1961—2017年内蒙古霜冻时空分布特征及演变趋势

王惠贞 李丹 吴瑞芬 吴向东

摘要：为深入研究内蒙古霜冻发生的演变规律，提高防霜减灾能力，促进气候资源合理开发利用，以1961—2017年内蒙古107个气象站的逐日最低地温资料为基础，根据霜冻气候指标统计霜冻日数，并采用线性倾向估计法、旋转正交经验函数（REOF）分析法及M-K突变检验等方法分析内蒙古霜冻日数的时空变化特征和突变情况。结果表明，（1）内蒙古地区平均霜冻日数呈明显下降趋势，且变化程度与海拔高度呈显著负相关关系。（2）从内蒙古各地区霜冻日数近57年的平均值分布特征来看，东北部地区霜冻日数最多、西部和东南部地区略少。（3）自20世纪60年代以来，内蒙古年平均霜冻日数发生突变的时间為1987年。（4）通过经验正交函数分解（EOF）和REOF分析可知，内蒙古霜冻日数空间变化特征受气候因素、地形等因素影响，分为中西部地区、东北部地区和东南部地区等3个区域，中西部地区霜冻日数减少趋势最为明显，随着全球气候变化加剧，该地区可能成为霜冻脆弱区。

关键词：霜冻日数;年际变化;突变;EOF;REOF

中图分类号： S425文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）18-0274-09

收稿日期：2019-09-03

基金项目：内蒙古自治区自然科学基金（编号：2017MS0411）;内蒙古自治区气象局科技创新项目（编号：nmqxkjcx201915）;中国气象局气候变化专项（编号：CCSF202025）。

作者简介：王惠贞（1988—），女，内蒙古呼和浩特人，硕士，工程师，主要从事应用气象与农业气象灾害防御研究。E-mail：1695920285@qq.com。

通信作者：李 丹，硕士，工程师，主要从事生态气象学研究。E-mail：40342051@qq.com。

目前，全球变暖已是不争的事实，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告指出，近130年（1880—2012年），全球地表温度增高 0.85 ℃，不同区域气候变暖的范围和幅度各异，我国1951—2017年地表年平均气温平均每10年升高0.24 ℃[1-3]。在全球变暖的气候背景下，极端气候特征也出现一系列的变化，其中，霜冻的发生受温度变化的控制，是影响农业生产的重要因素之一[4]。近年来，国内外众多学者围绕霜冻的分布特征和气候变化特征及霜冻灾害评估等方面进行了系统的研究，结果表明，北欧和北美霜冻日数呈减少趋势，且变化趋势有明显的地域差异[5-7]，20世纪90年代以后我国大部地区霜冻日数呈缩短趋势[8]，且霜冻日数的变化具有明显的区域特征[9]。影响我国宁夏、西藏、贵州等地区霜冻日数变化特征的因素较多，时空变化规律有区域性和季节性等差异[10-14]，且霜冻日期的变化与极涡、副热带高压所处的位置及变动有直接关系[15]。

内蒙古地形和气候复杂多样，霜冻主要出现在秋季和春季，是影响内蒙古地区玉米、马铃薯、大豆等农作物生产的主要因素之一[16]。目前针对内蒙古霜冻的研究较多，包括对初霜冻日期、终霜冻日期及作物霜冻临界温度等方面的研究[17-19]，但霜冻日数的变化特征尚不清楚。本研究以日最低气温<0 ℃的日数作为霜冻指标，揭示近57年内蒙古霜冻日数的年际变化、突变情况及空间变化的特征，对防霜减灾和高效利用农业气候资源具有重要的理论意义和实用价值，并为提高对霜冻的预测和服务能力奠定理论基础。

1 资料与方法

1.1 数据资料

选用1961—2017年内蒙古自治区境内（37.85～50.78°N、101.07～124.48°E）119个基本气象站逐日最低气温资料，对资料进行均一性订正，遵循资料年代较长、区域分布较均匀的原则，剔除部分站点，最终选定107个代表站点，并利用周围参考站数据对代表站点个别年份缺测及其他因素造成的奇异值进行订正，周围参考站的选择遵循距离200 km以内相关系数达0.7以上、高度差50 m以内的原则。上述资料来源于内蒙古生态与农业气象中心。

1.2 指标与研究方法

以地面0 cm最低温度低于0 ℃作为霜冻指标，统计霜冻日数（frost days，简称FD），即一年中日最低气温<0 ℃的日数。采用均值分布法分析平均霜冻日数的空间分布;采用线性倾向估计法分析霜冻日数的变化趋势，并用t检验对其信度进行检验;采用Mann-Kendall（M-K）突变分析法检测霜冻日数的突变特征;采用相关分析法和多元回归分析法研究海拔和纬度对霜冻日数变化的影响;采用经验正交函数分解（EOF）和旋转经验正交函数分解（REOF）方法分析霜冻发生的时空分布特征。

