近53 a乌鲁木齐农区霜冻变化特征

郑玉萍，宫恒瑞，曹兴，蒲洁

（乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

近53 a乌鲁木齐农区霜冻变化特征

郑玉萍，宫恒瑞，曹兴，蒲洁

（乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

利用乌鲁木齐市3个农区代表站1961—2013年逐日气温资料，采用气候倾向率、异常分析、R/S分析等统计方法，对霜冻变化进行分析。结果表明：近53 a来农区终霜日提前了0.6～2.2 d/10 a，初霜日推迟了1.7～3.7 d/10 a，无霜期延长了2.4～5.1 d/10 a；各农区特晚终霜冻发生频率为3.8%～7.5%，特早初霜冻北郊出现频率为1.9%，均出现在2000年以前；利用R/S法分析结果显示，各农区无霜期未来仍呈延长趋势。从近53 a来霜冻的变化特征和未来变化趋势来看对农业生产整体有利，但近年来终霜日偏迟、且强度较强的霜冻仍时有发生，对农业生产的危害仍较大。

霜冻；特征；异常；Hurst指数

霜冻灾害是与农业生产有直接关联的气象灾害，初霜冻异常提早或终霜冻异常偏晚，对农作物造成的危害最严重。许艳等[1]的研究结果表明，近50 a来在全球增暖的背景下，中国大部分地区霜期在逐渐缩短，初霜日在逐渐推迟，终霜日在不断提前，1990年后这种趋势变得更加明显。近些年来许多新疆学者分别对南北疆不同地域的霜冻特征进行了研究，得出的结论具有共性，即与全国大部分地区霜冻的变化趋势基本一致，均表现为终霜日提前，初霜日推迟，无霜期延长的趋势[2-10]。其中杨勇等[2]的研究结果表明：博州1961—2009年终霜冻除温泉为微弱的推迟趋势外，其它地区呈不显著的提前趋势，初霜冻以2.5～4.2 d/10 a的显著趋势推迟，无霜冻期以2.2～4.8 d/10 a的速率延长；王荣梅等[5]则提出，喀什地区初霜冻日推后、终霜冻日提前，无霜冻期延长，霜冻日数减少，为农业生产创造了有利条件，但个别年份霜冻日波动较大的极端气候灾害事件又成为农业生产须加强防范的灾害性天气之一；黄玖君[8]和白松竹[10]还分别对且末绿洲和阿勒泰地区的异常初终霜日进行了研究分析，结论是上述两地特早初霜冻和特晚终霜冻均发生在2000年以前。

乌鲁木齐市地处天山中段北麓、准噶尔盆地南缘，境内海拔高度跨度大，总体呈南高北低、东高西低的格局，山地面积约占总面积的40%，霜冻一直是制约农业生产发展的主要因素之一。在全球变暖背景下，乌鲁木齐地区年平均气温以0.37℃/10 a的速率上升[11]，气温的变化势必影响霜冻的时空变化，但目前尚未开展此类研究。因此，在气候变暖的大背景下，分析研究霜冻的基本特征和变化规律、为乌鲁木齐市的农业生产防灾减灾及农业产业结构调整提供参考依据是十分有必要的。

1 资料与方法

1.1 资料

以日最低气温≤0℃作为霜冻指标，利用乌鲁木齐市3个资料年限长、连续性好的主要农区代表站1961—2013年逐日气温资料，研究农区的霜冻变化特征。其中米东站（87°39′E，43°38′N，海拔600.3 m）代表北郊平原农区；达坂城站（88°19′E，43°21′N，海拔1 103 m）代表东部达坂城农区；小渠子站（87° 06′E，43°29′N，海拔1 871.8 m）代表南部中浅山带农区。初霜日指秋季第一次出现日最低气温≤0℃的日期，终霜日指春季最后一次出现日最低气温≤0℃的日期，终、初霜日的间隔日数为无霜期。

1.2 方法

（1）采用线性趋势[12]对初霜日、终霜日和无霜期年际变化趋势进行分析，并用相关系数法检验趋势的显著性。线性趋势方程式为Y=a0+a1t，式中，t为时间，a0为常数项；a1为系数，a1×10即为初霜日、终霜日和无霜期的线性倾向率。

