1961—2020年山西南部霜期氣候特征及對農業的影響

劉強軍，任鵬娟，趙慧琴，宋方超，王 勇

（山西省晉城市氣象局，山西晉城 048000）

0 引言

霜凍直接影響經濟農作物的產量，是影響農業生產的重要氣象災害之一[1-2]。霜凍的變化主要受大尺度大氣環流和大氣振蕩的影響[3-5]。國內外關于霜凍變化的研究較多，Bonsal 等[6]和Heino 等[7]研究認為加拿大和北歐霜凍日數都為減少趨勢，而美國學者Easterling[8]認為霜凍日數變化有區域差異；國內學者[9-11]對中國的霜凍變化也進行了研究，結論基本為初霜日推遲、終霜日提前，無霜期增加，但氣候特征存在區域差異；在霜期與緯度等地理因子關系方面，劉靜等[12]和周曉宇等[13]分析了中國秦嶺地區和東北地區霜期與緯度的關系，總體呈現隨緯度增加而減少的趨勢；在霜期與氣候因子關系方面，張波[14]分析了貴州地區霜期與最低氣溫等氣候因子的關系，結果正相關性很高。初霜日大幅提前，易對大秋作物的灌漿和乳熟形成凍害；終霜日大幅推遲，對冬小麥的拔節孕穗及經濟林果產生凍害，嚴重影響農業產量和經濟效益。無霜期的長短由初霜日和終霜日決定，其變化直接影響農作物的受害概率和程度，因此對初霜日和終霜日及無霜期的氣候特征進行研究，對農業產業非常重要。山西省地處華北地區西部的黃土高原，地形復雜，霜凍災害頻發，尤其在山西南部地區，霜凍更是主要氣象災害之一，在山西霜凍變化研究方面，李芬等[15]和蔡霞等[16]分析了山西省及北部地區霜凍日的氣候特征，但目前沒有發現對山西南部霜凍氣候變化規律進行分析的文獻，由于山西區域性氣候特征非常明顯，因此，在前人研究的基礎上，以地面0 cm日最低氣溫≤0℃作為霜凍日指標，以期更系統、更全面的分析山西南部初霜日、終霜日和無霜期的氣候特征，充分認識山西南部霜凍特征及對農業生產的重要影響，為鄉村振興和農業產業增收增利提供科學依據，促進山西南部綠色康養產業的健康發展。

1 數據與方法

選取1961—2020 年山西南部46 個地面中國國家氣象觀測站（其中，晉城市5個站，臨汾市17個站，長治市11 個站，運城市13 個站）地面最低溫度（簡寫為T0）數據（見圖1）。韓榮青等[17]指出以地面最低溫度作為基礎溫度得出的初霜日期更接近于實測數據，因此將霜凍標準定義為T0≤0℃[18-19]。把秋季T0≤0℃的最后1天定義為初霜日，同樣春季T0≤0℃的最后1 天定義為終霜日，無霜期為終霜日和初霜日之間的間隔天數。由于初霜日偏晚和終霜日偏早對農業的影響較小，在此不作研究。將比平均初霜日提早1～5天、6～10天、11天分別定義為正常、偏早、特早初霜凍[14]，同樣將比平均終霜日推遲1～5天、6～10天、11天分別定義為正常、偏晚、特晚終霜凍。研究方法采用線性趨勢法、氣候傾向率法[20]和M-K[21]法。

2 霜期的氣候特征

2.1 時間趨勢特征

圖2所示為山西南部1961—2020年初霜日和終霜日及無霜期時間趨勢圖，由圖2(a)可以看出，山西南部60 年平均初霜日為10 月17日，最早初霜日為9 月2日，發生在1970年（高平），最晚初霜日為12月1日，發生在2020 年（新絳）；初霜日氣候傾向率為2.18 天/10年，呈現顯著推遲特征。從年代際趨勢看，20 世紀60年代和70年代初霜日分別為10月15日和10月13日，80 年代和90 年代初霜日分別為10 月17 日和10 月15日，均早于60 年平均值，進入21 世紀后，2000—2009年初霜日為10 月17日，2010—2020 年初霜日為10 月26日，初霜日明顯推遲。

圖2b 為終霜日時間趨勢特征，由圖可知，山西南部60年平均終霜日為4月17日，最早終霜日為2016年4月3日，最晚終霜日為1962年5月4日，相差17天；60年終霜日氣候傾向率為2.07天/10年，提前了18天，呈現顯著提前特征。從年代際趨勢看，20世紀60—90年代終霜日均晚于60年平均值，60年代和80年代為4月20日，晚3天，70年代終霜日為4月26日，晚9天，90年代終霜日為4月19日，晚2天。進入21世紀后，2000—2009 年和2010—2020 年終霜日均早于60 年平均值，分別為4月16日和4月14日，提前1天和3天。終霜日總體呈現20世紀延遲和21世紀提前的變化趨勢。

