魯中地區初霜日、終霜日及無霜期變化特征分析

丁善文 王峰

摘要：利用魯中地區及周邊國家氣象站資料，采用線性趨勢、Mann-Kendall突變檢測、滑動T檢驗、Pearson相關分析、ArcGIS空間插值等方法，對魯中地區初霜日、終霜日及無霜期的時空變化特征及其與氣候因子、地理因子的相關關系進行分析。結果表明，魯中地區初霜日呈顯著推遲、終霜日呈顯著提前、無霜期呈顯著延長的趨勢，初霜日、終霜日及無霜期突變年份分別為2003、1996、2003年。初霜日、終霜日及無霜期與氣溫相關性較好。初霜日、終霜日及無霜期空間分布不均勻，中部山區初霜日出現較早，向東西兩側依次逐漸推遲;終霜日最早出現在西北部，中部及昌邑-濰坊-安丘一帶終霜期出現較晚，最晚為萊蕪、臨朐、濰坊一帶;無霜期最長出現在西北部，最短出現在中部及南部山區。初霜日、終霜日分別與海拔高度和經度呈正相關，并達到極顯著水平，無霜期與海拔高度呈負相關，受海拔高度的影響達顯著水平。

關鍵詞：初霜日;終霜日;無霜期;變化特征;魯中地區

中圖分類號：P467 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）06-0073-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.06.014 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The variation characteristics analysis of the initial frost day，

final frost day and frost-free period in Luzhong area

DING Shan-wen1，WANG Feng2

（1.Tai'an Meteorological Bureau，Tai'an 271000，Shandong，China;2.Binzhou Meteorological Bureau， Binzhou 256600，Shandong，China）

Abstract： In order to better grasp the impact of frost-free period on agricultural production in Luzhong area and improve the prediction of frost， making full use of national meteorological stations in Luzhong area to use linear trend estimation method， Mann-Kendall mutation analysis， T Sliding， ArcGIS spatial interpolation and other methods analyze the temporal and spatial variation characteristics of frost， the first day and the frost-free period and their relationship with climatic factors and geographical factors in Luzhong area. The results showed that the first frost day was significantly delayed， the final frost day was significantly advanced and the frost-free period was significantly extended in the Luzhong area. The years of mutation were 2003 and 1996 and 2003， respectively. The initial frost day and final frost day and frost-free period were closely related to temperature. The distribution of initial frost day and final frost day and frost-free period was uneven. The first frost days appeared earlier in the central mountainous areas， and gradually delayed from the east and west to the sides. The final frost day first appeared in the northwest. Later was the central and Changyi-Weifang-Anqiu area and the latest was Laiwu， Linqu， Weifang area. The frost-free period was the longest in the northwest， and the shortest appeared in the central and southern mountains. The initial frost day and the final frost day were positively correlated with altitude and longitude and respectively reached a very significant level. The frost-free period was negatively correlated with altitude， and reached a significant level with the influence of altitude.

Key words： initial frost day; final frost day; frost-free period; variation characteristics; Luzhong area

霜凍是春、秋轉換季節中土壤表面或植物表面的溫度降至0 ℃以下而造成作物受害的現象。農業氣象學中無霜期是指地面最低溫度大于0 ℃的初終日期的天數[1]，是一個地區的熱量資源豐歉程度的一個指標，也是安排農業生產和農業結構調整的一項很重要的指標。近100年來氣候變暖已是事實，1880—2012年全球平均地表溫度遠高于第四次評估報告的0.74 ℃，國內地表溫度的增長趨勢超過全球同期平均水平（0.13 ℃/10年）[2]，氣候的變暖影響了霜期的變化，多年來國內外學者對霜期及初終日的變化特征進行了大量研究[3-18]，研究表明，初終霜日及無霜期的變化與逐日平均氣溫和日最低氣溫有較大的關系，霜期的變化主要與日最低氣溫和0 cm最低地溫的不斷升高有關，自20世紀50年代以來，全國平均無霜期隨緯度增加而減少、隨海拔高度升高而減少。

