1960-2019年河南省霜凍日期時空變化及影響因素研究

張志高， 劉晴， 劉慧穎， 郭超凡， 蔡茂堂， 尹紀媛

1. 安陽師范學院 資源環境與旅游學院,河南 安陽 455000； 2. 中國地質科學院 地質力學研究所,北京100081

霜凍常出現在春、 秋兩季農作物生長期,是由寒潮和強冷空氣活動引致土壤或植物表面溫度降至0 ℃以下而造成作物受害的現象,是中高緯度地區影響農業生產的主要災害之一[1-2].目前,全球正在經歷以變暖為主要特征的氣候變化,全球地表溫度正以前所未有的速度上升,2011-2020年全球平均表面溫度相比1850-1900年上升1.09 ℃[3].全球變暖將改變氣溫、 輻射以及降水等要素的地理分布,在一定程度上對初、 終霜日和霜期長短產生影響,進而影響農業生產[4-5].因此,近年來在全球氣候變暖背景下,霜凍的時空演變特征及其影響因素與災害評估受到了國內外學者的廣泛關注[6-9].Frich等[10]研究發現20世紀中后期全球年霜凍日數不斷減少.Crimp等[11]研究發現澳大利亞南部地區霜凍時間偏晚,東南部地區的霜凍頻率呈增加趨勢.寧曉菊等[12]分析了1951年以來中國無霜期的變化趨勢,發現中國大部分區域呈初霜日推后、 終霜日提前無霜期延長的趨勢,在變化幅度方面北方大于南方、 東部大于西部.張鑫等[13]研究發現北疆初霜日推遲,終霜日提前,霜期縮短,速率分別為2.2,-1.7,-3.9 d/10a,初、 終霜日和霜期的主周期均為2a左右.任景全等[14]發現吉林省初霜日顯著推遲,終霜日顯著提前且無霜期顯著延長,其主周期均為3a左右.馬尚謙等[15]發現淮河流域呈初、 終霜日和無霜期分別以2.15,-2.49,4.38 d/10a的速率呈推遲、 提前和延長的趨勢,且在在20世紀90年代的變化最為顯著.在霜凍變化影響因素方面,王國復等[16]認為中國大部地區霜期縮短,初霜日推遲,終霜日提前主要與日最低氣溫和0 cm最低地溫的不斷升高有關； 馬彬等[17]認為極渦與副熱帶高壓的位置、 強度、 面積變化驅動了中國農業區霜凍多年氣候狀態的轉變； 馬尚謙等[18]認為淮河流域氣候的轉型促進了初霜日的推遲和終霜日的提前； 陳少勇等[19]探討了西北地區影響初霜凍發生的環流特征,認為與副熱帶高壓正相關,與極渦負相關,初霜日推遲是氣候變暖的結果； Liu等[20]研究發現氣候變暖減少了霜凍事件,但植物生長季節的延長可能在生長季誘發更高的霜凍頻率.此外還有學者分析了霜凍災害對農作物的影響,代立芹等[21]認為河北省冬小麥霜凍害以輕度為主,霜凍導致冬小麥氣象產量下降、 減產率增加； 高文波等[22]構建了西南茶區茶樹春梢晚霜凍害概率和強度指數,發現西南茶區霜凍終日和初日均呈顯著提前趨勢,茶樹晚霜凍害危險性呈下降趨勢； 呂佳佳等[23]采用數理統計和墨西哥帽小波法分析了寒地大豆霜凍的時空變化特征,發現霜凍對大豆產量的影響為霜凍等級及出現日期的協同作用．

河南省位于黃河中下游,平原面積廣闊,屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候,氣候分明,雨熱同期,適宜多種農作物生長,被譽為“中原糧倉”,在我國農業生產中占有舉足輕重的地位.然而由于河南省地處南北氣候過渡帶和山區到平原的過渡帶,對氣候變化的適應能力較弱,加之農業基礎條件薄弱,受霜凍等氣象災害影響較為嚴重.因此,本研究基于1960-2019年逐日氣象觀測數據,運用線性傾向估計、 Mann-Kendall突變檢驗、 相關分析及R/S分析等方法對河南省初霜、 終霜及霜期的時空演變進行研究,并探討其與地理因子的關系,以期為河南省霜凍災害的預報與防御及農業可持續發展提供科學依據和參考．

