朱永寧，馮東溥，李紅英，段曉鳳，鄭 方

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002)

引 言

霜凍是中國北方面臨的嚴重農(nóng)業(yè)自然災害之一，對農(nóng)作物和林果的產(chǎn)量和品質(zhì)均有較大危害[1-3]。伴隨著全球氣候變暖，霜凍日數(shù)及其程度在不同時空尺度上發(fā)生了變化，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)生較大影響[4]。研究表明，寧夏春季霜凍日數(shù)明顯多于秋季，春霜凍危害大于秋霜凍，且秋霜凍日期逐漸推遲[5]。近年來，寧夏大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，如枸杞、釀酒葡萄、蘋果、硒砂瓜等，這些特色農(nóng)作物在春霜凍期多處于開花、放條、移栽等抵御災害能力最差階段，春霜凍一旦發(fā)生，便會使其嚴重受害。因此，搞清寧夏春霜凍的時空變化規(guī)律以及周期特征，對霜凍防御、特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局以及結(jié)構(gòu)調(diào)整有重要意義。

針對霜凍變化規(guī)律開展的研究主要包括霜凍初日和終日、霜凍日數(shù)及頻率的氣候變化趨勢及其空間差異性[6-14]以及霜凍災害評估模型、風險區(qū)劃和預防[15-18]等。研究表明，寧夏全年和春、秋季霜凍日數(shù)及概率均呈下降趨勢[19-20]，霜凍初、終日的絕對變率與海拔呈正相關(guān)，而與緯度呈負相關(guān)[21]。李紅英等[22]根據(jù)風險災害理論提出霜凍致災因子的危險性指數(shù)，評估了寧夏各地區(qū)霜凍災害程度。本文基于寧夏氣象站點最低氣溫觀測資料，根據(jù)霜凍日定義標準對春霜凍期內(nèi)霜凍日進行判定，并采用Mann-Kendall檢驗、Sen斜率、Morlet小波分析等方法，揭示春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的時空變化規(guī)律，探討氣候變化下兩者間的關(guān)系，以期為寧夏特色農(nóng)業(yè)區(qū)劃和春霜凍防御提供一定的科學支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

寧夏回族自治區(qū)位于中國西北部，面積6.64萬km2，人口681.8萬，下轄22縣(市、區(qū))，屬于溫帶大陸性氣候。利用1961—2016年寧夏氣象站最低氣溫逐日觀測資料，經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗，剔除數(shù)據(jù)序列短的站點后共計19站，站點空間分布如圖1所示。地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于寧夏氣象局公開數(shù)據(jù)。

圖1 寧夏氣象站點空間分布Fig.1 Spatial distribution of weather stations in Ningxia

1.2 研究方法

經(jīng)統(tǒng)計，在4月10日至5月15日期間，寧夏各地小麥、玉米等作物相繼進入苗期，桃、李、杏、梨等經(jīng)濟林果處于開花期或花蕾期，釀酒葡萄進入萌芽期，枸杞處于萌芽—展葉期，此階段發(fā)生霜凍會給作物帶來嚴重危害， 故將這一階段定義為寧夏的春霜凍期。霜凍日由當日最低氣溫小于0 ℃的標準[5,19]進行判定。按照這一標準判定寧夏春霜凍期內(nèi)霜凍日，并統(tǒng)計霜凍日數(shù)。各站春霜凍期最低氣溫是這一時段內(nèi)每日最低氣溫的平均值。然后，對各站春霜凍期最低氣溫進行區(qū)域平均，得到寧夏春霜凍期區(qū)域平均最低氣溫。

采用Mann-Kendall趨勢和突變檢驗方法[23-24]判定時間序列的變化趨勢、突變點及顯著水平，Morlet小波分析來探討序列的周期變化特征[25]。Sen斜率[26-27]能降低或避免數(shù)據(jù)缺失及異常對統(tǒng)計結(jié)果的影響，因此采用該方法分析序列的年均變幅。應用一元線性回歸和皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析最低氣溫和霜凍日數(shù)的關(guān)系。在ArcGIS 10.1軟件下，采用反距離加權(quán)法對要素進行空間插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 寧夏春霜凍期最低氣溫及霜凍日數(shù)的時間變化特征

1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫平均為0.59 ℃，標準差為0.13 ℃，變異系數(shù)為0.22，在1960年代、1990年代波動較大，1980年代、2000年代以后波動漸緩，且階段性變化特征明顯，1980年代以前波動下降，之后階段性持續(xù)上升，整個時段上升趨勢明顯[圖2(a)]，且Mann-Kendall趨勢檢驗Z值為4.32，上升趨勢極為顯著(P<0.01)，Sen斜率為0.005℃·a-1，與一元線性擬合的氣候傾向率0.0042 ℃·a-1接近。從Mann-Kendall突變檢驗結(jié)果[圖2(b)]看出，UF曲線在1980年代末開始由負值轉(zhuǎn)為正值，UF和UB曲線在1996年前后相交與一點，且UF曲線于2003年以后超出0.05顯著性水平臨界線，表明寧夏春霜凍期最低氣溫發(fā)生了由低到高的顯著突變，突變發(fā)生在1996年前后。

