1990—2019年畢節春季霜凍氣候特征及溫度關系分析*

姚 浪，吳 姍，李 剛，3，王 璇，王博卿

(1.貴州省畢節市氣象局，貴州 畢節 551700；2.貴州省畢節市七星關區氣象局，貴州 畢節 551700；3.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引言

畢節市位于貴州西北部，平均海拔1 511 m，由于地處低緯度高海拔山區，春季冷空氣影響或晴空輻射夜間氣溫大幅下降致作物凍害，近地層水汽接近飽和時白霜頻發，濕度條件差時會出現黑霜，霜凍成為畢節春季常見的農業氣象災害。隨著近年來農村產業結構調整，大量壩區經濟作物規模化種植，春季霜凍對經濟果林開花、作物苗期移栽和主要糧食作物生長的危害程度增加。伴隨著近年來畢節溫度持續上升，春季霜凍氣候特征在時間和空間尺度發生了不同程度的變化[1]。張波等[2]在貴州霜凍氣候特征分析中指出海拔是影響貴州初霜凍、終霜凍的關鍵因子。朱永寧等[3]在寧夏春霜凍特征研究中發現最低氣溫顯著上升和霜凍日數顯著下降有很好的相關性。張婷華等[4]在西寧地區霜凍預報方法研究中找出氣溫、地面溫度、相對濕度和風速與霜凍特征的對應關系。嚴應存等[5]在青海省霜凍災害風險區劃中將霜凍發生頻率、作物面積和受災情況納入評估模型劃分風險區域。目前關于貴州省霜凍災害研究主要著眼于霜凍日和無霜期變化特征，對于畢節霜凍致災嚴重的春季霜凍研究較少，更加精細的畢節春季霜凍時間、空間特征分析能為科學布局農業產業結構，有效規避和減輕霜凍對農業生產影響提供幫助，同時針對不同天氣現象的霜凍期溫度分析能為下一步應用區域自動站資料加密精細化分析畢節霜凍風險區劃提供技術支撐。

1 資料與方法

對比畢節春季氣象站霜觀測資料和地面0 cm最低溫度，發現春季用地面溫度定義霜凍更接近于臺站霜觀測資料，同時地面溫度可以反映春季黑霜對作物凍害的影響，因此在畢節春季霜凍特征分析中選取0 cm地溫≤0℃作為霜凍指標[2,4]。

選取1990—2019年畢節市地面觀測站日最低氣溫(Tmin)分析春季霜凍日數和終霜凍氣候特征。終霜凍期統計中將時間按序列表示，即1月1日取為1,1月2日取為2，以此類推，規定本年春季最后一次0 cm地溫≤0℃日期作為終霜凍日。

霜凍時間變化特征采用一元線性趨勢分析，用氣候傾向率反映霜凍的變化趨勢，同時采用3 a滑動平均和年代際特征值描述時間變化特征。在趨勢診斷分析中使用M-K檢驗方法，對于突變年份的確定中應用滑動T檢驗結合M-K檢驗共同判斷突變點的顯著性。在霜凍特征的周期性分析中應用Morlet小波分析，通過小波系數和能量譜分析探索畢節霜凍的周期特征。

在精細化霜凍特征分析中，由于大多鄉鎮無地面溫度觀測數據，因此探索春季不同類型霜凍發生時氣溫和0 cm地溫的關系特征可以推算出畢節區域內更精細的霜凍影響分布，本文通過云量對輻射的影響將春季霜凍期內日最低氣溫和最低0 cm地溫按陰天(總云量8～10成)、多云(總云量4～7成)、晴天(總云量0～3成)分類統計，分析畢節春季霜凍期內氣溫和0 cm地溫的關系特征。

