哈密地區(qū)霜凍氣候特征分析及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

苗運(yùn)玲，張林梅，卓世新

(1.哈密地區(qū)氣象局，新疆哈密　839000；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰　836500)

?

哈密地區(qū)霜凍氣候特征分析及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

苗運(yùn)玲1，張林梅2，卓世新1

(1.哈密地區(qū)氣象局，新疆哈密839000；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰836500)

摘要：利用1961—2014年哈密地區(qū)4個(gè)國家氣象站逐日最低氣溫≤0 ℃的觀測(cè)資料及低溫凍害調(diào)查資料，根據(jù)霜凍指標(biāo)計(jì)算歷年初、終霜凍日期和無霜凍期變化趨勢(shì)；依據(jù)異常霜凍標(biāo)準(zhǔn)，分析哈密地區(qū)霜凍異常特征，探討其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。結(jié)果表明：(1)近54 a全區(qū)及各站點(diǎn)終霜凍絕對(duì)變率均大于初霜凍，表明終霜凍穩(wěn)定性差，對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)危害大。(2)全區(qū)及各站點(diǎn)初霜凍呈推遲趨勢(shì)，終霜凍呈提前趨勢(shì)，無霜凍期呈延長(zhǎng)趨勢(shì)。(3)特晚終霜凍近14 a各地均未出現(xiàn)，而偏晚終霜凍在各年代幾乎都有出現(xiàn)；特早初霜凍各地在20世紀(jì)80—90年代均未出現(xiàn)，偏早初霜凍在60—90年代各地均有出現(xiàn)。(4)哈密地區(qū)霜凍災(zāi)害主要由終霜凍造成。

關(guān)鍵詞：霜凍；氣候特征；農(nóng)業(yè)；影響；哈密

霜凍是指在春秋氣溫轉(zhuǎn)換季節(jié)，土壤表面和植物表面溫度下降到0 ℃或以下，足以使植物遭受傷害甚至死亡的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[1]。霜凍在世界范圍內(nèi)不僅廣泛發(fā)生，而且危害大、損失重，在我國更是如此。近20年來，全球氣候呈不斷變暖趨勢(shì)，國內(nèi)外部分專家就這種變暖趨勢(shì)對(duì)霜凍指標(biāo)的影響進(jìn)行了一定研究，國外研究表明：在北歐、美國等國家霜凍日數(shù)都有減少趨勢(shì)[2-3]。我國眾多學(xué)者運(yùn)用不同指標(biāo)對(duì)霜凍的氣候特征及其變化規(guī)律進(jìn)行了研究[4-9]，葉殿秀[10]等采用577個(gè)測(cè)站1961—2007年的資料分析了我國霜凍變化特征，發(fā)現(xiàn)全國大部地區(qū)終霜凍日期比初霜凍日期的年際間差異大，無霜凍期又比終霜凍日期的年際變化大。陳少勇[11]等分析了中國西北地區(qū)初霜凍的氣候變化特征，發(fā)現(xiàn)初霜凍顯著推遲，近49 a來平均推遲了9 d；1986年出現(xiàn)突變，推遲日期更長(zhǎng)。哈密地處亞歐大陸腹地，新疆最東部，由于天山橫貫新疆中部，使哈密具有獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候特征。春秋冷空氣活動(dòng)頻繁，冷暖變化劇烈，霜凍成為該地區(qū)危害最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣之一。在全球氣候變暖的大背景下進(jìn)行霜凍特征及其變化研究，不僅有助于提高當(dāng)?shù)厮獌龅念A(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力，而且對(duì)于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和有效防御霜凍危害具有相當(dāng)積極的意義。

1資料與方法

1.1資料

溫度條件是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育主要影響因子之一，利用最低氣溫≤0 ℃作為霜凍出現(xiàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。選取哈密地區(qū)具有代表性的4個(gè)國家氣象站(哈密市、巴里坤、伊吾、淖毛湖)1961—2014年近54 a逐日最低溫度≤0 ℃的資料及歷年低溫凍害調(diào)查資料。其中哈密市、淖毛湖代表山南農(nóng)業(yè)區(qū)(簡(jiǎn)稱山南)，巴里坤、伊吾代表山北牧區(qū)(簡(jiǎn)稱山北)。規(guī)定：以日最低溫度≤0 ℃的日期作為霜凍指標(biāo)，將夏末或秋季日最低氣溫≤0 ℃的第一日定義為初霜凍日，春季或夏初日最低溫度≤0 ℃的最后一天定義為終霜凍日，終霜凍日的翌日到初霜凍日的前一日為無霜期。

