哈密地區(qū)霜凍氣候特征分析及其對農(nóng)業(yè)的影響

苗運玲，張林梅，卓世新

(1.哈密地區(qū)氣象局，新疆哈密　839000；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰　836500)

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哈密地區(qū)霜凍氣候特征分析及其對農(nóng)業(yè)的影響

苗運玲1，張林梅2，卓世新1

(1.哈密地區(qū)氣象局，新疆哈密839000；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰836500)

摘要：利用1961—2014年哈密地區(qū)4個國家氣象站逐日最低氣溫≤0 ℃的觀測資料及低溫凍害調(diào)查資料，根據(jù)霜凍指標計算歷年初、終霜凍日期和無霜凍期變化趨勢；依據(jù)異常霜凍標準，分析哈密地區(qū)霜凍異常特征，探討其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。結果表明：(1)近54 a全區(qū)及各站點終霜凍絕對變率均大于初霜凍，表明終霜凍穩(wěn)定性差，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)危害大。(2)全區(qū)及各站點初霜凍呈推遲趨勢，終霜凍呈提前趨勢，無霜凍期呈延長趨勢。(3)特晚終霜凍近14 a各地均未出現(xiàn)，而偏晚終霜凍在各年代幾乎都有出現(xiàn)；特早初霜凍各地在20世紀80—90年代均未出現(xiàn)，偏早初霜凍在60—90年代各地均有出現(xiàn)。(4)哈密地區(qū)霜凍災害主要由終霜凍造成。

關鍵詞：霜凍；氣候特征；農(nóng)業(yè)；影響；哈密

霜凍是指在春秋氣溫轉(zhuǎn)換季節(jié)，土壤表面和植物表面溫度下降到0 ℃或以下，足以使植物遭受傷害甚至死亡的一種農(nóng)業(yè)氣象災害[1]。霜凍在世界范圍內(nèi)不僅廣泛發(fā)生，而且危害大、損失重，在我國更是如此。近20年來，全球氣候呈不斷變暖趨勢，國內(nèi)外部分專家就這種變暖趨勢對霜凍指標的影響進行了一定研究，國外研究表明：在北歐、美國等國家霜凍日數(shù)都有減少趨勢[2-3]。我國眾多學者運用不同指標對霜凍的氣候特征及其變化規(guī)律進行了研究[4-9]，葉殿秀[10]等采用577個測站1961—2007年的資料分析了我國霜凍變化特征，發(fā)現(xiàn)全國大部地區(qū)終霜凍日期比初霜凍日期的年際間差異大，無霜凍期又比終霜凍日期的年際變化大。陳少勇[11]等分析了中國西北地區(qū)初霜凍的氣候變化特征，發(fā)現(xiàn)初霜凍顯著推遲，近49 a來平均推遲了9 d；1986年出現(xiàn)突變，推遲日期更長。哈密地處亞歐大陸腹地，新疆最東部，由于天山橫貫新疆中部，使哈密具有獨特的地理環(huán)境和氣候特征。春秋冷空氣活動頻繁，冷暖變化劇烈，霜凍成為該地區(qū)危害最嚴重的災害性天氣之一。在全球氣候變暖的大背景下進行霜凍特征及其變化研究，不僅有助于提高當?shù)厮獌龅念A報預測能力，而且對于農(nóng)業(yè)結構調(diào)整和有效防御霜凍危害具有相當積極的意義。

1資料與方法

1.1資料

溫度條件是農(nóng)作物生長發(fā)育主要影響因子之一，利用最低氣溫≤0 ℃作為霜凍出現(xiàn)的判斷標準。選取哈密地區(qū)具有代表性的4個國家氣象站(哈密市、巴里坤、伊吾、淖毛湖)1961—2014年近54 a逐日最低溫度≤0 ℃的資料及歷年低溫凍害調(diào)查資料。其中哈密市、淖毛湖代表山南農(nóng)業(yè)區(qū)(簡稱山南)，巴里坤、伊吾代表山北牧區(qū)(簡稱山北)。規(guī)定：以日最低溫度≤0 ℃的日期作為霜凍指標，將夏末或秋季日最低氣溫≤0 ℃的第一日定義為初霜凍日，春季或夏初日最低溫度≤0 ℃的最后一天定義為終霜凍日，終霜凍日的翌日到初霜凍日的前一日為無霜期。

