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

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節(jié)，氣溫突然下降危害作物生長，繼而影響作物經(jīng)濟效益的一種農(nóng)業(yè)氣象災害。為科學提升作物霜凍防御能力，我國學者進行了大量研究。金志鳳等諸多學者結合茶樹、枇杷、冬小麥等作物開展霜凍害氣候指標建立和風險分析［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，茶葉等作物萌動提前，春霜凍害也呈現(xiàn)出多發(fā)重發(fā)態(tài)勢［5-6］，嚴重威脅作物生產(chǎn)安全?！对降夭枋贰吩敿氂涗浟?998—2018年霜凍、倒春寒等災害對柯橋名優(yōu)茶、特早生和部分早生兩種茶樹等造成的嚴重影響，僅2015—2018年，試點階段觸發(fā)茶葉低溫氣象指數(shù)保險10次，理賠金額達172萬元。因此，準確地開展霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率預報方法研究，對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采取有效應對措施，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益意義重大。

眾多學者開展了霜凍災害方面的研究，一些學者從初霜、終霜的氣候變化特征及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響進行分析［7-10］；一些學者從大氣環(huán)流形式、初霜早晚與氣象因子內(nèi)在關系、數(shù)理統(tǒng)計規(guī)律等方面開展初霜凍預報方法研究［11-12］；也有學者通過單次霜凍災害的調(diào)研來分析驗證低溫霜凍評估指標的準確性，但較少關于霜凍天氣預報的研究。霜期持續(xù)時間較長，農(nóng)業(yè)部門和種養(yǎng)大戶無法長時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，有必要對霜現(xiàn)象進行科學預測。本文以紹興市柯橋區(qū)為研究對象，探討其霜現(xiàn)象的氣候特征，并研究出現(xiàn)概率的預報方法，為農(nóng)作物生產(chǎn)防災減災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、降水、日照等要素資料及霜現(xiàn)象觀測資料，其中1981—2010年觀測資料用以建立霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率預報方程，2011—2017年觀測資料用以檢驗預報方程的效果。

1.2 方法

為建立準確、有效的出霜概率預報方程，本文定義了全要素擬合、大系數(shù)擬合、高相關擬合三種擬合預報方式。其中，全要素擬合指將所有可能影響霜現(xiàn)象的氣象要素與霜現(xiàn)象開展的擬合預報；大系數(shù)擬合指全要素擬合中擬合系數(shù)較大（≥0.002）的氣象要素對霜現(xiàn)象的擬合預報；高相關擬合指與關系密切的氣象要素（相關系數(shù)≥0.3）對霜現(xiàn)象的擬合預報。

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，具體特點如下：終霜日較常年偏遲20 d以上的個例均出現(xiàn)在20世紀90年代以前，終霜較常年偏早20 d以上的個例均在21世紀之后，終霜日有0.5 d/y的提前趨勢。其中，20世紀60年代和70年代，終霜晚于常年終霜日的比例達90%，有6年終霜日在4月，較常年嚴重偏遲；20世紀80年代，終霜期變動較大，1985年與1987年的終霜日相差53 d；20世紀90年代起終霜日較常年開始提前，21世紀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，初霜較常年偏遲20 d以上的個例均在21世紀之后，初霜較常年偏早20 d以上的個例均在20世紀90年代以前。年霜日呈現(xiàn)出波動減小的趨勢，總體表現(xiàn)為每10年減少2 d，尤其是21世紀以來，減少趨勢明顯，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性

檢驗各氣象要素和霜現(xiàn)象的相關性發(fā)現(xiàn)，僅日最低氣溫的相關性高于50%，故預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)：當日最低氣溫高于6 ℃時，無霜；當日最低氣溫為4.5～6 ℃時，出現(xiàn)霜的可能性極低；當日最低氣溫為3～4.5 ℃時，出現(xiàn)霜的可能性較小；當日最低氣溫為1.5～3 ℃時，可能出現(xiàn)霜；當日最低氣溫為-0.5～1.5 ℃時，出現(xiàn)霜的可能性較大；當氣溫低于-0.5 ℃時，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應關系，下文將根據(jù)最低氣溫分段開展霜現(xiàn)象預報研究。

