河套地區(qū)春霜凍期日最低氣溫和霜凍日數(shù)時(shí)空變化特征

張舒昊

(巴彥淖爾市氣象局，內(nèi)蒙古 臨河 015000)

霜凍是常見的農(nóng)業(yè)災(zāi)害之一，多發(fā)生在每年的春、秋兩個(gè)季節(jié)，春末或秋初由于冷空氣入侵，造成植物細(xì)胞脫水而枯萎死亡的短時(shí)間低溫災(zāi)害[1]。在全球氣候變暖的背景下，河套地區(qū)出現(xiàn)霜凍的時(shí)間分布、空間分布和霜凍危害特點(diǎn)發(fā)生了變化，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生較大影響。研究表明，河套地區(qū)秋霜凍日期推后，春霜凍日期提前，無(wú)霜期逐步延長(zhǎng)[3-5]。河套地區(qū)是國(guó)家和內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的糧油生產(chǎn)基地，全市現(xiàn)有耕地1100多萬(wàn)畝，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)全市尤為重要。

本文利用河套地區(qū)國(guó)家氣象站日最低氣溫資料，根據(jù)霜凍日定義標(biāo)準(zhǔn)對(duì)春霜凍期內(nèi)霜凍日進(jìn)行判定，并采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、一元線性回歸等方法，揭示春霜凍期日最低氣溫和霜凍日數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律，有助于深入了解河套地區(qū)春霜凍氣候變化特征，為河套地區(qū)種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃和春霜凍災(zāi)害的預(yù)防提供一定的科學(xué)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

基于1960～2020年巴彥淖爾河套地區(qū)的臨河、杭后、五原、烏前旗、磴口5個(gè)國(guó)家氣象站61a逐日日最低氣溫資料,站點(diǎn)空間分布如圖1所示。

圖1 河套地區(qū)氣象站點(diǎn)空間分布圖

1.2 研究方法

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在4月1日至5月30日期間，巴彥淖爾市河套地區(qū)各地設(shè)施農(nóng)業(yè)處于育苗期，小麥、玉米等農(nóng)作物進(jìn)入出苗期，此階段發(fā)生霜凍會(huì)給作物帶來(lái)嚴(yán)重危害，故將這一階段定義為河套地區(qū)春霜凍期[6]。霜凍日由當(dāng)日日最低氣溫≤0℃的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。按照這一標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)河套地區(qū)春霜凍期內(nèi)霜凍日。各站春霜凍期最低氣溫是這一時(shí)段內(nèi)每日最低氣溫的平均值。然后，對(duì)各站春霜凍期最低氣溫進(jìn)行區(qū)域平均，得到河套地區(qū)春霜凍期區(qū)域平均最低氣溫。

采用Mann-Kendall趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)方法[7-8]判定時(shí)間序列的變化趨勢(shì)、突變點(diǎn)擊顯著水平。應(yīng)用一元線性回歸分析最低氣溫和霜凍日數(shù)的關(guān)系。在ArcGIS 10.2軟件下，采用反距離加權(quán)法對(duì)要素進(jìn)行空間插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 河套地區(qū)春霜凍期最低氣溫及霜凍日數(shù)的時(shí)間變化特征

1960～2020年河套地區(qū)霜凍期最低氣溫平均為6.2℃，平均每年區(qū)域平均最低氣溫升高0.07℃，在1960年、1990年波動(dòng)較大，1980年、2000年以后波動(dòng)漸緩，且階段性變化特征明顯，1980年以前波動(dòng)下降，之后階段性持續(xù)上升，整個(gè)時(shí)段上升趨勢(shì)明顯（圖2a）。且Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)Z為6.77，上升趨勢(shì)極為顯著，通過(guò)了99%顯著性檢驗(yàn)。從Mann-Kendall突變檢測(cè)[圖2（b）]看出，近61aUF曲線基本為正值，河套地區(qū)平均最低氣溫有明顯的增暖趨勢(shì)，特別是1987年至2020年這種增暖趨勢(shì)均超過(guò)顯著性水平0.05臨界線，表明河套地區(qū)最低氣溫的上升趨勢(shì)是十分顯著的。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，確定河套地區(qū)20世紀(jì)90年代的增暖是一突變現(xiàn)象，具體是從1990年開始。

