近50年韩城无霜期气候变化特征分析

薛 鹏，李 青，杨增军

(1.韩城市气象局，陕西韩城 715400；2.陕西省气象局，西安 710014)

霜是一种天气现象，通常当地面或靠近地面的物体和空气温度降至0 ℃以下时，水汽在地面或靠近地面物体上凝华而成[1-2]。无霜期是反映地区热量情况的指标之一。农作物的生长期与无霜期密切相关，无霜期愈长，说明该地热量资源越丰富，宜于作物生长的时间越长，农作物产量高、品质好；无霜期愈短，说明热量资源贫乏，农作物生长期紧张，产量低、品质差[3-4]。柏秦凤等[5]研究指出﹐陕西省初霜日总体平均推迟,终霜日总体平均提前,无霜期总体平均加长。多位学者对中国不同地区无霜期或霜期变化进行了研究[6-13],结果均表明,近年来，随着全球气候变暖，局地初霜日延后,终霜日提前,无霜期不同程度地呈增长趋势。韩城是我国花椒生产的重要基地，汾渭平原的重要组成部分，研究其无霜期气候变化特征对当地政府指导农业生产、保护生态环境以及气象工作者做好本市的中、长期气候预测具有重大意义。

1 资料和方法

选取韩城地面观测站1970—2019年历年初霜日、终霜日及无霜期等气象观测资料，采用线性倾向估计、趋势分析、突变检验和Morlet小波分析等方法[14-16]，分析揭示韩城初(终)霜日、无霜期的气候变化特征。其中，无霜期为前一年终霜日到当年初霜日之间间隔的日数。

2 无霜期变化特征

2.1 初(终)霜日、无霜期的变化特征

2.1.1 初霜日 韩城近50 a平均初霜日为10月29日，最早为10月4日，最晚为11月14日(表1)。其中最早初霜日为1994年10月4日，最晚初霜日为2017、2019年11月14日，初霜日时间序列平均绝对偏差7.2 d，均方差9.1 d，极差41 d，即最早和最晚相差41 d，说明韩城初霜日年际差异较大。韩城近50 a初霜日呈明显推迟趋势(图1)，线性倾向率1.6 d/10 a(通过0.1显著性水平检验)。从年代际变化看(表1、图1)，20世纪70—80年代平均初霜日变化不大，70年代和80年代平均日期分别为10月28日和10月30日，与平均初霜日接近；90年代初霜日较平均日期提前较为明显，平均为10月22日；2000—2009年初霜日较平均日期略微提前，平均为10月27日；2010—2019年初霜日较平均日期推迟较为明显，平均为11月5日。这与初霜日年际序列6阶多项式(通过0.001显著性水平检验)、5 a滑动平均曲线变化趋势基本一致。

表1 韩城市1970—2019年初霜日特征值

图1 韩城市1970—2019年初霜日年际变化

2.1.2 终霜日 韩城近50 a平均终霜日为3月28日，最早为2月21日，最晚为5月2日(表2)。其中最早终霜日为1981年2月21日，最晚终霜日为1991年5月2日，终霜日时间序列平均绝对偏差12.6 d，均方差15.5 d，极差70 d，说明韩城终霜日年际差异较大。韩城近50 a终霜日呈明显提前趋势(图2)，线性倾向率-5.7 d/10 a(通过0.001显著性水平检验)。从年代际变化看(表2、图2)，20世纪70年代终霜日较平均日期推迟较为明显，平均为4月9日；80年代平均终霜日变化不大，平均日期为3月27日，与平均终霜日接近；90年代终霜日较平均日期推迟较为明显，平均为4月3日。进入21世纪后终霜日较平均日期提前，2000—2009年终霜日较平均日期略微提前，平均为3月26日；2010—2019年终霜日较平均日期明显提前，平均为3月12日。这与终霜日年际序列6阶多项式(通过0.001显著性水平检验)、5 a年滑动平均曲线变化趋势基本一致。

