寧夏枸杞種植區春霜凍發生的時空分布特征分析

郭曉雷 申雙和 張磊

摘要：利用寧夏枸杞種植區15個氣象站1961—2017年最低氣溫觀測資料，結合寧夏枸杞春霜凍致災指標，采用線性傾向估計、Moflet小波分析、正交經驗函數（EOF）分析等方法，研究寧夏枸杞種植區春霜凍發生的時空分布特征。結果表明，（1）寧夏枸杞種植區春霜凍發生次數呈現南北多、中間少的分布特征，晚霜凍日也呈現南部偏晚、中北部偏早的空間分布特征，霜凍發生次數最多和春霜凍日結束最晚都集中在南部地區，尤以興仁最為嚴重;（2）1961—2017年寧夏枸杞終霜凍日以2.1 d/10年的速率提前，且階段性變化特征明顯，20世紀70年代春霜凍都在5月上旬后結束，而到20世紀90年代末之后，大部分年份春霜凍都在5月上旬前結束;57年尺度上枸杞春霜凍發生次數以 2.1次/10年的速率減少，在1992年之前發生次數偏多，之后發生明顯突變，且1992年前存在明顯的7年、準4年的周期變化，之后周期性變化不明顯。（3）寧夏枸杞春霜凍發生次數在大部分年份都呈現偏多或偏少的一致性特征，也存在明顯的南北差異分布，但總體一致性是寧夏枸杞春霜凍發生次數變化的主要特征。

寧夏枸杞馳名中外，是唯一被載入《中華人民共和國藥典》（2010年版）的品種，因其較高的營養價值和藥用保健功效受到廣大消費者青睞。近年來，隨著政府的大力扶持，寧夏已形成了以中寧為核心、清水河流域和賀蘭山東麓為兩翼的枸杞產業帶，枸杞產業已經成為寧夏農業特色優勢產業的重要組成部分。霜凍是威脅寧夏枸杞產業發展的主要氣象災害之一，且寧夏是霜凍多發區，正常年份春霜凍重于秋霜凍[1-2]，由于春季正值枸杞嫩梢期至花果期，春季霜凍災害的發生直接影響枸杞頭茬果和夏果的產量及品質[3]，而枸杞頭茬果和夏果的營養成分均高于秋果[4-5]，經濟價值更高，春季霜凍造成的損失尤為嚴重。因此，摸清寧夏枸杞種植區春季霜凍發生規律，可為寧夏枸杞春季霜凍預報提供基礎理論依據，從而提高防御枸杞春霜凍災害能力，保障寧夏枸杞產業健康發展。

多位研究者以氣象學上的霜凍致災指標（地面最低溫度 ≤ 0 ℃，最低氣溫 ≤ 0 ℃或最低氣溫 ≤ 2 ℃）來分析區域霜凍變化特征[6-13]，但對具體特色作物而言，因作物的種類、品種不同，其對霜凍災害的耐受性也不同， 普適性的霜凍致災指標還不能準確反映其受凍情況，鑒于此，部分學者利用茶樹[14-16]、蘋果花期[17]的凍害指標分析得出了區域內特色作物的霜凍變化規律。目前針對枸杞霜凍氣候特征方面的研究還鮮有報道，本試驗在前人研究的基礎上，擬利用枸杞霜凍的致災指標，統計分析寧夏枸杞種植區霜凍災害發生的時空分布特征，以期為優化寧夏枸杞種植產業布局、提升枸杞種植區霜凍災害的預測服務能力提供參考依據。

1 材料與方法

本研究所用惠農、平羅、陶樂、賀蘭、銀川、永寧、靈武、吳忠、青銅峽、同心、中衛、中寧、海原、興仁、固原15個站點的1961年到2017年逐日最低氣溫觀測資料來源于寧夏氣象信息中心，所選站點均為寧夏枸杞種植區內具有長序列氣象資料的站點，站點分布見圖1;筆者所在項目組通過調查多年春季受災情況，結合人工霜箱模擬和野外霜凍模擬試驗，擬定日最低氣溫Tmin ≤-1 ℃作為寧夏枸杞春季霜凍的致災指標，本研究也將采用這一指標開展統計分析;由于寧夏枸杞正常年份在4月下旬老眼枝開始顯蕾，所以春霜凍統計時段選定為4月21日至5月31日;將枸杞春季最后1次發生霜凍的日期定義為晚霜凍日。