2 結果分析

2.1 時間變化特征

圖1a為畢節1990—2019年春季霜凍日數時間變化特征，近30 a中畢節平均春季霜凍日數為1.87 d，最多春季霜凍日數為5.38 d，發生在1994年，在2015年畢節首次出現春季霜凍日數為0 d，間隔1 a后2017年再次出現。春季霜凍日數隨時間呈顯著下降趨勢，減少速率為0.81 d·(10a)-1。從年代際變化趨勢看，20世紀90年代—21世紀10年代呈年代際顯著減少趨勢，且減少趨勢從0.59 d·(10a)-1躍增到1.14 d·(10a)-1。從終霜凍日時間變化特征圖1b可見，畢節平均終霜凍日期為3月7日，最遲終霜凍日發生在2005年4月7日，最早終霜凍日發生在2019年2月5日，最遲和最早終霜凍日時間序列相差61 d。近30 a來畢節終霜凍日隨時間呈顯著提早趨勢，提早速率為4.89 d·(10a)-1，從年代際變化趨勢看，20世紀90年代—21世紀10年代平均終霜凍日分別為3月9日、3月14日和2月26日，在21世紀00—10年代終霜凍日提早速率迅速加大。

圖1 畢節春季霜凍日數(a)和終霜凍期(b)時間變化Fig.1 Changes in the number of frost days in the spring and the time of the final frost period in Bijie

2.2 春季霜凍日數和終霜凍期空間特征

對春季霜凍日數、終霜凍期和各觀測點海拔、經度、緯度進行多元回歸分析，計算得出畢節1990—2019年春霜凍日數和終霜凍期的空間分布(圖2)，由圖可見畢節春季霜凍日數呈現自西向東遞減，西部威寧大部地區屬于春季霜凍高發區，威寧北部邊緣、西南部邊緣和赫章西部高海拔山區屬于春季霜凍次高發區，七星關北部、金沙大部、黔西大部和織金東北部海拔較低地區屬于春季霜凍發生低值區。終霜凍期分布呈現東部、北部赤水河谷等較低海拔區域發生偏早，自東向西終霜凍發生逐漸推遲，其中威寧大部和赫章西部高海拔山區終霜凍發生最晚，畢節中部地區居中，且區域分布不均勻。

圖2 畢節春季霜凍日數(a)和終霜凍期(b)空間分布Fig.2 Spatial distribution of spring frost days and final frost period in Bijie

2.3 春季霜凍日數和終霜凍日突變分析

圖3為畢節1990—2019年春季霜凍日數和終霜凍期的突變特征，從春季霜凍日數M-K檢驗結果(圖3a)可見春季霜凍日數在1996年前呈波動上升趨勢，在1996年UF統計量達峰值后開始轉為遞減趨勢，其中在1996—2001年呈第1階段波動下降趨勢，2012—2019年呈第2階段快速下降趨勢，且在2012年后UF統計量超過顯著水平0.05的臨界線，表明春季霜凍日數快速減少趨勢顯著。UF和UB曲線在顯著性水平0.05臨界線內有多個交點，結合春季霜凍日數滑動T檢驗分析，在2006年春季霜凍日數轉變特征最顯著，確定為突變年。從畢節終霜凍期M-K檢驗結果(圖3b)可見終霜凍期在2010年前呈上下波動趨勢，2010年以后下降趨勢確立，UF和UB曲線在顯著性水平0.05臨界線內有3個交點，結合終霜凍日的滑動T檢驗分析，將共振交點2012年確定為畢節終霜凍期突變年。

圖3 畢節春季霜凍日數(a)和終霜凍期(b)M-K檢驗Fig.3 Bijie Spring Frost Days and M-K Inspection of Final Frost Period

2.4 春季霜凍周期特征

圖4是1990—2019年畢節春季霜凍日數Morlet小波分析，小波分析實部結果顯示實線正值區為霜凍日數偏多，負值區域為霜凍日數偏少，等值線的時間變化可反映霜凍日數不同時間尺度周期變化及其時間序列變化，由圖4a可見等值線在1995—2012年極為密集，期間出現過5個正負值中心，表明該階段霜凍日數變化劇烈，波動幅度加大，分析可能存在的周期變化發現在1995—2012年存在準3a左右的周期變化，期間出現了偏少—偏多的準5次振蕩，1998—2014年存在準8 a左右的周期變化，期間出現了偏多—偏少的準3次振蕩，在時間尺度內還存在2次偏多—偏少的準15 a左右周期變化。圖4b給出小波去噪后的能量譜分布，粗實線以內為通過0.05顯著性檢驗區域，由圖可見3～4 a時間尺度的能量譜最強、周期性最顯著，但準3 a周期變化具有局部性，主要集中在1995—2008年之間，準8 a周期變化能量較弱，準15 a周期變化能量中心值達2.4，幾乎占據整個研究時段(1990—2019年)，但處于顯著區之外。綜合分析得出畢節春季霜凍日數準3 a周期變化最顯著為第1周期變化，準8 a為第2周期變化。

