1951—2016年秦巴山区霜期变化的时空特征分析

楼俊伟，张 鑫，王可欣，王智楷，徐 佳

（1.武义县气象局，浙江 武义321200；2.莫索湾气象站，新疆 石河子832000；3.椒江区气象局，浙江 台州318000；4.中江县气象局，四川 中江618100；5.民航温州空管站，浙江 温州325000）

随着农业生产布局规模逐渐扩大， 霜期农业灾害造成的损失日益加重， 这引起了一些学者以及气象部门的关注[1-7]。 目前国内很多学者采用日最低气温或者地面0 cm 日最低温度来分析全国以及其他区域初霜日、终霜日和霜期变化的时空特征[8-14]。 任妍[15]等研究指出近43 a 新疆终霜日提前比初霜日推迟更明显，无霜期延长比霜期缩短更明显，且北疆均比南疆地区更显著。 郑玉萍[16]等对乌鲁木齐3 个农区霜冻变化进行研究，指出1961—2013 年终霜日提前了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。 马尚谦[17]等研究发现淮河流域气候态的转型促进了初霜日的推迟和终霜日的提前， 气候态的转变导致初、 终霜日的稳定性降低，初、终霜日的稳定性随经、纬度的增加而变好，初霜日稳定性随海拔升高而变好， 终霜日稳定性随海拔升高而变化不显著， 终霜日稳定性好于初霜日稳定性。马彬[18]等研究指出青藏高原地区在20 世纪90 年代之后初霜日明显推后、 终霜日明显提前，无霜期明显延长；四川盆地东部、华南地区南部部分站点在20 世纪90 年代之后霜期缩短明显， 出现低频率无霜年份，无霜日站点相对有所增多，出现向北扩展趋势，20 世纪90 年代之后扩展趋势明显。学者探讨了初、 终霜日以及霜期的变化对农业生产造成的影响， 指出选择合适的作物类型并调整种植制度可以减少极端低温事件对农业生产的危害， 从而增强农业对气候变化的适应性[19-20]。朱虹晖[21]等探究了河南省冬小麦实际晚霜冻害发生的气象条件， 结果说明实际冻害与气象冻害存在明显差异， 气象因子间相互关联共同影响冻害发生， 实际冻害形成与前期水分条件不足有关，轻度实际冻害多为辐射型冻害，而重度实际冻害多为混合型冻害。 李时睿[22]等开展了浙江省松阳县茶叶霜冻害精细化预警研究， 结果表明茶叶霜冻害精细化预警时效8 d， 空间分辨率30 m×30 m，2017 年3 月15 日的茶树霜冻害预警效果良好，实地调查结果与预估结果基本一致。

秦巴山区是由秦岭、 大巴山及其连片地区构成的。 而作为气候过渡区的秦巴山区，关于初、终霜日和霜期变化的研究较少，刘静[23]等根据自然环境差异将秦岭南北47 个气象站点分为4 个子区域，并通过这些站点1960—2014 年的气象数据对比研究初、终霜日的时空变化特征。秦巴山区地形复杂，范围较广， 因此有必要用尽可能多的站点全面分析整个秦巴山区霜期变化特征，同时结合地形数据，探讨初、终霜日和霜期的变化趋势与海拔高度的关系。为此，本文利用秦巴山区气象站点（96 个）、资料对初、终霜日和霜期的时空变化特征进行分析， 并且讨论三者的变化趋势及其与海拔高度的关系。

1 资料与方法

1.1 资料

站点资料来自中国气象数据共享网， 根据数据连续性、 统一性和时间一致性等原则进行数据质量控制后， 选取其中秦巴山区的96 个气象站点（图1），时间范围为1951 年1 月1 日—2016 年12 月31日。 在分析初、终霜日和霜期的时间变化特征时，由于1952 年数据为极端值且与其他年份差异大，特从1953 年数据开始分析。 另外为了便于分析初、终霜日的时空分布特征，本文历法采用Julian 历[24-26]。

