1961—2017年內蒙古霜凍時空分布特征及演變趨勢

王惠貞 李丹 吳瑞芬 吳向東

摘要：為深入研究內蒙古霜凍發(fā)生的演變規(guī)律，提高防霜減災能力，促進氣候資源合理開發(fā)利用，以1961—2017年內蒙古107個氣象站的逐日最低地溫資料為基礎，根據(jù)霜凍氣候指標統(tǒng)計霜凍日數(shù)，并采用線性傾向估計法、旋轉正交經驗函數(shù)（REOF）分析法及M-K突變檢驗等方法分析內蒙古霜凍日數(shù)的時空變化特征和突變情況。結果表明，（1）內蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)呈明顯下降趨勢，且變化程度與海拔高度呈顯著負相關關系。（2）從內蒙古各地區(qū)霜凍日數(shù)近57年的平均值分布特征來看，東北部地區(qū)霜凍日數(shù)最多、西部和東南部地區(qū)略少。（3）自20世紀60年代以來，內蒙古年平均霜凍日數(shù)發(fā)生突變的時間為1987年。（4）通過經驗正交函數(shù)分解（EOF）和REOF分析可知，內蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征受氣候因素、地形等因素影響，分為中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū)等3個區(qū)域，中西部地區(qū)霜凍日數(shù)減少趨勢最為明顯，隨著全球氣候變化加劇，該地區(qū)可能成為霜凍脆弱區(qū)。

關鍵詞：霜凍日數(shù);年際變化;突變;EOF;REOF

中圖分類號： S425文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）18-0274-09

收稿日期：2019-09-03

基金項目：內蒙古自治區(qū)自然科學基金（編號：2017MS0411）;內蒙古自治區(qū)氣象局科技創(chuàng)新項目（編號：nmqxkjcx201915）;中國氣象局氣候變化專項（編號：CCSF202025）。

作者簡介：王惠貞（1988—），女，內蒙古呼和浩特人，碩士，工程師，主要從事應用氣象與農業(yè)氣象災害防御研究。E-mail：1695920285@qq.com。

通信作者：李?丹，碩士，工程師，主要從事生態(tài)氣象學研究。E-mail：40342051@qq.com。

目前，全球變暖已是不爭的事實，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報告指出，近130年（1880—2012年），全球地表溫度增高 0.85 ℃，不同區(qū)域氣候變暖的范圍和幅度各異，我國1951—2017年地表年平均氣溫平均每10年升高0.24 ℃[1-3]。在全球變暖的氣候背景下，極端氣候特征也出現(xiàn)一系列的變化，其中，霜凍的發(fā)生受溫度變化的控制，是影響農業(yè)生產的重要因素之一[4]。近年來，國內外眾多學者圍繞霜凍的分布特征和氣候變化特征及霜凍災害評估等方面進行了系統(tǒng)的研究，結果表明，北歐和北美霜凍日數(shù)呈減少趨勢，且變化趨勢有明顯的地域差異[5-7]，20世紀90年代以后我國大部地區(qū)霜凍日數(shù)呈縮短趨勢[8]，且霜凍日數(shù)的變化具有明顯的區(qū)域特征[9]。影響我國寧夏、西藏、貴州等地區(qū)霜凍日數(shù)變化特征的因素較多，時空變化規(guī)律有區(qū)域性和季節(jié)性等差異[10-14]，且霜凍日期的變化與極渦、副熱帶高壓所處的位置及變動有直接關系[15]。

內蒙古地形和氣候復雜多樣，霜凍主要出現(xiàn)在秋季和春季，是影響內蒙古地區(qū)玉米、馬鈴薯、大豆等農作物生產的主要因素之一[16]。目前針對內蒙古霜凍的研究較多，包括對初霜凍日期、終霜凍日期及作物霜凍臨界溫度等方面的研究[17-19]，但霜凍日數(shù)的變化特征尚不清楚。本研究以日最低氣溫<0 ℃的日數(shù)作為霜凍指標，揭示近57年內蒙古霜凍日數(shù)的年際變化、突變情況及空間變化的特征，對防霜減災和高效利用農業(yè)氣候資源具有重要的理論意義和實用價值，并為提高對霜凍的預測和服務能力奠定理論基礎。