1.2方法

(1)利用線性回歸、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法等對(duì)哈密地區(qū)近54 a霜凍氣候特征進(jìn)行分析和研究。(2)根據(jù)異常霜凍定義標(biāo)準(zhǔn)[12]，x-μ≤-1.65σ和-1.65σx-μ≥σ分別為特晚終霜凍和偏晚終霜凍。x為霜凍指標(biāo)，μ為歷年霜凍的平均值，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差。

2結(jié)果與分析

2.1霜凍的空間分布特征

對(duì)哈密地區(qū)及4個(gè)站1961—2014年霜凍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)。全區(qū)平均初霜凍日為9月30日，最早平均出現(xiàn)在9月10日，最晚在10月21日，各地最早、最晚初霜凍日之間極差為31～48 d；山南平均初霜凍日為10月15日，山北為9月16日；單站最早出現(xiàn)在巴里坤(8月26日)，最晚出現(xiàn)在淖毛湖(11月4日)。全區(qū)平均終霜凍日是4月26日，平均最早出現(xiàn)在3月30日，最晚在5月23日，各地最早、最晚終霜凍日之間極差為46～66 d；山南平均出現(xiàn)在4月11日，山北為5月11日；單站最早出現(xiàn)在淖毛湖(3月17日)，最晚出現(xiàn)在巴里坤(6月19日)。全地區(qū)平均無霜凍期為157 d，最短無霜凍期為118 d，最長(zhǎng)為188 d；單站無霜凍期最短出現(xiàn)在巴里坤(82 d)，最長(zhǎng)出現(xiàn)在淖毛湖(220 d)；各地最短、最長(zhǎng)無霜凍期之間的極差為63～78 d。

通過計(jì)算絕對(duì)變率發(fā)現(xiàn)哈密地區(qū)及各站點(diǎn)的終霜凍絕對(duì)變率均大于初霜凍，表明終霜凍年際差異較初霜凍大，穩(wěn)定性差，對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的危害大于初霜凍。而無霜凍期極差和絕對(duì)變率不僅大于初霜凍日，也大于終霜凍日，表明無霜凍期不僅受初霜凍異常影響，也受終霜凍異常影響。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)巴里坤初、終霜凍及無霜期的極差和絕對(duì)變率最大，說明該地的熱量資源最不穩(wěn)定，可利用率也相對(duì)較低。

從選取資料的區(qū)域來看，各地的緯度均在42°49′～43°46′之間，相差不大，但各地海拔高度卻相差較大，淖毛湖最低(479.1 m)，其終霜凍結(jié)束最早，初霜凍出現(xiàn)最晚，無霜凍期最長(zhǎng)；巴里坤海拔高度較高(1 674.7 m)，其初霜凍出現(xiàn)最早，終霜凍結(jié)束最晚，無霜凍期最短。可見初霜凍隨海拔高度增高而提前，終霜凍隨海拔高度降低而提前，反之推遲，因此海拔高度是影響哈密地區(qū)霜凍變化的重要因素，它造成霜凍空間分布十分不均勻，初(終)霜凍日及無霜凍期差異較大。

表1　哈密地區(qū)初、終霜凍日和無霜期的氣候特征

2.2霜凍的年際變化趨勢(shì)