图1 研究区及气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 一元线性回归

一般来说，对于容量为n 的一组样本，预报量记为y，预报因子记为x，斜率设为k，截距设为b，则该一元线性回归方程可以写成：y=kx+b。本文将年份设为预报因子x，初、终霜日和霜期分别设为预报量y，从而分别分析初、 终霜日和霜期与年份存在的线性关系。在分析初、终霜日和霜期线性趋势与海拔分布关系中，将海拔高度记为预报因子x，初、终霜日和霜期线性趋势分别记为y。

1.2.2 M-K 突变检验法

M-K（Mann-Kendall 的缩写）突变检验法常用于检测气候突变，检测的气候序列要以平稳为前提，且该序列是随机独立的，其概率分布等同。通过定义UF、UB 2 个统计量并进行序列分析，得到原气候样本序列的变化趋势，UF＞0（＜0）序列表现为增长（减小） 趋势， 当曲线UF 超过信度线（信度线一般取1.96，即95%的置信水平），即表示存在显著的变化趋势， 如果曲线UF 和UB 的交叉点位于信度线之间，这点便是突变点的开始[27-29]。 本文利用该方法分析秦巴山区初、终霜日和霜期的时间变化特征。

1.2.3 Cressman 插值法

Cressman 插值能实现不规则格点（站点）数据转换为网格数据，常用于气象数据的拟合内插。它是通过逐步订正方法来实现最优化插值， 用实况资料与初始场之差去改变和订正初始场，得到一个新场，再求出新场与实际值之差，来订正上一次的场，直至订正场逼近实况资料为止[30]。 利用Cressman 插值法将秦巴山区96 个站点的平均初、终霜日和霜期变化趋势数据分别插值成空间分辨率为0.05°×0.05°的网格数据， 从而在空间分布图上分析出秦巴山区平均初、终霜日和霜期变化趋势的空间分布特征。

2 初、终霜日和霜期的时间变化特征

2.1 初霜日的时间变化特征

2.1.1 初霜日的时间序列变化

图2 秦巴山区平均初霜日的时间变化

为了分析秦巴山区平均初霜日的时间变化特征，本文将各个站点初霜日数据进行区域平均，从而得出图2。 秦巴山区的平均初霜日随着年份的增加（减少）而推迟（提前），推迟速率达到0.4 d/10 a（未通过0.05 显著性水平检验），这与刘静[23]等人对秦岭南北初霜日变化趋势研究的结论一致。 其中平均初霜日最大值是321 日， 分别出现在1975、2013 年的11 月17 日以及2016 年的11 月16 日， 说明这3 a 较其他年份初霜日出现的时间最晚。 平均初霜日的最小值是第297 日，即10 月24 日，发生的年份是1994 年，说明当年较其他年份初霜日出现时间最早，最晚和最早的年份平均初霜日相差24 d。

2.1.2 初霜日的M-K 突变检验

由秦巴山区初霜日的M-K 突变检验（图3）可知，秦巴山区初霜日在1953—1960 年主要呈减少趋势，1961—2016 年呈显著的增加趋势， 说明1953—1960 年的初霜日是在提前的，1961—2016 年的初霜日是在显著推迟的。同时可以看出1960—1961 年发生了一次突变，且该突变现象显著，这与焉耆盆地等区域尺度的初霜日的突变情况较一致[4]。

图3 秦巴山区平均初霜日的M-K 突变检验

2.2 终霜日的时间变化特征

2.2.1 终霜日的时间序列变化

由图4 可知， 秦巴山区平均终霜日的最大值出现在1978 年和2006 年，达到了94 d，即出现在当年的4 月4 日， 说明当年平均终霜日出现的时间是近64 a 中最晚的。 而平均终霜日的最小值出现在1992 年，达到了78 天，即出现在1992 年的3 月18日， 说明1992 年平均终霜日出现时间是近64 a 中最早的， 平均终霜日出现的最晚时间和最早时间相差16 d。 此外平均终霜日的整体变化趋势是随着年份的增加（减少）而提前（推迟），且每10 a 提前0.2 d（未通过0.05 显著性水平检验）。

