馬尚謙，張 勃**，唐 敏，馬 彬，楊 梅，梁晶晶，張佳琦，加力戈

?

1960?2015年淮河流域初終霜日時(shí)空變化分析1

馬尚謙1，張 勃1**，唐 敏1，馬 彬1，楊 梅2，梁晶晶1，張佳琦1，加力戈1

（1. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070；2. 北京師范大學(xué)社會(huì)發(fā)展與公共政策學(xué)院，北京 100000）

基于淮河流域1960?2015年61個(gè)氣象站點(diǎn)地面0cm日最低氣溫資料，采用線性傾向估計(jì)、反距離加權(quán)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)方法，分析近56a淮河流域初霜日、終霜日和無霜期的時(shí)空變化特征及突變年份。結(jié)果顯示：（1）研究期內(nèi)，淮河流域平均初霜日期、終霜日期和無霜期分別以2.15、2.49、4.38d·10a?1的速率呈推遲、提前、延長的趨勢（P＜0.01），其中，在20世紀(jì)90年代的變化最為顯著（P＜0.01），速率分別為16.38、5.34、20.6d·10a?1。（2）平均初霜日期在空間上呈北早、南遲，山區(qū)早、平原遲的分布；86.9%的站點(diǎn)初霜日期呈顯著推遲趨勢（P＜0.05）。終霜日期呈西南早、東北遲，平原早、山區(qū)遲的分布；83.6%的站點(diǎn)通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，以3.44～5.92d·10a?1的速率呈提早趨勢。無霜期隨緯度和海拔升高而縮短；93.4%的站點(diǎn)通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，變化率為3.56～7.59d·10a?1，無霜期整體延長。（3）11月8日線、4月1日線、220d等值線位置較其它各氣候基準(zhǔn)期和各年代分別偏北約1個(gè)和2個(gè)緯距，在32°N和34°N附近的偏北趨勢最為明顯，佐證了該區(qū)初霜日期整體推遲、終霜日期整體提前、無霜期整體延長的趨勢。（4）初霜日期、終霜日期和無霜期分別在2002年、1995年和1998年發(fā)生突變。

淮河流域；初霜日；終霜日；無霜期

霜凍作為一種用溫度來表征的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，歷來是氣象學(xué)科、農(nóng)業(yè)學(xué)科及其它相關(guān)學(xué)科研究的重要課題[1]。霜日以地面最低溫度降到0℃為指標(biāo)，霜日是否導(dǎo)致霜凍害，與作物品種、發(fā)育期等因素有關(guān)。作為衡量溫度變化的重要指標(biāo)，分析初、終霜日期及無霜期的時(shí)空變化趨勢有利于減少極端低溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的危害，也有利于因地制宜地選擇作物品種，及時(shí)調(diào)整種植制度等，目前已有較多研究在初、終霜日出現(xiàn)早晚、無霜期長短等方面取得重要進(jìn)展。

Erlat等[2]以日最低溫度≤0℃為基礎(chǔ)溫度，分析發(fā)現(xiàn)1950?2010年在土耳其大部分地區(qū)霜日均有顯著的減少趨勢。Terando等[3]觀察分析表明，1981?2010年北美中部部分平原區(qū)霜凍日數(shù)表現(xiàn)出增加趨勢，其余地區(qū)則表現(xiàn)為顯著的減少趨勢。寧曉菊等[4]研究發(fā)現(xiàn)，近60a中國初霜日期推遲、終霜日期提前和無霜期延長的區(qū)域占整個(gè)中國的4/5，北方的變化幅度大于南方，東部大于西部，20世紀(jì)90年代無霜期發(fā)生突變。楊曉玲等[5]揭示了近54a河西走廊東部地區(qū)的初霜日顯著推遲，終霜日顯著提前，無霜期顯著延長。張山清等[6]以日最低氣溫≤0℃為霜凍指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn)，近50a新疆地區(qū)初霜日以2.2d·10a?1的速率推遲，終霜日以1.4d·10a?1的速率提前，無霜期以3.59d·10a?1的速率延長。杜軍等[7]證實(shí)，20世紀(jì)90年代之后西藏主要農(nóng)業(yè)區(qū)部分站點(diǎn)初霜日推遲，終霜日提前，無霜期延長，所有站點(diǎn)的霜凍日數(shù)均表現(xiàn)為顯著的減小趨勢。李芬等發(fā)現(xiàn)[8]，山西正常出現(xiàn)初霜凍的概率為62%～82%，平均初霜日發(fā)生明顯突變的年份為1989年。張霞等[9]指出，太原市平均初霜日為10月14日，平均終霜日為4月12日，無霜期為182d，重度終霜日提前趨勢最為明顯。學(xué)者對于異常霜凍日期的研究也較為深入[10]。不同區(qū)域尺度的研究結(jié)果，總體上表現(xiàn)為中國多數(shù)地區(qū)初霜日期推遲、終霜日期提前、無霜期延長。

