寧夏春霜凍期相對濕度的時空變化特征研究

摘 要：相對濕度是霜凍形成過程中的重要影響因素?；趯幭?961—2016年春霜凍期相對濕度觀測數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)、Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)、Sen斜率法、反距離空間插值法，研究了相對濕度的時空變化特征。結(jié)果表明：1961—2016年寧夏春霜凍期的相對濕度和霜凍日數(shù)均呈下降趨勢，且兩者存在顯著的負(fù)相關(guān)。在空間分布方面，南部為高值區(qū)，中部為中值區(qū)，北部為低值區(qū)。全區(qū)84 %的站點(diǎn)相對濕度顯著下降，其余站點(diǎn)無明顯變化，Sen斜率較小。

關(guān)鍵詞：春霜凍時期；相對濕度；時空變化；Mann-Kendall檢驗(yàn)

中圖分類號：S512.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–0-03

氣候風(fēng)險是災(zāi)害風(fēng)險的重要組成部分，?其影響范圍廣泛。而關(guān)于氣候風(fēng)險的研究主要集中在氣候?yàn)?zāi)害因子的發(fā)生頻率、持續(xù)時間和強(qiáng)度等方面，并關(guān)注其等級及出現(xiàn)概率。其中，春霜凍是寧夏農(nóng)業(yè)和林業(yè)面臨的一種多發(fā)性自然災(zāi)害，尤其對小麥、蘋果和紅梅杏等作物的危害較大，相關(guān)學(xué)者也針對這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。

李紅英等[1]使用寧夏23個氣象站點(diǎn)1981—2010年的日最低氣溫觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)和空間分析方法，深入分析了寧夏霜凍的發(fā)生范圍、頻率、強(qiáng)度及致災(zāi)因子的危險性。郭曉雷等[2]通過對寧夏枸杞種植區(qū)15個氣象站1961—2017年的最低氣溫觀測數(shù)據(jù)及春霜凍致災(zāi)指標(biāo)進(jìn)行分析，研究了春霜凍發(fā)生次數(shù)和終霜凍日的時空分布特征。程瑛等[3]通過分析甘肅省57個氣象站點(diǎn)1961—2017年的溫度和霜凍災(zāi)害數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢系數(shù)、累計(jì)距平和Mann-Kendall方法探討了不同等級霜凍日數(shù)的變化特征。朱永寧等[4]通過人工霜凍試驗(yàn)明確了危害積溫和持續(xù)時間對枸杞花期霜凍形成的作用。白磊等[5]利用1961—2018年的長時間序列格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，替代以往的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過趨勢分析和聚類分析等方法，探討了中國地區(qū)霜凍的時空變化規(guī)律，包括霜凍的辨識閾值、發(fā)生時間及強(qiáng)度。丁永平[6]結(jié)合寧夏23個氣象站1981—2020年的氣象數(shù)據(jù)和霜凍災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，分析了蘋果、釀酒葡萄和桃等作物的霜凍風(fēng)險分布規(guī)律。姜元等[7]基于陜西省蘋果主產(chǎn)區(qū)1971—2018年的逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，提取了春霜凍事件的歷時和強(qiáng)度等特征變量，運(yùn)用6種Copula函數(shù)構(gòu)建春霜凍特征變量的聯(lián)合分布，并分析了春霜凍的發(fā)生概率及重現(xiàn)期。王磊等[8]通過連續(xù)30年的農(nóng)業(yè)和氣象觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析了降水、氣溫、日照時數(shù)等因子對曹縣冬小麥霜凍災(zāi)害和產(chǎn)量的影響。邱星霖等[9]通過CMIP5氣候模式提供的積溫和最低溫度評估了中國北方蘋果花期霜凍災(zāi)害風(fēng)險。梁小娟等[10]通過低溫脅迫探究了寧夏葡萄霜凍凍害閾值。

當(dāng)前，氣象因素對霜凍的影響主要集中在最低溫度及其持續(xù)時間上，由于霜凍災(zāi)害同時受到多種因素的綜合影響，其形成過程較為復(fù)雜，而相對濕度通過影響作物周圍空氣比熱容和熱量傳播過程對作物霜凍災(zāi)害的形成有重要作用，針對此方面的研究較少[11]。探討寧夏春霜凍期相對濕度和霜凍日數(shù)的相關(guān)關(guān)系，以及相對濕度的時空變化規(guī)律，以期為農(nóng)業(yè)規(guī)劃和氣象災(zāi)害防控提供數(shù)據(jù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

寧夏回族自治區(qū)位于中國西北部，面積為6.64萬km2，轄5個地級市，下轄22個縣市區(qū)，屬于溫帶大陸性氣候。

自然狀況：寧夏海拔1 000 m以上，地勢南高北低，落差近1 000 m，呈階梯狀下降。屬典型的大陸性氣候，為溫帶半干旱區(qū)和半濕潤地區(qū)，具有春多風(fēng)沙、夏少酷暑、秋涼較早、冬寒較長、雨雪稀少、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈等特點(diǎn)，年平均降水量300 mm左右。

地理區(qū)劃：在地形上分為三大板塊，一是北部引黃灌區(qū)。地勢平坦，土壤肥沃，素有“塞上江南”的美譽(yù)。二是中部干旱帶。干旱少雨，風(fēng)大沙多，土地貧瘠，植物生存條件較差。三是南部山區(qū)。丘陵溝壑林立，部分地域陰濕高寒。

寧夏春季霜凍一般發(fā)生在4月10—5月15日，該時期1961—2016年的逐日相對濕度由國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供，經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗(yàn)，剔除數(shù)據(jù)序列短的站點(diǎn)，將逐日數(shù)據(jù)在霜凍期進(jìn)行算術(shù)平均處理。霜凍日數(shù)的判定根據(jù)王榮梅等[12]的研究確定。