（2）利用正态分布原理进行初、终霜冻的异常小概率事件分析[13]。“异常”霜冻的标准为：△Td≤-1.65σ和-1.65σ＜△Td≤-σ分别称为特早初霜冻和偏早初霜冻，△Td≥1.65σ和1.65σ＞△Td≥σ分别称为特晚终霜冻和偏晚终霜冻。△Td为初、终霜日距平，σ为标准差。

（3）根据R/S分析基本原理[14]对初霜日、终霜日和无霜期变化的持续性进行分析，计算出相应的Hurst指数。当H=0.5时表明时间序列变化是随机的；0＜H＜0.5时表明时间序列过程具有反持续性，H越接近0，反持续性越强；0.5＜H＜1时表明时间序列过程具有持续性，H越接近1，持续性越强。

2 结果与分析

2.1 霜冻的基本特征

1961—2013年平均终霜日北郊为4月7日，达坂城为4月27日，南山为5月17日，北部平原结束最早，由北向南随着海拔高度的增加而逐渐推迟，南山山区比北郊推迟了一个多月；平均初霜日则南山山区出现最早，自南向北随着海拔高度的降低而逐渐推迟，其中南山为9月17日，达坂城为9月30日，北郊为10月20日；无霜期北郊最长，平均为195 d，达坂城为155 d，南山山区最短，只有123 d（表1）。

近53 a来各农区最早、最晚终霜日的年际间差异为49～62 d。其中北郊变幅最大，最早终霜日出现在3月13日，最晚为5月14日，最早、最晚终霜日之间相差62 d；山区次之，最早终霜日为4月16日，最晚为6月11日，相差56 d；达坂城最早终霜日为4月5日，最晚为5月24日，相差49 d，变幅相对较小；各农区最早、最晚初霜日的年际间差异为45～61 d，山区变幅最大、达坂城变幅最小。从表1可见，北郊和达坂城农区均为终霜日的绝对变率大于初霜日的绝对变率，说明终霜日年际差异较大，终霜冻对农业生产的危害大于初霜冻；而南山则是初霜日绝对变率大于终霜日的绝对变率，说明初霜冻的稳定性较差，对农业生产影响大。3个站中南山的无霜期绝对变率最大，说明其热量资源最不稳定，可利用率相对较低。

2.2 霜冻的变化特征

2.2.1 变化趋势

近53 a来乌鲁木齐农区霜冻呈现出终霜日提前、初霜日推迟、无霜期延长的趋势（表2）。其中终霜日提前了0.6～2.2 d/10 a，山区提前较明显，相关系数通过了信度为0.05的显著性检验；初霜日推迟了1.7～3.7 d/10 a，北郊和山区提前明显，相关系数分别通过了信度为0.01和0.05的显著性检验；无霜期延长了2.4～5.1 d/10 a，北郊和山区延长特别显著，相关系数均通过了信度为0.01的显著性检验。

2.2.2 年际变化

从终霜日的年际变化来看，北郊和山区在1980年中期以前波动较大，北郊在1975年和1985年出现了53 a中的最迟终霜日，山区在1961—1985年期间有7 a终霜日出现在6月，最迟终霜日出现在1985年；1986—2013年，北郊和山区的终霜日年际间变幅明显变小，且为逐渐提前的趋势，其中北郊2013年出现了53 a来最早终霜日，山区则1986年后6月未出现过霜冻。达坂城53 a来终霜日呈微弱的提前趋势。

从初霜日的年际变化来看，北郊的初霜日年际间变幅明显小于终霜日，最早出现在1969年，最晚出现在2006年；达坂城初霜日在1990年前年际间波动较大，1990年后期开始波动变小。山区初霜日变化则是1990年前年际间波动小，1990年后逐渐增大，1997年、2005年分别出现了53 a中的最迟初霜日和第2位偏迟初霜日。

从无霜期的年际变化来看，北郊1986年以前年际间波动较大，1985年出现了53 a中的最短无霜期，1986年以后无霜期年际间变化小且呈逐渐增加趋势，2013年出现了53 a来的最长无霜期。达坂城1987年后大部分年份无霜期偏长。南山的无霜期变化分两个阶段，1961—1985年为逐渐缩短的趋势，1985年出现了53 a中的最短无霜期，1986—2013年转为逐渐增加的趋势（图1）。

