寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)時(shí)空變化特征

朱永寧，馮東溥，李紅英，段曉鳳，鄭 方

(1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002)

引 言

霜凍是中國(guó)北方面臨的嚴(yán)重農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害之一，對(duì)農(nóng)作物和林果的產(chǎn)量和品質(zhì)均有較大危害[1-3]。伴隨著全球氣候變暖，霜凍日數(shù)及其程度在不同時(shí)空尺度上發(fā)生了變化，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)生較大影響[4]。研究表明，寧夏春季霜凍日數(shù)明顯多于秋季，春霜凍危害大于秋霜凍，且秋霜凍日期逐漸推遲[5]。近年來(lái)，寧夏大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，如枸杞、釀酒葡萄、蘋果、硒砂瓜等，這些特色農(nóng)作物在春霜凍期多處于開花、放條、移栽等抵御災(zāi)害能力最差階段，春霜凍一旦發(fā)生，便會(huì)使其嚴(yán)重受害。因此，搞清寧夏春霜凍的時(shí)空變化規(guī)律以及周期特征，對(duì)霜凍防御、特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局以及結(jié)構(gòu)調(diào)整有重要意義。

針對(duì)霜凍變化規(guī)律開展的研究主要包括霜凍初日和終日、霜凍日數(shù)及頻率的氣候變化趨勢(shì)及其空間差異性[6-14]以及霜凍災(zāi)害評(píng)估模型、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和預(yù)防[15-18]等。研究表明，寧夏全年和春、秋季霜凍日數(shù)及概率均呈下降趨勢(shì)[19-20]，霜凍初、終日的絕對(duì)變率與海拔呈正相關(guān)，而與緯度呈負(fù)相關(guān)[21]。李紅英等[22]根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害理論提出霜凍致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性指數(shù)，評(píng)估了寧夏各地區(qū)霜凍災(zāi)害程度。本文基于寧夏氣象站點(diǎn)最低氣溫觀測(cè)資料，根據(jù)霜凍日定義標(biāo)準(zhǔn)對(duì)春霜凍期內(nèi)霜凍日進(jìn)行判定，并采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Sen斜率、Morlet小波分析等方法，揭示春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律，探討氣候變化下兩者間的關(guān)系，以期為寧夏特色農(nóng)業(yè)區(qū)劃和春霜凍防御提供一定的科學(xué)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

寧夏回族自治區(qū)位于中國(guó)西北部，面積6.64萬(wàn)km2，人口681.8萬(wàn)，下轄22縣(市、區(qū))，屬于溫帶大陸性氣候。利用1961—2016年寧夏氣象站最低氣溫逐日觀測(cè)資料，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，剔除數(shù)據(jù)序列短的站點(diǎn)后共計(jì)19站，站點(diǎn)空間分布如圖1所示。地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于寧夏氣象局公開數(shù)據(jù)。

圖1 寧夏氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial distribution of weather stations in Ningxia

1.2 研究方法

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在4月10日至5月15日期間，寧夏各地小麥、玉米等作物相繼進(jìn)入苗期，桃、李、杏、梨等經(jīng)濟(jì)林果處于開花期或花蕾期，釀酒葡萄進(jìn)入萌芽期，枸杞處于萌芽—展葉期，此階段發(fā)生霜凍會(huì)給作物帶來(lái)嚴(yán)重危害， 故將這一階段定義為寧夏的春霜凍期。霜凍日由當(dāng)日最低氣溫小于0 ℃的標(biāo)準(zhǔn)[5,19]進(jìn)行判定。按照這一標(biāo)準(zhǔn)判定寧夏春霜凍期內(nèi)霜凍日，并統(tǒng)計(jì)霜凍日數(shù)。各站春霜凍期最低氣溫是這一時(shí)段內(nèi)每日最低氣溫的平均值。然后，對(duì)各站春霜凍期最低氣溫進(jìn)行區(qū)域平均，得到寧夏春霜凍期區(qū)域平均最低氣溫。

