鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期变化特征分析

丁善文 王峰

摘要：利用魯中地区及周边国家气象站资料，采用线性趋势、Mann-Kendall突变检测、滑动T检验、Pearson相关分析、ArcGIS空间插值等方法，对鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期的时空变化特征及其与气候因子、地理因子的相关关系进行分析。结果表明，鲁中地区初霜日呈显著推迟、终霜日呈显著提前、无霜期呈显著延长的趋势，初霜日、终霜日及无霜期突变年份分别为2003、1996、2003年。初霜日、终霜日及无霜期与气温相关性较好。初霜日、终霜日及无霜期空间分布不均匀，中部山区初霜日出现较早，向东西两侧依次逐渐推迟;终霜日最早出现在西北部，中部及昌邑-潍坊-安丘一带终霜期出现较晚，最晚为莱芜、临朐、潍坊一带;无霜期最长出现在西北部，最短出现在中部及南部山区。初霜日、终霜日分别与海拔高度和经度呈正相关，并达到极显著水平，无霜期与海拔高度呈负相关，受海拔高度的影响达显著水平。

关键词：初霜日;终霜日;无霜期;变化特征;鲁中地区

中图分类号：P467         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）06-0073-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.06.014           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The variation characteristics analysis of the initial frost day，

final frost day and frost-free period in Luzhong area

DING Shan-wen1，WANG Feng2

（1.Tai'an Meteorological Bureau，Tai'an 271000，Shandong，China;2.Binzhou Meteorological Bureau， Binzhou 256600，Shandong，China）

Abstract： In order to better grasp the impact of frost-free period on agricultural production in Luzhong area and improve the prediction of frost， making full use of national meteorological stations in Luzhong area to use linear trend estimation method， Mann-Kendall mutation analysis， T Sliding， ArcGIS spatial interpolation and other methods analyze the temporal and spatial variation characteristics of frost， the first day and the frost-free period and their relationship with climatic factors and geographical factors in Luzhong area. The results showed that the first frost day was significantly delayed， the final frost day was significantly advanced and the frost-free period was significantly extended in the Luzhong area. The years of mutation were 2003 and 1996 and 2003， respectively. The initial frost day and final frost day and frost-free period were closely related to temperature. The distribution of initial frost day and final frost day and frost-free period was uneven. The first frost days appeared earlier in the central mountainous areas， and gradually delayed from the east and west to the sides. The final frost day first appeared in the northwest. Later was the central and Changyi-Weifang-Anqiu area and the latest was Laiwu， Linqu， Weifang area. The frost-free period was the longest in the northwest， and the shortest appeared in the central and southern mountains. The initial frost day and the final frost day were positively correlated with altitude and longitude and respectively reached a very significant level. The frost-free period was negatively correlated with altitude， and reached a significant level with the influence of altitude.

Key words： initial frost day; final frost day; frost-free period; variation characteristics; Luzhong area

霜冻是春、秋转换季节中土壤表面或植物表面的温度降至0 ℃以下而造成作物受害的现象。农业气象学中无霜期是指地面最低温度大于0 ℃的初终日期的天数[1]，是一个地区的热量资源丰歉程度的一个指标，也是安排农业生产和农业结构调整的一项很重要的指标。近100年来气候变暖已是事实，1880—2012年全球平均地表温度远高于第四次评估报告的0.74 ℃，国内地表温度的增长趋势超过全球同期平均水平（0.13 ℃/10年）[2]，气候的变暖影响了霜期的变化，多年来国内外学者对霜期及初终日的变化特征进行了大量研究[3-18]，研究表明，初终霜日及无霜期的变化与逐日平均气温和日最低气温有较大的关系，霜期的变化主要与日最低气温和0 cm最低地温的不断升高有关，自20世纪50年代以来，全国平均无霜期随纬度增加而减少、随海拔高度升高而减少。

鲁中地区位居山东省中部，包括泰安、莱芜、潍坊及淄博、济南部分地区，地形主要有平原和山区，所选台站位置分布如图1所示。该区主要种植冬小麦和夏玉米等作物。鲜见有针对该地区的初终霜日及霜期特征变化的研究，基于鲁中地区及周边30个气象台站1980—2017年气象资料对该地区初、终霜日及无霜期时空变化特征进行研究，以期为合理安排作物布局、调整种植制度及制定对策提供科学依据，为鲁中地区霜冻灾害的预报及有效防御霜冻灾害提供参考。

