張旭暉，居為民，蒯志敏，霍金蘭，楊建全

(1.江蘇省氣象臺(tái)，江蘇 南京210008;2.南京大學(xué)，江蘇 南京210093;3.吳中區(qū)氣象局，江蘇 蘇州215128;4.鹽都區(qū)氣象局，江蘇鹽城224005;5.丹徒區(qū)氣象局，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引言

霜凍在我國(guó)發(fā)生范圍廣、危害作物種類多、造成經(jīng)濟(jì)損失大，霜凍的發(fā)生與氣溫有著密切的關(guān)系(王國(guó)復(fù)等，2009)。隨著氣候的變暖，全球許多地區(qū)的霜凍氣候特征也出現(xiàn)了明顯的變化，如20世紀(jì)北歐、加拿大的霜凍日數(shù)減少，美國(guó)霜凍日數(shù)變化趨勢(shì)存在明顯的區(qū)域差異(Heino et al.，1999;Easterling，2002;Frich et al.，2002;馬柱國(guó)，2003;Meehl et al.，2004)。我國(guó)學(xué)者對(duì)霜凍氣候變化也做了大量的研究(王秀萍等，2008;葉殿秀和張勇，2008;錢(qián)錦霞等，2009;許艷等，2009)。葉殿秀和張勇(2008)采用1961—2007年我國(guó)577個(gè)測(cè)站的均一化逐日最低氣溫資料分析全國(guó)霜凍變化規(guī)律，認(rèn)為全國(guó)平均終霜凍日期自20世紀(jì)80年代起明顯提早，初霜凍日期20世紀(jì)90年代開(kāi)始明顯推遲，全國(guó)平均終霜凍日期提早時(shí)間明顯比初霜凍日期推遲時(shí)間長(zhǎng)，全國(guó)平均無(wú)霜凍期自20世紀(jì)80年代起明顯延長(zhǎng)。許艷等(2009)采用1951—2007年全國(guó)756站逐日的霜凍氣象觀測(cè)資料，分析證實(shí)50多年來(lái)，中國(guó)大部分地區(qū)霜期在逐漸縮短，初霜期逐漸推遲，而終霜期不斷提前，20世紀(jì)90年代后這種趨勢(shì)變得更加明顯。杜軍和寧斌(2006)采用日最低氣溫對(duì)雅魯藏布江中游1961—2000年異常初、終霜凍進(jìn)行分析，認(rèn)為流域東段表現(xiàn)出初霜凍來(lái)得遲、終霜凍結(jié)束得早、無(wú)霜期延長(zhǎng)的顯著趨勢(shì);江孜則表現(xiàn)為終霜凍推遲、無(wú)霜期縮短的不顯著趨勢(shì)。江蘇地處南北過(guò)渡帶，霜凍頻繁發(fā)生，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害極大。在氣候變暖的背景下，江蘇春霜凍發(fā)生次數(shù)、終霜凍期氣候特征發(fā)生了怎樣的變化?未來(lái)氣候變化背景下江蘇霜凍的可能趨勢(shì)是什么?對(duì)此問(wèn)題的研究，可以提高霜凍災(zāi)害的預(yù)測(cè)能力，也可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門(mén)合理安排農(nóng)業(yè)布局，保障農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

利用江蘇省35站1961—2008年氣象觀測(cè)資料，分析春霜凍基本特征及氣候變化趨勢(shì);利用世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)的耦合模式比較計(jì)劃—階段3的多氣候模式數(shù)據(jù)，分析未來(lái)不同氣候變化情景下江蘇省霜凍發(fā)生的變化趨勢(shì)。為了預(yù)測(cè)在未來(lái)氣候變化情景下江蘇省春季霜凍的演變趨勢(shì)，將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合生成未來(lái)春季氣溫序列，即

其中:T(i)為融合生成的未來(lái)i年的春季氣溫;Tm(i)是氣候模式預(yù)測(cè)的未來(lái)i年的春季氣溫;Tm(1961—1999)是氣候模式模擬的1961—1999年春季氣溫的平均值;T0(1961—1999)是觀測(cè)的1961—1999年春季氣溫的平均值。

1.2 霜凍指標(biāo)

以日最低氣溫小于等于2℃作為霜凍的氣候指標(biāo)(葉殿秀和張勇，2008)。定義每年3月10日—4月20日出現(xiàn)的霜凍為春霜凍，最后一次春霜凍出現(xiàn)的日期為終霜凍期。

1.3 趨勢(shì)診斷方法

氣象要素的氣候傾向率利用以下方程計(jì)算:

