馬文迪

(烏海市氣象局，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

霜凍是烏海地區(qū)農(nóng)牧業(yè)面臨的自然災(zāi)害之一，研究表明春霜凍危害嚴(yán)重大于秋霜凍。伴隨著全球氣候變暖，霜凍日數(shù)及其程度在不同時(shí)空尺度上發(fā)生了變化，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)生較大影響。本文重點(diǎn)研究烏海地區(qū)春霜凍的氣候變化特征及其氣候背景，了解烏海地區(qū)霜凍發(fā)生規(guī)律和演變特征，對防御霜凍災(zāi)害具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究現(xiàn)狀

目前對霜凍的日變化分析、演變趨勢和霜凍時(shí)空分布研究較多，2010年之后對烏海地區(qū)的霜凍研究較少。在之前的研究中，王鳳琴等(2015)對烏海霜凍的定義標(biāo)準(zhǔn)以低溫來定義，統(tǒng)計(jì)2010年之前終霜凍結(jié)束平均日期為4月29日；1971年—2000年之間終霜凍日期逐年提前，無霜凍期延長；2001年—2010年之間終霜凍日期推后，無霜凍期減少；2006年—2010年表現(xiàn)得更加顯著。

2 研究意義

2.1 分析春霜凍氣候變化特征

隨著全球氣候變暖，國內(nèi)許多學(xué)者對霜凍的變化趨勢進(jìn)行了研究，多地霜凍氣候變化特征是初霜凍推后，終霜凍提前，無霜期延長，在這樣的氣候背景下，烏海地區(qū)霜凍變化特征是否一致？分析烏海春霜凍的時(shí)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。

2.2 春霜凍期環(huán)流形勢及其氣候背景研究

春霜凍次數(shù)的多少、終霜凍結(jié)束的早晚都是大氣環(huán)流結(jié)果異常造成的，了解終霜凍早晚對應(yīng)的前期氣候背景的異同和早晚終霜凍發(fā)生的環(huán)流特征有助于進(jìn)一步加深對終霜凍結(jié)束早晚的認(rèn)識，也有助于準(zhǔn)確預(yù)測春霜凍結(jié)束的早晚。

3 資料與方法

3.1 霜凍定義、研究范圍

地面最低溫度≤0 ℃，定義為霜凍日；終霜凍：春季最后一次地面溫度≤0 ℃出現(xiàn)的日期。地面日值資料采用1963年—2021年共59 a的春季逐日地面氣象觀測資料，包括地面最低溫度、最低氣溫。由于1973年數(shù)據(jù)缺測較多，故剔除1973年，總計(jì)研究58 a。

3.2 環(huán)流場資料

本項(xiàng)目環(huán)流場資料采用NCEP逐日再分析位勢高度資料，網(wǎng)格點(diǎn)距為2.5°×2.5°(即144×73網(wǎng)格)，將逐日資料處理成候、月、季、年資料，氣候態(tài)取1981年—2010年平均。

3.3 研究方法

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究烏海地區(qū)的春霜凍時(shí)間變化特征，利用氣象站點(diǎn)最低氣溫和最低地溫的逐日觀測資料，采用氣象統(tǒng)計(jì)中的Mann-kendall(以下簡稱M-K)檢驗(yàn)方法研究春霜凍期霜凍日數(shù)和終霜凍日期的時(shí)間變化和周期特征。

利用NCEP再分析資料，對春霜凍期霜凍前一天500 hPa的環(huán)流平均場進(jìn)行分析，得出主要影響春霜凍的環(huán)流特征。分析早晚終霜凍發(fā)生的環(huán)流特征有助于進(jìn)一步加深對終霜凍結(jié)束早晚的認(rèn)識，也有助于對終霜凍的短期氣候預(yù)測；選取終霜凍偏早和偏晚的典型年，分析對比其4月、5月單月的位勢高度平均場與距平、前期1月—3月的位勢高度平均場與距平；為了提高預(yù)測的時(shí)效性，在年度及春季的預(yù)測服務(wù)中能更好地預(yù)測春霜凍結(jié)束的早晚，可分析上一年冬天位勢高度平均場與距平；分析其不同時(shí)期冷空氣位置和強(qiáng)度的分布；得出春霜凍偏早和偏晚年的氣候背景。

4 春霜凍時(shí)間變化特征

4.1 春霜凍次數(shù)變化特征

基于烏海市國家氣象觀測站1963年建站以來至2021年5月份的常規(guī)地面氣象觀測資料，選取4月、5月份地溫≤0 ℃為一次春霜凍，總計(jì)656次。根據(jù)烏海地區(qū)實(shí)際情況，4月10日以后發(fā)生霜凍會(huì)對農(nóng)產(chǎn)業(yè)造成危害，故重點(diǎn)分析4月10日及以后的春霜凍特征。