采用Mann-Kendall趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)方法[23-24]判定時(shí)間序列的變化趨勢(shì)、突變點(diǎn)及顯著水平，Morlet小波分析來(lái)探討序列的周期變化特征[25]。Sen斜率[26-27]能降低或避免數(shù)據(jù)缺失及異常對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，因此采用該方法分析序列的年均變幅。應(yīng)用一元線性回歸和皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析最低氣溫和霜凍日數(shù)的關(guān)系。在ArcGIS 10.1軟件下，采用反距離加權(quán)法對(duì)要素進(jìn)行空間插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 寧夏春霜凍期最低氣溫及霜凍日數(shù)的時(shí)間變化特征

1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫平均為0.59 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13 ℃，變異系數(shù)為0.22，在1960年代、1990年代波動(dòng)較大，1980年代、2000年代以后波動(dòng)漸緩，且階段性變化特征明顯，1980年代以前波動(dòng)下降，之后階段性持續(xù)上升，整個(gè)時(shí)段上升趨勢(shì)明顯[圖2(a)]，且Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)Z值為4.32，上升趨勢(shì)極為顯著(P<0.01)，Sen斜率為0.005℃·a-1，與一元線性擬合的氣候傾向率0.0042 ℃·a-1接近。從Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果[圖2(b)]看出，UF曲線在1980年代末開始由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，UF和UB曲線在1996年前后相交與一點(diǎn)，且UF曲線于2003年以后超出0.05顯著性水平臨界線，表明寧夏春霜凍期最低氣溫發(fā)生了由低到高的顯著突變，突變發(fā)生在1996年前后。

圖2 1961—2016年寧夏春霜凍期區(qū)域平均最低氣溫年際變化(a)與Mann-Kendall檢驗(yàn)(b)Fig.2 The annual variation (a) and Mann-Kendall abrupt change test (b) of the regional average minimum temperature during the spring frost stage in Ningxia from 1961 to 2016

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近56 a寧夏春霜凍日數(shù)年平均為3.9 d，標(biāo)準(zhǔn)差為2.08 d，變異系數(shù)為0.54，表明春霜凍日數(shù)的離散性很高；春霜凍日數(shù)有明顯的階段性年代際變化特征，且1960年代波動(dòng)幅度異常大，1962年全區(qū)平均為11.8 d，1964年平均為0.5 d；隨著時(shí)間推移春霜凍日數(shù)的離散性逐漸變低，且整體呈明顯下降趨勢(shì)[圖3(a)]，Mann-Kendall檢驗(yàn)也反映下降趨勢(shì)顯著(P<0.01)，Sen斜率為-0.05 d·a-1，與線性擬合的斜率-0.0534 d·a-1極為接近。從圖3(b)看出，UF曲線在1980年代中期以后由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，UF和UB曲線在2003年相交于一點(diǎn)，且UF曲線在2011年以后通過(guò)0.05顯著水平臨界線，表明近56 a寧夏春霜凍日數(shù)發(fā)生了由多到少的顯著突變，突變點(diǎn)為2003年。

圖3 1961—2016年寧夏春霜凍日數(shù)年際變化(a)與Mann-Kendall檢驗(yàn)(b)Fig.3 The annual variation (a) and Mann-Kendall abrupt change test (b) of spring frost days in Ningxia during 1961-2016

圖4為1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的線性相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2(0.744)和皮爾遜相關(guān)系數(shù)(-0.86)達(dá)到0.01的極顯著水平；最低氣溫每升高0.1 ℃，霜凍日數(shù)約減少1.4 d。結(jié)合最低氣溫和霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)可以斷定，寧夏春霜凍期氣候變暖是霜凍日數(shù)減少的主要原因。

圖4 寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的線性相關(guān)關(guān)系Fig.4 Linear correlation between the minimum temperature during the spring frost stage and frost days in Ningxia