從哈密地區(qū)近54a初(終)霜凍日和無霜凍期年際變化曲線圖(圖1)可知，全區(qū)初霜凍日呈推遲趨勢(shì)，氣候變化傾向率為-2.0d/10a；單站(圖略)巴里坤和淖毛湖推遲最明顯，傾向率均為-3.6d/10a，通過0.01的信度檢驗(yàn)；伊吾則呈微弱的提前趨勢(shì)，沒有通過顯著性檢驗(yàn)。全區(qū)終霜凍日呈提前趨勢(shì)，氣候變化傾向率為2.0d/10a；單站巴里坤提前最明顯，傾向率為3.7d/10a，通過0.01的信度檢驗(yàn)；哈密市提前趨勢(shì)最弱，沒有通過顯著性檢驗(yàn)。哈密地區(qū)無霜凍期呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，氣候變化傾向率為4.0d/10a，單站巴里坤延長(zhǎng)最明顯，傾向率為7.4d/10a，全區(qū)及各站點(diǎn)均通過0.01的信度檢驗(yàn)。無霜凍期的延長(zhǎng)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件，熱量資源充足、穩(wěn)定，作物生長(zhǎng)期積溫增多，同時(shí)對(duì)擴(kuò)大晚熟品種種植面積、提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)十分有利。

圖1　哈密地區(qū)1961—2014年初(終)霜凍日及無霜凍日年際變化曲線

2.3突變特征

利用Mann-Kendall方法計(jì)算哈密地區(qū)全區(qū)初(終)霜凍日和無霜凍期氣候突變時(shí)間。由圖2a可見，UF曲線自20世紀(jì)70年代中期有明顯的上升趨勢(shì)。80年代末期至2014年這種上升趨勢(shì)均大大超過顯著性水平0.05的臨界線(±1.96)，甚至超過0.001顯著性水平(±2.56)，表明哈密地區(qū)初霜凍日呈顯著推遲趨勢(shì)，由UF和UB曲線交點(diǎn)的位置可以確定1975年是全區(qū)初霜凍日從相對(duì)偏早期躍變?yōu)橄鄬?duì)偏晚期的突變年。由圖2 b可知，UF曲線自20世紀(jì)80年代中期有明顯的下降趨勢(shì)，UF和UB在2002年出現(xiàn)交點(diǎn)，并且UF超過臨界值-1.96，表明終霜凍日呈顯著的提前趨勢(shì)，2002年全地區(qū)終霜凍日從相對(duì)偏晚期轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)偏早期。全區(qū)無霜凍期(圖2c)UF和UB曲線在1985年出現(xiàn)交點(diǎn)，上升趨勢(shì)明顯，不僅通過0.05的置信度檢驗(yàn)，也同樣通過0.001的置信度檢驗(yàn)，表明無霜凍期呈顯著的延長(zhǎng)趨勢(shì)，因此1986年是全地區(qū)無霜期從相對(duì)偏短期轉(zhuǎn)為相對(duì)偏長(zhǎng)期的突變年。

對(duì)哈密各站點(diǎn)近54 a初(終)霜凍日和無霜凍期時(shí)間序列也進(jìn)行突變分析(圖略)發(fā)現(xiàn)，哈密市、伊吾近54 a初、終霜日和無霜期均不存在氣候突變；淖毛湖初霜日和無霜凍期發(fā)生氣候突變，突變年分別為1975年和1980年；巴里坤初、終霜凍和無霜凍期均發(fā)生氣候突變，突變年分別為1985年、1996年和1987年，并且突變顯著。

圖2　哈密地區(qū)1961—2014年初霜凍日(a)、終霜凍日(b)及無霜期(c)M-K檢驗(yàn)(虛線為α=0.05臨界值)

3異常霜凍特征

根據(jù)哈密地區(qū)近54 a特晚、偏晚終霜凍和特早、偏早初霜凍出現(xiàn)日期及所占比例(表2)分析，各站點(diǎn)特晚終霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～5.6%，巴里坤、伊吾和淖毛湖主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代和70年代，哈密市出現(xiàn)在70年代和90年代，近14 a各站點(diǎn)均沒有出現(xiàn)特晚終霜凍，山南主要出現(xiàn)在5月上旬和中旬，山北主要出現(xiàn)在6月上旬和中旬。各站點(diǎn)偏晚終霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～20.4%，哈密市和淖毛湖各年代都有出現(xiàn)，巴里坤90年代未出現(xiàn)，伊吾60年代未出現(xiàn)，山南主要出現(xiàn)在4月下旬，山北主要出現(xiàn)在5月下旬。

