阿勒泰地區霜凍變化特征分析

張林梅，李建麗，張 建

(1.蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730002；2.阿勒泰地區氣象局，新疆阿勒泰 836500)

阿勒泰地區霜凍變化特征分析

張林梅1,2，李建麗2，張 建2

(1.蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730002；2.阿勒泰地區氣象局，新疆阿勒泰 836500)

采用阿勒泰地區7個氣象觀測站1961—2013年0 cm最低地溫≤0 ℃的初日、終日資料，運用線性趨勢、Mann-Kendall突變檢測法、Morlet小波變換、R/S持續分析法對阿勒泰地區的終霜日、初霜日及無霜期進行分析，結果表明：阿勒泰各站呈初霜凍開始遲、終霜凍結束早、無霜期延長的趨勢，且大部分站通過了顯著性檢驗。大部分站終霜日和部分站初霜日在20世紀80年代發生突變；大部分站無霜期在70年代中后期和80年代發生突變。各站終霜日、初霜日及無霜期存在明顯的年際和年代際尺度的周期變化，年際周期具有一定的同步性，但年代際周期差異較大。全區及各站終(初)霜日將由過去53 a的提前(推后)趨勢逐漸轉為推后(提前)趨勢，無霜期由過去53 a的延長趨勢轉變為縮短趨勢。阿勒泰地區的霜凍災害主要由終霜凍造成，而終霜凍災害在空間上主要分布于吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，時間上主要出現于90年代。

終霜日；初霜日；無霜期；Mann-Kendall突變檢測；Morlet小波變換；R/S分析法

霜凍是一種限制作物生長期內熱量資源充分利用的農業氣象災害[1]。在氣候變暖的背景下，全球許多地區的低溫冷害事件發生頻率和霜凍起訖日期也出現了明顯的變化。我國學者對此作了較多研究。葉殿秀[2]分析1961—2007年我國577個測站逐日最低氣溫資料，指出全國平均終霜日提早時間明顯比初霜日推遲時間長，全國平均無霜期自20世紀80年代起明顯延長；韓榮青[3]分析1961—2008年北方地區233個測站0 cm最低地溫，指出2000年以來各地初霜日推遲最為明顯，另外在北方許多地區20世紀80年代初霜日較90年代的偏晚；文獻[4-7]分別對北方一些地區的霜凍氣候特征進行較深入的研究。

阿勒泰地區位于新疆北部，支柱產業是畜牧業，但據相關統計，近年來農業種植規模也逐步擴大, 霜凍天氣的預報越來越引起當地種植戶的關注。阿勒泰當地預報員雖然在氣候方面做了較多研究[8-10]，但對霜凍的研究較少，只有白松竹[11]以≤ 0 ℃最低氣溫為指標，分析1961—2008年阿勒泰地區霜凍氣候變化特征。但文獻[6]指出北方地區采用0 cm最低地溫定義初終霜日更為適合，且文獻[12]指出天冷的時候,特別是夜間晴朗、微風、有霜的天氣, 0 cm最低地溫比最低氣溫低3 ℃左右。但當最低地溫≤ 0 ℃時，已會使植物原生質受到破壞，導致植株受害。根據《新疆維吾爾自治區氣象局氣象災害預警信號發布業務規范》，將0 cm最低地溫≤ 0 ℃作為霜凍指標，分析阿勒泰地區霜凍的氣候變化特征，一方面對指導該地區農業生產布局具有重要意義，另一方面，也有助于提高對霜凍災害的預測能力，為有效防御霜凍災害提供參考。

1 資料及分析方法

1.1 資料

利用1961—2013年阿勒泰地區7個地面氣象觀測站(阿勒泰、吉木乃、哈巴河、布爾津、福海、富蘊、青河) 0 cm最低地溫≤0 ℃的初日、終日資料，各站地理位置及海拔高度見圖1。規定：0 cm最低地溫下半年(8—10月)首次出現≤0 ℃的日期為初霜日，上半年(4—6月)最后一次出現≤0 ℃的日期為終霜日，終霜日的翌日至初霜日的前一日為無霜期。全區值取阿勒泰地區7站平均值；氣候平均值時段為1961—2013年；災情資料來自阿勒泰地區民政局。

圖1 阿勒泰地區各站地理分布及海拔高度(單位：m)

1.2 方法

趨勢分析采用線性趨勢檢驗，突變采用Mann-Kendall法[13]、Morlet小波變換[14]，持續性分析采用R/S方法[15]。

2 結果與分析

2.1 基本特征

對阿勒泰全區及7站1961—2013年終、初霜日進行統計(表1)。全區終霜日平均出現在5月13日，最早平均出現在4月29日(2008年)，最晚在6月4日(1970年)。單站最早終霜日出現在福海站(4月2日)，最晚出現在吉木乃、青河站(6月30日)。全區初霜日平均出現在9月16日，最早平均出現在8月29日(1961年)，最晚在9月25日(2009年)；單站最早初霜日出現于青河站(8月25日)，最晚出現于哈巴河站(10月14日)。全區平均無霜期為124 d，最長146 d(2010年)，最短96 d(1974年)；單站最長無霜期出現在哈巴河站(178 d),最短出現于青河站(83 d)，最長無霜期與最短無霜期的差值富蘊站最大(108 d),阿勒泰站最小(62 d)。