圖2c 為無霜期時間趨勢特征，由圖可知，60 年平均無霜期為184天，最短無霜期為152天，發生在1972年，最長無霜期為214天，發生在2016年，相差62 天；無霜期氣候傾向率為4.4天/10年，延長了26.4天，呈現顯著延長變化趨勢。從年代際看，20世紀60—90年代無霜期日數均小于60年平均值，分別為180、171、182、181天，2000年以來無霜期日數均高于60年平均值，分別為191天和197天。

圖2 初霜日(a)和終霜日(b)及無霜期(c)時間變化特征

2.2 空間分布特征

2.2.1 霜期的空間分布 圖3為山西南部初霜日和終霜日及無霜期空間分布圖。可以看出（圖3a），山西南部初霜日一般在10月上旬至11月上旬之間，最早初霜日為晉城市高平的9月2日，最晚初霜日期為運城市新絳的11 月2日，相差61 天。在空間上呈現東北部早、西南部晚的空間特征，初霜日較早的區域主要分布在臨汾市西北部、長治市北部和南部、晉城市的東部地等地區，介于10月2日—10月8日之間；初霜日較晚的地區主要分布在運城市的大部分地區和臨汾市南部、晉城市的西部，介于10月20日—11月2日之間；其余大部分地區初霜日多發生在10月中旬。圖3b為終霜日空間分布特征，由圖可見，與初霜日呈相反的分布趨勢，西南部早、東北部晚的空間特征，終霜凍日期出現在4月上旬—5月上旬，平均終霜凍日期為4月17日，最早終霜日期為4月2日，發生在運城市的永濟，最晚終霜日期為5月5日，發生在晉城市的陵川。圖3c為無霜期空間分布特征，由圖可知，無霜期空間分布特征上和初霜日空間分布基本一致，無霜期呈自西南向東北遞減的趨勢，無霜期較短的地區主要分布在臨汾市西北部、長治市北部和南部、晉城市的東部地等地區，無霜期介于151～185天，無霜期較長的地區主要分布在運城市的大部分地區和臨汾市南部、晉城市的西部，長度在190～215天之間。最短無霜期發生在晉城市的陵川，為151天，最長無霜期發生在運城市的永濟，達214天。

圖3 初霜日(a)和終霜日(b)及無霜期(c)空間分布圖

2.2.2 霜期的氣候傾向率空間分布 圖4為山西南部初霜日、終霜日和無霜期氣候傾向率空間特征，從圖4a可以看出，近60年山西南部初霜日平均氣候傾向率在0.72～4.76 天/10 年之間，呈增大趨勢，空間上呈現長治的南部、晉城市的北部、運城市的西北部等地初霜日氣候傾向率較大，在3.4～4.76天/10年之間，反映出山西南部初霜日整體為推遲的變化趨勢。山西南部終霜日平均氣候傾向率在-0.19～-6.2天/10年之間，各站點氣候傾向率均呈遞增趨勢；說明山西南部終霜日整體呈現為提前的變化趨勢；空間上在長治市的屯留、長治縣、長子、壺關、晉城市的高平、臨汾市的鄉寧等地氣候傾向率較大，變化范圍為-6.2～-3.2天/10年（圖4b）。無霜期平均氣候傾向率在1.6～10.14天/10年之間，與初霜日一致，均呈遞增延長趨勢。空間上在臨汾市的永和、鄉寧、汾西、襄汾、翼城，長治市的長子、潞城，晉城市的高平、陵川，運城市的垣曲、平陸、新絳、萬榮等地氣候傾向率較大，變化范圍在6.36～10.14天/10年（圖4c）。

圖4 初霜日(a)和終霜日(b)及無霜期(c)氣候傾向率空間分布

2.3 霜期的概率分布

2.3.1 特早和偏早初霜日概率分布 把初霜日分為偏早初霜日、特早初霜日及正常初霜日，計算它們的概率分布（圖5）。如圖5a 所示，特早初霜日的發生概率在6.9%～21.7%，平均概率為15.1%，空間上呈現東南部和西北部高，東北部和西南部低的特征。在臨汾市的市區、古縣、大寧，長治市的市區、屯留，晉城市的市區、沁水、陵川，運城市的萬榮、河津、聞喜等區域發生特早初霜日概率較高，在18.2%～21.7%之間；發生概率較低的區域分布在西部臨汾市的曲沃、襄汾、隰縣，運城市的新絳、平陸等地，概率在6%～10%左右。從圖5b 可以看出：山西南部地區偏早初霜日發生概率在2%～21.8%，平均概率為12.6%；空間上整體呈現東北部高，東南部低的特征；在東北部長治市的壺關、武鄉、沁縣、襄垣、黎城、潞城，臨汾市的隰縣、蒲縣和運城的新絳、永濟等區域偏早初霜日發生概率較高，在16.3～21.8%之間；發生概率較低的區域分布在東南部晉城市的市區、陵川、沁水等地，發生概率在1%～5%左右。圖5c為山西南部初霜日正常發生的概率，可以看出，在臨汾西北部的永和縣和隰縣、南部的侯馬市、東部的安澤縣，長治市的沁縣和平順縣，晉城的澤州縣、陵川縣，運城的新絳縣和平陸縣發生概率大于其他地區，平均達到25%以上。

