新疆天山北坡经济带持续低温指数变化特征

郑玉萍，宫恒瑞，苗运玲，王 毅，崔玉玲，蒲 洁

（1.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

研究表明，近50 a新疆大部分地区气温上升明显，降水增多，呈“暖湿化”变化[1-2]，而高纬度的北疆地区，气候变暖更为明显[3-4]。新疆天山北坡经济带位于北疆以乌鲁木齐、石河子和克拉玛依市为轴心的准噶尔盆地南缘天山北坡中段，是全疆农牧业资源最富集的地区，是重要的粮食生产基地，同时也是新疆优质长绒棉、加工番茄、色素辣椒等特色作物的种植基地，冬季设施农业发展也较为迅速。近年来气候变暖总体有利于农业生产的发展，但低温冷害仍为该区域主要的农业气象灾害之一，尤其是延迟型低温冷害[5-8]。低温冷害一般是指农作物在整个生长发育期或某个生长发育期内，气温低于作物所需的临界温度而造成的严重减产。前人在研究低温冷害指标方面取得了不少成果，如利用≥10℃活动积温[9]或某个生长阶段内平均气温的距平值[10]等作为生长季内冷害的指标；在确立冷害指标的基础上运用回归分析方法建立模型对低温冷害进行预测[11-12]；李新建等[13-14]还构建了棉花热量指数作为棉花冷害指标，具有较好的生物和物理学意义；邹陈等[15]通过智能人工气候箱对石河子棉区棉花障碍型冷害开展了模拟试验研究。王艳华等[16-17]综合考虑作物不同生长阶段对温度耐受力的差异和低温持续时间对其生长发育的影响，定义了持续低温指数（Consec utive Cold Day Index）作为一种新的低温冷害指标，该指标与作物产量的波动密切相关，能够较好地反映极端低温对作物的综合影响。本文借鉴CCDI这一冷害指标，就近55 a气候变暖背景下天山北坡经济带CCDI的变化规律及其对年、季气温变化的响应进行研究分析，以期对农业生产趋利避害提供科学参考依据。

1 资料及统计方法

1.1 资料来源

采用新疆天山北坡经济带中处于同一气候区域的12个国家气象站（图1，乌鲁木齐、米东、昌吉、阜康、呼图壁、玛纳斯、石河子、莫索湾、乌兰乌苏、沙湾、乌苏、精河）逐日最低气温、平均气温，时间段为1965年1月—2019年12月。

图1 研究区海拔高度及气象站点分布

1.2 统计方法

CCDI定义为统计时段内（一年或一个季节内）连续3 d及以上日最低气温低于该日多年日最低气温平均值3℃的总日数[16-17]。

假定Tij为第j时段第i天的日最低气温，Ti平均为第i天1981—2010年日最低气温平均值年序列的5 d滑动平均值，则CCDI为某时段内至少连续出现3 d以上Tij比Ti平均小3℃的总日数。文中春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月—次年2月。

对研究区内12站逐日气温资料进行统计处理，采用线性趋势对近55 a来CCDI及年、季平均气温变化趋势进行分析，变化趋势显著性用相关系数r进行检验：当r>rα=0.01时，判断为变化极显著；当r>rα=0.05时，判断为变化显著。

定义CCDI的温度敏感系数H为平均气温T升高1℃所引起的CCDI的改变量，即

式中，H为CCDI的温度敏感系数，单位为d·℃-1，其绝对值越大，表示CCDI对温度的敏感性越强。本文以因变量CCDI依自变量平均气温的一元线性回归方程的回归系数来表示CCDI的温度敏感系数，为了排除偶然因素的影响，某一年的温度敏感系数由以这一年为中心，向前、后各取5 a共11 a的样本资料计算所得。

2 结果分析

2.1 持续低温指数的指示意义

为了确认CCDI作为一种新的低温冷害指标的指示意义，统计了研究区近55 a来12个站点出现CCDI时对应的日最低气温（表1）。结果显明，研究区冬季12月—次年2月出现CCDI时对应的日最低气温12站平均值为-22.8~-26.2℃，远远低于日光温室严重冻害指标-18℃[18]，同时-20℃以下低温对牧业产羔育幼也会造成不利影响；3、11月出现CCDI时的日最低气温＜-10℃，会造成日光温室蔬菜减产甚至绝收[19]；4、10月CCDI对应的日最低气温＜0℃，则会出现霜冻影响大田作物；5和9月CCDI对应的日最低气温低于喜温作物生长的临界指标10℃，夏季6—8月低于喜温作物积极生长发育的指标15℃。由此可见，CCDI这一指标对作物生长季0℃以上的低温冷害和春秋季、冬季0℃以下的冻害均具有很好的指示意义。

