贺兰山东麓半干旱区葡萄园最低气温和晚霜冻预报订正及检验

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-04-0649

干旱气象 ›› 2024, Vol. 42 ›› Issue (4): 649-659.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-04-0649

贺兰山东麓半干旱区葡萄园最低气温和晚霜冻预报订正及检验

杨婧¹^,²^,³^,⁴(), 朱海斌⁶, 张亚刚²^,³^,⁴, 张晓煜¹^,²^,³^,⁵(), 杨银²^,³^,⁴

1.宁夏大学葡萄酒与园艺学院，宁夏银川 750021
2.中国气象局干旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002
3.宁夏回族自治区气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002
4.宁夏气象台，宁夏银川 750002
5.宁夏回族自治区气象科学研究所，宁夏银川 750002
6.宁夏气象服务中心，宁夏银川 750002

收稿日期:2024-02-21 修回日期:2024-05-20 出版日期:2024-08-31 发布日期:2024-09-13
通讯作者: 张晓煜（1968—），男，宁夏平罗人，正高级工程师，主要从事葡萄气象与灾害风险管理研究。E-mail:zhang_xynet@163.com。
作者简介:杨婧（1990—），女，黑龙江鸡西人，硕士，高级工程师，主要从事灾害性天气预报方法研究及农业气象与灾害风险管理。E-mail:297077644@qq.com。
基金资助:
宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BBF02014);宁夏回族自治区重大科技成果转化项目(2022CJE9007);宁夏自然科学基金项目(2023AAC03804);宁夏回族自治区科技创新团队项目(2024CXTD006)

Correction and verification of minimum temperature and late frost forecast in vineyards in semi-arid region of eastern foothills region of Helan Mountain

YANG Jing¹^,²^,³^,⁴(), ZHU Haibin⁶, ZHANG Yagang²^,³^,⁴, ZHANG Xiaoyu¹^,²^,³^,⁵(), YANG Yin²^,³^,⁴

1. College of Enology and Horticulture， Ningxia University， Yinchuan 750021， China
2. Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions， China Meteorological Administration， Yinchuan 750002， China
3. Ningxia Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Reduction， Yinchuan 750002， China
4. Ningxia Meteorological Observatory， Yinchuan 750002， China
5. Ningxia Institute of Meteorological Science， Yinchuan 750002， China
6. Ningxia Meteorological Service Center， Yinchuan 750002， China

Received:2024-02-21 Revised:2024-05-20 Online:2024-08-31 Published:2024-09-13

摘要/Abstract

摘要：

为提升贺兰山东麓葡萄园晚霜冻灾害精细化防御能力，利用2020—2023年4—5月贺兰山东麓葡萄园农田小气候站最低气温观测数据，分析葡萄园最低气温变化特征、晚霜冻发生频率和区域分布特征，并基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）模式预报产品和宁夏地区格点气温实况，采用径向基函数（Radial Basis Function，RBF）神经网络算法，构建贺兰山东麓葡萄园最低气温和霜冻预报模型。结果表明：贺兰山东麓葡萄园轻霜冻最为普遍，其次是中霜冻，4月是霜冻发生的主要月份，东方裕兴酒庄霜冻出现最频繁，观兰酒庄霜冻最少，红寺堡产区是霜冻易发区。最低气温和霜冻预报检验结果显示，与ECMWF模式相比，RBF模型对贺兰、永宁和红寺堡产区的最低气温预报准确率提高，最高提升幅度达33.8%，平均绝对误差降低0.20~1.50 ℃。从单站霜冻预报看，RBF模型有明显优势，准确率普遍提升1.0%~14.0%，平均绝对误差降低0.04~0.37 ℃；从产区平均看，RBF模型对红寺堡产区霜冻预报准确率提高最多，达13.0%。在针对霜冻的实例分析中，RBF模型预报效果更优，特别是对中霜冻预报优势明显，相比ECMWF模式准确率提升25.0%~50.0%，平均绝对误差降低1.80~2.10 ℃。

关键词: 贺兰山东麓, 农田小气候站, 径向基函数, 晚霜冻

Abstract:

In order to improve the fine defense ability of late frost disaster in the vineyards in the eastern foothills region of the Helan Mountain, the minimum temperature observation data of the vineyards from April to May during 2020-2023 were used to analyze the variation characteristics of minimum temperature, the occurrence frequency and regional distribution characteristics of late frost in the vineyards. Based on the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) model forecast products and the actual temperature of grid points in Ningxia, the radial basis function (RBF) neural network algorithm was used to construct the minimum temperature and frost prediction model in the vineyards in the eastern foot of the Helan Mountain. The results show that the light frost was the most common in the vineyards in the eastern foothills region of the Helan Mountain, followed by the medium frost. April was the main month for frost occurrence. The frost in D.F. Yuxing winery appeared most frequently, and the frost in Guanlan winery was the least. The verification results of the minimum temperature and frost forecast show that compared with the ECMWF model, the RBF model has improved the accuracy of the minimum temperature forecast in the Helan, Yongning and Hongsipu production areas, with the highest increase of 33.8%, and the average absolute error reduced by 0.20-1.50 °C. For the single station frost forecast, the RBF model has obvious advantages, the accuracy rate generally increased by 1.0%-14.0%, and the average absolute error reduced by 0.04-0.37 °C. For the average of the production areas, the RBF model has the highest accuracy of frost prediction in the Hongsipu production area, up to 13.0%. In the case analysis of frost, the RBF model has better prediction effect, especially for moderate frost prediction. Compared with the ECMWF model, the accuracy rate increased by 25.0%-50.0%, and the average absolute error reduced by 1.80-2.10 °C.

Key words: the eastern foothills region of the Helan Mountain, microclimate stations, radial basis function, late frost

中图分类号:

P457.3

杨婧, 朱海斌, 张亚刚, 张晓煜, 杨银. 贺兰山东麓半干旱区葡萄园最低气温和晚霜冻预报订正及检验[J]. 干旱气象, 2024, 42(4): 649-659.

YANG Jing, ZHU Haibin, ZHANG Yagang, ZHANG Xiaoyu, YANG Yin. Correction and verification of minimum temperature and late frost forecast in vineyards in semi-arid region of eastern foothills region of Helan Mountain[J]. Journal of Arid Meteorology, 2024, 42(4): 649-659.

图/表 9

图1 贺兰山东麓地形及农田小气候站分布注:基于宁夏地理信息公共服务平台标准地图服务网站标准地图 [审图号:宁S[2016]10号]制作，底图边界无修改

Fig.1 The topography and distribution of farmland microclimate stations in the eastern foot of the Helan Mountain

表1 贺兰山东麓葡萄园农田小气候站地理信息

Tab.1 Geographic information of vineyard farmland microclimate stations in the eastern foothills region of the Helan Mountain

站点编号	葡萄园所在酒庄	经度/°E	纬度/°N	海拔/m	产区
1	贺东庄园	106°18′ 40″	38°59′12″	1 108	石嘴山
2	观兰酒庄	106°03′43″	38°42′58″	1 202	贺兰
3	美御酒庄	106° 00′52″	38°37′33″	1 178	银川
4	留世酒庄	106°01′10″	38°30′03″	1 134	银川
5	长城云漠酒庄	105°56′17″	38°22′34″	1 230	银川
6	鹤泉酒庄	105°59′24″	38°11′05″	1 140	永宁
7	轩尼诗酒庄	106°01′12″	38°19′30″	1 227	永宁
8	御马酒庄	105°52′48″	38°05′40″	1 171	青铜峡
9	西鸽酒庄	105°52′58″	38°04′10″	1 190	青铜峡
10	禹皇酒庄	105°53′17″	38°06′30″	1 185	青铜峡
11	江源酒庄	106°10′11″	37°20′07″	1 435	红寺堡
12	东方裕兴酒庄	106°05′22″	37°19′20″	1 388	红寺堡

图2 2020—2023年4—5月贺兰山东麓葡萄园12个小气候站最低气温的最大值和最小值逐日变化

Fig.2 Daily variation of maximum and minimum values of minimum temperature at vineyard microclimate stations in the eastern foothills region of the Helan Mountain from April to May during 2020-2023

图3 2020—2023年4—5月贺兰山东麓葡萄园小气候站不同等级霜冻出现次数

Fig.3 The occurrence times of frost with different grades at vineyard microclimate stations in the eastern foothills region of the Helan Mountain from April to May during 2020-2023

