王曉， 勵(lì)臣儒， 林宏偉， 楊棟*

(1.象山縣氣象局，浙江 寧波 315700； 2.寧波市氣象局， 浙江 寧波 315012； 3.慈溪市氣象局，浙江 寧波 315300)

浙江屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年氣溫適中，雨量豐沛，雨熱季節(jié)變化同步，非常適宜梨的生長，使得浙江省成為全國南方梨的重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)之一。目前，全省70多個(gè)縣(市、區(qū))有梨樹栽培，截至2019年，全省梨的種植面積為2.03萬hm2，產(chǎn)量達(dá)38.1萬t。梨的產(chǎn)量和品質(zhì)的形成與氣象條件密切相關(guān)，受氣候變化的影響，近年來極端氣候事件頻發(fā)，對梨安全生產(chǎn)構(gòu)成一定威脅。科學(xué)合理地分析梨氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，可為梨可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究既是災(zāi)害學(xué)和農(nóng)業(yè)氣象學(xué)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)，又是當(dāng)前政府相關(guān)管理部門和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門亟須的應(yīng)用性較強(qiáng)的課題[1]。災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析研究的核心內(nèi)容，是風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)，對于減災(zāi)降險(xiǎn)具有舉足輕重的作用[2]。趙思健等[3]認(rèn)為，通過構(gòu)建氣象災(zāi)害指數(shù)和異常優(yōu)化匹配技術(shù)量化氣象災(zāi)害與產(chǎn)量損失之間的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)作物氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的識別與評估。由于監(jiān)測手段、評估技術(shù)等方面限制，果樹氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評估仍然處于探索和研究的起步階段，農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中對農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響的評估也多以定性評價(jià)為主，缺乏對農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、損失、經(jīng)濟(jì)影響的定量分析和動(dòng)態(tài)評估跟蹤能力。

本文針對浙江地區(qū)梨關(guān)鍵生育期內(nèi)常見氣象災(zāi)害，構(gòu)建精細(xì)化的氣象災(zāi)害指數(shù)，并對浙江省梨氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。以寧波余姚區(qū)梨為例，利用災(zāi)害指數(shù)構(gòu)建氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型，對所構(gòu)建的災(zāi)害指數(shù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來自慈溪、象山、余姚、鄞州地區(qū)的國家氣象觀測站，資料時(shí)間為1971—2019年，氣象要素主要包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、日照時(shí)數(shù)、日極大風(fēng)速。試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)包括2018—2020年梨關(guān)鍵物候期(芽膨大期、展葉期、始花期、末花期、抽梢期、新梢停止生長期、成熟期)。1995—2018年慈溪和余姚區(qū)梨種植面積及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《寧波市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 氣象災(zāi)害指數(shù)

通過災(zāi)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、農(nóng)戶走訪調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)查閱，確定梨常見氣象災(zāi)害種類和氣象指標(biāo)。根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)積累總結(jié)，梨常見氣象災(zāi)害種類分為陰雨寡照、低溫凍害、大風(fēng)、強(qiáng)降水和高溫5種。每種災(zāi)害統(tǒng)一劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)等級，等級越高表明災(zāi)害影響越大。

陰雨寡照主要影響開花—成熟階段。Ⅰ級為連續(xù)降水3～5 d，且日照時(shí)數(shù)≤3 h；Ⅱ級為連續(xù)降水6～8 d，且日照時(shí)數(shù)≤3 h；Ⅲ級為連續(xù)降水9～11 d，且日照時(shí)數(shù)≤3 h；Ⅳ級為連續(xù)降水≥12 d，且日照時(shí)數(shù)≤3 h。

低溫凍害主要影響開花期。Ⅰ級：-2 ℃≤日最低氣溫<0 ℃；Ⅱ級：-4 ℃≤日最低氣溫<-2 ℃；Ⅲ級：-6 ℃≤日最低氣溫<-4 ℃；Ⅳ級：日最低氣溫<-6 ℃。

大風(fēng)主要影響硬核—成熟期階段。對硬核期的影響指標(biāo)：Ⅰ級為陣風(fēng)7級，Ⅱ級為陣風(fēng)8級，Ⅲ級為陣風(fēng)9級，Ⅳ級為陣風(fēng)10級及以上；對成熟期影響指標(biāo)：Ⅰ級為陣風(fēng)6級，Ⅱ級為陣風(fēng)7級，Ⅲ級為陣風(fēng)8級，Ⅳ級為陣風(fēng)9級及以上。

強(qiáng)降水主要影響硬核—成熟期。Ⅰ級：30 mm≤日降水<50 mm；Ⅱ級：50 mm≤日降水<100 mm；Ⅲ級：100 mm≤日降水<200 mm；Ⅳ級：日降水≥200 mm。