魯中地區位居山東省中部，包括泰安、萊蕪、濰坊及淄博、濟南部分地區，地形主要有平原和山區，所選臺站位置分布如圖1所示。該區主要種植冬小麥和夏玉米等作物。鮮見有針對該地區的初終霜日及霜期特征變化的研究，基于魯中地區及周邊30個氣象臺站1980—2017年氣象資料對該地區初、終霜日及無霜期時空變化特征進行研究，以期為合理安排作物布局、調整種植制度及制定對策提供科學依據，為魯中地區霜凍災害的預報及有效防御霜凍災害提供參考。

1 ?資料與方法

1.1 ?數據來源

氣象數據來源于魯中地區及周邊30個國家地面氣象站，通過嚴格的質量控制。地理數據采用1∶25萬山東省DEM資料。

1.2 ?方法

根據農業氣象學，本研究以日最低地溫≤0 ℃作為霜凍初終日期的指標，初霜日期是指每年秋冬季第一次日最低地溫≤0 ℃的日期，終霜日期是指春季最后一次日最低地溫≤0 ℃的日期，無霜期是指本年度初霜日與上一年度終霜日之間的日數。

利用線性趨勢估計、Mann-Kendall突變檢測、T滑動檢驗對初、終霜日及無霜期進行時間變化特征分析，利用Pearson相關和一元線性回歸對初、終霜日、無霜期與氣候因子、地理因子的相關關系進行分析，基于ArcGIS軟件，利用空間插值、自然分類等方法，分析魯中地區初霜日、終霜日及無霜期空間變化特征。

2 ?結果與分析

2.1 ?時間變化特征

2.1.1 ?趨勢分析

1）年際變化特征。利用線性回歸法對魯中地區初霜日、終霜日及無霜期進行分析，其年際變化特征見圖2。魯中地區初霜日顯著推遲，每10年推遲3.4 d，終霜日顯著提前，每10年提前3.8 d，無霜期顯著增長，每10年增長7.2 d。初霜日、終霜日、無霜期氣候傾向率分別為3.4 d/10年（r=0.63，P<0.001）、3.8 d/10 a（r=0.56，P<0.001）、7.2 d/10年（r=0.70，P<0.001），三者均達到極顯著水平。初霜日平均出現日期為10月29日，最早為10月17日（1981年），單站最早為10月10日，最晚初霜日出現在11月8日（2008年），單站最晚初霜日出現在11月15日;終霜日平均日期為4月11日，終霜日最早出現在3月26日（2014年），單站最早初霜日出現在3月14日，最晚出現在4月24日（1987年），單站最晚終霜日為5月10日;無霜期平均最短183 d（1988年），單站最短166 d，無霜期平均最長222 d（2008年），單站最長245 d。

2）年代季變化特征。初霜日在20世紀80年代出現日期最早，平均日期為10月24日，20世紀90年代平均日期為10月28日，21世紀初平均日期為11月1日，2011—2017年平均日期為11月2日;終霜日在20世紀80年代出現最晚，平均日期為4月16日，20世紀90年代平均日期為4月13日，21世紀初平均日期為4月9日，2011—2017年平均日期為4月5日;無霜期在20世紀80年代最短，平均192 d，20世紀90年平均197 d，2001—2010年平均無霜期增長到207 d，2011—2017年為211 d，近37年魯中地區無霜期平均增長了19 d。

將魯中地區初霜日、終霜日及無霜期分別與3—5、9—11各月平均氣溫、春季及秋季和年平均氣溫進行相關分析，結果如表1所示。初霜日與9—11月各月平均氣溫、秋季及年平均氣溫均呈正相關，與10、11月及秋季平均氣溫相關性達到極顯著水平，與年平均氣溫相關性達到顯著水平;終霜日與3—5月各月平均氣溫、春季及年平均氣溫均呈負相關，其相關性均達到極顯著水平;無霜期主要與春、秋季及年平均氣溫，以及3—5、9—11月各月平均氣溫均呈正相關，且與3—5月各月、10月、春季、秋季及年平均氣溫的相關性達到極顯著水平。