2.2.2 终霜日的M-K 突变检验

图5 为秦巴山区平均终霜日的M-K 突变检验图， 由于图5 中的UF 以及UB 曲线均未超过0.05置信水平， 因此秦巴山区终霜日的时间序列不存在突变现象。

图4 秦巴山区平均终霜日的时间变化

图5 秦巴山区平均终霜日的M-K 突变检验

2.3 霜期的时间变化特征

2.3.1 霜期的时间序列变化

由图6 可以看出， 平均霜期天数最大值出现在1957 年，为179 d，说明该年的平均霜期天数与其他年份相比是最长的。 最小值发生在2016 年， 仅有120 d，说明当年的平均霜期天数与其他年份相比是最短的， 最长的和最短的平均霜期天数相差59 d。平均霜期天数的总体趋势是在波动中减少， 说明近64 a 来秦巴山区平均霜期的整体变化趋势是随着年份的增加（减少）而缩短（延长），且平均每10 a 缩短1.8 d（通过0.01 显著性水平检验）。

图6 秦巴山区平均霜期的时间变化

2.3.2 霜期的M-K 突变检验

秦巴山区霜期分别在1961—1962 年和1980—1981 年发生了一次突变（图7），在1953—2016 年主要呈减少趋势， 从20 世纪60 年代初以后霜期出现明显的减少趋势， 并在1965—1980 年超过0.05 显著性水平，说明霜期在1953—2016 年期间主要是缩短的， 且从20 世纪60 年代初以后霜期出现明显的缩短趋势，同时1965—1980 年霜期缩短趋势是十分明显的。

图7 秦巴山区霜期的M-K 突变检验

3 初、终霜日和霜期的空间变化特征

3.1 初霜日的空间变化

秦巴山区初霜日整体的变化趋势介于0.02~0.3，说明1951—2016 年以来，秦巴山区初霜日整体是在推迟的。其中秦巴山区中西部、东部等大部分地区的初霜日变化趋势集中在0.02~0.1， 说明这些地方初霜日推迟速度最快的每10 a 推迟1 d。 西北和西南一部分地区的初霜日变化趋势介于0.1~0.16，说明以上地区初霜日的推迟速度每10 a 推迟1~1.6 d。西北地区3 个站点以及中南部3 个站点初霜日的变化趋势分别为0.16~0.18、0.16~0.28， 表明初霜日的推迟速度在这6 个站附近的地区很快。 另外秦巴山区的96 个站点中有19 个站点的变化趋势是通过了0.05 的显著性水平检验（图5 中红色圆点标注着初霜日线性趋势通过0.05 显著性水平检验的站点），其中的大部分站点集中在秦巴山区的北方， 而南方的大部分站点未通过显著性检验（黄色的圆点标注着初霜日线性趋势未通过0.05 显著性水平检验的站点）。 结合图1 可得，秦巴山区高海拔地区主要集中在西部和北方，海拔高度高，气温相对较低，加之北方地区纬度较高，接收到的太阳辐射较少，使得北方入秋后日最低气温较容易低于0 ℃， 因此通过显著性检验站点主要集中在北方。反之，南方海拔较低（除西南方3 个站点海拔较高外），气温较高，加之全球气候变化的影响， 使得每年初霜日出现时间不固定，甚至有些年份秋季没有初霜日（日最低气温均不小于0 ℃），使得南方大部分站点初霜日的变化趋势通不过显著性检验。 因此秦巴山区初霜日的线性变化趋势在南北方差异最大，达到了0.28。