高溫主要影響生長—成熟期。Ⅰ級：連續(xù)2～4 d日最高氣溫超37 ℃；Ⅱ級：連續(xù)5～7 d日最高氣溫超37 ℃；Ⅲ級：連續(xù)8～10 d日最高氣溫超37 ℃；Ⅳ級：連續(xù)≥11 d日最高氣溫超37 ℃。

為進(jìn)一步提高評估精度，將每個(gè)等級災(zāi)害按等比例法進(jìn)一步細(xì)分為3個(gè)等級，共計(jì)12個(gè)等級，Ⅰ(1～3)、Ⅱ(4～6)、Ⅲ(7～9)、Ⅳ(10～12)，并由小到大賦值1～12。統(tǒng)計(jì)梨主要產(chǎn)區(qū)歷年不同等級災(zāi)害(1～12)發(fā)生頻次，計(jì)算不同年份某種氣象災(zāi)害的影響評分：

(1)

式中：D為某種氣象災(zāi)害影響評分；i=1～12，為災(zāi)害等級；ni為災(zāi)害等級i出現(xiàn)頻次；Li為災(zāi)害等級i的評分，Li=i。

利用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法對研究區(qū)評分進(jìn)行歸一化處理，建立各氣象災(zāi)害的指數(shù)。

(2)

式中：Ij為災(zāi)害j的災(zāi)害指數(shù)；Dj為災(zāi)害j的影響評分；Dj_min和Dj_max分別為梨主產(chǎn)區(qū)內(nèi)災(zāi)害j歷年評分的最小值和最大值。

將不同災(zāi)害指數(shù)相累加，計(jì)算災(zāi)害累加指數(shù)，作為典型災(zāi)害年和低災(zāi)害年篩選依據(jù)。

(3)

式中：Is為災(zāi)害累加指數(shù)；m為災(zāi)害種類；Ij為災(zāi)害j的災(zāi)害指數(shù)。

1.3 基于災(zāi)害指數(shù)的氣象產(chǎn)量模擬

按影響要素差異，作物產(chǎn)量可分解為趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)產(chǎn)量，其中隨機(jī)產(chǎn)量可忽略不計(jì)。

Y=Yt+Yw。

(4)

式中：Y為實(shí)際產(chǎn)量；Yt為趨勢產(chǎn)量；Yw為氣象產(chǎn)量。本研究選用二次多項(xiàng)式和有理數(shù)法對趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量進(jìn)行分離。

利用相對氣象產(chǎn)量定量評估氣象要素對產(chǎn)量形成影響的大小，以降低時(shí)間和地域?qū)Ξa(chǎn)量影響的限制。

(5)

式中，Ya為相對氣象產(chǎn)量，正值表示氣象因子有利于產(chǎn)量形成，反之則表明不利于產(chǎn)量形成。

利用災(zāi)害綜合指數(shù)Is對產(chǎn)量分離效果進(jìn)行評價(jià)，具體參考文獻(xiàn)[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 浙江省梨氣象災(zāi)害時(shí)間變化特征

圖1顯示，1971—2019年，浙江省梨花期低溫凍害災(zāi)害指數(shù)平均值僅為0.03，2000年后鮮有發(fā)生，10 a整體氣候傾向率為-0.013。花期連陰雨災(zāi)害指數(shù)平均為0.28，呈先升后降的趨勢，10 a整體氣候傾向率為-0.004，20世紀(jì)90年代最高，連陰雨災(zāi)害指數(shù)平均為0.34?；ㄆ诖箫L(fēng)災(zāi)害指數(shù)平均為0.18，21世紀(jì)前花期大風(fēng)災(zāi)害指數(shù)較低，平均值為0.08；進(jìn)入21世紀(jì)后災(zāi)害指數(shù)跳躍式上升，平均值為0.33，10 a整體氣候傾向率為0.074。生長期高溫災(zāi)害指數(shù)平均值為0.18，受全球氣候變暖影響，高溫災(zāi)害指數(shù)呈顯著上升趨勢，10 a氣候傾向率為0.055，21世紀(jì)高溫災(zāi)害指數(shù)為0.28，較20世紀(jì)偏高1.5倍。生長期連陰雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高，災(zāi)害指數(shù)平均值為0.42，1991—2000、2011—2019年災(zāi)害指數(shù)保持較高水平，平均值達(dá)0.48，10 a整體氣候傾向率為0.026。成熟期強(qiáng)降水和連陰雨災(zāi)害指數(shù)分別為0.19和0.26，均呈先降后升的趨勢，10 a氣候傾向率分別為0.020和0.021，20世紀(jì)90年代風(fēng)險(xiǎn)相對較低，分別為0.120和0.150。成熟期大風(fēng)災(zāi)害指數(shù)平均值為0.16，進(jìn)入21世紀(jì)大風(fēng)災(zāi)害指數(shù)呈跳躍式增長，災(zāi)害指數(shù)達(dá)0.3，10 a整體氣候傾向率為0.074。