式中:xt為氣象要素的擬合值;a1×10稱為氣候傾向率，表示氣象要素每10 a的變化率;xt與時(shí)間序列t(1，2，…，n)的相關(guān)系數(shù)稱為趨勢(shì)系數(shù)(杜軍和寧斌，2006)。

1.4 氣候突變?cè)\斷方法

以信噪比檢驗(yàn)霜凍的氣候突變性(Yamamoto et al.，1986;魏風(fēng)英，1999)，計(jì)算式為

1.5 分區(qū)

受大氣環(huán)流和海洋的影響，南部的春季氣溫回升速度快于北部，內(nèi)陸快于沿海。江蘇省終霜凍期則表現(xiàn)為南部早于北部，東部早于西部。根據(jù)春霜凍氣候特點(diǎn)及實(shí)際氣象服務(wù)需求(胡辛陵等，2001)，把江蘇劃分為4個(gè)區(qū)域:蘇北西部地區(qū)(包括徐州、宿遷、淮安3市);蘇北沿海地區(qū)(包括連云港、鹽城、南通、泰州4市);寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)(包括南京、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州3市);蘇南地區(qū)(包括蘇州、無(wú)錫、常州3市)。

2 結(jié)果分析

2.1 江蘇省春霜凍分布的氣候特征

由于距海洋距離和緯度的差異，江蘇省春季升溫在西南部最早，而在西北部最晚，終霜凍期則表現(xiàn)為南部早于北部，東部早于西部。江蘇省1961—2008年平均終霜凍期的空間分布(圖1)顯示，蘇南地區(qū)為3月15—23日，蘇北西部為3月28日—4月4日，蘇北沿海地區(qū)為3月28—31日，寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)為3月23—26日。

圖1 1961—2008年平均終霜凍期的空間分布Fig.1 Spatial distribution of the average date of final spring frost from 1961 to 2008

平均春霜凍日數(shù)表現(xiàn)為北部明顯多于南部，同緯度地區(qū)沿海多于內(nèi)陸(圖2)。蘇北西部及蘇北沿海的大部分地區(qū)為7～9 d;蘇南地區(qū)為2～4 d;寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)為4～6 d。最多春霜凍日數(shù)(圖略)表明:蘇北西部及蘇北沿海的大部分地區(qū)為16～23 d，蘇南地區(qū)為8～11 d，寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)為10～15 d。

圖2 1961—2008年平均春霜凍日數(shù)的空間分布(單位:d)Fig.2 Spatial distribution of the average days of spring frost from 1961 to 2008(units:d)

全省各地均有可能出現(xiàn)不發(fā)生春霜凍的年份，南部的無(wú)春霜凍發(fā)生年份明顯多于北部。48 a中，淮北西部和蘇北沿海地區(qū)普遍為1～3次，出現(xiàn)在2002、2004和2008年;寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)為5～9次，一般出現(xiàn)在1989年以后;蘇南地區(qū)出現(xiàn)次數(shù)最多，普遍為6～13次，半數(shù)以上出現(xiàn)在1986年以后，另有一些出現(xiàn)在1968、1973、1975和1977年。從時(shí)間分布看，20世紀(jì)90年代以后特別是進(jìn)入21世紀(jì)，無(wú)春霜凍發(fā)生的年份明顯增加，其中2002年全省各地均無(wú)春霜凍發(fā)生，2008年全省大部分地區(qū)未出現(xiàn)春霜凍。

2.2 江蘇省春霜凍的年際變化趨勢(shì)

為了解春霜凍的變化趨勢(shì)，計(jì)算了終霜凍期、春霜凍日數(shù)的趨勢(shì)系數(shù)。圖3為終霜凍期趨勢(shì)系數(shù)的空間分布?？梢?jiàn)，全省均為負(fù)趨勢(shì)，其中蘇北西部、蘇北沿海北部及蘇南地區(qū)均通過(guò)了0.001信度的顯著性檢驗(yàn)，其他地區(qū)均通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，即48 a來(lái)江蘇省平均終霜凍期呈顯著提早的變化趨勢(shì)。圖4為終霜凍期趨勢(shì)系數(shù)空間分布?？梢?jiàn)，全省均為負(fù)趨勢(shì)，普遍通過(guò)0.001信度的顯著性檢驗(yàn)，48 a來(lái)全省春霜凍日數(shù)顯著減少。

圖3 江蘇省終霜凍期趨勢(shì)系數(shù)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the tendency coefficient for the date of final spring frost

