近53 a烏魯木齊農(nóng)區(qū)霜凍變化特征

鄭玉萍，宮恒瑞，曹興，蒲潔

（烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

近53 a烏魯木齊農(nóng)區(qū)霜凍變化特征

鄭玉萍，宮恒瑞，曹興，蒲潔

（烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

利用烏魯木齊市3個(gè)農(nóng)區(qū)代表站1961—2013年逐日氣溫資料，采用氣候傾向率、異常分析、R/S分析等統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)霜凍變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：近53 a來(lái)農(nóng)區(qū)終霜日提前了0.6～2.2 d/10 a，初霜日推遲了1.7～3.7 d/10 a，無(wú)霜期延長(zhǎng)了2.4～5.1 d/10 a；各農(nóng)區(qū)特晚終霜凍發(fā)生頻率為3.8%～7.5%，特早初霜凍北郊出現(xiàn)頻率為1.9%，均出現(xiàn)在2000年以前；利用R/S法分析結(jié)果顯示，各農(nóng)區(qū)無(wú)霜期未來(lái)仍呈延長(zhǎng)趨勢(shì)。從近53 a來(lái)霜凍的變化特征和未來(lái)變化趨勢(shì)來(lái)看對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整體有利，但近年來(lái)終霜日偏遲、且強(qiáng)度較強(qiáng)的霜凍仍時(shí)有發(fā)生，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害仍較大。

霜凍；特征；異常；Hurst指數(shù)

霜凍災(zāi)害是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有直接關(guān)聯(lián)的氣象災(zāi)害，初霜凍異常提早或終霜凍異常偏晚，對(duì)農(nóng)作物造成的危害最嚴(yán)重。許艷等[1]的研究結(jié)果表明，近50 a來(lái)在全球增暖的背景下，中國(guó)大部分地區(qū)霜期在逐漸縮短，初霜日在逐漸推遲，終霜日在不斷提前，1990年后這種趨勢(shì)變得更加明顯。近些年來(lái)許多新疆學(xué)者分別對(duì)南北疆不同地域的霜凍特征進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論具有共性，即與全國(guó)大部分地區(qū)霜凍的變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為終霜日提前，初霜日推遲，無(wú)霜期延長(zhǎng)的趨勢(shì)[2-10]。其中楊勇等[2]的研究結(jié)果表明：博州1961—2009年終霜凍除溫泉為微弱的推遲趨勢(shì)外，其它地區(qū)呈不顯著的提前趨勢(shì)，初霜凍以2.5～4.2 d/10 a的顯著趨勢(shì)推遲，無(wú)霜凍期以2.2～4.8 d/10 a的速率延長(zhǎng)；王榮梅等[5]則提出，喀什地區(qū)初霜凍日推后、終霜凍日提前，無(wú)霜凍期延長(zhǎng)，霜凍日數(shù)減少，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件，但個(gè)別年份霜凍日波動(dòng)較大的極端氣候?yàn)?zāi)害事件又成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)須加強(qiáng)防范的災(zāi)害性天氣之一；黃玖君[8]和白松竹[10]還分別對(duì)且末綠洲和阿勒泰地區(qū)的異常初終霜日進(jìn)行了研究分析，結(jié)論是上述兩地特早初霜凍和特晚終霜凍均發(fā)生在2000年以前。

烏魯木齊市地處天山中段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，境內(nèi)海拔高度跨度大，總體呈南高北低、東高西低的格局，山地面積約占總面積的40%，霜凍一直是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素之一。在全球變暖背景下，烏魯木齊地區(qū)年平均氣溫以0.37℃/10 a的速率上升[11]，氣溫的變化勢(shì)必影響霜凍的時(shí)空變化，但目前尚未開展此類研究。因此，在氣候變暖的大背景下，分析研究霜凍的基本特征和變化規(guī)律、為烏魯木齊市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考依據(jù)是十分有必要的。