1.2方法

(1)利用線性回歸、Mann-Kendall突變檢驗方法等對哈密地區(qū)近54 a霜凍氣候特征進行分析和研究。(2)根據(jù)異常霜凍定義標準[12]，x-μ≤-1.65σ和-1.65σx-μ≥σ分別為特晚終霜凍和偏晚終霜凍。x為霜凍指標，μ為歷年霜凍的平均值，σ表示標準差。

2結果與分析

2.1霜凍的空間分布特征

對哈密地區(qū)及4個站1961—2014年霜凍進行統(tǒng)計(表1)。全區(qū)平均初霜凍日為9月30日，最早平均出現(xiàn)在9月10日，最晚在10月21日，各地最早、最晚初霜凍日之間極差為31～48 d；山南平均初霜凍日為10月15日，山北為9月16日；單站最早出現(xiàn)在巴里坤(8月26日)，最晚出現(xiàn)在淖毛湖(11月4日)。全區(qū)平均終霜凍日是4月26日，平均最早出現(xiàn)在3月30日，最晚在5月23日，各地最早、最晚終霜凍日之間極差為46～66 d；山南平均出現(xiàn)在4月11日，山北為5月11日；單站最早出現(xiàn)在淖毛湖(3月17日)，最晚出現(xiàn)在巴里坤(6月19日)。全地區(qū)平均無霜凍期為157 d，最短無霜凍期為118 d，最長為188 d；單站無霜凍期最短出現(xiàn)在巴里坤(82 d)，最長出現(xiàn)在淖毛湖(220 d)；各地最短、最長無霜凍期之間的極差為63～78 d。

通過計算絕對變率發(fā)現(xiàn)哈密地區(qū)及各站點的終霜凍絕對變率均大于初霜凍，表明終霜凍年際差異較初霜凍大，穩(wěn)定性差，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的危害大于初霜凍。而無霜凍期極差和絕對變率不僅大于初霜凍日，也大于終霜凍日，表明無霜凍期不僅受初霜凍異常影響，也受終霜凍異常影響。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)巴里坤初、終霜凍及無霜期的極差和絕對變率最大，說明該地的熱量資源最不穩(wěn)定，可利用率也相對較低。

從選取資料的區(qū)域來看，各地的緯度均在42°49′～43°46′之間，相差不大，但各地海拔高度卻相差較大，淖毛湖最低(479.1 m)，其終霜凍結束最早，初霜凍出現(xiàn)最晚，無霜凍期最長；巴里坤海拔高度較高(1 674.7 m)，其初霜凍出現(xiàn)最早，終霜凍結束最晚，無霜凍期最短?？梢姵跛獌鲭S海拔高度增高而提前，終霜凍隨海拔高度降低而提前，反之推遲，因此海拔高度是影響哈密地區(qū)霜凍變化的重要因素，它造成霜凍空間分布十分不均勻，初(終)霜凍日及無霜凍期差異較大。

表1　哈密地區(qū)初、終霜凍日和無霜期的氣候特征

2.2霜凍的年際變化趨勢

從哈密地區(qū)近54a初(終)霜凍日和無霜凍期年際變化曲線圖(圖1)可知，全區(qū)初霜凍日呈推遲趨勢，氣候變化傾向率為-2.0d/10a；單站(圖略)巴里坤和淖毛湖推遲最明顯，傾向率均為-3.6d/10a，通過0.01的信度檢驗；伊吾則呈微弱的提前趨勢，沒有通過顯著性檢驗。全區(qū)終霜凍日呈提前趨勢，氣候變化傾向率為2.0d/10a；單站巴里坤提前最明顯，傾向率為3.7d/10a，通過0.01的信度檢驗；哈密市提前趨勢最弱，沒有通過顯著性檢驗。哈密地區(qū)無霜凍期呈延長趨勢，氣候變化傾向率為4.0d/10a，單站巴里坤延長最明顯，傾向率為7.4d/10a，全區(qū)及各站點均通過0.01的信度檢驗。無霜凍期的延長為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件，熱量資源充足、穩(wěn)定，作物生長期積溫增多，同時對擴大晚熟品種種植面積、提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)十分有利。

