山西省無霜期時(shí)空變化特征研究

張蕾 韓小英 蘆艷珍 高洋 楊三維

摘要 依據(jù)近38年山西109個(gè)氣象站逐日地面最低溫度資料，計(jì)算得到初霜日、終霜日和無霜期，通過正交函數(shù)分析模型和小波分析等方法擬合時(shí)空變化，并對(duì)分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：無霜期距平主要模態(tài)呈東北向西南、山區(qū)向盆地增加;時(shí)間序列表現(xiàn)為一定的年代際變化，無霜期呈延長趨勢(shì)，線性傾向率為0.8 d/10年;未來一段時(shí)期內(nèi)無霜期小幅變長，伴隨終霜日提前和初霜日延后。本研究旨在為未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害應(yīng)對(duì)提供決策參考。

關(guān)鍵詞 山西省;無霜期;時(shí)空變化;特征分析

中圖分類號(hào)：S161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095–3305（2020）07–0–03

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.037

Study on the Temporal-Spatial variations of Frost free Period in Shanxi from 1979 to 2016

ZHANG Lei et al （College of Agricultural Economics and Management of Shanxi Agricultural university， Taiyuan， Shanxi 030006）

Abstract Based on the daily minimum ground surface temperature datasets of 109 meteorological stations in Shanxi Province during the period 1979-2016， the temporal-spatial distribution characteristics of the first frost day（FFD）， the last frost day（LFD） and the frost free period （FFP） are analyzed by using Empirical Orthogonal Function （EOF） and wavelet analysis. The results show that： ①The regional distribution of FFP departure is increasing from northeast to southwest and from mountain to basin; the time evolution trend is， the FFP exhibits slight decadal variation and extension trend， with increase rate of 0.8d/10a; ②The oscillation in FFP will become longer essentially in the future， along with FFD delay and LFD advance. This paper aims at providing a reference for the distribution of agricultural production and avoiding agricultural natural disasters in Shanxi in the future.

Key words Shanxi Province; Frost free period; Temporal-spatial distribution characteristics; Characteristic analysis

無霜期是一年里終霜日起至初霜日止，期間不再有霜出現(xiàn)的持續(xù)日數(shù)，其長短與作物生長期密不可分，反映當(dāng)?shù)責(zé)崃抠Y源狀況，直接關(guān)乎農(nóng)作物的種植熟制、作物布局和品種選擇。不同地域無霜期長短不同，年際變化較大，通常用當(dāng)?shù)責(zé)o霜期多年平均值來表示。

據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）公布的第5次氣候評(píng)估報(bào)告，1880—2012年全球地表平均溫度約升高0.85℃[1]。2009年哥本哈根聯(lián)合國氣候大會(huì)將全球氣候變化提上國際議案。2019年聯(lián)合國秘書長古特雷斯發(fā)出警告：全球變暖即將步入臨界點(diǎn)。20世紀(jì)80年代以來，我國學(xué)者采用不同資料和研究方法，深入研究我國氣溫變化。寧曉菊等[2]分析初、終霜日及無霜期變化特征，指出我國80%以上區(qū)域呈初霜日推后、終霜日提前和無霜期延長的趨勢(shì)，無霜期隨緯度或海拔增加而減少，年際波動(dòng)隨緯度增加或隨海拔降低而減少;許艷等[3]認(rèn)為，中國大部分地區(qū)霜期有縮短趨勢(shì);李艷麗等[4]總結(jié)了山西霜凍災(zāi)害的防治對(duì)策和措施;李芬等[5]發(fā)現(xiàn)山西省平均終霜日以波動(dòng)為主，中西部和南部提前幅度較大，西北部和中東部推后幅度較大;王正旺等[6]分析山西東南部霜凍特征認(rèn)為，無霜期在氣候變暖背景下有延長趨勢(shì)。

山西地形復(fù)雜多樣，地勢(shì)東北高西南低，多數(shù)地區(qū)海拔在1 000～2 000 m，晝夜溫差較大，霜凍災(zāi)害多發(fā)。隨著全球變暖，各地初、終霜日和無霜期出現(xiàn)新變化，缺乏最新時(shí)段研究成果。

利用1979—2016年間山西109個(gè)地面氣象觀測(cè)站的逐日地面最低溫度數(shù)據(jù)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析（EOF）和Morlet小波分析方法，研究山西近38年來無霜期的時(shí)空變化，為優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)空間布局、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和提升有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展建設(shè)水平等提供決策參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源與處理

以中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）1979—2016年間山西省109個(gè)氣象站（圖1）逐日地面最低溫度和各站地理信息資料為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)核校、修正，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，確保所用資料的系統(tǒng)、完整和可靠性。以地面最低溫度≤0℃為霜日標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各站點(diǎn)初、終霜日和無霜期日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將日期序列統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列，賦值1～365（閏年為1～366），如1月1日賦值為1，1月2日賦值為2，…，依此類推，對(duì)新的初、終霜日期和無霜期序列進(jìn)行EOF分析，通過主要模態(tài)探究其時(shí)空分布特征;對(duì)所有站點(diǎn)逐年數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行小波分析，研究其振蕩周期與時(shí)間演變規(guī)律，預(yù)測(cè)未來氣候的演變趨勢(shì)，并分析對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

1.2 研究方法

用EOF分析山西無霜期的主要結(jié)構(gòu)特征，1979—2016年各站無霜期場(chǎng)作為時(shí)間-空間函數(shù)，即：

i=1，2，…，m j=1，2，…n

式中，m為109個(gè)氣象站，n為38個(gè)時(shí)間點(diǎn)。將X分解為時(shí)間函數(shù)Z和空間函數(shù)V兩部分，進(jìn)行氣象向量場(chǎng)的自然正交展開：

