阿勒泰地區(qū)霜凍變化特征分析

張林梅，李建麗，張 建

(1.蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730002；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰 836500)

阿勒泰地區(qū)霜凍變化特征分析

張林梅1,2，李建麗2，張 建2

(1.蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730002；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰 836500)

采用阿勒泰地區(qū)7個氣象觀測站1961—2013年0 cm最低地溫≤0 ℃的初日、終日資料，運用線性趨勢、Mann-Kendall突變檢測法、Morlet小波變換、R/S持續(xù)分析法對阿勒泰地區(qū)的終霜日、初霜日及無霜期進行分析，結果表明：阿勒泰各站呈初霜凍開始遲、終霜凍結束早、無霜期延長的趨勢，且大部分站通過了顯著性檢驗。大部分站終霜日和部分站初霜日在20世紀80年代發(fā)生突變；大部分站無霜期在70年代中后期和80年代發(fā)生突變。各站終霜日、初霜日及無霜期存在明顯的年際和年代際尺度的周期變化，年際周期具有一定的同步性，但年代際周期差異較大。全區(qū)及各站終(初)霜日將由過去53 a的提前(推后)趨勢逐漸轉為推后(提前)趨勢，無霜期由過去53 a的延長趨勢轉變?yōu)榭s短趨勢。阿勒泰地區(qū)的霜凍災害主要由終霜凍造成，而終霜凍災害在空間上主要分布于吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，時間上主要出現(xiàn)于90年代。

終霜日；初霜日；無霜期；Mann-Kendall突變檢測；Morlet小波變換；R/S分析法

霜凍是一種限制作物生長期內熱量資源充分利用的農業(yè)氣象災害[1]。在氣候變暖的背景下，全球許多地區(qū)的低溫冷害事件發(fā)生頻率和霜凍起訖日期也出現(xiàn)了明顯的變化。我國學者對此作了較多研究。葉殿秀[2]分析1961—2007年我國577個測站逐日最低氣溫資料，指出全國平均終霜日提早時間明顯比初霜日推遲時間長，全國平均無霜期自20世紀80年代起明顯延長；韓榮青[3]分析1961—2008年北方地區(qū)233個測站0 cm最低地溫，指出2000年以來各地初霜日推遲最為明顯，另外在北方許多地區(qū)20世紀80年代初霜日較90年代的偏晚；文獻[4-7]分別對北方一些地區(qū)的霜凍氣候特征進行較深入的研究。

阿勒泰地區(qū)位于新疆北部，支柱產業(yè)是畜牧業(yè)，但據(jù)相關統(tǒng)計，近年來農業(yè)種植規(guī)模也逐步擴大, 霜凍天氣的預報越來越引起當?shù)胤N植戶的關注。阿勒泰當?shù)仡A報員雖然在氣候方面做了較多研究[8-10]，但對霜凍的研究較少，只有白松竹[11]以≤ 0 ℃最低氣溫為指標，分析1961—2008年阿勒泰地區(qū)霜凍氣候變化特征。但文獻[6]指出北方地區(qū)采用0 cm最低地溫定義初終霜日更為適合，且文獻[12]指出天冷的時候,特別是夜間晴朗、微風、有霜的天氣, 0 cm最低地溫比最低氣溫低3 ℃左右。但當最低地溫≤ 0 ℃時，已會使植物原生質受到破壞，導致植株受害。根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)氣象局氣象災害預警信號發(fā)布業(yè)務規(guī)范》，將0 cm最低地溫≤ 0 ℃作為霜凍指標，分析阿勒泰地區(qū)霜凍的氣候變化特征，一方面對指導該地區(qū)農業(yè)生產布局具有重要意義，另一方面，也有助于提高對霜凍災害的預測能力，為有效防御霜凍災害提供參考。

1 資料及分析方法

1.1 資料

利用1961—2013年阿勒泰地區(qū)7個地面氣象觀測站(阿勒泰、吉木乃、哈巴河、布爾津、福海、富蘊、青河) 0 cm最低地溫≤0 ℃的初日、終日資料，各站地理位置及海拔高度見圖1。規(guī)定：0 cm最低地溫下半年(8—10月)首次出現(xiàn)≤0 ℃的日期為初霜日，上半年(4—6月)最后一次出現(xiàn)≤0 ℃的日期為終霜日，終霜日的翌日至初霜日的前一日為無霜期。全區(qū)值取阿勒泰地區(qū)7站平均值；氣候平均值時段為1961—2013年；災情資料來自阿勒泰地區(qū)民政局。

