新疆石河子多年霜凍氣候特征及預(yù)防

（新疆石河子氣象局，石河子市，832000） 蒲云錦

霜凍是一種常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，一直是農(nóng)業(yè)科學(xué)、氣象科學(xué)和相關(guān)科學(xué)研究的重點(diǎn)，初霜期顯著提前，終霜期顯著推遲，都會(huì)給當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物造成嚴(yán)重危害。只有充分地認(rèn)識(shí)霜凍氣候的發(fā)生規(guī)律和形成機(jī)理，才能最大限度地降低霜凍災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)霜凍氣候及災(zāi)害做了大量的研究。郭曉雷[1]對(duì)近50年環(huán)香山地區(qū)霜凍氣候的基本特征和變化趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)分析,為制定該地區(qū)壓砂瓜霜凍災(zāi)害防御措施提供參考；丁文魁[2]等分析了武威市年初、終霜日的時(shí)空變化特征；朱紅蕊[3]分析了水稻初霜凍災(zāi)害的危險(xiǎn)性和易損性,實(shí)現(xiàn)水稻初霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃；袁佰順[4]等進(jìn)行了蘋(píng)果花果期霜凍災(zāi)害氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究；張延菊[5]根據(jù)1961～2009 年托里縣實(shí)測(cè)資料,對(duì)當(dāng)?shù)厮獌鲎兓卣鬟M(jìn)行分析；王俊[6]等建立由溫度指標(biāo)推算茶葉開(kāi)采期的模型；鐘有萍[7]等對(duì)銅仁市凝凍時(shí)空分布和凝凍指數(shù)進(jìn)行分析；張黎[8]等對(duì)霜凍發(fā)生時(shí)間、強(qiáng)度、頻率等致災(zāi)因子進(jìn)行特征分析；林婧婧[9]等分析了初、終霜凍和無(wú)霜凍期的變化特征；楊明珠[10]等利用站點(diǎn)觀測(cè)和再分析資料研究了黑潮海溫(SST)與中國(guó)北方初霜凍日期的關(guān)系；馮淑霞[11]等分析了霜凍對(duì)東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響,并根據(jù)霜凍特點(diǎn)提出防御霜凍危害的措施；蒲金涌[12]等建立了干旱影響糧食產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指數(shù),并對(duì)不同冬小麥、玉米在不同季節(jié)受不同等級(jí)干旱的影響風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析；嚴(yán)應(yīng)存[13]等采用圖表法和指數(shù)乘積法開(kāi)展青海省霜凍災(zāi)害變化特征及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；桑建人[14]等組合建立具有一定代表性的霜凍指標(biāo)；黃玖君[15]等分析霜凍變化特征,初步探討其對(duì)主要農(nóng)作物的影響；李超[16]等采用基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)方法和氣候診斷分析方法對(duì)赤峰市14個(gè)站的初霜凍日期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；徐圣璇[17]等對(duì)1951～2012年廣西90個(gè)氣象站霜日分布及變化特征的分析；李芬[18]等分析了山西終霜凍的時(shí)空分布特征；張山清[19]等使用線性趨勢(shì)、累積距平和t-檢驗(yàn)以及混合插值法對(duì)年平均氣溫和初、終霜凍日、無(wú)霜凍期的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析；拉巴次仁[20]等分析了霜凍日數(shù)的年際、年代際、異常、突變等氣候變化特征。

石河子墾區(qū)地處地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，地理坐標(biāo)位于東經(jīng)84'58"～86'24"，北緯43'26"～45'20"。屬于大陸性溫帶干旱、半干旱氣候，也是霜凍災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，石河子墾區(qū)是一個(gè)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的地區(qū)，每年都有霜凍災(zāi)害發(fā)生，霜凍災(zāi)害是制約石河子墾區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素之一，此文以石河子氣象局1954～2017 年地面氣象觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析了霜凍氣候變化特征，初、終霜凍日和無(wú)霜日變化規(guī)律，以期提高霜凍的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)水平和防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)能力，為石河子墾區(qū)因地制宜、合理調(diào)整種植物種結(jié)構(gòu)和布局，充分利用當(dāng)?shù)貧夂蜃哉Z(yǔ)昂提供科學(xué)依據(jù)，為當(dāng)?shù)卣峁?zhǔn)確及時(shí)的決策依據(jù)，為促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展有著極其重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

選用新疆石河子墾區(qū)1954～2017 年初霜、終霜和無(wú)霜日地面觀測(cè)資料。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