目前，針對淮河流域的霜凍日研究大多集中在局部地區(qū)，只有部分研究對無霜期突變進(jìn)行了分析，將初、終霜日與無霜期的變化結(jié)合起來分析三者的變化趨勢及突變的研究報(bào)道尚且不多?；春恿饔虻靥幹袊媳睔夂蜻^渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，其特點(diǎn)是冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和旱澇轉(zhuǎn)變急劇，是氣候變化的脆弱區(qū)與敏感區(qū)，是中國冬小麥的主產(chǎn)區(qū)。在目前農(nóng)業(yè)研究中大多以最低氣溫作為農(nóng)作物霜凍指標(biāo)。研究表明，以地面0cm日最低溫度作為基礎(chǔ)溫度得出的初霜日期與實(shí)測數(shù)據(jù)更為接近。本研究以地面0cm日最低溫度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參照《作物霜凍害等級》標(biāo)準(zhǔn)和中國科學(xué)技術(shù)藍(lán)皮書第5號《氣候》[11]，基于不同基準(zhǔn)氣候期和不同年代，探索淮河流域初、終霜日、無霜期的變化規(guī)律，旨在通過系統(tǒng)分析該區(qū)域近56a來的霜日變化特征，為合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源和有效防御霜凍提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域位于111°55'?121°25'E、30°55'?36°36'N，面積2.7×105km2。西起桐柏山、伏牛山，東臨黃海，南以大別山、江淮丘陵、通揚(yáng)運(yùn)河及如泰運(yùn)河南堤與長江分界，北以黃河南堤和泰山為界而與黃河流域毗鄰?；春痈闪靼l(fā)源于桐柏山太白頂北麓，依次流經(jīng)河南省、湖北省、安徽省和江蘇省。年平均氣溫11～16℃，由北向南、由沿海向內(nèi)陸遞增，最高月平均氣溫25℃左右，出現(xiàn)在7月；最低月平均氣溫在0℃，出現(xiàn)在1月。極端最高氣溫達(dá)44.5℃，極端最低氣溫達(dá)?24.1℃。蒸發(fā)量南小北大，年平均水面蒸發(fā)量為900～1500mm，無霜期200～240d。多年平均降水量約920mm，由南向北遞減，山區(qū)多于平原，沿海大于內(nèi)陸。

1.2 霜日指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)韓榮青等[12]的分析，北方地區(qū)初霜日期基本在8月1日后，因此，以8月1日作為統(tǒng)計(jì)起始點(diǎn)，將8月1日定義為1，用日序表示初、終霜日，如1960年9月20日為初霜日期，則該年初霜日就以51計(jì)，依次類推，建立所有站點(diǎn)初、終霜日的數(shù)據(jù)序列。初霜日期為8月1日以后第一次出現(xiàn)地面0cm日最低溫度≤0℃的日期，終霜日期為5月31日之前最后一次出現(xiàn)地面0cm日最低溫度≤0℃的日期，無霜期為一年中終霜日至初霜日之間的日數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

選用1960年1月1日?2015年5月31日淮河流域內(nèi)41個(gè)站點(diǎn)以及周邊20個(gè)站點(diǎn)共61個(gè)站點(diǎn)（安徽15個(gè)、河南15個(gè)、湖北5個(gè)、江蘇18個(gè)、山東8個(gè)）的地面0cm日最低溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自中國國家氣象局氣象信息中心（http://www.nmic.gov.cn/）的“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)V3.0”。數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，主要包括極值控制、缺測站點(diǎn)時(shí)間一致性檢驗(yàn)。通過查閱氣象臺(tái)站簡史，61個(gè)站點(diǎn)位置均無較大變化，7個(gè)缺測站點(diǎn)插補(bǔ)后與相鄰站點(diǎn)數(shù)據(jù)序列間的一致性指標(biāo)（決定系數(shù)R2）介于0.89～0.97（表1），說明插補(bǔ)之后的數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性均較好。

表1 缺測站點(diǎn)與相鄰站點(diǎn)地面0cm日最低溫度數(shù)據(jù)序列的一致性檢驗(yàn)結(jié)果（1960?01?01—2015?05?31）

1.4 突變分析

采用Mann-Kendall突變分析法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法[13]，分析近56a霜期的突變狀況?；瑒?dòng)T檢驗(yàn)是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變。該方法把同一氣候序列中的兩段子序列均值的顯著差異性看作來自兩個(gè)總體均值顯著差異性的問題來檢驗(yàn)。如果兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著水平，可以認(rèn)為均值發(fā)生了突變。對于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，設(shè)置某一時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，連續(xù)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)是從第10年直至倒數(shù)第10年，基準(zhǔn)點(diǎn)前后兩端子序列x1和x2的樣本分別為n1和n2，兩端子序列平均值分別為`x1和`x2，方差分別為s12和s22，則

