乌海市春霜冻气候变化特征与气候背景研究

马文迪

(乌海市气象局，内蒙古 乌海 016000)

霜冻是乌海地区农牧业面临的自然灾害之一，研究表明春霜冻危害严重大于秋霜冻。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。本文重点研究乌海地区春霜冻的气候变化特征及其气候背景，了解乌海地区霜冻发生规律和演变特征，对防御霜冻灾害具有重要的应用价值。

1 研究现状

目前对霜冻的日变化分析、演变趋势和霜冻时空分布研究较多，2010年之后对乌海地区的霜冻研究较少。在之前的研究中，王凤琴等(2015)对乌海霜冻的定义标准以低温来定义，统计2010年之前终霜冻结束平均日期为4月29日；1971年—2000年之间终霜冻日期逐年提前，无霜冻期延长；2001年—2010年之间终霜冻日期推后，无霜冻期减少；2006年—2010年表现得更加显著。

2 研究意义

2.1 分析春霜冻气候变化特征

随着全球气候变暖，国内许多学者对霜冻的变化趋势进行了研究，多地霜冻气候变化特征是初霜冻推后，终霜冻提前，无霜期延长，在这样的气候背景下，乌海地区霜冻变化特征是否一致？分析乌海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。

2.2 春霜冻期环流形势及其气候背景研究

春霜冻次数的多少、终霜冻结束的早晚都是大气环流结果异常造成的，了解终霜冻早晚对应的前期气候背景的异同和早晚终霜冻发生的环流特征有助于进一步加深对终霜冻结束早晚的认识，也有助于准确预测春霜冻结束的早晚。

3 资料与方法

3.1 霜冻定义、研究范围

地面最低温度≤0 ℃，定义为霜冻日；终霜冻：春季最后一次地面温度≤0 ℃出现的日期。地面日值资料采用1963年—2021年共59 a的春季逐日地面气象观测资料，包括地面最低温度、最低气温。由于1973年数据缺测较多，故剔除1973年，总计研究58 a。

3.2 环流场资料

本项目环流场资料采用NCEP逐日再分析位势高度资料，网格点距为2.5°×2.5°(即144×73网格)，将逐日资料处理成候、月、季、年资料，气候态取1981年—2010年平均。

3.3 研究方法

运用统计学方法研究乌海地区的春霜冻时间变化特征，利用气象站点最低气温和最低地温的逐日观测资料，采用气象统计中的Mann-kendall(以下简称M-K)检验方法研究春霜冻期霜冻日数和终霜冻日期的时间变化和周期特征。

利用NCEP再分析资料，对春霜冻期霜冻前一天500 hPa的环流平均场进行分析，得出主要影响春霜冻的环流特征。分析早晚终霜冻发生的环流特征有助于进一步加深对终霜冻结束早晚的认识，也有助于对终霜冻的短期气候预测；选取终霜冻偏早和偏晚的典型年，分析对比其4月、5月单月的位势高度平均场与距平、前期1月—3月的位势高度平均场与距平；为了提高预测的时效性，在年度及春季的预测服务中能更好地预测春霜冻结束的早晚，可分析上一年冬天位势高度平均场与距平；分析其不同时期冷空气位置和强度的分布；得出春霜冻偏早和偏晚年的气候背景。

4 春霜冻时间变化特征

4.1 春霜冻次数变化特征

基于乌海市国家气象观测站1963年建站以来至2021年5月份的常规地面气象观测资料，选取4月、5月份地温≤0 ℃为一次春霜冻，总计656次。根据乌海地区实际情况，4月10日以后发生霜冻会对农产业造成危害，故重点分析4月10日及以后的春霜冻特征。

58 a内4月10日之后发生的霜冻次数总计391次(图1)，平均每年6.7次；春霜冻次数最多的是2010年16次，次之是1980年14次。春霜冻次数最少的是1974年1次，次之是1998年、2004年和2019年为2次；1981年—2010年30 a春霜冻次数气候值为7次，1991年—2020春霜冻次数新的气候值为6.4次，呈减少趋势。从年代际的变化来看，春霜冻次数最少的是20世纪60年代，最多的是80年代，增长显著。总体呈先增后减趋势，后期有所减少。