表2 韩城市1970—2019年终霜日特征值

图2 韩城市1970—2019年终霜日年际变化

2.1.3 无霜期 韩城近50 a平均无霜期为213.5 d，最短无霜期出现在1991年，为169 d，最长无霜期出现在2017年，为256 d(表3)。无霜期时间序列平均绝对偏差15.2 d，均方差18.9 d，最长和最短无霜期相差87 d，说明韩城无霜期年际差异较大。韩城近50 a无霜期呈明显增长趋势(图3)，线性倾向率6.7 d/10 a(通过0.001显著性水平检验)。由于无霜期随初霜日、终霜日变化而变化，韩城初霜日推后、终霜日提前，导致无霜期增长。从年代际变化看(表3、图3)，其年代际变化与初、终霜日变化基本一致，20世纪70年代大多数年份无霜期明显短于平均值，平均为201.8 d；80年代大多数年份无霜期长于平均值，平均为217.2 d；90年代大多数年份无霜期明显短于平均值，平均为200.6 d；2000—2009年无霜期在平均值上下波动，平均为214.3 d；2010—2019年大多数年份无霜期明显长于平均值，平均为233.5 d。这与无霜期年际序列6阶多项式(通过0.001显著性水平检验)、5 a滑动平均曲线变化趋势基本一致。

表3 韩城市1970—2019年无霜期特征值 单位：d

图3 韩城市1970—2019年无霜期年际变化

无霜期愈长，热量资源越丰富，有利于作物生长。随着无霜期增长，韩城农业种植发生较大变化，冬小麦种植面积逐年减少，而花椒种植面积不断增多。韩城无霜期相对较稳定，且呈明显增长趋势，促使热量资源稳定上升，将有利于农业生产，有助于提高花椒农产品产量和品质。

2.2 初(终)霜日、无霜期的突变特征

图4为韩城市近50 a平均初、终霜日及无霜期突变特征曲线。韩城初霜日时间序列在1985年前呈下降趋势，自1985年开始逐渐增加，1991年呈下降趋势，到2016年呈增加趋势，但未能通过0.05显著性检验。其中，UF和UB曲线在2018年相交于0.05显著性水平临界线之间，表明韩城初霜日在2018年发生推迟突变。韩城终霜日时间序列呈现先增加后下降的变化趋势，1978年之前，呈波动增加趋势，从1978年开始呈持续下降趋势，1987—1988年、2004年以后通过0.05显著性水平临界线，表明韩城终霜日提前趋势十分显著。其中，UF和UB曲线在2010年相交于0.05显著性水平临界线之间，表明终霜日在2010年发生突变，终霜日提前显著。韩城无霜期在1975年前呈缩短趋势，自1975年开始逐渐增长，1986—1990年、2014年以后通过0.05显著性水平临界线，表明韩城无霜期增长趋势十分显著，其中UF和UB曲线在2013年相交于0.05显著性水平临界线之间，表明无霜期在2013年发生突变，无霜期增长显著。

图4 韩城市1970—2019年初霜日、终霜日和无霜期突变检验曲线

2.3 初(终)霜日、无霜期的周期变化特征

利用Morlet小波分析韩城初霜日、终霜日、无霜期变化的多时间尺度特征发现(图5)，去除边界效应，韩城初霜日、终霜日、无霜期分别得到几个可信的显著周期振荡。

韩城初霜日存在2 a和5 a左右的振荡周期。其中，20世纪70年代中期到80年代初期、90年代中期及2010—2013年，存在2 a左右的振荡周期，并且能量最强，表现最为明显；1998—2007年，存在较明显的5 a左右的振荡周期；70年代初期、80年代中后期到90年代初期、2013年以后振荡周期不明显。

图5 韩城市1970—2019年初霜日、终霜日和无霜期Morlet小波分析(阴影为超过95%信度检验区域)