本試驗采用反距離權重法進行空間插值分析寧夏枸杞種植區春霜凍發生次數的空間分布特征[18]，運用ArcGIS 9.3制作了春霜凍發生次數的空間分布圖;運用線性傾向估計分析枸杞春霜凍發生的年際變化特征[19];運用Morlet小波變換分析逐年春霜凍發生總次數周期性變化[20-22];對1961—2017年寧夏逐年春霜凍發生總次數資料進行標準化處理，采用經驗正交函數（EOF）綜合分析寧夏枸杞種植區春霜凍發生的時空變化特征[23-24]。

2 結果與分析

2.1 寧夏枸杞春霜凍發生的空間分布特征

2.1.1 枸杞春霜凍發生次數的空間分析 圖2反映了寧夏枸杞種植區1961—2017年春霜凍發生次數的空間分布情況?？梢钥闯?，寧夏枸杞種植區春霜凍具有南部地區發生次數多、中間區域發生次數少的空間分布特征，具體情況如下：中衛、同心以南的區域春霜凍發生次數總體偏多，包括興仁、海原、固原3地發生春霜凍的次數占總數的46%，其中發生次數的最多的區域為興仁，57年來共發生了113次，其次是固原，發生了60次;而北部的陶樂地區也是春霜凍發生相對較多的區域，57年來也發生了47次，其他地區均未超過40次;春霜凍發生較少的區域主要位于永寧、青銅峽、中寧等地，分析期內共發生了36次，其中永寧、中寧發生次數最少為11次。

2.1.2 枸杞晚霜凍日的空間分析 表1給出了1961—2017年寧夏枸杞種植區各站平均和最晚晚霜凍日的具體時間，可以看出，各站平均晚霜凍日結束時間除固原外均在4月下旬的中期到末期，平均晚霜凍日最晚的是固原，為5月2日，最早的是平羅和青銅峽，為4月24日;但從各站晚霜凍結束日期來看，最晚的區域集中在南部地區的興仁、海原、固原等地，都在5月中旬以后，結束最晚的是興仁，為5月28日;而北部地區的平羅、陶樂等地的最晚晚霜凍日也相對較晚，集中在5月中旬左右，其他地區除靈武外，最晚晚霜凍日都在5月上旬，最早的為永寧、中寧、同心，結束日期為5月4日。

2.2 寧夏枸杞春霜凍發生的時間變化

2.2.1 枸杞春霜凍發生的年際變化 由圖3可見，1961—2017年寧夏枸杞種植區逐年春霜凍發生次數呈減少趨勢，氣候傾向率為2.1次/10年，并且年際變化差異大，發生次數最多的年份為1976年，高達48次，而57年中有17年未發生春霜凍災害;特別是從20世紀90年代初開始，春霜凍的發生次數明顯減少，除2008年超過了10次外，其他年份均未超過10次，21世紀10年代開始更是連續3年未發生枸杞春霜凍。

從逐年晚霜凍日年際變化來看（圖4），在57年尺度上，晚霜凍日呈提前趨勢，氣候傾向率為 2.1 d/10年，晚霜凍日最晚日期在5月28日，分別發生在1961年和1975年，最早日期為4月23日，發生在1988年，晚霜凍日較晚的時期主要集中在20世紀70年代到80年代初期，都在5月上旬后結束， 而從20世紀90年代末開始，晚霜凍日明顯提前，基本都在5月上旬前結束，只有3年是在5月上旬后結束，最晚結束的發生在2015年，為5月22日。

2.2.2 枸杞春霜凍發生次數的周期變化及突變分析 對寧夏枸杞種植區1961—2017年春霜凍逐年發生次數的小波分析圖結合小波方差圖進行分析（圖5），結果顯示，在90年代之前，枸杞春霜凍發生次數主要存在7年的周期性變化，其次有4年的周期性變化，還存在較弱的15、23年的周期變化，而90年代之后的周期性變化規律不明顯。