X=VZ（2）

（3）

其中：

Morlet小波分析法用于獲得信息的頻率特征，以109站平均初、終霜日及無霜期序列作為Xn（n=1，…，N）的連續(xù)小波變換，定義為小波函數(shù)ψ0尺度化及xn的卷積：

式中，*表示共軛復(fù)數(shù)，N是時(shí)間系列個(gè)數(shù)（38年），用于小波函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。

通過小波分析，得到時(shí)間系列振幅和相位的信息，具有非正交性。

式中t為時(shí)間，ω0是無量綱頻率。

2 結(jié)論與分析

2.1 初霜日、終霜日及無霜期空間分布

經(jīng)統(tǒng)計(jì)得1979—2016年山西省初霜日、終霜日情況（表1）。

圖2a表明，山西終霜日由西南向東北部逐漸推后：東西部山地丘陵區(qū)、西南部及中部盆地平原區(qū)（忻定平原、太原盆地等）基本在4月底前結(jié)束霜期，太行山、呂梁山以及北部較晚，部分地區(qū)延續(xù)到5月底之后;初霜（圖2b）由東北向西南依次出現(xiàn)，東北部、太行山和呂梁山海拔較高地區(qū)最早進(jìn)入霜期，在9月底之前，西南部丘陵區(qū)、中部盆地區(qū)及東西兩側(cè)平原較晚，西南部的運(yùn)城市、臨猗縣、永濟(jì)市等地10月27日后才進(jìn)入霜期。山西省無霜期整體呈現(xiàn)為東北部和高海拔地區(qū)較短、西南部及盆地區(qū)較長（圖2c），呂梁山、五臺(tái)山等高海拔地區(qū)無霜期不足80 d，運(yùn)城地區(qū)則長達(dá)200 d以上。

2.2 無霜期距平模態(tài)時(shí)空分布

無霜期距平EOF第一模態(tài)（圖3）解釋了近38年山西省無霜期變化的57.45%。無霜期呈一致延長趨勢(shì)，其空間分布為：南部變化梯度大于北部，西部整體增速大于東部（臨縣、柳林縣、石樓縣一帶無霜期延長23 d以上，東部的陽泉市、平定縣、昔陽縣等地增加21 d）。結(jié)合時(shí)間序列（PC1），20世紀(jì)末前后，無霜期一致縮短變?yōu)橐恢卵娱L，線性擬合表明，近38年無霜期增長速率為0.8 d/10年，相關(guān)度達(dá)90%。無霜期延長側(cè)面反映了氣候變暖，伴隨初霜日期推后及終霜日期提前。

EOF2（圖略）解釋方差為8.05%，空間分布呈帶狀，表現(xiàn)為南部、北部縮短，中部延長的“﹣+﹣”三極子型。PC2反映一定的10～15年內(nèi)振蕩的年際變化。EOF3（圖略）空間分布表現(xiàn)為“南減北增”的蹺蹺板型，以臨縣—太原—盂縣為界，以北區(qū)域無霜期增加，以南地區(qū)無霜期縮短，PC3以不等幅年際振蕩為主。

2.3 初、終霜日和無霜期序列的突變分析及時(shí)間演變規(guī)律

根據(jù)山西無霜期時(shí)間序列的小波分析結(jié)果（圖4c）：近38年來無霜期在約14年尺度上存在明顯正負(fù)變化波動(dòng)，為主要周期;在5～8年尺度上變化較為明顯，為次要周期;2000年以來，無霜期出現(xiàn)大于30年尺度的明顯正波動(dòng)，與初霜日推遲有關(guān)。綜上：分別以1979—1991年、1991—2004年和2004—2016年為周期，無霜期均由負(fù)距平轉(zhuǎn)為正距平，依此推測(cè)，2016年后的3～5年，全省無霜期仍為增加趨勢(shì)，在2020年左右開始新的負(fù)距平周期。

3 討論

通過對(duì)山西省無霜期、初霜日期和終霜日期的時(shí)空變化特征分析，結(jié)論如下：（1）全省無霜期分布呈東北向西南、山區(qū)向平川增加的趨勢(shì)。即東北部、太行和呂梁山區(qū)等較短，西南及中部盆地較長。（2）無霜期主要的空間模態(tài)為西南部增長快于東北部，其大值中心位于中部偏西的臨縣、柳林和石樓縣等地，無霜期在20世紀(jì)末之前小幅縮短，之后延長。（3）小波分析表明，無霜期存在明顯的正負(fù)波動(dòng)，主周期約為14年，預(yù)計(jì)未來幾年山西省初霜日較常年推遲，終霜日提前，無霜期將小幅變長。

理論上講，無霜期延長（初霜日延后、終霜日提前）可減少春秋霜凍對(duì)作物生長的危害，使作物生長期變長，復(fù)種指數(shù)提升，晚熟作物品種面積增加，作物品種布局和選擇范圍擴(kuò)大、熟制增加，總體上對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利，但具體種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化還要視耕作區(qū)種植制度、品種特性和作物生長發(fā)育的節(jié)率與氣候變化的協(xié)調(diào)與否來決定。例如，近年來局部地區(qū)早霜凍天氣和倒春寒天氣時(shí)有發(fā)生，一定程度上增加了作物品種布局的復(fù)雜性和不確定性，建議結(jié)合氣候變化規(guī)律和當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際，因地制宜合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，科學(xué)調(diào)整耕作模式。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：黃艷飛