1.2 研究方法

根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)是氣象學(xué)廣泛應(yīng)用的研究方法，能夠?qū)r間序列的變化趨勢、顯著水平及突變點(diǎn)進(jìn)行判定。具體計(jì)算公式如下。

對于時間序列xi（i=1，2，…i，…j，…n）定義符號，函數(shù)統(tǒng)計(jì)量S：

S=sign（si-si）（1）

（2）

Var（S）=（3）

（4）

上式中，n為序列長度；xi和xj為序列x的第i個和j個元素（i＞j）；Sign為符號函數(shù)；Var為方差；Z為標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。若Z為正值，表示序列呈上升趨勢，負(fù)值呈下降趨勢；當(dāng)|Z|≥1.96時，表示序列在a=0.05的水平上變化顯著，否則變化趨勢不顯著。

Sen斜率能夠減輕數(shù)據(jù)異常對統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，在分析時間序列的平均變幅方面較線性回歸更為穩(wěn)定和準(zhǔn)確。計(jì)算公式為：

Seni， j=Median（5）

式（5）中，Seni， j為Sen斜率；xi和xj分別為第i和第j時刻的序列值；Median為取中值函數(shù)。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的基礎(chǔ)方法，可以度量2個變量間相關(guān)程度。取值范圍為-1～1，其中，1表示變量完全正相關(guān)，-1表示完全負(fù)相關(guān)。反距離權(quán)重法是空間插值的常規(guī)方法，能夠表征指標(biāo)的空間分布特征[13]。以上方法通過數(shù)學(xué)軟件Matlab和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 寧夏春霜凍期氣候相對濕度的時間變化趨勢

為確定寧夏春霜凍期相對濕度對霜凍日數(shù)的影響，對時間序列和相關(guān)分析進(jìn)行研究。從時間變化來看，相對濕度和霜凍日數(shù)的下降趨勢比較相似，且在大多數(shù)年份的曲線呈現(xiàn)出波峰—波谷的對應(yīng)特征。通過皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，相對濕度與霜凍日數(shù)呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1）。因此，選擇相對濕度作為寧夏霜凍發(fā)生的主要因素之一具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同時根據(jù)氣象學(xué)原理，日最低氣溫在2 ℃以下空氣中水汽飽和會在植物表面形成白霜，但當(dāng)相對濕度較高時，空氣的比熱容也較大，從而減緩氣溫降低的速度[14]。在田間防霜時，北方地區(qū)也有灌溉、噴灑溫水等措施。相對濕度對霜凍的影響是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)，較為復(fù)雜，不能一概而論，還要結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⑾聣|面、低溫閾值、熱效應(yīng)等要素予以綜合考慮。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1961—2016年寧夏春霜凍期相對濕度多年平均值為44.45%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.75，變異系數(shù)為0.15%。由圖1a可見，春霜凍期的相對濕度在1961—1966年左右波動較大，然后波動趨于平緩，1997—2002年又有較大幅度變化，2010年后有小幅波動，整體序列在1961—2015年呈下降趨勢。使用Mann-Kendal趨勢檢驗(yàn)，得到Z值為-2.72，表明下降趨勢顯著（P＜0.01），Sen斜率為-0.17%/年。

2.2 寧夏春霜凍期氣象指標(biāo)的空間分布特征

1961—2016年寧夏春霜凍期相對濕度多年平均值空間變化特征見圖2。相對濕度總體上從南到北遞減，南部山區(qū)的西吉、隆德和涇源為高值區(qū)（55%

～58%），中部地區(qū)屬于中值區(qū)（41%～54%）， 惠農(nóng)、陶樂、平羅為低值區(qū)（37%～40%）。相對濕度空間上的極值比為1.57，空間差異h3gAOwxuNYDUokEcnBqdWA==較大。研究結(jié)論符合寧夏北部灌區(qū)、中部干旱帶、南部山區(qū)的地理特征，也與寧夏降水和植被的分布有關(guān)。相對濕度不僅受降水的影響，還與地形地貌關(guān)系密切，寧夏北臨騰格里沙漠與烏蘭布和沙漠，西接毛烏素沙漠，這對相對濕度的空間分布有一定影響。

利用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)和Sen斜率分析了1961—2016年寧夏19個氣象站點(diǎn)春霜凍期相對濕度的變化趨勢（圖2b）。相對濕度在全區(qū)的16個站點(diǎn)顯著下降，占總數(shù)的84%，在3個站點(diǎn)無顯著變化。絕大多數(shù)相對濕度顯著下降的站點(diǎn)位于寧夏靠西的一側(cè)，無顯著變化的站點(diǎn)則處于中東部。在Sen斜率絕對值方面，鹽池、同心和麻黃山地區(qū)較小，吳忠、固原和中衛(wèi)較大。

3 結(jié)論

基于歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析，研究了1961—2016年寧夏19個氣象站點(diǎn)春霜凍期相對濕度的時空變化特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）寧夏春霜凍期間的相對濕度和霜凍日數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，同時，相對濕度和霜凍日數(shù)均呈顯著下降趨勢（P＜0.01），相對濕度值下降的Sen斜率為-0.17%/年。

（2）在空間分布方面，相對濕度的空間差異較大。表現(xiàn)為由南部山區(qū)向中西部遞減的特征，濕度的高值區(qū)為寧夏最南部的西吉、隆德和涇原：寧夏中北部為中值區(qū)，北部的陶樂、惠農(nóng)、平羅為低值區(qū)。

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