1961—2017年陜西省初終霜日時空變化特征分析

羅靜 費杜秋

摘要?選用1961年1月1日—2017年12月31日陜西省34個地面氣象觀測站的地面日最低溫度，基于不同基準氣候期，分析陜西省初終霜日時空變化特征。結果表明，陜西省全省初霜日期在1999年發生突變，終霜日期未發生突變;近57年陜西省全省及各分區初霜日期均呈推后趨勢，終霜日期均呈提前趨勢。陜北平均初霜日期和終霜日期推后和提前趨勢最顯著，其中陜北的靖邊推后趨勢和提前趨勢分別達3.0和4.0 d/10 a;近57年陜西省各地初霜日期和終霜日期由北到南呈顯著的帶狀分布。初霜日期出現最早和終霜日期出現最遲的均是吳旗—靖邊—橫山—榆林—神木一線，初霜日期出現最遲和終霜日期出現最早的均是陜南中部地區、關中太白地區、漢中寧強地區。

關鍵詞?初終霜日;時空變化特征;陜西省

中圖分類號?P467文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）20-0228-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.062

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Temporal and Spatial Changes of First and Last Frost Day in Shaanxi Province from 1961 to 2017

LUO Jing，FEI Du?qiu?（Qinghai Engineering Consulting Center，Xining，Qinghai 810001）

Abstract?The ground?day minimum temperature data of 34 surface meteorological observatories in Shaanxi Province from January 1，1961 to December 31，2017 were selected.Based on different reference climatic periods，the temporal and spatial variation characteristics of the first and last frost days in Shaanxi Province were analyzed.The results showed that the first frost date in Shaanxi Province was abruptly changed in 1999，and there was no mutation in the last frost date.The first frost date of the province and all districts in Shaanxi Province showed a post?pushing trend，and the last frost date both were in an early trend.The average first frost date and last frost date in northern Shaanxi were the most significant.Among them，the post?pushing trend and the advance trend of Jingbian in northern Shaanxi reached 3.0 and 4.0 d/10 a respectively.Nearly 57 years，the first frost date and the last frost date of Shaanxi Province showed a significant band distribution from north to south.The earliest date of the first frost and the latest date of the late frost were the Wuqi?Jingbian?HengshanYulin?Shenmu line.The latest date of the first frost date and the earliest date of last frost date were the central part of southern Shaanxi，Guanzhong Taibai area and Hanzhong Ningqiang area.

Key words?First and last frost date;Temporal and spatial changes;Shaanxi Province

近年來，中緯度地區氣候暖干化是全球氣候變化最顯著的特征，是備受矚目的全球熱點環境問題之一[1-2]。IPCC第五次評估報告指出，全球地表持續升溫，1880—2012年全球平均溫度已升溫0.85 ℃，其中區域間升溫幅度在0.65～1.06 ℃[3]。現在以溫度升高為主要特征的氣候變化以及并將繼續對自然生態系統和人類社會經濟產生重大影響，越來越引起社會和公眾的關注。

霜凍作為一種用溫度來表征的農業氣象災害，與溫度變化緊密聯系[4]。初霜常使晚熟的大田作物莖葉提前凋萎，籽粒成熟不飽滿或品質變壞，甚至不能成熟。終霜常使大田作物不能正常生長發育，對作物的苗期影響極大。作為衡量溫度變化的重要指標，分析初、終霜日期時空變化趨勢有利于減少極端低溫對農業生產帶來的危害，也有利于因地制宜地選擇作物品種、及時調整種植制度等。目前已有較多研究在初、終霜日出現早晚、無霜期長短等方面取得重要進展[5-9]。周曉宇等[5]利用東北地區1961—2014年日最低氣溫及平均氣溫資料，分析了其近54年初霜日、終霜日及無霜期的氣候變化特征。陳少勇等[7]利用中國西北地區135個測站1961—2009年逐日地面最低氣溫和NCEP/NCAR資料，采用線性趨勢分析、Mann-Kendall、子波分析、功率譜分析和合成分析等方法，分析了近49年中國西北地區初霜凍的氣候變化特征。馬尚謙等[9]基于淮河流域 1960—2015年61個氣象站點地面 0cm 日最低氣溫資料，采用線性傾向估計、反距離加權、Mann-Kendall 突變檢驗、滑動T檢驗方法，分析近 56年淮河流域初霜日、終霜日和無霜期的時空變化特征及突變年份。