图4 2020—2023年4—5月贺兰山东麓葡萄园12个小气候站ECMWF模式24 h最低气温预报与实况散点图

Fig.4 Scatter plots of 24 h minimum temperature forecasted by ECMWF model and observeed values at twelve vineyard microclimate stations in the eastern foothills region of the Helan Mountain from April to May during 2020-2023

图5 2020—2023年4—5月贺兰山东麓葡萄园12个小气候站RBF模型24 h最低气温预报散点图

Fig.5 Scatter plots of 24 h minimum temperature forecasted by RBF model and observeed values at twelve vineyard microclimate stations in the eastern foothills region of the Helan Mountain from April to May during 2020-2023

表2 各产区最低气温预报准确率和平均绝对误差

Tab.2 Accuracy and mean absolute error of minimum temperature forecast in each production region

产区	预报准确率/%		平均绝对误差/℃
产区	ECMWF模式	RBF模型	ECMWF模式	RBF模型
石嘴山产区	43.1	41.0	2.70	3.10
贺兰产区	23.3	57.1	3.60	2.10
银川产区	47.2	45.9	2.50	2.60
永宁产区	52.5	58.9	2.10	1.90
青铜峡产区	59.6	57.8	2.10	2.30
红寺堡产区	35.9	57.8	3.20	2.30

图6 2020—2023年4—5月贺兰山东麓葡萄园11个小气候站ECMWF模式和RBF模型24 h霜冻预报准确率（a）和平均绝对误差（b）

Fig.6 Accuracy (a) and mean absolute error (b) of 24 hour frost forecasted by ECMWF and RBF models at eleven vineyard microclimate stations in the eastern foothills region of the Helan Mountain from April to May during 2020-2023

表3 2020年4月22—23日贺兰山东麓葡萄园霜冻情况

Tab.3 Frost situation at the vineyards in the eastern foothills region of the Helan Mountain on April 22 and 23， 2020

霜冻日期	葡萄品种	霜冻等级	霜冻阈值/℃	出现霜冻的葡萄园
2020年4月22日	赤霞珠	轻度	-1.3<T_min≤-2.4	贺东庄园
	赤霞珠	中度	-2.4<T_min≤-4.5	东方裕兴酒庄
	霞多丽	轻度	-0.7<T_min≤-2.2	美御酒庄、轩尼诗酒庄、鹤泉酒庄
	霞多丽	中度	-2.2<T_min≤-3.2	贺东庄园、东方裕兴酒庄
2020年4月23日	赤霞珠	轻度	-1.3<T_min≤-2.4	美御酒庄、贺东庄园
	赤霞珠	中度	-2.4<T_min≤-4.5	留世酒庄、东方裕兴酒庄
	霞多丽	轻度	-0.7<T_min≤-2.2	美御酒庄、轩尼诗酒庄、贺东庄园
	霞多丽	中度	-2.2<T_min≤-3.2	留世酒庄、东方裕兴酒庄