圖1　哈密地區(qū)1961—2014年初(終)霜凍日及無霜凍日年際變化曲線

2.3突變特征

利用Mann-Kendall方法計算哈密地區(qū)全區(qū)初(終)霜凍日和無霜凍期氣候突變時間。由圖2a可見，UF曲線自20世紀70年代中期有明顯的上升趨勢。80年代末期至2014年這種上升趨勢均大大超過顯著性水平0.05的臨界線(±1.96)，甚至超過0.001顯著性水平(±2.56)，表明哈密地區(qū)初霜凍日呈顯著推遲趨勢，由UF和UB曲線交點的位置可以確定1975年是全區(qū)初霜凍日從相對偏早期躍變?yōu)橄鄬ζ砥诘耐蛔兡辍Ｓ蓤D2 b可知，UF曲線自20世紀80年代中期有明顯的下降趨勢，UF和UB在2002年出現(xiàn)交點，并且UF超過臨界值-1.96，表明終霜凍日呈顯著的提前趨勢，2002年全地區(qū)終霜凍日從相對偏晚期轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬ζ缙?。全區(qū)無霜凍期(圖2c)UF和UB曲線在1985年出現(xiàn)交點，上升趨勢明顯，不僅通過0.05的置信度檢驗，也同樣通過0.001的置信度檢驗，表明無霜凍期呈顯著的延長趨勢，因此1986年是全地區(qū)無霜期從相對偏短期轉(zhuǎn)為相對偏長期的突變年。

對哈密各站點近54 a初(終)霜凍日和無霜凍期時間序列也進行突變分析(圖略)發(fā)現(xiàn)，哈密市、伊吾近54 a初、終霜日和無霜期均不存在氣候突變；淖毛湖初霜日和無霜凍期發(fā)生氣候突變，突變年分別為1975年和1980年；巴里坤初、終霜凍和無霜凍期均發(fā)生氣候突變，突變年分別為1985年、1996年和1987年，并且突變顯著。

圖2　哈密地區(qū)1961—2014年初霜凍日(a)、終霜凍日(b)及無霜期(c)M-K檢驗(虛線為α=0.05臨界值)

3異常霜凍特征

根據(jù)哈密地區(qū)近54 a特晚、偏晚終霜凍和特早、偏早初霜凍出現(xiàn)日期及所占比例(表2)分析，各站點特晚終霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～5.6%，巴里坤、伊吾和淖毛湖主要出現(xiàn)在20世紀60年代和70年代，哈密市出現(xiàn)在70年代和90年代，近14 a各站點均沒有出現(xiàn)特晚終霜凍，山南主要出現(xiàn)在5月上旬和中旬，山北主要出現(xiàn)在6月上旬和中旬。各站點偏晚終霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～20.4%，哈密市和淖毛湖各年代都有出現(xiàn)，巴里坤90年代未出現(xiàn)，伊吾60年代未出現(xiàn)，山南主要出現(xiàn)在4月下旬，山北主要出現(xiàn)在5月下旬。

各站點特早初霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～11.1%，伊吾和淖毛湖主要出現(xiàn)在20世紀60年代，巴里坤主要出現(xiàn)在60年代和70年代，哈密市主要出現(xiàn)在60年代和21世紀初十年，山南主要出現(xiàn)在9月下旬，山北主要出現(xiàn)在8月下旬。偏早初霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～25.9%，哈密市和伊吾各年代都有出現(xiàn)，巴里坤和淖毛湖在近14 a均未出現(xiàn)偏早初霜凍，山南主要出現(xiàn)在10月上旬，山北主要出現(xiàn)在9月上旬。

表2　近54 a哈密地區(qū)各站點異常霜凍出現(xiàn)年份和出現(xiàn)頻率(括號內(nèi))　%

4霜凍對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

氣候變暖必然會影響初、終霜凍和無霜期變化，但并不意味著霜凍發(fā)生概率下降，危害減弱。雖然近年來全國寒潮發(fā)生次數(shù)減少，無霜期延長，初霜凍和終霜凍發(fā)生范圍有縮小趨勢，但是終霜凍發(fā)生次數(shù)卻趨于頻繁[13]。根據(jù)哈密地區(qū)霜凍災害歷史資料統(tǒng)計，終霜凍災害共發(fā)生10次(表略)，均出現(xiàn)在20世紀80年代以后，而近14 a出現(xiàn)了7次，占70%；初霜凍災害出現(xiàn)2次，均出現(xiàn)在21世紀的近14 a。