（1）運(yùn)用最小二乘法原理，采用一元線性回歸方程對(duì)近石河子墾區(qū)霜凍氣候時(shí)間序列進(jìn)行線性擬合，以此來(lái)描述霜凍氣候的變化，即令y(t)=a+bt，其中t為時(shí)間序列，b*10a定義為霜凍提前推遲率，b＞0表示要素序列呈上升（增加、推遲）趨勢(shì)，b＜0表示要素序列呈下降（減少、提前）趨勢(shì)。

（2）利用Molet小波分析方法分析年初霜日、年終霜日和年無(wú)霜日數(shù)的周期變化；

利用Mann-Kendall方法分析初霜日、終霜日和無(wú)霜日數(shù)突變特征，并確定其時(shí)間。

（4）用多元線性回歸模型分析年無(wú)霜日數(shù)變化與9個(gè)氣象因子的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 初霜日、終霜日和無(wú)霜日數(shù)的氣候變化特征

從終霜日變化特征圖（圖1a）可知，石河子墾區(qū)1963年來(lái)終霜日呈波動(dòng)提前趨勢(shì)，以4.97d/10a的趨勢(shì)提前，且相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.05 置信度檢驗(yàn)，有較好的擬合性，石河子墾區(qū)平均終霜日是4 月23 日，終霜日出現(xiàn)最早的日期是2014年3月18日，最遲終霜日期出現(xiàn)在1958年5月31日。

初霜日變化特征圖（圖1b）可知，石河子墾區(qū)年63年來(lái)初霜日呈波動(dòng)推后趨勢(shì)，以3.48d/10a的趨勢(shì)推后，相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.05 置信度檢驗(yàn)，石河子墾區(qū)年平均初霜日是10月2日，年初霜日出現(xiàn)最早的日期是1968 年9 月7 日，最遲初霜日期出現(xiàn)在2006年11月5日。

圖1a終霜日變化特征圖 圖1b初霜日變化特征圖 圖1c無(wú)霜日變化特征圖

無(wú)霜日變化特征圖（圖1c）可知，石河子墾區(qū)年無(wú)霜日數(shù)呈波動(dòng)延長(zhǎng)趨勢(shì)，以8.76d/10a的趨勢(shì)在延長(zhǎng)，相關(guān)系數(shù)也通過(guò)了0.05 置信度檢驗(yàn)，石河子墾區(qū)平均無(wú)霜日數(shù)是162.9d，最短無(wú)霜日數(shù)是117d，出現(xiàn)在1958 年，最長(zhǎng)無(wú)霜日數(shù)出現(xiàn)在2014 年，是208d。從氣候資源利用的角度評(píng)價(jià),無(wú)霜期的變化范圍越大,表明熱量資源的穩(wěn)定性越差,可利用的程度越低;從防御災(zāi)害的角度分析,無(wú)霜期變化越大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上躲避霜凍的難度越大,遭受的危害性越高。無(wú)霜期的絕對(duì)變率比初（終）霜日的絕對(duì)變率要大,所以無(wú)霜期是一個(gè)變化較大的氣候值。

2.2 無(wú)霜日數(shù)周期特征

用Morlet小波分析函數(shù)來(lái)分析無(wú)霜日數(shù)周期特征，Morlet 小波變換得到的最重要的變量是小波實(shí)部、相位和模。實(shí)部包含強(qiáng)度和位相兩方面的信息，不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)，可以反映系統(tǒng)在該時(shí)間尺度下的變化特征：正的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)無(wú)霜日數(shù)延長(zhǎng)期，負(fù)的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)無(wú)霜日數(shù)縮短期，小波系數(shù)絕對(duì)值越大，表示該時(shí)間尺度變化越顯著。

圖2 無(wú)霜日數(shù)Morlet小波實(shí)部分析

圖2 為1954～2017 年石河子墾區(qū)無(wú)霜日數(shù)Morlet小波變換實(shí)部，年代際周期從1954年的準(zhǔn)12年周期逐漸減少到2016 年的準(zhǔn)9 年周期，表現(xiàn)為1954～1957 年無(wú)霜日數(shù)延長(zhǎng)期（準(zhǔn)12 年周期）、1958～1962年縮短期（準(zhǔn)12年周期，中心值為-1.5）、1963～1969 年延長(zhǎng)期（準(zhǔn)12 年周期，中心值為1.5）、1970～1976年縮短期（準(zhǔn)12年周期，中心值為-1.0）、1977～1981 年延長(zhǎng)期（準(zhǔn)11 年周期）、1982～1986 年無(wú)霜日數(shù)縮短期（準(zhǔn)9 年周期，中心值為-1.5）、1987～1989 年延長(zhǎng)期（準(zhǔn)9 年周期，中心值為2.0）、1990～1995 年縮短期（準(zhǔn)8 年周期，中心值為-2.0）、1996～2000 年延長(zhǎng)期（準(zhǔn)8 年周期，中心值為1.5）、2001～2004 年縮短期（準(zhǔn)8 年周期，中心值為-1.5）、2005～2009 年延長(zhǎng)期（準(zhǔn)8 年周期，中心值為1.0）、2010～2013 年無(wú)霜日數(shù)縮短期（準(zhǔn)8 年周期，中心值為-0.5）、2014～2016年延長(zhǎng)期（準(zhǔn)8年周期）。