参考文献 49

[1]	白磊, 张帆, 文元桥, 等, 2021. 基于格点资料的1961—2018年中国霜冻灾害时空变化规律[J]. 中国农业气象, 42(9):761-774.
[2]	曹宁, 张磊, 张晓煜, 等, 2017. 近55 a宁夏酿酒葡萄晚霜冻基本特征及变化趋势[J]. 宁夏大学学报(自然科学版), 38(2):186-192.
[3]	陈迪, 陈豫英, 张磊, 等, 2018. 贺兰山东麓葡萄园区国家级观测站与自动气象站最低气温的对比分析[J]. 中国农学通报, 34(30): 110-117. DOI
[4]	陈鹤, 蔡荣辉, 陈静静, 等, 2022. 基于深度学习方法的气温预报技术应用与评估[J]. 气象, 48(11):1373-1 383.
[5]	陈仁伟, 张晓煜, 杨豫, 等, 2020. 贺兰山东麓六个酿酒葡萄品种抗寒性比较[J]. 北方园艺, 453(6):43-48.
[6]	陈卫平, 张晓煜, 崔萍, 等, 2020. 2020年春季贺兰山东麓酿酒葡萄晚霜冻调查[J]. 宁夏农林科技, 61(5):51-53.
[7]	陈豫英, 陈楠, 王素艳, 等, 2011. MOS方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用[J]. 应用气象学报, 22(1):86-95.
[8]	陈豫英, 陈楠, 杨银, 等, 2019. 贺兰山东麓春季最低气温和霜冻精细化格点预报产品的检验[J]. 自然灾害学报, 28(1):198-206.
[9]	郭润霞, 刘新伟, 王一丞, 等, 2024. CLDAS气温实况融合产品在兰州和武威的检验评估及偏差订正[J]. 干旱气象, 42(1): 146-155. DOI
[10]	韩念霏, 杨璐, 陈明轩, 等, 2022. 京津冀站点风温湿要素的机器学习订正方法[J]. 应用气象学报, 33(4): 489-500.
[11]	贾丽红, 张云惠, 何耀龙, 等, 2018. 基于多模式的新疆最高(低)气温预报误差订正及集成方法研究[J]. 干旱气象, 36(2):310-318. DOI
[12]	贾丽杰, 2022. 径向基神经网络结构设计及在线建模方法研究[D]. 北京: 北京工业大学.
[13]	李芳红, 张晓煜, 冯蕊, 等, 2022. 宁夏贺兰山东麓葡萄园小气候特征[J]. 干旱气象, 40(2):284-295. DOI
[14]	李红英, 张晓煜, 王静, 等, 2014. 宁夏不同熟性酿酒葡萄生态适宜性区划[J]. 生态学杂志, 33(11):3120-3 126.
[15]	李艳春, 李艳芳, 2001. 宁夏近百年来的气候变化及突变分析[J]. 高原气象, 20(1):100-104.
[16]	梁小娟, 张晓煜, 杨永娥, 等, 2024. 宁夏‘赤霞珠’葡萄不同发育期晚霜冻害阈值试验研究[J]. 西北植物学报, 44(3): 460-469.
[17]	刘嘉慧敏, 潘留杰, 戴昌明, 等, 2023. 我国气温网格预报检验及客观订正方法研究进展[J]. 气象科技进展, 13(6):10-20.
[18]	罗菊英, 周建山, 闫永财, 2014. 基于数值预报及上级指导产品的本地气温MOS预报方法[J]. 气象科技, 42(3): 443-450.
[19]	罗泽举, 宋丽红, 薛宇峰, 等, 2006. 一类基于SVM/RBF的气象模型预测系统[J]. 计算机工程, 32(21): 31-32. DOI
[20]	马学款, 普布次仁, 唐叔乙, 等, 2007. 人工神经网络在西藏中短期温度预报中的应用[J]. 高原气象, 26(3):491-495.
[21]	潘淑坤, 张明军, 汪宝龙, 等, 2013. 1960—2011年新疆初终霜日及无霜期的变化特征[J]. 干旱区研究, 30(4):735-742.
[22]	齐铎, 刘松涛, 张天华, 等, 2020. 基于格点的中国东北中北部2 m温度数值预报检验及偏差订正[J]. 干旱气象, 38(1):81-88.
[23]	邱贵强, 时少英, 王洪霞, 等, 2023. 2 m气温集成订正方法及在冬奥延庆赛区的应用[J]. 应用气象学报, 34(4): 400-412.
[24]	田笑, 余文韬, 从靖, 等, 2022. 统计降尺度方法在天津小时降水和气温精细化预报中的应用[J]. 干旱气象, 40(1):135-145. DOI
[25]	王丹, 戴昌明, 娄盼星, 等, 2021. 陕西ECMWF、GRAPES_Meso和SCMOC气温预报的对比检验及订正[J]. 干旱气象, 39(4): 697-708.
[26]	王蕾, 杨景泰, 卞若玢, 等, 2024. 大连地区ECMWF细网格模式阵风预报误差检验与分析[J]. 干旱气象, 42(1): 129-136. DOI
[27]	王连喜, 李菁, 李剑萍, 等, 2011. 气候变化对宁夏农业的影响综述[J]. 中国农业气象, 32(2):155-160.
[28]	王迎春, 李平东, 胡连山, 2011. 宁夏年、季平均气温时空变化及其对农业生产的影响[J]. 南方农业学报, 312(9):1081-1 086.
[29]	吴启树, 韩美, 郭弘, 等, 2016. MOS温度预报中最优训练期方案[J]. 应用气象学报, 27(4): 426-434.