圖2 1960～2020年河套地區(qū)春霜凍期區(qū)域平均最低氣溫年際變化（a）和Mann-Kendall檢驗(yàn)（b）

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近61年河套地區(qū)春霜凍日數(shù)年平均為9.8 d,平均每年霜凍日數(shù)減少0.2 d，春霜凍日數(shù)有明顯的階段性年際變化特征，且1960年波動(dòng)幅度異常大，1962年河套地區(qū)平均為24.8 d,1964年平均為4.2 d；隨著時(shí)間推移，春霜凍日數(shù)的離散性逐漸變低，且整體呈明顯下降趨勢(shì)[圖3（a）],Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)也反映下降趨勢(shì)顯著（P＜0.01）。從Mann-Kendall突變檢測(cè)[圖3（b）]看出，近61年UF曲線基本為負(fù)值，河套地區(qū)霜凍日數(shù)有明顯的下降趨勢(shì)，特別是1984～2020年這種下降趨勢(shì)均超過(guò)顯著性水平0.05臨界線，表明河套地區(qū)霜凍日數(shù)下降趨勢(shì)是十分顯著的。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，確定河套地區(qū)霜凍日數(shù)發(fā)生了由多到少的顯著突變，具體是從1985年開始。

圖3 1960～2020年河套地區(qū)春霜凍日數(shù)年際變化和Mann-Kendall檢驗(yàn)（b）

圖4為1960～2020年河套地區(qū)春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的線性相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2（0.8733）達(dá)到0.01的極顯著水平；最低氣溫每升高1℃，霜凍日數(shù)約減少3.03 d。結(jié)合最低氣溫和霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)可以斷定，河套地區(qū)春霜凍氣候變暖是霜凍日數(shù)減少的主要原因。

圖4 河套地區(qū)春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的線性相關(guān)關(guān)系

2.2 河套地區(qū)春霜凍期最低氣溫及霜凍日數(shù)的空間分布特征

圖5是1960～2020年河套地區(qū)春霜凍期多年平均與最低氣溫和霜凍日數(shù)空間分布?？梢钥闯?，最低氣溫總體上以河套地區(qū)東南、西南向北遞減，杭后北部、五原北部、烏前旗北部為低值區(qū)（5.1～6.2℃），磴口南部、烏前旗南部為高值區(qū)（6.2～7.1℃）；霜凍日數(shù)與最低氣溫在空間變化上呈反向分布，杭后北部、五原北部、烏前旗北部霜凍日數(shù)為高值區(qū)，這一點(diǎn)也說(shuō)明了霜凍日數(shù)與緯度呈正相關(guān)，在霜凍災(zāi)害防控上需要引起足夠重視。

圖5 1960～2020年河套地區(qū)春霜凍期平均最低氣溫（a,單位：℃）和霜凍日數(shù)（b,單位：d）空間分布

3 結(jié)論與討論

（1）1960～2020年河套地區(qū)春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)均發(fā)生顯著變化，前者上升趨勢(shì)極為顯著，也印證了氣候變暖的事實(shí)，而后者顯著下降，在一定程度上印證了中國(guó)北方地球變暖造成霜凍日數(shù)減少的論斷。另外，春霜凍期最低氣溫與霜凍日數(shù)存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，能夠更好地揭示霜凍事件對(duì)氣候變暖的響應(yīng)。

（2）在空間上，河套地區(qū)春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)互為反向分布，且空間差異較大。河套地區(qū)西南、東南部是最低氣溫的高值區(qū)和霜凍日數(shù)的低值區(qū)，北部是最低氣溫的低值區(qū)和霜凍日數(shù)的高值區(qū)。這與張喜林等編著的巴彥淖爾市氣象災(zāi)害防御規(guī)劃中提出的霜凍災(zāi)害低、中、高風(fēng)險(xiǎn)空間區(qū)劃基本吻合。

（3）河套地區(qū)春霜凍期氣候變暖導(dǎo)致春霜凍日數(shù)顯著減少，整體有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但也有極端氣溫不確定性，需要當(dāng)?shù)卣贫ㄏ鄳?yīng)措施來(lái)防災(zāi)減災(zāi)。同時(shí)還應(yīng)該關(guān)注霜凍日數(shù)的穩(wěn)定周期，在霜凍防御、種植結(jié)構(gòu)布局上充分考慮以減輕霜凍危害。

（4）氣象部門提供準(zhǔn)確的霜凍預(yù)報(bào)、及時(shí)的氣象服務(wù)，確定事宜的霜凍指標(biāo)，研究其變化規(guī)律。