2.2.3 年代际变化

从各农区终霜日的年代际距平变化来看，北郊20世纪60年代和80年代为正距平，平均终霜日偏晚3 d、5 d，70年代、90年代偏早1 d和3 d，21世纪的前10 a接近平均值，2011—2013年异常偏早；达坂城终霜日只有20世纪70年代和2010—2013年终霜日偏早，其余时段为接近平均值或偏晚；南山终霜日20世纪60年代和70年代明显偏晚，80年代后各年代际终霜日提前2～4 d。初霜日北郊60年代和70年代偏早，80年代后转为偏晚，且距平值每10 a逐渐增加；达坂城也为20世纪80年代开始转为偏晚趋势；南山则从21世纪头10 a开始明显偏晚。无霜期的年代际变北郊和南山化比较一致，均为60年代—80年代偏短，从90年代开始无霜期转为偏长，达坂城无霜期则从21世纪头10 a开始明显偏长。

2.3 初终霜冻的异常特征

统计了对农业生产影响大的特晚、偏晚终霜冻和特早、偏早初霜冻出现年份及发生频率（表4）。近53 a来各农区特晚终霜冻发生频率为3.8%～7.5%，北郊和南山主要出现在20世纪70年代和80年代，达坂城出现在80年代和90年代；特早初霜冻北郊出现频率为1.9%，仅在1969年出现过1次，达坂城出现频率为5.7%，60年代、70年代和80年代各出现了1次，南山未出现过特早初霜冻。各农区偏晚终霜冻发生频率为13.2%～18.9%，偏早初霜冻发生频率为11.3%～13.2%，北郊和南山均出现在2000年前，达坂城则各年代都有发生。

2.4 霜冻对气温变化的响应

近53 a来各农区春秋季气温呈明显的上升趋势，其中北郊3—4月、达坂城和南山4—5月平均气温递增率分别为0.74℃/10 a、0.27℃/10 a和0.27℃/10 a；秋季9—10月平均气温北郊、达坂城和南山增温速率分别为0.59℃/10 a、0.30℃/10 a和0.25℃/10 a。由于春秋季的明显增温，造成各农区终霜日提前、初霜日推迟、无霜期延长，且秋季相关系数均大于春季，增温显著性比春季明显，所以初霜日推迟明显于终霜日的提前。

为了进一步探讨霜冻强度对气温变暖的响应，以各农区历年出现终、初霜冻时的最低气温代表霜冻的强度，定义0～-2.0℃、-2.1～-5.0℃和＜-5℃三个温度等级分别为轻微、中度和重度3个霜冻强度等级[15]，并结合终、初霜日距平来判断霜冻的影响程度。结果表明，初霜冻强度对气温变暖的响应比较明显：北郊重度霜冻主要出现在20世纪70年代，此后期至今霜冻强度逐渐减弱，特别是2001年以来多以0～2.0℃的轻度霜冻为主；达坂城自70年代至今未出现重度霜冻，2000年和2004年出现了两次较强的中度霜冻，但初霜日分别比历年偏晚6 d和提前2 d，对农业生产的危害均较小；山区各年代都有重度霜冻发生，1968年、1986年和1998年出现了初霜期偏早的重度霜冻，近15 a未出现过初霜日偏早的重度霜冻（图2）。

终霜冻强度则与气温变暖之间对应关系不太明显，北郊20世纪80—90年代以轻度霜冻为主，自2001年开始增强为以中度霜冻为主，其中2003年霜冻最低气温达-7.2℃，为近53 a来的最低值，且终霜日偏晚12 d，2005年又出现了最低气温为-5.9℃、终霜日偏晚1 d的重度霜冻；达坂城80年代后期以来，大部分年份为轻度—中度霜冻，但2008年出现了最低气温-8.4℃、终霜日提前4 d的重度霜冻，霜冻强度仅次于1963年；山区自1970年以来低于-5℃的重度霜冻时有发生，1998年终霜日比常年偏晚5 d，最低气温达-8.8℃，为近53 a来的最低值，2006—2010年连续5 a出现了中度—重度霜冻，其中2007年和2009年、2010年终霜期比常年偏迟（图3）。