目前，針對陜西省的霜凍研究主要集中在果區霜凍風險區劃方面[10-11]，將初、終霜日與無霜期的變化結合起來分析三者的變化趨勢及突變的研究尚未開展。陜西省地處中國南北氣候過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，是氣候變化的脆弱區與敏感區，同時該地區也是中國冬小麥、蘋果、獼猴桃、水蜜桃等的主產區，而霜凍災害是對其威脅最大的氣象災害。基于此，該研究以地面 0 cm 日最低溫度作為基礎數據，參照《作物霜凍害等級》標準和中國科學技術藍皮書第5號《氣候》[12]，基于不同基準氣候期和不同年代，探索陜西省初、終霜日、無霜期的變化規律，旨在通過系統分析該區域近57年來的霜日變化特征，為合理利用農業氣候資源和有效防御霜凍提供一定的科學依據。

1?資料與方法

1.1?研究區概況

陜西省位于中國西北部，地處31°42′～39°35′N、105°29′～111°15′E（圖1）。境內山塬起伏，河川縱橫，南北長，東西窄。以北山和秦嶺為界，全省分為陜北高原、關中平原和陜南山地三大地貌區[13]，其中陜北高原面積最大，約占全省總面積的40%。遠離水汽源地的特殊地理位置，使其形成顯著的大陸性季風氣候。全省年平均降水量約653 mm，年平均氣溫約11.6℃，極端最高氣溫45.2 ℃，極端最低氣溫-20.6 ℃。蒸發量北大南小，年平均水面蒸發量1 200～2 100 mm，無霜期218 d左右。河川年平均徑流量420.2×108 m3。全省耕地總面積480萬hm2，林地963萬hm2，草地318萬hm2。種植的農作物主要有小麥、玉米、大豆、水稻，經濟作物主要有獼猴桃、蘋果、蔬菜等。

1.2?資料選取?選用1961年1月1日—2017年12月31日陜西省34個地面氣象觀測站的地面日最低溫度，數據來自中國國家氣象局氣象信息中心的中國地面氣候資料日值數據 V3.0[14]。其中，10個臺站位于陜北高原，11個臺站位于關中平原，13個臺站位于陜南山地。所有數據經過嚴格的質量控制，主要包括極值控制、缺測站點時間一致性檢驗[2]。對個別臺站的缺測數據進行插補處理，主要采用的是均值替換法。首先對于明顯錯誤數據進行檢測，確定錯誤數據或者斷點，剔除或用多年平均值取代錯誤或斷點數據。經過訂正處理后的34個臺站資料具有較好的連續性。

1.3?霜日指標計算

霜凍是指在春秋轉換季節土壤表面和植物表面溫度下降到（0 ℃以下）足以使植物遭受傷害甚至死亡的一種農業氣象災害[15]。根據韓榮青等[6]的分析，北方地區初霜日期基本在 8 月 1 日后，因此，以 8 月 1 日作為統計起始點，將 8 月 1 日定義為 ?用日序表示初、終霜日。初霜日期為 8 月 1 日以后第一次出現地面0 cm 日最低溫度≤0 ℃的日期，終霜日期為 5 月 31日之前最后一次出現地面0 cm日最低溫度≤0 ℃的日期，無霜期為一年中終霜日至初霜日之間的日數。

1.4?M-K突變檢驗

Mann-Kendall檢驗方法是一種廣泛應用于徑流、降水、氣溫、水文序列等趨勢分析和顯著性檢驗的非參數統計檢驗方法[16-17]，其優點是既不需要時序遵循特定分布，也不受少數異常值的干擾[18]，而且可以明確突變開始的時間和突變區域[19-20]。