韩城终霜日存在2～4 a和6 a左右振荡周期。其中，20世纪70年代末期到80年代初期、80年代末期到90年代初期、90年代末期到2000年初期，存在2 a左右的振荡周期；70年代中期到80年代初期，存在较明显的3 a左右的振荡周期，并且能量最强，表现最为明显；2007—2012年，存在较明显的4 a左右的振荡周期；80年代初期到80年代中后期，存在较明显的6 a左右的振荡周期；70年代初期、80年代中后期、90年代中后期、2002—2007年、2013年以后振荡周期不明显。

韩城无霜期存在2～4 a左右的振荡周期。其中，20世纪70年代中期、2007—2014年，存在2 a左右的振荡周期，70年代后期到80年代初期、90年代末期到2000年初期，存在较明显的3 a左右的振荡周期，2007—2014年存在较明显的4 a左右的振荡周期，70年代初期、80年代中后期到90年代中期、2004—2006年、2014年以后振荡周期不明显。韩城无霜期在70年代中期到80年代初期、90年代末期到2000年初期、2007—2014年2～4 a振荡周期振幅最大，能量最强，表现最为明显。

2.4 初(终)霜日早、晚及无霜期长、短年分析

从前文分析可知，无霜期随初霜日、终霜日变化而变化，韩城初霜日推后、终霜日提前，导致无霜期增长。初霜日和无霜期标准化年际变化曲线(图6)基本一致，两者相关系数达0.602，通过0.001显著性水平检验，仅在个别年份略有差异；终霜日和无霜期标准化年际变化曲线基本呈相反趋势，两者相关系数达-0.881，通过0.001显著性检验，仅在个别年份略有差异。因此，用韩城初(终)霜日、无霜期标准化后数据定义初(终)霜日的早晚和无霜期的长短。取s=0.9为临界值，定义-0.9

3 结论与讨论

(1)韩城近50 a平均初霜日为10月29日，平均终霜日为3月28日，平均无霜期为213.5 d。近50 a韩城初霜日呈推迟趋势，线性倾向率为1.6 d/10 a；终霜日呈提前趋势，线性倾向率为-5.7 d/10 a；无霜期呈增长趋势，线性倾向率为6.7 d/10 a，其变化促使热量资源稳定上升，有利于农业生产，有助于提高花椒农产品产量和品质。

图6 韩城市1970—2019年初霜日、终霜日和无霜期标准化年际变化(虚线为临界值线)

表4 韩城市1970—2019年初(终)霜日早、晚及无霜期长、短年份

(2)韩城近50 a初霜日呈先提前后推迟变化趋势，推迟不显著；终霜日呈先推迟后提前变化趋势，提前十分显著，在2010年发生突变；无霜期呈先缩短后增长趋势，增长十分显著，在2013年发生突变。

(3)韩城初霜日存在2 a和5 a左右的振荡周期，在20世纪70年代中期到80年代初期、90年代中期2 a振荡周期振幅最大；终霜日存在2～4 a和6 a左右振荡周期，在70年代中期到80年代初期3 a振荡周期振幅最大；无霜期在70年代中期到80年代初期、90年代末期到2000年初期、2007—2014年2～4 a振荡周期振幅最大，周期表现明显。

(4)韩城初霜日和无霜期年际变化基本一致，终霜日和无霜期年际变化基本呈相反趋势，通过对韩城初(终)霜日、无霜期标准化处理，选取临界值划分初(终)霜日早晚、无霜期长短年份，终霜日提前或推迟对无霜期的增长或缩短起主要作用，初霜日推迟或提前对无霜期的增长或缩短所起的作用不明显。

(5)韩城初(终)霜日、无霜期在2013年之后的年际变化特点与此前40余年明显不同，这应与韩城地方城市规划发展有关。此前，韩城气象观测站一直远离市区。近年来，随着城市经济发展、规划布局调整，观测站周边逐渐新建了大量小区、道路、公园等，城市效应对初(终)霜日和无霜期的变化造成一定影响。