近30年重庆市晚熟柑橘冬季极端冻害模拟分析

李泽明　 唐余学

摘要 利用重庆市1984～2013年12月～次年2月的逐日最低气温资料，在考虑海拔高度的影响下，模拟分析了极端冻害在重庆市晚熟柑橘适宜区的时空分布规律以及风险等级。结果表明，在重庆市晚熟柑橘适宜区，极端冻害多出现在12月下旬，发生的程度一般为轻度冻害，发生的面积约占适宜区总面积的1/4左右，发生的概率一般低于4%，东北部的梁平、忠县、奉节、云阳等地和中部的垫江、长寿以及西部的合川、江津、渝北等地冻害发生的风险较低。重庆市长江沿岸海拔400 m以下的大部地区，适宜晚熟柑橘栽培，但部分地区仍需要做好冻害防御。

关键词 晚熟柑橘；极端冻害；风险；模拟；冬季；重庆市

中图分类号 S162.5+5 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）08-02421-04

Simulation Analysis of Extreme Freezing Injury of Latematuring Citrus in Winter in Recent 30 years

LI Zeming， TANG Yuxue （Chongqing Meteorological Information and Technical Support Center， Chongqing 401147； Chongqing Institute of Meteorological Sciences， Chongqing 401147）

Abstract By using the daily minimum temperature during December to February from 1984 to 2013 in Chongqing， based on effect of altitude， spatial and temporal distribution and risk levels of simulate analysis of extreme freezing injury of latematuring citrus in winter were completed. The results showed that extreme freezing injury of latematuring often occurred in late December， and a lesser degree of occurrence， the percentage of total suitable area was 25%， and probability was less than 4%. Lowrisk areas included Liangping， Zhongxian， Fengjie and Yunyang etc in Northeastern Chongqing and Dianjiang， Changshou in centre region of Chongqing， and Hechuan， Jiangjin， Yubei in Western Chongqing. Latematuring citrus were suitable in most areas below the altitude of 400 meters along the Yangtze River in Chongqing， defense of freezing injury was premeditated yet.

Key words Latematuring citrus； Extreme freezing injury； Risk； Simulation； Winter； Congqing City

重庆市位于长江上游、四川盆地东南部，降水丰沛，光热充足，冬暖春早，終年少霜雪，适宜晚熟柑橘生长。晚熟柑橘错季上市，经济效益可观，近年来种植面积逐年增长，2012年约6.0万hm2。根据农业部《全国柑橘优势区域发展规划》的相关内容，到2015年，重庆市将发展晚熟柑橘6.7万hm2，建设成为我国最大的晚熟柑橘基地。尽管重庆市自然条件得天独厚，但冬季仍有冻害发生，成为发展晚熟柑橘的最大障碍。晚熟柑橘在冬季（12月～次年2月）如遭遇冻害，将造成留树果实受冻或脱落，果实被冻伤后出现留疤、变形、溃烂等情况，十分影响销售。2008年1月，重庆市出现了罕见的雨雪冰冻天气，忠县以夏橙为主要品种的晚熟柑橘落果现象严重，部分果园落果率达40%，万州部分地区冻伤柑橘果实每吨降低售价400元左右[1]。由于冻害对晚熟柑橘经济效益的影响十分严重，因此其空间分布特征在一定程度上左右着晚熟柑橘的产业布局。了解冻害发生的时间、区域、范围等特征，有助于决策者和生产者正确选择种植区域、制定冻害防御的长远规划。

目前，在对柑橘冻害的研究中，一般以现布设的气象站点观测资料为依据。但重庆市地形地貌复杂，天气气候局地特征较强，单个气象站点的气象观测记录并不能充分反映行政区域内的立体气候状况。形成冻害的基本气象因子是最低气温，发生冻害期间的极端最低气温（极端低温）则反映了冻害的最严重程度，暂称为“极端冻害”，而多年的极端冻害一般能用对应时段的极端低温进行描述。重庆晚熟柑橘冻害发生极少，因此可以通过对极端冻害的模拟，研究在最严重的情况下冻害发生的规律。笔者拟以DEM数据为基础，利用近30年各站点在冬季每天的极端最低气温，模拟晚熟柑橘适宜栽培区冬季的极端冻害并对其进行分析，以期为晚熟柑橘种植前的选址、果园冬季冻害防御规划等各方面提供有益的参考。