圖5 特早初霜日(a)和偏早初霜日(b)及正常初霜日(c)概率分布特征

2.3.2 偏晚和特晚終霜日概率分布 把終霜日分為偏晚終霜日，特晚終霜日及正常終霜日，計算它們的概率分布（圖6）。如圖6a所示，特晚終霜日的發生概率在5%～24%，平均概率為14.8%，空間上呈現臨運盆地和臨汾與晉城交界的河谷地帶偏低、其余地區偏高的特征；發生概率較高的區域主要分布在臨汾市的東北部和西部、長治市的大部、運城市的東部、晉城市的北部，發生概率在16%～24%；發生概率較低的區域分布在運城市的大部和臨汾市的東部古縣、浮山及晉城市的陵川等地，概率在5%～8%左右。由圖6b可見，山西南部偏晚終霜日時有發生，概率為12.8%，空間上在臨汾市的西北部永和、隰縣，晉城市的陽城、沁水、陵川及市區，長治市的屯留、壺關，運城市的河津、稷山、萬榮、臨猗等地偏晚終霜日發生概率較高，在16%～27.3%之間；在臨汾市的襄汾、市區、洪洞、霍州、汾西，運城市的夏縣、曲沃、絳縣及長治市的長子、黎城等地發生概率較低，在1%～6%左右。圖6c 為正常終霜日發生概率，可以看出，臨汾市的永和縣，長治市的壺關縣、長治縣、長子縣及平順縣高于其他地區，平均達到27%以上。

圖6 特晚終霜日(a)和偏晚終霜日(b)及正常終霜日(c)概率分布特征

2.4 霜期的突變特征

圖7為山西南部1961—2020年初霜日和終霜日及無霜期M-K突變特征，由圖7a初霜日突變檢驗可以看出，山西南部初霜日在1972 年以前為向下遞減特征，之后為逐年增加趨勢，并在2007 年穿越臨界線（0.05水平），推遲趨勢非常顯著，正向UF曲線與反向UB曲線相交于2005年，為初霜日突變年。由圖7b終霜日突變檢驗，可以看出，1981年以前基本為遞增趨勢，之后為逐年遞減趨勢，也在2007 年穿越臨界線（0.05 水平），終霜日提前趨勢明顯，正向UF曲線和反向UB曲線相交于2002年，為終霜日突變年。圖7c為無霜期突變檢驗趨勢圖，可以看出，無霜期在1972 年之前為向下遞減特征，之后為逐年增加趨勢，并在2003 年穿越臨界線（0.05 水平），延長趨勢顯著，正向UF 曲線與反向UB曲線相交于2001年，為無霜期突變年。

圖7 初霜日(a)和終霜日(b)及無霜期(c)M-K突變檢驗

2.5 霜期的周期分析

1990—2010 年時段存在6～8 年間斷性周期變化，而16年左右周期變化具有3個“強-弱”交替過程，具有全域性，為主周期（圖8a）；終霜日存在8～12年和32年的周期變化，其中32 年周期存在2 個“強-弱”交替過程，明顯最強，為主周期（圖8b）；無霜期在32年的存在2個“強-弱”交替過程，周期變化相對較強，為主周期，其他周期相對較弱（圖8c）。

圖8 初霜日(a)和終霜日(b)及無霜期(c)小波分析

2.6 霜期的影響因子分析

計算山西南部霜凍日期與地理因子和氣候因子相關系數（表1）。初霜日、終霜日和無霜期與緯度的相關系數分別為-0.12、0.33和-0.3，而與海拔高度的相關系數分別為-0.72、0.59 和-0.6，山西南部緯度跨度從35.5°—37°N，只有1.5°，相對于緯度，海拔高度對山西南部初霜日、終霜日和無霜期的影響更顯著。由表1可知，初霜日和無霜期與年氣溫及各個季節氣溫均呈正相關，而終霜日與年氣溫及各個季節氣溫均呈負相關，且都通過了0.01的顯著性檢驗。初霜日主要受秋季平均最低氣溫影響，而終霜日和無霜期主要受春季平均最低氣溫的影響。