圖1 浙江省梨主要?dú)庀鬄?zāi)害指數(shù)年際變化

2.2 浙江省梨氣象災(zāi)害空間變化

浙江省梨花期低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)由東南向西北逐步遞增，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在湖州西部和杭州西北部山區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)0.2～0.3?；ㄆ谶B陰雨災(zāi)害整體呈北部低、南部高，衢州、麗水中北部、溫州地區(qū)連陰雨風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)基本高于0.25。其中，衢州市區(qū)風(fēng)險(xiǎn)最高，達(dá)0.35～0.38，寧波象山、慈溪和鎮(zhèn)海沿海一帶為連陰雨低值區(qū)?；ㄆ诖箫L(fēng)高值區(qū)主要集中在杭州灣一帶及臺州溫嶺地區(qū)。

生長期高溫的高風(fēng)險(xiǎn)中心位于金華和麗水交界地區(qū)，沿海地區(qū)生長期高溫風(fēng)險(xiǎn)相對較低。生長期連陰雨風(fēng)險(xiǎn)整體較高，全省大部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)超0.35，其中寧波象山、臺州溫嶺和溫州樂清風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)超0.45。

成熟期強(qiáng)降水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)由西向東遞增，其中臺州溫嶺一帶災(zāi)害指數(shù)相對較高，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)0.35。成熟期連陰雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)由西南向東北遞增，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在湖州—杭州—紹興—寧波一帶。成熟期大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)整體較低，高值分布區(qū)與花期大風(fēng)分布相似。

2.3 氣象災(zāi)害指數(shù)可行性驗(yàn)證

以余姚為例計(jì)算余姚地區(qū)梨氣象災(zāi)害指數(shù)。基于累加災(zāi)害指數(shù)(圖2)，對梨典型災(zāi)害年和典型低災(zāi)害年進(jìn)行篩選，所選典型災(zāi)害年為2016、2014、2017、2007和2005年，典型低災(zāi)害年為1997、1996、1995、2009和2018年。

圖2 梨氣象累加災(zāi)害指數(shù)的年際變化

利用不同方法對余姚地區(qū)梨趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量進(jìn)行分離，挑選最佳參數(shù)設(shè)置方案。結(jié)果顯示，二次多項(xiàng)式和有理數(shù)(分子4階，分母3階)能較好地模擬梨趨勢產(chǎn)量。二次多項(xiàng)式擬合的準(zhǔn)確率和相關(guān)系數(shù)分別為87.5%和-0.65；有理數(shù)法擬合的準(zhǔn)確率和相關(guān)系數(shù)分別為87.5%和-0.55。二次多項(xiàng)式和有理數(shù)法擬合的趨勢產(chǎn)量前期趨勢基本一致，差異主要集中于2015—2018年，二次多項(xiàng)式擬合顯示梨產(chǎn)量呈現(xiàn)略微的下降趨勢，而有理數(shù)法仍呈上升趨勢。通過與災(zāi)害指數(shù)比對，二次多項(xiàng)式擬合的趨勢產(chǎn)量與實(shí)際更吻合(圖3)。

圖3 不同方法擬合的1995—2018年梨趨勢產(chǎn)量和相對氣象產(chǎn)量

利用GA-BP模型對2種方法所得的相對氣象產(chǎn)量進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，GA-BP方法對二次多項(xiàng)式法分離的相對氣象產(chǎn)量擬合效果更佳，回帶檢驗(yàn)的絕對誤差和均方根誤差分別為0.03和0.05，決定系數(shù)為0.82，預(yù)報(bào)檢驗(yàn)的絕對誤差和均方根誤差分別為0.04和0.05，決定系數(shù)高達(dá)0.81。

3 討論

近年來梨花期和成熟期大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)呈顯著上升趨勢，且高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在沿海一帶，沿海地區(qū)可適當(dāng)增加抗風(fēng)品種的種植，積極推廣套袋和加固技術(shù)，減少大風(fēng)引起的落果。

全球氣候變暖，使得生長季高溫風(fēng)險(xiǎn)明顯上升，應(yīng)加強(qiáng)夏季樹體修正，改善樹冠小氣候和梨園通風(fēng)，并適當(dāng)引種抗高溫品種，非抗高溫品種可適當(dāng)提高種植海拔高度。

生長—成熟期連陰雨和強(qiáng)降水風(fēng)險(xiǎn)高，且呈明顯上升趨勢，建議提高排水較好的丘陵地區(qū)種植比重，平原可適當(dāng)推廣避雨栽培，降低濕漬害風(fēng)險(xiǎn)。

基于災(zāi)害指數(shù)的梨氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型具有較高的精度，構(gòu)建的災(zāi)害指數(shù)可信度較高，對梨生長條件定量化觀測及安全生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。