[30]	熊聪聪, 潘璇, 赵奇, 等, 2014. 多模式集成的RBF神经网络天气预报[J]. 天津科技大学学报, 29(1):75-78.
[31]	熊世为, 郁凌华, 胡姗姗, 等, 2017. 基于ECMWF细网格产品的一种优化BP-MOS气温预报方法[J]. 干旱气象, 35(4):668-673.
[32]	杨晓玲, 郭丽梅, 丁文魁, 2010. 武威市霜冻气候特征及预报[J]. 中国农业气象, 31(4):612-616.
[33]	杨洋, 张磊, 陈豫英, 等, 2019. 贺兰山东麓酿酒葡萄种植区晚霜冻低温持续时间规律分析[J]. 甘肃农业大学学报, 54(6): 149-154.
[34]	杨洋, 张磊, 陈豫英, 等, 2017. 宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区春霜冻发生时间规律研究[J]. 自然灾害学报, 26(4):84-90.
[35]	叶殿秀, 张勇, 2008. 1961—2007年我国霜冻变化特征[J]. 应用气象学报, 19(6): 661-665.
[36]	曾晓青, 薛峰, 赵瑞霞, 等, 2019. 几种格点化温度滚动订正预报方案对比研究[J]. 气象, 45(7): 1 009-1 018
[37]	张磊, 曹宁, 段晓凤, 等, 2018. 宁夏酿酒葡萄晚霜冻气候风险研究[J]. 山西农业科学, 384(2):260-264.
[38]	张晓煜, 李红英, 陈仁伟, 等, 2022. 宁夏酿酒葡萄晚霜冻风险区划指标[M]. 北京: 气象出版社:44-45.
[39]	张亚刚, 王勇, 张肃诏, 等, 2022. 基于ECMWF的两种温度客观预报订正方法及评估[J]. 沙漠与绿洲气象, 16(4):95-103.
[40]	张亚刚, 杨银, 张成军, 等, 2021. 基于径向基函数神经网络温度预报订正方法及评估[J]. 热带气象学报, 37(1):136-144.
[41]	张祖莲, 毛炜峄, 张山清, 等, 2022. 北疆春季气温和霜冻网格精细化预报订正及检验[J]. 气象, 48(11):1460-1 474.
[42]	赵兔祥, 李福生, 郭晓雷, 等, 2023. 冬季宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区土壤热特性研究[J]. 干旱气象, 41(4): 648-656. DOI
[43]	郑广芬, 陈晓光, 孙银川, 等, 2006. 宁夏气温、降水、蒸发的变化及其对气候变暖的响应[J]. 气象科学, 26(4):412-421.
[44]	朱琳, 王万瑞, 任宗启, 等, 2003. 陕北仁用杏的花期霜冻气候风险分析及区划[J]. 中国农业气象, 24(2):50-52.
[45]	朱永宁, 冯东溥, 李红英, 等, 2020. 宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数时空变化特征[J]. 干旱气象, 38(2): 256-262.
[46]	翟颖佳, 陈豫英, 张磊, 等, 2019. 贺兰山东麓葡萄种植园区不同类型霜冻的形成条件分析[J]. 自然灾害学报, 28(5):134-142.
[47]	AUGSPURGER C K, 2013. Reconstructing patterns of temperature, phenology, and frost damage over 124 years: Spring damage risk is increasing[J]. Ecology, 94(1): 41-50. PMID
[48]	BENNIE J, KUBIN E, WILTSHIRE A, et al, 2010. Predicting spatial and temporal patterns of bud-burst and spring frost risk in north-west Europe: The implications of local adaptation to climate[J]. Global Change Biology, 16(5): 1 503-1 514.
[49]	ZHU M, PANG L, XIAO Z, et al, 2019. Temperature drift compensation for high-G MEMS accelerometer based on RBF NN improved method[J]. Applied Sciences, 9(4),695.DOI:10.3390/app9040695.

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[1]	赵兔祥, 李福生, 郭晓雷, 胡悦, 魏建宁, 李小雨. 冬季宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区土壤热特性研究[J]. 干旱气象, 2023, 41(4): 648-656.
[2]	李芳红, 张晓煜, 冯蕊, 陈仁伟, 张亚红, 卫建国. 宁夏贺兰山东麓葡萄园小气候特征[J]. 干旱气象, 2022, 40(2): 284-295.
[3]	冯蕊,范锦龙,李芳红,张亚红,卫建国,张晓煜. 贺兰山东麓葡萄园结露温度与结露时间变化特征[J]. 干旱气象, 2021, 39(5): 824-830.