1961—2017年內(nèi)蒙古霜凍時(shí)空分布特征及演變趨勢(shì)

王惠貞 李丹 吳瑞芬 吳向東

摘要：為深入研究?jī)?nèi)蒙古霜凍發(fā)生的演變規(guī)律，提高防霜減災(zāi)能力，促進(jìn)氣候資源合理開發(fā)利用，以1961—2017年內(nèi)蒙古107個(gè)氣象站的逐日最低地溫資料為基礎(chǔ)，根據(jù)霜凍氣候指標(biāo)統(tǒng)計(jì)霜凍日數(shù)，并采用線性傾向估計(jì)法、旋轉(zhuǎn)正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)（REOF）分析法及M-K突變檢驗(yàn)等方法分析內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的時(shí)空變化特征和突變情況。結(jié)果表明，（1）內(nèi)蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)，且變化程度與海拔高度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。（2）從內(nèi)蒙古各地區(qū)霜凍日數(shù)近57年的平均值分布特征來看，東北部地區(qū)霜凍日數(shù)最多、西部和東南部地區(qū)略少。（3）自20世紀(jì)60年代以來，內(nèi)蒙古年平均霜凍日數(shù)發(fā)生突變的時(shí)間為1987年。（4）通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）和REOF分析可知，內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征受氣候因素、地形等因素影響，分為中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū)等3個(gè)區(qū)域，中西部地區(qū)霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)最為明顯，隨著全球氣候變化加劇，該地區(qū)可能成為霜凍脆弱區(qū)。

關(guān)鍵詞：霜凍日數(shù);年際變化;突變;EOF;REOF

中圖分類號(hào)： S425文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0274-09

收稿日期：2019-09-03

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號(hào)：2017MS0411）;內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局科技創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：nmqxkjcx201915）;中國氣象局氣候變化專項(xiàng)（編號(hào)：CCSF202025）。

作者簡(jiǎn)介：王惠貞（1988—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，工程師，主要從事應(yīng)用氣象與農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防御研究。E-mail：1695920285@qq.com。

通信作者：李?丹，碩士，工程師，主要從事生態(tài)氣象學(xué)研究。E-mail：40342051@qq.com。

目前，全球變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第5次評(píng)估報(bào)告指出，近130年（1880—2012年），全球地表溫度增高 0.85 ℃，不同區(qū)域氣候變暖的范圍和幅度各異，我國1951—2017年地表年平均氣溫平均每10年升高0.24 ℃[1-3]。在全球變暖的氣候背景下，極端氣候特征也出現(xiàn)一系列的變化，其中，霜凍的發(fā)生受溫度變化的控制，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一[4]。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞霜凍的分布特征和氣候變化特征及霜凍災(zāi)害評(píng)估等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，北歐和北美霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)有明顯的地域差異[5-7]，20世紀(jì)90年代以后我國大部地區(qū)霜凍日數(shù)呈縮短趨勢(shì)[8]，且霜凍日數(shù)的變化具有明顯的區(qū)域特征[9]。影響我國寧夏、西藏、貴州等地區(qū)霜凍日數(shù)變化特征的因素較多，時(shí)空變化規(guī)律有區(qū)域性和季節(jié)性等差異[10-14]，且霜凍日期的變化與極渦、副熱帶高壓所處的位置及變動(dòng)有直接關(guān)系[15]。

內(nèi)蒙古地形和氣候復(fù)雜多樣，霜凍主要出現(xiàn)在秋季和春季，是影響內(nèi)蒙古地區(qū)玉米、馬鈴薯、大豆等農(nóng)作物生產(chǎn)的主要因素之一[16]。目前針對(duì)內(nèi)蒙古霜凍的研究較多，包括對(duì)初霜凍日期、終霜凍日期及作物霜凍臨界溫度等方面的研究[17-19]，但霜凍日數(shù)的變化特征尚不清楚。本研究以日最低氣溫<0 ℃的日數(shù)作為霜凍指標(biāo)，揭示近57年內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的年際變化、突變情況及空間變化的特征，對(duì)防霜減災(zāi)和高效利用農(nóng)業(yè)氣候資源具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，并為提高對(duì)霜凍的預(yù)測(cè)和服務(wù)能力奠定理論基礎(chǔ)。