2.3 無(wú)霜日數(shù)突變特征

圖3 無(wú)霜日數(shù)突變特征曲線

圖3為近63年石河子無(wú)霜日的突變曲線，根據(jù)UF（k）、UB（k）曲線交點(diǎn)的位置，可以確定1995年前后石河子墾區(qū)無(wú)霜日數(shù)發(fā)生了突變。表明石河子墾區(qū)自1995年代以后無(wú)霜日數(shù)增多是十分顯著的。

2.4 石河子墾區(qū)預(yù)防霜凍的措施

（1）根據(jù)石河子墾區(qū)霜凍氣候特征，選擇和培育抗霜凍、早熟、高產(chǎn)的作物品種。不同作物抗霜凍的能力是不同的，只要選育品種得當(dāng)就可以大大減少霜凍的危害。

（2）根據(jù)石河子墾區(qū)霜凍氣候特征，選擇適宜的播種期和移栽期，避開(kāi)當(dāng)?shù)匾装l(fā)生霜凍的時(shí)間，減少霜凍的危害。也可以進(jìn)行保護(hù)地或營(yíng)養(yǎng)缽育苗，等霜凍過(guò)后再把棉苗移栽到大田，是預(yù)防霜凍行之有效的方法。

（3）根據(jù)石河子墾區(qū)地形的小氣候合理種植作物。一般山谷地帶易受霜凍危害，而山坡中部不易受霜凍。把喜溫作物種在向陽(yáng)坡地上，而把耐寒作物種在偏北坡。

（4）根據(jù)石河子墾區(qū)多年風(fēng)向風(fēng)速氣候資料，在合適的區(qū)域設(shè)置防風(fēng)林和風(fēng)障，可以減低風(fēng)速，減少土壤水分蒸發(fā)，提高土壤溫度，降低霜凍危害。

（5）物理化學(xué)方法。①有熏煙法，能提高地面溫度1℃～3℃。②灌水和噴水法?？梢栽黾油寥罎穸龋率雇寥罒崛萘亢蛯?dǎo)熱率增大，資料表明，灌水后，近地面可增溫3℃～5℃，灌水時(shí)間越接近霜凍來(lái)臨時(shí)間，效果越好。③覆蓋法。能顯著地減弱土壤和作物表面的輻射冷卻，在覆蓋物下的氣溫比外面的氣溫高2℃左右，溫度不致與外界冷空氣交換而降低。④通風(fēng)法。霜凍發(fā)生時(shí)，利用鼓風(fēng)機(jī)或直升機(jī)可以使上下空氣混合，能使作物生長(zhǎng)區(qū)的溫度升高，可提高氣溫2℃～4℃，從而保護(hù)作物免受霜凍害。

3 結(jié)論

（1）石河子墾區(qū)從終霜日以3.48d/10a的趨勢(shì)提前，初霜日以4.97d/10a 的趨勢(shì)推后，無(wú)霜日數(shù)以8.76d/10a的趨勢(shì)在延長(zhǎng)。

（2）石河子墾區(qū)無(wú)霜日數(shù)從1954 年的準(zhǔn)12 年周期逐漸減少到2016年的準(zhǔn)9年周期。

（3）石河子墾區(qū)無(wú)霜日數(shù)在1995 年發(fā)生了突變。

（4）根據(jù)石河子墾區(qū)霜凍氣候特征，合理選擇農(nóng)作物品種，選擇合適的地形種植農(nóng)作物，選用正確預(yù)防霜凍等方法可以大大減少霜凍的危害。

4 討論

根據(jù)當(dāng)?shù)厮獌鰵夂蛱卣鳎x擇適宜的播種期和移栽期，在合適的區(qū)域設(shè)置防風(fēng)林和風(fēng)障，選擇和培育抗霜凍、早熟、高產(chǎn)的作物品種，選用合適預(yù)防霜凍措施，霜凍災(zāi)害是完全可以避免的。