近50 a 哈爾濱地區夏季低溫指數變化特征

譚雪玥，譚玉龍，郭 令

(1.通河縣氣象局，黑龍江 通河 150900;2.虎林市氣象局，黑龍江 虎林 154300)

1 引言

近些年，全球氣候變暖問題加劇，導致極端性天氣出現頻次增加， 使得黑龍江省夏季低溫事件頻繁發生， 給社會經濟發展和人們生產生活造成的影響日漸增大。 低溫冷害是指農作物在生育期間，遭受低于其生長發育所需的環境溫度， 引起農作物生育期延遲，或使其生殖器官的生理機能受到損害，從而導致農業減產的一種自然災害[1]。 黑龍江省是中國最大的糧食基地之一， 也是中國熱量資源最小的省份之一。 影響黑龍江省農業生產的主要自然災害是夏季低溫冷害，如夏季持續低溫，則會造成大范圍糧食減產，最大減產量可達15%-20%。 松嫩平原和三江平原是黑龍江省農區的主要集中區域， 哈爾濱市位于兩個平原的中南部，對于研究具有較強代表性[2]，因此，在全球氣候變暖的大背景下，研究哈爾濱地區近50 a 夏季低溫指數變化規律及變化周期， 對其與氣溫變化的相關性研究， 對于充分利用氣候資源調整農業結構至關重要， 從而為預防夏季低溫冷害和科學防災減災提供科學依據。

2 資料與研究方法

選取哈爾濱地區1971-2020年阿城、 賓縣、通河、五常等12個氣象觀測站的夏季（6-8月）逐日最低氣溫和日平均氣溫數據資料。 低溫指數[3]定義為將一年中（或某一時段）至少5 d 最低溫度低于多年日最低溫度平均值5 ℃的總日數。 假定Tij為第j年第i天的日最低氣溫，Ti平均為第 i 天 1971-2020年日最低溫度平均值，則低溫指數為某段時間至少5 d 的Tij＜Ti平均-5 ℃的總日數。本文使用的主要方法有：氣候傾向率法、Mann-Kendall 檢驗法、小波分析法和相關分析法。

2.1 氣候傾向率法[4]

氣候傾向率采用下式進行估計：y=a+bx，x=1，2，…，n

式中，x 為時間，y 為氣象要素，a 為線性趨勢，以a×10 作為氣候傾向率，單位為℃/10 a。 當 a 為正時，表示序列隨時間呈上升趨勢，反之則為下降趨勢。

2.2 Mann-Kendall 檢驗[5]

Mann-Kendall 檢驗全稱為 Mann-Kendall 非參數統計檢驗法，在時間序列分析趨勢當中，該方法計算簡單，適用性強，不需要數據呈標準正態分布，在長期氣象數據資料的觀測背景下， 針對氣候變化趨勢所進行分析。

2.3 小波分析法[6]

小波分析（也叫小波變換）是一種時間和頻率的局部變換方法， 該方法是通過平移和伸縮等運算功能對信號進行多尺度的細化分析， 最終獲取有效的信息，基于該理論，小波分析在氣象及水文等時間序列的周期變換規律方面得到廣泛的應用。

3 結果分析

3.1 夏季低溫指數的年際變化

由圖 1 可知， 哈爾濱地區1971-2020年夏季平均低溫指數呈下降趨勢，變化速率為1.256 d/10a，趨勢系數為 0.482，通過了 0.05 顯著性檢驗。 50 a 夏季平均低溫指數為2.5 d，1976年夏季平均低溫指數為17.3 d，是 1971年以來最嚴重的低溫冷夏年，2002年夏季平均低溫指數為0.4 d，為最低值，最值相差17 d左右。根據累積距平法分析得出，1983年前后哈爾濱地區夏季平均低溫指數發生了顯著的突變。