計算57年來寧夏春霜凍發生次數的累計距平可知，枸杞春霜凍發生次數有2個突變點，即1972、1992年。從1972年開始春霜凍發生次數逐年增加，而1992年之后又逐年減少。利用滑動t檢驗方法進行突變分析，為減少人為主觀性，本研究選擇2～20年，共18個時間長度，得到霜凍發生次數的突變點為1992年，該突變點通過了0.001的置信度檢驗。

2.3 寧夏枸杞種植區春霜凍發生次數EOF分析

為了將時間和空間結合起來對寧夏枸杞種植區逐年春霜

凍發生次數的變化特征進行綜合分析，對1961—2017年寧夏枸杞種植區各站逐年春霜凍發生次數資料進行標準化處理后，再進行EOF分解，所得方差貢獻率見表2?？梢钥闯?，前3個模態方差貢獻率分別為63.90%、8.60%、6.49%，累積方差貢獻率達到了78.99%，且3個模態均通過了North檢驗，所以本研究取前3個模態來反映寧夏枸杞春霜凍發生次數的時空分布型。

圖6-a、圖6-b給出了第1模態的空間分布及時間序列，可以看出57年來春霜凍發生呈現出一致性變化，即整個枸杞種植區春霜凍發生一致偏多或者一致偏少，其中吳忠、青銅峽及以北大部分地區的載荷向量值普遍較大，說明該區域春霜凍發生次數的年際變化幅度大。從對應的時間序列可以看出，1962、1968、1976年寧夏枸杞春霜凍發生次數偏多明顯，而到1992年之后呈現一致偏少的狀態，這與前文中突變檢驗結果一致。

圖6-c、6-d為第2模態空間分布及對應的時間序列，可以看出在個別年份寧夏春霜凍呈現出南北差異分布。其中，1961、1975、1982年寧夏中寧、中衛以北地區發生次數偏少明顯，以南地區偏多明顯，而 1962、1968年正好相反，中寧、中衛以北地區偏多明顯，而以南地區相對偏少。

圖6-e、6-f為第3模態空間分布及對應的時間序列，可以看出寧夏春霜凍的發生在極個別年份呈現出3中心差異分布。其中，1981、1990年惠農、吳忠發生次數偏多較為明顯，海原發生次數相對偏少;而1962、1974、2009年則相反。

3 結論與討論

寧夏枸杞春霜凍發生的區域特征明顯，春霜凍發生次數呈現南北多、中間少的空間分布特征，發生次數較多的區域為南部的興仁和固原以及北部的陶樂地區，而發生較少的區域為永寧、中寧等地;而從晚霜凍日的空間分布特征來看，平均和最晚晚霜凍日結束最晚的區域還是集中在南部的固原和興仁，其他地區平均晚霜凍日結束日期主要集中在4月下旬中期到末期，而最晚晚霜凍日結束最早的主要區域仍然是用永寧、中寧、同心等地。總體來看，寧夏枸杞春霜凍防御的重點區域應該集中在南部地區，而被譽為“中國枸杞之鄉”的中寧等地，春霜凍影響較輕，對于發展枸杞產業比較有利。

從時間變化來看，57年來枸杞晚霜凍日以2.1 d/10年的速率提前，且階段性變化特征明顯，20世紀70年代到80年代初期晚霜凍結束日期在5月上旬以后，而進入21世紀以來，終霜凍日明顯提前，大都在5月上旬前結束;57年來枸杞春霜凍發生次數呈減少趨勢，氣候傾向率為-2.1次/10年，20世紀90年代前枸杞霜凍發生較多，之后明顯減少，1992年發生了明顯的突變;57年來寧夏枸杞春霜凍發生次數在20世紀90年代之前存在明顯的7年、準4年的周期變化，而從90年代初期以后這種周期性變化不明顯。

寧夏枸杞春霜凍發生次數的第1模態的分布型為主導分布型，即大多數年份內春霜凍發生次數呈現一致性變化特征，一致偏多或一致偏少，且1992年之前呈振蕩變化而之后呈明顯偏少的特征，吳忠、青銅峽及以北大部地區春霜凍發生次數年際變化幅度較大;從第2、第3模態可以看出，寧夏枸杞春霜凍發生次數還呈現南北差異分布，有些年份中衛、中寧以南地區偏多明顯，而以北地區偏少明顯，有些年份正好相反。

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