1 資料與方法

1.1 資料

以日最低氣溫≤0℃作為霜凍指標(biāo)，利用烏魯木齊市3個(gè)資料年限長(zhǎng)、連續(xù)性好的主要農(nóng)區(qū)代表站1961—2013年逐日氣溫資料，研究農(nóng)區(qū)的霜凍變化特征。其中米東站（87°39′E，43°38′N，海拔600.3 m）代表北郊平原農(nóng)區(qū)；達(dá)坂城站（88°19′E，43°21′N，海拔1 103 m）代表東部達(dá)坂城農(nóng)區(qū)；小渠子站（87° 06′E，43°29′N，海拔1 871.8 m）代表南部中淺山帶農(nóng)區(qū)。初霜日指秋季第一次出現(xiàn)日最低氣溫≤0℃的日期，終霜日指春季最后一次出現(xiàn)日最低氣溫≤0℃的日期，終、初霜日的間隔日數(shù)為無(wú)霜期。

1.2 方法

（1）采用線性趨勢(shì)[12]對(duì)初霜日、終霜日和無(wú)霜期年際變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并用相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)趨勢(shì)的顯著性。線性趨勢(shì)方程式為Y=a0+a1t，式中，t為時(shí)間，a0為常數(shù)項(xiàng)；a1為系數(shù)，a1×10即為初霜日、終霜日和無(wú)霜期的線性傾向率。

（2）利用正態(tài)分布原理進(jìn)行初、終霜凍的異常小概率事件分析[13]。“異?！彼獌龅臉?biāo)準(zhǔn)為：△Td≤-1.65σ和-1.65σ＜△Td≤-σ分別稱為特早初霜凍和偏早初霜凍，△Td≥1.65σ和1.65σ＞△Td≥σ分別稱為特晚終霜凍和偏晚終霜凍?！鱐d為初、終霜日距平，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

（3）根據(jù)R/S分析基本原理[14]對(duì)初霜日、終霜日和無(wú)霜期變化的持續(xù)性進(jìn)行分析，計(jì)算出相應(yīng)的Hurst指數(shù)。當(dāng)H=0.5時(shí)表明時(shí)間序列變化是隨機(jī)的；0＜H＜0.5時(shí)表明時(shí)間序列過(guò)程具有反持續(xù)性，H越接近0，反持續(xù)性越強(qiáng)；0.5＜H＜1時(shí)表明時(shí)間序列過(guò)程具有持續(xù)性，H越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜凍的基本特征

1961—2013年平均終霜日北郊為4月7日，達(dá)坂城為4月27日，南山為5月17日，北部平原結(jié)束最早，由北向南隨著海拔高度的增加而逐漸推遲，南山山區(qū)比北郊推遲了一個(gè)多月；平均初霜日則南山山區(qū)出現(xiàn)最早，自南向北隨著海拔高度的降低而逐漸推遲，其中南山為9月17日，達(dá)坂城為9月30日，北郊為10月20日；無(wú)霜期北郊最長(zhǎng)，平均為195 d，達(dá)坂城為155 d，南山山區(qū)最短，只有123 d（表1）。

近53 a來(lái)各農(nóng)區(qū)最早、最晚終霜日的年際間差異為49～62 d。其中北郊變幅最大，最早終霜日出現(xiàn)在3月13日，最晚為5月14日，最早、最晚終霜日之間相差62 d；山區(qū)次之，最早終霜日為4月16日，最晚為6月11日，相差56 d；達(dá)坂城最早終霜日為4月5日，最晚為5月24日，相差49 d，變幅相對(duì)較?。桓鬓r(nóng)區(qū)最早、最晚初霜日的年際間差異為45～61 d，山區(qū)變幅最大、達(dá)坂城變幅最小。從表1可見，北郊和達(dá)坂城農(nóng)區(qū)均為終霜日的絕對(duì)變率大于初霜日的絕對(duì)變率，說(shuō)明終霜日年際差異較大，終霜凍對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害大于初霜凍；而南山則是初霜日絕對(duì)變率大于終霜日的絕對(duì)變率，說(shuō)明初霜凍的穩(wěn)定性較差，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響大。3個(gè)站中南山的無(wú)霜期絕對(duì)變率最大，說(shuō)明其熱量資源最不穩(wěn)定，可利用率相對(duì)較低。

2.2 霜凍的變化特征

2.2.1 變化趨勢(shì)