1  资料与方法

1.1  数据来源

气象数据来源于鲁中地区及周边30个国家地面气象站，通过严格的质量控制。地理数据采用1∶25万山东省DEM资料。

1.2  方法

根据农业气象学，本研究以日最低地温≤0 ℃作为霜冻初终日期的指标，初霜日期是指每年秋冬季第一次日最低地温≤0 ℃的日期，终霜日期是指春季最后一次日最低地温≤0 ℃的日期，无霜期是指本年度初霜日与上一年度终霜日之间的日数。

利用线性趋势估计、Mann-Kendall突变检测、T滑动检验对初、终霜日及无霜期进行时间变化特征分析，利用Pearson相关和一元线性回归对初、终霜日、无霜期与气候因子、地理因子的相关关系进行分析，基于ArcGIS软件，利用空间插值、自然分类等方法，分析鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期空间变化特征。

2  结果与分析

2.1  时间变化特征

2.1.1  趋势分析

1）年际变化特征。利用线性回归法对鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期进行分析，其年际变化特征见图2。鲁中地区初霜日显著推迟，每10年推迟3.4 d，终霜日显著提前，每10年提前3.8 d，无霜期显著增长，每10年增长7.2 d。初霜日、终霜日、无霜期气候倾向率分别为3.4 d/10年（r=0.63，P<0.001）、3.8 d/10 a（r=0.56，P<0.001）、7.2 d/10年（r=0.70，P<0.001），三者均达到极显著水平。初霜日平均出现日期为10月29日，最早为10月17日（1981年），单站最早为10月10日，最晚初霜日出现在11月8日（2008年），单站最晚初霜日出现在11月15日;终霜日平均日期为4月11日，终霜日最早出现在3月26日（2014年），单站最早初霜日出现在3月14日，最晚出现在4月24日（1987年），单站最晚终霜日为5月10日;无霜期平均最短183 d（1988年），单站最短166 d，无霜期平均最长222 d（2008年），单站最长245 d。

2）年代季变化特征。初霜日在20世纪80年代出现日期最早，平均日期为10月24日，20世纪90年代平均日期为10月28日，21世纪初平均日期为11月1日，2011—2017年平均日期为11月2日;终霜日在20世纪80年代出现最晚，平均日期为4月16日，20世纪90年代平均日期为4月13日，21世纪初平均日期为4月9日，2011—2017年平均日期为4月5日;无霜期在20世纪80年代最短，平均192 d，20世纪90年平均197 d，2001—2010年平均无霜期增长到207 d，2011—2017年为211 d，近37年鲁中地区无霜期平均增长了19 d。

将鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期分别与3—5、9—11各月平均气温、春季及秋季和年平均气温进行相关分析，结果如表1所示。初霜日与9—11月各月平均气温、秋季及年平均气温均呈正相关，与10、11月及秋季平均气温相关性达到极显著水平，与年平均气温相关性达到显著水平;终霜日与3—5月各月平均气温、春季及年平均气温均呈负相关，其相关性均达到极显著水平;无霜期主要与春、秋季及年平均气温，以及3—5、9—11月各月平均气温均呈正相关，且与3—5月各月、10月、春季、秋季及年平均气温的相关性达到极显著水平。

2.1.2  突变分析  利用Mann-Kendall突变分析法对鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期进行突变分析（图3）。20世纪80年代初霜日呈波动状态，并稍有提前的趋势，自20世纪90年代开始初霜日呈推迟趋势，2006年前后UF曲线超过临界线（U0.05=±1.96），推迟趋势达到显著水平，在2003年前后UF和UB曲線在两临界线之间相交，说明2003年前后鲁中地区初霜日发生了突变（图3a）;终霜日在20世纪80年代先提前后延迟，20世纪80年代末到90年代中期呈波动状态，之后终霜日提前速度增加，2001年前后UF曲线超过临界线（U0.05=±1.96），达到显著水平，2008年达到极显著水平，UF和UB 曲线在1996年前后相交于两临界线之间，发生了突变（图3b）;无霜期在20世纪80年代为波动下降趋势，1988年下降趋势达到了显著水平，之后无霜期开始增长，2003年后UF曲线超过0.05临界线，增加趋势达到显著水平，UF和UB 曲线在2003年相交于两临界线之间，2003年为突变点，无霜期由2002年的190 d增长为2003年的206 d，突变前后增加了16 d（图3c）。