1 資料與方法

1.1 研究區概況

河南省位于中國中東部、 黃河中下游,地理位置為31°23′-36°22′N,110°21′-116°39′E.全省地勢西高東低,太行山脈、 伏牛山脈、 桐柏山脈、 大別山脈沿省界呈半環形分布,中、 東部為華北平原,西南部為南陽盆地.全省總面積16.7×104km2,其中平原和盆地占55.7%,山地和丘陵占44.3%,農業用地占74.25%.河南省氣候自南向北由亞熱帶向暖溫帶氣候逐漸過渡,氣候溫和,四季分明,年平均氣溫在12～16 ℃,年降水量約為500～1 400 mm,無霜期為190～230 d,日照時數1 740～2 310 h.河南省地處南北氣候過渡帶,同時自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡,霜凍等氣象災害較為頻繁．

審圖號： 豫S(2019年)013號．圖1 河南省氣象代表站點分布

1.2 數據來源

河南省17個氣象站點1960-2019年逐日地面0 cm最低溫度數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http： //data.cma.cn)中國地面氣候資料日值數據集.以地面0cm最低溫度≤0 ℃作為霜凍指標,參考前人研究[24],中國北方初霜日一般在8月1日后,因此以8月1日作為統計起始點,將8月1日定義為1,用日序表示初、 終霜日,初霜日為8月1日以后第一次出現地面最低溫度≤0 ℃的日期,終霜日為最后一次地面最低溫度≤0 ℃的日期,霜凍終日的翌日至初日的前一天之間的日數為無霜期.利用算術平均法建立1960-2019年河南省初霜期、 終霜期和無霜期序列.研究區域及代表站點分布如圖1所示．

1.3 R/S分析

重標極差分析法(R/S)最初由英國科學家赫斯特提出,用于分析尼羅河水庫流量和儲蓄能力[25],后被廣泛用于氣象學領域的趨勢預測.R/S分析法用氣候要素時間序列計算出Hurst指數(H值)來揭示氣候要素的趨勢,如果0

此外,采用線性傾向估計法分析河南省霜凍的時間變化特征； 利用相關分析和線性回歸法分析霜凍日期與地理因子的關系,變量間相關性強度依據相關系數絕對值R大小分為5個等級,分別為極強相關(0.8

2 結果與分析

2.1 河南省霜凍日期時間變化特征

近60a來河南省初霜平均日期為11月8日,其中1981年初霜日最早,為10月24日.2011年初霜日最晚,為11月25日(圖2a).進行線性擬合可知,河南省初霜日期顯著推遲,傾向率為2.66 d/10a.1960-2019年河南省終霜平均日期為3月28日,其中2007年終霜日最早,為 3月12日.1961年終霜日最晚,為4月14日(圖2b),60a來終霜日以-2.88 d/10a的傾向率顯著提前.1960-2019年河南省無霜期平均為224 d,其中1962年最短,為202 d,2016年最長,為249 d(圖2c),60a來無霜期顯著延長,傾向率為5.54 d/10a．

年代際變化方面,20世紀70年代初霜日最早,平均為11月3日,之后逐漸推遲,2000年左右距平轉正,21世紀10年代初霜日最晚,平均為11月18日.20世紀60年代終霜日最晚,為4月3日,之后逐年代提前,2000年以后提前至3月21日.20世紀70年代無霜期最短為214 d,之后逐漸延長,2000年左右距平轉正,21世紀10年代最長,為241 d,相比20世紀70年代延長27 d(表1)．

圖2 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期年際變化

表1 河南省初霜日、 終霜日和無霜期年代際變化

2.2 河南省霜凍日期空間分布特征

2.2.1 霜凍的平均空間分布特征

河南省各地初霜日出現在10月末至11月中上旬,空間差異明顯,大致與緯線平行,呈“北早南晚”的空間分布格局,其中河南省西南部地區初霜日在11月14日以后； 中部地區在11月3-10日,北部安陽站最早,為10月30日(圖3a).近60a河南省各地平均終霜日自南向北逐漸推遲,南部地區終霜日多數出現在3月中下旬； 北部地區終霜日多數出現在3月下旬和4月上旬； 中部地區終霜日多數出現在3月26日-4月2日(圖3b).近60a河南省各地平均無霜期為206～244 d,大致與緯線平行,自南向北呈逐漸減少趨勢,西南部地區無霜期在237 d以上； 豫北地區無霜期普遍小于213 d,中部地區無霜期多在213～229 d(圖3c)．

審圖號： 豫S(2019年)013號．圖3 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期的空間分布