其中

式中，t為統(tǒng)計(jì)量，s為序列方差。本文滑動(dòng)T檢驗(yàn)選取兩個(gè)子序列長度為n1=n2=10a，顯著性水平α=0.01，按t分布自由度v=n1+n2?2=18，t0.01=±2.23。

1.5 氣候基準(zhǔn)期

20世紀(jì)80年代中后期全球氣候態(tài)的轉(zhuǎn)變影響中歐湖泊水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)[14-15]，導(dǎo)致北半球海面溫度升高[16]，引起大氣溫度整體上升[17]，甚至對地下水也造成了重大影響[18]。因此，在氣候變化研究中，要更加注重對比氣候態(tài)轉(zhuǎn)型前后發(fā)生氣象災(zāi)害事件規(guī)律的不同點(diǎn)。以往研究大多使用多年的氣候平均狀態(tài)，容易忽視氣候轉(zhuǎn)型前后氣候所發(fā)生的變化。澳大利亞氣候監(jiān)測局主任Karl Braganza表示，由于長期氣候變暖趨勢，1961?1990年的氣候正常值對于目前的氣候條件來說不具有代表性。澳大利亞氣象局已經(jīng)在使用1981?2010年新的參考標(biāo)準(zhǔn)值。鑒于此，以30a為一個(gè)時(shí)間段，選取具有代表性的氣候基準(zhǔn)期進(jìn)行研究，分別為1961?1990、1971?2000、1981?2010，90年代之前的年代變化參照1961?1990基準(zhǔn)期，90年代之后參照1981?2000年基準(zhǔn)期。

2 結(jié)果與分析

2.1 淮河流域初霜日的時(shí)空變化特征

2.1.1 年際及年代際變化

由圖1可見，近56a來全區(qū)平均初霜日期發(fā)生在10月22日?11月24日，最早在1981年，最遲在2011年；從各年代平均值來看，20世紀(jì)70年代初霜發(fā)生日最早，在11月4日，21世紀(jì)00年代初霜發(fā)生日最晚，在11月13日。整個(gè)分析期內(nèi)，全區(qū)平均初霜日期以2.15d·10a?1（P＜0.01）的速率呈極顯著推遲趨勢。20世紀(jì)60、70、80、90年代和21世紀(jì)00年代的初霜日平均值分別為11月7、6、8、8和5日。多年平均初霜日期具有明顯的年代際特征，整體以“V”型分布。90年代初霜日期以16.38d·10a?1（P＜0.05）的速率呈較為明顯的推遲趨勢，其它年代均沒有經(jīng)過顯著性檢驗(yàn)，表明淮河流域農(nóng)作物遭受初霜凍危害的可能性將降低[19]。

圖1 淮河流域平均初霜日期的年際及年代際變化

注：r90代表20世紀(jì)90年代。

Note：r90stands for simple correlation coefficient of 1990s.

2.1.2 空間變化

依據(jù)所有站點(diǎn)（61個(gè)）1961?2015年平均初霜日，采用反距離加權(quán)模型進(jìn)行插值，繪制淮河流域初霜日及其線性變化趨勢的空間分布，結(jié)果見圖2。由圖2a可見，整個(gè)區(qū)域內(nèi)各地初霜發(fā)生日期有明顯差異，北部沂源、沂蒙山、西部伏牛山受高海拔影響，初霜發(fā)生最早，為10月23日，淮河流域東北部的莒縣初霜發(fā)生在10月下旬，淮河流域中部初霜發(fā)生在11月上、中旬，而淮河流域南部固始、信陽初霜發(fā)生最晚，在11月24日。最早與最晚之間相差32d。近56a該區(qū)域內(nèi)初霜日期呈“階梯式”分布，北早、南遲，平原遲、山區(qū)早，究其原因主要是受地形、地理位置和冷空氣路徑的影響，淮河流域大部以平原為主，北方冷空氣直驅(qū)南下，北部初霜凍必早于南部。由圖2b可見，近56a淮河流域及其周邊共61個(gè)站點(diǎn)中，86.9%的站點(diǎn)其初霜日期均呈顯著推遲趨勢（P＜0.05），主要分布在34°N帶附近。進(jìn)一步基于不同氣候基準(zhǔn)期、不同年代數(shù)據(jù)，選取與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切的多年平均初霜日（11月8日）分布線進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3。由圖3a可見，以1961?1990年為氣候基準(zhǔn)期計(jì)算的11月8日線與以1971?2000年為氣候基準(zhǔn)期計(jì)算的11月8日線基本一致，均沿33°N緯線，即駐馬店—阜陽—蒙城—蚌埠—盱眙—阜寧分布，而以1981?2010 年為氣候基準(zhǔn)期計(jì)算的11月8日線較前兩個(gè)基準(zhǔn)期均偏北約1個(gè)緯距，到達(dá)34°N 線，即寶豐—西華—睢寧—沭陽—灌云一線。圖3b顯示，20世紀(jì)60、70、80和90年代的11月8日等值線在33°N線附近，即駐馬店—阜陽—蚌埠—盱眙—射陽一線，2000年以后11月8日等值線沿35°N即定陶—郯城—贛榆—日照分布，比20世紀(jì)4個(gè)年代偏北2個(gè)緯距。可見，氣候基準(zhǔn)期不同計(jì)算區(qū)域初霜日期存在明顯區(qū)別，而11月8日等值線隨氣候基準(zhǔn)期和年代的更替逐漸北移說明該區(qū)初霜日期整體有推遲的趨勢。

