近50 a 哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)變化特征

譚雪玥，譚玉龍，郭 令

(1.通河縣氣象局，黑龍江 通河 150900;2.虎林市氣象局，黑龍江 虎林 154300)

1 引言

近些年，全球氣候變暖問(wèn)題加劇，導(dǎo)致極端性天氣出現(xiàn)頻次增加， 使得黑龍江省夏季低溫事件頻繁發(fā)生， 給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生產(chǎn)生活造成的影響日漸增大。 低溫冷害是指農(nóng)作物在生育期間，遭受低于其生長(zhǎng)發(fā)育所需的環(huán)境溫度， 引起農(nóng)作物生育期延遲，或使其生殖器官的生理機(jī)能受到損害，從而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)的一種自然災(zāi)害[1]。 黑龍江省是中國(guó)最大的糧食基地之一， 也是中國(guó)熱量資源最小的省份之一。 影響黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要自然災(zāi)害是夏季低溫冷害，如夏季持續(xù)低溫，則會(huì)造成大范圍糧食減產(chǎn)，最大減產(chǎn)量可達(dá)15%-20%。 松嫩平原和三江平原是黑龍江省農(nóng)區(qū)的主要集中區(qū)域， 哈爾濱市位于兩個(gè)平原的中南部，對(duì)于研究具有較強(qiáng)代表性[2]，因此，在全球氣候變暖的大背景下，研究哈爾濱地區(qū)近50 a 夏季低溫指數(shù)變化規(guī)律及變化周期， 對(duì)其與氣溫變化的相關(guān)性研究， 對(duì)于充分利用氣候資源調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要， 從而為預(yù)防夏季低溫冷害和科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與研究方法

選取哈爾濱地區(qū)1971-2020年阿城、 賓縣、通河、五常等12個(gè)氣象觀測(cè)站的夏季（6-8月）逐日最低氣溫和日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)資料。 低溫指數(shù)[3]定義為將一年中（或某一時(shí)段）至少5 d 最低溫度低于多年日最低溫度平均值5 ℃的總?cè)諗?shù)。 假定Tij為第j年第i天的日最低氣溫，Ti平均為第 i 天 1971-2020年日最低溫度平均值，則低溫指數(shù)為某段時(shí)間至少5 d 的Tij＜Ti平均-5 ℃的總?cè)諗?shù)。本文使用的主要方法有：氣候傾向率法、Mann-Kendall 檢驗(yàn)法、小波分析法和相關(guān)分析法。

2.1 氣候傾向率法[4]

氣候傾向率采用下式進(jìn)行估計(jì)：y=a+bx，x=1，2，…，n

式中，x 為時(shí)間，y 為氣象要素，a 為線性趨勢(shì)，以a×10 作為氣候傾向率，單位為℃/10 a。 當(dāng) a 為正時(shí)，表示序列隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，反之則為下降趨勢(shì)。

2.2 Mann-Kendall 檢驗(yàn)[5]

Mann-Kendall 檢驗(yàn)全稱為 Mann-Kendall 非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，在時(shí)間序列分析趨勢(shì)當(dāng)中，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，不需要數(shù)據(jù)呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，在長(zhǎng)期氣象數(shù)據(jù)資料的觀測(cè)背景下， 針對(duì)氣候變化趨勢(shì)所進(jìn)行分析。

2.3 小波分析法[6]

小波分析（也叫小波變換）是一種時(shí)間和頻率的局部變換方法， 該方法是通過(guò)平移和伸縮等運(yùn)算功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析， 最終獲取有效的信息，基于該理論，小波分析在氣象及水文等時(shí)間序列的周期變換規(guī)律方面得到廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)果分析

3.1 夏季低溫指數(shù)的年際變化

由圖 1 可知， 哈爾濱地區(qū)1971-2020年夏季平均低溫指數(shù)呈下降趨勢(shì)，變化速率為1.256 d/10a，趨勢(shì)系數(shù)為 0.482，通過(guò)了 0.05 顯著性檢驗(yàn)。 50 a 夏季平均低溫指數(shù)為2.5 d，1976年夏季平均低溫指數(shù)為17.3 d，是 1971年以來(lái)最嚴(yán)重的低溫冷夏年，2002年夏季平均低溫指數(shù)為0.4 d，為最低值，最值相差17 d左右。根據(jù)累積距平法分析得出，1983年前后哈爾濱地區(qū)夏季平均低溫指數(shù)發(fā)生了顯著的突變。

