近50年韓城無霜期氣候變化特征分析

薛 鵬，李 青，楊增軍

(1.韓城市氣象局，陜西韓城 715400；2.陜西省氣象局，西安 710014)

霜是一種天氣現(xiàn)象，通常當(dāng)?shù)孛婊蚩拷孛娴奈矬w和空氣溫度降至0 ℃以下時，水汽在地面或靠近地面物體上凝華而成[1-2]。無霜期是反映地區(qū)熱量情況的指標(biāo)之一。農(nóng)作物的生長期與無霜期密切相關(guān)，無霜期愈長，說明該地?zé)崃抠Y源越豐富，宜于作物生長的時間越長，農(nóng)作物產(chǎn)量高、品質(zhì)好；無霜期愈短，說明熱量資源貧乏，農(nóng)作物生長期緊張，產(chǎn)量低、品質(zhì)差[3-4]。柏秦鳳等[5]研究指出﹐陜西省初霜日總體平均推遲,終霜日總體平均提前,無霜期總體平均加長。多位學(xué)者對中國不同地區(qū)無霜期或霜期變化進行了研究[6-13],結(jié)果均表明,近年來，隨著全球氣候變暖，局地初霜日延后,終霜日提前,無霜期不同程度地呈增長趨勢。韓城是我國花椒生產(chǎn)的重要基地，汾渭平原的重要組成部分，研究其無霜期氣候變化特征對當(dāng)?shù)卣笇?dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保護生態(tài)環(huán)境以及氣象工作者做好本市的中、長期氣候預(yù)測具有重大意義。

1 資料和方法

選取韓城地面觀測站1970—2019年歷年初霜日、終霜日及無霜期等氣象觀測資料，采用線性傾向估計、趨勢分析、突變檢驗和Morlet小波分析等方法[14-16]，分析揭示韓城初(終)霜日、無霜期的氣候變化特征。其中，無霜期為前一年終霜日到當(dāng)年初霜日之間間隔的日數(shù)。

2 無霜期變化特征

2.1 初(終)霜日、無霜期的變化特征

2.1.1 初霜日 韓城近50 a平均初霜日為10月29日，最早為10月4日，最晚為11月14日(表1)。其中最早初霜日為1994年10月4日，最晚初霜日為2017、2019年11月14日，初霜日時間序列平均絕對偏差7.2 d，均方差9.1 d，極差41 d，即最早和最晚相差41 d，說明韓城初霜日年際差異較大。韓城近50 a初霜日呈明顯推遲趨勢(圖1)，線性傾向率1.6 d/10 a(通過0.1顯著性水平檢驗)。從年代際變化看(表1、圖1)，20世紀(jì)70—80年代平均初霜日變化不大，70年代和80年代平均日期分別為10月28日和10月30日，與平均初霜日接近；90年代初霜日較平均日期提前較為明顯，平均為10月22日；2000—2009年初霜日較平均日期略微提前，平均為10月27日；2010—2019年初霜日較平均日期推遲較為明顯，平均為11月5日。這與初霜日年際序列6階多項式(通過0.001顯著性水平檢驗)、5 a滑動平均曲線變化趨勢基本一致。

表1 韓城市1970—2019年初霜日特征值

圖1 韓城市1970—2019年初霜日年際變化

2.1.2 終霜日 韓城近50 a平均終霜日為3月28日，最早為2月21日，最晚為5月2日(表2)。其中最早終霜日為1981年2月21日，最晚終霜日為1991年5月2日，終霜日時間序列平均絕對偏差12.6 d，均方差15.5 d，極差70 d，說明韓城終霜日年際差異較大。韓城近50 a終霜日呈明顯提前趨勢(圖2)，線性傾向率-5.7 d/10 a(通過0.001顯著性水平檢驗)。從年代際變化看(表2、圖2)，20世紀(jì)70年代終霜日較平均日期推遲較為明顯，平均為4月9日；80年代平均終霜日變化不大，平均日期為3月27日，與平均終霜日接近；90年代終霜日較平均日期推遲較為明顯，平均為4月3日。進入21世紀(jì)后終霜日較平均日期提前，2000—2009年終霜日較平均日期略微提前，平均為3月26日；2010—2019年終霜日較平均日期明顯提前，平均為3月12日。這與終霜日年際序列6階多項式(通過0.001顯著性水平檢驗)、5 a年滑動平均曲線變化趨勢基本一致。