圖2 淮河流域平均初霜日期（a）及其線性變化趨勢顯著站點(diǎn)（b）的空間分布（1961?2015年）

圖3 基于不同基準(zhǔn)氣候期（a）和不同年代（b）計(jì)算的淮河流域初霜日期為11月8日地帶的位置變化

2.1.3 突變分析

由Mann-Kendall突變分析（圖4a）可知，淮河流域地區(qū)初霜日期UF和UB曲線交于信度線±1.96（α=0.05）之間，交點(diǎn)為2002年。而根據(jù)圖4b可知，該區(qū)初霜日期在自1970年以來，t統(tǒng)計(jì)量有兩處超過信度線±2.23（α=0.01），1996?2005年可能存在突變點(diǎn)的年份為1998年、2002年、2004年。結(jié)合圖4a和圖4b認(rèn)為，淮河流域的初霜日期在2002年發(fā)生突變。

2.2 淮河流域終霜日的時(shí)空變化特征

2.2.1 年際及年代際變化

圖5顯示了淮河流域近56a平均終霜日期的年際及年代際變化，平均終霜日期在3月11日?4月15日，最早發(fā)生在2007年，最遲發(fā)生在1961年，平均終霜日期以2.49d·a?1（P＜0.01）的速率呈極顯著提早趨勢。從年代際上來看，整體上呈“W”型分布。20世紀(jì)60、70、80和90年代終霜日的平均值分別為4月3日、3月31日、3月29日和3月21日。90年代以5.34d·10a?1(P＜0.01)的速率呈極顯著提早趨勢，但21世紀(jì)00年代以11.03d·10?1(P＜0.01)的速率呈極顯著推遲趨勢，其它年代變化趨勢均未通過顯著性檢驗(yàn)。終霜凍日越早，農(nóng)作物遭受終晚霜凍害的可能性越低。

2.2.2 空間變化

圖6為淮河流域平均終霜日期及變化趨勢的空間分布。圖6a顯示，該區(qū)域終霜日期在3月18 日?4月15日，淮河流域西南部終霜凍最早結(jié)束，伏牛山、沂蒙山、沂源以及日照附近最遲結(jié)束。在空間分布上終霜日呈現(xiàn)為自西南向東北逐漸推遲，平原結(jié)束早、山區(qū)結(jié)束遲的規(guī)律。圖6b為終霜日期變化趨勢的空間分布，83.6%的站點(diǎn)通過P＜0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，均以3.44～5.92d.10a?1(P<0.05)的速率呈顯著提早趨勢，且32°N和34°N附近的站點(diǎn)提早趨勢較明顯。

同樣選取不同氣候基準(zhǔn)期和不同年代際的多年平均終霜日4月1日等值線來分析該區(qū)域終霜日期的空間變化。圖7a為不同氣候基準(zhǔn)期下的4月1日等值線變化，由圖可見，1981?2010年4月1日變化線較1971?2000年和1961?1990年均偏北，分別約偏北0.5°和1°，并沿開封—永城—徐州—睢寧—阜寧一線分布。1981?2010年和1961?1990年的4月1日變化線基本沿1971?2000年變化線呈對稱分布，即沿寶豐—西華—蒙城—盱眙一線呈對稱分布。就年代際而言，20世紀(jì)60、70、80年代3個(gè)年代的4月1日線呈波動(dòng)式往東北方向移動(dòng)約1°，并由駐馬店—阜陽—壽縣移動(dòng)至鄭州—亳州—大豐一線，而根據(jù)Reid等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)80年代后期全球出現(xiàn)規(guī)模性的氣候轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致氣候穩(wěn)定性變差，這可能是導(dǎo)致80年代較70年代相對偏西南的原因。而21世紀(jì)00年代較20世紀(jì)4個(gè)年代均偏北，其中較60年代偏北約2°，分布在兗州—邳縣—灌云一線。4月1日的終霜日等值線逐漸向北移動(dòng)，這也佐證了該區(qū)域終霜日期提前的趨勢。

圖4 淮河流域初霜日期的突變分析

圖5 淮河流域平均終霜日期年際及年代際變化

注：r90和r00分別代表20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代。下同。

Note：r90, r00stands for simple correlation coefficient of 1990s and 2000s, respectively. The same as below.

