吉春容，火勛國(guó)，谷 然，張山清*，李迎春，張祖蓮

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心/新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

全球氣候變化加劇了農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生，新疆林果種植業(yè)長(zhǎng)期以來一直受到低溫霜凍、高溫、大風(fēng)沙塵、冰雹等多類型氣象災(zāi)害的影響[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，低溫凍害（霜凍）造成林果業(yè)受災(zāi)面積占比為17.2%，對(duì)林果生產(chǎn)的影響越來越大，人們也更加關(guān)注氣候效應(yīng)給林果生產(chǎn)帶來的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[2]。

霜凍是指在作物生長(zhǎng)季，植株表面溫度降至0 ℃以下使植株體內(nèi)水分形成冰晶，造成作物受害的低溫凍害[3]；果樹遭受霜凍后常常會(huì)造成花芽、枝條、葉片和新長(zhǎng)出的幼嫩器官褐變、樹勢(shì)變?nèi)?，進(jìn)而影響開花座果，造成減產(chǎn)。研究表明[4-6]，低溫強(qiáng)度和低溫持續(xù)時(shí)間是決定霜凍災(zāi)害是否發(fā)生、發(fā)生強(qiáng)度的關(guān)鍵性因子。關(guān)于橄欖樹[7]、龍眼[8]、香蕉[9]、蘋果[10]、荔枝[11]等果樹的研究表明，可根據(jù)歷史災(zāi)情、實(shí)地觀測(cè)和氣象因子等資料，從最低氣溫提出果樹枝條、葉片受凍等級(jí)指標(biāo)。有學(xué)者采用最低溫度、負(fù)積溫、最冷月平均溫度[12]，或者采用極端最低氣溫、最大降溫幅度、低溫持續(xù)日數(shù)、有害積寒值等建立凍害綜合指標(biāo)[13]，或者采用氣溫、降水及其持續(xù)時(shí)間構(gòu)建柑橘凍害[14]、蘋果霜凍[15]、枇杷[16]幼果凍害等級(jí)指標(biāo)。也有通過人工氣候箱模擬試驗(yàn)確定蘋果花期的霜凍指標(biāo)為極端最低氣溫、0 ℃以下低溫持續(xù)時(shí)間，以受凍率和受凍表現(xiàn)描述蘋果花受凍后的生理形態(tài)[15]。還有學(xué)者通過枸杞花期霜凍模擬試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同溫度及其不同持續(xù)時(shí)間下枸杞花期的受凍率，引入危害積溫的概念，建立的指標(biāo)更符合客觀實(shí)際[17]。

果樹往往因某次強(qiáng)低溫天氣過程而遭受嚴(yán)重?fù)p失，有不少研究成果已經(jīng)建立了不同果樹[18-19]低溫災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警模式，利用探空站最低氣溫，并結(jié)合前期云量、風(fēng)速、濕度值估算降溫幅度，對(duì)最低氣溫進(jìn)行短時(shí)預(yù)報(bào)，然后結(jié)合不同果樹抗低溫災(zāi)害指標(biāo)進(jìn)行果樹凍害或霜凍災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警。還有很多學(xué)者進(jìn)行了不同果樹[19]引種凍害風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃，開展了基于GIS 的避凍[20]區(qū)劃以及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)估（蘋果、香蕉、荔枝、蜜桔、枇杷、臍橙）[21-23]，應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了果樹[24]凍害監(jiān)測(cè)，并集成到區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)[25-27]開展果樹凍害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)。

圍繞霜凍天氣過程特征、變化規(guī)律以及致災(zāi)機(jī)理、災(zāi)害防御[28]等方面開展研究獲得的眾多成果，為開展不同果樹霜凍災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù)。新疆是全國(guó)果品的主要產(chǎn)區(qū)，庫爾勒香梨更是馳名中外，也是當(dāng)?shù)亓止a(chǎn)的支柱產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民增收的主要渠道[29]。明確香梨低溫災(zāi)害受災(zāi)指標(biāo)，開展風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警并提前防范，是防災(zāi)減災(zāi)減損的有效途徑。本文基于已有研究成果和全國(guó)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范，選擇最低氣溫、低溫持續(xù)時(shí)間、降溫幅度等致災(zāi)因子構(gòu)建了香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，基于格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行了香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并開展受災(zāi)果園災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，結(jié)合氣象實(shí)況對(duì)致災(zāi)指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行了適用性驗(yàn)證，以期為制作、發(fā)布精準(zhǔn)化香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，采取有效防凍措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1981—2020 年的新疆霜凍災(zāi)情信息，包括農(nóng)作物受災(zāi)面積、農(nóng)作物類型和受災(zāi)區(qū)域，來源于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典（新疆卷）》[30]、新疆統(tǒng)計(jì)年鑒[31]、災(zāi)情直報(bào)系統(tǒng)。1981—2020 年氣象資料，包括全疆105個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的日平均氣溫、日最低氣溫，氣象資料和格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)均來自新疆氣象信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 霜凍災(zāi)害過程指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)1981—2020 年的新疆霜凍災(zāi)情資料，參考應(yīng)急管理部2021 年印發(fā)的第一次全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范FXPC/YJ P-11《自然災(zāi)害農(nóng)作物綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》、《全國(guó)氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范》，統(tǒng)計(jì)分析1981—2020 年霜凍災(zāi)害發(fā)生過程的日最低氣溫、降溫幅度、低溫持續(xù)時(shí)間，作為霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子。

