濉溪縣霜變化特征及結(jié)霜與氣象要素關(guān)系分析

殷晗 劉詩濤 周景春

摘 ?要：研究濉溪縣1957—2018年霜的變化及結(jié)霜與氣象要素關(guān)系，結(jié)果表明：隨著年份的延續(xù)，初霜日推后，終霜日提前，無霜期延長，霜日減少，氣候傾向率分別為3.66、-2.96、6.62、-4.26d/10年。隨著當日最低溫度升高或隔夜溫差的增大，結(jié)霜頻率呈拋物線變化趨勢;結(jié)霜頻率與上日濕度、日照率或降水量多直線相關(guān)。對結(jié)霜頻率的影響大小依次為當日最低氣溫?上日日照率?上日濕度?隔夜溫差?上日降水量。

關(guān)鍵詞：初霜日;終霜日;變化特征;氣象要素

中圖分類號 P423.4文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）10-0138-05

IPCC第5次評估報告指出，1880—2012年期間全球平均陸地和海洋表面溫度升高0.85℃，全球幾乎所有的地區(qū)都經(jīng)歷了地表增暖過程。20世紀后半葉，中國也經(jīng)歷了類似氣候變暖過程，1951—2009年中國陸地表面平均溫度升高1.38℃，變暖速率為0.23℃/10年。在全球變暖的背景下，一些極端氣候事件發(fā)生的頻率和強度也顯著增加，許多地區(qū)遭受低溫冷害和高溫熱浪的侵擾。霜是水汽在地面和近地面物體上凝華而成的白色松脆的冰晶，或由露凍結(jié)而成的冰珠，對農(nóng)作物基本無害。霜凍是指空氣溫度突然下降，使植物體溫降至0℃以下而受到損害甚至死亡的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。國內(nèi)很多學(xué)者分析了全國及區(qū)域初、終霜日期的時空變化特征，發(fā)現(xiàn)中國大部分地區(qū)的初霜日推遲、終霜日提前，無霜期延長，并且在1980—1990年發(fā)生突變[1～6]。近年來，對濉溪縣氣候變化如氣溫、日照、降水等方面的研究較多，對于結(jié)霜方面的研究幾乎空白。筆者利用濉溪縣62年的氣候資料，分析初、終霜日及無霜期的變化趨勢，解析氣象要素與結(jié)霜頻率的關(guān)系，以期更好的指導(dǎo)農(nóng)事生產(chǎn)，預(yù)防霜凍，減少損失。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 安徽省濉溪縣位于黃淮平原南緣，地處33°17′～33°59′N、116°23′～116°59′E，南北長90km，東西寬45km，轄11個鎮(zhèn)和省級濉溪經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、濉溪蕪湖現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園，人口107萬。國土面積1987km2，皆為平原，地勢平坦，地面高程23.5～32.4m，自西北向東南緩傾，坡降1/10000。耕地14.7×104hm2，土壤類型為砂姜黑土和潮土。耕作制度以冬小麥-夏大豆、冬小麥-夏玉米1年2熟為主，復(fù)種指數(shù)184.0%。1981—2010年30年平均太陽輻射總量521.6kJ/cm2，年平均氣溫15.3℃，>0℃積溫5497℃·d，≥10℃積溫4975℃·d。日照時數(shù)2237.0h，降水量818.3mm，蒸發(fā)量1883.8mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源 1957—2018年霜日（記錄霜為準）及結(jié)霜前氣溫、空氣濕度、日照、降水等氣象資料來自濉溪縣氣象站。

1.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理和圖表繪制利用Excel 2003軟件進行，使用DPS v7.05軟件進行統(tǒng)計分析。將原始霜日數(shù)據(jù)采用儒歷日進行標準化，定義為同一年（4的倍數(shù)年）的日期。

采用線性傾向估計即一元線性回歸對時間序列數(shù)據(jù)進行變化趨勢分析。變化的方向和顯著性由相關(guān)系數(shù)r來判定：r值正為退后（延長），負為提前（縮短）;│r│

