宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数时空变化特征

朱永宁，冯东溥，李红英，段晓凤，郑 方

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；3.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002)

引 言

霜冻是中国北方面临的严重农业自然灾害之一，对农作物和林果的产量和品质均有较大危害[1-3]。伴随着全球气候变暖，霜冻日数及其程度在不同时空尺度上发生了变化，对当地农业产生较大影响[4]。研究表明，宁夏春季霜冻日数明显多于秋季，春霜冻危害大于秋霜冻，且秋霜冻日期逐渐推迟[5]。近年来，宁夏大力发展特色农业产业，如枸杞、酿酒葡萄、苹果、硒砂瓜等，这些特色农作物在春霜冻期多处于开花、放条、移栽等抵御灾害能力最差阶段，春霜冻一旦发生，便会使其严重受害。因此，搞清宁夏春霜冻的时空变化规律以及周期特征，对霜冻防御、特色农业生产布局以及结构调整有重要意义。

针对霜冻变化规律开展的研究主要包括霜冻初日和终日、霜冻日数及频率的气候变化趋势及其空间差异性[6-14]以及霜冻灾害评估模型、风险区划和预防[15-18]等。研究表明，宁夏全年和春、秋季霜冻日数及概率均呈下降趋势[19-20]，霜冻初、终日的绝对变率与海拔呈正相关，而与纬度呈负相关[21]。李红英等[22]根据风险灾害理论提出霜冻致灾因子的危险性指数，评估了宁夏各地区霜冻灾害程度。本文基于宁夏气象站点最低气温观测资料，根据霜冻日定义标准对春霜冻期内霜冻日进行判定，并采用Mann-Kendall检验、Sen斜率、Morlet小波分析等方法，揭示春霜冻期最低气温和霜冻日数的时空变化规律，探讨气候变化下两者间的关系，以期为宁夏特色农业区划和春霜冻防御提供一定的科学支撑。

1 资料与方法

1.1 资料来源

宁夏回族自治区位于中国西北部，面积6.64万km2，人口681.8万，下辖22县(市、区)，属于温带大陆性气候。利用1961—2016年宁夏气象站最低气温逐日观测资料，经过数据校验，剔除数据序列短的站点后共计19站，站点空间分布如图1所示。地理信息基础数据来源于宁夏气象局公开数据。

图1 宁夏气象站点空间分布Fig.1 Spatial distribution of weather stations in Ningxia

1.2 研究方法

经统计，在4月10日至5月15日期间，宁夏各地小麦、玉米等作物相继进入苗期，桃、李、杏、梨等经济林果处于开花期或花蕾期，酿酒葡萄进入萌芽期，枸杞处于萌芽—展叶期，此阶段发生霜冻会给作物带来严重危害， 故将这一阶段定义为宁夏的春霜冻期。霜冻日由当日最低气温小于0 ℃的标准[5,19]进行判定。按照这一标准判定宁夏春霜冻期内霜冻日，并统计霜冻日数。各站春霜冻期最低气温是这一时段内每日最低气温的平均值。然后，对各站春霜冻期最低气温进行区域平均，得到宁夏春霜冻期区域平均最低气温。

采用Mann-Kendall趋势和突变检验方法[23-24]判定时间序列的变化趋势、突变点及显著水平，Morlet小波分析来探讨序列的周期变化特征[25]。Sen斜率[26-27]能降低或避免数据缺失及异常对统计结果的影响，因此采用该方法分析序列的年均变幅。应用一元线性回归和皮尔逊相关系数分析最低气温和霜冻日数的关系。在ArcGIS 10.1软件下，采用反距离加权法对要素进行空间插值。

2 结果与分析

2.1 宁夏春霜冻期最低气温及霜冻日数的时间变化特征

1961—2016年宁夏春霜冻期最低气温平均为0.59 ℃，标准差为0.13 ℃，变异系数为0.22，在1960年代、1990年代波动较大，1980年代、2000年代以后波动渐缓，且阶段性变化特征明显，1980年代以前波动下降，之后阶段性持续上升，整个时段上升趋势明显[图2(a)]，且Mann-Kendall趋势检验Z值为4.32，上升趋势极为显著(P<0.01)，Sen斜率为0.005℃·a-1，与一元线性拟合的气候倾向率0.0042 ℃·a-1接近。从Mann-Kendall突变检验结果[图2(b)]看出，UF曲线在1980年代末开始由负值转为正值，UF和UB曲线在1996年前后相交与一点，且UF曲线于2003年以后超出0.05显著性水平临界线，表明宁夏春霜冻期最低气温发生了由低到高的显著突变，突变发生在1996年前后。

