1960-2019年河南省霜凍日期時空變化及影響因素研究

張志高， 劉晴， 劉慧穎， 郭超凡， 蔡茂堂， 尹紀媛

1. 安陽師范學院 資源環(huán)境與旅游學院,河南 安陽 455000； 2. 中國地質(zhì)科學院 地質(zhì)力學研究所,北京100081

霜凍常出現(xiàn)在春、 秋兩季農(nóng)作物生長期,是由寒潮和強冷空氣活動引致土壤或植物表面溫度降至0 ℃以下而造成作物受害的現(xiàn)象,是中高緯度地區(qū)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一[1-2].目前,全球正在經(jīng)歷以變暖為主要特征的氣候變化,全球地表溫度正以前所未有的速度上升,2011-2020年全球平均表面溫度相比1850-1900年上升1.09 ℃[3].全球變暖將改變氣溫、 輻射以及降水等要素的地理分布,在一定程度上對初、 終霜日和霜期長短產(chǎn)生影響,進而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4-5].因此,近年來在全球氣候變暖背景下,霜凍的時空演變特征及其影響因素與災(zāi)害評估受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[6-9].Frich等[10]研究發(fā)現(xiàn)20世紀中后期全球年霜凍日數(shù)不斷減少.Crimp等[11]研究發(fā)現(xiàn)澳大利亞南部地區(qū)霜凍時間偏晚,東南部地區(qū)的霜凍頻率呈增加趨勢.寧曉菊等[12]分析了1951年以來中國無霜期的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)中國大部分區(qū)域呈初霜日推后、 終霜日提前無霜期延長的趨勢,在變化幅度方面北方大于南方、 東部大于西部.張鑫等[13]研究發(fā)現(xiàn)北疆初霜日推遲,終霜日提前,霜期縮短,速率分別為2.2,-1.7,-3.9 d/10a,初、 終霜日和霜期的主周期均為2a左右.任景全等[14]發(fā)現(xiàn)吉林省初霜日顯著推遲,終霜日顯著提前且無霜期顯著延長,其主周期均為3a左右.馬尚謙等[15]發(fā)現(xiàn)淮河流域呈初、 終霜日和無霜期分別以2.15,-2.49,4.38 d/10a的速率呈推遲、 提前和延長的趨勢,且在在20世紀90年代的變化最為顯著.在霜凍變化影響因素方面,王國復(fù)等[16]認為中國大部地區(qū)霜期縮短,初霜日推遲,終霜日提前主要與日最低氣溫和0 cm最低地溫的不斷升高有關(guān)； 馬彬等[17]認為極渦與副熱帶高壓的位置、 強度、 面積變化驅(qū)動了中國農(nóng)業(yè)區(qū)霜凍多年氣候狀態(tài)的轉(zhuǎn)變； 馬尚謙等[18]認為淮河流域氣候的轉(zhuǎn)型促進了初霜日的推遲和終霜日的提前； 陳少勇等[19]探討了西北地區(qū)影響初霜凍發(fā)生的環(huán)流特征,認為與副熱帶高壓正相關(guān),與極渦負相關(guān),初霜日推遲是氣候變暖的結(jié)果； Liu等[20]研究發(fā)現(xiàn)氣候變暖減少了霜凍事件,但植物生長季節(jié)的延長可能在生長季誘發(fā)更高的霜凍頻率.此外還有學者分析了霜凍災(zāi)害對農(nóng)作物的影響,代立芹等[21]認為河北省冬小麥霜凍害以輕度為主,霜凍導(dǎo)致冬小麥氣象產(chǎn)量下降、 減產(chǎn)率增加； 高文波等[22]構(gòu)建了西南茶區(qū)茶樹春梢晚霜凍害概率和強度指數(shù),發(fā)現(xiàn)西南茶區(qū)霜凍終日和初日均呈顯著提前趨勢,茶樹晚霜凍害危險性呈下降趨勢； 呂佳佳等[23]采用數(shù)理統(tǒng)計和墨西哥帽小波法分析了寒地大豆霜凍的時空變化特征,發(fā)現(xiàn)霜凍對大豆產(chǎn)量的影響為霜凍等級及出現(xiàn)日期的協(xié)同作用．

河南省位于黃河中下游,平原面積廣闊,屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候,氣候分明,雨熱同期,適宜多種農(nóng)作物生長,被譽為“中原糧倉”,在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位.然而由于河南省地處南北氣候過渡帶和山區(qū)到平原的過渡帶,對氣候變化的適應(yīng)能力較弱,加之農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件薄弱,受霜凍等氣象災(zāi)害影響較為嚴重.因此,本研究基于1960-2019年逐日氣象觀測數(shù)據(jù),運用線性傾向估計、 Mann-Kendall突變檢驗、 相關(guān)分析及R/S分析等方法對河南省初霜、 終霜及霜期的時空演變進行研究,并探討其與地理因子的關(guān)系,以期為河南省霜凍災(zāi)害的預(yù)報與防御及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)和參考．

