氣候變暖下柴達木盆地晚霜凍變化特征分析

許學蓮 ，王發(fā)科，曾國云，侯 岳，石秀云

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099； 2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,青海 西寧 810001)

引言

霜凍是一種較為常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，發(fā)生在冬春季，多為寒潮南下，短時間內(nèi)氣溫急劇下降至0℃以下引起的；或者受寒潮影響后，天氣由陰轉(zhuǎn)晴的當天夜晚，因地面強烈輻射降溫所致。根據(jù)霜凍發(fā)生的季節(jié)不同，分為春霜凍和秋霜凍。春霜凍又稱為晚霜凍，也就是春播作物苗期、果樹花期、越冬作物返青后發(fā)生的霜凍。霜凍發(fā)生的越晚，對作物的危害越大。秋霜凍又稱早霜凍，秋收作物尚未成熟，露地蔬菜還未收獲時發(fā)生的霜凍。隨著季節(jié)推移，秋霜凍發(fā)生的頻率逐漸提高，強度也加大。

柴達木盆地為高原型盆地，地處青海省西北部，主要在海西蒙古族藏族自治州，是一個被昆侖山、阿爾金山、祁連山等山脈環(huán)抱的封閉盆地，介于90°16′E-99°16′E、35°00′N-39°20′N之間。盆地略呈三角形，東西長約800km，南北寬約300km，面積約24×104km2，為中國三大內(nèi)陸盆地之一。

葉殿秀等[1]等對我國霜凍變化特征研究得出：全國平均終霜凍日期20世紀80年代起明顯提早，初霜凍日期20世紀90年代開始明顯推遲，全國平均終霜凍日期提早時間明顯比初霜凍日期推遲時間長。張建光等[2]研究了我國北方梨樹花期霜凍發(fā)生的特點后指出，在西北地區(qū)霜凍發(fā)生極為頻繁，是梨果生產(chǎn)的重大威脅。高杰等[3]研究了氣候變暖背景下沙坡頭區(qū)霜凍變化特征后表明，55年來該地區(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。陳芳等[4]研究了青海省近45年霜凍變化特征及其對主要作物的影響，結(jié)果表明：青海省大部分地區(qū)早(秋)霜凍初日推遲，晚(春)霜凍終日提前，無霜凍期延長。王發(fā)科等[5]分析了柴達木盆地南緣霜凍的氣候變化特征，認為霜凍年際變化呈明顯減少趨勢，初霜凍日推遲，終霜凍日提前，無霜期延長。本文主要在氣候變暖下，分析探討柴達木盆地晚霜凍變化特征，對提高當?shù)厮獌鰹?zāi)害的預測和防御能力有著十分重要的意義。

1 資料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

柴達木盆地屬高原大陸性氣候，以干旱為主。年平均氣溫5.1-5.9℃之間，最高氣溫33℃，最低氣溫-40℃。年平均降雨量為100-300mm，年蒸發(fā)量為1000-3000mm，年平均相對濕度為30-40%，風力強盛，年8級以上大風日數(shù)可達25-75d，西部甚至可出現(xiàn)40m/s的強風，風力蝕積強烈。無霜期時間長達115d-136d。柴達木盆地獨特的沙地土壤和氣候條件，特別適合藜麥的生長。

圖1 柴達木盆地氣象站點分布圖

1.2 資料來源

選取格爾木、小灶火、諾木洪、德令哈和都蘭5個氣象觀測站1961-2018年逐日平均氣溫和最低氣溫，根據(jù)《青海省氣候資源分析評價與氣象災(zāi)害風險區(qū)劃》[6]中“霜凍災(zāi)害指標選擇及等級劃分”為依據(jù)，統(tǒng)計出晚霜凍發(fā)生日期及出現(xiàn)次數(shù)。