近53 a來(lái)烏魯木齊農(nóng)區(qū)霜凍呈現(xiàn)出終霜日提前、初霜日推遲、無(wú)霜期延長(zhǎng)的趨勢(shì)（表2）。其中終霜日提前了0.6～2.2 d/10 a，山區(qū)提前較明顯，相關(guān)系數(shù)通過(guò)了信度為0.05的顯著性檢驗(yàn)；初霜日推遲了1.7～3.7 d/10 a，北郊和山區(qū)提前明顯，相關(guān)系數(shù)分別通過(guò)了信度為0.01和0.05的顯著性檢驗(yàn)；無(wú)霜期延長(zhǎng)了2.4～5.1 d/10 a，北郊和山區(qū)延長(zhǎng)特別顯著，相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。

2.2.2 年際變化

從終霜日的年際變化來(lái)看，北郊和山區(qū)在1980年中期以前波動(dòng)較大，北郊在1975年和1985年出現(xiàn)了53 a中的最遲終霜日，山區(qū)在1961—1985年期間有7 a終霜日出現(xiàn)在6月，最遲終霜日出現(xiàn)在1985年；1986—2013年，北郊和山區(qū)的終霜日年際間變幅明顯變小，且為逐漸提前的趨勢(shì)，其中北郊2013年出現(xiàn)了53 a來(lái)最早終霜日，山區(qū)則1986年后6月未出現(xiàn)過(guò)霜凍。達(dá)坂城53 a來(lái)終霜日呈微弱的提前趨勢(shì)。

從初霜日的年際變化來(lái)看，北郊的初霜日年際間變幅明顯小于終霜日，最早出現(xiàn)在1969年，最晚出現(xiàn)在2006年；達(dá)坂城初霜日在1990年前年際間波動(dòng)較大，1990年后期開始波動(dòng)變小。山區(qū)初霜日變化則是1990年前年際間波動(dòng)小，1990年后逐漸增大，1997年、2005年分別出現(xiàn)了53 a中的最遲初霜日和第2位偏遲初霜日。

從無(wú)霜期的年際變化來(lái)看，北郊1986年以前年際間波動(dòng)較大，1985年出現(xiàn)了53 a中的最短無(wú)霜期，1986年以后無(wú)霜期年際間變化小且呈逐漸增加趨勢(shì)，2013年出現(xiàn)了53 a來(lái)的最長(zhǎng)無(wú)霜期。達(dá)坂城1987年后大部分年份無(wú)霜期偏長(zhǎng)。南山的無(wú)霜期變化分兩個(gè)階段，1961—1985年為逐漸縮短的趨勢(shì)，1985年出現(xiàn)了53 a中的最短無(wú)霜期，1986—2013年轉(zhuǎn)為逐漸增加的趨勢(shì)（圖1）。

2.2.3 年代際變化

從各農(nóng)區(qū)終霜日的年代際距平變化來(lái)看，北郊20世紀(jì)60年代和80年代為正距平，平均終霜日偏晚3 d、5 d，70年代、90年代偏早1 d和3 d，21世紀(jì)的前10 a接近平均值，2011—2013年異常偏早；達(dá)坂城終霜日只有20世紀(jì)70年代和2010—2013年終霜日偏早，其余時(shí)段為接近平均值或偏晚；南山終霜日20世紀(jì)60年代和70年代明顯偏晚，80年代后各年代際終霜日提前2～4 d。初霜日北郊60年代和70年代偏早，80年代后轉(zhuǎn)為偏晚，且距平值每10 a逐漸增加；達(dá)坂城也為20世紀(jì)80年代開始轉(zhuǎn)為偏晚趨勢(shì)；南山則從21世紀(jì)頭10 a開始明顯偏晚。無(wú)霜期的年代際變北郊和南山化比較一致，均為60年代—80年代偏短，從90年代開始無(wú)霜期轉(zhuǎn)為偏長(zhǎng)，達(dá)坂城無(wú)霜期則從21世紀(jì)頭10 a開始明顯偏長(zhǎng)。

2.3 初終霜凍的異常特征

統(tǒng)計(jì)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響大的特晚、偏晚終霜凍和特早、偏早初霜凍出現(xiàn)年份及發(fā)生頻率（表4）。近53 a來(lái)各農(nóng)區(qū)特晚終霜凍發(fā)生頻率為3.8%～7.5%，北郊和南山主要出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代和80年代，達(dá)坂城出現(xiàn)在80年代和90年代；特早初霜凍北郊出現(xiàn)頻率為1.9%，僅在1969年出現(xiàn)過(guò)1次，達(dá)坂城出現(xiàn)頻率為5.7%，60年代、70年代和80年代各出現(xiàn)了1次，南山未出現(xiàn)過(guò)特早初霜凍。各農(nóng)區(qū)偏晚終霜凍發(fā)生頻率為13.2%～18.9%，偏早初霜凍發(fā)生頻率為11.3%～13.2%，北郊和南山均出現(xiàn)在2000年前，達(dá)坂城則各年代都有發(fā)生。

