張家口壩上高寒區近53年霜凍變化特征及其對農業的影響

吳偉光 郝瑛 劉星燕

摘要 利用1965—2017年張家口壩上高寒區康保、沽源、尚義和張北4個氣象站逐日最低氣溫資料，運用一元線性回歸、Mann Kendall檢驗法對該地區初（終）霜凍日和無霜期變化特征進行了分析。結果表明，張家口壩上高寒區有平均初霜凍日推遲、平均終霜凍日提早、無霜期延長的趨勢，但是還存在一定的不穩定性，平均終霜日1987—2012年幾乎以等振幅波動性變化；平均終霜凍日進入21世紀后出現突變現象，突變幾率明顯增大。

關鍵詞 張家口壩上高寒區；初（終）霜凍日；變化特征；M K檢驗

中圖分類號：S425 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2018）04-045-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.04.018

Abstract Based on daily minimum temperature data of 4 meteorological stations including Kangbao， Guyuan， Shangyi and Zhangbei from 1965 to 2017 in high cold region of Bashang in Zhangjiakou， the climate change characteristics of the first and last frost date and frost free period were analyzed by using one dimensional linear regression method and Mann Kendall test method. The results showed that the average first frost date had a delaying trend and the situation was quite the reverse for the average last frost in Bashang. Moreover， the frost free period was extended. The first frost date had significantly delayed， but there was still some instability， the average last frost date fluctuated almost by equal amplitude from 1987 to 2012. The average last frost date had a sudden change， and the probability of mutation increased significantly in the 21st century.

Key words High cold region of Bashang in Zhangjiakou； First and last frost date； Change characteristics； Mann Kendall test

霜凍發生在春秋季節，是一種較為常見的農業氣象災害。農業氣象學上，霜凍是指日平均氣溫高于0℃的溫暖時期，地面和作物體表面的溫度迅速降低到0℃以下，使作物遭受凍害或死亡的現象，是由于低溫造成的作物生理現象。在全球增暖[1-3]的氣候背景下，國內外有不少學者對各地的霜凍發生規律進行了研究。研究表明，美國、加拿大和北歐的霜凍日數都有減少趨勢[4-6]，國內有很多學者也得出了類似的結論[7-9]。陳乾金等[10-11]發現，霜凍的異常變化特征還存在明顯的地區差異。

張家口壩上高寒區是以農業為主的貧困地區[12]，地處40°N以北，海拔在1 200～1 600 m，是霜凍的多發、頻發嚴重區。作為該地一種重要的農業氣象災害，霜凍是影響農作物單產水平及總產量波動的重要因素之一[13]，但目前對張家口壩上高寒區霜凍的研究文獻較少，且大都是局部地區或針對個別農作物的霜凍防御研究[14-15]。筆者旨在分析氣候變暖背景下，壩上高寒區4個代表站霜凍的變化特征和突變特征，以期為霜凍的預報服務、選取合適生育期品種等工作提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

考慮數據的時間序列長度、完整性和高寒區的代表性，選取壩上康保、沽源、尚義、張北4個高寒地區觀測站的逐日0 cm氣溫、逐年初霜凍日和逐年終霜凍日資料。時間序列為1965—2017年，初霜凍日為9月1日起0 cm地溫≤0℃的第1天；終霜凍日為次年3月份起0 cm地溫≤0℃的最后1天。資料來源為張家口市氣象局資料室。康保、沽源、尚義、張北4個縣站1965—2017年氣溫觀測資料，其中張北為國家基準站，其余3站為國家基本站。

1.2 研究方法

采用一元線性回歸方程擬合計算初（終）霜凍日的傾向率。方程為y（t）=a0+a1t，y為初、終霜凍日擬和值，t是年序列，t=1，2，3，…，53（年），其線性趨勢傾向系數由最小二乘法求得。dy（t）/dt=a1，a1×10年為（終）霜凍日的傾向率，單位為d/10年。

用Mann Kendall（M K）方法檢驗初（終）霜凍日和無霜期的突變點。

2 結果與分析

2.1 初、終霜凍日的氣候統計特征及年際變化特征

2.1.1 初、終霜凍日和無霜期的氣候統計特征 由表1可以看出，近53年張家口市壩上高寒區平均初霜凍日在9月上、中旬，平均終霜凍日在5月下旬或6月上旬。最早初霜凍日為8月15日（康保），最晚初霜凍日為10月3日（張北）；最早終霜凍日為4月28日（康保和張北），最晚終霜凍日為6月26日（康保和尚義）。各站最早、最晚初霜凍日的差值沽源最小，為28 d，其他3站最早、最晚終霜凍日的差值均在40 d以上。從線性趨勢可以看出，康保、沽源、尚義和張北均有初霜凍推遲、終霜凍結束早、無霜期延長的趨勢，其中尚義更為顯著，初霜凍日平均每10年推遲2.7 d，終霜凍日平均每10年提早4.4 d。