表1 初霜日、終霜日和無霜期與影響因子的相關系數

3 霜期變化對農業生產的影響

霜期變化受到多種因素的影響，其中氣候變暖是影響農作物重要因素，會使農作物和林果生長期延長,嚴重影響經濟農作物和林果的產量，危害較大。圖9a為1961—2020 年山西南部霜凍災害農作物面積占總播種面積的比率，可以看出，農作物受災面積與霜凍頻次的變化一致，但從1990 年開始，在霜凍頻次和強度變化及初霜日推遲、終霜日提前的氣候環境下，霜凍災害農作物面積變化并不大，或與設施農業防護措施和農業現代化水平提高有關。積溫是農業生產的重要熱量指標[22]，對作物生長影響較大，是定量評估氣候對農作物的重要氣象指標。圖9b 是山西南部1961—2020年≥10℃積溫變化趨勢[23-25]，可以看出，全年積溫傾向率達66.7℃/10年，通過了0.01 的顯著性檢驗，相關系數達0.65。近60 年全年積溫平均增加了160℃，積溫的明顯增加導致農作物發育提前，而終霜日的推后，加大了凍害的發生。隨著國家鄉村振興戰略實施，中國農業產業以經濟農作物和果樹為主的產業布局，凍害風險驟然增大[26-28]，對農業產業的發展非常不利。

圖9 山西省南部霜凍造成受災農作物占比(a)及積溫(≥10℃)變化趨勢(b)

4 結論與討論

（1）1961—2020年，山西南部地區平均初霜日為10月17日，平均終霜日為4月17日，平均無霜期為184天。初霜日和終霜日及無霜期時間趨勢變化分別呈現推遲、提前和延長，與許艷等[29]研究結果一致，但全國各地變化幅度差別較大，緯度偏北的吉林[30]，初霜日和終霜日及無霜期變化趨勢分別為1.4、2.2、3.6天/10年，本研究處于中國緯度中部地區的山西南部地區三者變化趨勢分別為2.18、2.07、4.4天/10年，而緯度偏南的貴州[14]，三者變化趨勢分別為2.34、2.95、5.76天/10年，從北到南，變化速率明顯加快。間接反映了氣候變暖導致無霜期延長的變化特征，結論需進一步驗證。

（2）在空間分布上，初霜日和無霜期空間分布基本一致，呈自西南向東北遞減的趨勢，在臨汾市西北部、長治市北部和南部、晉城市的東部地等地初霜日較早和無霜期較短；終霜日與初霜日分布正好相反，呈現西南部早、東北部晚的空間特征。霜凍日期存在明顯周期變化；2005年、2002年及2001年分別為初霜日、終霜日及無霜期的突變年。

（3）山西南部特早初霜日的平均發生概率為15.1%，呈現東南部和西北部高，東北部和西南部低的特征，在臨汾市的古縣、臨汾市區、大寧，長治市的長治市區、屯留，晉城市的市區、沁水、陵川，運城市的萬榮、河津、聞喜等地特早初霜日發生概率較高。偏早初霜日平均發生概率為12.6%，呈現東北部高，東南部低的特征，在東北部長治市的壺關、武鄉、沁縣、襄垣、黎城、潞城，臨汾市的隰縣、蒲縣和運城的新絳、永濟等地偏早初霜日發生概率較高，在16.3%～21.8%，其他地區發生概率在5%以下。

（4）特晚終霜日的平均發生概率為14.8%，空間上呈現臨運盆地和臨汾與晉城交界的河谷地帶偏低、其余地區偏高的特征；發生概率較高的區域主要分布在臨汾市的東北部和西部、長治市的大部、運城市的東部、晉城市的北部等地，在16%～24%。山西南部偏晚終霜日時有發生，概率為12.8%，空間上在臨汾市的西北部永和、隰縣，晉城市的陽城、沁水、陵川，長治市的屯留、壺關，運城市的河津、稷山、萬榮、臨猗等地偏晚終霜日發生概率較高，在16%～27.3%，其他地區發生概率低于6%。

（5）山西南部位于黃土高原偏東南地區，影響初霜日、終霜日和無霜期的關鍵因子是海拔高度，由于山西南部地形起伏較大，氣溫隨海拔高度的升高變化明顯，而緯度為35.5°—37°N，跨度不大，對初霜日、終霜日和無霜期的影響略小。1990年以后，在霜凍頻次和強度顯著變化的情況下，霜凍災害農作物面積變化并不大，或許與現在的設施農業防護措施提高有關。計算表明，近60年積溫平均增加了160℃，積溫的明顯增加導致農作物發育提前，加大了凍害的發生，對農業生產產生重要影響，不利于現代農業生產的發展。