1.2.2 霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算

利用加權(quán)法構(gòu)建霜凍災(zāi)害致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：Hfrost為霜凍危險(xiǎn)性指數(shù)，Dfros為霜凍災(zāi)害過程低溫持續(xù)時(shí)間（d），MaxΔT 為霜凍災(zāi)害過程降溫幅度（℃）、Tmin為霜凍災(zāi)害過程日最低氣溫（℃），分別對(duì)3 個(gè)致災(zāi)因子指數(shù)進(jìn)行歸一化；A、B、C 為權(quán)重系數(shù)，參考《全國(guó)氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范》采用信息熵賦值法確定，分別為0.15、0.21、0.64。

1.2.3 承災(zāi)體暴露度指數(shù)計(jì)算

參照QX/T 527-2019，以區(qū)域范圍內(nèi)承災(zāi)體種植面積與總面積之比作為承災(zāi)體暴露度指標(biāo)，暴露度指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：IVS為承災(zāi)體暴露度指數(shù)，SE為區(qū)域內(nèi)承災(zāi)體種植面積（hm2），S 為區(qū)域承災(zāi)體總種植面積（hm2）。本文承災(zāi)體區(qū)域?yàn)樾陆?、庫爾勒市?/p>

1.2.4 承災(zāi)體脆弱性指數(shù)計(jì)算

以區(qū)域范圍內(nèi)農(nóng)作物受災(zāi)面積與農(nóng)作物總種植面積之比作為脆弱性指標(biāo)，脆弱性指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Vi為承災(zāi)體脆弱性指數(shù)，SV為受災(zāi)面積（hm2），S 為農(nóng)作物種植總面積（hm2）。

1.2.5 霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

綜合霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)、承災(zāi)體暴露度指數(shù)和脆弱性指數(shù)，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，計(jì)算公式為：

式中：R 為承災(zāi)體霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，H 為危險(xiǎn)性指數(shù)，E 為承災(zāi)體暴露度指數(shù)，V 為脆弱性指數(shù)。

根據(jù)應(yīng)急管理部2021 年印發(fā)的第一次全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范FXPC/YJ P-11《自然災(zāi)害農(nóng)作物綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》，暫不考慮承災(zāi)體脆弱性差異，即Vi取1，式（4）簡(jiǎn)化為

運(yùn)用ArcGIS 對(duì)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體暴露度指標(biāo)進(jìn)行柵格化處理，分辨率為500 m×500 m。采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型計(jì)算霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，通過自然斷點(diǎn)法劃分5 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，繪制霜凍風(fēng)險(xiǎn)分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布特征

2.1.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布特征

由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布（圖1）可知，春季霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)的空間分布總體呈現(xiàn)北部高、南部低，山區(qū)高、平原地帶低的特點(diǎn)。北疆西部、天山北坡的西部和中部農(nóng)區(qū)，南疆西部山區(qū)和昆侖山北坡的山前農(nóng)區(qū)，為霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性高等級(jí)區(qū)。北疆北部、天山北坡東部農(nóng)區(qū)，為霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性較高等級(jí)區(qū)。東疆大部、沙漠和山區(qū)除外的南疆其余大部農(nóng)區(qū)，為霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性較低等級(jí)區(qū)。

圖1 霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性等級(jí)分布

2.1.2 香梨暴露度分布特征

承災(zāi)體的易損性是指暴露在致險(xiǎn)要素影響范圍內(nèi)的承災(zāi)體數(shù)量或面積，香梨種植的易損性通過暴露度指數(shù)來評(píng)價(jià)，暴露度等級(jí)越高，遭受霜凍后的損失越高。從圖2 可知，香梨暴露度等級(jí)分布，庫爾勒市及其周圍種植區(qū)、阿克蘇市及其南部部分種植區(qū)為高、較高等級(jí)區(qū)域，易損性大；巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)其余大部，和田、喀什地區(qū)北部的香梨種植區(qū)為暴露度中等級(jí)區(qū)域；全疆其他各地為香梨種植低或較低暴露度等級(jí)區(qū)。