表2 韓城市1970—2019年終霜日特征值

圖2 韓城市1970—2019年終霜日年際變化

2.1.3 無霜期 韓城近50 a平均無霜期為213.5 d，最短無霜期出現(xiàn)在1991年，為169 d，最長無霜期出現(xiàn)在2017年，為256 d(表3)。無霜期時間序列平均絕對偏差15.2 d，均方差18.9 d，最長和最短無霜期相差87 d，說明韓城無霜期年際差異較大。韓城近50 a無霜期呈明顯增長趨勢(圖3)，線性傾向率6.7 d/10 a(通過0.001顯著性水平檢驗)。由于無霜期隨初霜日、終霜日變化而變化，韓城初霜日推后、終霜日提前，導(dǎo)致無霜期增長。從年代際變化看(表3、圖3)，其年代際變化與初、終霜日變化基本一致，20世紀(jì)70年代大多數(shù)年份無霜期明顯短于平均值，平均為201.8 d；80年代大多數(shù)年份無霜期長于平均值，平均為217.2 d；90年代大多數(shù)年份無霜期明顯短于平均值，平均為200.6 d；2000—2009年無霜期在平均值上下波動，平均為214.3 d；2010—2019年大多數(shù)年份無霜期明顯長于平均值，平均為233.5 d。這與無霜期年際序列6階多項式(通過0.001顯著性水平檢驗)、5 a滑動平均曲線變化趨勢基本一致。

表3 韓城市1970—2019年無霜期特征值 單位：d

圖3 韓城市1970—2019年無霜期年際變化

無霜期愈長，熱量資源越豐富，有利于作物生長。隨著無霜期增長，韓城農(nóng)業(yè)種植發(fā)生較大變化，冬小麥種植面積逐年減少，而花椒種植面積不斷增多。韓城無霜期相對較穩(wěn)定，且呈明顯增長趨勢，促使熱量資源穩(wěn)定上升，將有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有助于提高花椒農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.2 初(終)霜日、無霜期的突變特征

圖4為韓城市近50 a平均初、終霜日及無霜期突變特征曲線。韓城初霜日時間序列在1985年前呈下降趨勢，自1985年開始逐漸增加，1991年呈下降趨勢，到2016年呈增加趨勢，但未能通過0.05顯著性檢驗。其中，UF和UB曲線在2018年相交于0.05顯著性水平臨界線之間，表明韓城初霜日在2018年發(fā)生推遲突變。韓城終霜日時間序列呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢，1978年之前，呈波動增加趨勢，從1978年開始呈持續(xù)下降趨勢，1987—1988年、2004年以后通過0.05顯著性水平臨界線，表明韓城終霜日提前趨勢十分顯著。其中，UF和UB曲線在2010年相交于0.05顯著性水平臨界線之間，表明終霜日在2010年發(fā)生突變，終霜日提前顯著。韓城無霜期在1975年前呈縮短趨勢，自1975年開始逐漸增長，1986—1990年、2014年以后通過0.05顯著性水平臨界線，表明韓城無霜期增長趨勢十分顯著，其中UF和UB曲線在2013年相交于0.05顯著性水平臨界線之間，表明無霜期在2013年發(fā)生突變，無霜期增長顯著。

圖4 韓城市1970—2019年初霜日、終霜日和無霜期突變檢驗曲線

2.3 初(終)霜日、無霜期的周期變化特征

利用Morlet小波分析韓城初霜日、終霜日、無霜期變化的多時間尺度特征發(fā)現(xiàn)(圖5)，去除邊界效應(yīng)，韓城初霜日、終霜日、無霜期分別得到幾個可信的顯著周期振蕩。

韓城初霜日存在2 a和5 a左右的振蕩周期。其中，20世紀(jì)70年代中期到80年代初期、90年代中期及2010—2013年，存在2 a左右的振蕩周期，并且能量最強，表現(xiàn)最為明顯；1998—2007年，存在較明顯的5 a左右的振蕩周期；70年代初期、80年代中后期到90年代初期、2013年以后振蕩周期不明顯。

圖5 韓城市1970—2019年初霜日、終霜日和無霜期Morlet小波分析(陰影為超過95%信度檢驗區(qū)域)

