近55年郴州市霜冻变化特征分析

2018-05-03夏春柳

安徽农业科学 2018年12期

李杰，夏春柳，罗园

(1.湖南省郴州市气象局，湖南郴州 423000；2.湖南苏仙岭-万花岩风景名胜区管理处，湖南郴州 423000)

霜冻是一种低温冷害的重要农业自然现象，发生在春秋季节，与最低气温(农业气象中通常以最低温度低于0 ℃作为霜冻的气候指标)有着密切的关系[1-3]。霜冻具有危害范围广、危害农作物种类多、危害持续性强等特点，因此近年来许多学者对霜冻特征进行研究[4-7]，其中许艳等[8]研究表明，近50年来我国大部分地区霜期在逐步缩短，初霜日和终霜日不断变化，近20年变化趋势显著。朱歆炜等[9]研究表明，湖南省大部分地区的冷日、冷夜呈下降趋势，其中湘东南部分地区变化趋势明显，从而影响湘南地区霜冻变化。

郴州市位于湖南省东南部，地处南岭山脉与罗霄山脉交错、长江水系与珠江水系分流的地带。其中东南面山系重叠，群山环抱；西部山势低矮，向北开口，中部为丘、平、岗交错。境内四季分明，平地丘陵区的冬夏季长而春秋季短；山区则冬季长，而春、夏、秋季短，属于亚热带季风性湿润气候。郴州市为主要烟草、果树等特色农作物种植区，霜冻灾害年给当地造成严重的经济损失。笔者运用近55年来郴州市霜冻资料，主要针对霜冻变化特征进行分析，揭示其变化和发展规律，为当地农业产业结构调整和霜冻防灾减灾提供科学理论依据。

1 资料与方法

1.1资料来源郴州市共有10个地面气象站(3个基本站，7个一般站)，考虑观测仪器的更换或观测台站的变迁会影响到观测资料的均一性，在此采用的数据来源于郴州市气象局提供的地面气象站均一性订正后的逐日最高、最低气温资料[10]。利用郴州市1961—2015年安仁、郴州、桂东、桂阳、嘉禾、临武、汝城、宜章、永兴、资兴10个地面气象观测站逐日地面最低气温、逐年初终霜冻日、无霜冻期等资料，研究霜冻的变化特征。初霜日指秋季第1次出现日最低气温≤0 ℃的日期，终霜日指春季最后1次出现日最低气温≤0 ℃的日期，无霜期指终、初霜日的间隔日数。

采用功率谱[11]分析郴州市多年平均初、终霜冻日和无霜期的周期。该研究直接使用Fourier变换的方法进行功率谱估计。通过Fourier变换计算出功率谱密度与频率关系，再转换为功率谱密度与周期关系图，从而得到样本周期性。

利用正态分布原理[5，12-13]进行初、终霜冻的异常霜冻分析。“异常”霜冻定义标准为：X-M≤-1.65σ和-1.65σ

2 结果与分析

2.1霜冻的基本特征1961—2015年郴州市平均初霜日为12 月1日，其中最早为桂东的 11月10日，次之为汝城的11月26日，最晚为永兴的12月 10 日，境内东部山区出现最早，整体趋势由北向南逐渐推迟，山区和丘陵地带推迟近30 d。近55年郴州市平均终霜日为2月15日，其中最早为永兴的2月3日，次之为安仁的2月9日，最晚为桂东的3月11日，东部山区结束最早，呈现自北向南逐渐推迟，推迟日期不显著。无霜期北部丘陵地带相对较长，东部山区相对较短，平均为280 d，永兴最长，为299 d，次之为汝城的271 d，桂东山区最短，只有243 d。

55年来境内各台站最早、最晚初霜日的年际间差异为67～112 d。其中临武变幅最大，最早初霜日出现在10月3日，最晚为1月22日，最早、最晚终霜日之间相差112 d；桂阳变幅最小，最早初霜日为10月29日，最晚为1月4日，相差67 d。境内各台站最早、最晚终霜日的年际间差异为78～114 d，临武变幅最大，为114 d，桂东变幅最小，为78 d。从表1可得，所有台站均为终霜日的绝对变率大于初霜日的绝对变率，且资兴最大，宜章最小，可知终霜冻对农作物的危害大于初霜冻。台站中资兴无霜期绝对变率最大，说明其热量资源稳定性差，对农作物危害大；安仁无霜期绝对变率最小，可利用热量相对较好。