各站點(diǎn)特早初霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～11.1%，伊吾和淖毛湖主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，巴里坤主要出現(xiàn)在60年代和70年代，哈密市主要出現(xiàn)在60年代和21世紀(jì)初十年，山南主要出現(xiàn)在9月下旬，山北主要出現(xiàn)在8月下旬。偏早初霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～25.9%，哈密市和伊吾各年代都有出現(xiàn)，巴里坤和淖毛湖在近14 a均未出現(xiàn)偏早初霜凍，山南主要出現(xiàn)在10月上旬，山北主要出現(xiàn)在9月上旬。

表2　近54 a哈密地區(qū)各站點(diǎn)異常霜凍出現(xiàn)年份和出現(xiàn)頻率(括號(hào)內(nèi))　%

4霜凍對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

氣候變暖必然會(huì)影響初、終霜凍和無霜期變化，但并不意味著霜凍發(fā)生概率下降，危害減弱。雖然近年來全國寒潮發(fā)生次數(shù)減少，無霜期延長(zhǎng)，初霜凍和終霜凍發(fā)生范圍有縮小趨勢(shì)，但是終霜凍發(fā)生次數(shù)卻趨于頻繁[13]。根據(jù)哈密地區(qū)霜凍災(zāi)害歷史資料統(tǒng)計(jì)，終霜凍災(zāi)害共發(fā)生10次(表略)，均出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代以后，而近14 a出現(xiàn)了7次，占70%；初霜凍災(zāi)害出現(xiàn)2次，均出現(xiàn)在21世紀(jì)的近14 a。

終霜凍是春夏轉(zhuǎn)換季節(jié)發(fā)生的氣象災(zāi)害，對(duì)春播作物苗期、果樹花期等影響很大，終霜凍出現(xiàn)的越晚，對(duì)作物危害也就越大。哈密地區(qū)主要農(nóng)作物有小麥、棉花、哈密瓜、葡萄、大棗等。4月上中旬，山南農(nóng)業(yè)區(qū)大部分農(nóng)作物尚未播種出苗，只有小麥處于生長(zhǎng)期，此時(shí)出現(xiàn)的霜凍一般不會(huì)造成較大危害。但是霜凍出現(xiàn)在4月下旬或5月上、中旬，由于棉花、哈密瓜、葡萄、果樹等作物處于幼苗生長(zhǎng)期和果樹開花期， 抗凍能力較弱，易造成嚴(yán)重凍害。如2014年4月23—24日，哈密地區(qū)出現(xiàn)了大風(fēng)、降溫、降雪強(qiáng)寒潮天氣過程，最低氣溫哈密南部降至-2.8 ℃，北部降至-11.3 ℃，造成農(nóng)業(yè)、林果業(yè)、畜牧業(yè)受災(zāi)十分嚴(yán)重，造成林果業(yè)受災(zāi)27.89萬hm2，農(nóng)業(yè)受災(zāi)0.25萬hm2，導(dǎo)致受凍死亡的牲畜1 470頭(只)，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)31 918.1萬元。

初霜凍主要出現(xiàn)在秋冬轉(zhuǎn)換季節(jié)，出現(xiàn)越早，危害越重，初霜凍過早出現(xiàn)會(huì)對(duì)小麥、棉花、馬鈴薯等生長(zhǎng)和成熟造成嚴(yán)重影響，尤其是9月出現(xiàn)霜凍對(duì)農(nóng)作物影響最大。如2004年9月22—24日哈密地區(qū)出現(xiàn)降溫、降水天氣，最低氣溫降至-2.8 ℃，導(dǎo)致未收割的0.45萬hm2農(nóng)作物受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 500萬元。

可見，霜凍危害是普遍的，無論是過去、現(xiàn)在、還是將來，它對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響都是十分嚴(yán)重的，因此，加深對(duì)霜凍的研究、預(yù)測(cè)和防御是一項(xiàng)十分重要的工作。

5結(jié)論

(1)哈密地區(qū)及各站點(diǎn)終霜凍絕對(duì)變率為6.08～9.81，初霜凍為5.77～9.26，無霜期為8.69～15.48，終霜凍絕對(duì)變率比初霜凍大，穩(wěn)定性較差，表明終霜凍對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成的危害大于初霜凍，無霜期受初霜凍、終霜凍異常影響，絕對(duì)變率不僅大于初霜凍，也大于終霜凍。