2.2 寧夏春霜凍期最低氣溫及霜凍日數(shù)的空間分布特征

圖5是1961—2016年寧夏春霜凍期多年平均最低氣溫和霜凍日數(shù)空間分布?？梢钥闯觯畹蜌鉁乜傮w上以寧夏中西部向周邊遞減，南部山區(qū)的固原、西吉、隆德和涇源屬于低值區(qū)(0.30～0.45 ℃)，銀川、永寧、青銅峽、吳忠、靈武、中寧等中部沿黃灌區(qū)為高值區(qū)(0.69～0.76 ℃)[圖5(a)]；霜凍日數(shù)與最低氣溫在空間變化上呈反向分布，南部山區(qū)和興仁為霜凍日數(shù)高值區(qū)，這一點(diǎn)也說(shuō)明了霜凍日數(shù)與海拔高度基本呈正相關(guān)，在霜凍災(zāi)害防控上需要引起足夠重視。

利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和Sen斜率方法，分析了1961—2016年寧夏19站春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)(圖6)，發(fā)現(xiàn)全區(qū)最低氣溫變化趨勢(shì)空間不一致，14站最低氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，占總站數(shù)的74%，3站無(wú)顯著變化趨勢(shì)，永寧和興仁站則呈顯著下降趨勢(shì)，可見，在全球變暖背景下寧夏最低氣溫整體顯著上升，但最低氣溫的變化具有顯著的區(qū)域性；南部山區(qū)和中東部地區(qū)Sen斜率絕對(duì)值較小，永寧和興仁較大[圖6(a)]。霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)也表現(xiàn)出空間不一致性，10站為顯著減少，永寧和興仁為顯著增加，其他站點(diǎn)無(wú)顯著變化，且全區(qū)霜凍日數(shù)的Sen斜率均較小，南部山區(qū)和北部地區(qū)主要為負(fù)值，中南部地區(qū)和永寧為正值，數(shù)值接近于0，其中南部固原和北部惠農(nóng)相對(duì)較大[圖6(b)]。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最低氣溫顯著上升的14站中有10站(占71.4%)霜凍日數(shù)顯著下降，其他4站變化不顯著，說(shuō)明多數(shù)情況下霜凍日數(shù)與最低氣溫的變化呈負(fù)相關(guān)，但霜凍日數(shù)并非完全依賴于最低氣溫，它是以0 ℃氣溫界定的，盡管最低氣溫整體顯著升高，但低于0 ℃的日數(shù)可能并未減少，致使霜凍日數(shù)無(wú)變化。最低氣溫顯著下降的興仁和永寧2站，其霜凍日數(shù)都顯著上升，說(shuō)明最低氣溫降低時(shí)勢(shì)必引起霜凍日數(shù)增多。可見，寧夏春霜凍期氣候變暖是霜凍日數(shù)減少的主要原因。從地形上(圖略)看，無(wú)論平原或山區(qū)，霜凍日數(shù)均出現(xiàn)顯著增多、顯著減少以及無(wú)明顯變化的情況，說(shuō)明霜凍日數(shù)的變化與地形關(guān)系不大。

圖5 1961—2016年寧夏春霜凍期平均最低氣溫(a，單位: ℃)和霜凍日數(shù)(b，單位：d)空間分布Fig.5 Spatial distribution of average minimum temperature during the spring frost stage (a, Unit: ℃) and frost days (b, Unit: d) in Ningxia from 1961 to 2016

圖6 1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫(a)和霜凍日數(shù)(b)變化趨勢(shì)空間分布Fig.6 Spatial distribution of change trend of the minimum temperature during the spring frost stage (a) and frost days (b) in Ningxia from 1961 to 2016

2.3 寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)周期特征

圖7是1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)Morlet小波分析實(shí)部，正值區(qū)表示最低氣溫(霜凍日數(shù))偏高(偏多)，負(fù)值區(qū)與之相反。由圖7(a)可見，最低氣溫在1961—1966年、1997—1999年、2010—2014年3個(gè)時(shí)段變化較為劇烈，存在明顯的10 a左右、20～25 a周期變化，且穩(wěn)定，具有全域性，在1997年以后15 a的周期變化也較明顯。10 a尺度上最低氣溫的變化由劇烈轉(zhuǎn)為平緩，第一個(gè)低值區(qū)為1962年，最低氣溫比平均值偏低0.2 ℃以上，最后一個(gè)低值區(qū)為2010年，比平均值偏低不到0.1 ℃，10 a尺度的周期變化在1997年以后表現(xiàn)穩(wěn)定，整個(gè)時(shí)段周期性較為明顯。在20～25 a尺度上最低氣溫的變化與10 a的情況相反，由平緩變得更加劇烈。