圖5為終霜凍期氣候傾向率的空間分布。可見(jiàn)，蘇北西部和蘇南地區(qū)提早4～5 d/(10 a)，蘇北沿海地區(qū)大多提早2～3 d/(10 a)，寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)提早2～4 d/(10 a)。春霜凍日數(shù)氣候傾向率的空間分布(圖6)顯示，春霜凍日數(shù)減少程度是北部大于南部，沿海大于內(nèi)陸:蘇北西部地區(qū)及蘇北沿海北部普遍減少2～3 d/(10 a)，其他地區(qū)平均減少1 d/(10 a)。

2.3 春霜凍與氣溫的關(guān)系

圖4 江蘇省春霜凍日數(shù)趨勢(shì)系數(shù)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of the tendency coefficient for the days of spring frost

圖5 江蘇省終霜凍期氣候傾向率的空間分布(單位:d/(10 a))Fig.5 Spatial distribution of the climate trend rate of the date of final spring frost(units:d/(10 a))

分析江蘇省終霜凍期、春霜凍日數(shù)與春季平均氣溫的關(guān)系可知:全省35站中有34站的終霜凍期與春季平均氣溫呈現(xiàn)顯著的反相關(guān)關(guān)系，其中30站通過(guò)0.001信度的顯著性檢驗(yàn)，另4站分別通過(guò)0.01和0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。從相關(guān)系數(shù)的空間分布(圖略)看，終霜凍期與春季平均氣溫負(fù)相關(guān)程度高的地區(qū)為淮北西部、蘇北沿海北部以及蘇南地區(qū)東南部，相關(guān)系數(shù)為－0.53～－0.75，其他地區(qū)為 －0.32～ －0.52。

稻鴨共育是以水田為基礎(chǔ)，在水稻田進(jìn)行家鴨野養(yǎng)的一項(xiàng)生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)，具有除草吃蟲(chóng)、增肥控蘗、提高品質(zhì)、增加效益、減少污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為理想的優(yōu)質(zhì)高效技術(shù)之一。同時(shí)，稻鴨共育技術(shù)的實(shí)施及示范減少了農(nóng)藥和化肥用量，保護(hù)了環(huán)境，提高了農(nóng)民的收入，也滿足消費(fèi)者對(duì)綠色食品、無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品的需求。為有效控制水稻蟲(chóng)害，提高水稻害蟲(chóng)的控制水平，減少農(nóng)藥在稻米和環(huán)境中的殘留，保障稻米質(zhì)量安全，于2007～2011年推廣實(shí)施稻鴨共育技術(shù)，取得了顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

35站的春霜凍日數(shù)與春季平均氣溫也呈現(xiàn)顯著的反相關(guān)關(guān)系，表明江蘇春季平均氣溫越高，春霜凍日數(shù)越少，霜凍期結(jié)束越早。從相關(guān)系數(shù)的空間分布(圖略)看，終霜凍期與春季平均氣溫負(fù)相關(guān)程度是北部高于南部，淮北西部、蘇北沿海地區(qū)的相關(guān)系數(shù)為 －0.66～ －0.77，其他地區(qū)為 －0.22～－0.68。表1給出了各區(qū)終霜凍期、春霜凍日數(shù)與春季平均氣溫的關(guān)系式。

圖6 江蘇省春霜凍日數(shù)氣候傾向率的空間分布(單位:d/(10 a))Fig.6 Spatial distribution of the climate trend rate of the days of spring frost(units:d/(10 a))

表1 江蘇各區(qū)終霜凍期(Y1)、春霜凍日數(shù)(Y2)與春季平均氣溫(X)的關(guān)系式Table 1 The relationship between the spring average temperature(X)and the date of final spring frost(Y1)，and the days of spring frost(Y2)for each area of Jiangsu Province

2.4 終霜凍期、春霜凍日數(shù)氣候突變分析

利用(3)式計(jì)算江蘇省各區(qū)48 a春季平均氣溫、終霜凍期、春霜凍日數(shù)氣候突變的時(shí)間，序列長(zhǎng)度取10 a，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各區(qū)春季平均氣溫均在1997年發(fā)生氣候突變，蘇北西部、蘇北沿海地區(qū)、寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)和蘇南地區(qū)的信噪比分別為1.11、1.39、1.19和1.40，即1997年全省春季氣溫從一個(gè)相對(duì)偏低的時(shí)期躍變成一個(gè)相對(duì)偏高的時(shí)期。而各區(qū)終霜凍期、春霜凍日數(shù)在1961—2008年的信噪比普遍小于1.0，為了增加突變信息，本文以作為接近突變。取連續(xù)的峰值作為突變點(diǎn)，當(dāng)序列長(zhǎng)度取10 a時(shí)，相當(dāng)于 t＞1.739，置信水平在90%以上;，相當(dāng)于 t＞2.119，置信水平在95%以上。

