河套地區春霜凍期日最低氣溫和霜凍日數時空變化特征

張舒昊

(巴彥淖爾市氣象局，內蒙古 臨河 015000)

霜凍是常見的農業災害之一，多發生在每年的春、秋兩個季節，春末或秋初由于冷空氣入侵，造成植物細胞脫水而枯萎死亡的短時間低溫災害[1]。在全球氣候變暖的背景下，河套地區出現霜凍的時間分布、空間分布和霜凍危害特點發生了變化，對農業產生較大影響。研究表明，河套地區秋霜凍日期推后，春霜凍日期提前，無霜期逐步延長[3-5]。河套地區是國家和內蒙古自治區重要的糧油生產基地，全市現有耕地1100多萬畝，農業生產對全市尤為重要。

本文利用河套地區國家氣象站日最低氣溫資料，根據霜凍日定義標準對春霜凍期內霜凍日進行判定，并采用Mann-Kendall檢驗、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的時空變化規律，有助于深入了解河套地區春霜凍氣候變化特征，為河套地區種植結構規劃和春霜凍災害的預防提供一定的科學支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

基于1960～2020年巴彥淖爾河套地區的臨河、杭后、五原、烏前旗、磴口5個國家氣象站61a逐日日最低氣溫資料,站點空間分布如圖1所示。

圖1 河套地區氣象站點空間分布圖

1.2 研究方法

經統計，在4月1日至5月30日期間，巴彥淖爾市河套地區各地設施農業處于育苗期，小麥、玉米等農作物進入出苗期，此階段發生霜凍會給作物帶來嚴重危害，故將這一階段定義為河套地區春霜凍期[6]。霜凍日由當日日最低氣溫≤0℃的標準進行判定。按照這一標準統計河套地區春霜凍期內霜凍日。各站春霜凍期最低氣溫是這一時段內每日最低氣溫的平均值。然后，對各站春霜凍期最低氣溫進行區域平均，得到河套地區春霜凍期區域平均最低氣溫。

采用Mann-Kendall趨勢和突變檢驗方法[7-8]判定時間序列的變化趨勢、突變點擊顯著水平。應用一元線性回歸分析最低氣溫和霜凍日數的關系。在ArcGIS 10.2軟件下，采用反距離加權法對要素進行空間插值。

2 結果與分析

2.1 河套地區春霜凍期最低氣溫及霜凍日數的時間變化特征

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

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

經統計，近61年河套地區春霜凍日數年平均為9.8 d,平均每年霜凍日數減少0.2 d，春霜凍日數有明顯的階段性年際變化特征，且1960年波動幅度異常大，1962年河套地區平均為24.8 d,1964年平均為4.2 d；隨著時間推移，春霜凍日數的離散性逐漸變低，且整體呈明顯下降趨勢[圖3（a）],Mann-Kendall趨勢檢驗也反映下降趨勢顯著（P＜0.01）。從Mann-Kendall突變檢測[圖3（b）]看出，近61年UF曲線基本為負值，河套地區霜凍日數有明顯的下降趨勢，特別是1984～2020年這種下降趨勢均超過顯著性水平0.05臨界線，表明河套地區霜凍日數下降趨勢是十分顯著的。根據UF和UB曲線交點的位置，確定河套地區霜凍日數發生了由多到少的顯著突變，具體是從1985年開始。

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

圖4為1960～2020年河套地區春霜凍期最低氣溫和霜凍日數的線性相關關系，發現兩者呈明顯負相關關系，決定系數R2（0.8733）達到0.01的極顯著水平；最低氣溫每升高1℃，霜凍日數約減少3.03 d。結合最低氣溫和霜凍日數的變化趨勢可以斷定，河套地區春霜凍氣候變暖是霜凍日數減少的主要原因。

圖4 河套地區春霜凍期最低氣溫和霜凍日數的線性相關關系

2.2 河套地區春霜凍期最低氣溫及霜凍日數的空間分布特征

圖5是1960～2020年河套地區春霜凍期多年平均與最低氣溫和霜凍日數空間分布。可以看出，最低氣溫總體上以河套地區東南、西南向北遞減，杭后北部、五原北部、烏前旗北部為低值區（5.1～6.2℃），磴口南部、烏前旗南部為高值區（6.2～7.1℃）；霜凍日數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為高值區，這一點也說明了霜凍日數與緯度呈正相關，在霜凍災害防控上需要引起足夠重視。

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

3 結論與討論

（1）1960～2020年河套地區春霜凍期最低氣溫和霜凍日數均發生顯著變化，前者上升趨勢極為顯著，也印證了氣候變暖的事實，而后者顯著下降，在一定程度上印證了中國北方地球變暖造成霜凍日數減少的論斷。另外，春霜凍期最低氣溫與霜凍日數存在極顯著負相關關系，能夠更好地揭示霜凍事件對氣候變暖的響應。

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

（3）河套地區春霜凍期氣候變暖導致春霜凍日數顯著減少，整體有利于農業生產，但也有極端氣溫不確定性，需要當地政府制定相應措施來防災減災。同時還應該關注霜凍日數的穩定周期，在霜凍防御、種植結構布局上充分考慮以減輕霜凍危害。

（4）氣象部門提供準確的霜凍預報、及時的氣象服務，確定事宜的霜凍指標，研究其變化規律。