从图1中分析出：1975年之前春霜冻次数≤平均数；1975年—1995年>平均数，1995年—2019年<平均数；在1975年和1995年存在突变。

图1 春霜冻次数变化特征

对春霜冻次数随时间的变化做M-K突变检验，结果见图2。从检验结果来看，春霜冻发生次数在1975年、1995年存在2次突变，1975年之后春霜冻次数有所增加，1995年之后表现为显著减少。突变检验结果支持结论：春霜冻次数1975年之前≤平均数,1975年—1995年>平均数，1995年—2019年<平均数。

图2 春霜冻次数M-K突变检验

4.2 终霜冻日期变化特征

利用1963年—2021年终霜冻数据，分析乌海市终霜冻变化特征(图3)。研究表明,1963年—2021年乌海市平均终霜冻日期5月1日；春霜冻结束最晚的年份是2018年为5月22日；次之是1979年和2021年为5月16日。终霜冻结束最早的年份是1964年，为4月6日，其次是2019年和1970年，为4月14日。终霜冻日期总体呈推迟趋势。

平均终霜冻日期气候值1981年—2010年30年是4月29日，1991年—2020年气候值5月1日，气候值推迟了2天。从年代记变化来看，20世纪70年代和21世纪10年代终霜冻日期最晚，平均终霜冻日期是5月7日；终霜冻日期最早是20世纪60年代为4月19日，其次是2001年—2010年代，平均终霜冻日期是4月27日。从图3分析得到1971年之前终霜冻偏早，1971年—1995年偏晚，没有明显的周期变化。

图3 终霜冻日期变化特征

研究终霜冻日最低气温发现：5月的霜冻伴随寒潮天气发生。比如2021年5月14日低温12.9℃,16日最低温度2.9 ℃。达到寒潮预警标准。

分析发现，在2010年—2020年，终霜冻异常偏晚，有7 a终霜冻都发生在5月1日之后，这与全球气候变暖，大范围地区终霜冻偏早的结论背道而驰，说明在全球气候变暖的大背景下，乌海地区存在局地小气候事件。

对春霜冻终霜冻日期进行M-K突变检验，结果见图4。从检验结果来看，终霜冻日期在1969年—1971年存在一次突变，1985年—1990年之间存在显著性突变，终霜冻日期显著提前，2000年之后又开始推迟。2015年左右存在突变，显著性不强，突变周期20 a左右。

图4 终霜冻日期M-K突变检验

5 春霜冻期环流形势及其气候背景特征研究

5.1 终霜冻日前1天500 hPa环流形势分析

为了更准确地预报春霜冻，需要对造成霜冻的环流形势进行分析，笔者通过对终霜冻日前一天平均500 hPa环流形势进行研究，发现造成4月份和5月份的霜冻环流形势各有特征且有着明显的差别，图5随机选取6个年份进行说明。

造成乌海地区春霜冻前1日的环流形势，500 hPa主要有两类，按照出现的频次分为贝加尔湖冷槽型和贝加尔湖冷涡型。

其中4月份主要的影响形势是贝加尔湖冷槽型：在贝加尔湖以东地区有一个东北—西南走向的低槽，乌拉尔山以东、贝加尔湖以西、萨彦岭以北为发展强盛、呈东北西南走向的高压脊。

5月份主要的影响形势是贝加尔湖冷涡型：东亚中高纬长波系统为两槽一脊型，关键区的东南方向有发展强盛的冷涡，继续向东南方向移动发展。主槽的影响区呈东北—西南走向。

图5 4月、5月终霜冻日环流形势对比

5.2 终霜冻结束偏早年和偏晚年4月份位势高度与距平复合图对比

终霜冻结束偏晚年选取1972年、1979年、2018年3年分析；终霜冻结束偏早年选取1964年、2001年、2019年3年分析。结果显示，终霜冻结束偏早时4月份北半球500 hPa距平场合成图显示贝加尔湖及以南地区基本为正距平，我国北方大部为正距平；终霜冻结束偏晚时4月份北半球500 hPa距平场合成图显示：贝加尔湖及以北地区为负距平，我国北部、东北地区为负距平，冷空气活跃；贝加尔湖以西北部存在小范围正距平。