圖1 阿勒泰地區(qū)各站地理分布及海拔高度(單位：m)

1.2 方法

趨勢分析采用線性趨勢檢驗，突變采用Mann-Kendall法[13]、Morlet小波變換[14]，持續(xù)性分析采用R/S方法[15]。

2 結果與分析

2.1 基本特征

對阿勒泰全區(qū)及7站1961—2013年終、初霜日進行統(tǒng)計(表1)。全區(qū)終霜日平均出現(xiàn)在5月13日，最早平均出現(xiàn)在4月29日(2008年)，最晚在6月4日(1970年)。單站最早終霜日出現(xiàn)在福海站(4月2日)，最晚出現(xiàn)在吉木乃、青河站(6月30日)。全區(qū)初霜日平均出現(xiàn)在9月16日，最早平均出現(xiàn)在8月29日(1961年)，最晚在9月25日(2009年)；單站最早初霜日出現(xiàn)于青河站(8月25日)，最晚出現(xiàn)于哈巴河站(10月14日)。全區(qū)平均無霜期為124 d，最長146 d(2010年)，最短96 d(1974年)；單站最長無霜期出現(xiàn)在哈巴河站(178 d),最短出現(xiàn)于青河站(83 d)，最長無霜期與最短無霜期的差值富蘊站最大(108 d),阿勒泰站最小(62 d)。

表1 1961—2013年阿勒泰地區(qū)霜凍終、初日(月-日)及無霜期

阿勒泰地區(qū)地形復雜,霜凍時空分布不均,初(終)霜凍日及無霜期差異較大。文獻[15]指出“初霜凍出現(xiàn)時間隨海拔高度、緯度的增高而提前,反之則推遲；終霜凍出現(xiàn)時間隨海拔高度、緯度的降低而提前, 反之則推遲”。對阿勒泰地區(qū)來說，各站緯度在46.66°N～48.05°N，但海拔高度相差較大，在475.6～1 220.3 m(見圖1)。青河站緯度最南，但海拔高度最高，其終霜凍出現(xiàn)最晚、初霜凍最早、無霜期最短。可見，對于阿勒泰地區(qū)而言，海拔高度是影響霜凍氣候特征的重要因素。這與文獻[11]采用最低氣溫≤0 ℃作為霜凍指標研究的結論吻合。

2.2 變化趨勢

根據(jù)近53 a阿勒泰地區(qū)初(終)霜日及無霜期線性變化趨勢(表2)可知，全區(qū)終霜日呈提前趨勢，初霜日呈推后趨勢，無霜期呈延長趨勢，均通過0.01信度檢驗。終霜日提前速率為2.9 d/10 a，初霜日推后速率為2.2 d/10 a，無霜期延長速率為5 d/10 a。

大部分站終霜日呈顯著提前趨勢，除阿勒泰、吉木乃站，其它站均通過0.01的信度檢驗，提前速率為2.2～4.5 d/10 a，青河站提前最明顯。大部分站初霜日呈推后趨勢，但只有哈巴河、富蘊、青河站通過顯著性檢驗，且推后速率為2.1～5.1 d/10 a，其它站沒有通過顯著性檢驗。無霜期除阿勒泰、吉木乃站外，其它站呈顯著延長趨勢，延長速率為3.4～9.0 d/10 a，均通過了0.05或0.01信度檢驗。

阿勒泰地區(qū)終霜日呈提前趨勢，初霜日呈推后趨勢，無霜期呈延長趨勢，與文獻[11]的結論是一致的，但是對于終霜凍、初霜凍的顯著性檢驗結果不一致。究其原因，主要是由于與該文獻采用的霜凍指標不同。