結(jié)霜日期與大氣最低溫度關(guān)系密切，由此認為其與大氣溫度一樣滿足正態(tài)分布。[X]（平均數(shù)）-[σ]（標準差）～[X±σ]之間定義為正常值，[X±σ]之外為異常，[X]±1.65σ之外的為特異常。

采用Mann-kendall檢驗對霜的年際變化特征進行突變檢驗。把結(jié)霜前氣象要素按適當?shù)拈g隔劃分若干區(qū)間（區(qū)間數(shù)?5），統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)天數(shù)和結(jié)霜日數(shù)，計算結(jié)霜頻率（f），通過線性或曲線擬合分析結(jié)霜頻率與氣象要素的關(guān)系。霜期劃分：秋霜10月中旬至11月（51d），冬霜12月至翌年2月（90～91d），春霜3月至4月中旬（51d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜的季節(jié)分布 1957—2018年62年間濉溪縣共結(jié)霜4585次，年均霜日73.95d，標準差13.31d，近30年平均（歷年平均）66.1d。1995年最多，達97d;2018年最少，為33d。

濉溪縣霜日分布具有明顯的季節(jié)性[7]，99.9%以上的霜日分布在10月中旬至翌年4月中旬。1957—2018年10月中旬前結(jié)霜僅1次（1981年10月10日），4月中旬后結(jié)霜也1次（1961年5月4日），屬極小概率事件。10月中旬至翌年4月中旬霜日（D）分布呈拋物線變化趨勢（圖1），1月上旬結(jié)霜最多（平均7.2d）。設(shè)定10月中旬編碼值（m）為1，10月下旬m=2，以此類推;回歸方程為D=-1.72+1.721m-0.089m2，r一次項=0.947**，r二次項=-0.953**。10月中旬至12月上旬，有霜年率從14.5%逐步增加到100%，11月中旬至翌年3月上旬80%以上的年份旬有霜1次以上，12月上旬至翌年2月中旬有霜年率接近100%，2月下旬后，由93.5%逐步降低到14.5%（圖1）。

2.2 霜的變化特征 結(jié)霜與溫度有著密切的聯(lián)系，在全球變暖的背景下，霜期必然隨之發(fā)生變化。

2.2.1 霜的變化 由溫暖季節(jié)向寒冷季節(jié)過渡期間第1次結(jié)霜日期為初霜日。濉溪縣1957—2018年初霜日介于10月10日（1981年）至12月3日（1994年），相差54d。平均10月30日（歷年平均11月5日），標準差11.4d，正常年份初霜日介于10月19日至11月11日。隨著年份的延續(xù)，初霜日顯著推遲（r=0.5812**），氣候傾向率為3.66d/10年（圖2）。62年推遲22.7d。從圖3可以看出初霜日在1988年發(fā)生突變。

由寒冷季節(jié)向溫暖季節(jié)過渡期間最后結(jié)霜日期為終霜日。濉溪縣1957—2018年終霜日介于2月22日（1999年）至5月4日（1961年），相差72d。平均3月30日（歷年平均3月25日），標準差13.3d，正常年份終霜日介于3月17日至4月11日。隨著年份的延續(xù)，終霜日明顯提前（r=-0.4296**），氣候傾向率為-2.96d/10年。62年提前18.4d。從圖4可以看出，終霜日的在1987年發(fā)生突變。相同氣候背景下，初霜日推遲幅度大于終霜日提前幅度，表明初霜日對氣候變化的響應(yīng)更為敏感。

濉溪縣1957—2018年霜日為33（2018年）～97d（1995年），相差64d。平均73.95d（歷年平均66.07d），標準差13.31d，正常年份60.6～87.3d。隨著年份的延續(xù)，霜日顯著減少（r=-0.6108**），氣候傾向率為-4.26d/10年。62年減少26.4d。各月霜日也隨著年份的延續(xù)趨于減少（r=-0.2018～-0.5107），除1月相關(guān)不顯著外，其余達顯著或極顯著水平。每10年減少0.20～0.93d（表1）。

