古田近40年霜及霜凍的氣候特征分析

魏瑋 林冰

摘要 利用古田縣1981—2020年逐年的霜日、初霜日、終霜日、無(wú)霜期等資料，采用氣候傾向率法、Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，分析古田縣1981—2020年的霜及霜凍的氣候變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：初霜日偏晚、終霜日偏早、無(wú)霜期變長(zhǎng)以及霜日變少。

關(guān)鍵詞 氣候特征分析;氣候傾向率;M-K檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S425 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）06–0067–03

霜凍是常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，多出現(xiàn)于春、秋、冬季，通常是由寒潮南下造成短時(shí)間內(nèi)氣溫驟降至0℃以下引起的，或受寒潮影響后，天氣轉(zhuǎn)晴的當(dāng)日夜間地面出現(xiàn)強(qiáng)烈輻射、降溫。霜凍對(duì)林果業(yè)危害較大，低溫致使植物組織細(xì)胞中的水分出現(xiàn)結(jié)冰，引發(fā)生理性干旱，導(dǎo)致植物受損或死亡。中國(guó)氣象工作者近些年針對(duì)霜凍開(kāi)展了大量的研究。許艷等[1]指出，中國(guó)大部分地區(qū)的霜期逐漸縮短，初霜日推遲，終霜日提前;錢錦霞等[2]認(rèn)為，山西省初霜日出現(xiàn)明顯推遲的趨勢(shì)，無(wú)霜期呈現(xiàn)出明顯延長(zhǎng)的趨勢(shì)，終霜日則呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。

古田縣為農(nóng)業(yè)縣，境內(nèi)光熱資源豐富，氣溫年、日差較大，霜凍是該縣主要的災(zāi)害性天氣之一，增強(qiáng)霜凍天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性能降低和避免農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受的危害。近年來(lái)，隨著氣候變暖，古田縣無(wú)霜期、初霜日、終霜日發(fā)生的特征也隨之出現(xiàn)變化，但有關(guān)霜凍特征方面的研究不多，缺少充分的科學(xué)依據(jù)來(lái)合理規(guī)劃和調(diào)整古田縣農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)近40年古田縣霜日的年變化以及初霜日的年變化、終霜日的年變化、無(wú)霜期的年變化，總結(jié)出古田縣霜及霜凍氣候的變化特征，以期更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)氣候資源的合理利用以及防災(zāi)減災(zāi)，從而保證農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取古田1981—2020年霜日、初霜日、終霜日、無(wú)霜期等氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，以每年10月至翌年4月觀測(cè)到的霜日為當(dāng)年霜日，初霜日指10月1日后出現(xiàn)的第一個(gè)霜日，翌年4月28日前出現(xiàn)的最后一個(gè)霜日為終霜日。當(dāng)年終霜日的次日至翌年初霜日的前一日為該縣的無(wú)霜期，統(tǒng)計(jì)并分析古田縣霜及霜凍的氣候特征和變化趨勢(shì)。

1.2 方法

1.2.1 氣候傾向率法 氣候傾向率法是在統(tǒng)計(jì)1981—2020年各年平均值的基礎(chǔ)上，以時(shí)間序列t為自變量，以霜日、初霜日、終霜日、無(wú)霜期等為因變量，建立一元線性回歸方程：

y（t）=a+bt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

=b? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

方程中，b為回歸系數(shù)，代表因變量變化趨勢(shì)傾向率，b>0時(shí)，y隨時(shí)間t的增加趨于上升;b<0時(shí)，y隨時(shí)間t的增加趨于減少。b的大小表示增加或減少的幅度[3]。

1.2.2 Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法 短時(shí)期內(nèi)氣候從一種比較穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的變化，即氣候突變，這是氣候系統(tǒng)非線性性質(zhì)的體現(xiàn)[4]。檢測(cè)氣候突變有多種方法，采用大多數(shù)人認(rèn)可的Mann-kendall法，其理論基礎(chǔ)和應(yīng)用效果均較好。這是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可作為對(duì)天氣氣候變化趨勢(shì)的突變研究分析。對(duì)于具備樣本量的時(shí)間序列，計(jì)算公式為：

（3）

公式（3）中，UFk代表標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，為按照時(shí)間序列x1，x2，……，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平a，當(dāng)UF1>Ua，說(shuō)明序列有明顯趨勢(shì)變化。按時(shí)間序列x的逆序xn，xn-1，……，x1，重復(fù)上述過(guò)程，得到UBk=-UFk（k= n，n-1，……，1），UB1=0。繪制出UBk和UBk兩條曲線，若UBk或UBk>0，說(shuō)明序列趨于上升，<0說(shuō)明呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。如果兩條曲線交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變時(shí)間點(diǎn)，交點(diǎn)位于臨界區(qū)間時(shí)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變發(fā)生時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 1981—2020年古田縣霜日的變化特征及趨勢(shì)

2.1.1 年變化 古田縣1981—2020年總霜日數(shù)為3 101 d，年霜日在3～138 d之間，霜日最多的年份出現(xiàn)在1989年為138 d，霜日最少的年份出現(xiàn)在2012年為3 d，霜日最多的年份與最少的年份相差135 d，古田縣霜日年際變化較大。年平均霜日為78 d，不同年份霜日數(shù)變化較大（圖1），其變化方程可用線性方程y=-0.7068x+92.015來(lái)表示，決定系數(shù)R2為0.0956，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.309（表1），可知古田縣近40年霜日呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-7.068 d/10 a，未通過(guò)a=0.05顯著性檢驗(yàn)，表明霜日變化不顯著。