1.3 数据分析和图表制作方法

以SPSS统计软件进行数据处理和差异显著性分析，用Excel绘制图表，用ArcGIS 10.2制作相关分布图。

2 结果与分析

2.1 内蒙古霜冻日数的年际变化特征

1961—2017年内蒙古霜冻日数的线性变化呈明显下降的趋势（图1），平均每10年下降3.6 d。20世纪90年代后期之前，内蒙古霜冻日数波动起伏，这之后，霜冻日数减少趋势较明显。近57年内蒙古地区平均霜冻日数为183 d，从1996年开始5年滑动平均值均低于57年平均值，1998年霜冻日数达最低值，为167 d。

2.2 内蒙古霜冻日数的时间变化趋势和地理分布特征

2.2.1 霜冻日数的时间变化趋势分析

对内蒙古地区107个台站的霜冻资料进行线性趋势分析，得到趋势变化系数分布（图2）。分析结果表明，系数为负值，对应霜冻日数呈减少趋势，说明全区大部分地区近57年来霜冻日数呈较明显的减少趋势，且变化趋势分布存在明显的区域差异，霜冻日数减少幅度较大的地区主要在东北部和中西部大部分地区，变化趋势在-3.5 d/10年以上，其中河套灌区和阴山北麓偏东地区霜冻日数减少最明显，线性倾向达到 -6.6～-6.1 d/10年，锡林郭勒盟东部、通辽市南部、赤峰市南部和呼伦贝尔市西部地区的线性倾向为-3.5～-1.5 d/10年。

3 讨论

内蒙古霜冻日数有明显的年际变化特征，1961—2017年内蒙古地区平均霜冻日数的线性变化呈明显下降趋势，全区107个测试站点中有94个站点霜冻日数表现为极显著减少趋势，变化趋势分布存在明显的区域差异，霜冻日数减少幅度相对较大的地区主要在东北部和中西部大部地区。全球变暖使霜冻日数整体呈减少趋势，可能造成玉米、大豆等大田作物发育期延迟，尤其是北半球30°N以北地区作物生长季延长幅度较大的地区近30年的霜冻日数有所增加，而霜冻日数的变化对作物的危害具有较大的不确定性，可能增加植株受霜冻害的风险，但与作物品種、植株耐寒性和所处生育期密切相关，全球性和区域性气候变暖也预示着农作物和植物花期受霜冻危害的可能性将减小[21-26]。

分析各地区霜冻日数的趋势变化系数与地理方位的关系得出，海拔、纬度以及地形综合作用于霜冻日数的变化，但主导性因素的显著性检验结果略有差异，霜冻日数的趋势变化程度与海拔高度呈显著负相关关系，说明海拔高度对霜冻日数趋势变化系数影响较大。

内蒙古近57年霜冻日数区域特征明显，大致符合地带性分异规律，呈现东北部多、西部和东南部少的分布特征。通过经验正交函数（EOF）分解得出，内蒙古霜冻日数的分布型为主导分布型，表现为在多年霜冻日数变化中受共同气候因子影响的一致性减少变化，且1987年之前呈振荡变化而之后呈明显偏少的特征，呼和浩特、包头、巴彦淖尔市和鄂尔多斯东北部地区霜冻日数年际变化幅度较大。20世纪80—90年代，东西区域界限变动较明显，随着时间变换由东北逐渐向西南方向移动。

由于EOF分解的局限性，分离出的空间分布结构不能更细致地表示不同地理区域的特征[27]，而采用旋转经验正交函数（REOF）分解分区时，经过正交旋转后荷载平方的方差和达到最大，使得各特征向量的高荷载值更加突出，因此该方法对霜冻日数变化特征进行分区更具有客观性[28-30]。根据内蒙古霜冻日数空间变化特征可分成3个区域，分别是中西部地区、东北部地区和东南部地区，中西部地区霜冻日数减少趋势最为明显，该区地处阴山山脉地区，随着全球气候变化加剧，可能成为霜冻脆弱区。

4 结论

基于对1961—2017年内蒙古地区霜冻日数的综合分析，可获得以下结论。

近57年内蒙古平均霜冻日数呈明显下降趋势，霜冻日数的变化趋势分布存在明显的区域差异，变化程度与海拔高度呈负相关关系，从各地区霜冻日数近57年平均值的分布特征来看，东北部地区霜冻日数最多、西部和东南部地区略少。

对内蒙古107个测试站点的57年霜冻日数资料进行突变检验发现，自20世纪60年代以来，内蒙古年平均霜冻日数在明显下降的基础上，存在突变，突变的时间为1987年。

根据内蒙古霜冻日数空间变化特征可分成3个区域，分别是中西部地区、东北部地区和东南部地区，东北部地区霜冻日数相对较多，但3个区域内测试站点均表现为在多年霜冻日数变化中受共同气候因子影响的一致性减少变化，其中，中西部地区霜冻日数较少趋势最为明显。

总体来看，内蒙古地形分布可代表霜冻日数的空间分布模式，霜冻防御的重点区域应该集中在中西部农区，东南部农区受霜冻影响较轻，对于发展农业生产比较有利。

参考文献：

[1]IPCC. Intergovernmental panel on climate change：the physical science basis，of working groupⅠto the fifth annual assessment report of the IPCC[R]. Cambridge：Cambridge University Press，2013.