圖6 淮河流域平均終霜日期（a）及其線性變化趨勢顯著站點(diǎn)（b）的空間分布（1961?2015年）

圖7 不同基準(zhǔn)氣候期（a）和不同年代（b）計(jì)算的終霜日期4月1日地帶的位置變化

2.2.3 突變分析

圖8為利用M-K突變檢驗(yàn)以及滑動(dòng)T檢驗(yàn)對終霜日期進(jìn)行的突變分析。由圖8a可知，UF線與UB 線在1995年存在一個(gè)明顯的交點(diǎn)，且通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。圖8b顯示了滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)量的變化情況，圖中有2處超過0.05顯著性水平，即1995、2002年均為突變點(diǎn)。因此，近56a淮河流域終霜日期在1995年發(fā)生突變。

圖8 淮河流域終霜日期的突變分析

2.3 無霜期的變化特征

2.3.1 年際及年代際變化

分析圖9可知，淮河流域近56a年均無霜期在198～247d，平均220d，無霜期最長年份在2008年，最短發(fā)生在1962年。平均無霜期整體呈明顯的延長趨勢，速率達(dá)到4.38d·10a?1（P＜0.01）。年代際上，整體呈現(xiàn)“階梯”上升型分布，各年代平均值分別為218、218、221、222、237d。20世紀(jì)90年代的上升速率達(dá)到最大，為20.6d·10a?1(P＜0.01)，21世紀(jì)00年代以3.69d·10a?1(P＜0.05)的速率呈上升趨勢。

圖9 淮河流域平均無霜期年際及年代際變化

2.3.2 空間變化

圖10a為近55a淮河流域平均無霜期的空間分布，由圖可見，各地平均無霜期在201～258d，最高值出現(xiàn)在淮河流域南部信陽、固始，最低值出現(xiàn)在伏牛山區(qū)和沂蒙山區(qū)以及沂源、莒縣，整體分布上仍然呈現(xiàn)自西南向東北逐漸減少的分布規(guī)律，平原長，山區(qū)短。圖10b給出了61個(gè)站點(diǎn)無霜期變化趨勢分布，由圖可見，該區(qū)域61個(gè)站點(diǎn)中93.4%的站點(diǎn)均通過P<0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，變化率為3.56～7.59d·10a?1，且在32°N和34°N緯度帶無霜期延長趨勢最大。

淮河流域平均無霜期為220d，以其位置的變化來分析近55a來無霜期的不同時(shí)段空間變化狀況。圖11a為不同氣候基準(zhǔn)期下的220d等值線的變化，1961?1990年和1971?2000年的220d等值線基本保持一致，并沿寶豐—阜陽—盱眙一線分布。而1981?2010年的220d等值線南移至33.5°附近，偏南了0.5°，分布在南陽—駐馬店—阜陽—蚌埠—大豐一線。就年代際而言，220d等值線尤以70年代的變化最為明顯。60、80、90年代基本在33°N附近，沿南陽—駐馬店—阜陽—蚌埠—盱眙—射陽一線波動(dòng)式變化；而21世紀(jì)00年代北移至34.5°N帶一線，較前3個(gè)年代北移了近1.5個(gè)緯距，分布在寶豐—蒙城—阜寧一線。無霜期220d等值線空間位置、初霜日期11月8日等值線、終霜日期4月1日等值線均是在氣候突變之后的21世紀(jì)00年代發(fā)生較大變化，無霜期的變化受初霜日和終霜日變化的共同影響[4]。

2.3.3 突變分析

如圖12a所示，淮河流域近56a平均無霜期UF和UB曲線在1998年有明顯交點(diǎn)，并通過α=0.05水平顯著性檢驗(yàn)。圖12b顯示了滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)量的變化，由圖可知，平均無霜期在1994?2005年均存在突變點(diǎn)。結(jié)合兩種方法的結(jié)果，確定淮河流域無霜期在1998年發(fā)生突變。

圖10 淮河流域平均無霜期（a）及其線性變化傾向率（b）的空間分布（1961?2015年）

圖11 基于不同基準(zhǔn)氣候期（a）和不同年代（b）計(jì)算的無霜期220d地帶的位置變化

圖12 淮河流域無霜期的突變分析

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）近56a淮河流域平均初霜日期以2.15d·10a?1（P＜0.01）的速率呈極顯著推遲趨勢，平均終霜日期以2.49d·10a?1（P＜0.01）的速率呈極顯著提前趨勢，平均無霜期以4.38d·10a?1（P＜0.01）的速率呈極顯著延長趨勢。平均初霜日期整體呈“V”型分布，20世紀(jì)90年代初霜日期以16.38d·10a?1（P＜0.01）的速率呈極顯著推遲趨勢；平均終霜日期整體呈“W”型分布，90年代以5.34d·10a?1(P＜0.01)的速率呈極顯著提前趨勢，21世紀(jì)00年代則與之相反，以11.03d·10?1(P＜0.01)的速率呈極顯著推遲趨勢。平均無霜期整體則呈“階梯”上升型分布，20世紀(jì)90年代的上升速率達(dá)到最大，為20.6d·10a?1(P＜0.01)，21世紀(jì)00年代以3.69d·10a?1(P＜0.05)的速率呈顯著上升趨勢。