終霜凍是春夏轉(zhuǎn)換季節(jié)發(fā)生的氣象災害，對春播作物苗期、果樹花期等影響很大，終霜凍出現(xiàn)的越晚，對作物危害也就越大。哈密地區(qū)主要農(nóng)作物有小麥、棉花、哈密瓜、葡萄、大棗等。4月上中旬，山南農(nóng)業(yè)區(qū)大部分農(nóng)作物尚未播種出苗，只有小麥處于生長期，此時出現(xiàn)的霜凍一般不會造成較大危害。但是霜凍出現(xiàn)在4月下旬或5月上、中旬，由于棉花、哈密瓜、葡萄、果樹等作物處于幼苗生長期和果樹開花期， 抗凍能力較弱，易造成嚴重凍害。如2014年4月23—24日，哈密地區(qū)出現(xiàn)了大風、降溫、降雪強寒潮天氣過程，最低氣溫哈密南部降至-2.8 ℃，北部降至-11.3 ℃，造成農(nóng)業(yè)、林果業(yè)、畜牧業(yè)受災十分嚴重，造成林果業(yè)受災27.89萬hm2，農(nóng)業(yè)受災0.25萬hm2，導致受凍死亡的牲畜1 470頭(只)，經(jīng)濟損失達31 918.1萬元。

初霜凍主要出現(xiàn)在秋冬轉(zhuǎn)換季節(jié)，出現(xiàn)越早，危害越重，初霜凍過早出現(xiàn)會對小麥、棉花、馬鈴薯等生長和成熟造成嚴重影響，尤其是9月出現(xiàn)霜凍對農(nóng)作物影響最大。如2004年9月22—24日哈密地區(qū)出現(xiàn)降溫、降水天氣，最低氣溫降至-2.8 ℃，導致未收割的0.45萬hm2農(nóng)作物受災，直接經(jīng)濟損失達1 500萬元。

可見，霜凍危害是普遍的，無論是過去、現(xiàn)在、還是將來，它對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟的影響都是十分嚴重的，因此，加深對霜凍的研究、預測和防御是一項十分重要的工作。

5結論

(1)哈密地區(qū)及各站點終霜凍絕對變率為6.08～9.81，初霜凍為5.77～9.26，無霜期為8.69～15.48，終霜凍絕對變率比初霜凍大，穩(wěn)定性較差，表明終霜凍對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成的危害大于初霜凍，無霜期受初霜凍、終霜凍異常影響，絕對變率不僅大于初霜凍，也大于終霜凍。

(2)近54 a哈密全區(qū)初霜凍日呈推遲趨勢，氣候變化傾向率為-2.0 d/10 a，單站巴里坤和淖毛湖推遲最明顯，傾向率均為3.6 d/10 a；全區(qū)終霜凍日呈提前趨勢，氣候變化傾向率為2.0 d/10 a，單站巴里坤提前最明顯，傾向率為3.7 d/10 a；全區(qū)無霜凍期呈延長趨勢，氣候變化傾向率為4.0 d/10 a，單站巴里坤延長最明顯，傾向率為7.4 d/10 a。

(3)哈密地區(qū)初霜凍日突變年出現(xiàn)在1975年，呈顯著推遲趨勢；終霜凍日突變年為2002年，呈顯著提前趨勢；無霜凍日突變年出現(xiàn)在1986年，呈顯著的延長趨勢。

(4)哈密地區(qū)各地特晚終霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～5.6%，近14 a各地均未出現(xiàn)特晚終霜凍；特早初霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～11.1%，其中伊吾特早初霜凍僅出現(xiàn)了1次，而巴里坤特早初霜凍出現(xiàn)了11次。各地偏晚終霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～20.4%，偏早初霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～25.9%。巴里坤和淖毛湖異常初霜凍都出現(xiàn)在2000年以前，近14 a沒有出現(xiàn)異常初霜凍。

(5)哈密地區(qū)霜凍災害主要是由終霜凍造成的，終霜凍災害共發(fā)生10次，均出現(xiàn)在20世紀80年代以后，近14 a出現(xiàn)了7次，占總數(shù)70%。

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文章編號：1006-4354(2016)03-0012-05

收稿日期：2015-08-25

作者簡介：苗運玲(1976—)，女，漢族，新疆哈密人，學士，工程師，從事短期天氣預報。

基金項目：新疆吐魯番哈密地區(qū)空中云水資源開發(fā)利用項目子課題(TUHA201508)

中圖分類號：P4680.21

文獻標識碼：A

苗運玲，張林梅，卓世新. 哈密地區(qū)霜凍氣候特征分析及其對農(nóng)業(yè)的影響[J].陜西氣象，2016(3)：12-16.