图2 1961—2016年宁夏春霜冻期区域平均最低气温年际变化(a)与Mann-Kendall检验(b)Fig.2 The annual variation (a) and Mann-Kendall abrupt change test (b) of the regional average minimum temperature during the spring frost stage in Ningxia from 1961 to 2016

经统计，近56 a宁夏春霜冻日数年平均为3.9 d，标准差为2.08 d，变异系数为0.54，表明春霜冻日数的离散性很高；春霜冻日数有明显的阶段性年代际变化特征，且1960年代波动幅度异常大，1962年全区平均为11.8 d，1964年平均为0.5 d；随着时间推移春霜冻日数的离散性逐渐变低，且整体呈明显下降趋势[图3(a)]，Mann-Kendall检验也反映下降趋势显著(P<0.01)，Sen斜率为-0.05 d·a-1，与线性拟合的斜率-0.0534 d·a-1极为接近。从图3(b)看出，UF曲线在1980年代中期以后由正值转为负值，UF和UB曲线在2003年相交于一点，且UF曲线在2011年以后通过0.05显著水平临界线，表明近56 a宁夏春霜冻日数发生了由多到少的显著突变，突变点为2003年。

图3 1961—2016年宁夏春霜冻日数年际变化(a)与Mann-Kendall检验(b)Fig.3 The annual variation (a) and Mann-Kendall abrupt change test (b) of spring frost days in Ningxia during 1961-2016

图4为1961—2016年宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数的线性相关性，发现两者呈明显负相关关系，决定系数R2(0.744)和皮尔逊相关系数(-0.86)达到0.01的极显著水平；最低气温每升高0.1 ℃，霜冻日数约减少1.4 d。结合最低气温和霜冻日数的变化趋势可以断定，宁夏春霜冻期气候变暖是霜冻日数减少的主要原因。

图4 宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数的线性相关关系Fig.4 Linear correlation between the minimum temperature during the spring frost stage and frost days in Ningxia

2.2 宁夏春霜冻期最低气温及霜冻日数的空间分布特征

图5是1961—2016年宁夏春霜冻期多年平均最低气温和霜冻日数空间分布。可以看出，最低气温总体上以宁夏中西部向周边递减，南部山区的固原、西吉、隆德和泾源属于低值区(0.30～0.45 ℃)，银川、永宁、青铜峡、吴忠、灵武、中宁等中部沿黄灌区为高值区(0.69～0.76 ℃)[图5(a)]；霜冻日数与最低气温在空间变化上呈反向分布，南部山区和兴仁为霜冻日数高值区，这一点也说明了霜冻日数与海拔高度基本呈正相关，在霜冻灾害防控上需要引起足够重视。

利用Mann-Kendall趋势检验和Sen斜率方法，分析了1961—2016年宁夏19站春霜冻期最低气温和霜冻日数的变化趋势(图6)，发现全区最低气温变化趋势空间不一致，14站最低气温呈显著上升趋势，占总站数的74%，3站无显著变化趋势，永宁和兴仁站则呈显著下降趋势，可见，在全球变暖背景下宁夏最低气温整体显著上升，但最低气温的变化具有显著的区域性；南部山区和中东部地区Sen斜率绝对值较小，永宁和兴仁较大[图6(a)]。霜冻日数的变化趋势也表现出空间不一致性，10站为显著减少，永宁和兴仁为显著增加，其他站点无显著变化，且全区霜冻日数的Sen斜率均较小，南部山区和北部地区主要为负值，中南部地区和永宁为正值，数值接近于0，其中南部固原和北部惠农相对较大[图6(b)]。

对比发现，最低气温显著上升的14站中有10站(占71.4%)霜冻日数显著下降，其他4站变化不显著，说明多数情况下霜冻日数与最低气温的变化呈负相关，但霜冻日数并非完全依赖于最低气温，它是以0 ℃气温界定的，尽管最低气温整体显著升高，但低于0 ℃的日数可能并未减少，致使霜冻日数无变化。最低气温显著下降的兴仁和永宁2站，其霜冻日数都显著上升，说明最低气温降低时势必引起霜冻日数增多。可见，宁夏春霜冻期气候变暖是霜冻日数减少的主要原因。从地形上(图略)看，无论平原或山区，霜冻日数均出现显著增多、显著减少以及无明显变化的情况，说明霜冻日数的变化与地形关系不大。

