滁州市初霜日、終霜日變化特征

摘 要：根據(jù)1959—2018年滁州市及所轄6個縣（市）共7個國家氣象觀測站地面氣象觀測資料，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)、非參數(shù)突變檢驗(yàn)及Morlet小波分析等方法，探究滁州市平均初霜日、終霜日的變化趨勢、突變特征及其周期。結(jié)果表明：滁州市平均初霜日的推遲幅度為2.22 d/10 a，平均終霜日的提前幅度為1.86 d/10 a；平均初霜日存在明顯的突變點(diǎn)，突變年份為2003年，平均終霜日突變年份為1996年；在28 a特征時間尺度上，平均初霜日變化周期約為20 a，約經(jīng)歷了3個提前—推遲趨勢轉(zhuǎn)換期；在28 a特征時間尺度上，平均終霜日變化周期約為20 a；在12 a特征時間尺度上，平均終霜日變化周期約為10 a。

關(guān)鍵詞：霜；趨勢檢驗(yàn)；突變；周期分析

中圖分類號：P423.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）13-121-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.027

0 引言

霜是指水汽在地面和近地面物體上凝華而成的白色松脆的冰晶，或是由露凍結(jié)而成的冰珠［1］，易在晴朗微風(fēng)的夜間生成。氣象學(xué)上一般將秋季第一次出現(xiàn)的霜稱為“初霜”，春季最后一次出現(xiàn)的霜稱為“終霜”。在全球氣候變暖的背景下，研究初、終霜出現(xiàn)日期的變化，對合理安排農(nóng)事活動、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義［2］。馬尚謙等［3］研究發(fā)現(xiàn)，近56 a淮河流域平均初霜日以2.15 d/10 a的速率呈推遲趨勢，終霜日以2.49 d/10 a的速率呈提前趨勢；寧曉菊等［4］根據(jù)1951年以來國內(nèi)824個氣象站點(diǎn)的資料分析發(fā)現(xiàn)，中國80%以上區(qū)域呈現(xiàn)初霜日推后、終霜日提前的趨勢；潘淑坤等［5］、李輯等［6］、羅靜等［7］、姬興杰等［8］分別對新疆、遼寧、陜西、河南等地區(qū)的霜期變化進(jìn)行研究，結(jié)果均與上述趨勢相符。

滁州市位于皖東江淮之間，地勢西高東低，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，是國家大型商品糧生產(chǎn)基地。滁州市現(xiàn)轄天長、明光2市，來安、全椒、定遠(yuǎn)、鳳陽4縣，以及瑯琊、南譙2區(qū)。全市共建有國家氣象觀測站7個，分別位于市本級瑯琊區(qū)和所轄6個縣（市）。目前，針對滁州市初霜日、終霜日變化特征的研究尚屬空白，且現(xiàn)有研究［9-11］多以日最低氣溫或地表最低溫度判斷霜日，而除溫度外，相對濕度和風(fēng)速也是霜形成的重要條件。以1959—2018年滁州市7個國家氣象觀測站霜的人工觀測資料為基礎(chǔ)，對當(dāng)?shù)爻跛铡⒔K霜日的時空變化特征進(jìn)行分析，為合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源和有效防御霜凍提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1959—2018年滁州市7個國家氣象觀測站霜的人工觀測數(shù)據(jù)（有霜日記錄1，無霜日記錄0）來源于全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）。經(jīng)篩選，剔除無霜日，確定初霜日、終霜日。根據(jù)原始數(shù)據(jù)，分別以年度總天數(shù)中的第幾天表示初霜日和終霜日，重新建立各站初霜日、終霜日的數(shù)據(jù)序列［5］。例如，1959年3月17日為終霜日，10月30日為初霜日，則該年度終霜日和初霜日分別以75和302計(jì)。以新建立的初霜日、終霜日的數(shù)據(jù)序列為基礎(chǔ)，進(jìn)而對所有數(shù)據(jù)序列的變化特征進(jìn)行分析。

Mann-Kendall（簡稱M-K）檢驗(yàn)法是時間序列數(shù)據(jù)趨勢檢驗(yàn)中使用廣泛的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)分析，計(jì)算簡便［12］。研究利用該方法分析滁州市初霜日、終霜日的時間變化特征。小波分析也稱多分辨率分析，可以反映系統(tǒng)在不同周期中的變化趨勢，并能對系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行定性估計(jì)［13］。研究采用Morlet小波分析法探究滁州市初霜日、終霜日的周期變化特征。M-K檢驗(yàn)與Morlet小波分析均使用Matlab（R2017a）軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 初霜日變化特征

2.1.1 初霜日變化趨勢

對1959—2018年滁州市平均初霜日的人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，結(jié)果見表1（Z為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢；Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時，分別表示通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)）［12］。由表1可知，滁州市平均初霜日的變化趨勢通過了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)，存在顯著的推遲趨勢（Z為正值），平均初霜日的推遲幅度為2.22 d/10 a。