图6 终霜冻结束偏早年和偏晚年4月份位势高度与距平复合图对比

5.3 终霜冻结束偏早年和偏晚年5月份位势高度与距平复合图对比

终霜冻结束偏早时5月份北半球500 hPa距平场合成图显示：贝加尔湖及以北地区基本为正距平，我国北部、东北地区为正距平；终霜冻结束偏晚时5月份北半球500 hPa距平场合成图显示：贝加尔湖及以北地区基本为负距平，乌海至极地有大范围负距平，冷空气活跃；新疆北部、东北地区存在小范围正距平。贝加尔湖以北地区存在负距平中心。

5.4 终霜冻结束偏早年和偏晚年初春(2月—3月)位势高度与距平复合图对比

终霜冻结束偏早时北半球500 hPa距平场合成图显示：贝加尔湖及以北地区存在正距平，位势高度平均为脊控制；终霜冻结束偏晚时北半球500 hPa距平场合成图显示：贝加尔湖以北地区存在负距平中心。贝加尔湖及以北地区基本为负距平，乌海至极地有大范围负距平，冷空气活跃；新疆北部、东北地区存在小范围正距平。

图7 终霜冻结束偏早年和偏晚年5月份位势高度与距平复合图对比

图8 终霜冻结束偏早年和偏晚年初春(2月—3月)位势高度与距平复合图对比

5.5 终霜冻结束偏早年和偏晚年上一年初冬(12月—1月)位势高度与距平复合图对比

终霜冻结束偏早时北半球500 hPa距平场合成图显示：环流形势较为平直，贝加尔湖以北地区存在正距平，我国大部地区距平值接近于0或者正距平。

终霜冻结束偏晚时北半球500 hPa距平场合成图显示：在贝加尔湖以东地区有一个东北—西南走向的低槽，贝加尔湖及其以南地区均为负距平。

图9 终霜冻结束偏早年和偏晚年上一年初冬(12月—1月)位势高度与距平复合图对比

6 结果与讨论

笔者从春霜冻气候变化特征入手，分析了终霜冻结束早晚及其对应气候背景的特征，得出结论如下：①58 a间春霜冻的次数总体呈先增后减趋势。在1975年、1995年存在2次突变，1975年之前春霜冻次数≤平均数；1975年—1995年多于平均数，1995年之后表现为显著减少，1995年—2019年<平均数。②终霜冻日期1981年—2010年30 a整编值是4月29日，1991年—2020年30 a整编值是5月1日，气候值推迟了2天。分析发现,在2010年—2020年，终霜冻异常偏晚，有7 a终霜冻都发生在5月1日之后，这与全球气候变暖，大范围地区终霜冻偏早的结论背道而驰，说明在全球气候变暖的大背景下乌海地区存在局地小气候事件。终霜冻日期在1969年—1971年存在一次突变、1985年—1990年之间存在显著性突变，终霜冻日期显著提前，2000年之后又开始推迟。③造成乌海地区春霜冻的环流形势，500 hPa主要有两类，按照出现的频次分为贝加尔湖冷槽型和贝加尔湖冷涡型。其中4月份主要的影响形势是贝加尔湖冷槽型；5月份主要的影响形势是贝加尔湖冷涡型。④终霜冻结束偏早时,4月份北半球500 hPa距平场上贝加尔湖及以南地区基本为正距平，我国北部方大部为正距平；终霜冻结束偏晚时4月份北半球500 hPa距平场上贝加尔湖及以北地区为负距平，我国北部、东北地区为负距平，冷空气活跃。⑤终霜冻结束偏早时，5月份北半球500 hPa距平场贝加尔湖及以北地区基本为正距平，中国北部、东北地区为正距平，暖空气活跃。终霜冻结束偏晚时，5月份北半球500 hPa距平场贝加尔湖及以北地区基本为负距平，乌海至极地有大范围负距平，冷空气活跃。⑥终霜冻结束偏早时，初春北半球500 hPa贝加尔湖及以北地区存在正距平，位势高度平均为脊控制；终霜冻结束偏晚时，北半球500 hPa贝加尔湖以北地区存在负距平中心。贝加尔湖及以北地区基本为负距平，乌海至极地有大范围负距平，冷空气活跃。⑦终霜冻结束偏早时，前1年冬季北半球500 hPa环流形势较为平直，贝湖以北地区存在正距平，我国大部地区距平值接近于0或者正距平。终霜冻结束偏晚时，北半球500 hPa在贝加尔湖以东地区有一个东北—西南走向的低槽，贝加尔湖及其以南地区均为负距平。