表2 1961—2013阿勒泰地區(qū)各站終、初霜日及無霜期線性趨勢 d/10 a

注：*表示通過0.05信度檢驗，**表示通過0.01信度檢驗

2.3 突變分析

由圖2a可知，UF和UB曲線于1977年相交于信度為0.05的置信線±1.96之間，且UF1977年后基本呈持續(xù)下降趨勢，說明1977年以來阿勒泰地區(qū)全區(qū)終霜日呈顯著提前趨勢，因此，1977年是全區(qū)終霜日從一個相對偏晚期躍變?yōu)橐粋€相對偏早期的突變年，突變趨勢顯著。由圖2b可知，UF和UB不存在交點，即全區(qū)初霜期不存在突變年。全區(qū)無霜期(圖2c)在1968、1976年出現(xiàn)交點，顯然1968年并非突變年，1976年的交點未處于±1.96之間，故該年也不是突變年，即全區(qū)無霜期也不存在突變年。

UF為順序曲線，UB為逆序曲線，+1.96、-1.96 表示信度為0.05的置信線

對阿勒泰地區(qū)各站近53 a終霜日、初霜日及無霜期時間序列進行突變檢測(表3)。大部分站終霜日在20世紀80年代發(fā)生突變；初霜日只有阿勒泰、青河站在70年代初期發(fā)生突變，其它站不存在顯著突變年；布爾津、福海站無霜期突變時間在80年代，而哈巴河、富蘊站突變時間在70年代中后期。該結論與文獻[11]不一致，該文獻指出只有哈巴河站終霜日、初霜日及無霜期發(fā)生氣候突變。造成結論不一致的原因還有待于日后對各站≤0 ℃的最低氣溫及0 cm最低地溫兩者之間的關系進一步研究。

2.4 周期性分析

通過1961—2013年全區(qū)終霜日周期分析(圖3)可發(fā)現(xiàn)，年際尺度準8 a周期信號在整個時域內都較明顯，模值(圖3b)均大于0.5；年代際尺度有準18～21 a、24～30 a、39～52 a周期信號在整個時域內都較明顯，小波系數(shù)正負中心均出現(xiàn)在所研究時域內，信號較強，其模值均大于2。通過全區(qū)初霜日周期分析(圖略)可發(fā)現(xiàn)，年際周期不顯著，但準17～18 a、22～30 a年代際周期在整個時域內顯著，模值均大于0.5,其中準22～30 a周期最強最顯著，小波系數(shù)正負中心均出現(xiàn)在所研究時域內，信號較強。通過全區(qū)無霜期分析(圖略)可發(fā)現(xiàn)，年際周期也不顯著，但準12～14 a、17～21 a、24～34 a年代際周期在整個時域內顯著，模值均大于0.5,其中準24～34 a周期最強最顯著，信號較強，模值大于2。

表3 1961—2013年阿勒泰地區(qū)各站終、初霜日及無霜期突變時間

注：“無”表示無顯著突變點

分析阿勒泰各站近53 a終霜日、初霜日及無霜期時間序列的周期，發(fā)現(xiàn)各站初霜日、終霜日、無霜期年際周期具有一定的同步性。各站終霜日周期主要為準4～8 a；阿勒泰、吉木乃、富蘊、青河站初霜日存在準5～7 a周期，其它站存在準8～9 a周期；阿勒泰、福海站無霜期存在準5～6 a周期，其它站存在準8～9 a周期。

阿勒泰地區(qū)各站的初霜日、終霜日、無霜期均存在顯著的年際和年代際周期變化，雖然年際周期具有一定的同步性，但年代際周期差異較大，具體見表4。這再次體現(xiàn)了該地區(qū)霜凍氣候特征的復雜性和特殊性。

圖3 1961—2013年全區(qū)終霜日小波變換實部(a)和模值(b)

表4 1961—2013年阿勒泰地區(qū)各站終、初霜日及無霜期年代際周期

2.5 持續(xù)性分析

根據(jù) R/S分析基本原理[15]對阿勒泰全區(qū)及各站終霜日、初霜日及無霜期的持續(xù)性進行分析，計算相應的Hurst指數(shù)(表5)。1961—2013年阿勒泰全區(qū)及各站終霜日、初霜日及無霜期的Hurst指數(shù)均在(0，0.5)，說明全區(qū)及各站未來終(初)霜日將由過去53 a的提前(推后)趨勢逐漸轉為推后(提前)趨勢，無霜期由過去53 a的延長趨勢轉變?yōu)榭s短趨勢。就各站而言，哈巴河站終霜日、布爾津站初霜日、阿勒泰站無霜期的Hurst指數(shù)最小，表明未來它們的反持續(xù)性相對最強。由于該結論僅基于R/S分析，且其與資料的長度有關，該結論的真實性還有待于序列延長后進一步證實。

