氣候變暖背景下沙坡頭區(qū)霜凍變化特征

高杰 楊苑 龐婷婷 張德有

摘要 利用1961—2015年中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)國家氣候基本站的逐日平均氣溫及地面最低氣溫資料，采用線性傾向估計等方法研究了近55年沙坡頭區(qū)氣溫及霜凍的變化特征。結(jié)果表明，近55年來沙坡頭區(qū)年平均氣溫在波動中不斷上升，尤其21世紀初氣候變暖明顯，在此背景下，沙坡頭區(qū)初霜凍日呈推后趨勢，終霜凍日呈提前趨勢，無霜期呈延長趨勢；進入21世紀，初霜凍日平均推后4～5 d，終霜凍日平均提前15 d左右，無霜期明顯增加，尤其在近5年平均延長了31 d，特早終霜凍日和特長無霜期也均出現(xiàn)在21世紀。

關(guān)鍵詞 初霜凍；終霜凍；無霜凍期；變化特征；沙坡頭區(qū)

中圖分類號 S425 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）13-0186-03

Change Characteristics of frost in Shapotou District under the Background of Climate Warming

GAO Jie，YANG Yuan，PANG Ting-ting et al

（Zhongwei City Meteorological Bureau，Zhongwei，Ningxia 755000）

Abstract Using the daily average temperature and ground minimum temperature data of the national climate base station in Shapotou District of Zhongwei City from 1961 to 2015， the change characteristics of temperature and frost in Shapotou District were studied by linear propensity estimation method.The results showed that the annual average temperature in Shapotou District had been increasing in the past 55 years， especially in the beginning of the 21st century. On this background，the first frost day in Shapotou District was pushed forward， and the final frost day was in advance，and the frost-free period was prolonged.In the 21st century，the average first frost day pushed 4-5 days，the average final frost day was about 15 days in advance， and the frost-free period was obviously increased，especially in the past 5 years，an average of 31 days extended，special early final frost day and specialty frost-free period also appeared in the 21st century.

Key words First frost；Final frost；Frost-free period；Change characteristics；Shapotou District

近年來，各種極端天氣頻發(fā)，氣候變化問題引起了全球的廣泛關(guān)注，科學(xué)家將其歸因為溫室效應(yīng)[1-2]。雖然受溫室效應(yīng)影響，氣溫總體呈上升趨勢，但我國許多地區(qū)仍然受到低溫凍害的危害[3]。霜凍是植物生長季內(nèi)，由于冷空氣的入侵，使土壤表面、植物表面及近地氣層的溫度驟降至0 ℃以下，引起植物細胞間結(jié)冰而使植物遭到傷害或死亡的一種短時間低溫災(zāi)害[4]。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，在遇嚴重的終霜凍結(jié)束晚和初霜凍來得早的年份都會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大危害。如2010年4月11日晚霜凍使中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)大部分小麥及經(jīng)濟果園凍傷，造成直接經(jīng)濟損失245.01萬元。嚴重的初終霜凍已成為中衛(wèi)市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，因此，霜凍災(zāi)害的預(yù)測研究備受關(guān)注，李紅英等[5]、唐晶等[6]、馬柱國[7]對不同區(qū)域范圍霜凍的氣候變化特征、霜凍致災(zāi)因子指標特征及危害性進行了分析。筆者利用1961—2015年中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)每日的平均氣溫及地面最低氣溫資料，采用線性傾向估計法等分析近55年來沙坡頭區(qū)氣溫變化特征，在此基礎(chǔ)上詳細分析初、終霜凍、無霜期的變化特征及霜凍的異常特征，以期為當(dāng)?shù)刂朴喫獌鰹?zāi)害防御措施提供氣候參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源及說明

所用資料是由沙坡頭區(qū)國家氣候基本站提供的1961—2015 年日平均氣溫及最低氣溫觀測資料，該站觀測資料完整性和連續(xù)性較好。參考作物霜凍等級氣象行業(yè)標準[8]和中國科學(xué)技術(shù)藍皮書第5號《氣候》[9]，把地面最低溫度≤0 ℃作為霜凍標準。初霜凍日為后半年首次出現(xiàn)日地面最低溫度≤0 ℃的日期；終霜凍日為前半年最后一次出現(xiàn)日地面最低溫度≤0 ℃的日期；無霜期為霜凍初日和終日之間的間隔日數(shù)[10]。

1.2 研究方法

采用線性傾向估計法分析中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)近55年霜凍變化趨勢；根據(jù)正態(tài)分布原理挑選計算異常霜凍的發(fā)生年份及其發(fā)生概率；利用累積距平[11]和信噪比進行突變分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫年代際變化

從圖1可看出，近55年來沙坡頭區(qū)年平均氣溫在波動中不斷上升，年際、年代際變化均較大。2001—2010年比20世紀60年代溫度升高了1.8 ℃，可見沙坡頭區(qū)氣候變暖形勢嚴峻。

2.2 初、終霜凍日和無霜凍日時間變化

中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)歷年平均初霜凍日期為10月5日，1961年9月14日為最早出現(xiàn)的日期，1976年10月24日為最晚出現(xiàn)的日期，極差為40 d。近55年來年初霜凍日總體上呈推遲趨勢，趨勢變化方程為y=0.182 3x+41 546，表明初霜日以1.823 d/10 a的速度推后，可以推算出近55年推遲了約10 d，氣候趨勢系數(shù)為0.292 4。