韓城終霜日存在2～4 a和6 a左右振蕩周期。其中，20世紀(jì)70年代末期到80年代初期、80年代末期到90年代初期、90年代末期到2000年初期，存在2 a左右的振蕩周期；70年代中期到80年代初期，存在較明顯的3 a左右的振蕩周期，并且能量最強，表現(xiàn)最為明顯；2007—2012年，存在較明顯的4 a左右的振蕩周期；80年代初期到80年代中后期，存在較明顯的6 a左右的振蕩周期；70年代初期、80年代中后期、90年代中后期、2002—2007年、2013年以后振蕩周期不明顯。

韓城無霜期存在2～4 a左右的振蕩周期。其中，20世紀(jì)70年代中期、2007—2014年，存在2 a左右的振蕩周期，70年代后期到80年代初期、90年代末期到2000年初期，存在較明顯的3 a左右的振蕩周期，2007—2014年存在較明顯的4 a左右的振蕩周期，70年代初期、80年代中后期到90年代中期、2004—2006年、2014年以后振蕩周期不明顯。韓城無霜期在70年代中期到80年代初期、90年代末期到2000年初期、2007—2014年2～4 a振蕩周期振幅最大，能量最強，表現(xiàn)最為明顯。

2.4 初(終)霜日早、晚及無霜期長、短年分析

從前文分析可知，無霜期隨初霜日、終霜日變化而變化，韓城初霜日推后、終霜日提前，導(dǎo)致無霜期增長。初霜日和無霜期標(biāo)準(zhǔn)化年際變化曲線(圖6)基本一致，兩者相關(guān)系數(shù)達0.602，通過0.001顯著性水平檢驗，僅在個別年份略有差異；終霜日和無霜期標(biāo)準(zhǔn)化年際變化曲線基本呈相反趨勢，兩者相關(guān)系數(shù)達-0.881，通過0.001顯著性檢驗，僅在個別年份略有差異。因此，用韓城初(終)霜日、無霜期標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)定義初(終)霜日的早晚和無霜期的長短。取s=0.9為臨界值，定義-0.9

3 結(jié)論與討論

(1)韓城近50 a平均初霜日為10月29日，平均終霜日為3月28日，平均無霜期為213.5 d。近50 a韓城初霜日呈推遲趨勢，線性傾向率為1.6 d/10 a；終霜日呈提前趨勢，線性傾向率為-5.7 d/10 a；無霜期呈增長趨勢，線性傾向率為6.7 d/10 a，其變化促使熱量資源穩(wěn)定上升，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有助于提高花椒農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。

圖6 韓城市1970—2019年初霜日、終霜日和無霜期標(biāo)準(zhǔn)化年際變化(虛線為臨界值線)

表4 韓城市1970—2019年初(終)霜日早、晚及無霜期長、短年份

(2)韓城近50 a初霜日呈先提前后推遲變化趨勢，推遲不顯著；終霜日呈先推遲后提前變化趨勢，提前十分顯著，在2010年發(fā)生突變；無霜期呈先縮短后增長趨勢，增長十分顯著，在2013年發(fā)生突變。

(3)韓城初霜日存在2 a和5 a左右的振蕩周期，在20世紀(jì)70年代中期到80年代初期、90年代中期2 a振蕩周期振幅最大；終霜日存在2～4 a和6 a左右振蕩周期，在70年代中期到80年代初期3 a振蕩周期振幅最大；無霜期在70年代中期到80年代初期、90年代末期到2000年初期、2007—2014年2～4 a振蕩周期振幅最大，周期表現(xiàn)明顯。

(4)韓城初霜日和無霜期年際變化基本一致，終霜日和無霜期年際變化基本呈相反趨勢，通過對韓城初(終)霜日、無霜期標(biāo)準(zhǔn)化處理，選取臨界值劃分初(終)霜日早晚、無霜期長短年份，終霜日提前或推遲對無霜期的增長或縮短起主要作用，初霜日推遲或提前對無霜期的增長或縮短所起的作用不明顯。

(5)韓城初(終)霜日、無霜期在2013年之后的年際變化特點與此前40余年明顯不同，這應(yīng)與韓城地方城市規(guī)劃發(fā)展有關(guān)。此前，韓城氣象觀測站一直遠(yuǎn)離市區(qū)。近年來，隨著城市經(jīng)濟發(fā)展、規(guī)劃布局調(diào)整，觀測站周邊逐漸新建了大量小區(qū)、道路、公園等，城市效應(yīng)對初(終)霜日和無霜期的變化造成一定影響。