2.2.2 霜凍日期變化趨勢空間分布特征

河南省17個站點初霜日期傾向率均為正值,均呈推遲趨勢,全省初霜日氣候傾向率在0.18～3.60 d/10a之間,其中西南部地區推遲幅度較小,多在2.53 d/10a以下； 中部和北部地區推遲幅度較大,多在2.68 d/10a以上(圖4a).近60a全省17個站點終霜日傾向率均為負值,終霜日均呈提前趨勢,全省終霜日氣候傾向率為-0.39～-0.14 d/10a,西南部提前幅度較大,多在-0.35 d/10a以上(圖4b).60a來河南省無霜期顯著延長,氣候傾向率為1.70～6.74 d/10a,東南部無霜期延長幅度較小,在4.04 d/10a以下,西南部為5.69～6.24 d/10a,中部地區無霜期延長幅度較大,在5.79 d/10a以上(圖4c)．

審圖號： 豫S(2019年)013號．圖4 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期趨勢系數的空間分布

2.3 霜凍日期突變特征

近60a來河南省初霜日正序列曲線UF整體呈上升趨勢,反序列UB曲線呈下降趨勢,二者相交于2004年,且在α=0.05的信度線內,確定初霜日的突變點為2004年,突變前平均初霜日期為11月5日,突變后為11月18日,推遲了13 d(圖5a).終霜日正序列曲線UF呈下降趨勢,反序列曲線UB呈上升趨勢,UF和UB曲線相交于1998年,且在α=0.05的信度線內,確定終霜日的突變點為1998年,突變后平均終霜日期為3月22日,較突變前的4月2日提前了11 d(圖5b).無霜期正序列曲線UF呈下降趨勢,反序列UB曲線呈上升趨勢,UF和UB曲線相交于1998年,確定終霜日的突變點為1998年,突變后無霜期平均為238 d,較突變前的217 d延長了21 d(圖5c)．

2.4 霜凍日期的未來趨勢變化

根據R/S分析,河南省初霜日、 終霜日和無霜期的H指數平均值分別為0.88,0.91,0.96(表2),均明顯大于0.5,說明序列的趨勢與原序列呈正相關,未來河南省霜凍日期變化與過去60a的變化趨勢保持一致,即初霜日期持續推遲,終霜日期持續提前,無霜日持續延長．

圖5 1960-2019年河南省初霜日、 終霜日和無霜期的M-K檢驗

表2 河南省初霜日、 終霜日和無霜期的R/S分析

2.5 霜凍日期與地理因子的關系

河南省初霜日、 終霜日和無霜期與海拔和經緯度的相關關系和回歸系數如表3所示.初霜日與緯度呈極顯著負相關關系,緯度每增加1°,初霜日提前4.72 d,初霜日與海拔和經度呈極弱負相關關系,海拔每上升10 m,經度每增加1°,初霜日分別提前0.01 d和0.17 d.終霜日與緯度呈極顯著正相關關系,緯度每增加1°,終霜日推遲5.06 d,終霜日與海拔和經度呈極弱正相關關系,海拔每上升10 m,經度每增加1°,終霜日分別推遲0.01 d和0.43 d.無霜期與緯度呈極顯著負相關關系,緯度每增加1°,無霜期縮短9.7 d.無霜期與海拔和經度呈極弱負相關關系,海拔每上升10 m,經度每增加1°,無霜期分別縮短0.05 d和4.58 d．

表3 河南省初霜日、 終霜日和無霜期與地理因子的關系

3 結論與討論

3.1 結論

1960-2019年河南省初、 終霜平均日期分別為11月8日和3月28日,無霜期平均為224 d,近60a來河南省初霜日以2.66 d/10a的傾向率顯著推遲,終霜日顯著提前,傾向率為-2.88 d/10a,無霜期顯著延長,傾向率為5.54 d/10a.初霜日突變點為2004年,突變后初霜日推遲13 d,終霜日和無霜期于1998年發生突變,突變后終霜日提前11 d,無霜期延長21 d．

近60a河南省各地初霜日自南向北逐漸提前,終霜日自南向北逐漸推遲,多數地區終霜日出現在3月下旬至4月上旬,全省無霜期在206～244 d之間,自南向北逐漸減小．

河南省初霜日和無霜期均與緯度呈極顯著負相關關系,終霜日和緯度呈極顯著正相關關系,河南省初、 終霜日和無霜期主要受緯度影響．

3.2 討論

在全球變暖背景下,近60a河南省初霜日推遲,終霜日提前,無霜期顯著延長,這與中國大部分地區研究結果一致[12，27],這將延長作物生長季[28],利于作物適宜種植區域由較低海拔向較高海拔區域推進擴展,然而生長季延長又增加了作物在霜凍中的暴露,因此,在未來全球變暖背景下,各地還需因地制宜地采取調整農作物種植制度等措施,以減少霜凍危害．

本研究探討了霜凍與地理因子的關系,認為河南省初、 終霜日和無霜期主要受緯度影響,限于數據的可獲取性及篇幅所限,環流指數和城市化等因素對霜凍的影響有待進一步研究．