沙坡頭區(qū)終霜凍歷年平均終霜凍日期為4月21日，2001年1月26日為最早結(jié)束的日期，1971年5月28日為最晚結(jié)束的日期，極差為122 d。近55年來終霜凍日總體呈提前趨勢，其變化方程為y=-0.503 0x+41 399，表明終霜日以5.030 d/10 a的速度提前，可以推算出近55年約提前了28 d，氣候趨勢系數(shù)為0.347 3。

中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)無霜期平均為166 d，最長達249 d（2001年），最短為120 d（1971年），極差為129 d。近55年來無霜期呈延長趨勢，趨勢方程為y=0.638 7x+147.7，表明無霜期以6.387 d/10 a的速度延長，粗略推算出近55年約延長了33 d，氣候趨勢系數(shù)為0.391 0。

從表1可以看出，20世紀60、90年代平均初霜凍日期為9月28日，2000年以后為10月9—10日。結(jié)合趨勢變化（圖2a）可以看出，沙坡頭區(qū)初霜凍日期在20世紀70、80年代均推后，90年代開始發(fā)生逆轉(zhuǎn)，初霜凍日開始提前；20世紀70年代平均終霜凍日期為5月6日，20世紀60、80及90年代平均終霜凍日期均在4月下旬；20世紀90年代以前，沙坡頭區(qū)的平均無霜期均小于平均值。

進入21世紀后，氣候變暖現(xiàn)象更加明顯；初霜凍日平均推后4～5 d；終霜凍日提前趨勢較明顯，平均提前15 d左右；無霜期明顯增加，尤其是近5年，無霜期延長明顯，平均延長了31 d。

2.3 霜凍異常發(fā)生特征與突變分析

2.3.1 霜凍異常特征。

按照梁進秋等[12]、杜軍等[13]的研究，霜凍與氣溫一樣具有正態(tài)分布特征。因此，特早初霜凍和特晚終霜凍以及特短（長）無霜期采用出現(xiàn)概率5%來界定，偏早初霜凍和偏晚終霜凍以及較短（長）無霜期采用出現(xiàn)概率11%來界定。關(guān)系式[14]分別如下：

式中，P為出現(xiàn)概率（%），x為霜凍指標，μ為多年平均值，σ為標準差。<-1.65σ和>1.65σ分別稱為特早初霜凍日和特晚終霜凍日；-1.65σ～-σ和σ～1.65σ分別為偏早初霜凍日和偏晚終霜凍日。經(jīng)計算得出，1961—2015年中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)的特早和特晚初霜凍日分別為早于9月18日和晚于10月21日；偏早和偏晚初霜凍日分別為9月18—25日、10月14—21日。特早和特晚終霜凍日界線為早于3月14日和晚于5月29日；偏早和偏晚終霜凍日分別為3月14—29日、5月14—29日。特短和特長無霜期界線為少于123 d和多于208 d；較短和較長無霜期日數(shù)分別為123～140和192～208 d。

從表2可以看出，1961—2015年中衛(wèi)市沙波頭區(qū)各個年代均有異常霜凍出現(xiàn)。近55年特晚終霜凍未出現(xiàn)過；偏晚初霜凍日出現(xiàn)的頻率最高，其中21世紀占絕大多數(shù)；特早初霜凍日主要出現(xiàn)在20世紀60年代；特早終霜凍日和特長無霜期均出現(xiàn)在21世紀。雖然受全球氣候變暖的影響，初霜凍日出現(xiàn)趨勢整體推后，終霜凍日出現(xiàn)趨勢整體提前，但20世紀90年代初霜凍日偏早出現(xiàn)年份竟占50%；而1991和2004年終霜凍日較同時代明顯推后出現(xiàn)。

2.3.2 無霜凍期突變分析。

利用累積距平公式[11]計算得出，近55年來中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)無霜期累積距平值最大年份為1998年，即1998年可能是突變年份。

經(jīng)計算，1998年信噪比為0.21，未能通過S/N>1.0的檢驗。故沙坡頭區(qū)1998年的霜凍特征雖然發(fā)生較大的逆轉(zhuǎn)，但還未達到氣候突變的標準。

3 結(jié)論

（1）近55年中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)平均初霜凍出現(xiàn)在10月5日，呈推后趨勢，氣候傾向率為1.823 d/10 a，55年約推后了10 d；平均終霜凍出現(xiàn)在4月21日，呈提前趨勢，氣候傾向率為-5.030 d/10 a，55年約提前了28 d；平均無霜凍日數(shù)為166 d，呈延長趨勢，氣候傾向率為6.387 d/10 a，55年約延長了33 d。

（2）進入21世紀后，初霜凍日平均退后4～5 d，終霜凍日平均提前15 d左右，無霜期也在進入21世紀后明顯增加，尤其在近5年平均延長了31 d。

（3）近55年沙坡頭區(qū)特晚終霜凍日未出現(xiàn)過，偏晚初霜凍日出現(xiàn)的頻率最高，其中20世紀80年代后占絕大多數(shù)，特早初霜凍日主要出現(xiàn)在20世紀60年代，特早終霜凍日和特長無霜期均出現(xiàn)在21世紀。

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