1.3 研究方法

按照儒略日記錄方法(平年365天記錄為365個儒略日，閏年為366個儒略日)統(tǒng)計晚霜凍發(fā)生日期，利用一元線性回歸法[7]對柴達木盆地1961-2018年平均氣溫、晚霜凍出現(xiàn)次數(shù)和出現(xiàn)日期的變化趨勢進行分析；采用Mann-Kendall突變法[7]對氣溫長期變化趨勢進行突變檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 柴達木盆地平均氣溫變化趨勢

1961-2018年柴達木盆地平均氣溫以0.47℃/10a的氣候傾向率呈上升趨勢，且通過了0.01的顯著性檢驗。多年平均值為4.2℃，最大值為5.9℃(2016年)，最小值為2.5℃(1967年)。平均氣溫累積距平在60年代至80年代中后期為下降趨勢，80年代后期至90年代中后期較平穩(wěn)，90年代后期至21世紀10年代為上升趨勢。9點滑動曲線呈波動上升趨勢(圖2a)。年代際距平表現(xiàn)為(表1，下同)，60-90年代為負距平，氣候?qū)倨淦冢珰鉁仉S年代的增加逐漸升高；00-10年代為正距平，氣候?qū)倨?。這與大多數(shù)學者研究的結(jié)論相一致[8-9]。

表1 柴達木盆地平均氣溫、晚霜凍發(fā)生日期和出現(xiàn)次數(shù)年代際距平變化

從圖2b得出，柴達木盆地平均氣溫從1961年開始呈上升趨勢，1972開始UF值超過臨界值，UF、UB曲線相交于臨界線外的1986年至1987年之間，這與累積距平的變化趨勢相一致，表明58年來柴達木盆地氣溫由偏冷期過渡為偏暖期。

(細虛線為多年平均值；直線為線性趨勢線；粗曲線為9年滑動曲線；粗虛線為累積距平線，下同)

2.2 柴達木盆地晚霜凍變化特征

2.2.1 年際變化特征

近58年來柴達木盆地晚霜凍出現(xiàn)次數(shù)以4.93次/10a的氣候傾向率呈減小趨勢，且通過了0.05的顯著性檢驗。多年平均值為21.5d，最多值出現(xiàn)在1961年(79次)，最小值出現(xiàn)在1997年和2000年(2d)。9點滑動曲線呈波動下降趨勢(圖3a)。年代際距平表現(xiàn)為，60-80年代為正距平，逐年代呈減小趨勢；90年代至2018年為負距平，21世紀00年代比上一年代增加1.8℃，2011-2018年比上一年代減小3.9℃。晚霜凍發(fā)生日期以2.05d/10a的氣候傾向率呈提前趨勢，并通過了0.01的顯著性檢。多年平均值為140.4d，最多值出現(xiàn)在1969年(166d)，最少值出現(xiàn)在2000年(125d)。20世紀60年代至21世紀00年代中期9點滑動曲線呈波動下降趨勢，之后呈上升趨勢(圖3b)。60-80年代為正距平，90年代至2018年為負距平，2011-2018年比上一年代略有推遲。這與王發(fā)科等[5]和陳芳等[4]研究的結(jié)論一致，受氣候逐漸變暖的影響，霜凍出現(xiàn)次數(shù)呈減少趨勢，晚(春)霜凍終日提前。

圖3 柴達木盆地晚霜凍發(fā)生日期和次數(shù)變化特征

從各站看代際變化分析得出(表2)，小灶火、格爾木、諾木洪、都蘭20世紀60年代晚霜凍發(fā)生日期最晚(153.6d、145.0d、143.0d、150.1d)、出現(xiàn)次數(shù)最多(14.6次、5.4次、3.7次、6.4次)，德令哈晚霜凍發(fā)生日期最晚出現(xiàn)在20世紀70年代(149.1d)，60年代出現(xiàn)次數(shù)最多(8.3d)；晚霜凍發(fā)生最早日期和最少出現(xiàn)次數(shù)5站各不相同，小灶火出現(xiàn)在20世紀90年代(138.9d/4.4次)、格爾木出現(xiàn)在20世紀80年代(127.7d/1.5次)、諾木洪、都蘭出現(xiàn)在2011-2018年(132.0d/1.3次、140.1d/4.5次)、德令哈出現(xiàn)在21世紀00年代(133.3d/2.4次)。

