阿勒泰地区霜冻变化特征分析

2014-10-25张林梅李建丽

陕西气象 2014年6期

关键词：阿勒泰地区阿勒泰霜冻

张林梅，李建丽，张建

(1.兰州大学大气科学学院，兰州 730002；2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰 836500)

阿勒泰地区霜冻变化特征分析

张林梅1,2，李建丽2，张建2

(1.兰州大学大气科学学院，兰州 730002；2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰 836500)

采用阿勒泰地区7个气象观测站1961—2013年0 cm最低地温≤0 ℃的初日、终日资料，运用线性趋势、Mann-Kendall突变检测法、Morlet小波变换、R/S持续分析法对阿勒泰地区的终霜日、初霜日及无霜期进行分析，结果表明：阿勒泰各站呈初霜冻开始迟、终霜冻结束早、无霜期延长的趋势，且大部分站通过了显著性检验。大部分站终霜日和部分站初霜日在20世纪80年代发生突变；大部分站无霜期在70年代中后期和80年代发生突变。各站终霜日、初霜日及无霜期存在明显的年际和年代际尺度的周期变化，年际周期具有一定的同步性，但年代际周期差异较大。全区及各站终(初)霜日将由过去53 a的提前(推后)趋势逐渐转为推后(提前)趋势，无霜期由过去53 a的延长趋势转变为缩短趋势。阿勒泰地区的霜冻灾害主要由终霜冻造成，而终霜冻灾害在空间上主要分布于吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，时间上主要出现于90年代。

终霜日；初霜日；无霜期；Mann-Kendall突变检测；Morlet小波变换；R/S分析法

霜冻是一种限制作物生长期内热量资源充分利用的农业气象灾害[1]。在气候变暖的背景下，全球许多地区的低温冷害事件发生频率和霜冻起讫日期也出现了明显的变化。我国学者对此作了较多研究。叶殿秀[2]分析1961—2007年我国577个测站逐日最低气温资料，指出全国平均终霜日提早时间明显比初霜日推迟时间长，全国平均无霜期自20世纪80年代起明显延长；韩荣青[3]分析1961—2008年北方地区233个测站0 cm最低地温，指出2000年以来各地初霜日推迟最为明显，另外在北方许多地区20世纪80年代初霜日较90年代的偏晚；文献[4-7]分别对北方一些地区的霜冻气候特征进行较深入的研究。

阿勒泰地区位于新疆北部，支柱产业是畜牧业，但据相关统计，近年来农业种植规模也逐步扩大, 霜冻天气的预报越来越引起当地种植户的关注。阿勒泰当地预报员虽然在气候方面做了较多研究[8-10]，但对霜冻的研究较少，只有白松竹[11]以≤ 0 ℃最低气温为指标，分析1961—2008年阿勒泰地区霜冻气候变化特征。但文献[6]指出北方地区采用0 cm最低地温定义初终霜日更为适合，且文献[12]指出天冷的时候,特别是夜间晴朗、微风、有霜的天气, 0 cm最低地温比最低气温低3 ℃左右。但当最低地温≤ 0 ℃时，已会使植物原生质受到破坏，导致植株受害。根据《新疆维吾尔自治区气象局气象灾害预警信号发布业务规范》，将0 cm最低地温≤ 0 ℃作为霜冻指标，分析阿勒泰地区霜冻的气候变化特征，一方面对指导该地区农业生产布局具有重要意义，另一方面，也有助于提高对霜冻灾害的预测能力，为有效防御霜冻灾害提供参考。

1 资料及分析方法

1.1 资料

利用1961—2013年阿勒泰地区7个地面气象观测站(阿勒泰、吉木乃、哈巴河、布尔津、福海、富蕴、青河) 0 cm最低地温≤0 ℃的初日、终日资料，各站地理位置及海拔高度见图1。规定：0 cm最低地温下半年(8—10月)首次出现≤0 ℃的日期为初霜日，上半年(4—6月)最后一次出现≤0 ℃的日期为终霜日，终霜日的翌日至初霜日的前一日为无霜期。全区值取阿勒泰地区7站平均值；气候平均值时段为1961—2013年；灾情资料来自阿勒泰地区民政局。

图1 阿勒泰地区各站地理分布及海拔高度(单位：m)