2.5 霜冻的趋势性分析

利用R/S法分析了各农区终、初霜日及无霜期的Hurst指数（表5），北郊和达坂城终霜日的H指数接近0.5，未来变化趋势存在不确定性，南山终霜日的H指数＞0.5，表明终霜日序列具有持续性，由于南山近53 a来终霜日呈明显的提前趋势，因此未来终霜日仍将呈提前的趋势；从初霜日和无霜期的趋势性分析来看，各农区H指数均高于0.5，表明初霜日序列和无霜期序列具有持续性，初霜日未来仍呈推迟趋势，无霜期未来仍呈延长趋势，其中北郊无霜期延长趋势相对明显。

3 结论

（1）受气候变暖的影响，近53 a来乌鲁木齐农区呈现出终霜日提前、初霜日推迟、无霜期延长的趋势。其中终霜日提前了0.6～2.2 d/10 a，初霜日推迟了1.7～3.7 d/10 a，无霜期延长了2.4～5.1 d/10 a，年代际变化与年际变化趋势也是同步的，这与新疆大部分地区的霜冻变化特征是一致的。由于秋季增温比春季增温显著性明显，因此各农区初霜日推迟比终霜日提前明显。

（2）近53 a来各农区特晚终霜冻发生频率为3.8%～7.5%，特早初霜冻北郊出现频率为1.9%，达坂城出现频率为5.7%，南山未出现过特早初霜冻。各农区偏晚终霜冻发生频率为13.2%～18.9%，偏早初霜冻发生频率为11.3%～13.2%。北郊和南山异常霜冻都出现在2000年前，达坂城则各年代都有发生。

（3）利用R/S法分析结果表明，北郊和达坂城终霜日未来变化趋势存在不确定性，南山终霜日未来仍将呈提前的趋势，各农区初霜日未来仍呈推迟趋势，无霜期仍呈延长趋势，其中北郊无霜期延长趋势相对明显。

（4）从近53 a来各农区霜冻的变化趋势和未来的趋势预测来看，对农业生产是整体有利的，无霜期的延长为作物生长提供了更长的生长期，但值得注意的是，在气候变暖的背景下，近年来乌鲁木齐农区霜冻灾害的风险并未减小，终霜日偏迟的中度-重度霜冻仍时有发生，对农业生产的危害仍较大。针对当前快速发展的现代农业，更应该加强对霜冻灾害的监测、防范。

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Characteristics of Frost in the Agricultural Area in Urumqi During 1961-2013

ZHENG Yuping，GONG Hengrui，CAO Xing，PU Jie
（Urumqi Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China）

The daily temperature data from 3 meteorological stations as the representatives of agricultural area in Urumqi from 1961 to 2013 was used to analyze the frost index based on the climate tendency rate,anomaly analysis,R/S analysis and other statistical methods.The results showed as follows.In the agricultural areas in Urumqi,the last frost occurred earlier by 0.6～2.2 d/ 10 a and the first frost lagged by 1.7～3.7 d/10 a,and frostless period expanded by 2.4～5.1 d/10 a in recent 53 a;the date occurrence of anomalously late ending frost was 3.8%～7.5%in the every agricultural area and that of anomalously early first frost was 1.9%in the northern suburbs,and the phenomena both appeared before 2000.The results of R/S analysis showed that the frostless period presented an increasing trend in Urumqi in future.According to the 53 a frost change characteristics and future trend,the change was generally favorable to the agricultural production; but it still can damage the agricultural production as in recent years the last frost date was late and the stronger frosts still occurred.

frost；characteristics；anomaly；Hurst index

P423.4

A

1002-0799（2015）01-0052-06

郑玉萍，宫恒瑞，曹兴，等.近53 a乌鲁木齐农区霜冻变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（1）：52-57.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.009

2014-05-03；

2014-08-03

国家“十二五”科技计划项目“农村物联网综合信息服务关键技术集成与示范”子项目“新疆特色农业产业物联网信息化技术示范基地建设”（2012BAD35B08-2）资助。

郑玉萍（1973-），女，工程师，主要从事气象服务与应用气象研究。E-mail：hs_zyp@163.com