（2）初霜日期呈“階梯式”分布，北早南遲，山區(qū)早平原遲；86.9%的站點(diǎn)初霜日期呈顯著推遲趨勢（P＜0.05），在34°N 附近提前趨勢最明顯；1981?2010年和21世紀(jì)00年代的11月8日線位置分別較其它各氣候基準(zhǔn)期和各年代偏北約1個(gè)和2個(gè)緯距，表明初霜日期整體呈推遲的趨勢。終霜日期呈西南早、東北遲，平原早，山區(qū)遲的規(guī)律；83.6%的站點(diǎn)通過P＜0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，以3.44～5.92d·10a?1的速率呈提早趨勢，在32°N和34°N附近提前趨勢最為明顯；4 月1 日線在1981?2010年和21世紀(jì)00年代位置最為偏北，較其它時(shí)間段分別偏北約1個(gè)和2個(gè)緯距，表明終霜日期整體有提前趨勢。無霜期從西南至東北逐漸減少，平原長，山區(qū)短；93.4%的站點(diǎn)通過P＜0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，變化率在3.56～7.59d·10a?1，且在32°N和34°N附近延長趨勢最為顯著；1971?2000年和20世紀(jì)70年代的220d等值線位置最為偏北，較其它時(shí)間段分別偏北約0.5個(gè)和2個(gè)緯距，表明無霜期整體延長。

（3）淮河流域初霜日期在2002年發(fā)生突變，終霜日期在1995年、無霜期在1998年發(fā)生突變。

3.2 討論

根據(jù)IPCC第五次評估報(bào)告[20]，北半球過去30a（1983?2012年）可能是過去1400a以來最熱的30a。初霜日期的推遲、終霜期的提前和無霜期的延長均在氣候突變發(fā)生之后表現(xiàn)最為明顯（1981?2010年和21世紀(jì)00年代），這與高超等研究的結(jié)果保持一致。高超等[21]認(rèn)為，1958?2007年淮河流域年平均氣溫在1990年以前以降溫為主，1990年以后增溫顯著，可見，11月8日等值線位置北移主要是該區(qū)域氣溫增加所致。氣候基準(zhǔn)期不同，計(jì)算的區(qū)域初霜日期有明顯區(qū)別，而11月8日等值線隨氣候基準(zhǔn)期和年代的更替逐漸北移說明該區(qū)初霜日期整體有推遲的趨勢，對該區(qū)冬小麥的生長和成熟產(chǎn)生一定的影響。首先，冬小麥的“條鏈病”發(fā)生率將會(huì)增加；其次，整地播種的進(jìn)度會(huì)明顯加快；最后，作物霜凍害是以植株受到傷害為標(biāo)準(zhǔn)的，初霜日推遲導(dǎo)致冬小麥的生長季延長，造成冬小麥生長加速，在抽穗期容易發(fā)生霜凍[22]。最新研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖總體上減少了每年的霜凍天數(shù)，20世紀(jì)80?90年代霜凍增加最多，90年代?21世紀(jì)00年代增加減緩。而霜凍天數(shù)增加明顯的區(qū)域其生長季延長也更明顯，無霜期的延長可以使復(fù)種指數(shù)上升，生長季延長增加了植物對霜凍的暴露，但植物生長對霜凍的敏感性因物種、生長條件、生長階段而異[23]，霜凍天數(shù)增加不一定會(huì)對植物帶來損害[24]。春秋季節(jié)植物物候?qū)W的基本機(jī)制仍有很大一部分未知，因此，在無霜期延長[25-26]，異常霜凍發(fā)生頻率下降[27]的氣候背景下，迫切需要進(jìn)行實(shí)地觀測和野外實(shí)驗(yàn)，以提高對植物物候與霜凍損害二者關(guān)系的理解。

[1]李芬,于文金,張建新,等.山西近50a初霜凍的氣候變化特征及其周期分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2012,35(6):754-761.

Li F,Yu W J,Zhang J X,et al.Characteristics and period analysis of the climatic changes of first frost in the past 50 years in Shanxi Province[J].Transactions of Atmospheric Sciences,2012,35(6):754-761.(in Chinese)

[2]Erlat E,Turkes M.Analysis of observed variability and trends in numbers of frost days in Turkey for the period 1950-2010[J].International Journal of Climatology,2012,32(12): 1889-1898.