58 a內(nèi)4月10日之后發(fā)生的霜凍次數(shù)總計(jì)391次(圖1)，平均每年6.7次；春霜凍次數(shù)最多的是2010年16次，次之是1980年14次。春霜凍次數(shù)最少的是1974年1次，次之是1998年、2004年和2019年為2次；1981年—2010年30 a春霜凍次數(shù)氣候值為7次，1991年—2020春霜凍次數(shù)新的氣候值為6.4次，呈減少趨勢。從年代際的變化來看，春霜凍次數(shù)最少的是20世紀(jì)60年代，最多的是80年代，增長顯著?？傮w呈先增后減趨勢，后期有所減少。

從圖1中分析出：1975年之前春霜凍次數(shù)≤平均數(shù)；1975年—1995年>平均數(shù)，1995年—2019年<平均數(shù)；在1975年和1995年存在突變。

圖1 春霜凍次數(shù)變化特征

對春霜凍次數(shù)隨時(shí)間的變化做M-K突變檢驗(yàn)，結(jié)果見圖2。從檢驗(yàn)結(jié)果來看，春霜凍發(fā)生次數(shù)在1975年、1995年存在2次突變，1975年之后春霜凍次數(shù)有所增加，1995年之后表現(xiàn)為顯著減少。突變檢驗(yàn)結(jié)果支持結(jié)論：春霜凍次數(shù)1975年之前≤平均數(shù),1975年—1995年>平均數(shù)，1995年—2019年<平均數(shù)。

圖2 春霜凍次數(shù)M-K突變檢驗(yàn)

4.2 終霜凍日期變化特征

利用1963年—2021年終霜凍數(shù)據(jù)，分析烏海市終霜凍變化特征(圖3)。研究表明,1963年—2021年烏海市平均終霜凍日期5月1日；春霜凍結(jié)束最晚的年份是2018年為5月22日；次之是1979年和2021年為5月16日。終霜凍結(jié)束最早的年份是1964年，為4月6日，其次是2019年和1970年，為4月14日。終霜凍日期總體呈推遲趨勢。

平均終霜凍日期氣候值1981年—2010年30年是4月29日，1991年—2020年氣候值5月1日，氣候值推遲了2天。從年代記變化來看，20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)10年代終霜凍日期最晚，平均終霜凍日期是5月7日；終霜凍日期最早是20世紀(jì)60年代為4月19日，其次是2001年—2010年代，平均終霜凍日期是4月27日。從圖3分析得到1971年之前終霜凍偏早，1971年—1995年偏晚，沒有明顯的周期變化。

圖3 終霜凍日期變化特征

研究終霜凍日最低氣溫發(fā)現(xiàn)：5月的霜凍伴隨寒潮天氣發(fā)生。比如2021年5月14日低溫12.9℃,16日最低溫度2.9 ℃。達(dá)到寒潮預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

分析發(fā)現(xiàn)，在2010年—2020年，終霜凍異常偏晚，有7 a終霜凍都發(fā)生在5月1日之后，這與全球氣候變暖，大范圍地區(qū)終霜凍偏早的結(jié)論背道而馳，說明在全球氣候變暖的大背景下，烏海地區(qū)存在局地小氣候事件。

對春霜凍終霜凍日期進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，結(jié)果見圖4。從檢驗(yàn)結(jié)果來看，終霜凍日期在1969年—1971年存在一次突變，1985年—1990年之間存在顯著性突變，終霜凍日期顯著提前，2000年之后又開始推遲。2015年左右存在突變，顯著性不強(qiáng)，突變周期20 a左右。

圖4 終霜凍日期M-K突變檢驗(yàn)

5 春霜凍期環(huán)流形勢及其氣候背景特征研究

5.1 終霜凍日前1天500 hPa環(huán)流形勢分析

為了更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)春霜凍，需要對造成霜凍的環(huán)流形勢進(jìn)行分析，筆者通過對終霜凍日前一天平均500 hPa環(huán)流形勢進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)造成4月份和5月份的霜凍環(huán)流形勢各有特征且有著明顯的差別，圖5隨機(jī)選取6個(gè)年份進(jìn)行說明。

造成烏海地區(qū)春霜凍前1日的環(huán)流形勢，500 hPa主要有兩類，按照出現(xiàn)的頻次分為貝加爾湖冷槽型和貝加爾湖冷渦型。

其中4月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷槽型：在貝加爾湖以東地區(qū)有一個(gè)東北—西南走向的低槽，烏拉爾山以東、貝加爾湖以西、薩彥嶺以北為發(fā)展強(qiáng)盛、呈東北西南走向的高壓脊。

5月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷渦型：東亞中高緯長波系統(tǒng)為兩槽一脊型，關(guān)鍵區(qū)的東南方向有發(fā)展強(qiáng)盛的冷渦，繼續(xù)向東南方向移動(dòng)發(fā)展。主槽的影響區(qū)呈東北—西南走向。

圖5 4月、5月終霜凍日環(huán)流形勢對比

5.2 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年4月份位勢高度與距平復(fù)合圖對比

終霜凍結(jié)束偏晚年選取1972年、1979年、2018年3年分析；終霜凍結(jié)束偏早年選取1964年、2001年、2019年3年分析。結(jié)果顯示，終霜凍結(jié)束偏早時(shí)4月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示貝加爾湖及以南地區(qū)基本為正距平，我國北方大部為正距平；終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)4月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區(qū)為負(fù)距平，我國北部、東北地區(qū)為負(fù)距平，冷空氣活躍；貝加爾湖以西北部存在小范圍正距平。