對于n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列：

Sk=ki=1ri?（k=2，3，…，n）（1）

ri=1xj>xi0xj≤xi?（i=1，2，…，j） （2）

式中，秩序列Sk是第j時刻數值大于i時刻數值個數的累計數ri的累計值。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

UFk=[Sk-E（Sk）]/Var（Sk）?（k=1，2，…，n） （3）

式中，UF1=0;E（Sk）、Var（Sk）分別是累計值Sk的均值和方差。在x?x2，…，xn相互獨立且具有相同連續分布時，它們可由下式算出：

E（Sk）=n（n-1）4

Var（Sk）=n（n-1）（2n+5）72?（k=1，2，…，n）（4）

對時間序列x=（x?x2，…，xn），當n增加時（n>10），UFk很快收斂于標準正態分布。當原假設為該序列無趨勢時，一般采用雙邊趨勢檢驗，給定顯著性水平α，在正態分布表中查出臨界值Uα/2，若|UFk︱Uα/2，拒絕原假設，認為趨勢顯著。

按時間序列x逆序xn，xn-?…，x?再重復上述過程，計算UBk，讓UBk =-UFk （k=n，n-?…，1），UB1=0。若UFk或UBk的值大于0，表明序列呈上升趨勢，反之序列呈下降趨勢。當UFk或UBk的值超過臨界值時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。若UFk或UBk 2條曲線出現交點，并且交點在臨界線之間，則交點對應的時刻便是突變開始的時間。

2?結果與分析

2.1?陜西省初霜日時空變化特征

2.1.1?初霜日突變檢測。

由Mann-Kendall突變檢驗以及滑動T檢驗對初霜日期進行的突變分析如圖2和圖3所示。陜西省全省初霜日期UF和UB曲線相交于1999、2001、2003年（r=0.05）（圖2a），而根據圖 3a 可知，陜西省全省初霜日期自1971年以來可能存在突變點的年份為 1998、1999年;綜合分析認定，陜西省全省初霜日期在1999年發生突變。陜北地區初霜日期UF和UB曲線相交于2000年（r=0.05）（圖2b），而根據圖 3b 可知，陜北地區初霜日期自1971年以來可能存在突變點的年份為 1998、1999、2000、2001、2003、2005年;綜合分析認定，陜北地區初霜日期在2000年發生突變。關中地區初霜日期UF和UB曲線相交于2001、2003年（r=0.05）（圖2c），而根據圖 3c 可知，關中地區初霜日期自1971年以來不存在可能的突變點年份;綜合分析認定，關中地區初霜日期未發生突變。陜南地區初霜日期UF和UB曲線相交于2004年（r=0.05）（圖2d），而根據圖 3d 可知，陜南地區初霜日期自1971年以來可能存在突變點的年份為 1998、2002、2003、2004年;綜合分析認定，陜南地區初霜日期在2004年發生突變。

2.1.2?初霜日時間變化特征。

由陜西省全省及各分區1961—2017年初霜日期的年際及年代際變化特征（圖4）可知，總體來看，近57年陜西省全省及各分區初霜日期均呈推后趨勢，陜北平均初霜日期最早且推后趨勢最顯著。1981年陜西省全省及關中、陜南地區初霜日期均歷史最早。近57年陜西省全省初霜日期以1.8 d/10 a的速率呈顯著推后趨勢;全省平均初霜日期最早的發生在1981年10月10日，最遲的發生在2006年11月10日;從年代際上來看，1961—2000年全省初霜日期基本持平，2000年之后呈快速推后狀態（圖4a）。陜北地區初霜日期以1.9 d/10 a的速率呈顯著推后趨勢;陜北地區終霜日期最早的發生在1972年9月22日，最遲的發生在2006年10月24日;從年代際上來看，1961—2000年陜北地區初霜日期基本維持在10月3—6日，2000年之后呈快速推后狀態，初霜日期推后至10月14日（圖4b）。關中地區這初霜日期以1.7 d/10 a的速率呈推后趨勢;關中地區初霜日期最早的發生在1981年10月8日，最遲的發生在1975年11月10日;從年代際上來看，關中地區初霜日期變化特征與陜北地區基本一致，1961—2000年關中地區初霜日期基本維持在10月22—25日，2000年之后呈快速推后狀態，初霜日期推后至11月3日（圖4c）。陜南地區初霜日期以1.7 d/10 a的速率呈推后趨勢;陜南地區初霜日期最早的發生在1981年10月18日，最遲的發生在2011年12月1日;從年代際上來看，1961—2000年陜南地區初霜日期基本維持在11月6—10日，2000年之后呈快速推后狀態，初霜日期推后至11月16日（圖4d）。