3.2 终霜日的空间变化

秦巴山区大部分地区终霜日的线性变化趋势＜0， 说明近66 a 来秦巴山区的终霜日是在提前的。 其中西部地区终霜日的线性变化趋势最明显，都＜-0.08， 且最西北的5 个站点附近地区终霜日的线性趋势＜-0.14，说明西部地区终霜日每10 a 至少提前0.8 d。中西部和东南地区终霜日的线性趋势介于-0.08~-0.04，表明这部分地区终霜日提前速度为每10 a 提前0.4~0.8 d。东北地区终霜日的线性趋势为-0.04～0.02，其中东北大部分地区的线性趋势为-0.04～0，这些地区的终霜日还是在提前的，但是有3 个站点（57078、57080 和57084）趋势变化＜0，说明以上地区的终霜日是推迟的。结合高程图可知，这3个站点海拔高度明显高于其他地区，而海拔高度高，气温偏低，故易造成终霜日推迟。因此秦巴山区终霜日的变化趋势在东西方差异很大，达到了0.2。 另外在秦巴山区的96 个站点中有13 个站点终霜日的变化趋势是通过了0.05 的显著性检验（在图6 中用红色的圆点表示通过95%署信水平的站点，用黄色的圆点表示未通过0.05 显著性水平的站点）， 且有6个站点分布在西部地区，6 个站点分布在中东部地区，1 个站点分布在东北地区，这些站点海拔高度都明显高于附近其他地区。

3.3 霜期的空间变化

秦巴山区霜期整体的线性变化趋势都＜0，且最小趋势达到了-0.8， 说明秦巴山区霜期整体都是在缩短的。 其中西北一小部分地区霜期变化趋势介于-0.5～-0.45， 这表示该地区霜期的缩短速度较研究区大部分地区都要快，且每10 a 缩短4.5~5 d。 中西部、 东部大部分地区霜期的线性趋势主要集中在-0.45～-0.2， 表明这些地方霜期的缩短趋势较明显，每10 a 霜期将减少2~4.5 d。 中东部偏南的一块地区霜期的线性趋势介于-0.8～-0.45， 尤其是最南边的一个站点附近地区霜期变化趋势更是介于-0.8～-0.6，霜期的减少速度是最快的，每10 a 霜期将缩短6~8 d。 因此秦巴山区霜期的变化趋势南北方差异最大，达到了0.6，且随着纬度升高，霜期缩短速率在减慢。 另外在研究区域的96 个气象站点中，有44 个站点的未通过0.05 显著性检验（通过α=0.05 显著性检验的站点用红色的圆点标注， 未通过的站点用黄色圆点标注），其中大部分站点都分布在北方，仅有3 个站点分布在南方。考虑到一部分站点尤其是偏南方或者海拔较低的站点， 某些年份的秋季或者来年的春季日最低气温一般不小于0 ℃，从而导致这些站点对应年份没有初霜日或者终霜日，而霜期是由初霜日和终霜日确定的， 因此使得这些站点霜期的变化趋势的可信度受到影响。

4 终霜日和霜期的变化趋势与海拔高度的关系

为了研究初、 终霜日和霜期变化趋势与海拔高度的具体关系，且保证结论的准确性，将初、终霜日和霜期的空间变化图中通过显著性检验的站点挑出来分别讨论其海拔依赖性。 但由于秦巴山区初霜日的变化趋势通过显著性检验的站点与海拔高度的线性趋势置信水平不高， 故不在此讨论其海拔依赖性问题。

4.1 终霜日的变化趋势与海拔高度的关系

由图8 可知，秦巴山区西部及中东部地区（终霜日的变化趋势通过显著性检验的站点主要集中在这2 个区域）终霜日的变化趋势随海拔高度的增加（减小）而减小（增加），即终霜日的提前速度随海拔高度的增加（减小）而增加（减小），垂直递减率为-0.073/km，通过了90%的置信水平检验，具有明显的海拔依赖性。这与宁晓菊[31]等对中国黄土高原区、西南区终霜日随海拔高度变化的研究结论较一致。