1 资料与方法

1.1 资料及处理

所用最低气温数据为1984～2013年的12月～次年2月的34个气象站点的逐日最低气温资料，该数据来源于重庆市气象局。日极端最低气温采用Tij=Min（Tik）（k=1，2，3…）公式进行处理，式中Tij为冬季第i个站点第j日的极端最低气温，Tik为第i个站点1984～2013年里每年第k日的日最低气温。1∶25万数字高程模型（DEM）来源于重庆市地理信息中心，空间分辨率100 m×100 m。根据DEM数据划定了晚熟柑橘栽培的适宜区域，主要分布在重庆市西部浅丘、河谷地区以及重庆中部、东北部的长江沿岸地区。气象站点及晚熟柑橘适宜区域分布如图1所示。

图1 重庆市气象站点分布及晚熟柑橘适宜区域

1.2 研究方法

1.2.1 极端冻害的界限及等级划分。

在我国冬季冻害出现较多的主要柑橘种植区，如湖北、江西、浙江等地，常将-3、-5或-7 ℃作为柑橘冻害的临界指标之一[2-4]。在对重庆市2008、2011、2012年等年份的晚熟柑橘冻害调查时发现，果园的温度-1.7 ℃左右时，冻害就已经产生，温度越低，冻害越严重；2013年出现严重冻害时，奉节等地的一些果园的凹地由于“冷湖效应”，出现过-6～-7 ℃的低温。因此，重庆晚熟柑橘冻害发生的最低气温临界指标应在-1.7 ℃左右，低至-6 ℃时将出现十分严重的冻害。参考朱海涛等的研究成果[5]，将重庆市晚熟柑橘遭受冻害的临界温度定为最低气温-1.5 ℃。

极端冻害以危害负积温为指标，计算公式为Kij=（Tis-T0p），式中Kij为第i个站点第j日的危害负积温，Tis为第i个站点第s日的极端最低气温，T0p为晚熟柑橘冻害的临界温度，T0p=-1.5 ℃。如冻害的等级亦以危害负积温的多少划分为3级，则危害负积温0～-2 ℃·d为轻度冻害，-2～-4 ℃·d为中度冻害，低于-4 ℃·d（绝对值大于4 ℃·d）为重度冻害。

1.2.2 冬季极端冻害发生概率的计算。

冬季极端冻害的发生概率等于日最低气温达到冻害标准的天数除以冬季总天数，计算公式为P=D/N×100%，式中，P为发生概率，D为冻害天数，N为冬季总天数。

1.2.3 冬季极端冻害的风险分析。从概念上讲，风险是一件事或一系列不同强度时间发生的概率和时间后果这2个因素的函数[6]。由此，极端冻害综合指数可定义为极端冻害发生的概率与严重程度（即危害负积温）的综合指标，用轻度冻害、中度冻害、重度冻害的概率与概率权重系数的乘积之和表示。在此采用主成分方法进行分析，首先将原数据标准化，公式为yij=xij-xminxmax-xmin；其次，轻度冻害、中度冻害、重度冻害分别用变量x1、x2、x3表示，并构建它们新变量的综合指标Z1、Z2、Z3，分别为原变量的第1、2、3主成分，从Z1到Z3方差依次减小，可表示为

最后，用SPSS软件进行主成分计算，并用主成分变量建立模型Q=3i=1μiPi，式中，Pi是主成分变量，μi是主成分的权重系数，即各主成分的方差贡献率。将主成分变量及权重系数代入公式，得到极端冻害综合指数模型：Q=0.801Z1。