1.2 方法

趋势分析采用线性趋势检验，突变采用Mann-Kendall法[13]、Morlet小波变换[14]，持续性分析采用R/S方法[15]。

2 结果与分析

2.1 基本特征

对阿勒泰全区及7站1961—2013年终、初霜日进行统计(表1)。全区终霜日平均出现在5月13日，最早平均出现在4月29日(2008年)，最晚在6月4日(1970年)。单站最早终霜日出现在福海站(4月2日)，最晚出现在吉木乃、青河站(6月30日)。全区初霜日平均出现在9月16日，最早平均出现在8月29日(1961年)，最晚在9月25日(2009年)；单站最早初霜日出现于青河站(8月25日)，最晚出现于哈巴河站(10月14日)。全区平均无霜期为124 d，最长146 d(2010年)，最短96 d(1974年)；单站最长无霜期出现在哈巴河站(178 d),最短出现于青河站(83 d)，最长无霜期与最短无霜期的差值富蕴站最大(108 d),阿勒泰站最小(62 d)。

表1 1961—2013年阿勒泰地区霜冻终、初日(月-日)及无霜期

阿勒泰地区地形复杂,霜冻时空分布不均,初(终)霜冻日及无霜期差异较大。文献[15]指出“初霜冻出现时间随海拔高度、纬度的增高而提前,反之则推迟；终霜冻出现时间随海拔高度、纬度的降低而提前, 反之则推迟”。对阿勒泰地区来说，各站纬度在46.66°N～48.05°N，但海拔高度相差较大，在475.6～1 220.3 m(见图1)。青河站纬度最南，但海拔高度最高，其终霜冻出现最晚、初霜冻最早、无霜期最短。可见，对于阿勒泰地区而言，海拔高度是影响霜冻气候特征的重要因素。这与文献[11]采用最低气温≤0 ℃作为霜冻指标研究的结论吻合。

2.2 变化趋势

根据近53 a阿勒泰地区初(终)霜日及无霜期线性变化趋势(表2)可知，全区终霜日呈提前趋势，初霜日呈推后趋势，无霜期呈延长趋势，均通过0.01信度检验。终霜日提前速率为2.9 d/10 a，初霜日推后速率为2.2 d/10 a，无霜期延长速率为5 d/10 a。

大部分站终霜日呈显著提前趋势，除阿勒泰、吉木乃站，其它站均通过0.01的信度检验，提前速率为2.2～4.5 d/10 a，青河站提前最明显。大部分站初霜日呈推后趋势，但只有哈巴河、富蕴、青河站通过显著性检验，且推后速率为2.1～5.1 d/10 a，其它站没有通过显著性检验。无霜期除阿勒泰、吉木乃站外，其它站呈显著延长趋势，延长速率为3.4～9.0 d/10 a，均通过了0.05或0.01信度检验。

阿勒泰地区终霜日呈提前趋势，初霜日呈推后趋势，无霜期呈延长趋势，与文献[11]的结论是一致的，但是对于终霜冻、初霜冻的显著性检验结果不一致。究其原因，主要是由于与该文献采用的霜冻指标不同。

表2 1961—2013阿勒泰地区各站终、初霜日及无霜期线性趋势 d/10 a

注：*表示通过0.05信度检验，**表示通过0.01信度检验

2.3 突变分析

由图2a可知，UF和UB曲线于1977年相交于信度为0.05的置信线±1.96之间，且UF1977年后基本呈持续下降趋势，说明1977年以来阿勒泰地区全区终霜日呈显著提前趋势，因此，1977年是全区终霜日从一个相对偏晚期跃变为一个相对偏早期的突变年，突变趋势显著。由图2b可知，UF和UB不存在交点，即全区初霜期不存在突变年。全区无霜期(图2c)在1968、1976年出现交点，显然1968年并非突变年，1976年的交点未处于±1.96之间，故该年也不是突变年，即全区无霜期也不存在突变年。

UF为顺序曲线，UB为逆序曲线，+1.96、-1.96 表示信度为0.05的置信线

对阿勒泰地区各站近53 a终霜日、初霜日及无霜期时间序列进行突变检测(表3)。大部分站终霜日在20世纪80年代发生突变；初霜日只有阿勒泰、青河站在70年代初期发生突变，其它站不存在显著突变年；布尔津、福海站无霜期突变时间在80年代，而哈巴河、富蕴站突变时间在70年代中后期。该结论与文献[11]不一致，该文献指出只有哈巴河站终霜日、初霜日及无霜期发生气候突变。造成结论不一致的原因还有待于日后对各站≤0 ℃的最低气温及0 cm最低地温两者之间的关系进一步研究。