表2 各站晚霜凍發(fā)生日期和出現(xiàn)次數(shù)年代際變化

2.3 柴達木盆地晚霜凍空間變化特征

分析圖4可知，柴達木盆地晚霜凍出現(xiàn)次數(shù)平均值高值中心出現(xiàn)在西部的小灶火，低值中心出現(xiàn)在西部的格爾木和東部的諾木洪；發(fā)生日期高值中心出現(xiàn)在西部的小灶火和東部的都蘭，低值中心出現(xiàn)在西部的格爾木。

圖4 柴達木盆地晚霜凍空間變化特征

晚霜凍出現(xiàn)次數(shù)變化速率從東部向西部逐漸減小，高值中心出現(xiàn)在東南部的都蘭和諾木洪地區(qū)，低值中心出現(xiàn)在西部的小灶火。小灶火、格爾木、德令哈通過了0.01的極顯著性檢驗，諾木洪通過了0.05的顯著性檢驗，都蘭未通過顯著性檢驗。發(fā)生日期變化速率從東部向西部逐漸減小，高值中心出現(xiàn)在東南部的都蘭地區(qū)，低值中心出現(xiàn)在西部的格爾木、小灶火和東部的德令哈。小灶火、格爾木、諾木洪、德令哈減小速率通過了0.01的極顯著性檢驗，都蘭未通過顯著性檢驗。

2.4 氣候突變前后霜凍變化特征

根據(jù)平均氣溫突變檢驗(M-K檢驗)得知，柴達木盆地平均氣溫突變發(fā)生在1986-1987年之間，故將盆地晚霜凍發(fā)生日期和出現(xiàn)次數(shù)劃分為突變前和突變后兩個階段進行分析：突變前發(fā)生日期平均值為143d,氣候傾向率以3.80d/10a的速率呈提前趨勢，突變后平均值為139d，以2.95d/10a的氣候傾向率呈提前趨勢，突變前、后都通過0.01的極顯著性檢驗。突變前晚霜凍出現(xiàn)次數(shù)平均值為28.7次，突變后出現(xiàn)次數(shù)均值為15.3次，前、后出現(xiàn)次數(shù)減少比較明顯，相差13.4次。氣候傾向率以10.07次/10a和2.94次/10a的速率呈減少趨勢。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，突變后發(fā)生日期和出現(xiàn)次數(shù)提前趨勢略緩于突變前。

3 結(jié)論

3.1近58年來，柴達木盆地平均氣溫呈顯著上升趨勢，氣溫由偏冷期過渡為偏暖期。

3.2晚霜凍發(fā)生日期和出現(xiàn)次數(shù)呈明顯的提前和減小趨勢，年代際距平表現(xiàn)為，90年代前為正距平，90年代后為負距平。

3.3柴達木盆地晚霜凍出現(xiàn)次數(shù)平均值高值中心出現(xiàn)在西部的小灶火，低值中心出現(xiàn)在西部的格爾木和東部的諾木洪；晚霜凍發(fā)生日期高值中心出現(xiàn)在西部的小灶火和東部的都蘭，低值中心出現(xiàn)在西部的格爾木?？臻g變率從東部向西部逐漸減小，發(fā)生日期高值中心在出現(xiàn)在都蘭，低值中心出現(xiàn)在格爾木、小灶火和東部的德令哈。出現(xiàn)次數(shù)高值中心出現(xiàn)在都蘭和諾木洪，低值中心出現(xiàn)在小灶火。

3.4突變后晚霜凍發(fā)生日期和出現(xiàn)次數(shù)提前趨勢略緩于突變前。