山西省无霜期时空变化特征研究

张蕾 韩小英 芦艳珍 高洋 杨三维

摘要 依据近38年山西109个气象站逐日地面最低温度资料，计算得到初霜日、终霜日和无霜期，通过正交函数分析模型和小波分析等方法拟合时空变化，并对分布特征进行分析。结果表明：无霜期距平主要模态呈东北向西南、山区向盆地增加;时间序列表现为一定的年代际变化，无霜期呈延长趋势，线性倾向率为0.8 d/10年;未来一段时期内无霜期小幅变长，伴随终霜日提前和初霜日延后。本研究旨在为未来农业生产布局、农业自然灾害应对提供决策参考。

关键词 山西省;无霜期;时空变化;特征分析

中图分类号：S161 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2020）07–0–03

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.037

Study on the Temporal-Spatial variations of Frost free Period in Shanxi from 1979 to 2016

ZHANG Lei et al （College of Agricultural Economics and Management of Shanxi Agricultural university， Taiyuan， Shanxi 030006）

Abstract Based on the daily minimum ground surface temperature datasets of 109 meteorological stations in Shanxi Province during the period 1979-2016， the temporal-spatial distribution characteristics of the first frost day（FFD）， the last frost day（LFD） and the frost free period （FFP） are analyzed by using Empirical Orthogonal Function （EOF） and wavelet analysis. The results show that： ①The regional distribution of FFP departure is increasing from northeast to southwest and from mountain to basin; the time evolution trend is， the FFP exhibits slight decadal variation and extension trend， with increase rate of 0.8d/10a; ②The oscillation in FFP will become longer essentially in the future， along with FFD delay and LFD advance. This paper aims at providing a reference for the distribution of agricultural production and avoiding agricultural natural disasters in Shanxi in the future.

Key words Shanxi Province; Frost free period; Temporal-spatial distribution characteristics; Characteristic analysis

无霜期是一年里终霜日起至初霜日止，期间不再有霜出现的持续日数，其长短与作物生长期密不可分，反映当地热量资源状况，直接关乎农作物的种植熟制、作物布局和品种选择。不同地域无霜期长短不同，年际变化较大，通常用当地无霜期多年平均值来表示。

据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）公布的第5次气候评估报告，1880—2012年全球地表平均温度约升高0.85℃[1]。2009年哥本哈根聯合国气候大会将全球气候变化提上国际议案。2019年联合国秘书长古特雷斯发出警告：全球变暖即将步入临界点。20世纪80年代以来，我国学者采用不同资料和研究方法，深入研究我国气温变化。宁晓菊等[2]分析初、终霜日及无霜期变化特征，指出我国80%以上区域呈初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长的趋势，无霜期随纬度或海拔增加而减少，年际波动随纬度增加或随海拔降低而减少;许艳等[3]认为，中国大部分地区霜期有缩短趋势;李艳丽等[4]总结了山西霜冻灾害的防治对策和措施;李芬等[5]发现山西省平均终霜日以波动为主，中西部和南部提前幅度较大，西北部和中东部推后幅度较大;王正旺等[6]分析山西东南部霜冻特征认为，无霜期在气候变暖背景下有延长趋势。

山西地形复杂多样，地势东北高西南低，多数地区海拔在1 000～2 000 m，昼夜温差较大，霜冻灾害多发。随着全球变暖，各地初、终霜日和无霜期出现新变化，缺乏最新时段研究成果。

利用1979—2016年间山西109个地面气象观测站的逐日地面最低温度数据，运用经验正交函数分析（EOF）和Morlet小波分析方法，研究山西近38年来无霜期的时空变化，为优化农业产业空间布局、种植结构调整和提升有机旱作农业发展建设水平等提供决策参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源与处理

以中国地面气候资料日值数据集（V3.0）1979—2016年间山西省109个气象站（图1）逐日地面最低温度和各站地理信息资料为基础，通过数据核校、修正，建立标准数据库，确保所用资料的系统、完整和可靠性。以地面最低温度≤0℃为霜日标准，对各站点初、终霜日和无霜期日数进行统计分析。将日期序列统一转换为数字序列，赋值1～365（闰年为1～366），如1月1日赋值为1，1月2日赋值为2，…，依此类推，对新的初、终霜日期和无霜期序列进行EOF分析，通过主要模态探究其时空分布特征;对所有站点逐年数据平均值进行小波分析，研究其振荡周期与时间演变规律，预测未来气候的演变趋势，并分析对农业生产的影响。

1.2 研究方法

用EOF分析山西无霜期的主要结构特征，1979—2016年各站无霜期场作为时间-空间函数，即：

i=1，2，…，m j=1，2，…n

式中，m為109个气象站，n为38个时间点。将X分解为时间函数Z和空间函数V两部分，进行气象向量场的自然正交展开：

X=VZ（2）

（3）

其中：

Morlet小波分析法用于获得信息的频率特征，以109站平均初、终霜日及无霜期序列作为Xn（n=1，…，N）的连续小波变换，定义为小波函数ψ0尺度化及xn的卷积：