表1 研究区各月出现CCDI时对应的日最低气温指标

2.2 持续低温指数的空间分布

近55 a研究区平均年CCDI为68 d，其空间分布见图2a，最大值出现在昌吉，平均每年为87 d，最小值在玛纳斯，平均每年为58 d。其中昌吉、米东、莫索湾、沙湾、乌苏站年CCDI为70~75 d，高于研究区平均值，说明这些区域出现低温冷害及冻害的频率相对较大；阜康、乌鲁木齐、呼图壁、玛纳斯、石河子、乌兰乌苏、精河等7站的年CCDI为58~66 d，低于研究区平均CCDI值，出现低温冷害及冻害的频率相对较小。

从研究区四季平均CCDI来看（图2），冬季最大，为28 d，春季次之，为17 d，秋季14 d，夏季最少，为8 d。从图2可以看出，研究区四季的CCDI空间分布和年CCDI空间分布基本一致，即，春、夏、秋、冬季CCDI最大值均出现在昌吉，分别为21、12、18、35 d，其中昌吉、米东、莫索湾、沙湾、乌苏等5站CCDI均高于研究区的平均CCDI值，阜康、乌鲁木齐、呼图壁、玛纳斯、石河子、乌兰乌苏、精河等地CCDI值相对较小，其中春、夏、秋季CCDI最小值均出现在玛纳斯，分别为15、6、12 d，冬季CCDI最小值出现在乌鲁木齐，为24 d。

图2 研究区年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI空间分布

2.3 研究区气候变暖的事实分析

分析结果表明，近55 a来研究区的年、季平均气温均呈升高的趋势，其中12个站点的年平均气温全部达到了极显著升高的标准（r>rα=0.01）；春季和秋季均为10个站点达到了极显著升高标准（r>rα=0.01）、1个站点达到了显著升高标准（r>rα=0.05）；夏季为10个站点达到了极显著升高标准（r>rα=0.01）；冬季有4个站点达到了极显著升高标准（r>rα=0.01），4个站点达到了显著升高标准（r>rα=0.05）（图3）。

图3 研究区年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）气温变化趋势分布

近55 a来整个研究区年平均气温的气候倾向率为0.33℃/10 a，各站的年气温气候倾向率为0.18～0.49℃/10 a。从四个季节气温的变化趋势来看，冬季升温幅度最大，研究区平均气候倾向率为0.37℃/10 a，各站气候倾向率为0.21～0.60℃/10 a；夏季升温幅度最小，研究区平均气候倾向率为0.21℃/10 a，各站气候倾向率为-0.13～0.38℃/10 a；春、秋季研究区平均气候倾向率分别为0.33、0.35℃/10 a，各站气候倾向率分别为0.10～0.51℃/10 a、0.17～0.53℃/10 a。

2.4 持续低温指数对气候变暖的响应

2.4.1年、季变化响应

对近55 a研究区12个站点的年、季CCDI变化趋势进行分析表明，年、季CCDI均呈减少趋势（图4）。其中12个站点年CCDI均达到了极显著减少标准（r>rα=0.01）；春、秋季均有10个站点为极显著减少（r>rα=0.01）、1个站点为显著减少（r>rα=0.05）；夏季有10个站点达到了极显著减少标准（r>rα=0.01）；冬季有8个站点极显著减少（r>rα=0.01），3个站点显著减少（r>rα=0.05）。对比图3和图4可知，研究区各站CCDI年、季变化趋势和气温的变化趋势基本一致，二者之间存在很好的对应关系，特别是玛纳斯站尤为突出，夏季、秋季升温趋势都不显著，对应CCDI减少趋势也不显著。

近55 a研究区平均年CCDI的气候倾向率为-12.0 d/10 a，其中冬季CCDI降幅最大，气候倾向率为-4.0 d/10 a，夏季CCDI降幅最小，气候倾向率为-2.2 d/10 a，春、秋季气候倾向率均为-2.9 d/10 a。由此可知，随着年、季气温的升高，研究区的年、季CCDI趋于减少，即低温冷害及冻害发生的频率趋于减少，且各季节CCDI的减少程度与气温的升高程度有很好的对应关系。受季节升温程度不同的影响，各季节CCDI减少幅度也不同，表现为升温幅度最大的冬季CCDI减少最明显，说明研究区冬季持续出现-20℃以下的寒冷天气趋于减少，这对设施农业及畜牧业生产的开展十分有利，处于农事季节的春、夏、秋三季的CCDI也呈减少趋势，这对大田生产总体来说是有利的，但CCDI减少幅度明显小于冬季。从图4中可以看出，玛纳斯春、夏、秋三季CCDI减少都不显著，说明该地作物生长季的低温冷害需要重点关注。