(2)近54 a哈密全區(qū)初霜凍日呈推遲趨勢(shì)，氣候變化傾向率為-2.0 d/10 a，單站巴里坤和淖毛湖推遲最明顯，傾向率均為3.6 d/10 a；全區(qū)終霜凍日呈提前趨勢(shì)，氣候變化傾向率為2.0 d/10 a，單站巴里坤提前最明顯，傾向率為3.7 d/10 a；全區(qū)無霜凍期呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，氣候變化傾向率為4.0 d/10 a，單站巴里坤延長(zhǎng)最明顯，傾向率為7.4 d/10 a。

(3)哈密地區(qū)初霜凍日突變年出現(xiàn)在1975年，呈顯著推遲趨勢(shì)；終霜凍日突變年為2002年，呈顯著提前趨勢(shì)；無霜凍日突變年出現(xiàn)在1986年，呈顯著的延長(zhǎng)趨勢(shì)。

(4)哈密地區(qū)各地特晚終霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～5.6%，近14 a各地均未出現(xiàn)特晚終霜凍；特早初霜凍出現(xiàn)頻率為1.9%～11.1%，其中伊吾特早初霜凍僅出現(xiàn)了1次，而巴里坤特早初霜凍出現(xiàn)了11次。各地偏晚終霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～20.4%，偏早初霜凍出現(xiàn)頻率為14.8%～25.9%。巴里坤和淖毛湖異常初霜凍都出現(xiàn)在2000年以前，近14 a沒有出現(xiàn)異常初霜凍。

(5)哈密地區(qū)霜凍災(zāi)害主要是由終霜凍造成的，終霜凍災(zāi)害共發(fā)生10次，均出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代以后，近14 a出現(xiàn)了7次，占總數(shù)70%。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮玉香，何維勛.霜凍的研究[M].北京:氣象出版社，1996.

[2]Heino R.Progress in the study of climate extremes in northern and central Europe[J].Climatic Change，1999， 42(1)：151-181.

[3]Bonsal B R，Zhang X,Vincent L A，et al. Characteristics of daily and exteme temperature over Canada[J].J Climate,2001，14(9)：1959-1971.

[4]韓榮青，李維京，艾婉秀，等.中國北方初霜凍日期變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響[J].地理學(xué)報(bào)，2010，65(5)：525-532.

[5]鄭玉萍，宮恒瑞，曹興，等.近53 a烏魯木齊農(nóng)區(qū)霜凍變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9(1)：52-57.

[6]張霞，錢錦霞.氣候變暖背景下太原市霜凍發(fā)生特征及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2010，31(1)：111-114.

[7]唐晶，張文煜，趙光平，等.寧夏近44 a霜凍的氣候變化特征[J].干旱氣象，2007，25(3)：39-43.

[8]劉紅霞，黃玲，曹紅麗，等.1961—2010年烏蘇市霜凍氣候特征分析[J].陜西氣象，2013(6)：15-18.

[9]何可杰，楊婷婷，雷雯.寶雞市霜凍氣候特征分析[J].陜西氣象，2015(4)：17-20.

[10]葉殿秀，張勇.1961—2007年我國霜凍變化特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19(6)：661-665.

[11]陳少勇，鄭延祥，樓望萍，等.中國西北地區(qū)初霜凍的氣候變化特征[J].資源科學(xué)，2013，35(1)：165-172.

[12]陳乾金，夏洪星，張永山.我國江淮流域近40年異常初終霜凍的分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1995，6(1)：50-55.

[13]馬樹慶，李峰，王琪，等.寒潮和霜凍[M].北京：氣象出版社，2009.

文章編號(hào)：1006-4354(2016)03-0012-05

收稿日期：2015-08-25

作者簡(jiǎn)介：苗運(yùn)玲(1976—)，女，漢族，新疆哈密人，學(xué)士，工程師，從事短期天氣預(yù)報(bào)。

基金項(xiàng)目：新疆吐魯番哈密地區(qū)空中云水資源開發(fā)利用項(xiàng)目子課題(TUHA201508)

中圖分類號(hào)：P4680.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

苗運(yùn)玲，張林梅，卓世新. 哈密地區(qū)霜凍氣候特征分析及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響[J].陜西氣象，2016(3)：12-16.