铜陵市区近58年初终霜气候变化特征研究

林群星 凌林 朱奇 熊权

（1 安徽省铜陵市气象局，铜陵244100；2 安徽省庐江县气象局，庐江 231500）

0 引言

霜冻是指在植物生长季节内，由于冷空气的入侵，使土壤、植物表面以及近地面空气层的温度骤降到0 ℃以下，引起植物细胞间结冰而使植物遭到伤害或死亡的一种短时间低温灾害。霜冻和霜是不同的概念，伴有霜的霜冻称为白霜，反之称为黑霜。由于黑霜无凝华出现，未放出潜热，因此对植物造成的危害更为严重。秋季出现的霜冻为早（秋）霜冻，春季出现的霜冻为晚（春）霜冻。铜陵市位于安徽省中南部、长江下游南岸，属北亚热带湿润季风气候，从农业角度讲，属典型的城郊型农业，正积极发展现代都市型农业。低温和霜冻天气是铜陵地区春、秋季主要农业气象灾害之一，其造成的经济损失呈逐年增加趋势。许多学者对低温霜冻的时空变化特征做了大量的研究，得到了不少有意义的结果。如：文献揭示近35年安徽省茶区平均终霜期南部早于北部，春霜日数皖西大别山茶区出现最多，皖南黄山茶区最少。文献得到安徽省冬小麦主产区为轻度霜冻频发区、重度霜冻基本不发区。文献探明芜湖初霜冻日约以2.4 d/10 a的速度推后，终霜冻日约以2.1 d/10 a的速度提前，无霜冻期约以4.9 d/10 a的速度延长。文献小波分析发现山西高原低温冷害存在为2～3 a、5～8 a和15～20 a的周期。

在安徽，低温霜冻灾害局地综合深入研究几乎没有。研究铜陵地区低温霜冻气候变化特征，对提高低温霜冻天气预报准确率，气候资源利用、灾害防御及保证来年农作物稳产高产具有重要现实意义。因此，笔者拟利用1960—2017年铜陵最低气温资料，对该地区低温霜冻的基本特征、时间特征、强度变化、突变特征，小波变换等方面进行综合深入分析，以期提高该地区对低温霜冻的预测能力，为有效防御低温霜冻提供科学依据。

1 资料与方法

本文选取铜陵气象站1960—2017年逐日最低气温（因地温获取资料不全，故本研究采用最低气温）数据为分析资料；以百叶箱（离地面1.5 m高度）日最低气温

T

≤2 ℃（注：地温为

T

≤0 ℃）的日数作为霜冻期；以下半年日最低气温第1次出现

T

≤2 ℃的日期为初霜冻日，次年上半年日最低气温最后一次出现

T

≤2 ℃的日期为终霜冻日，以初霜冻日至终霜冻日之间的天数（含初、终霜冻日）为霜冻期；霜冻日数实行跨年度统计。通过线性倾向估计、Mann-Kendall突变检验、分段、Morlet小波分析等方法综合分析铜陵地区近58年来的霜冻气候变化特征。

2 霜冻气候特征

2.1 霜冻的基本特征

根据近58年铜陵霜冻基本特征分析，平均初霜冻日为11月28日，最早在11月9日（1968年），最晚在12月20日（1991年）；平均终霜冻日为3月10日，最早1月31日（2008年），最晚4月8日（1962年）；平均霜期103 d，最长146 d（1968年），最短仅57 d（2008年）；初、终霜冻及霜冻期的绝对变率分别为6.8、9.7、12.9，由此可见，铜陵地区霜期及终霜冻日年际差异较大且不稳定，由绝对变率终霜冻大于初霜冻可见终霜冻对农业生产的危害大于初霜冻。

2.2 霜冻的线性气候趋势

从线性拟合线（图1）发现，铜陵初霜日呈推迟趋势（图1a），推迟速率1.401 d/10 a（

P

＜0.05）；多项式拟合曲线可以看出，初霜冻日变化具有明显的年代际特征，20 世纪 60年代后期到70年代前期和21世纪10年代后期初霜冻日提早显著，20 世纪60年代初期、80 年代和 21 世纪00年代后期到10年代前期初霜冻日明显推后。终霜日却呈现出显著提前（图1b），每10年约提前3.656 d（

P

＜0.01）；多项式拟合曲线可以看出，终霜日除20世纪80年代推迟以外，其余均呈提早趋势，在2013年以后终霜日提早最为显著（图1b）。近58年铜陵霜冻期显示出明显缩短趋势（图1c），每10年约缩短4.987 d（

P

＜0.01）；多项式拟合曲线可以看出，霜冻期整体呈现极显著越来越缩短趋势。可见铜陵终霜日的提早速率远大于初霜日的推迟速率，两者均是造成霜期缩短的主要原因，而终霜日则表现更为突出。

林群星研究表明，近53年来铜陵地区年平均气温，年平均最高、最低气温整体均呈波动上升趋势。王绍武等研究表明，近100年来中国气温上升了0.5 ℃左右。因此气候变暖是造成初霜冻推迟、终霜冻提早、霜期缩短的主要原因。初霜冻日的推后，使农作物在成熟后期遭受霜冻危害的可能性降低，利于秋收作物的成熟和收获；终霜冻日提前，使春播作物苗期免遭冻害的概率减小，有利于小麦拔节、油菜开花、早春烟出苗、春茶抽芽等；霜期缩短使得农作物生长期有效积温增多，热量资源增加，有利于麦苗、油菜等冬季农作物的生长和后期发育，加快生长发育的进程有助于农作物的优质高产。总体来说铜陵地区霜冻气候变化对气候资源是有利的。