图4 研究区年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI变化趋势分布

2.4.2年代际变化响应

近55 a来研究区年、季CCDI和平均气温之间呈极显著的反相关，二者相关系数高达-0.765～-0.940，均通过了0.01的显著性检验。将研究区1965—2019年分为6个年代际，分别统计了年、季CCDI距平（ΔCCDI）和气温距平（ΔT），结果表明，二者之间反相关非常明显，即各年代际CCDI负距平基本均对应气温正距平，CCDI正距平对应气温负距平，年、季都经历了气温距平由负转正、同时CCDI距平由正转负的过程，其中年和春季的转折节点出现在20世纪90年代，夏、秋季转折点出现在21世纪00年代，冬季转折点出现在20世纪80年代。从各年代际的气温距平和CCDI距平变幅来看，冬季振幅最大、春秋季次之，夏季最小（表2）。

表2 研究区1965—2019年各年代际年、季CCDI距平及年平均气温距平对比

2.5 持续低温指数的温度敏感性分析

利用研究区近55 a的CCDI及平均气温进行温度敏感系数计算，得出历年CCDI对年平均气温的敏感系数均为负值（图5），说明年CCDI值随着年平均气温的升高而减少。年CCDI对气温的敏感系数为-21.8 d·℃-1，即年平均气温每升高1℃，年CCDI减少21.8 d，其中1990年以前敏感系数平均值达-24.7 d·℃-1，1991年之后降为-19.2 d·℃-1。年CCDI和年平均气温之间呈显著的反相关，历年相关系数均通过了0.05的的显著性检验，从图5a可以看出，1991—2002年相关系数比其它时段低，对应敏感系数也相对较小。

各季节CCDI对平均气温的敏感系数也均为负值，其中冬季敏感系数最大，平均为-6.3 d·℃-1，秋季次之，为-5.8 d·℃-1，春季和夏季均为-5.4 d·℃-1。从CCDI和平均气温二者的相关系数来看，春季和冬季相关性最好，相关系数平均值分别达-0.886、-0.932，历年相关系数均通过了0.01的显著性检验；秋季历年相关系数均通过了0.05的显著性检验；夏季相关性最弱，相关系数有11 a未通显著性检验，对应敏感系数也表现为波动性变化明显（图5）。从图5可知，除了冬季以外，其它三个季节的相关系数和敏感系数的多年变化趋势基本一致。

图5 研究区年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI对其平均气温的敏感系数及相关系数变化

从敏感系数的多年变化趋势来看，整个研究期年CCDI的温度敏感系数绝对值呈极显著的减小趋势（r>rα=0.01），平均每10 a减小1.8 d·℃-1。从各个季节来看，秋季CCDI的温度敏感系数呈极显著减小趋势（r>rα=0.01），平均每10 a减小1.0 d·℃-1；春季、夏季CCDI温度敏感系数绝对值呈显著减小趋势（r>rα=0.05），平均每10 a分别减小0.2、0.6 d·℃-1；冬季则与其它季节相反，CCDI的温度敏感系数绝对值呈显著增大趋势（r>rα=0.05），平均每10 a增大0.2 d·℃-1。以上分析结果说明，近50 a来，随着研究区的气候变暖，冬季CCDI对气温变化的敏感性是趋于加强，即CCDI随着气温的升高而减少的趋势在增强，而春季、夏季、秋季CCDI对气温变化的敏感度在降低，即CCDI值随着气温的升高而减少的趋势在逐渐减弱。

3 结论与讨论

（1）近55 a来，研究区的年、季平均气温均呈显著升高趋势，其中冬季升温幅度最大、夏季升温幅度最小。随着气温的升高，研究区年、季CCDI均呈显著减少趋势，其中冬季减少幅度最大、夏季减少幅度最小；近55 a来年、季CCDI和平均气温之间呈显著的反相关；经统计，年、季CCDI对平均气温的敏感系数均为负值，即CCDI值随着平均气温的升高而减少；从多年变化趋势来看，年及春、夏、秋三季CCDI的温度敏感系数绝对值呈显著减小趋势，即CCDI随着气温升高而减少的趋势在减弱，而冬季则呈显著增大趋势，即CCDI随着气温升高而减少的趋势在增强。

（2）在气候变暖的大背景下，研究区的年、季CCDI均显著减少，对农牧业生产来说总体有利，其中冬季CCDI对气候变暖的响应尤为显著，这将减少冬季冻害的发生，对发展设施农业和牧业生产较为有利，需要注意的是，主要农事季节春、夏、秋三季CCDI虽然也呈减少趋势，但CCDI降幅明显低于冬季，且CCDI随着气温升高而减少的趋势在逐渐减弱，这提示在气候变暖的背景下春秋季的霜冻、作物生长季的低温冷害仍然需要重点防御，同时要关注研究区CCDI的区域性差异，特别要做好CCDI高值区即低温冷害发生频率较高区域以及CCDI减少不显著区域的重点防御。