無霜期是終霜日后1天至初霜日前1天之間的天數(shù)，是廣泛用來衡量地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的重要指標。濉溪縣無霜期在179（1962年）～267d（1999年），相差88d。年均213.2d（歷年平均223.7d），標準差19.6d，正常年份193.6～232.8d。隨著年份的延續(xù)，無霜期顯著延長（r=0.6108**），氣候傾向率為6.62d/10年。無霜期延長有利于種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的提高。

相關(guān)分析表明：初霜日與終霜日極顯著負相關(guān)（r=-0.3502**），與霜日極顯著負相關(guān)（r=-0.5131**），與無霜期極顯著正相關(guān)（r=0.8038**）。初霜日每推遲1d，終霜日提前0.38d，霜日減少0.60d，無霜期延長1.38d。

2.2.2 結(jié)霜異常 1957—2018年間，濉溪縣初霜日偏早7年，特早3年，概率為11.7%、5.0%;終霜日偏晚7年，特晚2年，概率11.7%、3.3%。霜日偏少20.0%，偏多16.7%;無霜期偏短21.7%，偏長16.7%（表2）。初霜來臨早，容易造成冬小麥幼苗受凍，對夏紅薯和蘿卜等露天蔬菜產(chǎn)量形成不利。終霜推遲，可能造成小麥穗部凍害，也影響桃、葡萄等林果開花、受精。

2.3 結(jié)霜與氣象條件的關(guān)系

2.3.1 霜日的氣象條件 當較暖空氣和較冷物體表面接觸時空氣就會冷卻，達到水汽過飽和時多余水汽就會析出。如果地表或草面溫度<0℃，則多余的水汽就在物體表面凝華為冰晶，便形成霜。濉溪縣1961—2018年58年結(jié)霜4265次，臨近結(jié)霜的氣象條件為：當日最低氣溫-21.3～10.6℃（-3.5±3.5，[X±σ]，下同），隔夜溫差1.7～25.3℃（11.8±3.4），上日平均濕度15%～100%（63.2±14.8），上日日照率0.0%～100%（61.7±30.0），雨日498d，上日降水量0.1～111.9mm。這說明陰雨天次日清晨也可能結(jié)霜。

2.3.2 結(jié)霜與氣象條件的關(guān)系 寒冷季節(jié)霜大多形成于晴朗、微風、濕度大的夜晚，這是適合的風、溫、濕等多種氣象要素共同作用的結(jié)果[8]。日出后隨著溫度的升高，霜逐漸融化消失。

（1）當日最低氣溫：濉溪縣1961—2018年結(jié)霜期間，最低氣溫秋季-7.8～19.3℃，冬季-21.3～11.4℃，春季-7.7～17.8℃。將當日最低氣溫（Tmin）以1.0℃為間隔劃分區(qū)間（冬季≤-14.1℃的僅23d，作為一個區(qū)間），得出不同區(qū)間結(jié)霜頻率（圖5）。從圖5可以看出：秋季最低氣溫≥6.1℃，僅出現(xiàn)1次結(jié)霜;冬春季最低氣溫≥5.1℃，即不再結(jié)霜。故可用翌日最低氣溫<6.0℃作為秋霜、<5.0℃作為冬春霜可能出現(xiàn)的預(yù)報指標[9]。相同最低氣溫條件下，秋季結(jié)霜頻率明顯高于冬春季。以區(qū)間中點作為自變量取值（下同），分析表明，隨著當日最低氣溫的升高，結(jié)霜頻率降低，呈平拋運動曲線變化（表3），最低溫度越高，下降速率越大。

（2）隔夜溫差：1961—2018年間，濉溪縣隔夜溫差秋霜1.5～22.3℃，冬霜1.5～23.9℃，春霜1.7～26.8℃。將隔夜溫差（Td）以1.0℃為間隔劃分區(qū)間（兩端區(qū)間間隔適當放大，下同），得出不同區(qū)間結(jié)霜頻率（圖6）。相同隔夜溫差條件下，冬季結(jié)霜頻率明顯高于春秋季。隨著隔夜溫差的加大，結(jié)霜頻率趨于加大，秋霜呈直線增長，冬春霜呈拋物線變化趨勢。