表5 1961—2013年阿勒泰地區(qū)終、初霜日及無霜期Hurst指數(shù)

2.6 災害分析

阿勒泰地區(qū)的霜凍災害主要表現(xiàn)為冷空氣入侵后，地面最低地溫下降到0 ℃及以下對豆類、瓜類、蔬菜等喜溫作物造成嚴重的影響，甚至導致絕收，從而造成嚴重的經濟損失。

通過對阿勒泰地區(qū)歷史上的霜凍災害統(tǒng)計，終霜凍災害發(fā)生14站次，初霜凍災害4站次，由此可知終霜凍災害發(fā)生的頻次明顯大于初霜凍災害。終霜凍災害主要出現(xiàn)在吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，以20世紀90年代居多(9站次)，其次是21世紀00年代(3站次)，20世紀70年代、80年代各出現(xiàn)1站次；而初霜凍主要出現(xiàn)在吉木乃、阿勒泰，20世紀90年代出現(xiàn)3站次，70年代 1站次，其它年代無霜凍災害。統(tǒng)計了90年代阿勒泰、吉木乃、哈巴河站的平均終霜日，分別為5月17日、5月21日、5月20日，對比表1可知，這3站多年平均終霜日分別為5月12日、5月13日、5月11日，由此可知,90年代的這幾次霜凍災害主要是由于終霜日推后造成的。霜凍災害主要分布于90年代，也可能與近20 a來，阿勒泰地區(qū)開墾荒地，擴大生產種植規(guī)模，且氣象災情資料較之前完整有關。具體的原因還有待于進一步研究。

總的來說，霜凍的發(fā)生主要受溫度變化的影響，因而溫度的變化勢必影響霜凍的時空變化。但霜凍是一種時間尺度較短的農業(yè)氣象災害，它的發(fā)生可以與長時間尺度的氣候變化趨勢相反[16]。因此，即使在氣候變暖的大背景下，要減少阿勒泰地區(qū)的霜凍危害，一方面需要根據(jù)該地區(qū)氣候特點選擇適應性較好的農作物，另一方面需要加強對霜凍災害的監(jiān)測能力和預報水平。

3 結論

(1)阿勒泰地區(qū)終霜日呈提前趨勢，初霜日呈推后趨勢，無霜期呈延長趨勢，且大部分站通過顯著性檢驗，終霜日提前速率為2.9 d/10 a，初霜日推后速率為2.2 d/10 a，無霜期延長速率為5 d/10 a。

(2)大部分站終霜日在20世紀80年代發(fā)生突變；初霜日只有阿勒泰、青河站發(fā)生了突變，突變發(fā)生在70年代初期，其它站不存在顯著突變年；布爾津、福海站無霜期突變時間在80年代，而哈巴河、富蘊站突變時間在70年代中后期。

(3)阿勒泰地區(qū)各站的初霜日、終霜日、無霜期均存在明顯的年際和年代際周期變化，年際周期具有一定的同步性，而年代際周期差異較大，體現(xiàn)了該地區(qū)霜凍氣候特征的復雜性和特殊性。

(4)通過持續(xù)性分析，說明全區(qū)及各站未來終(初)霜日將由過去53 a的提前(推后)趨勢逐漸轉為推后(提前)趨勢，無霜期由過去53 a的延長趨勢轉變?yōu)榭s短趨勢。

(5)阿勒泰地區(qū)霜凍災害主要由終霜凍造成，而終霜凍災害在空間上主要分布于吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，時間上主要出現(xiàn)于20世紀90年代。

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1006-4354(2014)06-0013-06

2014-03-27

張林梅(1983—)，女，漢族，云南曲靖人，學士，工程師，從事短期天氣預報。

新疆氣象局青年基金(201211)

P468.021

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