2.4 霜凍對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

近53 a來(lái)各農(nóng)區(qū)春秋季氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，其中北郊3—4月、達(dá)坂城和南山4—5月平均氣溫遞增率分別為0.74℃/10 a、0.27℃/10 a和0.27℃/10 a；秋季9—10月平均氣溫北郊、達(dá)坂城和南山增溫速率分別為0.59℃/10 a、0.30℃/10 a和0.25℃/10 a。由于春秋季的明顯增溫，造成各農(nóng)區(qū)終霜日提前、初霜日推遲、無(wú)霜期延長(zhǎng)，且秋季相關(guān)系數(shù)均大于春季，增溫顯著性比春季明顯，所以初霜日推遲明顯于終霜日的提前。

為了進(jìn)一步探討霜凍強(qiáng)度對(duì)氣溫變暖的響應(yīng)，以各農(nóng)區(qū)歷年出現(xiàn)終、初霜凍時(shí)的最低氣溫代表霜凍的強(qiáng)度，定義0～-2.0℃、-2.1～-5.0℃和＜-5℃三個(gè)溫度等級(jí)分別為輕微、中度和重度3個(gè)霜凍強(qiáng)度等級(jí)[15]，并結(jié)合終、初霜日距平來(lái)判斷霜凍的影響程度。結(jié)果表明，初霜凍強(qiáng)度對(duì)氣溫變暖的響應(yīng)比較明顯：北郊重度霜凍主要出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，此后期至今霜凍強(qiáng)度逐漸減弱，特別是2001年以來(lái)多以0～2.0℃的輕度霜凍為主；達(dá)坂城自70年代至今未出現(xiàn)重度霜凍，2000年和2004年出現(xiàn)了兩次較強(qiáng)的中度霜凍，但初霜日分別比歷年偏晚6 d和提前2 d，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害均較小；山區(qū)各年代都有重度霜凍發(fā)生，1968年、1986年和1998年出現(xiàn)了初霜期偏早的重度霜凍，近15 a未出現(xiàn)過(guò)初霜日偏早的重度霜凍（圖2）。

終霜凍強(qiáng)度則與氣溫變暖之間對(duì)應(yīng)關(guān)系不太明顯，北郊20世紀(jì)80—90年代以輕度霜凍為主，自2001年開始增強(qiáng)為以中度霜凍為主，其中2003年霜凍最低氣溫達(dá)-7.2℃，為近53 a來(lái)的最低值，且終霜日偏晚12 d，2005年又出現(xiàn)了最低氣溫為-5.9℃、終霜日偏晚1 d的重度霜凍；達(dá)坂城80年代后期以來(lái)，大部分年份為輕度—中度霜凍，但2008年出現(xiàn)了最低氣溫-8.4℃、終霜日提前4 d的重度霜凍，霜凍強(qiáng)度僅次于1963年；山區(qū)自1970年以來(lái)低于-5℃的重度霜凍時(shí)有發(fā)生，1998年終霜日比常年偏晚5 d，最低氣溫達(dá)-8.8℃，為近53 a來(lái)的最低值，2006—2010年連續(xù)5 a出現(xiàn)了中度—重度霜凍，其中2007年和2009年、2010年終霜期比常年偏遲（圖3）。

2.5 霜凍的趨勢(shì)性分析

利用R/S法分析了各農(nóng)區(qū)終、初霜日及無(wú)霜期的Hurst指數(shù)（表5），北郊和達(dá)坂城終霜日的H指數(shù)接近0.5，未來(lái)變化趨勢(shì)存在不確定性，南山終霜日的H指數(shù)＞0.5，表明終霜日序列具有持續(xù)性，由于南山近53 a來(lái)終霜日呈明顯的提前趨勢(shì)，因此未來(lái)終霜日仍將呈提前的趨勢(shì)；從初霜日和無(wú)霜期的趨勢(shì)性分析來(lái)看，各農(nóng)區(qū)H指數(shù)均高于0.5，表明初霜日序列和無(wú)霜期序列具有持續(xù)性，初霜日未來(lái)仍呈推遲趨勢(shì)，無(wú)霜期未來(lái)仍呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，其中北郊無(wú)霜期延長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)明顯。