2.1.3?初霜日空間變化特征。從陜西省初霜日期空間分布（圖5a）可以看出，近57年陜西省各地初霜日期由北到南呈顯著帶狀分布特征。初霜日期出現最早的主要是陜北地區，其中吳旗—靖邊—橫山—榆林—神木一線的初霜日期在9月29日—10月9日，延安中東部地區、陜南的留壩地區初霜日期在10月9—19日;初霜日期出現最遲的主要是陜南地區，其中陜南中部地區、關中的太白地區、漢中的寧強地區初霜日期在11月9—29日，比最早出現初霜日期晚了將近60 d;省內其余地區的初霜日期在10月19日—11月9日。

從陜西省初霜日期年變化率（圖5b）可以看出，近57年陜西省除石泉地區外，全省各地初霜日期均呈推后趨勢。推后趨勢最顯著的是陜北的靖邊和陜南的鎮安地區，推后趨勢達3.0 d/10 a以上，此外陜北西北部地區、陜南中部地區、關中東部地區的推后趨勢也達2.0 d/10 a以上。推后趨勢最不顯著的是陜北的綏德、關中的耀縣、陜南的寧強地區，推后趨勢不足1.0 d/10 a。省內其余地區的推后趨勢基本在1.0～2.0 d/10 a。

2.2?陜西省終霜日時空變化特征

2.2.1?終霜日突變檢測。

由Mann-Kendall突變檢驗以及滑動T檢驗對終霜日期進行的突變分析如圖6和圖7所示。陜西省全省終霜日期UF和UB曲線相交于2006年（r=0.05）（圖6a），而根據圖 7a 可知，陜西省全省終霜日期自1971年以來，可能存在突變點的年份為 1979、1980、1983、1996年;綜合分析認定，陜西省全省終霜日期未發生突變。陜北地區終霜日期UF和UB曲線相交于2004年（r=0.05）（圖6b），而根據圖 7b 可知，陜北地區終霜日期自1971年以來可能存在突變點的年份為 1980—1984、1997、2000—2002、2004、2008年;綜合分析認定，陜北地區全省終霜日期在2004年發生突變。關中地區終霜日期UF和UB曲線相交于2000年（r=0.05）（圖6c），而根據圖 7c 可知，關中地區終霜日期自1971年以來可能存在突變點的年份為 1996年;綜合分析認定，關中地區終霜日期未發生突變。陜南地區終霜日期UF和UB曲線相交于1996、1998年（r=0.05）（圖6d），而根據圖 7d 可知，陜南地區終霜日期自1971年以來不存在可能的突變點年份;綜合分析認定，陜南地區全省終霜日期未突變。

2.2.2?終霜日時間變化特征。由1961—2017年陜西省全省及各分區終霜日期的年際及年代際變化特征（圖8）可知，總體來看，近57年陜西省全省及各分區終霜日期均呈提前趨勢，陜北終霜日期最遲且提前趨勢最顯著，關中次之。1961年陜西省全省及關中、陜南地區終霜日期均歷史最遲。近57年陜西省全省終霜日期以2.2 d/10 a的速率呈顯著提早趨勢;全省平均終霜日期最遲的發生在1961年4月28日，最早的發生在2008年3月29日;從年代際上來看，1961—2000年全省終霜日期基本持平，2000年之后呈快速提早狀態。陜北地區終霜日期以2.5 d/10 a的速率呈顯著提早趨勢;陜北地區終霜日期最遲的發生在1967年5月18日，最早的發生在2010年4月17日;從年代際上來看，除20世紀60年代外，整體上呈階梯狀分布，20世紀70年代比80、90年代遲8 d左右，20世紀80、90年代比2000年以后遲8 d左右。關中地區終霜日期以2.2 d/10 a的速率呈顯著提早趨勢;關中地區終霜日期最遲的發生在1961年4月27日，最早的發生在2013年3月22日;從年代際上來看，除20世紀60年代外，整體上呈階梯狀分布，20世紀70、80年代比90年代遲4 d左右， 20世紀90年代比2000年以后遲4 d左右。陜南地區終霜日期以1.9 d/10 a的速率呈提早趨勢;陜南地區終霜日期最遲的發生在1961年4月11日，最早的發生在1996年3月6日;從年代際上來看，整體上呈階梯狀分布，20世紀60年代比70、80、90年代遲5 d左右， 20世紀90年代比2000年以后遲5 d左右。