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部、 黃河中下游,地理位置為31°23′-36°22′N,110°21′-116°39′E.全省地勢西高東低,太行山脈、 伏牛山脈、 桐柏山脈、 大別山脈沿省界呈半環(huán)形分布,中、 東部為華北平原,西南部為南陽盆地.全省總面積16.7×104km2,其中平原和盆地占55.7%,山地和丘陵占44.3%,農(nóng)業(yè)用地占74.25%.河南省氣候自南向北由亞熱帶向暖溫帶氣候逐漸過渡,氣候溫和,四季分明,年平均氣溫在12～16 ℃,年降水量約為500～1 400 mm,無霜期為190～230 d,日照時數(shù)1 740～2 310 h.河南省地處南北氣候過渡帶,同時自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡,霜凍等氣象災(zāi)害較為頻繁．

審圖號： 豫S(2019年)013號．圖1 河南省氣象代表站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

河南省17個氣象站點1960-2019年逐日地面0 cm最低溫度數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http： //data.cma.cn)中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集.以地面0cm最低溫度≤0 ℃作為霜凍指標,參考前人研究[24],中國北方初霜日一般在8月1日后,因此以8月1日作為統(tǒng)計起始點,將8月1日定義為1,用日序表示初、 終霜日,初霜日為8月1日以后第一次出現(xiàn)地面最低溫度≤0 ℃的日期,終霜日為最后一次地面最低溫度≤0 ℃的日期,霜凍終日的翌日至初日的前一天之間的日數(shù)為無霜期.利用算術(shù)平均法建立1960-2019年河南省初霜期、 終霜期和無霜期序列.研究區(qū)域及代表站點分布如圖1所示．

1.3 R/S分析

重標極差分析法(R/S)最初由英國科學家赫斯特提出,用于分析尼羅河水庫流量和儲蓄能力[25],后被廣泛用于氣象學領(lǐng)域的趨勢預(yù)測.R/S分析法用氣候要素時間序列計算出Hurst指數(shù)(H值)來揭示氣候要素的趨勢,如果0

此外,采用線性傾向估計法分析河南省霜凍的時間變化特征； 利用相關(guān)分析和線性回歸法分析霜凍日期與地理因子的關(guān)系,變量間相關(guān)性強度依據(jù)相關(guān)系數(shù)絕對值R大小分為5個等級,分別為極強相關(guān)(0.8

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省霜凍日期時間變化特征

近60a來河南省初霜平均日期為11月8日,其中1981年初霜日最早,為10月24日.2011年初霜日最晚,為11月25日(圖2a).進行線性擬合可知,河南省初霜日期顯著推遲,傾向率為2.66 d/10a.1960-2019年河南省終霜平均日期為3月28日,其中2007年終霜日最早,為 3月12日.1961年終霜日最晚,為4月14日(圖2b),60a來終霜日以-2.88 d/10a的傾向率顯著提前.1960-2019年河南省無霜期平均為224 d,其中1962年最短,為202 d,2016年最長,為249 d(圖2c),60a來無霜期顯著延長,傾向率為5.54 d/10a．

年代際變化方面,20世紀70年代初霜日最早,平均為11月3日,之后逐漸推遲,2000年左右距平轉(zhuǎn)正,21世紀10年代初霜日最晚,平均為11月18日.20世紀60年代終霜日最晚,為4月3日,之后逐年代提前,2000年以后提前至3月21日.20世紀70年代無霜期最短為214 d,之后逐漸延長,2000年左右距平轉(zhuǎn)正,21世紀10年代最長,為241 d,相比20世紀70年代延長27 d(表1)．

圖2 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期年際變化

表1 河南省初霜日、 終霜日和無霜期年代際變化

2.2 河南省霜凍日期空間分布特征

2.2.1 霜凍的平均空間分布特征

河南省各地初霜日出現(xiàn)在10月末至11月中上旬,空間差異明顯,大致與緯線平行,呈“北早南晚”的空間分布格局,其中河南省西南部地區(qū)初霜日在11月14日以后； 中部地區(qū)在11月3-10日,北部安陽站最早,為10月30日(圖3a).近60a河南省各地平均終霜日自南向北逐漸推遲,南部地區(qū)終霜日多數(shù)出現(xiàn)在3月中下旬； 北部地區(qū)終霜日多數(shù)出現(xiàn)在3月下旬和4月上旬； 中部地區(qū)終霜日多數(shù)出現(xiàn)在3月26日-4月2日(圖3b).近60a河南省各地平均無霜期為206～244 d,大致與緯線平行,自南向北呈逐漸減少趨勢,西南部地區(qū)無霜期在237 d以上； 豫北地區(qū)無霜期普遍小于213 d,中部地區(qū)無霜期多在213～229 d(圖3c)．

審圖號： 豫S(2019年)013號．圖3 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期的空間分布