圖2 1961—2016年寧夏春霜凍期區(qū)域平均最低氣溫年際變化(a)與Mann-Kendall檢驗(b)Fig.2 The annual variation (a) and Mann-Kendall abrupt change test (b) of the regional average minimum temperature during the spring frost stage in Ningxia from 1961 to 2016

經(jīng)統(tǒng)計，近56 a寧夏春霜凍日數(shù)年平均為3.9 d，標準差為2.08 d，變異系數(shù)為0.54，表明春霜凍日數(shù)的離散性很高；春霜凍日數(shù)有明顯的階段性年代際變化特征，且1960年代波動幅度異常大，1962年全區(qū)平均為11.8 d，1964年平均為0.5 d；隨著時間推移春霜凍日數(shù)的離散性逐漸變低，且整體呈明顯下降趨勢[圖3(a)]，Mann-Kendall檢驗也反映下降趨勢顯著(P<0.01)，Sen斜率為-0.05 d·a-1，與線性擬合的斜率-0.0534 d·a-1極為接近。從圖3(b)看出，UF曲線在1980年代中期以后由正值轉(zhuǎn)為負值，UF和UB曲線在2003年相交于一點，且UF曲線在2011年以后通過0.05顯著水平臨界線，表明近56 a寧夏春霜凍日數(shù)發(fā)生了由多到少的顯著突變，突變點為2003年。

圖3 1961—2016年寧夏春霜凍日數(shù)年際變化(a)與Mann-Kendall檢驗(b)Fig.3 The annual variation (a) and Mann-Kendall abrupt change test (b) of spring frost days in Ningxia during 1961-2016

圖4為1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的線性相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者呈明顯負相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2(0.744)和皮爾遜相關(guān)系數(shù)(-0.86)達到0.01的極顯著水平；最低氣溫每升高0.1 ℃，霜凍日數(shù)約減少1.4 d。結(jié)合最低氣溫和霜凍日數(shù)的變化趨勢可以斷定，寧夏春霜凍期氣候變暖是霜凍日數(shù)減少的主要原因。

圖4 寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的線性相關(guān)關(guān)系Fig.4 Linear correlation between the minimum temperature during the spring frost stage and frost days in Ningxia

2.2 寧夏春霜凍期最低氣溫及霜凍日數(shù)的空間分布特征

圖5是1961—2016年寧夏春霜凍期多年平均最低氣溫和霜凍日數(shù)空間分布?？梢钥闯?，最低氣溫總體上以寧夏中西部向周邊遞減，南部山區(qū)的固原、西吉、隆德和涇源屬于低值區(qū)(0.30～0.45 ℃)，銀川、永寧、青銅峽、吳忠、靈武、中寧等中部沿黃灌區(qū)為高值區(qū)(0.69～0.76 ℃)[圖5(a)]；霜凍日數(shù)與最低氣溫在空間變化上呈反向分布，南部山區(qū)和興仁為霜凍日數(shù)高值區(qū)，這一點也說明了霜凍日數(shù)與海拔高度基本呈正相關(guān)，在霜凍災害防控上需要引起足夠重視。

利用Mann-Kendall趨勢檢驗和Sen斜率方法，分析了1961—2016年寧夏19站春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)的變化趨勢(圖6)，發(fā)現(xiàn)全區(qū)最低氣溫變化趨勢空間不一致，14站最低氣溫呈顯著上升趨勢，占總站數(shù)的74%，3站無顯著變化趨勢，永寧和興仁站則呈顯著下降趨勢，可見，在全球變暖背景下寧夏最低氣溫整體顯著上升，但最低氣溫的變化具有顯著的區(qū)域性；南部山區(qū)和中東部地區(qū)Sen斜率絕對值較小，永寧和興仁較大[圖6(a)]。霜凍日數(shù)的變化趨勢也表現(xiàn)出空間不一致性，10站為顯著減少，永寧和興仁為顯著增加，其他站點無顯著變化，且全區(qū)霜凍日數(shù)的Sen斜率均較小，南部山區(qū)和北部地區(qū)主要為負值，中南部地區(qū)和永寧為正值，數(shù)值接近于0，其中南部固原和北部惠農(nóng)相對較大[圖6(b)]。

對比發(fā)現(xiàn)，最低氣溫顯著上升的14站中有10站(占71.4%)霜凍日數(shù)顯著下降，其他4站變化不顯著，說明多數(shù)情況下霜凍日數(shù)與最低氣溫的變化呈負相關(guān)，但霜凍日數(shù)并非完全依賴于最低氣溫，它是以0 ℃氣溫界定的，盡管最低氣溫整體顯著升高，但低于0 ℃的日數(shù)可能并未減少，致使霜凍日數(shù)無變化。最低氣溫顯著下降的興仁和永寧2站，其霜凍日數(shù)都顯著上升，說明最低氣溫降低時勢必引起霜凍日數(shù)增多?？梢?，寧夏春霜凍期氣候變暖是霜凍日數(shù)減少的主要原因。從地形上(圖略)看，無論平原或山區(qū)，霜凍日數(shù)均出現(xiàn)顯著增多、顯著減少以及無明顯變化的情況，說明霜凍日數(shù)的變化與地形關(guān)系不大。