圖1 哈爾濱1971-2020年夏季低溫指數年際變化特征

3.2 夏季低溫指數的年代際變化

見表 1 可知， 哈爾濱地區20 世紀70年代夏季平均低溫指數為 6.3 d，20 世紀 80年代比 70年代夏季平均低溫指數減少 3.8 d，20 世紀 90年代比 80年代夏季平均低溫指數減少 0.8 d，21 世紀 00年代比20 世紀 90年代夏季平均低溫指數減少 0.6 d，21 世紀10年代夏季平均低溫指數為1.1 d。 可以看出，哈爾濱地區夏季平均低溫指數年代際變化表現明顯，進入21 世紀00年代以來， 夏季低溫指數變化明顯減少。

表1 哈爾濱1971-2020年夏季平均低溫指數年代際變化

3.3 突變分析

通過對哈爾濱地區夏季平均低溫指數進行Mann-Kendall分析，1973-1983年夏季平均低溫指數的UF 曲線和UB 曲線有多個交點， 結合Mann-Kendall 檢驗的突變規律可知，突變年份出現在1983年前后，因此，可以初步確定1983年是哈爾濱地區夏季低溫指數突變點。在此之后UF 曲線下降趨勢非常明顯，從1985年到1991年，哈爾濱地區的夏季低溫指數在UF 曲線的零線以下經歷了下降，然后又回到零線以上， 說明哈爾濱地區夏季低溫指數經歷了減少轉變為增加，又從增加轉變為減少趨勢。 UF 曲線和UB 曲線分別在1986年和1993年超過置信度線，上述分析表明， 哈爾濱地區夏季平均低溫指數下降趨勢變化顯著。

3.4 夏季低溫指數的小波分析

哈爾濱地區夏季低溫指數的Morlet 小波系數實部等值線圖中顯示（圖 2），哈爾濱地區夏季低溫指數在 20 世紀 70年代末、20 世紀 80年代初、20 世紀 90年代初存在顯著的準2-4 a 周期，在20 世紀80年代初存在顯著的準6 a 周期， 均通過了0.05 的顯著性檢驗。 這與小波方差得出的結果一致。 21 世紀00年代以后哈爾濱地區夏季低溫指數周期不顯著。

圖2 哈爾濱1971-2020年夏季低溫指數的小波分析結果

3.5 夏季低溫指數與氣溫變化的關系

為了進一步研究全球氣候變暖對夏季低溫指數的影響， 本文利用相關分析法對哈爾濱地區1971-2020年夏季平均低溫指數和夏季平均氣溫進行相關性檢驗，其相關系數為 0.519，達到 0.05 置信度的顯著檢驗，由圖3 可知，夏季平均氣溫隨時間的變化趨勢與夏季平均低溫指數的變化趨勢相反， 即夏季平均氣溫每上升 1 ℃，夏季低溫指數下降 1.1 d。 這說明兩者之間存在負相關關系。

圖3 哈爾濱1971-2020年夏季低溫指數與平均氣溫的關系

4 結論

（1）近50 a 來，哈爾濱地區夏季平均低溫指數呈下降趨勢， 變化速率為 1.256 d/10a， 趨勢系數為0.482， 通過了 0.05 顯著性檢驗，1976年夏季平均低溫指數為17.3 d， 是1971年以來最嚴重的低溫冷夏年，2002年夏季平均低溫指數為 0.4 d，為最低值。 哈爾濱地區夏季平均低溫指數年代際變化表現明顯，進入21 世紀00年代以來， 夏季低溫指數變化明顯減少。 夏季低溫指數變化與氣溫變化之間存在負相關關系。

（2）經Mann-Kendall 檢驗可知，哈爾濱地區夏季低溫指數在1983年前后發生了顯著的突變。

（3）由小波分析可知，哈爾濱地區夏季低溫指數在 20 世紀 70年代末、20 世紀 80年代初、20 世紀 90年代初存在顯著的準2-4 a 周期，在20 世紀80年代初存在顯著的準6 a 周期， 均通過了0.05 的顯著性檢驗。 這與小波方差得出的結果一致。 21 世紀00年代以后哈爾濱地區夏季低溫指數周期不顯著。