表1 1961—2015年郴州市霜冻气候特征

2.2霜冻的变化特征

2.2.1变化趋势。

2.2.1.1初霜日。从线性方程拟合线(图1a)可知，近55年来郴州市平均初霜日呈线性推迟趋势，平均推迟速率0.874 d/10 a,通过了信度为0.05的显著性检验；从多项式方程拟合曲线可知，平均初霜日变化趋势呈“M ”型分布，表明20世纪60年代中期以前为显著提早，80年代初—2000年和2010年以后为缓慢提早趋势；20世纪60年代中期—80年代初期为显著推迟趋势，2000—2010年为缓慢推迟趋势。

2.2.1.2终霜日。从线性方程拟合线(图1b)可知，近55年来郴州市平均终霜日线性趋势显著，整体呈显著提前趋势，平均提前速率4.216 d/10 a，未通过信度为0.05的显著检验；由多项式方程拟合曲线可知，终霜日变化趋势不显著，20世纪60—70年代和2000—2010年偏早，20世纪80—90年代和2010年以后推迟，其中20世纪60—70年代偏早显著。

2.2.1.3无霜期。从线性方程拟合可知(图1c)，近55年来郴州市平均无霜期整体呈显著延长趋势，延长速率为3.443 d/10 a，通过信度0.05显著检验；从多项式方程拟合曲线看，平均无霜期变化趋势呈近似“M ”型分布，具有年代际特征，20世纪60年代中期以前、80年代初期—90年代中期和2009年以后呈偏长趋势；20世纪60年代中期—80年代初期、90年代中期—2009年呈偏短趋势。

2.2.2年际变化。

2.2.2.1初霜日。从图1a可看出，近55年来郴州市平均初霜日呈明显波动式变化，其中1961—1978年波动较大，20世纪90年代初中期波动剧烈；在1978年出现了55年中的最早初霜日，在20世纪90年代前有4年初霜日出现在11月15日前，最迟初霜日出现在1994年；1979—1993年和1995年以后，初霜日年际间变幅明显变小，且为逐渐提前的趋势，说明此时期霜冻结束日期稳定性相对较好。

2.2.2.2终霜日。由图1b可知，近55年来郴州市终霜日年际间变幅明显小于初霜日，1975—1991和2004—2013年年际波动较大，其他期间年际波动变化平稳，最早终霜日出现在2011年，最晚终霜日出现在1968年。

2.2.2.3无霜期。由图1c可知，郴州市无霜期20世纪60—70年代中期年际间波动较大且呈逐渐缩短趋势，70年代中期—80年代中期振幅减小，80年代中期—2002年年际间波动较大且呈逐渐偏长趋势，1988年出现了55年中的最短无霜期(255 d)，2002年出现了55年来的最长无霜期(320 d)。

2.2.3周期特征。从图2可看出，初霜日的转换后频谱图中出现2个峰值，即功率最大点，其对应频率f27=0.421 8和f29=0.453 1，该频率对应的周期长度分别为2.37和2.21年。同理可知，终霜日的转换后频谱图中出现2个峰值，其对应频率f7=0.109 4和f27=0.421 8，该频率对应的周期长度分别为9.14和2.37年。无霜期的转换后频谱图中出现1个峰值，其对应频率f4=0.062 5，该频率对应的周期长度为16.00年。由此可知，近55年来郴州初霜日存在一个2.30年的周期，终霜日存在一个9.14年的主周期和一个2.37年左右的次周期，无霜日存在一个16.00年的周期。

图1 1961—2015年郴州市平均初霜日(a)、终霜日(b)和无霜期(c)变化趋势Fig.1 Trends of average initial frost(a)，final frost(b)and frost-free period(c)in Chenzhou City from 1961 to 2015

图2 1961—2015年郴州市初霜日(a)、终霜日(b)和无霜期(c)转换后频谱图Fig.2 Spectral map after conversion of initial frost(a)，final frost(b)and frost-free period (c)in Chenzhou City from 1961 to 2015

2.2.4异常特征。从表2可看出，1961—2015年郴州市10个台站特早初霜冻发生频率为1.8%～7.3%，20世纪70—90年代较为集中，出现年份较多的为1962、1971、1978、1981、1986、1991、1993年，并集中在出现年份的10月25—11月5日。偏早初霜发生频率为5.5%～14.6%，20世纪70—90年代较为集中，出现年份较多的为1964、1971、1979、1982、1988、1992年，除桂东台站以外集中在出现年份的11月5—20日，值得注意的是桂东台站受山区地形影响集中在出现年份的10月20—30日，比其他台站提前近15 d。特晚终霜冻发生频率为1.8%～5.5%，集中在20世纪70—80年代，并集中在出现年份的3月20日—4月10日。偏晚终霜冻发生频率为5.5%～18.2%，集中在20世纪60年代、80年代和21世纪初，除桂东台站外集中在出现年份的3月5—20日，桂东台站受山区地形影响集中在出现年份的4月1—10日，比其他台站推迟近20 d。进入21世纪后，偏晚终霜冻出现频次增多。