[2]中国气象局气候变化中心. 2018年中国气候变化蓝皮书[M]. 北京：气象出版社，2018.

[3]王媛媛，张 勃. 1971年至2010年陇东地区霜冻与积温变化特征[J]. 资源科学，2012，34（11）：2181-2188.

[4]马柱国. 中国北方地区霜冻日的变化与区域增暖相互关系[J]. 地理学报，2003，58（增刊1）：31-37.

[5]Heino R，Brázdil R，Frland E，et al. Progress in the study of climatic extremes in Northern and Central Europe[J]. Climatic Change，1999（42）：151-181.

[6]Bonsal B R，Zhang X，Vincent L A，et al. Charcteristics of daily and exteme temperature over Canada[J]. Journal of Climate，2001（14）：1959-1976.

[7]Easterling D R. Recent changes in frost days and the frost-free season in the United States[J]. Bulletin of the American Meteorological Society，2002，83（9）：1327-1332.

[8]王国复，许 艳，朱燕君，等. 近50年我国霜期的时空分布及变化趋势分析[J]. 气象，2009，35（7）：61-67.

[9]王 岱，游庆龙，江志红，等. 基于均一化资料的中国极端地面气温变化分析[J]. 高原气象，2016，35（5）：1352-1363.

[10]郭 军，任国玉，任 雨. 近100年天津平均气温与极端气温变化[J]. 高原气象，2011，30（5）：1399-1405.

[11]郜红娟，蔡广鹏，陆 艺，等. 1960—2013年贵州省霜冻日数时空变化特征[J]. 农业科学研究，2017，38（4）：16-19，42.

[12]马尚谦，张 勃，刘莉莉，等. 甘肃省霜冻日期时空变化特征及影响因素[J]. 高原气象，2019，38（2）：397-409.

[13]张 磊，杨 洋，张晓煜，等. 近50年宁夏霜冻日数基本特征及变化趋势[J]. 中国农学通报，2015，31（5）：214-219.

[14]拉巴次仁，索朗加措，白 瑪. 1981—2010年西藏霜冻日数的变化特征[J]. 地理学报，2014，69（5）：690-696.

[15]马 彬，张 勃，贾艳青，等. 1961—2014年中国内陆农业区异常初、终霜冻日期时空变化及其与环流因子的关系[J]. 气象学报，2017，75（4）：661-671.

[16]潘进军. 内蒙古气象灾害及其预防[M]. 北京：气象出版社，2007.

[17]张 宇，尤 莉，关彦如，等. 内蒙古自治区1971—2018年春季终霜冻日期时空分布特征分析[J]. 北方农业学报，2019，47（2）：97-103.

[18]王海梅，侯 琼，云文丽，等. 内蒙古河套灌区玉米与向日葵霜冻的关键温度[J]. 生态学报，2014，34（11）：2948-2953.

[19]高 晶. 1971—2014年内蒙古初霜冻的气候特征及环流因子初步分析[J]. 内蒙古气象，2016（3）：13-16.

[20]白美兰，郝润全，李喜仓，等. 1961—2010年内蒙古地区极端气候事件变化特征[J]. 干旱气象，2014，32（2）：189-193.

[21]Koen H，Friedl M A，Trevor F K，et al. Ecological impacts of a widespread frost event following early spring leaf-out[J]. Global Change Biology，2012，18（7）：2365-2377.

[22]Qiang L，Piao S L，Janssens I A，et al. Extension of the growing season increases vegetation exposure to frost[J]. Nature Communications，2018，9（1）：426-430.

[23]Augspurger C K. Reconstructing patterns of temperature，phenology，and frost damage over 124 years：spring damage risk is increasing[J]. Ecology，2013，94（1）：41-50.

[24]Lenz A，Hoch G，Yann V，et al. European deciduous trees exhibit similar safety margins against damage by spring freeze events along elevational gradients[J]. New Phytologist，2013，200（4）：1166-1175.

[25]戴君虎，王焕炯，葛全胜. 近50年中国温带季风区植物花期春季霜冻风险变化[J]. 地理学报，2013，68（5）：593-601.

[26]郭晓雷，申双和，张 磊，等. 宁夏枸杞种植区春霜冻发生的时空分布特征分析[J]. 江苏农业科学，2019，47（6）：238-242.

[27]魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M]. 2版.北京：气象出版社，2007：117-124.

[28]Michael B R. Rotation of principal components[J]. Journal of Climatology，1986，6（3）：293-335.

[29]Zhang Q，Xu C Y，Zhang Z X. Spatial and temporal variability of precipitation over China，1951—2005[J]. Theoretical and Applied Climatology，2009，95（1/2）：53-68.

[30]Wang J L，Zhang R H，Wang Y C. Areal differences in diurnal variations in summer precipitation over Beijing metropolitan region[J]. Theoretical and Applied Climatology，2012，110（3）：395-408.