圖5 1961—2016年寧夏春霜凍期平均最低氣溫(a，單位: ℃)和霜凍日數(shù)(b，單位：d)空間分布Fig.5 Spatial distribution of average minimum temperature during the spring frost stage (a, Unit: ℃) and frost days (b, Unit: d) in Ningxia from 1961 to 2016

圖6 1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫(a)和霜凍日數(shù)(b)變化趨勢空間分布Fig.6 Spatial distribution of change trend of the minimum temperature during the spring frost stage (a) and frost days (b) in Ningxia from 1961 to 2016

2.3 寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)周期特征

圖7是1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)Morlet小波分析實部，正值區(qū)表示最低氣溫(霜凍日數(shù))偏高(偏多)，負值區(qū)與之相反。由圖7(a)可見，最低氣溫在1961—1966年、1997—1999年、2010—2014年3個時段變化較為劇烈，存在明顯的10 a左右、20～25 a周期變化，且穩(wěn)定，具有全域性，在1997年以后15 a的周期變化也較明顯。10 a尺度上最低氣溫的變化由劇烈轉(zhuǎn)為平緩，第一個低值區(qū)為1962年，最低氣溫比平均值偏低0.2 ℃以上，最后一個低值區(qū)為2010年，比平均值偏低不到0.1 ℃，10 a尺度的周期變化在1997年以后表現(xiàn)穩(wěn)定，整個時段周期性較為明顯。在20～25 a尺度上最低氣溫的變化與10 a的情況相反，由平緩變得更加劇烈。

由圖7(b)可見，等值線在1961—1976年極為密集，說明該階段霜凍日數(shù)變化劇烈，波動幅度大，而1976年以后等值線整體趨于平緩。1994年之前10～12 a的周期變化特征明顯，且1967—1994年間還明顯存在6 a左右的周期振蕩，而1994年之后8 a左右的周期振蕩明顯。此外，在整個時域內(nèi)還存在20～25 a左右較為明顯的穩(wěn)定周期變化，在這個時間尺度上霜凍日數(shù)變化也由劇烈逐漸變?yōu)槠骄彙?/p>

圖7 1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫(a)和霜凍日數(shù)(b)Morlet小波實部的時頻分布Fig.7 Time-frequency distribution of Morlet wavelet real part of the minimum temperature during the spring frost stage (a) and frost days (b) in Ningxia from 1961 to 2016

3 結(jié)論與討論

(1)1961—2016年寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)均發(fā)生顯著變化，前者上升趨勢極為顯著，這與杜靈通等[28]的判斷相吻合，也印證了氣候變暖的事實[12]，而后者顯著下降，Sen斜率為-0.05 d·a-1，與桑建人等[29]得出的1961—2004年春霜凍次數(shù)線性傾向率較接近，在一定程度上印證了中國北方氣候變暖造成霜凍日數(shù)減少的論斷[7]。另外，春霜凍期最低氣溫與霜凍日數(shù)存在極顯著負相關(guān)關(guān)系，比桑建人等[29]基于年平均最低氣溫得到的結(jié)果具有更強的相關(guān)性，能夠更好地揭示霜凍事件對氣候變暖的響應。

(2)在空間上，寧夏春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)互為反向分布，且空間差異較大。寧夏中部是最低氣溫的高值區(qū)和霜凍日數(shù)的低值區(qū)，南部則是最低氣溫的低值區(qū)和霜凍日數(shù)的高值區(qū)。這與李紅英等[22]提出的霜凍致災因子低、中、高危險區(qū)空間劃分基本吻合。

(3)近56 a來，春霜凍期最低氣溫和霜凍日數(shù)變化趨勢空間不一致，全區(qū)74%的站點最低氣溫顯著上升，53%的站點霜凍日數(shù)顯著減少，且同一站點表現(xiàn)并不完全相反，其中中寧、麻黃山、同心、海原最低氣溫顯著上升，但霜凍日數(shù)未發(fā)生明顯變化，說明霜凍日數(shù)并不完全隨著最低氣溫的升高而減少，可能還受風速、蒸發(fā)等其他因子的影響。

(4)寧夏春霜凍期最低氣溫的周期振蕩特征與霜凍日數(shù)有較好的契合度，在20～25 a和10 a左右尺度上均具有較強規(guī)律性，且尺度也較為接近，其中20～25 a長周期的契合度更好。最低氣溫和霜凍日數(shù)在1976年以前振蕩劇烈，而后逐漸趨于平緩，未來霜凍日數(shù)變化趨向平緩下降的可能性較大。

寧夏春霜凍期氣候變暖導致春霜凍日數(shù)顯著減少，整體有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但永寧和興仁霜凍日數(shù)卻有明顯增加趨勢，需要當?shù)卣贫ㄏ鄳胧﹣矸罏臏p災。同時還應該關(guān)注霜凍日數(shù)的穩(wěn)定周期，在霜凍防御、種植結(jié)構(gòu)布局上充分考慮以減輕霜凍危害。