1?資料與方法

1.1?數(shù)據(jù)資料

選用1961—2017年內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)（37.85～50.78°N、101.07～124.48°E）119個(gè)基本氣象站逐日最低氣溫資料，對(duì)資料進(jìn)行均一性訂正，遵循資料年代較長、區(qū)域分布較均勻的原則，剔除部分站點(diǎn)，最終選定107個(gè)代表站點(diǎn)，并利用周圍參考站數(shù)據(jù)對(duì)代表站點(diǎn)個(gè)別年份缺測(cè)及其他因素造成的奇異值進(jìn)行訂正，周圍參考站的選擇遵循距離200 km以內(nèi)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7以上、高度差50 m以內(nèi)的原則。上述資料來源于內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心。

1.2?指標(biāo)與研究方法

以地面0 cm最低溫度低于0 ℃作為霜凍指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)霜凍日數(shù)（frost days，簡(jiǎn)稱FD），即一年中日最低氣溫<0 ℃的日數(shù)。采用均值分布法分析平均霜凍日數(shù)的空間分布;采用線性傾向估計(jì)法分析霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)，并用t檢驗(yàn)對(duì)其信度進(jìn)行檢驗(yàn);采用Mann-Kendall（M-K）突變分析法檢測(cè)霜凍日數(shù)的突變特征;采用相關(guān)分析法和多元回歸分析法研究海拔和緯度對(duì)霜凍日數(shù)變化的影響;采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（REOF）方法分析霜凍發(fā)生的時(shí)空分布特征。

1.3?數(shù)據(jù)分析和圖表制作方法

以SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析，用Excel繪制圖表，用ArcGIS 10.2制作相關(guān)分布圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的年際變化特征

1961—2017年內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的線性變化呈明顯下降的趨勢(shì)（圖1），平均每10年下降3.6 d。20世紀(jì)90年代后期之前，內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)波動(dòng)起伏，這之后，霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)較明顯。近57年內(nèi)蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)為183 d，從1996年開始5年滑動(dòng)平均值均低于57年平均值，1998年霜凍日數(shù)達(dá)最低值，為167 d。

2.2?內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)和地理分布特征

2.2.1?霜凍日數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)分析

對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)107個(gè)臺(tái)站的霜凍資料進(jìn)行線性趨勢(shì)分析，得到趨勢(shì)變化系數(shù)分布（圖2）。分析結(jié)果表明，系數(shù)為負(fù)值，對(duì)應(yīng)霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)，說明全區(qū)大部分地區(qū)近57年來霜凍日數(shù)呈較明顯的減少趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)分布存在明顯的區(qū)域差異，霜凍日數(shù)減少幅度較大的地區(qū)主要在東北部和中西部大部分地區(qū)，變化趨勢(shì)在-3.5 d/10年以上，其中河套灌區(qū)和陰山北麓偏東地區(qū)霜凍日數(shù)減少最明顯，線性傾向達(dá)到 -6.6～-6.1 d/10年，錫林郭勒盟東部、通遼市南部、赤峰市南部和呼倫貝爾市西部地區(qū)的線性傾向?yàn)?3.5～-1.5 d/10年。

3?討論

內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)有明顯的年際變化特征，1961—2017年內(nèi)蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)的線性變化呈明顯下降趨勢(shì)，全區(qū)107個(gè)測(cè)試站點(diǎn)中有94個(gè)站點(diǎn)霜凍日數(shù)表現(xiàn)為極顯著減少趨勢(shì)，變化趨勢(shì)分布存在明顯的區(qū)域差異，霜凍日數(shù)減少幅度相對(duì)較大的地區(qū)主要在東北部和中西部大部地區(qū)。全球變暖使霜凍日數(shù)整體呈減少趨勢(shì)，可能造成玉米、大豆等大田作物發(fā)育期延遲，尤其是北半球30°N以北地區(qū)作物生長季延長幅度較大的地區(qū)近30年的霜凍日數(shù)有所增加，而霜凍日數(shù)的變化對(duì)作物的危害具有較大的不確定性，可能增加植株受霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)，但與作物品種、植株耐寒性和所處生育期密切相關(guān)，全球性和區(qū)域性氣候變暖也預(yù)示著農(nóng)作物和植物花期受霜凍危害的可能性將減小[21-26]。

分析各地區(qū)霜凍日數(shù)的趨勢(shì)變化系數(shù)與地理方位的關(guān)系得出，海拔、緯度以及地形綜合作用于霜凍日數(shù)的變化，但主導(dǎo)性因素的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果略有差異，霜凍日數(shù)的趨勢(shì)變化程度與海拔高度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明海拔高度對(duì)霜凍日數(shù)趨勢(shì)變化系數(shù)影響較大。