1?資料與方法

1.1?數(shù)據(jù)資料

選用1961—2017年內蒙古自治區(qū)境內（37.85～50.78°N、101.07～124.48°E）119個基本氣象站逐日最低氣溫資料，對資料進行均一性訂正，遵循資料年代較長、區(qū)域分布較均勻的原則，剔除部分站點，最終選定107個代表站點，并利用周圍參考站數(shù)據(jù)對代表站點個別年份缺測及其他因素造成的奇異值進行訂正，周圍參考站的選擇遵循距離200 km以內相關系數(shù)達0.7以上、高度差50 m以內的原則。上述資料來源于內蒙古生態(tài)與農業(yè)氣象中心。

1.2?指標與研究方法

以地面0 cm最低溫度低于0 ℃作為霜凍指標，統(tǒng)計霜凍日數(shù)（frost days，簡稱FD），即一年中日最低氣溫<0 ℃的日數(shù)。采用均值分布法分析平均霜凍日數(shù)的空間分布;采用線性傾向估計法分析霜凍日數(shù)的變化趨勢，并用t檢驗對其信度進行檢驗;采用Mann-Kendall（M-K）突變分析法檢測霜凍日數(shù)的突變特征;采用相關分析法和多元回歸分析法研究海拔和緯度對霜凍日數(shù)變化的影響;采用經驗正交函數(shù)分解（EOF）和旋轉經驗正交函數(shù)分解（REOF）方法分析霜凍發(fā)生的時空分布特征。

1.3?數(shù)據(jù)分析和圖表制作方法

以SPSS統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析，用Excel繪制圖表，用ArcGIS 10.2制作相關分布圖。

2?結果與分析

2.1?內蒙古霜凍日數(shù)的年際變化特征

1961—2017年內蒙古霜凍日數(shù)的線性變化呈明顯下降的趨勢（圖1），平均每10年下降3.6 d。20世紀90年代后期之前，內蒙古霜凍日數(shù)波動起伏，這之后，霜凍日數(shù)減少趨勢較明顯。近57年內蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)為183 d，從1996年開始5年滑動平均值均低于57年平均值，1998年霜凍日數(shù)達最低值，為167 d。

2.2?內蒙古霜凍日數(shù)的時間變化趨勢和地理分布特征

2.2.1?霜凍日數(shù)的時間變化趨勢分析

對內蒙古地區(qū)107個臺站的霜凍資料進行線性趨勢分析，得到趨勢變化系數(shù)分布（圖2）。分析結果表明，系數(shù)為負值，對應霜凍日數(shù)呈減少趨勢，說明全區(qū)大部分地區(qū)近57年來霜凍日數(shù)呈較明顯的減少趨勢，且變化趨勢分布存在明顯的區(qū)域差異，霜凍日數(shù)減少幅度較大的地區(qū)主要在東北部和中西部大部分地區(qū)，變化趨勢在-3.5 d/10年以上，其中河套灌區(qū)和陰山北麓偏東地區(qū)霜凍日數(shù)減少最明顯，線性傾向達到 -6.6～-6.1 d/10年，錫林郭勒盟東部、通遼市南部、赤峰市南部和呼倫貝爾市西部地區(qū)的線性傾向為-3.5～-1.5 d/10年。