2.1.2 ?突變分析 ?利用Mann-Kendall突變分析法對魯中地區初霜日、終霜日及無霜期進行突變分析（圖3）。20世紀80年代初霜日呈波動狀態，并稍有提前的趨勢，自20世紀90年代開始初霜日呈推遲趨勢，2006年前后UF曲線超過臨界線（U0.05=±1.96），推遲趨勢達到顯著水平，在2003年前后UF和UB曲線在兩臨界線之間相交，說明2003年前后魯中地區初霜日發生了突變（圖3a）;終霜日在20世紀80年代先提前后延遲，20世紀80年代末到90年代中期呈波動狀態，之后終霜日提前速度增加，2001年前后UF曲線超過臨界線（U0.05=±1.96），達到顯著水平，2008年達到極顯著水平，UF和UB 曲線在1996年前后相交于兩臨界線之間，發生了突變（圖3b）;無霜期在20世紀80年代為波動下降趨勢，1988年下降趨勢達到了顯著水平，之后無霜期開始增長，2003年后UF曲線超過0.05臨界線，增加趨勢達到顯著水平，UF和UB 曲線在2003年相交于兩臨界線之間，2003年為突變點，無霜期由2002年的190 d增長為2003年的206 d，突變前后增加了16 d（圖3c）。

利用滑動T檢驗法對突變再次進行分析，對魯中地區初霜日、終霜日及無霜期進行分析，結果如圖4所示，初霜日、終霜日及無霜期分別于2003、1996及2003年發生突變，與Mann-Kendall突變分析相吻合。

2.2 ?空間變化特征（GIS空間分布）

2.2.1 ?初霜日、終霜日及無霜期的空間變化特征 ?魯中地區初霜日、終霜日及無霜期空間分布如圖5所示。魯中地區平均初霜日最早出現在北部的周村（10月25日），向東西兩側依次逐漸推遲;濟南、高密、諸城等地平均初霜日出現較晚，最晚出現在西北部的濟南（11月3日）。最早與最晚相差9 d。

魯中地區平均終霜日最早出現在西北部的濟南（4月4日），其次為長清（4月8日），魯中地區中部及昌邑-濰坊-安丘一帶出現較晚，最晚出現在萊蕪、臨朐、濰坊（4月14日）。最早與最晚相差10 d。

魯中地區平均無霜期以中部山區較短，周圍平原地區較長。最長出現在西北部的濟南（212 d），最短出現在中部及南部山區（193 d）的萊蕪、周村。最長與最短相差19 d。

2.2.2 ?初霜日、終霜日及無霜期與海拔高度、緯度、經度的相關分析 ?將魯中地區初霜日、終霜日及無霜期分別與海拔高度、緯度、經度進行相關分析，結果如表2所示。初霜日與海拔高度、緯度呈負相關，與經度呈正相關，與海拔高度相關性達到極顯著水平，海拔高度越高，初霜日出現越早;終霜日與海拔高度、緯度、經度均呈正相關，與經度相關性達到極顯著水平;無霜期與海拔高度、緯度、經度均呈負相關，無霜期受海拔高度的影響達顯著水平，海拔高度越高，無霜期越短。

3 ?小結

魯中地區初霜日平均出現日期呈顯著推遲趨勢，氣候傾向率為3.3 d/10年（r=0.63，P<0.001）;終霜日呈顯著提前趨勢，氣候傾向率為3.8 d/10年（r=0.56，P<0.001）;無霜期呈顯著延長的趨勢，氣候傾向率為7.2 d/10年（r=0.70，P<0.001）。初霜日與10、11月、秋季及年平均氣溫均呈顯著正相關;終霜日與3—5月各月、春季及年平均氣溫均呈極顯著負相關;無霜期與3—5月各月、10月、春、秋季及年平均氣溫呈極顯著正相關。

魯中地區初霜日在20世紀80年代為波動稍提前的趨勢，之后初霜日呈推遲趨勢，2006年前后推遲趨勢達到顯著水平（U0.05=±1.96），在2003年發生突變;終霜日在20世紀80年代先提前后延遲，20世紀80年代末到90年代中期為波動緩慢提前，之后終霜日推遲速度增加，到2001年達到顯著水平，2008年達到極顯著水平，突變年份為1996年前后;無霜期在20世紀80年代為波動下降趨勢，1988年下降到最低，達到了顯著水平，之后無霜期開始增長，2003年前后發生突變，2003年后增長趨勢達到顯著水平（U0.05=±1.96）。