2.4 周期性分析

通过1961—2013年全区终霜日周期分析(图3)可发现，年际尺度准8 a周期信号在整个时域内都较明显，模值(图3b)均大于0.5；年代际尺度有准18～21 a、24～30 a、39～52 a周期信号在整个时域内都较明显，小波系数正负中心均出现在所研究时域内，信号较强，其模值均大于2。通过全区初霜日周期分析(图略)可发现，年际周期不显著，但准17～18 a、22～30 a年代际周期在整个时域内显著，模值均大于0.5,其中准22～30 a周期最强最显著，小波系数正负中心均出现在所研究时域内，信号较强。通过全区无霜期分析(图略)可发现，年际周期也不显著，但准12～14 a、17～21 a、24～34 a年代际周期在整个时域内显著，模值均大于0.5,其中准24～34 a周期最强最显著，信号较强，模值大于2。

表3 1961—2013年阿勒泰地区各站终、初霜日及无霜期突变时间

注：“无”表示无显著突变点

分析阿勒泰各站近53 a终霜日、初霜日及无霜期时间序列的周期，发现各站初霜日、终霜日、无霜期年际周期具有一定的同步性。各站终霜日周期主要为准4～8 a；阿勒泰、吉木乃、富蕴、青河站初霜日存在准5～7 a周期，其它站存在准8～9 a周期；阿勒泰、福海站无霜期存在准5～6 a周期，其它站存在准8～9 a周期。

阿勒泰地区各站的初霜日、终霜日、无霜期均存在显著的年际和年代际周期变化，虽然年际周期具有一定的同步性，但年代际周期差异较大，具体见表4。这再次体现了该地区霜冻气候特征的复杂性和特殊性。

图3 1961—2013年全区终霜日小波变换实部(a)和模值(b)

表4 1961—2013年阿勒泰地区各站终、初霜日及无霜期年代际周期

2.5 持续性分析

根据 R/S分析基本原理[15]对阿勒泰全区及各站终霜日、初霜日及无霜期的持续性进行分析，计算相应的Hurst指数(表5)。1961—2013年阿勒泰全区及各站终霜日、初霜日及无霜期的Hurst指数均在(0，0.5)，说明全区及各站未来终(初)霜日将由过去53 a的提前(推后)趋势逐渐转为推后(提前)趋势，无霜期由过去53 a的延长趋势转变为缩短趋势。就各站而言，哈巴河站终霜日、布尔津站初霜日、阿勒泰站无霜期的Hurst指数最小，表明未来它们的反持续性相对最强。由于该结论仅基于R/S分析，且其与资料的长度有关，该结论的真实性还有待于序列延长后进一步证实。

表5 1961—2013年阿勒泰地区终、初霜日及无霜期Hurst指数

2.6 灾害分析

阿勒泰地区的霜冻灾害主要表现为冷空气入侵后，地面最低地温下降到0 ℃及以下对豆类、瓜类、蔬菜等喜温作物造成严重的影响，甚至导致绝收，从而造成严重的经济损失。

通过对阿勒泰地区历史上的霜冻灾害统计，终霜冻灾害发生14站次，初霜冻灾害4站次，由此可知终霜冻灾害发生的频次明显大于初霜冻灾害。终霜冻灾害主要出现在吉木乃、哈巴河、阿勒泰站，以20世纪90年代居多(9站次)，其次是21世纪00年代(3站次)，20世纪70年代、80年代各出现1站次；而初霜冻主要出现在吉木乃、阿勒泰，20世纪90年代出现3站次，70年代 1站次，其它年代无霜冻灾害。统计了90年代阿勒泰、吉木乃、哈巴河站的平均终霜日，分别为5月17日、5月21日、5月20日，对比表1可知，这3站多年平均终霜日分别为5月12日、5月13日、5月11日，由此可知,90年代的这几次霜冻灾害主要是由于终霜日推后造成的。霜冻灾害主要分布于90年代，也可能与近20 a来，阿勒泰地区开垦荒地，扩大生产种植规模，且气象灾情资料较之前完整有关。具体的原因还有待于进一步研究。

总的来说，霜冻的发生主要受温度变化的影响，因而温度的变化势必影响霜冻的时空变化。但霜冻是一种时间尺度较短的农业气象灾害，它的发生可以与长时间尺度的气候变化趋势相反[16]。因此，即使在气候变暖的大背景下，要减少阿勒泰地区的霜冻危害，一方面需要根据该地区气候特点选择适应性较好的农作物，另一方面需要加强对霜冻灾害的监测能力和预报水平。