圖1 哈爾濱1971-2020年夏季低溫指數(shù)年際變化特征

3.2 夏季低溫指數(shù)的年代際變化

見(jiàn)表 1 可知， 哈爾濱地區(qū)20 世紀(jì)70年代夏季平均低溫指數(shù)為 6.3 d，20 世紀(jì) 80年代比 70年代夏季平均低溫指數(shù)減少 3.8 d，20 世紀(jì) 90年代比 80年代夏季平均低溫指數(shù)減少 0.8 d，21 世紀(jì) 00年代比20 世紀(jì) 90年代夏季平均低溫指數(shù)減少 0.6 d，21 世紀(jì)10年代夏季平均低溫指數(shù)為1.1 d。 可以看出，哈爾濱地區(qū)夏季平均低溫指數(shù)年代際變化表現(xiàn)明顯，進(jìn)入21 世紀(jì)00年代以來(lái)， 夏季低溫指數(shù)變化明顯減少。

表1 哈爾濱1971-2020年夏季平均低溫指數(shù)年代際變化

3.3 突變分析

通過(guò)對(duì)哈爾濱地區(qū)夏季平均低溫指數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall分析，1973-1983年夏季平均低溫指數(shù)的UF 曲線和UB 曲線有多個(gè)交點(diǎn)， 結(jié)合Mann-Kendall 檢驗(yàn)的突變規(guī)律可知，突變年份出現(xiàn)在1983年前后，因此，可以初步確定1983年是哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)突變點(diǎn)。在此之后UF 曲線下降趨勢(shì)非常明顯，從1985年到1991年，哈爾濱地區(qū)的夏季低溫指數(shù)在UF 曲線的零線以下經(jīng)歷了下降，然后又回到零線以上， 說(shuō)明哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)經(jīng)歷了減少轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾樱謴脑黾愚D(zhuǎn)變?yōu)闇p少趨勢(shì)。 UF 曲線和UB 曲線分別在1986年和1993年超過(guò)置信度線，上述分析表明， 哈爾濱地區(qū)夏季平均低溫指數(shù)下降趨勢(shì)變化顯著。

3.4 夏季低溫指數(shù)的小波分析

哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)的Morlet 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖中顯示（圖 2），哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)在 20 世紀(jì) 70年代末、20 世紀(jì) 80年代初、20 世紀(jì) 90年代初存在顯著的準(zhǔn)2-4 a 周期，在20 世紀(jì)80年代初存在顯著的準(zhǔn)6 a 周期， 均通過(guò)了0.05 的顯著性檢驗(yàn)。 這與小波方差得出的結(jié)果一致。 21 世紀(jì)00年代以后哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)周期不顯著。

圖2 哈爾濱1971-2020年夏季低溫指數(shù)的小波分析結(jié)果

3.5 夏季低溫指數(shù)與氣溫變化的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究全球氣候變暖對(duì)夏季低溫指數(shù)的影響， 本文利用相關(guān)分析法對(duì)哈爾濱地區(qū)1971-2020年夏季平均低溫指數(shù)和夏季平均氣溫進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，其相關(guān)系數(shù)為 0.519，達(dá)到 0.05 置信度的顯著檢驗(yàn)，由圖3 可知，夏季平均氣溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與夏季平均低溫指數(shù)的變化趨勢(shì)相反， 即夏季平均氣溫每上升 1 ℃，夏季低溫指數(shù)下降 1.1 d。 這說(shuō)明兩者之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 哈爾濱1971-2020年夏季低溫指數(shù)與平均氣溫的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）近50 a 來(lái)，哈爾濱地區(qū)夏季平均低溫指數(shù)呈下降趨勢(shì)， 變化速率為 1.256 d/10a， 趨勢(shì)系數(shù)為0.482， 通過(guò)了 0.05 顯著性檢驗(yàn)，1976年夏季平均低溫指數(shù)為17.3 d， 是1971年以來(lái)最嚴(yán)重的低溫冷夏年，2002年夏季平均低溫指數(shù)為 0.4 d，為最低值。 哈爾濱地區(qū)夏季平均低溫指數(shù)年代際變化表現(xiàn)明顯，進(jìn)入21 世紀(jì)00年代以來(lái)， 夏季低溫指數(shù)變化明顯減少。 夏季低溫指數(shù)變化與氣溫變化之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）經(jīng)Mann-Kendall 檢驗(yàn)可知，哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)在1983年前后發(fā)生了顯著的突變。

（3）由小波分析可知，哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)在 20 世紀(jì) 70年代末、20 世紀(jì) 80年代初、20 世紀(jì) 90年代初存在顯著的準(zhǔn)2-4 a 周期，在20 世紀(jì)80年代初存在顯著的準(zhǔn)6 a 周期， 均通過(guò)了0.05 的顯著性檢驗(yàn)。 這與小波方差得出的結(jié)果一致。 21 世紀(jì)00年代以后哈爾濱地區(qū)夏季低溫指數(shù)周期不顯著。