（3）上日濕度：1961—2018年間，濉溪縣平均空氣濕度秋霜20%～99%，冬霜15%～100%，春霜19%～99%。將上日濕度（H）以5%為間隔劃分區(qū)間，得出不同區(qū)間結(jié)霜頻率（圖7）。相同空氣濕度條件下，結(jié)霜頻率總體上冬霜?秋霜?春霜。隨著上日濕度的加大，結(jié)霜頻率趨于減少，秋霜呈直線下降，冬春霜呈拋物線變化趨勢。這是因為空氣中水汽越高，空氣比重越大，降溫速度越慢;同時水汽凝結(jié)成露的過程中，釋放出熱量越多，從而更加減小降溫幅度。

（4）上日日照率：將上日日照率（S）以5%為間隔劃分區(qū)間，得出不同區(qū)間結(jié)霜頻率（圖8）。相同日照率條件下，冬季結(jié)霜頻率明顯高于春秋季。隨著上日日照率的增加，結(jié)霜頻率呈直線增長，但春霜未達顯著水平（P=0.0621）。

（5）上日降水：濉溪縣1961—2016年1月至4月中旬和10月中旬至12月霜日4176d，雨日1985d，結(jié)霜上日有降水的489d。每8年作為1個區(qū)組分析，降水次日結(jié)霜頻率15.66%～38.59%，平均24.65%;無雨次日結(jié)霜頻率34.69%～48.32%，平均42.01%。兩者平均相差17.36個百分點（表4）。方差分析表明差異極顯著（F=16.726**）。

將降水量以0.1、0.2、0.3～0.4、0.5～0.8、0.9～1.2、1.3～2.0、2.1～3.0、3.1～5.0、5.1～7.0、7.1～10.0、10.1～15.0、15.1～25.0和25.1～50.0劃分區(qū)間，得出不同區(qū)間結(jié)霜頻率（圖9）。相同降水量條件下，冬季結(jié)霜頻率明顯高于春秋季。分析表明，隨著上日降水量的增加，結(jié)霜頻率趨于下降，秋霜呈拋物線變化趨勢（一、二次項P值分別為0.073、0.077），冬春霜趨于直線下降，但春霜未達顯著水平（P值0.071）。

（6）標準化回歸系數(shù)：對上述自變量進行標準化處理（最小值設(shè)為0，最大值設(shè)為100），相關(guān)分析表明：年結(jié)霜頻率與當日最低溫度、隔夜溫差和上日濕度、日照率、降水量直線相關(guān)（表5）。從回歸系數(shù)的絕對值可以看出氣象要素對結(jié)霜頻率的影響順序：當日最低氣溫?上日日照率?上日濕度?隔夜溫差?上日降水量。

3 結(jié)論與討論

濉溪縣霜的變化與其他地區(qū)趨勢基本一致，但變化速率有別。每10年初霜日推后3.66d，終霜日提前2.96d，無霜期延長6.62d，霜日減少4.26d。氣候傾向率均大于全國平均值[6]。隨著當日最低溫度升高或隔夜溫差的增大，結(jié)霜頻率呈拋物線變化趨勢;結(jié)霜頻率與上日濕度、日照率或降水量多直線相關(guān)，黎明氣溫低、隔夜溫差大，上日濕度小、日照率高或降水量少，結(jié)霜頻率高。氣象要素對結(jié)霜頻率的影響：當日最低氣溫?上日日照率?上日濕度?隔夜溫差?上日降水量。

農(nóng)業(yè)受霜凍的影響十分嚴重，較為嚴重的霜凍將導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)30%左右，甚至顆粒無收。全球氣候變暖引起的初霜推遲、終霜提前和無霜期延長，對研究區(qū)域的作物種類、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局、農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量等都會產(chǎn)生重要影響。

霜形成于寒冷季節(jié)晴朗、微風、濕度大的夜晚[10]。筆者僅研究了結(jié)霜前24h氣象要素與結(jié)霜頻率的關(guān)系，有關(guān)結(jié)霜頻率與前夜氣象要素的關(guān)系有待進一步研究。

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（責編：徐世紅）