圖2 香梨暴露度等級(jí)分布

2.1.3 霜凍風(fēng)險(xiǎn)分布特征

綜合考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體，得到香梨春季霜凍風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布圖（圖3），高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（占3.2%）和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（占14.3%），主要分布在北疆西部、天山北坡中部以及南疆巴州北部、阿克蘇市及其南部部分區(qū)域，遭受霜凍的風(fēng)險(xiǎn)和損失較高；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（占21.2%）主要分布在北疆東北部、南疆巴州的東南部、阿克蘇地區(qū)大部以及和田地區(qū)和喀什地區(qū)的北部區(qū)域；北疆北部、東疆大部、南疆西部的平原區(qū)大部為較低、低等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

2.2 霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型服務(wù)應(yīng)用分析

根據(jù)構(gòu)建的霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，結(jié)合2023年3 月30 日格點(diǎn)預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品，基于香梨種植氣候適宜性區(qū)劃研究結(jié)果[32]，繪制了不同時(shí)間（未來1～7 d）、不同程度（高、較高、中、較低、低等級(jí)）香梨果樹霜凍風(fēng)險(xiǎn)影響預(yù)估區(qū)域。由于區(qū)劃結(jié)論與香梨實(shí)際種植區(qū)域并未完全重合，因此僅對(duì)香梨主產(chǎn)區(qū)的霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了應(yīng)用分析。如圖4 中新疆東部的部分區(qū)域根據(jù)氣候區(qū)劃指標(biāo)屬于香梨適宜種植區(qū)域，但實(shí)際生產(chǎn)中該區(qū)域并不屬于香梨主產(chǎn)區(qū)，但在此次天氣過程中達(dá)到了香梨凍害指標(biāo)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖4 4 月2—5 日香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警

由圖4 可知，4 月2 日伊犁州西部、輪臺(tái)縣南部、若羌縣大部梨產(chǎn)區(qū)存在較高風(fēng)險(xiǎn)；4 月3 日霍城縣和伊寧市大部、庫車縣南部、若羌縣大部、且末縣中部以及輪臺(tái)縣產(chǎn)區(qū)存在較高風(fēng)險(xiǎn)；4 月4—5 日巴州和阿克蘇地區(qū)大部產(chǎn)區(qū)均存在較高風(fēng)險(xiǎn)，其中庫爾勒市東部、尉犁縣大部、輪臺(tái)縣南部、庫車縣南部等主產(chǎn)區(qū)均處于霜凍災(zāi)害較高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)。

3 霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型適用性分析

采用氣象實(shí)況和香梨果園現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害觀測(cè)相結(jié)合，對(duì)香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和影響預(yù)估區(qū)域進(jìn)行了驗(yàn)證和適用性分析。根據(jù)已有研究成果，4 月初庫爾勒香梨處于展葉期和開花前期，受凍臨界溫度花蕾期為-2.2 ℃、開花期為-1.7 ℃。2023 年春季，受3 月30 日—4 月3 日寒潮天氣過程影響，庫爾勒市香梨種植區(qū)最低氣溫降至0 ℃以下，低溫時(shí)段主要集中4 月4—6 日。從圖5 可以看出，日最低氣溫從東向西呈逐漸上升趨勢(shì)，香梨種植區(qū)的最低氣溫為-7.4～0.4 ℃。其中經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)香梨園氣溫最低，為-7.4 ℃，阿瓦提鄉(xiāng)、英下鄉(xiāng)、上戶鎮(zhèn)、沙依東園藝場(chǎng)、包頭湖農(nóng)場(chǎng)、托布里其鄉(xiāng)、哈拉玉宮鄉(xiāng)最低氣溫為-5.6～-4.4 ℃，阿瓦提農(nóng)場(chǎng)、29 團(tuán)、普惠農(nóng)場(chǎng)、蘭干鄉(xiāng)、30 團(tuán)、和什力克鄉(xiāng)、哈拉蘇原種場(chǎng)為-4.0～-2.1℃，庫爾勒市區(qū)、哈拉蘇鄉(xiāng)、庫爾楚園藝場(chǎng)為-1.7～-1.3 ℃。香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響的預(yù)估區(qū)域，為經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)、阿瓦提鄉(xiāng)、沙依東園藝場(chǎng)、包頭湖農(nóng)場(chǎng)、托布里其鄉(xiāng)、阿瓦提農(nóng)場(chǎng)、庫爾楚園藝場(chǎng)等，從氣象實(shí)況看與4 月4、5 日巴州和阿克蘇地區(qū)大部產(chǎn)區(qū)均存在較高風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)估區(qū)域（圖4）比較一致。