[3]Terando A,Easterling W E,Keller K,et al.Observed and modeled twentieth-century spatial and temporal patterns of selected agro-climate indices in North America[J].Journal of Climate,2012,25(2):473-490.

[4]寧曉菊,張麗君,楊群濤,等.1951年以來中國無霜期的變化趨勢[J].地理學(xué)報(bào),2015,70(11):1811-1822.

Ning X J,Zhang L J,Yang Q T,et al.Trends of frost-free period in China since 1951[J].Acta Geographica Sinica,2015,70(11): 1811-1822.(in Chinese)

[5]楊曉玲,胡津革,張宇林.河西走廊東部初、終霜凍日和無霜期變化特征分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2016,32(11):149-155.

Yang X L,Hu J G,Zhang Y L.The analysis of first and last frost date and frost free period variation in the east of Hexi Corridor[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2016, 32(11):149-155.(in Chinese)

[6]張山清,普宗朝,李景林,等.氣候變暖背景下新疆無霜凍期時(shí)空變化分析[J].資源科學(xué),2013,35(9):1908-1916.

Zhang S Q,Pu Z C,Li J L,et al.Analysis of spatio-temporal variation of frost free period in Xinjiang under the background of climate warming[J].Resources Science,2013, 35(9):1908-1916.(in Chinese)

[7]杜軍,石磊,袁雷.近50年西藏主要農(nóng)區(qū)霜凍指標(biāo)的變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2013,34(3):264-271.

Du J,Shi L,Yuan L.Variation characteristics of frost index in major agricultural areas of Tibet in recent 50 years[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013,34(3):264-271.(in Chinese)

[8]李芬,張建新,閆永剛,等.山西近50年初霜凍的時(shí)空分布及其突變特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2012,33(3):448-456.

Li F,Zhang J X,Yan Y G,et al.Spatial and temporal distribution and mutation characteristics of frost in Shanxi Province in the past 50 years[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2012, 33(3):448-456.(in Chinese)

[9]張霞,錢錦霞.氣候變暖背景下太原市霜凍發(fā)生特征及其對農(nóng)業(yè)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(1):111-114.

Zhang X,Qian J X.Occurrence of frost in Taiyuan under climate warming and its impact on agriculture[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2010,31(1):111-114.(in Chinese)

[10]梁進(jìn)秋,賈利芳,何正梅,等.大同市近50年霜凍及其異常事件變化特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(S1):124-128.

Liang J Q,Jia L F,He Z M,et al.Analysis of the variation of frost and its anomalous events in Datong in recent 50 years[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2010,31(Suppl1): 124-128.(in Chinese)

[11]國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì).中國科學(xué)技術(shù)藍(lán)皮書第5號《氣候》[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1990,25-26.

National Science and Technology Commission.China science and technology blue book No.5《Climate》[M].Beijing:Science and Technology Literature Publishing House,1990,25-26.(in Chinese)

[12]韓榮青,李維京,艾婉秀,等.中國北方初霜凍日期變化及其對農(nóng)業(yè)的影響[J].地理學(xué)報(bào),2010,65(5):525-532.

Han R Q,Li W J,Ai W X,et al.Changes in the date of first frost in the north of China and its influence on agriculture[J].Acta Geographica Sinica,2010,65(5):525-532. (in Chinese)

[13]符淙斌,王強(qiáng).氣候突變的定義和檢測方法[J].大氣科學(xué),1992,16(4):482-493.

Fu Z B,Wang Q.The definition of climate change and detection methods[J].Atmospheric Science,1992,16(4):482-493.(in Chinese)

[14]Reid P C,Hari R E,Beaugrand G,et al.Global impacts of the 1980s regime shift[J].Global Change Biology,2016,22(2):682.

[15]Woolway R I,Dokulil M T,Marszelewski W,et al.Warming of central European lakes and their response to the 1980s climate regime shift[J].Climatic Change,2017,142(3-4):505-520.

[16]Yasunaka S,Hanawa K.Regime shifts in the Northern Hemisphere SST Field:revisited in relation to tropical variations[J].Journal of the Meteorological Society of Japan,2003,81(2):415-424.

[17]Xiao D,Li J P,Zhao P.Four-dimensional structures and physical process of the decadal abrupt changes of the northern extratropical ocean–atmosphere system in 1980s[J]. International Journal of Climatology,2012,32(7):983-994.

[18]Figura S,Livingstone D M,Hoehn E,et al.Regime shift in groundwater temperature triggered by the Arctic Oscillation[J]. Geophysical Research Letters,2011,38(23):23401.

[19]李芬.山西霜凍發(fā)生規(guī)律及其區(qū)域特征研究[D].南京:南京信息工程大學(xué),2012.