內(nèi)蒙古近57年霜凍日數(shù)區(qū)域特征明顯，大致符合地帶性分異規(guī)律，呈現(xiàn)東北部多、西部和東南部少的分布特征。通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解得出，內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的分布型為主導(dǎo)分布型，表現(xiàn)為在多年霜凍日數(shù)變化中受共同氣候因子影響的一致性減少變化，且1987年之前呈振蕩變化而之后呈明顯偏少的特征，呼和浩特、包頭、巴彥淖爾市和鄂爾多斯東北部地區(qū)霜凍日數(shù)年際變化幅度較大。20世紀(jì)80—90年代，東西區(qū)域界限變動(dòng)較明顯，隨著時(shí)間變換由東北逐漸向西南方向移動(dòng)。

由于EOF分解的局限性，分離出的空間分布結(jié)構(gòu)不能更細(xì)致地表示不同地理區(qū)域的特征[27]，而采用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（REOF）分解分區(qū)時(shí)，經(jīng)過正交旋轉(zhuǎn)后荷載平方的方差和達(dá)到最大，使得各特征向量的高荷載值更加突出，因此該方法對(duì)霜凍日數(shù)變化特征進(jìn)行分區(qū)更具有客觀性[28-30]。根據(jù)內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征可分成3個(gè)區(qū)域，分別是中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū)，中西部地區(qū)霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)最為明顯，該區(qū)地處陰山山脈地區(qū)，隨著全球氣候變化加劇，可能成為霜凍脆弱區(qū)。

4?結(jié)論

基于對(duì)1961—2017年內(nèi)蒙古地區(qū)霜凍日數(shù)的綜合分析，可獲得以下結(jié)論。

近57年內(nèi)蒙古平均霜凍日數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)，霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)分布存在明顯的區(qū)域差異，變化程度與海拔高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，從各地區(qū)霜凍日數(shù)近57年平均值的分布特征來看，東北部地區(qū)霜凍日數(shù)最多、西部和東南部地區(qū)略少。

對(duì)內(nèi)蒙古107個(gè)測(cè)試站點(diǎn)的57年霜凍日數(shù)資料進(jìn)行突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)60年代以來，內(nèi)蒙古年平均霜凍日數(shù)在明顯下降的基礎(chǔ)上，存在突變，突變的時(shí)間為1987年。

根據(jù)內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征可分成3個(gè)區(qū)域，分別是中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū)，東北部地區(qū)霜凍日數(shù)相對(duì)較多，但3個(gè)區(qū)域內(nèi)測(cè)試站點(diǎn)均表現(xiàn)為在多年霜凍日數(shù)變化中受共同氣候因子影響的一致性減少變化，其中，中西部地區(qū)霜凍日數(shù)較少趨勢(shì)最為明顯。

總體來看，內(nèi)蒙古地形分布可代表霜凍日數(shù)的空間分布模式，霜凍防御的重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)該集中在中西部農(nóng)區(qū)，東南部農(nóng)區(qū)受霜凍影響較輕，對(duì)于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較有利。

參考文獻(xiàn)：

[1]IPCC. Intergovernmental panel on climate change：the physical science basis，of working groupⅠto the fifth annual assessment report of the IPCC[R]. Cambridge：Cambridge University Press，2013.

[2]中國氣象局氣候變化中心. 2018年中國氣候變化藍(lán)皮書[M]. 北京：氣象出版社，2018.

[3]王媛媛，張?勃. 1971年至2010年隴東地區(qū)霜凍與積溫變化特征[J]. 資源科學(xué)，2012，34（11）：2181-2188.

[4]馬柱國. 中國北方地區(qū)霜凍日的變化與區(qū)域增暖相互關(guān)系[J]. 地理學(xué)報(bào)，2003，58（增刊1）：31-37.

[5]Heino R，Brázdil R，F(xiàn)rland E，et al. Progress in the study of climatic extremes in Northern and Central Europe[J]. Climatic Change，1999（42）：151-181.

[6]Bonsal B R，Zhang X，Vincent L A，et al. Charcteristics of daily and exteme temperature over Canada[J]. Journal of Climate，2001（14）：1959-1976.