2.1.2 初、終霜凍日的年際變化特征 圖1為張家口市壩上4縣平均初、終霜凍日年際變化及一元線性回歸和四階多項式擬合曲線。由圖1a可知，張家口市壩上4縣的平均初霜凍日在振動中逐漸推遲，平均每10年推遲0.9 d。1965—1983年、2000—2014年初霜凍出現的時間波動較大，1972年康保、沽源、張北初霜凍均出現在8月下旬，2012年張北和尚義8月22日出現初霜凍，分別創造和接近歷史極值；1984—1999年初霜凍出現的時間相對比較平穩。

由圖1b可知，近53年終霜凍日在波動變化中逐漸提前，平均每10年提前0.7 d。1977—1987年終霜凍日波動較大，雖然平均終霜凍日在振動中提前，但是終霜凍日出現的偏晚概率增大了。

2.2 初、終霜凍日的突變性分析

從初霜凍日UF曲線（圖2a）可以看出，初霜凍日只是階段性超過了0.01顯著性水平臨界線，未出現明顯超過0.01顯著性水平臨界線的點，說明初霜凍日推遲并不是太明顯。1973—1982年UF和UB 2條曲線出現多個交點，判斷初霜凍日在此階段可能發生突變；終霜凍日UF和UB 2條曲線于1973年出現交點，可以判定初霜凍日突變可能發生在1973年前后。UF曲線階段性超出了0.01顯著性水平臨界線，未出現明顯超過0.01顯著性水平臨界線的點，說明終霜凍日提前不是很顯著（圖2b）。

2.3 霜凍對農業生產的影響

霜凍對農作物的損傷，是由于突然降溫使農作物體內的水分結冰，特別是植物細胞內體積增大導致細胞機能受到破壞而形成的[16]。張家口壩上地區初霜凍早、終霜凍晚、無霜期短，主要農作物有小麥、莜麥、馬鈴薯、青玉米、甜菜、蔬菜和豆類及油料類雜糧。張家口壩上地區的平均終霜凍日為5月中旬，對馬鈴薯和錯季蔬菜影響較大，其他多數作物播種期一般在5月中下旬，影響不是很明顯，極端天氣除外。

初霜凍對作物的影響和危害非常大，雖然初霜凍日有推遲的趨勢，但自20世紀90年代起，突發提前的頻率在逐漸加大，極端天氣出現的概率越來越高。如2012年8月22—24日，張家口市壩上沽源、張北、康保、尚義、塞北、察北和壩下崇禮、赤城、懷安、宣化縣相繼出現大幅降溫天氣，致使以上10個縣區的63鄉鎮、829個行政村遭受了自1961年有氣象記載以來50年一遇的特大低溫冷凍災害，即將收獲的青玉米、馬鈴薯、架豆、雜豆、谷黍等農作物不同程度減產，甚至大面積絕收，受災人口112 520戶、315 103人，受災面積96 650.68 hm2，造成農業損失44 647.94萬元。

據資料統計，近53年來張家口壩上地區的初霜凍日70%的年份出現在8月下旬至9月上中旬，這期間正是糧食作物的成熟期，在此期間初霜凍出現的越早對作物的危害越嚴重。

3 結論與討論

（1）張家口壩上4縣的平均初霜凍日在9月上、中旬，平均終霜凍日在5月下旬或6月上旬，并且有平均初霜凍日推遲、平均終霜凍日提早、無霜期延長的趨勢，這與國內外學者分析的大部分地區霜凍日數有減少的趨勢一致。

（2）張家口壩上4縣平均初霜凍日1965—1983年、2000—2014年初霜凍出現的時間波動較大，1984—1999年相對比較平穩。20世紀80—90年代，初霜凍日有顯著推遲的趨勢，但是還存在一定的不穩定性。平均終霜日1974—1985年出現的時間相對較早，在5月上、中旬；1987年以后幾乎以等振幅波動性變化。

（3）康保、沽源、張北和尚義4縣平均初霜凍日20世紀70—80年代突變相對較多，平均終霜凍日進入21世紀后突變幾率明顯增大。

（4）初霜凍日推遲、終霜凍日提早、無霜期延長可以為農作物提供更多的熱量資源和生長時間，對農作物的生長和發育很有利，但是霜凍是冷空氣突然入侵強降溫造成的，是一種時間尺度很短的農業氣象災害，它的發生可以與長時間尺度的氣候變化趨勢相反。在氣候變暖的大背景下，出現初霜凍日突發提前的頻率在逐漸增大。霜凍作為一種嚴重的氣象災害，一旦出現，對農作物將造成無法挽救的損傷，直接影響到農民的收成。研究霜凍出現的本地指標以及環流形式是未來比較緊要的工作。

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責任編輯：鄭丹丹