按照ArcGis软件提供的自然断点分级方法（Natural Breaks），将模型计算的极端冻害风险等级分为4级：指数>-3为极低风险，指数在-3～-6為低风险，指数在-6～-9为中等风险，指数<-9为高风险。

2 结果与分析

2.1 最低气温与海拔高度的关系

海拔高度是影响气温地域分布的重要因子。宏观上可以认为，在对流层范围内，海拔高度每升高100 m，气温平均约降低0.65 ℃。具体到某个区域或某个时段，气温随海拔高度的变化则出现不同的情况。蔡迪花等基于DEM数据对甘肃省河东区的平均气温进行分析，发现平均气温随海拔高度的递减率随着季节变化存在差异[7]；张海静等计算出青海省1月最低气温随海拔高度的递减率为1.1 ℃/100 m，7月则为0.7 ℃/100 m[8]，表明在不同的季节，最低气温随海拔高度增加亦呈现不同的规律。因此，笔者将重庆市1984～2013年的冬季里在同一天内同样天气状况下的站点的最低气温和海拔高度资料进行相关分析，并用一元线性回归方法计算最低气温随海拔高度变化的100 m递减率，结果（表1）表明，最低气温与海拔高度存在极显著的负相关关系，相关系数在-0.417～-0.480；最低气温随海拔的增加逐渐降低，12、1和2月的海拔高度100 m递减率分别为-0.8、-0.9、-0.8 ℃，可见在冬季的各月里，最低气温随海拔高度的增加递减率的差异较小，可以取这3个月的平均值-0.83 ℃/100m作为整个冬季的最低气温海拔高度100 m递减率。

2.2 基于DEM的最低气温空间插值

根据表1的最低气温海拔高度100 m递减率进行计算，将34个气象站点的1984～2013年12月～次年2月的逐日极端最低气温统一订

正到虚拟海平面，并应用ArcGis的克里金插值方法（Kriging）将虚拟海平面的极端最低气温在晚熟柑橘适宜区进行空间插值；根据在DEM中提取的海拔高度，再次应用表1的最低气温100 m递减率，将最低气温推算到DEM栅格的每个格点，得到基于海拔高度的极端最低气温空

间分布图。从1月1日气象站点的极端最低气温和空间插值后的极端最低气温（图2）可以看出，1月1日，重庆市各气象站点的极端最低气温为-6.9～1.1 ℃，东北部的城口最低，江津、巴南最高；根据海拔高度进行空间插值后，极端最低气温的范围扩大至-16.7～10.5 ℃，东北部大巴山脉区域的气温最低，其次为东南部七曜山的气温，西部的气温最高。可见，插值前后，气温高低分布形势二者基本相似，但插值后更能体现出地形对气温立体分布的影响。

2.3 冬季极端冻害的主要时段与空间分布

根据极端冻害的定义可知，当晚熟柑橘适宜区内任一个栅格值小于-1.5（即负积温多于-1.5 ℃·d），则认为区域出现冻害，在一定时段内达到该条件的天数即是发生冻害的天数，相应地，栅格的数量用于描述冻害的发生范围。从近30年里重庆市冬季晚熟柑橘出现冻害的天数（图3）上看，12月下旬、1月中旬和1月下旬天数最多，一般在7 d以上，其余时段天数较

少，一般为1～3 d；从出现冻害的栅格数量上看，明显地可划分为3个等级，冻害范围最大的是12月下旬，冻害栅格数量达18万个，远大于冬季其他旬的冻害范围，其次是1月中旬、1月下旬和2月上旬，冻害栅格数量为4～6万个，且随时间后移范围变小，其余各旬为第3等级。从总体上看，12月下旬极端冻害的发生天数和发生范围均为冬季各旬之冠。