图8 秦巴山区终霜日的线性变化趋势与海拔高度的拟合

4.2 霜期的变化趋势与海拔高度的关系

由图9 可以明显看出，研究区北方地区（霜期的变化趋势通过显著性检验的站点主要集中在这个区域）霜期的变化趋势在海拔分布上都较为集中，除了1 个站点偏离较远之外， 其他站点都分布在线性拟合线的周围。 另外霜期的线性变化趋势随海拔高度增加（减小）而减小（增加），即研究区域的霜期缩短速度随着海拔的增加（减小）变得越来越快（慢），垂直缩短率达-0.101/km， 通过了99.75%的置信水平检验，海拔依赖性明显。

图9 秦巴山区霜期的线性变化趋势与海拔高度的拟合

5 结论与讨论

本文利用1951—2016 年的逐日最低气温资料分析了秦巴山区初、终霜日和霜期的时空变化特征，终霜日和霜期的变化趋势与海拔高度的关系， 得出如下结论：

（1）在时间变化上，秦巴山区平均初霜日逐年推迟，推迟速度达到了0.4 d/10 a（未通过95%置信水平检验）， 并在1960—1961 年发生了一次显著突变现象， 即初霜日在20 世纪60 年代初开始呈现明显的推迟趋势；平均终霜日逐年提前，提前速度达到了0.2 d/10 a（未通过95%置信水平检验）， 无突变现象；平均霜期天数逐年减少，减少速度达到了1.8 d/10 a（通过99%置信水平检验）， 且分别在1961—1962 年和1980—1981 年发生了一次突变，从20 世纪60 年代初以后霜期出现明显的减小趋势， 并在1965—1980 年呈现十分显著的缩短趋势。

（2）在空间变化上，秦巴山区初霜日的线性变化趋势在南北方差异最大，达到了0.28，研究区的96个站点中有19 个站点的变化趋势是通过了95%的置信水平检验； 终霜日的变化趋势在东西方差异很大，达到了0.2，同时有13 个站点终霜日的变化趋势是通过了0.05 的显著性水平检验；霜期的变化趋势在南北方差异最大，达到了0.6，且随着纬度升高，霜期缩短速率在减慢，研究区域的96 个气象站点中，有43 个站点的无偏估计t 检验的双尾概率α≤0.05。

（3）在海拔分布上，秦巴山区部分地区终霜日和霜期的变化趋势具有明显的海拔依赖性， 表现为西部及中东部地区终霜日的变化趋势随海拔高度的增加而减小，垂直递减率为-0.073/km（通过了90%的置信水平检验），北部地区霜期的变化趋势随海拔高度的增加而减小，垂直缩短率达-0.101/km，（通过了99.75%的置信水平检验）。

秦巴山区地形条件复杂[32]，不同的地形地势、气候环境等情况会造成各个区域初、 终霜日和霜期变化的差异性较大。在已有的研究中，刘静[23]等人指出秦岭南北初终霜日和无霜期的变化具有区域差异性。造成区域差异性的因素有很多，通过分析不同海拔高度下各站点初、 终霜日和霜期的变化趋势，从初、终霜日和霜期变化趋势的海拔依赖性入手，进一步分析秦巴山区初、 终霜日和霜期变化的区域差异性。秦巴山区初、终霜日和霜期变化受复杂地形的影响，局地特征变化较明显，因此在研究方法上也可以进一步拓展。

致谢：感谢成都信息工程大学程志刚老师的悉心教导，感谢陈俊达、曹峻烽、徐佳和胡耀月同学的支持，感谢在美国内华达大学雷诺分校、纽约州立大学奥尔巴尼分校读研的陆思颖和蔡依晨同学以及中科院大气所的汤彬同学的帮助与指导！