4 霜現(xiàn)象預報方法

4.1 預報規(guī)則

為提高霜概率預報公式的可用性，本段通過全要素擬合、大系數(shù)擬合、高相關擬合三種擬合方式對柯橋國家站（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評分方法統(tǒng)計了各擬合結果的準確率、空報率和漏報率。分析發(fā)現(xiàn)，該方法無漏報現(xiàn)象，低溫和擬合閾值相同的情況下，三種擬合方式擬合結果的準確率差距較小，80%的準確率差異低于0.01，10%的準確率差異大于0.02，最大為0.04；各低溫段與霜現(xiàn)象相關性較大的氣象因子差異較大，當日最低氣溫低于-0.5 ℃時，日平均氣溫、日最高氣溫、日最大相對濕度等11個氣象因子的相關性高于0.3，當日最低氣溫為1.5～3 ℃時，僅日平均氣溫、日最高氣溫、日平均相對濕度等7個氣象因子的相關性高于0.3，當日最低氣溫為4.5～6 ℃時，各氣象因子與霜現(xiàn)象的相關系數(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、準確的霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率擬合預報。

分析1981—2010年霜期擬合值，有如下結論：擬合值區(qū)間為-0.75～0.97，其中正負一個標準差的區(qū)間（-0.2～0.5）占比86%，具有較明顯的正態(tài)分布特征；當且僅當擬合值大于等于0.2時，才有霜；擬合值在不同低溫段代表的準確率不同，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，擬合值普遍低于0.6，但擬合值高于0.5時，出現(xiàn)霜的概率仍可達80%；日最低氣溫高于4.5 ℃時，擬合值普遍低于0.2，且與霜無明顯關系，與該溫度下無高相關氣象要素結論一致，鑒于該低溫段霜出現(xiàn)的概率低于2%，故當預報最低氣溫高于4.5 ℃時，默認不可能出現(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)概率分級預報，將出霜概率分為極有可能、很可能、有可能和不可能四級，檢驗常年霜現(xiàn)象擬合值發(fā)現(xiàn)，極有可能出霜的準確率達98%，很可能出霜的準確率達88%，有可能出霜的準確率為35%，不可能出霜的準確率達98%，可見上述擬合規(guī)則能較準確的預報霜出現(xiàn)概率。

4.2 預報檢驗

本段用該預報方法對2011—2017年霜現(xiàn)象做進一步檢驗，發(fā)現(xiàn)：與常年資料有類似的結論，當日最低氣溫高于6 ℃時，無霜；當日最低氣溫為5～6 ℃時出現(xiàn)霜的可能性極低，當日最低氣溫在2.5～4 ℃時出現(xiàn)霜的可能性較小，當日最低氣溫在-0.5～2.5 ℃時可能出現(xiàn)霜，當日最低氣溫在-0.5 ℃時出現(xiàn)霜的概率較大。另外，計算2011—2017年霜期霜現(xiàn)象擬合概率，極有可能出霜（＞=95%）的準確率達90%，很可能出霜（60%～95%）的準確率達80%，有可能出霜（50%～60%）的準確率為32%，不可能出霜（＜5%）的準確率達95%，總體表現(xiàn)較好。對《越地茶史》、區(qū)農(nóng)業(yè)局茶葉霜凍記錄時段的預測效果檢驗正確率幾乎達100%，完全可以在業(yè)務上應用與推廣。

5 討論

2011—2017年霜現(xiàn)象預測的效果檢驗較好，極有可能出霜的準確率達90%，很可能出霜的準確率達80%，有可能出霜的準確率為32%，不可能出霜的準確率達95%；另外，1998—2018年有茶葉致災霜凍記錄時段的預測效果檢驗正確率幾乎達100%，滿足業(yè)務服務。

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，初霜日有0.3 d/y的延后趨勢，導致年霜日呈波動減小趨勢，總體表現(xiàn)為每十年減少2 d，尤其是本世紀以來，減少趨勢明顯，2006年以來年霜日普遍低于常年值（37.8 d）。

霜現(xiàn)象出現(xiàn)概率預報方程算出霜出現(xiàn)概率，具有方法簡便、原理明確、易掌握等特點，后期為提升出霜概率預報的準確性，將結合高低空環(huán)流形式開展進一步研究分析。