圖5 庫爾勒市香梨種植區(qū)4 月4—6 日最低氣溫分布

從香梨果園災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，3 月30日—4 月3 日出現(xiàn)雨雪、降溫天氣，大面積香梨果樹受凍，受其影響，部分果樹花期推遲，已開花的果樹也因霜凍花苞受凍、雌蕊雄蕊變黑，影響幼果形成。根據(jù)香梨果園受凍百分率進(jìn)行霜凍災(zāi)害發(fā)生等級(jí)劃分（圖6）可以看出，阿瓦提鄉(xiāng)、經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)、沙依東園藝場(chǎng)、包頭湖農(nóng)場(chǎng)為香梨受凍程度重度等級(jí)區(qū)，英下鄉(xiāng)、托布里其鄉(xiāng)、上戶鎮(zhèn)為為受凍較重等級(jí)區(qū)，29團(tuán)、哈拉玉宮鄉(xiāng)、阿瓦提農(nóng)場(chǎng)、普惠農(nóng)場(chǎng)為受凍中度等級(jí)區(qū)，30 團(tuán)、蘭干鄉(xiāng)、庫爾楚園藝場(chǎng)、和什力克鄉(xiāng)為受凍較輕等級(jí)區(qū)，庫爾勒市區(qū)、哈拉蘇鄉(xiāng)、哈拉蘇原種場(chǎng)為受凍輕度等級(jí)區(qū)。

圖6 庫爾勒市香梨種植區(qū)霜凍災(zāi)害發(fā)生等級(jí)分布

綜合分析調(diào)查區(qū)域的香梨災(zāi)害發(fā)生情況，霜凍災(zāi)害實(shí)際發(fā)生區(qū)域、災(zāi)害程度與香梨樹霜凍風(fēng)險(xiǎn)影響預(yù)估區(qū)域、預(yù)估等級(jí)一致率分別達(dá)到94.7%、89.4%，采用的香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型具有客觀性和合理性。

4 結(jié)論

（1）新疆春季霜凍危險(xiǎn)性空間分布，總體呈北部高、南部低的特點(diǎn)，北疆西部、天山北坡西部和中部區(qū)域的農(nóng)區(qū)，遭受霜凍天氣影響的次數(shù)較多，屬于霜凍致災(zāi)危險(xiǎn)性高等級(jí)區(qū)域。

（2）承災(zāi)體香梨暴露度等級(jí)較高的區(qū)域，主要分布在庫爾勒市及其周圍種植區(qū)、阿克蘇市及其南部部分種植區(qū)，遭受霜凍后的損失較高。

（3）香梨遭受春季霜凍的風(fēng)險(xiǎn)分布，高、較高等級(jí)主要分布在北疆西部、天山北坡的西部和中部以及南疆巴州北部、阿克蘇市及其南部部分區(qū)域，遭受霜凍的風(fēng)險(xiǎn)和損失較高。

（4）選擇過程最低氣溫、降溫幅度、低溫持續(xù)時(shí)間作為致災(zāi)因子計(jì)算霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)，基于種植面積計(jì)算承災(zāi)體暴露度指數(shù)，綜合構(gòu)建的霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，結(jié)合格點(diǎn)預(yù)報(bào)對(duì)香梨霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估區(qū)域和影響等級(jí)比較吻合，該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法具有客觀性和合理性。

（5）結(jié)合氣象實(shí)況和果園災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以看出，在霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)不同影響程度如重度、輕度等級(jí)分別存在5.2%、2.6%的差異，需要進(jìn)一步深入研究風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的數(shù)據(jù)和方法，并結(jié)合果園種植區(qū)域環(huán)境條件細(xì)化霜凍指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。另外，本研究還缺少與實(shí)際生產(chǎn)完全一致的香梨種植區(qū)域，需要進(jìn)一步開展評(píng)估模型在香梨種植區(qū)域的檢驗(yàn)和應(yīng)用完善。同時(shí)，本結(jié)論僅是基于2023 年3 月30 日—4 月6日寒潮降溫天氣對(duì)庫爾勒市香梨的影響進(jìn)行調(diào)研而初步得到，對(duì)全疆不同區(qū)域、不同生長(zhǎng)發(fā)育階段出現(xiàn)的寒潮降溫天氣對(duì)香梨的影響，有待繼續(xù)深入研究。