图5 1961—2016年宁夏春霜冻期平均最低气温(a，单位: ℃)和霜冻日数(b，单位：d)空间分布Fig.5 Spatial distribution of average minimum temperature during the spring frost stage (a, Unit: ℃) and frost days (b, Unit: d) in Ningxia from 1961 to 2016

图6 1961—2016年宁夏春霜冻期最低气温(a)和霜冻日数(b)变化趋势空间分布Fig.6 Spatial distribution of change trend of the minimum temperature during the spring frost stage (a) and frost days (b) in Ningxia from 1961 to 2016

2.3 宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数周期特征

图7是1961—2016年宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数Morlet小波分析实部，正值区表示最低气温(霜冻日数)偏高(偏多)，负值区与之相反。由图7(a)可见，最低气温在1961—1966年、1997—1999年、2010—2014年3个时段变化较为剧烈，存在明显的10 a左右、20～25 a周期变化，且稳定，具有全域性，在1997年以后15 a的周期变化也较明显。10 a尺度上最低气温的变化由剧烈转为平缓，第一个低值区为1962年，最低气温比平均值偏低0.2 ℃以上，最后一个低值区为2010年，比平均值偏低不到0.1 ℃，10 a尺度的周期变化在1997年以后表现稳定，整个时段周期性较为明显。在20～25 a尺度上最低气温的变化与10 a的情况相反，由平缓变得更加剧烈。

由图7(b)可见，等值线在1961—1976年极为密集，说明该阶段霜冻日数变化剧烈，波动幅度大，而1976年以后等值线整体趋于平缓。1994年之前10～12 a的周期变化特征明显，且1967—1994年间还明显存在6 a左右的周期振荡，而1994年之后8 a左右的周期振荡明显。此外，在整个时域内还存在20～25 a左右较为明显的稳定周期变化，在这个时间尺度上霜冻日数变化也由剧烈逐渐变为平缓。

图7 1961—2016年宁夏春霜冻期最低气温(a)和霜冻日数(b)Morlet小波实部的时频分布Fig.7 Time-frequency distribution of Morlet wavelet real part of the minimum temperature during the spring frost stage (a) and frost days (b) in Ningxia from 1961 to 2016

3 结论与讨论

(1)1961—2016年宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数均发生显著变化，前者上升趋势极为显著，这与杜灵通等[28]的判断相吻合，也印证了气候变暖的事实[12]，而后者显著下降，Sen斜率为-0.05 d·a-1，与桑建人等[29]得出的1961—2004年春霜冻次数线性倾向率较接近，在一定程度上印证了中国北方气候变暖造成霜冻日数减少的论断[7]。另外，春霜冻期最低气温与霜冻日数存在极显著负相关关系，比桑建人等[29]基于年平均最低气温得到的结果具有更强的相关性，能够更好地揭示霜冻事件对气候变暖的响应。

(2)在空间上，宁夏春霜冻期最低气温和霜冻日数互为反向分布，且空间差异较大。宁夏中部是最低气温的高值区和霜冻日数的低值区，南部则是最低气温的低值区和霜冻日数的高值区。这与李红英等[22]提出的霜冻致灾因子低、中、高危险区空间划分基本吻合。

(3)近56 a来，春霜冻期最低气温和霜冻日数变化趋势空间不一致，全区74%的站点最低气温显著上升，53%的站点霜冻日数显著减少，且同一站点表现并不完全相反，其中中宁、麻黄山、同心、海原最低气温显著上升，但霜冻日数未发生明显变化，说明霜冻日数并不完全随着最低气温的升高而减少，可能还受风速、蒸发等其他因子的影响。

(4)宁夏春霜冻期最低气温的周期振荡特征与霜冻日数有较好的契合度，在20～25 a和10 a左右尺度上均具有较强规律性，且尺度也较为接近，其中20～25 a长周期的契合度更好。最低气温和霜冻日数在1976年以前振荡剧烈，而后逐渐趋于平缓，未来霜冻日数变化趋向平缓下降的可能性较大。

宁夏春霜冻期气候变暖导致春霜冻日数显著减少，整体有利于农业生产，但永宁和兴仁霜冻日数却有明显增加趋势，需要当地政府制定相应措施来防灾减灾。同时还应该关注霜冻日数的稳定周期，在霜冻防御、种植结构布局上充分考虑以减轻霜冻危害。