圖6 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年4月份位勢高度與距平復(fù)合圖對比

5.3 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年5月份位勢高度與距平復(fù)合圖對比

終霜凍結(jié)束偏早時(shí)5月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區(qū)基本為正距平，我國北部、東北地區(qū)為正距平；終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)5月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區(qū)基本為負(fù)距平，烏海至極地有大范圍負(fù)距平，冷空氣活躍；新疆北部、東北地區(qū)存在小范圍正距平。貝加爾湖以北地區(qū)存在負(fù)距平中心。

5.4 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年初春(2月—3月)位勢高度與距平復(fù)合圖對比

終霜凍結(jié)束偏早時(shí)北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區(qū)存在正距平，位勢高度平均為脊控制；終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖以北地區(qū)存在負(fù)距平中心。貝加爾湖及以北地區(qū)基本為負(fù)距平，烏海至極地有大范圍負(fù)距平，冷空氣活躍；新疆北部、東北地區(qū)存在小范圍正距平。

圖7 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年5月份位勢高度與距平復(fù)合圖對比

圖8 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年初春(2月—3月)位勢高度與距平復(fù)合圖對比

5.5 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年上一年初冬(12月—1月)位勢高度與距平復(fù)合圖對比

終霜凍結(jié)束偏早時(shí)北半球500 hPa距平場合成圖顯示：環(huán)流形勢較為平直，貝加爾湖以北地區(qū)存在正距平，我國大部地區(qū)距平值接近于0或者正距平。

終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)北半球500 hPa距平場合成圖顯示：在貝加爾湖以東地區(qū)有一個(gè)東北—西南走向的低槽，貝加爾湖及其以南地區(qū)均為負(fù)距平。

圖9 終霜凍結(jié)束偏早年和偏晚年上一年初冬(12月—1月)位勢高度與距平復(fù)合圖對比

6 結(jié)果與討論

筆者從春霜凍氣候變化特征入手，分析了終霜凍結(jié)束早晚及其對應(yīng)氣候背景的特征，得出結(jié)論如下：①58 a間春霜凍的次數(shù)總體呈先增后減趨勢。在1975年、1995年存在2次突變，1975年之前春霜凍次數(shù)≤平均數(shù)；1975年—1995年多于平均數(shù)，1995年之后表現(xiàn)為顯著減少，1995年—2019年<平均數(shù)。②終霜凍日期1981年—2010年30 a整編值是4月29日，1991年—2020年30 a整編值是5月1日，氣候值推遲了2天。分析發(fā)現(xiàn),在2010年—2020年，終霜凍異常偏晚，有7 a終霜凍都發(fā)生在5月1日之后，這與全球氣候變暖，大范圍地區(qū)終霜凍偏早的結(jié)論背道而馳，說明在全球氣候變暖的大背景下烏海地區(qū)存在局地小氣候事件。終霜凍日期在1969年—1971年存在一次突變、1985年—1990年之間存在顯著性突變，終霜凍日期顯著提前，2000年之后又開始推遲。③造成烏海地區(qū)春霜凍的環(huán)流形勢，500 hPa主要有兩類，按照出現(xiàn)的頻次分為貝加爾湖冷槽型和貝加爾湖冷渦型。其中4月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷槽型；5月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷渦型。④終霜凍結(jié)束偏早時(shí),4月份北半球500 hPa距平場上貝加爾湖及以南地區(qū)基本為正距平，我國北部方大部為正距平；終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)4月份北半球500 hPa距平場上貝加爾湖及以北地區(qū)為負(fù)距平，我國北部、東北地區(qū)為負(fù)距平，冷空氣活躍。⑤終霜凍結(jié)束偏早時(shí)，5月份北半球500 hPa距平場貝加爾湖及以北地區(qū)基本為正距平，中國北部、東北地區(qū)為正距平，暖空氣活躍。終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)，5月份北半球500 hPa距平場貝加爾湖及以北地區(qū)基本為負(fù)距平，烏海至極地有大范圍負(fù)距平，冷空氣活躍。⑥終霜凍結(jié)束偏早時(shí)，初春北半球500 hPa貝加爾湖及以北地區(qū)存在正距平，位勢高度平均為脊控制；終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)，北半球500 hPa貝加爾湖以北地區(qū)存在負(fù)距平中心。貝加爾湖及以北地區(qū)基本為負(fù)距平，烏海至極地有大范圍負(fù)距平，冷空氣活躍。⑦終霜凍結(jié)束偏早時(shí)，前1年冬季北半球500 hPa環(huán)流形勢較為平直，貝湖以北地區(qū)存在正距平，我國大部地區(qū)距平值接近于0或者正距平。終霜凍結(jié)束偏晚時(shí)，北半球500 hPa在貝加爾湖以東地區(qū)有一個(gè)東北—西南走向的低槽，貝加爾湖及其以南地區(qū)均為負(fù)距平。