計(jì)算表明:蘇北西部、蘇北沿海和寧鎮(zhèn)揚(yáng)終霜凍期的信噪比分別為0.79、0.81和0.80，達(dá)到95%以上的置信水平，三區(qū)的突變點(diǎn)均出現(xiàn)在1997年;蘇南地區(qū)的終霜凍期信噪比為0.62，達(dá)到90%以上的置信水平，突變點(diǎn)出現(xiàn)在1996年。隨著氣候變暖，江蘇年(季)平均氣溫、極端氣溫以及地溫都發(fā)生了不同程度的響應(yīng)(陸曉波等，2006;張寧等，2008;郭品文等，2009;楊英寶和江南，2009;潘敖大等，2010)，各區(qū)春季氣溫呈現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì)，并在1997年發(fā)生了突變。由此可見(jiàn)，各區(qū)終霜凍期突變與春季氣溫突變基本一致。

由1961—2008年終霜凍期的逐年變化(圖7)可見(jiàn)，各區(qū)終霜凍期突變后比突變前提前了10～12 d。1961—1996年，蘇北西部地區(qū)終霜凍期的提前趨勢(shì)不明顯，平均在4月3日，1997年后，終霜凍期有一明顯的提前趨勢(shì)，平均提前至3月20日;蘇北沿海地區(qū)突變前為4月2日，突變后為3月22日;寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)突變前為3月26日，突變后為3月15日;蘇南地區(qū)突變前為3月23日，突變后為3月11日。

蘇北西部、蘇北沿海地區(qū)春霜凍日數(shù)的信噪比為0.96和0.97，可以認(rèn)為，48 a來(lái)蘇北西部、蘇北沿海地區(qū)春霜凍日數(shù)從一個(gè)相對(duì)偏多期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)偏少期，突變點(diǎn)均在1997年，其中蘇北西部突變前平均春霜凍日數(shù)為9.5 d，突變后減為3.4 d，蘇北沿海地區(qū)突變前平均春霜凍日數(shù)為7.8 d，突變后減為3.0 d。寧鎮(zhèn)揚(yáng)和蘇南地區(qū)春霜凍日數(shù)的信噪比低于0.50，即這兩個(gè)地區(qū)沒(méi)有發(fā)生突變。

2.5 未來(lái)氣候變化背景下江蘇霜凍的可能趨勢(shì)

2.5.1 觀測(cè)與模擬的江蘇春季氣溫變化趨勢(shì)的比較

圖71961 —2008年蘇北西部地區(qū)(a)、蘇北沿海地區(qū)(b)、寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)(c)和蘇南地區(qū)(d)終霜凍日的逐年變化(圖中兩段直線分別為突變前后時(shí)段的平均值)Fig.7 Yearly variations of the date of final spring frost in(a)northwestern Jiangsu，(b)northern coastal area of Jiangsu，(c)Nanjing－Zhenjiang－Yangzhou region，and(d)southern Jiangsu during 1961—2008(The two straight lines represent the average values before and after the abrupt change point，respectively)

表2 1961—1999年江蘇各區(qū)春季平均氣溫模擬值與實(shí)測(cè)值的氣候傾向率及其多年平均溫度差值Table 2 The climate trend rates of simulated and observed average temperatures and the differences between the simulated and observed annual average temperatures in spring from 1961 to 1999 for each region of Jiangsu Province

2.5.2 江蘇省終霜凍期的未來(lái)趨勢(shì)

在高、中和低排放情景下，江蘇各區(qū)春季平均氣溫均呈現(xiàn)為增高趨勢(shì)。從區(qū)域分布看，增溫幅度最大的是蘇南地區(qū)，最小的是蘇北西部地區(qū)，根據(jù)表1中江蘇各區(qū)終霜凍期與春季平均氣溫的關(guān)系，利用氣候模擬值進(jìn)行終霜凍期情景預(yù)測(cè)(表3)，結(jié)果顯示:江蘇未來(lái)終霜凍期表現(xiàn)為明顯的提前趨勢(shì)。在中排放情景下(A1B)，蘇北西部2020s終霜凍期將提前 4.6 d，2030s比 2020s明顯提前，為 9.4 d，2040s和2050s比2030s略有提前，分別為10.1 d和10.7 d，2060s又明顯提前，為14.8 d;其他各區(qū)情形與蘇北西部地區(qū)相似，提前天數(shù)由北向南增多，提前最多的蘇南地區(qū)2060s，為17.7 d。在高排放情景下(A2)，蘇北西部2020s終霜凍期將提前7.3 d，2030s、2040s、2050s將提前 8.7 ～9.4 d，2060s將提前12.8 d;蘇北沿海地區(qū)、寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)和蘇南地區(qū)將分別提前7.5～13.3、9.6～14.2和11.3～16.5 d。在低排放情景下(B1)，各區(qū)終霜凍期提前時(shí)間比其他排放情景略少，蘇北西部為5.3～10.1 d，蘇北沿海地區(qū)為6.2～10.1 d，寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)為9.6～12.5 d，蘇南地區(qū)為10.2～14.2 d;各區(qū)提前日數(shù)最少的年代均是2020s，而最多的年代不盡相同，蘇北西部和寧鎮(zhèn)揚(yáng)為2050s，其他二區(qū)2050s和2060s并列最多。