间分布情况（图4）可见，冻害主要为轻度冻害，约占晚熟柑

橘适宜区面积的25.6%，中度冻害和重度冻害分别约占4.8%和4.1%。轻度冻害主要分布在重庆市中部以及西部的部分区县，主要包括垫江、长寿、合川、铜梁、永川、双桥、荣昌等地，危害负积温在0～-1.5 ℃·d的地区占轻度冻害面积的74.6%，东北部的梁平、忠县、云阳等地，几乎连轻度冻害也没有，是晚熟柑橘绝佳的栽培地区；中度冻害主要分布在中部的垫江以及西部的荣昌、大足等地，其中危害负积温在-2.0～-3.2 ℃·d的地区占中度冻害面积的81.0%；重度冻害分布的范围较小，主要集中在东北部的开县、万州等地，其中危害负积温在-6.0～-5.5 ℃·d的地区占重度冻害面积的92.1%。

图4 重庆市晚熟柑橘冬季轻度冻害（a）、中度冻害（b）和重度冻害（c）的空间分布

42卷8期 李泽明等 近30年重庆市晚熟柑橘冬季极端冻害模拟分析

2.4 冬季极端冻害的发生概率 由重庆市晚熟柑橘适宜栽培区的极端冻害发生概率情况（图5）可见，大部分地区发生冻害的概率均在4%以下，栅格数量占发生冻害栅格数的78.4%；少数地区冻害的发生概率达6%～8%，约占总数的16.7%，主要分布在东北部的开县、万州和西部的荣昌、大足等地；东北部开县的局部地区发生概率超过10%，约占总数的5.9%。这与高阳华等的研究结论长江和嘉陵江沿线及重庆西部的大部分地区属冻害少发区[9]基本吻合。

2.5 冬季极端冻害的风险分布 由SPSS软件进行的主成分计算结果（表2）可见，主成分1的方差累积贡献率超过80%，故新的综合变量为Z1，其表达式为Z1=0.854x1+0.968x2+0.558x3。将风险计算的结果绘成图（图6）可见，在晚熟柑橘适宜栽培区的极端冻害风险区主要为极低风险

图5 重庆市晚熟柑橘极端冻害发生概率

区和低风险区，极低风险区约占总面积的38.2%，低风险区占总面积的52.1%，中等风险区、高风险区分别占总面积的7.5%、2.2%；极低风险区主要分布在重庆市东北部的梁平、忠县、奉节、云阳等地，低风险区主要分布在重庆中部的垫江、长寿和西部的合川、江津、渝北等地，中等风险区和高风险区主要分布在开县的部分地区；风险程度不同的区域并不呈一致分布，而是呈交杂分布，即不同风险等级的区域存在彼此交叉的现象，这主要是由于局部气温的条件不同而引起冻害风险的差异；一个行政区域内，存在多个风险区，如长寿区、垫江縣既有极低风险区，也有低风险区。

3 结论

（1）重庆市晚熟柑橘适宜区的极端冻害出现天数最多的是12月下旬，一般在7 d以上，出现范围也最大，且远大于冬

季其余各旬的冻害范围，其次是1月中旬～2月上旬，据统

计，近几年的冻害也常发生在12月下旬～2月上旬[10]。极端冻害的等级一般为轻度冻害，约占晚熟柑橘适宜区总面积的25.6%，主要分布在重庆市中部以及西部的部分区县。

（2）在极端低温的情形下，冻害的发生概率一般低于

4%，少数地区冻害的发生概率达6%～8%，主要分布在东北

部的开县、万州和西部的荣昌、大足等地，仅东北部开县的局部地区发生概率超过10%。

（3）东北部的梁平、忠县、奉节、云阳等地和中部的垫江、长寿以及西部的合川、江津、渝北等地极端冻害发生的风险较低，占晚熟柑橘适宜栽培区总面积的90.3%，中风险和高风险区占9.7%，意味着在长江沿岸海拔400 m以下的大部分地区，适宜晚熟柑橘栽培，但仍然需要针对海拔相对较高的地方做好一般性冻害的防御规划。

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