利用滑动T检验法对突变再次进行分析，对鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期进行分析，结果如图4所示，初霜日、终霜日及无霜期分别于2003、1996及2003年发生突变，与Mann-Kendall突变分析相吻合。

2.2  空間变化特征（GIS空间分布）

2.2.1  初霜日、终霜日及无霜期的空间变化特征  鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期空间分布如图5所示。鲁中地区平均初霜日最早出现在北部的周村（10月25日），向东西两侧依次逐渐推迟;济南、高密、诸城等地平均初霜日出现较晚，最晚出现在西北部的济南（11月3日）。最早与最晚相差9 d。

鲁中地区平均终霜日最早出现在西北部的济南（4月4日），其次为长清（4月8日），鲁中地区中部及昌邑-潍坊-安丘一带出现较晚，最晚出现在莱芜、临朐、潍坊（4月14日）。最早与最晚相差10 d。

鲁中地区平均无霜期以中部山区较短，周围平原地区较长。最长出现在西北部的济南（212 d），最短出现在中部及南部山区（193 d）的莱芜、周村。最长与最短相差19 d。

2.2.2  初霜日、终霜日及无霜期与海拔高度、纬度、经度的相关分析  将鲁中地区初霜日、终霜日及无霜期分别与海拔高度、纬度、经度进行相关分析，结果如表2所示。初霜日与海拔高度、纬度呈负相关，与经度呈正相关，与海拔高度相关性达到极显著水平，海拔高度越高，初霜日出现越早;终霜日与海拔高度、纬度、经度均呈正相关，与经度相关性达到极显著水平;无霜期与海拔高度、纬度、经度均呈负相关，无霜期受海拔高度的影响达显著水平，海拔高度越高，无霜期越短。

3  小结

鲁中地区初霜日平均出现日期呈显著推迟趋势，气候倾向率为3.3 d/10年（r=0.63，P<0.001）;终霜日呈显著提前趋势，气候倾向率为3.8 d/10年（r=0.56，P<0.001）;无霜期呈显著延长的趋势，气候倾向率为7.2 d/10年（r=0.70，P<0.001）。初霜日与10、11月、秋季及年平均气温均呈显著正相关;终霜日与3—5月各月、春季及年平均气温均呈极显著负相关;无霜期与3—5月各月、10月、春、秋季及年平均气温呈极显著正相关。

鲁中地区初霜日在20世纪80年代为波动稍提前的趋势，之后初霜日呈推迟趋势，2006年前后推迟趋势达到显著水平（U0.05=±1.96），在2003年发生突变;终霜日在20世纪80年代先提前后延迟，20世纪80年代末到90年代中期为波动缓慢提前，之后终霜日推迟速度增加，到2001年达到显著水平，2008年达到极显著水平，突变年份为1996年前后;无霜期在20世纪80年代为波动下降趋势，1988年下降到最低，达到了显著水平，之后无霜期开始增长，2003年前后发生突变，2003年后增长趋势达到显著水平（U0.05=±1.96）。

鲁中地区平均初霜日、终霜日及无霜期空间分布不均匀。平均初霜日最早出现在周村，其次为章丘、莱芜、沂源等中部山区，向东西两侧依次逐渐推迟，最晚出现在济南;平均终霜日最早出现在西北部的济南，其次为长清，鲁中地区中部及昌邑-潍坊-安丘一带较晚，最晚出现在莱芜、临朐、潍坊;平均无霜期最长出现在西北部的济南，最短出现在莱芜、周村。

鲁中地区初霜日与海拔高度、纬度呈负相关，与经度呈正相关，与海拔高度相关性达到极显著水平;终霜日与海拔高度、纬度、经度均呈正相关，与经度达到了极显著水平;无霜期与海拔高度、纬度、经度均呈负相关，无霜期受海拔高度的影响达显著水平，海拔高度越高，无霜期越短。

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