圖4 畢節春季霜凍日數小波分析(a：小波實部，b：小波能量譜)Fig.4 Wavelet analysis of the number of frost days in Bijie in spring

根據小波主周期的確定，繪制畢節春季霜凍日數演變的第1和第2主周期小波系數圖，由圖4可見在3 a特征時間尺度上，畢節春季霜凍日數平均周期為3.5 a左右，大約經歷了8次偏多—偏少變化，在8 a特征時間尺度上，春季霜凍的平均變化周期為9.5 a，經歷3次偏多—偏少變化。

圖5 畢節春季霜凍日數主周期變化(a.第1周期，b.第2周期)Fig.5 The main cycle changes of the number of frost days in Bijie in spring

2.5 春霜凍期地面0 cm地溫和氣溫特征

表1列出了近30 a畢節春季霜凍期不同天氣現象時日最低地面0 cm地溫和日最低氣溫特征，由表1可見畢節春季霜凍期晴天出現頻率最大，占42.4%，陰天出現頻率次之，占33.2%，多云出現頻率最小占24.4%。從春季霜凍期天氣現象頻率分布可見畢節春季出現頻率最高為輻射霜凍，最低為平流霜凍。按月分析發現畢節春季霜凍期主要集中在3月，出現頻率高達92.2%，4月出現頻率居中為6%，但由于畢節境內主要農作物和經濟果林開花期集中在4月，常造成強影響霜凍災害，5月僅出現晴天輻射霜凍，占比1.8%。從同類天氣現象不同月份發生霜凍時日最低0 cm地溫和日最低氣溫統計可見，晴天時日最低氣溫和最低0 cm地溫平均差值最大，陰天時最小，其中發生在5月的晴天霜凍平均溫差最大(6.7 ℃)。從Tmin-T0正負情況分析發現，晴天和多云時霜凍發生期Tmin>T0頻率占63.8%,遠大于TminT0時的2倍。春季晴天時霜凍期日最低氣溫較日最低0 cm地溫平均高出4.2 ℃，多云時平均高出2.4 ℃，陰天時低0.3 ℃。

表1 畢節春季霜凍期不同天氣現象日最低氣溫(Tmin)和日最低0 cm地溫(T0)分布Tab.1 Distribution of minimum temperature (Tmin) and minimum 0 cm ground temperature (T0) of different weather phenomena during the spring frost period in Bijie

3 結論

通過對畢節1990—2019年春季霜凍特征和霜期內不同天氣現象下日最低氣溫和日最低0 cm地溫特征分析得出以下結論：

①1990—2019年畢節平均春季霜凍日數為1.87 d，平均終霜凍期為3月7日，隨時間變化春季霜日呈顯著減少趨勢，特別在21世紀10年代減少速率躍增，終霜凍期呈提早趨勢。

②空間分布中春季霜凍日數自西向東遞減，終霜凍期自東向西推遲，畢節西部威寧大部和赫章西部高海拔山區是春季霜凍發生最頻繁的區域，且終霜凍在該區域最晚，同時在畢節中部較高海拔鄉鎮終霜凍發生期偏晚。

③突變檢驗顯示畢節春季霜凍日數減少趨勢呈現2個階段性下降時段，且在21世紀10年代后減少趨勢顯著，終霜凍提早明顯，存在突變年。

④春季霜凍日數存在準3 a周期變化和準8 a周期變化，其中3 a周期變化能量最集中，顯著性最高，時間尺度內共經歷8次偏多—偏少變化。

⑤不同天氣現象下春季霜凍期內日最低0 cm地溫和日最低氣溫差異大，晴天輻射霜凍是畢節春季霜凍主要類型，期間日最低氣溫較日最低0 cm地溫平均高出4.2 ℃，且存在月份差異。