图1 1960—2017年铜陵初霜日（a）、终霜日（b）、霜期（c）的年际变化曲线及其线性趋势Fig. 1 Interannual variation curves and linear trends of the first frost day (a), the last frost day (b) and the frost period(c) in Tongling from 1960 to 2017

2.3 霜冻的突变特征

从初霜冻的Mann-Kendall曲线（图2a）中可见，自1984年始，初霜冻UF的值都大于0，呈现明显的上升趋势，UF、UB曲线相交于1990年，表明铜陵初霜冻自1990年开始发生转折，出现了推迟突变，特别是1998年以后初霜冻一直呈相对偏晚趋势，但没有通过0.05显著性检验，突变后较突变前平均推迟了4.2 d。从终霜冻Mann-Kendall曲线（图2b）来看，自1974年始，终霜冻UF的值都小于0，呈现明显的下降趋势，1989年发生了提前突变，之后终霜日这种提前趋势非常明显，2001年通过0.05显著性检验，2008年甚至超过0.001 显著水平，表明铜陵终霜日提前趋势十分明显，突变后较突变前平均提前了10 d。而由铜陵霜冻期Mann-Kendall曲线（图2c）可知，自1977年开始UF的值都小于0，在 1989年发生突变，霜冻期从一个相对偏长期跃变为一个相对偏短期，之后霜冻期这种缩短趋势非常明显，1991年这种缩短趋势通过0.05显著性检验，2002年霜冻期的这种缩短趋势甚至超过0.001显著水平，表明铜陵霜冻期缩短趋势十分明显，突变后较突变前平均缩短了14.4 d。初、终霜冻日和霜冻期的突变会造成热量资源分布的变化，使不同农作物种类和品种的种植区域随之发生变化，增加了农业生产结构的不稳定性。

图2 1960—2017年铜陵初霜冻（a）、终霜冻（b）、霜冻期（c）的Mann-kendall曲线Fig. 2 Mann-Kendall curves of the first frost (a), the last frost (b) and the frost period (c) in Tongling from 1960 to 2017

2.4 霜冻强度的周期分析

铜陵近58 a初霜冻在不同时间尺度上存在的周期振荡在图3a中给出，图中等值线为正的用黑实线，表示初霜冻日推后；等值线为负值用红虚线，表示初霜冻日提前；等值线零处用蓝实线表示，则对应着突变点（下同）。在28年附近尺度上振荡周期最强，占满整个研究时段；1970—2007年存在21年左右的振荡周期；另在1960—1973年、1998—2015年初霜冻变化存在10～13 a的振荡周期；1987—2003年还存在5 a左右的低频振荡。

小波方差分析（图3b）表明，铜陵初霜冻小波方差存在4个峰值，对应的时间尺度由强到弱依次为28、22、11、5 a的主周期，可见上述4个周期的波动控制着初霜冻在整个研究时间域内的变化特征。

图 3 1960—2017年铜陵初霜冻小波实部图（a）及小波方差图（b）Fig. 3 The real part of wavelet transform (a) and the variance of wavelet transform (b) of Tongling frost from 1960 to 2017

铜陵近58 a终霜冻在28年附近尺度上振荡周期最强（图4a），占满整个研究时段；1963—1985年间存在17 a左右的振荡周期；另在1997年以后存在10 a左右的振荡；2008年后还存在7 a左右的低频振荡。2017年Morlet小波系数实部等值线在28 a大尺度为正值且未闭合，所以铜陵目前且在以后多年终霜冻正处于推后期，但在5～12 a的尺度上仍处于提前期。终霜冻序列的小波方差存在由强到弱依次为28、17、10、7 a的主周期（图4b）。

近58 a来铜陵霜冻期在28年附近尺度上振荡最强，占满整个研究时段（图5a）。1960—1995年间存在由强到弱的15 a左右的振荡周期，1980年以后存在8 a左右的振荡周期，另在整个研究时段大多数时间内存在5 a左右的低频振荡。2017年Morlet小波系数实部等值线在13 a以上的大尺度为正值且未闭合，所以铜陵目前霜冻期正处于由缩短期向延长期发展。霜冻期序列的小波方差存在由强到弱依次为28、15、8、5 a的主周期（图5b）。

图 4 1960—2017年铜陵终霜冻小波实部（a）及小波方差图（b）Fig. 4 Real part of wavelet transform (a) and variance diagram of wavelet transform of (b) Tongling terminal frost from 1960 to 2017

3 结论

1）近58年铜陵市区平均初霜冻日为11月28日，平均终霜冻日为3月10日，平均霜期103 d。

2）近58年铜陵市区平均初霜冻呈推迟趋势，推迟速率为1.401 d/10 a，初霜冻日变化具有明显的年代际特征；平均终霜冻呈显著提早趋势，提早速率为3.656 d/10 a；霜冻期呈显著缩短趋势，速率为4.987 d/10 a。初霜冻日的推后，使农作成熟后期遭受初霜冻危物在害的可能性降低；终霜冻期提前将使春播作物苗期免遭冻害的几率减小；霜期的缩短有利于农业生产布局及耕作模式，增加了热量资源的利用。

图 5 1960—2017年铜陵霜冻期小波变换实部图（a）及小波方差图（b）Fig. 5 Real part of wavelet transform (a) and wavelet variance map (b) in Tongling frost period from 1960 to 2017

3）近58年来霜冻的变化特征和未来变化趋势对农业生产整体有利，但近年来终霜日偏迟、且强度较强的霜冻仍时有发生，对农业生产的危害仍较大。