由圖7(b)可見，等值線在1961—1976年極為密集，說(shuō)明該階段霜凍日數(shù)變化劇烈，波動(dòng)幅度大，而1976年以后等值線整體趨于平緩。1994年之前10～12 a的周期變化特征明顯，且1967—1994年間還明顯存在6 a左右的周期振蕩，而1994年之后8 a左右的周期振蕩明顯。此外，在整個(gè)時(shí)域內(nèi)還存在20～25 a左右較為明顯的穩(wěn)定周期變化，在這個(gè)時(shí)間尺度上霜凍日數(shù)變化也由劇烈逐漸變?yōu)槠骄彙?/p>

圖7 1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫(a)和霜凍日數(shù)(b)Morlet小波實(shí)部的時(shí)頻分布Fig.7 Time-frequency distribution of Morlet wavelet real part of the minimum temperature during the spring frost stage (a) and frost days (b) in Ningxia from 1961 to 2016

3 結(jié)論與討論

(1)1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)均發(fā)生顯著變化，前者上升趨勢(shì)極為顯著，這與杜靈通等[28]的判斷相吻合，也印證了氣候變暖的事實(shí)[12]，而后者顯著下降，Sen斜率為-0.05 d·a-1，與桑建人等[29]得出的1961—2004年春霜凍次數(shù)線性傾向率較接近，在一定程度上印證了中國(guó)北方氣候變暖造成霜凍日數(shù)減少的論斷[7]。另外，春霜凍期最低氣溫與霜凍日數(shù)存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，比桑建人等[29]基于年平均最低氣溫得到的結(jié)果具有更強(qiáng)的相關(guān)性，能夠更好地揭示霜凍事件對(duì)氣候變暖的響應(yīng)。

(2)在空間上，寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)互為反向分布，且空間差異較大。寧夏中部是最低氣溫的高值區(qū)和霜凍日數(shù)的低值區(qū)，南部則是最低氣溫的低值區(qū)和霜凍日數(shù)的高值區(qū)。這與李紅英等[22]提出的霜凍致災(zāi)因子低、中、高危險(xiǎn)區(qū)空間劃分基本吻合。

(3)近56 a來(lái)，春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)變化趨勢(shì)空間不一致，全區(qū)74%的站點(diǎn)最低氣溫顯著上升，53%的站點(diǎn)霜凍日數(shù)顯著減少，且同一站點(diǎn)表現(xiàn)并不完全相反，其中中寧、麻黃山、同心、海原最低氣溫顯著上升，但霜凍日數(shù)未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明霜凍日數(shù)并不完全隨著最低氣溫的升高而減少，可能還受風(fēng)速、蒸發(fā)等其他因子的影響。

(4)寧夏春霜凍期最低氣溫的周期振蕩特征與霜凍日數(shù)有較好的契合度，在20～25 a和10 a左右尺度上均具有較強(qiáng)規(guī)律性，且尺度也較為接近，其中20～25 a長(zhǎng)周期的契合度更好。最低氣溫和霜凍日數(shù)在1976年以前振蕩劇烈，而后逐漸趨于平緩，未來(lái)霜凍日數(shù)變化趨向平緩下降的可能性較大。

寧夏春霜凍期氣候變暖導(dǎo)致春霜凍日數(shù)顯著減少，整體有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但永寧和興仁霜凍日數(shù)卻有明顯增加趨勢(shì)，需要當(dāng)?shù)卣贫ㄏ鄳?yīng)措施來(lái)防災(zāi)減災(zāi)。同時(shí)還應(yīng)該關(guān)注霜凍日數(shù)的穩(wěn)定周期，在霜凍防御、種植結(jié)構(gòu)布局上充分考慮以減輕霜凍危害。