Li F.Study on the regularity and regional characteristics of frost in Shanxi[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,2012.(in Chinese)

[20]IPCC.Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report(AR5).Climate change 2013:the physical science basis. Final Draft Underlying Scientific-Technical Assessment[R/OL].IPCC,2013-10-30.

[21]高超,姜彤,翟建青.過去(1958-2007)和未來(2011-2060)50年淮河流域氣候變化趨勢分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2012,33 (1):8-17.

Gao C,Jiang T,Zhai J Q.Analysis and prediction of climate change in the Huaihe River Basin[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2012, 33(1):8-17. (in Chinese)

[22]Zheng B,Chapman S C,Christopher J T,et al.Frost trends and their estimated impact on yield in the Australian wheat belt[J].Journal of Experimental Botany,2015,66(12):3611.

[23]Augspurger C K.Reconstructing patterns of temperature, phenology,and frost damage over 124 years:spring damage risk is increasing[J].Ecology,2013,94(1):41-50.

[24]Liu Q,Piao S,Janssens I A,et al.Extension of the growing season increases vegetation exposure to frost[J].Nature Communication,2018.doi:10.1038/s41467-017-02690-y.

[25]王媛媛, 張勃. 1971年至2010年隴東地區(qū)霜凍與積溫變化特征[J].資源科學(xué),2012,34(11):2181-2188.

Wang Y Y,Zhang B.Characteristics of frost days and accumulated temperature in eastern Gansu over the last 40 years[J]. Resources Science, 2012, 34(11):2181-2188. (in Chinese)

[26]馬瓊. 1980-2014年黃土高原霜凍時(shí)空變化及冬小麥晚霜凍危險(xiǎn)性研究[D]. 蘭州：西北師范大學(xué),2016.

Ma Q.Spatio-temporal change of frost and loess risk of winter wheat from 1980 to 2014[D].Lanzhou: Northwest Normal University, 2016.(in Chinese)

[27]馬彬,張勃,賈艷青,等.1961-2014年中國內(nèi)陸農(nóng)業(yè)區(qū)異常初、終霜日時(shí)空變化及其與環(huán)流因子的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào),2017, 75(4):661-671.

Ma B,Zhang B,Jia Y Q,et al.Temporal and spatial variations of the first and last frost dates in China’s inland agricultural region from 1961 to 2014 and their relationships with circulation factors[J]. Acta Meteorologica Sinica,2017,75(4): 661-671.(in Chinese)

Analysis on the Temporal and Spatial Changes of Frost Date in the Huaihe River Basin from 1960 to 2015

MA Shang-qian1, ZHANG Bo1, TANG Min1, MA Bin1, YANG Mei2, LIANG Jing-jing1, ZHANG Jia-qi1, JIA Li-ge1

(1. College of Geography and Environment Science of Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China; 2. The School of Social Development and Public Policy, Beijing Normal University, Beijing 100000)

Ground 0cm daily minimum temperature collected at 61 meteorological stations were used to identify the first and last frost dates. Linear trend estimation was used to describe the trends in the first frost date, last frost date and the length of the frost-free period. The Mann-Kendall mutation test, the sliding T-test and the IDW method were used to analyze the mutation year and spatial variations of the first frost date, last frost date and the frost-free period in the Huaihe River Basin. The results showed that: (1) with the speed of 2.15, 2.49, 4.38d·10y?1(P＜0.01)of the first frost date, the last frost date and the frost-free period, respectively, showing the trends in delaying, advance and extension. The rates of change in the three groups were the most significant in the 1990s, at 16.38, 5.34 and 20.6d·10y?1(P＜0.01), respectively. (2) The first frost date was spatially late in the south, early in the north, early in the mountain and late in the plain. There were 86.9% of the stations postponing significantly (P＜0.05). The last frost date was early in the southwest, late in northeast, early in the plain and late in the mountain, 83.6% stations showed an early trend with the rate of 3.44?5.92d·10y?1(P＜0.05). The frost-free period decreased with the increase of latitude and altitude. 93.4% stations passed the 0.05 significant level test, and the extension rate of change was 3.56?7.59d·10y?1(P＜0.05). (3) The locations of the contour lines of 8 November, 1 April and 220 days were slightly northerly about 1° and 2° than the other climate reference periods and the decadal, with the most obvious trend being around 32°N and 34°N, which corroborated the 2ndconclusion. (4) Mutations of first frost date, last frost date and the frost-free period occurred in 2002, 1995 and 1998, respectively.

Huaihe River Basin; First frost date; Last frost date; Frost-free period

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.07.005

馬尚謙,張勃,唐敏,等.1960?2015年淮河流域初終霜日時(shí)空變化分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(7):468-478

2017?12?16

。E-mail：zhangbo@nwnu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41561024）；高校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20136203110002）

馬尚謙（1991?），碩士生，主要從事氣候變化與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail: msqnwnuedu@163.com