2.2.3?終霜日空間變化特征。

從陜西省終霜日期空間分布（圖9a）可以看出，近57年陜西省各地終霜日期與初霜日期分布特征一致，由北到南呈顯著帶狀分布特征。終霜日期出現最遲的主要是陜北地區，其中吳旗—靖邊—橫山—榆林一線的終霜日期在5月3—13日，延安地區、榆林東部地區、陜南的留壩地區終霜日期在4月23日—5月3日。終霜日期出現最早的主要是陜南地區，終霜日期基本在4月3日以前，其中陜南中部地區、關中太白地區、漢中寧強地區終霜日期在3月14—24日，比最遲出現終霜日期晚了近30 d。省內其余地區的終霜日期在4月3—23日。

從陜西省終霜日期年變化率（圖9b）可以看出，近57年陜西省全省各地終霜日期均呈提前趨勢。提前趨勢最顯著的是陜北的靖邊和陜南的石泉地區，提前趨勢達4.0 d/10 a以上，此外榆林中部地區、陜南鎮安地區、關中的長武、武功、蒲城地區的提前趨勢也達3.0 d/10 a以上。提前趨勢最不顯著的是陜北的定邊和吳旗、關中的咸陽地區、陜南的漢中、商州、鎮坪地區，提前趨勢不足1.0 d/10 a。省內其余地區的提前趨勢基本在1.0～3.0 d/10 a。

3?結論

（1）近57年陜西省全省初霜日期在1999年發生突變。其中，陜北地區和陜南地區初霜日期分別在2000和2004年發生突變，關中地區初霜日期未發生突變。陜西省全省、關中地區和陜南地區終霜日期均未發生突變，但陜北地區終霜日期在2004年發生突變。

（2）近57年陜西省全省及各分區初霜日期均呈推后趨勢，陜北平均初霜日期最早且推后趨勢最顯著。其中，陜西省全省初霜日期以1.8 d/10 a的速率呈顯著推后趨勢，陜北地區、關中地區和陜南地區初霜日期分別以1.9、1.7和1.7 d/10 a的速率呈推后趨勢，推后趨勢最顯著的是陜北的靖邊和陜南的鎮安地區，推后趨勢達3.0 d/10 a以上。近57年陜西省全省及各分區終霜日期均呈提前趨勢，陜北終霜日期最遲且提前趨勢最顯著。其中，陜西省全省終霜日期以2.2 d/10 a的速率呈顯著提早趨勢，陜北地區、關中地區和陜南地區終霜日期分別以2.5、2.2和1.9 d/10 a的速率呈提早趨勢，提前趨勢最顯著的是陜北的靖邊和陜南的石泉地區，提前趨勢達4.0 d/10 a以上。

（3）近57年陜西省各地初霜日期由北到南呈顯著帶狀分布特征。初霜日期出現最早的是吳旗—靖邊—橫山—榆林—神木一線，出現最遲的是陜南中部地區、關中太白地區、漢中寧強地區，比最早出現初霜日期晚了近60 d。陜西省各地終霜日期與初霜日期分布特征一致，由北到南呈顯著帶狀分布特征。終霜日期出現最遲的是吳旗—靖邊—橫山—榆林一線，出現最早的是陜南中部地區、關中太白地區、漢中寧強地區，比最遲出現終霜日期晚了近45 d。

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