3 結(jié)論

（1）受氣候變暖的影響，近53 a來(lái)烏魯木齊農(nóng)區(qū)呈現(xiàn)出終霜日提前、初霜日推遲、無(wú)霜期延長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中終霜日提前了0.6～2.2 d/10 a，初霜日推遲了1.7～3.7 d/10 a，無(wú)霜期延長(zhǎng)了2.4～5.1 d/10 a，年代際變化與年際變化趨勢(shì)也是同步的，這與新疆大部分地區(qū)的霜凍變化特征是一致的。由于秋季增溫比春季增溫顯著性明顯，因此各農(nóng)區(qū)初霜日推遲比終霜日提前明顯。

（2）近53 a來(lái)各農(nóng)區(qū)特晚終霜凍發(fā)生頻率為3.8%～7.5%，特早初霜凍北郊出現(xiàn)頻率為1.9%，達(dá)坂城出現(xiàn)頻率為5.7%，南山未出現(xiàn)過(guò)特早初霜凍。各農(nóng)區(qū)偏晚終霜凍發(fā)生頻率為13.2%～18.9%，偏早初霜凍發(fā)生頻率為11.3%～13.2%。北郊和南山異常霜凍都出現(xiàn)在2000年前，達(dá)坂城則各年代都有發(fā)生。

（3）利用R/S法分析結(jié)果表明，北郊和達(dá)坂城終霜日未來(lái)變化趨勢(shì)存在不確定性，南山終霜日未來(lái)仍將呈提前的趨勢(shì)，各農(nóng)區(qū)初霜日未來(lái)仍呈推遲趨勢(shì)，無(wú)霜期仍呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，其中北郊無(wú)霜期延長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)明顯。

（4）從近53 a來(lái)各農(nóng)區(qū)霜凍的變化趨勢(shì)和未來(lái)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)來(lái)看，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是整體有利的，無(wú)霜期的延長(zhǎng)為作物生長(zhǎng)提供了更長(zhǎng)的生長(zhǎng)期，但值得注意的是，在氣候變暖的背景下，近年來(lái)烏魯木齊農(nóng)區(qū)霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)并未減小，終霜日偏遲的中度-重度霜凍仍時(shí)有發(fā)生，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害仍較大。針對(duì)當(dāng)前快速發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，更應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)霜凍災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、防范。

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Characteristics of Frost in the Agricultural Area in Urumqi During 1961-2013

ZHENG Yuping，GONG Hengrui，CAO Xing，PU Jie
（Urumqi Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China）

The daily temperature data from 3 meteorological stations as the representatives of agricultural area in Urumqi from 1961 to 2013 was used to analyze the frost index based on the climate tendency rate,anomaly analysis,R/S analysis and other statistical methods.The results showed as follows.In the agricultural areas in Urumqi,the last frost occurred earlier by 0.6～2.2 d/ 10 a and the first frost lagged by 1.7～3.7 d/10 a,and frostless period expanded by 2.4～5.1 d/10 a in recent 53 a;the date occurrence of anomalously late ending frost was 3.8%～7.5%in the every agricultural area and that of anomalously early first frost was 1.9%in the northern suburbs,and the phenomena both appeared before 2000.The results of R/S analysis showed that the frostless period presented an increasing trend in Urumqi in future.According to the 53 a frost change characteristics and future trend,the change was generally favorable to the agricultural production; but it still can damage the agricultural production as in recent years the last frost date was late and the stronger frosts still occurred.

frost；characteristics；anomaly；Hurst index

P423.4

A

1002-0799（2015）01-0052-06

鄭玉萍，宮恒瑞，曹興，等.近53 a烏魯木齊農(nóng)區(qū)霜凍變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：52-57.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.009

2014-05-03；

2014-08-03

國(guó)家“十二五”科技計(jì)劃項(xiàng)目“農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)綜合信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)集成與示范”子項(xiàng)目“新疆特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)示范基地建設(shè)”（2012BAD35B08-2）資助。

鄭玉萍（1973-），女，工程師，主要從事氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象研究。E-mail：hs_zyp@163.com