寧夏春霜凍期相對濕度的時空變化特征研究

摘 要：相對濕度是霜凍形成過程中的重要影響因素。基于寧夏1961—2016年春霜凍期相對濕度觀測數據，采用皮爾遜相關系數、Mann-Kendall趨勢檢驗、Sen斜率法、反距離空間插值法，研究了相對濕度的時空變化特征。結果表明：1961—2016年寧夏春霜凍期的相對濕度和霜凍日數均呈下降趨勢，且兩者存在顯著的負相關。在空間分布方面，南部為高值區，中部為中值區，北部為低值區。全區84 %的站點相對濕度顯著下降，其余站點無明顯變化，Sen斜率較小。

關鍵詞：春霜凍時期；相對濕度；時空變化；Mann-Kendall檢驗

中圖分類號：S512.11 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–0-03

氣候風險是災害風險的重要組成部分，?其影響范圍廣泛。而關于氣候風險的研究主要集中在氣候災害因子的發生頻率、持續時間和強度等方面，并關注其等級及出現概率。其中，春霜凍是寧夏農業和林業面臨的一種多發性自然災害，尤其對小麥、蘋果和紅梅杏等作物的危害較大，相關學者也針對這一領域進行了深入研究。

李紅英等[1]使用寧夏23個氣象站點1981—2010年的日最低氣溫觀測數據，結合數理統計和空間分析方法，深入分析了寧夏霜凍的發生范圍、頻率、強度及致災因子的危險性。郭曉雷等[2]通過對寧夏枸杞種植區15個氣象站1961—2017年的最低氣溫觀測數據及春霜凍致災指標進行分析，研究了春霜凍發生次數和終霜凍日的時空分布特征。程瑛等[3]通過分析甘肅省57個氣象站點1961—2017年的溫度和霜凍災害數據，運用趨勢系數、累計距平和Mann-Kendall方法探討了不同等級霜凍日數的變化特征。朱永寧等[4]通過人工霜凍試驗明確了危害積溫和持續時間對枸杞花期霜凍形成的作用。白磊等[5]利用1961—2018年的長時間序列格點氣象數據，替代以往的站點數據，通過趨勢分析和聚類分析等方法，探討了中國地區霜凍的時空變化規律，包括霜凍的辨識閾值、發生時間及強度。丁永平[6]結合寧夏23個氣象站1981—2020年的氣象數據和霜凍災害調查結果，分析了蘋果、釀酒葡萄和桃等作物的霜凍風險分布規律。姜元等[7]基于陜西省蘋果主產區1971—2018年的逐日最低氣溫數據，提取了春霜凍事件的歷時和強度等特征變量，運用6種Copula函數構建春霜凍特征變量的聯合分布，并分析了春霜凍的發生概率及重現期。王磊等[8]通過連續30年的農業和氣象觀測資料，統計分析了降水、氣溫、日照時數等因子對曹縣冬小麥霜凍災害和產量的影響。邱星霖等[9]通過CMIP5氣候模式提供的積溫和最低溫度評估了中國北方蘋果花期霜凍災害風險。梁小娟等[10]通過低溫脅迫探究了寧夏葡萄霜凍凍害閾值。

當前，氣象因素對霜凍的影響主要集中在最低溫度及其持續時間上，由于霜凍災害同時受到多種因素的綜合影響，其形成過程較為復雜，而相對濕度通過影響作物周圍空氣比熱容和熱量傳播過程對作物霜凍災害的形成有重要作用，針對此方面的研究較少[11]。探討寧夏春霜凍期相對濕度和霜凍日數的相關關系，以及相對濕度的時空變化規律，以期為農業規劃和氣象災害防控提供數據支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

寧夏回族自治區位于中國西北部，面積為6.64萬km2，轄5個地級市，下轄22個縣市區，屬于溫帶大陸性氣候。

自然狀況：寧夏海拔1 000 m以上，地勢南高北低，落差近1 000 m，呈階梯狀下降。屬典型的大陸性氣候，為溫帶半干旱區和半濕潤地區，具有春多風沙、夏少酷暑、秋涼較早、冬寒較長、雨雪稀少、日照充足、蒸發強烈等特點，年平均降水量300 mm左右。

地理區劃：在地形上分為三大板塊，一是北部引黃灌區。地勢平坦，土壤肥沃，素有“塞上江南”的美譽。二是中部干旱帶。干旱少雨，風大沙多，土地貧瘠，植物生存條件較差。三是南部山區。丘陵溝壑林立，部分地域陰濕高寒。

寧夏春季霜凍一般發生在4月10—5月15日，該時期1961—2016年的逐日相對濕度由國家氣象科學數據中心提供，經過數據校驗，剔除數據序列短的站點，將逐日數據在霜凍期進行算術平均處理。霜凍日數的判定根據王榮梅等[12]的研究確定。

1.2 研究方法

根據Mann-Kendall趨勢檢驗是氣象學廣泛應用的研究方法，能夠對時間序列的變化趨勢、顯著水平及突變點進行判定。具體計算公式如下。

對于時間序列xi（i=1，2，…i，…j，…n）定義符號，函數統計量S：

S=sign（si-si）（1）

（2）

Var（S）=（3）

（4）

上式中，n為序列長度；xi和xj為序列x的第i個和j個元素（i＞j）；Sign為符號函數；Var為方差；Z為標準化檢驗統計量。若Z為正值，表示序列呈上升趨勢，負值呈下降趨勢；當|Z|≥1.96時，表示序列在a=0.05的水平上變化顯著，否則變化趨勢不顯著。