魯中地區平均初霜日、終霜日及無霜期空間分布不均勻。平均初霜日最早出現在周村，其次為章丘、萊蕪、沂源等中部山區，向東西兩側依次逐漸推遲，最晚出現在濟南;平均終霜日最早出現在西北部的濟南，其次為長清，魯中地區中部及昌邑-濰坊-安丘一帶較晚，最晚出現在萊蕪、臨朐、濰坊;平均無霜期最長出現在西北部的濟南，最短出現在萊蕪、周村。

魯中地區初霜日與海拔高度、緯度呈負相關，與經度呈正相關，與海拔高度相關性達到極顯著水平;終霜日與海拔高度、緯度、經度均呈正相關，與經度達到了極顯著水平;無霜期與海拔高度、緯度、經度均呈負相關，無霜期受海拔高度的影響達顯著水平，海拔高度越高，無霜期越短。

參考文獻：

[1] 段若溪，姜會飛.農業氣象學[M].北京：氣象出版社，2002.

[2] 沈永平，王國亞.IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點[J].冰川凍土，2013，35（5）：1068-1076.

[3] MEEHL G A，TEBALDI C，NYCHKA D. Changes in frost days in simulations of twentyfirst century climate[J].Climate dynamics，2004，23（5）：495-511.

[4] 王國復，許 ?艷，朱燕君，等.近50年我國霜期的時空分布及變化趨勢分析[J].氣象，2009，35（7）：61-67.

[5] 寧曉菊，張麗君，楊群濤，等.1951年以來中國無霜期的變化趨勢[J].地理學報，2015，70（11）：1811-1822.

[6] 李瑞英，任崇勇，張 ?婷.1961-2015年魯西南地區熱量資源時空變化特征[J].氣象與環境學報，2018，34（4）：92-97.

[7] 胡 ?琦，潘學標，張 ?丹，等.東北地區不同時間尺度下氣溫和無霜期的變化特征[J].中國農業氣象，2015，36（1）：1-8.

[8] 馮喜媛，王 ?寧，劉 ?實.1961-2014年東北三省熱量資源變化特征[J].氣象與環境學報，2018，34（1）：91-98.

[9] 姬興杰，李鳳秀，王紀軍.1971—2010年河南省霜期的時空分布特征及其對氣溫的響應[J].氣象與環境學報，2015，31（1）：67-75.

[10] 蔣菊芳，王鶴齡，劉明春，等.武威市霜凍變化特征及其對農作物的影響[J].中國農學通報，2017，33（31）：87-91.

[11] 潘淑坤，張明軍，汪寶龍，等.1960—2011年新疆初終霜日及無霜期的變化特征[J].干旱區研究，2013，30（4）：735-742.

[12] 鄭玉萍，宮恒瑞，曹 ?興，等.近53a烏魯木齊農區霜凍變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：52-57.

[13] 祁如英，李應業，汪青春.青海近30年來霜對氣溫、降水變化的響應[J].氣候與環境研究，2011，16（3）：347-352.

[14] 錢錦霞，張 ?霞，張建新，等.近40年山西省初終霜日的變化特征[J].地理學報，2010，65（7）：801-808.

[15] 任景全，郭春明，王麗偉，等.1961—2015年吉林省霜時空分布特征及其影響因素[J].氣象與環境學報，2018，34（4）：119-125.

[16] 高 ?明，賈海燕，裴 ?真，等.臨汾市近58年初、終霜日和無霜期變化趨勢分析[J].中國農學通報，2014，30（5）：272-275.

[17] 杜 ?莉，趙桂香，楊利敏.近40年重慶市霜凍變化特征分析[J].中國農學通報，2014，30（17）：279-283.

[18] 杜 ?軍，石 ?磊，袁 ?雷.近50年西藏主要農區霜凍指標的變化特征[J].中國農業氣象，2013，34（3）：264-271.