2.2.2 霜凍日期變化趨勢空間分布特征

河南省17個站點初霜日期傾向率均為正值,均呈推遲趨勢,全省初霜日氣候傾向率在0.18～3.60 d/10a之間,其中西南部地區(qū)推遲幅度較小,多在2.53 d/10a以下； 中部和北部地區(qū)推遲幅度較大,多在2.68 d/10a以上(圖4a).近60a全省17個站點終霜日傾向率均為負值,終霜日均呈提前趨勢,全省終霜日氣候傾向率為-0.39～-0.14 d/10a,西南部提前幅度較大,多在-0.35 d/10a以上(圖4b).60a來河南省無霜期顯著延長,氣候傾向率為1.70～6.74 d/10a,東南部無霜期延長幅度較小,在4.04 d/10a以下,西南部為5.69～6.24 d/10a,中部地區(qū)無霜期延長幅度較大,在5.79 d/10a以上(圖4c)．

審圖號： 豫S(2019年)013號．圖4 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期趨勢系數(shù)的空間分布

2.3 霜凍日期突變特征

近60a來河南省初霜日正序列曲線UF整體呈上升趨勢,反序列UB曲線呈下降趨勢,二者相交于2004年,且在α=0.05的信度線內(nèi),確定初霜日的突變點為2004年,突變前平均初霜日期為11月5日,突變后為11月18日,推遲了13 d(圖5a).終霜日正序列曲線UF呈下降趨勢,反序列曲線UB呈上升趨勢,UF和UB曲線相交于1998年,且在α=0.05的信度線內(nèi),確定終霜日的突變點為1998年,突變后平均終霜日期為3月22日,較突變前的4月2日提前了11 d(圖5b).無霜期正序列曲線UF呈下降趨勢,反序列UB曲線呈上升趨勢,UF和UB曲線相交于1998年,確定終霜日的突變點為1998年,突變后無霜期平均為238 d,較突變前的217 d延長了21 d(圖5c)．

2.4 霜凍日期的未來趨勢變化

根據(jù)R/S分析,河南省初霜日、 終霜日和無霜期的H指數(shù)平均值分別為0.88,0.91,0.96(表2),均明顯大于0.5,說明序列的趨勢與原序列呈正相關(guān),未來河南省霜凍日期變化與過去60a的變化趨勢保持一致,即初霜日期持續(xù)推遲,終霜日期持續(xù)提前,無霜日持續(xù)延長．

圖5 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期的M-K檢驗

表2 河南省初霜日、 終霜日和無霜期的R/S分析

2.5 霜凍日期與地理因子的關(guān)系

河南省初霜日、 終霜日和無霜期與海拔和經(jīng)緯度的相關(guān)關(guān)系和回歸系數(shù)如表3所示.初霜日與緯度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,緯度每增加1°,初霜日提前4.72 d,初霜日與海拔和經(jīng)度呈極弱負相關(guān)關(guān)系,海拔每上升10 m,經(jīng)度每增加1°,初霜日分別提前0.01 d和0.17 d.終霜日與緯度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,緯度每增加1°,終霜日推遲5.06 d,終霜日與海拔和經(jīng)度呈極弱正相關(guān)關(guān)系,海拔每上升10 m,經(jīng)度每增加1°,終霜日分別推遲0.01 d和0.43 d.無霜期與緯度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,緯度每增加1°,無霜期縮短9.7 d.無霜期與海拔和經(jīng)度呈極弱負相關(guān)關(guān)系,海拔每上升10 m,經(jīng)度每增加1°,無霜期分別縮短0.05 d和4.58 d．

表3 河南省初霜日、 終霜日和無霜期與地理因子的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1960-2019年河南省初、 終霜平均日期分別為11月8日和3月28日,無霜期平均為224 d,近60a來河南省初霜日以2.66 d/10a的傾向率顯著推遲,終霜日顯著提前,傾向率為-2.88 d/10a,無霜期顯著延長,傾向率為5.54 d/10a.初霜日突變點為2004年,突變后初霜日推遲13 d,終霜日和無霜期于1998年發(fā)生突變,突變后終霜日提前11 d,無霜期延長21 d．

近60a河南省各地初霜日自南向北逐漸提前,終霜日自南向北逐漸推遲,多數(shù)地區(qū)終霜日出現(xiàn)在3月下旬至4月上旬,全省無霜期在206～244 d之間,自南向北逐漸減?。?/p>

河南省初霜日和無霜期均與緯度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,終霜日和緯度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,河南省初、 終霜日和無霜期主要受緯度影響．

3.2 討論

在全球變暖背景下,近60a河南省初霜日推遲,終霜日提前,無霜期顯著延長,這與中國大部分地區(qū)研究結(jié)果一致[12，27],這將延長作物生長季[28],利于作物適宜種植區(qū)域由較低海拔向較高海拔區(qū)域推進擴展,然而生長季延長又增加了作物在霜凍中的暴露,因此,在未來全球變暖背景下,各地還需因地制宜地采取調(diào)整農(nóng)作物種植制度等措施,以減少霜凍危害．

本研究探討了霜凍與地理因子的關(guān)系,認為河南省初、 終霜日和無霜期主要受緯度影響,限于數(shù)據(jù)的可獲取性及篇幅所限,環(huán)流指數(shù)和城市化等因素對霜凍的影響有待進一步研究．