圖8 蘇北西部地區(qū)(a)、蘇北沿海地區(qū)(b)、寧鎮(zhèn)揚(yáng)地區(qū)(c)和蘇南地區(qū)(d)春季平均氣溫實(shí)測(cè)值與模擬值的逐年變化(單位:℃)Fig.8 Yearly variations of simulated and observed spring average temperatures in(a)northwestern Jiangsu，(b)northern coastal area of Jiangsu，(c)Nanjing－Zhenjiang－Yangzhou region，and(d)southern Jiangsu(units:℃)

表3 不同排放情景下5種氣候模式預(yù)測(cè)的2011—2060年江蘇各區(qū)春季平均氣溫及終霜凍期變化的平均值(相對(duì)1961—1999年)Table 3 The changes in the average temperatures in spring and the date of final spring frost projected by the five climate models under different emission scenarios in each decade during the period from 2011 to 2060 relative to the corresponding values during the period from 1961 to 1999in different regions of Jiangsu Province

3 結(jié)論

1)1961—2008年江蘇省春霜凍的空間分布特征明顯，表現(xiàn)為蘇北西部及蘇北沿海地區(qū)終霜凍期明顯晚于蘇南地區(qū)，北部春霜凍日數(shù)明顯多于南部，同緯度地區(qū)沿海多于內(nèi)陸。

2)受氣候變暖的影響，江蘇省春季霜凍結(jié)束時(shí)間顯著提早，春霜凍日數(shù)顯著減少。各區(qū)終霜凍期(蘇北西部和蘇北沿海地區(qū)春霜凍日數(shù))均在20世紀(jì)90年代后期，從一個(gè)相對(duì)偏晚(偏多)期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)偏早(偏少)期。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后，春霜凍明顯減輕，在寧鎮(zhèn)揚(yáng)和蘇南地區(qū)有一半以上的年份幾乎沒(méi)有發(fā)生春霜凍。

3)在高、中和低排放情景下，江蘇各區(qū)春季平均氣溫均呈增高趨勢(shì)，未來(lái)終霜凍期也相應(yīng)呈現(xiàn)為逐年代提前趨勢(shì)。但春霜凍期提前結(jié)束并不意味著春霜凍害一定減輕，一方面隨著春溫的升高，作物生育進(jìn)程加快，對(duì)霜凍敏感的時(shí)期會(huì)相應(yīng)提前，另一方面在氣候變暖背下，完全可能出現(xiàn)嚴(yán)重霜凍，而極短時(shí)間的霜凍就能對(duì)作物造成極大危害。因此，在氣候變暖時(shí)期，農(nóng)業(yè)部門(mén)調(diào)整生產(chǎn)布局、安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)仍不能放松對(duì)春霜凍的警惕。

本文在分析江蘇省不同地區(qū)春霜凍終日變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，建立了終霜凍期與春季氣溫之間的關(guān)系，根據(jù)多個(gè)氣候模型預(yù)測(cè)的未來(lái)可能氣候集成結(jié)果，探討不同地區(qū)終霜凍期的未來(lái)可能變化趨勢(shì)，研究結(jié)論旨在為政府采取科學(xué)的適應(yīng)氣候變化決策措施提供參考。本研究發(fā)現(xiàn)終霜凍期、春霜凍日數(shù)均與春季氣溫存在顯著的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)春季氣溫可以預(yù)報(bào)終霜凍期與春霜凍日數(shù)，但是這種預(yù)報(bào)是統(tǒng)計(jì)性的，預(yù)報(bào)模型的精度受到制約;預(yù)報(bào)結(jié)果依賴于春季氣溫預(yù)報(bào)的精度，由于氣候模型結(jié)果的不確定性，所以春霜凍終日的未來(lái)趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果可能存在著不確定性，需要進(jìn)一步深入研究，發(fā)展終霜凍期和春霜凍日數(shù)的預(yù)報(bào)模型。

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