式中，*表示共轭复数，N是时间系列个数（38年），用于小波函数标准化。

通过小波分析，得到时间系列振幅和相位的信息，具有非正交性。

式中t为时间，ω0是无量纲频率。

2 结论与分析

2.1 初霜日、终霜日及无霜期空间分布

经统计得1979—2016年山西省初霜日、终霜日情况（表1）。

图2a表明，山西终霜日由西南向东北部逐渐推后：东西部山地丘陵区、西南部及中部盆地平原区（忻定平原、太原盆地等）基本在4月底前结束霜期，太行山、吕梁山以及北部较晚，部分地区延续到5月底之后;初霜（图2b）由东北向西南依次出现，东北部、太行山和吕梁山海拔较高地区最早进入霜期，在9月底之前，西南部丘陵区、中部盆地区及东西两侧平原较晚，西南部的运城市、临猗县、永济市等地10月27日后才进入霜期。山西省无霜期整体呈现为东北部和高海拔地区较短、西南部及盆地区较长（图2c），吕梁山、五台山等高海拔地区无霜期不足80 d，运城地区则长达200 d以上。

2.2 无霜期距平模态时空分布

无霜期距平EOF第一模态（图3）解释了近38年山西省无霜期变化的57.45%。无霜期呈一致延长趋势，其空间分布为：南部变化梯度大于北部，西部整体增速大于东部（临县、柳林县、石楼县一带无霜期延长23 d以上，东部的阳泉市、平定县、昔阳县等地增加21 d）。结合时间序列（PC1），20世纪末前后，无霜期一致缩短变为一致延长，线性拟合表明，近38年无霜期增长速率为0.8 d/10年，相关度达90%。无霜期延长侧面反映了气候变暖，伴随初霜日期推后及终霜日期提前。

EOF2（图略）解释方差为8.05%，空间分布呈带状，表现为南部、北部缩短，中部延长的“﹣+﹣”三极子型。PC2反映一定的10～15年内振荡的年际变化。EOF3（图略）空间分布表现为“南减北增”的跷跷板型，以临县—太原—盂县为界，以北区域无霜期增加，以南地区无霜期缩短，PC3以不等幅年际振荡为主。

2.3 初、终霜日和无霜期序列的突变分析及时间演变规律

根据山西无霜期时间序列的小波分析结果（图4c）：近38年来无霜期在约14年尺度上存在明显正负变化波动，为主要周期;在5～8年尺度上变化较为明显，为次要周期;2000年以来，无霜期出现大于30年尺度的明显正波动，与初霜日推迟有关。综上：分别以1979—1991年、1991—2004年和2004—2016年为周期，无霜期均由负距平转为正距平，依此推测，2016年后的3～5年，全省无霜期仍为增加趋势，在2020年左右开始新的负距平周期。

3 讨论

通过对山西省无霜期、初霜日期和终霜日期的时空变化特征分析，结论如下：（1）全省无霜期分布呈东北向西南、山区向平川增加的趋势。即东北部、太行和吕梁山区等较短，西南及中部盆地较长。（2）无霜期主要的空间模态为西南部增长快于东北部，其大值中心位于中部偏西的临县、柳林和石楼县等地，无霜期在20世纪末之前小幅缩短，之后延长。（3）小波分析表明，无霜期存在明显的正负波动，主周期约为14年，预计未来几年山西省初霜日较常年推迟，终霜日提前，无霜期将小幅变长。

理论上讲，无霜期延长（初霜日延后、终霜日提前）可减少春秋霜冻对作物生长的危害，使作物生长期变长，复种指数提升，晚熟作物品种面积增加，作物品种布局和选择范围扩大、熟制增加，总体上对农业生产有利，但具体种植结构的调整与优化还要视耕作区种植制度、品种特性和作物生长发育的节率与气候变化的协调与否来决定。例如，近年来局部地区早霜冻天气和倒春寒天气时有发生，一定程度上增加了作物品种布局的复杂性和不确定性，建议结合气候变化规律和当地生产实际，因地制宜合理布局农业生产，科学调整耕作模式。

参考文献

[1] Pachauri K，Meyer A.Climate Change 2014 Synthesis Report[J].Environmental Policy Collection， 2014，27（2）：408.

[2] 宁晓菊，张丽君，杨群涛，等.1951年以来中国无霜期的变化趋势[J].地理学报，2015，70（11）：1811–1822.

[3] 许艳，王国复，王盘兴.近50年中国霜期的变化特征分析[J].气象科学，2009，29（4）：427–433.

[4] 李艳丽，王迎春，孙忠富.山西省霜冻灾害现状及其防御对策分析[J].中国农业资源与区划，2006（1）：57–59.

[5] 李芬，张建新，武永利，等.近50年山西终霜冻的时空分布及其影响因素[J].地理学报，2013，68（11）：1472–1480.

[6] 王正旺，刘新莹，武志跃，等.山西东南部气候变暖背景下的霜冻特征分析[J].干旱地区农业研究，2014，32（5）：234–238.

责任编辑：黄艳飞