表1 1961—2013年阿勒泰地區霜凍終、初日(月-日)及無霜期

阿勒泰地區地形復雜,霜凍時空分布不均,初(終)霜凍日及無霜期差異較大。文獻[15]指出“初霜凍出現時間隨海拔高度、緯度的增高而提前,反之則推遲；終霜凍出現時間隨海拔高度、緯度的降低而提前, 反之則推遲”。對阿勒泰地區來說，各站緯度在46.66°N～48.05°N，但海拔高度相差較大，在475.6～1 220.3 m(見圖1)。青河站緯度最南，但海拔高度最高，其終霜凍出現最晚、初霜凍最早、無霜期最短。可見，對于阿勒泰地區而言，海拔高度是影響霜凍氣候特征的重要因素。這與文獻[11]采用最低氣溫≤0 ℃作為霜凍指標研究的結論吻合。

2.2 變化趨勢

根據近53 a阿勒泰地區初(終)霜日及無霜期線性變化趨勢(表2)可知，全區終霜日呈提前趨勢，初霜日呈推后趨勢，無霜期呈延長趨勢，均通過0.01信度檢驗。終霜日提前速率為2.9 d/10 a，初霜日推后速率為2.2 d/10 a，無霜期延長速率為5 d/10 a。

大部分站終霜日呈顯著提前趨勢，除阿勒泰、吉木乃站，其它站均通過0.01的信度檢驗，提前速率為2.2～4.5 d/10 a，青河站提前最明顯。大部分站初霜日呈推后趨勢，但只有哈巴河、富蘊、青河站通過顯著性檢驗，且推后速率為2.1～5.1 d/10 a，其它站沒有通過顯著性檢驗。無霜期除阿勒泰、吉木乃站外，其它站呈顯著延長趨勢，延長速率為3.4～9.0 d/10 a，均通過了0.05或0.01信度檢驗。

阿勒泰地區終霜日呈提前趨勢，初霜日呈推后趨勢，無霜期呈延長趨勢，與文獻[11]的結論是一致的，但是對于終霜凍、初霜凍的顯著性檢驗結果不一致。究其原因，主要是由于與該文獻采用的霜凍指標不同。

表2 1961—2013阿勒泰地區各站終、初霜日及無霜期線性趨勢 d/10 a

注：*表示通過0.05信度檢驗，**表示通過0.01信度檢驗

2.3 突變分析

由圖2a可知，UF和UB曲線于1977年相交于信度為0.05的置信線±1.96之間，且UF1977年后基本呈持續下降趨勢，說明1977年以來阿勒泰地區全區終霜日呈顯著提前趨勢，因此，1977年是全區終霜日從一個相對偏晚期躍變為一個相對偏早期的突變年，突變趨勢顯著。由圖2b可知，UF和UB不存在交點，即全區初霜期不存在突變年。全區無霜期(圖2c)在1968、1976年出現交點，顯然1968年并非突變年，1976年的交點未處于±1.96之間，故該年也不是突變年，即全區無霜期也不存在突變年。

UF為順序曲線，UB為逆序曲線，+1.96、-1.96 表示信度為0.05的置信線

對阿勒泰地區各站近53 a終霜日、初霜日及無霜期時間序列進行突變檢測(表3)。大部分站終霜日在20世紀80年代發生突變；初霜日只有阿勒泰、青河站在70年代初期發生突變，其它站不存在顯著突變年；布爾津、福海站無霜期突變時間在80年代，而哈巴河、富蘊站突變時間在70年代中后期。該結論與文獻[11]不一致，該文獻指出只有哈巴河站終霜日、初霜日及無霜期發生氣候突變。造成結論不一致的原因還有待于日后對各站≤0 ℃的最低氣溫及0 cm最低地溫兩者之間的關系進一步研究。

2.4 周期性分析

通過1961—2013年全區終霜日周期分析(圖3)可發現，年際尺度準8 a周期信號在整個時域內都較明顯，模值(圖3b)均大于0.5；年代際尺度有準18～21 a、24～30 a、39～52 a周期信號在整個時域內都較明顯，小波系數正負中心均出現在所研究時域內，信號較強，其模值均大于2。通過全區初霜日周期分析(圖略)可發現，年際周期不顯著，但準17～18 a、22～30 a年代際周期在整個時域內顯著，模值均大于0.5,其中準22～30 a周期最強最顯著，小波系數正負中心均出現在所研究時域內，信號較強。通過全區無霜期分析(圖略)可發現，年際周期也不顯著，但準12～14 a、17～21 a、24～34 a年代際周期在整個時域內顯著，模值均大于0.5,其中準24～34 a周期最強最顯著，信號較強，模值大于2。