2.1.2 初霜日突變分析

對1959—2018年滁州市平均初霜日的人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，給定顯著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96，UF統(tǒng)計(jì)量用于衡量數(shù)據(jù)序列中上升和下降極值的數(shù)量之差，UB統(tǒng)計(jì)量用于衡量極值之間的時間間隔，結(jié)果如圖1所示。滁州市平均初霜日自1996年起呈持續(xù)推遲趨勢，并于2005年達(dá)到顯著水平（超過顯著性水平0.05臨界線），根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置確定突變點(diǎn)為2003年，突變前（1959—2002年）平均初霜日為11月5日，突變后（2003—2018年）平均初霜日為11月13日，推遲8 d。

2.1.3 初霜日周期變化

由上述分析可知，滁州市平均初霜日存在顯著的變化趨勢和突變點(diǎn)，選擇 Matlab 小波工具箱中的Morlet 復(fù)小波函數(shù)對平均初霜日進(jìn)行周期分析，結(jié)果如圖2所示。圖2（a）可以反映初霜日時間序列在不同時間尺度上的周期變化，實(shí)線表示小波系數(shù)實(shí)部值為正，虛線為負(fù)，對應(yīng)初霜日處于推遲或提前期。由圖2（a）可知，滁州市平均初霜日變化具有明顯的周期性特征，主要表現(xiàn)為25～30 a尺度上出現(xiàn)的推遲—提前交替的準(zhǔn)3次振蕩，在整個時間尺度上出現(xiàn)4個偏多中心和3個偏少中心，且這一時間尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)得非常穩(wěn)定，具有全域性。圖2（b）可以反映初霜日時間序列的波動能量隨尺度的分布情況，以確定初霜日變化過程中存在的主周期。小波方差圖2（b）中只存在一個明顯的峰值，對應(yīng)28 a的時間尺度，說明28 a左右（時間尺度）的周期振蕩最強(qiáng)，為初霜日變化的主周期。根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，繪制平均初霜日變化過程的主周期趨勢圖［見圖2（c）］，在28 a特征時間尺度上，初霜日變化的平均周期約為20 a，大約經(jīng)歷了3個提前—推遲趨勢轉(zhuǎn)換期。

2.2 終霜日變化特征

2.2.1 終霜日變化趨勢

對1959—2018年滁州市平均終霜日的人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可知，滁州市平均終霜日的變化趨勢通過了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)出顯著的提前趨勢（Z為負(fù)值），平均終霜日的提前幅度為1.86 d/10 a。

2.2.2 終霜日突變分析

對1959—2018年滁州市平均終霜日的人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。滁州市平均終霜日突變年份為1996年，突變前（1959—1995年）平均終霜日為4月1日，突變后（1996—2018年）平均終霜日為3月25日，提前7 d。

2.2.3 終霜日周期變化

由上述分析可知，滁州市平均終霜日存在顯著的變化趨勢和突變點(diǎn)，選擇Matlab 小波工具箱中的Morlet 復(fù)小波函數(shù)對全市平均終霜日進(jìn)行周期分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可知，滁州市平均終霜日變化具有明顯的周期性特征，具體表現(xiàn)為24～32 a尺度上出現(xiàn)的推遲—提前交替的準(zhǔn)3次振蕩，在9～18 a尺度上出現(xiàn)的準(zhǔn)7次振蕩，在3～9 a尺度上出現(xiàn)的準(zhǔn)14次振蕩。小波方差圖4（b）中存在3個較為明顯的峰值，其中最大峰值對應(yīng)28 a的時間尺度，說明28 a左右（時間尺度）的周期振蕩最強(qiáng)，為終霜日變化的第一主周期，12 a、6 a的時間尺度依次為第二、第三主周期。根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，繪制平均終霜日變化過程的第一、第二主周期趨勢圖［見圖4（c）］，在28 a特征時間尺度上，終霜日變化的平均周期約為20 a，在12 a特征時間尺度上，終霜日變化的平均周期約為10 a。

3 結(jié)論

對滁州市初霜日、終霜日變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論。

①滁州市平均初霜日存在顯著的推遲趨勢，推遲幅度為2.22 d/10 a；平均終霜日表現(xiàn)出顯著的提前趨勢，提前幅度為1.86 d/10 a。

②平均初霜日存在明顯的突變點(diǎn)，突變年份為2003年，突變后平均初霜日為11月13日，推遲8 d；平均終霜日也存在明顯的突變點(diǎn)，突變年份為1996年，突變后平均終霜日為3月25日，提前7 d。

③平均初霜日主要表現(xiàn)為25～30 a時間尺度上的年代際周期，在28 a特征時間尺度上，初霜日變化的平均周期約為20 a，大約經(jīng)歷了3個提前—推遲趨勢轉(zhuǎn)換期；平均終霜日具體表現(xiàn)為24～32 a、9～18 a及3～9 a時間尺度上的年代際周期，在28 a特征時間尺度上，終霜日變化的平均周期約為20 a，在12 a特征時間尺度上，終霜日變化的平均周期約為10 a。

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作者簡介：張鑫童（1987—），男，碩士，工程師，研究方向：應(yīng)用氣象。