2.1.2 突變分析 對(duì)霜日進(jìn)行M-K檢驗(yàn)（圖2）。自1987年以來(lái)，UF曲線>0，表明古田縣1981—1998年期間年霜日趨于上升;從2007年開(kāi)始，UF曲線穩(wěn)定在0.05臨界線以下，說(shuō)明自2007年以來(lái)，古田縣年霜日呈明顯的減少趨勢(shì)。±1.96臨界線之間UF和UB有多處交點(diǎn)在2007—2014年之間，表明古田縣年霜日存在突變現(xiàn)象，經(jīng)t檢驗(yàn)，P<0.05，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，表明古田縣霜日的減少趨勢(shì)在2007—2014年發(fā)生突變。

2.2 1981—2020年古田縣初霜日的年變化

近40年古田縣年平均初霜日為12月4日。由圖3可知，近40年來(lái)古田縣最早的初霜日出現(xiàn)在11月10日，最遲的初霜日出現(xiàn)在12月29日，相差49 d。初霜日的月分布存在差異，35%的年份出現(xiàn)在11月，65%的年份出現(xiàn)在12月。古田縣近40年初霜日整體呈逐年推遲的變化趨勢(shì)，氣候傾向率為0.29 d/10年，可見(jiàn)古田縣初霜日出現(xiàn)日期向后推遲的現(xiàn)象。

2.3 1981—2020年古田終霜日的年變化

近40年古田縣年平均終霜日出現(xiàn)在2月21日。由圖4可知，近40年來(lái)古田縣最早的終霜日結(jié)束于1月14日，最遲的終霜日結(jié)束于3月29日。近40年古田縣初霜日數(shù)整體呈逐年提前的趨勢(shì)，變化方程可以用線性方程y=-0.3834x+44 256來(lái)表示，氣候傾向率為-3.834 d/10年。終霜日整體呈減少趨勢(shì)，說(shuō)明終霜日呈現(xiàn)提前的變化趨勢(shì)。

2.4 1981—2020年古田縣無(wú)霜期的變化特征及趨勢(shì)

2.4.1 年變化 古田縣1981—2020年總無(wú)霜日數(shù)為11 521 d，年無(wú)霜期在235～358 d之間，無(wú)霜期最長(zhǎng)的年份出現(xiàn)在2012年為358 d，無(wú)霜期最短的年份出現(xiàn)在1989年為235 d，無(wú)霜日最多的年份比最少的年份多123 d，古田縣的無(wú)霜期年際變化較大，平均無(wú)年霜日數(shù)為288 d。由圖5可知，不同年份的無(wú)霜日數(shù)變化較大，變化方程可用線性方程y=0.8114x+ 271.39來(lái)表示，決定系數(shù)R2為0.1324，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.364，通過(guò)0.05雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)，表明無(wú)霜期變化在α=0.05的顯著水平上是顯著的，古田縣的無(wú)霜日大約以0.8 d/10年的傾向率增加，表明無(wú)霜期呈延長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。

2.4.2 突變分析 對(duì)無(wú)霜日進(jìn)行M-K檢驗(yàn)（圖6）。自1997年以來(lái)，曲線>0，表明1997—2020年古田縣的無(wú)霜日呈上升趨勢(shì)，2018年以后上升趨勢(shì)超過(guò)了95%的置信度，表明古田縣年平均無(wú)霜日在95%的置信水平上自2018年開(kāi)始有明顯上升。±1.96臨界線之間與存在多處交點(diǎn)，在2008—2017年之間，經(jīng)t檢驗(yàn)，突變前后序列存在顯著性差異，可見(jiàn)2008—2017年古田縣年無(wú)霜日發(fā)生了突變變化。

3 結(jié)論

利用古田縣1981—2020年近40年的霜日、初、終霜日、無(wú)霜期等資料，分析古田縣霜日數(shù)、霜凍發(fā)生特征及變化趨勢(shì)。

（1）古田縣霜日呈現(xiàn)的氣候傾向率為7.068 d/10年的減少趨勢(shì)，初霜日整體呈延遲趨勢(shì)，初霜日呈逐漸推后趨勢(shì)，終霜日總體表現(xiàn)為提前趨勢(shì)，古田縣的無(wú)霜日大約以0.8 d/10年的傾向率增加。

（2）從M-K檢驗(yàn)角度來(lái)看，古田縣的霜日減少趨勢(shì)從2007年開(kāi)始十分顯著，無(wú)霜日在1997—2020年呈上升趨勢(shì)，霜日和無(wú)霜日分別在2007—2014年、2008—2017年發(fā)生氣候突變。

（3）隨著氣候變暖，古田縣初霜日出現(xiàn)偏晚，終霜日結(jié)束偏早，無(wú)霜期延長(zhǎng)，霜日減少。相關(guān)部門應(yīng)充分利用這一農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 許艷，王國(guó)復(fù)，王盤(pán)興.近50a中國(guó)霜期的變化特征分析[J].氣象科學(xué)， 2009， 29（4）： 4427-4433.

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[4] 曾波，閆彩霞，余蓮.我國(guó)南方地區(qū)1960-2009年冬季氣溫分析[J].高原山地氣象研究， 2016， 36（2）： 46-52.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Climatic Characteristics of Frost and Frost in Gutian in Recent 40 Years

WEI Wei et al（Meteorological Bureau of Gutian County， Fujian Province， Gutian， Fujian 352200）

Abstract Based on the data of frost day， first frost day， last frost day and frost free period in Gutian County from 1981 to 2020， the climate change trend of frost and frost in Gutian County from 1981 to 2020 is analyzed by using the climate tendency rate method and Mann Kendall nonparametric statistical test method. The results show that the late initial frost day， the early final frost day， the longer frost free period and the less frost day are the development trend of climate change in Gutian County in the future.

Key words Climate characteristic anal-ysis; Climate tendency rate; M-k test