng)氣溫低于-0.5 ℃時(shí),出現(xiàn)霜的可能性很大。日最低氣溫與出霜概率有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,下文將根據(jù)最低氣溫分段開展霜現(xiàn)象預(yù)報(bào)研究。

        4 霜現(xiàn)象預(yù)報(bào)方法

        4.1 預(yù)報(bào)規(guī)則

        為提高霜概率預(yù)報(bào)公式的可用性,本段通過全要素?cái)M合、大系數(shù)擬合、高相關(guān)擬合三種擬合方式對(duì)柯橋國家站(58453)1981—2010年霜期,且日最低氣溫低于6 ℃的分析樣本開展分段研究分析,并參照TS評(píng)分方法統(tǒng)計(jì)了各擬合結(jié)果的準(zhǔn)確率、空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率。分析發(fā)現(xiàn),該方法無漏報(bào)現(xiàn)象,低溫和擬合閾值相同的情況下,三種擬合方式擬合結(jié)果的準(zhǔn)確率差距較小,80%的準(zhǔn)確率差異低于0.01,10%的準(zhǔn)確率差異大于0.02,最大為0.04;各低溫段與霜現(xiàn)象相關(guān)性較大的氣象因子差異較大,當(dāng)日最低氣溫低于-0.5 ℃時(shí),日平均氣溫、日最高氣溫、日最大相對(duì)濕度等11個(gè)氣象因子的相關(guān)性高于0.3,當(dāng)日最低氣溫為1.5~3 ℃時(shí),僅日平均氣溫、日最高氣溫、日平均相對(duì)濕度等7個(gè)氣象因子的相關(guān)性高于0.3,當(dāng)日最低氣溫為4.5~6 ℃時(shí),各氣象因子與霜現(xiàn)象的相關(guān)系數(shù)普遍低于0.2。因此,本文依托大系數(shù)擬合方式(以下簡稱擬合)開展較簡便、準(zhǔn)確的霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率擬合預(yù)報(bào)。

        分析1981—2010年霜期擬合值,有如下結(jié)論:擬合值區(qū)間為-0.75~0.97,其中正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的區(qū)間(-0.2~0.5)占比86%,具有較明顯的正態(tài)分布特征;當(dāng)且僅當(dāng)擬合值大于等于0.2時(shí),才有霜;擬合值在不同低溫段代表的準(zhǔn)確率不同,即代表的出霜概率不同;各低溫段,均有擬合值越高,出現(xiàn)霜的可能性越大的特征;日最低氣溫為3~4.5 ℃時(shí),擬合值普遍低于0.6,但擬合值高于0.5時(shí),出現(xiàn)霜的概率仍可達(dá)80%;日最低氣溫高于4.5 ℃時(shí),擬合值普遍低于0.2,且與霜無明顯關(guān)系,與該溫度下無高相關(guān)氣象要素結(jié)論一致,鑒于該低溫段霜出現(xiàn)的概率低于2%,故當(dāng)預(yù)報(bào)最低氣溫高于4.5 ℃時(shí),默認(rèn)不可能出現(xiàn)霜。

        表1 1981-2010年霜現(xiàn)象擬合概率表 單位/%

        為做好霜出現(xiàn)概率分級(jí)預(yù)報(bào),將出霜概率分為極有可能、很可能、有可能和不可能四級(jí),檢驗(yàn)常年霜現(xiàn)象擬合值發(fā)現(xiàn),極有可能出霜的準(zhǔn)確率達(dá)98%,很可能出霜的準(zhǔn)確率達(dá)88%,有可能出霜的準(zhǔn)確率為35%,不可能出霜的準(zhǔn)確率達(dá)98%,可見上述擬合規(guī)則能較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)霜出現(xiàn)概率。

        4.2 預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

        本段用該預(yù)報(bào)方法對(duì)2011—2017年霜現(xiàn)象做進(jìn)一步檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn):與常年資料有類似的結(jié)論,當(dāng)日最低氣溫高于6 ℃時(shí),無霜;當(dāng)日最低氣溫為5~6 ℃時(shí)出現(xiàn)霜的可能性極低,當(dāng)日最低氣溫在2.5~4 ℃時(shí)出現(xiàn)霜的可能性較小,當(dāng)日最低氣溫在-0.5~2.5 ℃時(shí)可能出現(xiàn)霜,當(dāng)日最低氣溫在-0.5 ℃時(shí)出現(xiàn)霜的概率較大。另外,計(jì)算2011—2017年霜期霜現(xiàn)象擬合概率,極有可能出霜(>=95%)的準(zhǔn)確率達(dá)90%,很可能出霜(60%~95%)的準(zhǔn)確率達(dá)80%,有可能出霜(50%~60%)的準(zhǔn)確率為32%,不可能出霜(<5%)的準(zhǔn)確率達(dá)95%,總體表現(xiàn)較好。對(duì)《越地茶史》、區(qū)農(nóng)業(yè)局茶葉霜凍記錄時(shí)段的預(yù)測(cè)效果檢驗(yàn)正確率幾乎達(dá)100%,完全可以在業(yè)務(wù)上應(yīng)用與推廣。

        5 討論

        2011—2017年霜現(xiàn)象預(yù)測(cè)的效果檢驗(yàn)較好,極有可能出霜的準(zhǔn)確率達(dá)90%,很可能出霜的準(zhǔn)確率達(dá)80%,有可能出霜的準(zhǔn)確率為32%,不可能出霜的準(zhǔn)確率達(dá)95%;另外,1998—2018年有茶葉致災(zāi)霜凍記錄時(shí)段的預(yù)測(cè)效果檢驗(yàn)正確率幾乎達(dá)100%,滿足業(yè)務(wù)服務(wù)。

        1961—2017年霜期的初終日期年際變化明顯,終霜期有0.5 d/y的提前趨勢(shì),初霜日有0.3 d/y的延后趨勢(shì),導(dǎo)致年霜日呈波動(dòng)減小趨勢(shì),總體表現(xiàn)為每十年減少2 d,尤其是本世紀(jì)以來,減少趨勢(shì)明顯,2006年以來年霜日普遍低于常年值(37.8 d)。

        霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率預(yù)報(bào)方程算出霜出現(xiàn)概率,具有方法簡便、原理明確、易掌握等特點(diǎn),后期為提升出霜概率預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,將結(jié)合高低空環(huán)流形式開展進(jìn)一步研究分析。

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