表3 1961—2013年阿勒泰地區各站終、初霜日及無霜期突變時間

注：“無”表示無顯著突變點

分析阿勒泰各站近53 a終霜日、初霜日及無霜期時間序列的周期，發現各站初霜日、終霜日、無霜期年際周期具有一定的同步性。各站終霜日周期主要為準4～8 a；阿勒泰、吉木乃、富蘊、青河站初霜日存在準5～7 a周期，其它站存在準8～9 a周期；阿勒泰、福海站無霜期存在準5～6 a周期，其它站存在準8～9 a周期。

阿勒泰地區各站的初霜日、終霜日、無霜期均存在顯著的年際和年代際周期變化，雖然年際周期具有一定的同步性，但年代際周期差異較大，具體見表4。這再次體現了該地區霜凍氣候特征的復雜性和特殊性。

圖3 1961—2013年全區終霜日小波變換實部(a)和模值(b)

表4 1961—2013年阿勒泰地區各站終、初霜日及無霜期年代際周期

2.5 持續性分析

根據 R/S分析基本原理[15]對阿勒泰全區及各站終霜日、初霜日及無霜期的持續性進行分析，計算相應的Hurst指數(表5)。1961—2013年阿勒泰全區及各站終霜日、初霜日及無霜期的Hurst指數均在(0，0.5)，說明全區及各站未來終(初)霜日將由過去53 a的提前(推后)趨勢逐漸轉為推后(提前)趨勢，無霜期由過去53 a的延長趨勢轉變為縮短趨勢。就各站而言，哈巴河站終霜日、布爾津站初霜日、阿勒泰站無霜期的Hurst指數最小，表明未來它們的反持續性相對最強。由于該結論僅基于R/S分析，且其與資料的長度有關，該結論的真實性還有待于序列延長后進一步證實。

表5 1961—2013年阿勒泰地區終、初霜日及無霜期Hurst指數

2.6 災害分析

阿勒泰地區的霜凍災害主要表現為冷空氣入侵后，地面最低地溫下降到0 ℃及以下對豆類、瓜類、蔬菜等喜溫作物造成嚴重的影響，甚至導致絕收，從而造成嚴重的經濟損失。

通過對阿勒泰地區歷史上的霜凍災害統計，終霜凍災害發生14站次，初霜凍災害4站次，由此可知終霜凍災害發生的頻次明顯大于初霜凍災害。終霜凍災害主要出現在吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，以20世紀90年代居多(9站次)，其次是21世紀00年代(3站次)，20世紀70年代、80年代各出現1站次；而初霜凍主要出現在吉木乃、阿勒泰，20世紀90年代出現3站次，70年代 1站次，其它年代無霜凍災害。統計了90年代阿勒泰、吉木乃、哈巴河站的平均終霜日，分別為5月17日、5月21日、5月20日，對比表1可知，這3站多年平均終霜日分別為5月12日、5月13日、5月11日，由此可知,90年代的這幾次霜凍災害主要是由于終霜日推后造成的。霜凍災害主要分布于90年代，也可能與近20 a來，阿勒泰地區開墾荒地，擴大生產種植規模，且氣象災情資料較之前完整有關。具體的原因還有待于進一步研究。

總的來說，霜凍的發生主要受溫度變化的影響，因而溫度的變化勢必影響霜凍的時空變化。但霜凍是一種時間尺度較短的農業氣象災害，它的發生可以與長時間尺度的氣候變化趨勢相反[16]。因此，即使在氣候變暖的大背景下，要減少阿勒泰地區的霜凍危害，一方面需要根據該地區氣候特點選擇適應性較好的農作物，另一方面需要加強對霜凍災害的監測能力和預報水平。

3 結論

(1)阿勒泰地區終霜日呈提前趨勢，初霜日呈推后趨勢，無霜期呈延長趨勢，且大部分站通過顯著性檢驗，終霜日提前速率為2.9 d/10 a，初霜日推后速率為2.2 d/10 a，無霜期延長速率為5 d/10 a。

(2)大部分站終霜日在20世紀80年代發生突變；初霜日只有阿勒泰、青河站發生了突變，突變發生在70年代初期，其它站不存在顯著突變年；布爾津、福海站無霜期突變時間在80年代，而哈巴河、富蘊站突變時間在70年代中后期。

(3)阿勒泰地區各站的初霜日、終霜日、無霜期均存在明顯的年際和年代際周期變化，年際周期具有一定的同步性，而年代際周期差異較大，體現了該地區霜凍氣候特征的復雜性和特殊性。

(4)通過持續性分析，說明全區及各站未來終(初)霜日將由過去53 a的提前(推后)趨勢逐漸轉為推后(提前)趨勢，無霜期由過去53 a的延長趨勢轉變為縮短趨勢。

(5)阿勒泰地區霜凍災害主要由終霜凍造成，而終霜凍災害在空間上主要分布于吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，時間上主要出現于20世紀90年代。

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1006-4354(2014)06-0013-06

2014-03-27

張林梅(1983—)，女，漢族，云南曲靖人，學士，工程師，從事短期天氣預報。

新疆氣象局青年基金(201211)

P468.021

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