[7]Easterling D R. Recent changes in frost days and the frost-free season in the United States[J]. Bulletin of the American Meteorological Society，2002，83（9）：1327-1332.

[8]王國復(fù)，許?艷，朱燕君，等. 近50年我國霜期的時(shí)空分布及變化趨勢(shì)分析[J]. 氣象，2009，35（7）：61-67.

[9]王?岱，游慶龍，江志紅，等. 基于均一化資料的中國極端地面氣溫變化分析[J]. 高原氣象，2016，35（5）：1352-1363.

[10]郭?軍，任國玉，任?雨. 近100年天津平均氣溫與極端氣溫變化[J]. 高原氣象，2011，30（5）：1399-1405.

[11]郜紅娟，蔡廣鵬，陸?藝，等. 1960—2013年貴州省霜凍日數(shù)時(shí)空變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，2017，38（4）：16-19，42.

[12]馬尚謙，張?勃，劉莉莉，等. 甘肅省霜凍日期時(shí)空變化特征及影響因素[J]. 高原氣象，2019，38（2）：397-409.

[13]張?磊，楊?洋，張曉煜，等. 近50年寧夏霜凍日數(shù)基本特征及變化趨勢(shì)[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（5）：214-219.

[14]拉巴次仁，索朗加措，白?瑪. 1981—2010年西藏霜凍日數(shù)的變化特征[J]. 地理學(xué)報(bào)，2014，69（5）：690-696.

[15]馬?彬，張?勃，賈艷青，等. 1961—2014年中國內(nèi)陸農(nóng)業(yè)區(qū)異常初、終霜凍日期時(shí)空變化及其與環(huán)流因子的關(guān)系[J]. 氣象學(xué)報(bào)，2017，75（4）：661-671.

[16]潘進(jìn)軍. 內(nèi)蒙古氣象災(zāi)害及其預(yù)防[M]. 北京：氣象出版社，2007.

[17]張?宇，尤?莉，關(guān)彥如，等. 內(nèi)蒙古自治區(qū)1971—2018年春季終霜凍日期時(shí)空分布特征分析[J]. 北方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，47（2）：97-103.

[18]王海梅，侯?瓊，云文麗，等. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)玉米與向日葵霜凍的關(guān)鍵溫度[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（11）：2948-2953.

[19]高?晶. 1971—2014年內(nèi)蒙古初霜凍的氣候特征及環(huán)流因子初步分析[J]. 內(nèi)蒙古氣象，2016（3）：13-16.

[20]白美蘭，郝潤全，李喜倉，等. 1961—2010年內(nèi)蒙古地區(qū)極端氣候事件變化特征[J]. 干旱氣象，2014，32（2）：189-193.

[21]Koen H，F(xiàn)riedl M A，Trevor F K，et al. Ecological impacts of a widespread frost event following early spring leaf-out[J]. Global Change Biology，2012，18（7）：2365-2377.

[22]Qiang L，Piao S L，Janssens I A，et al. Extension of the growing season increases vegetation exposure to frost[J]. Nature Communications，2018，9（1）：426-430.

[23]Augspurger C K. Reconstructing patterns of temperature，phenology，and frost damage over 124 years：spring damage risk is increasing[J]. Ecology，2013，94（1）：41-50.

[24]Lenz A，Hoch G，Yann V，et al. European deciduous trees exhibit similar safety margins against damage by spring freeze events along elevational gradients[J]. New Phytologist，2013，200（4）：1166-1175.

[25]戴君虎，王煥炯，葛全勝. 近50年中國溫帶季風(fēng)區(qū)植物花期春季霜凍風(fēng)險(xiǎn)變化[J]. 地理學(xué)報(bào)，2013，68（5）：593-601.

[26]郭曉雷，申雙和，張?磊，等. 寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生的時(shí)空分布特征分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（6）：238-242.

[27]魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M]. 2版.北京：氣象出版社，2007：117-124.

[28]Michael B R. Rotation of principal components[J]. Journal of Climatology，1986，6（3）：293-335.

[29]Zhang Q，Xu C Y，Zhang Z X. Spatial and temporal variability of precipitation over China，1951—2005[J]. Theoretical and Applied Climatology，2009，95（1/2）：53-68.

[30]Wang J L，Zhang R H，Wang Y C. Areal differences in diurnal variations in summer precipitation over Beijing metropolitan region[J]. Theoretical and Applied Climatology，2012，110（3）：395-408.