3?討論

內蒙古霜凍日數(shù)有明顯的年際變化特征，1961—2017年內蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)的線性變化呈明顯下降趨勢，全區(qū)107個測試站點中有94個站點霜凍日數(shù)表現(xiàn)為極顯著減少趨勢，變化趨勢分布存在明顯的區(qū)域差異，霜凍日數(shù)減少幅度相對較大的地區(qū)主要在東北部和中西部大部地區(qū)。全球變暖使霜凍日數(shù)整體呈減少趨勢，可能造成玉米、大豆等大田作物發(fā)育期延遲，尤其是北半球30°N以北地區(qū)作物生長季延長幅度較大的地區(qū)近30年的霜凍日數(shù)有所增加，而霜凍日數(shù)的變化對作物的危害具有較大的不確定性，可能增加植株受霜凍害的風險，但與作物品種、植株耐寒性和所處生育期密切相關，全球性和區(qū)域性氣候變暖也預示著農作物和植物花期受霜凍危害的可能性將減小[21-26]。

分析各地區(qū)霜凍日數(shù)的趨勢變化系數(shù)與地理方位的關系得出，海拔、緯度以及地形綜合作用于霜凍日數(shù)的變化，但主導性因素的顯著性檢驗結果略有差異，霜凍日數(shù)的趨勢變化程度與海拔高度呈顯著負相關關系，說明海拔高度對霜凍日數(shù)趨勢變化系數(shù)影響較大。

內蒙古近57年霜凍日數(shù)區(qū)域特征明顯，大致符合地帶性分異規(guī)律，呈現(xiàn)東北部多、西部和東南部少的分布特征。通過經驗正交函數(shù)（EOF）分解得出，內蒙古霜凍日數(shù)的分布型為主導分布型，表現(xiàn)為在多年霜凍日數(shù)變化中受共同氣候因子影響的一致性減少變化，且1987年之前呈振蕩變化而之后呈明顯偏少的特征，呼和浩特、包頭、巴彥淖爾市和鄂爾多斯東北部地區(qū)霜凍日數(shù)年際變化幅度較大。20世紀80—90年代，東西區(qū)域界限變動較明顯，隨著時間變換由東北逐漸向西南方向移動。

由于EOF分解的局限性，分離出的空間分布結構不能更細致地表示不同地理區(qū)域的特征[27]，而采用旋轉經驗正交函數(shù)（REOF）分解分區(qū)時，經過正交旋轉后荷載平方的方差和達到最大，使得各特征向量的高荷載值更加突出，因此該方法對霜凍日數(shù)變化特征進行分區(qū)更具有客觀性[28-30]。根據(jù)內蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征可分成3個區(qū)域，分別是中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū)，中西部地區(qū)霜凍日數(shù)減少趨勢最為明顯，該區(qū)地處陰山山脈地區(qū)，隨著全球氣候變化加劇，可能成為霜凍脆弱區(qū)。

4?結論

基于對1961—2017年內蒙古地區(qū)霜凍日數(shù)的綜合分析，可獲得以下結論。

近57年內蒙古平均霜凍日數(shù)呈明顯下降趨勢，霜凍日數(shù)的變化趨勢分布存在明顯的區(qū)域差異，變化程度與海拔高度呈負相關關系，從各地區(qū)霜凍日數(shù)近57年平均值的分布特征來看，東北部地區(qū)霜凍日數(shù)最多、西部和東南部地區(qū)略少。

對內蒙古107個測試站點的57年霜凍日數(shù)資料進行突變檢驗發(fā)現(xiàn)，自20世紀60年代以來，內蒙古年平均霜凍日數(shù)在明顯下降的基礎上，存在突變，突變的時間為1987年。

根據(jù)內蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征可分成3個區(qū)域，分別是中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū)，東北部地區(qū)霜凍日數(shù)相對較多，但3個區(qū)域內測試站點均表現(xiàn)為在多年霜凍日數(shù)變化中受共同氣候因子影響的一致性減少變化，其中，中西部地區(qū)霜凍日數(shù)較少趨勢最為明顯。

總體來看，內蒙古地形分布可代表霜凍日數(shù)的空間分布模式，霜凍防御的重點區(qū)域應該集中在中西部農區(qū)，東南部農區(qū)受霜凍影響較輕，對于發(fā)展農業(yè)生產比較有利。

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