Sen斜率能夠減輕數據異常對統計結果的影響，在分析時間序列的平均變幅方面較線性回歸更為穩定和準確。計算公式為：

Seni， j=Median（5）

式（5）中，Seni， j為Sen斜率；xi和xj分別為第i和第j時刻的序列值；Median為取中值函數。

皮爾遜相關系數是統計學中的基礎方法，可以度量2個變量間相關程度。取值范圍為-1～1，其中，1表示變量完全正相關，-1表示完全負相關。反距離權重法是空間插值的常規方法，能夠表征指標的空間分布特征[13]。以上方法通過數學軟件Matlab和地理信息系統軟件ArcGIS實現。

2 結果與分析

2.1 寧夏春霜凍期氣候相對濕度的時間變化趨勢

為確定寧夏春霜凍期相對濕度對霜凍日數的影響，對時間序列和相關分析進行研究。從時間變化來看，相對濕度和霜凍日數的下降趨勢比較相似，且在大多數年份的曲線呈現出波峰—波谷的對應特征。通過皮爾遜相關分析發現，相對濕度與霜凍日數呈極顯著的負相關關系（圖1）。因此，選擇相對濕度作為寧夏霜凍發生的主要因素之一具有統計學意義。同時根據氣象學原理，日最低氣溫在2 ℃以下空氣中水汽飽和會在植物表面形成白霜，但當相對濕度較高時，空氣的比熱容也較大，從而減緩氣溫降低的速度[14]。在田間防霜時，北方地區也有灌溉、噴灑溫水等措施。相對濕度對霜凍的影響是正相關還是負相關，較為復雜，不能一概而論，還要結合當地氣候、下墊面、低溫閾值、熱效應等要素予以綜合考慮。

經統計，1961—2016年寧夏春霜凍期相對濕度多年平均值為44.45%，標準差為6.75，變異系數為0.15%。由圖1a可見，春霜凍期的相對濕度在1961—1966年左右波動較大，然后波動趨于平緩，1997—2002年又有較大幅度變化，2010年后有小幅波動，整體序列在1961—2015年呈下降趨勢。使用Mann-Kendal趨勢檢驗，得到Z值為-2.72，表明下降趨勢顯著（P＜0.01），Sen斜率為-0.17%/年。

2.2 寧夏春霜凍期氣象指標的空間分布特征

1961—2016年寧夏春霜凍期相對濕度多年平均值空間變化特征見圖2。相對濕度總體上從南到北遞減，南部山區的西吉、隆德和涇源為高值區（55%

～58%），中部地區屬于中值區（41%～54%）， 惠農、陶樂、平羅為低值區（37%～40%）。相對濕度空間上的極值比為1.57，空間差異h3gAOwxuNYDUokEcnBqdWA==較大。研究結論符合寧夏北部灌區、中部干旱帶、南部山區的地理特征，也與寧夏降水和植被的分布有關。相對濕度不僅受降水的影響，還與地形地貌關系密切，寧夏北臨騰格里沙漠與烏蘭布和沙漠，西接毛烏素沙漠，這對相對濕度的空間分布有一定影響。

利用Mann-Kendall趨勢檢驗和Sen斜率分析了1961—2016年寧夏19個氣象站點春霜凍期相對濕度的變化趨勢（圖2b）。相對濕度在全區的16個站點顯著下降，占總數的84%，在3個站點無顯著變化。絕大多數相對濕度顯著下降的站點位于寧夏靠西的一側，無顯著變化的站點則處于中東部。在Sen斜率絕對值方面，鹽池、同心和麻黃山地區較小，吳忠、固原和中衛較大。

3 結論

基于歷史數據和統計分析，研究了1961—2016年寧夏19個氣象站點春霜凍期相對濕度的時空變化特征，主要得出以下結論：

（1）寧夏春霜凍期間的相對濕度和霜凍日數呈現顯著的負相關，同時，相對濕度和霜凍日數均呈顯著下降趨勢（P＜0.01），相對濕度值下降的Sen斜率為-0.17%/年。

（2）在空間分布方面，相對濕度的空間差異較大。表現為由南部山區向中西部遞減的特征，濕度的高值區為寧夏最南部的西吉、隆德和涇原：寧夏中北部為中值區，北部的陶樂、惠農、平羅為低值區。

參考文獻

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[2] 郭曉雷，申雙和，張磊，等.寧夏枸杞種植區春霜凍發生的時空分布特征分析[J].江蘇農業科學，2019，47（6）：238-242.

[3] 程瑛，吳晶，李紅，等.1961—2017年甘肅省霜凍演變特征及其對農業的影響[J].自然災害學報，2019，28（6）：37-46.

[4] 朱永寧，張磊，馬國飛，等.基于危害積溫的枸杞花期霜凍指標試驗[J].農業工程學報，2020，36（14）：188-193.

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[6] 丁永平.寧夏主栽果樹蘋果、釀酒葡萄、桃晚霜凍風險區劃[D].銀川：寧夏大學，2022.

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[10] 梁小娟，張曉煜，楊永娥，等.寧夏‘赤霞珠’葡萄不同發育期晚霜凍害閾值試驗研究[J].西北植物學報，2024，44 （3）：460-469.

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