樓俊偉，張 鑫，王可欣，王智楷，徐 佳

（1.武義縣氣象局，浙江 武義321200；2.莫索灣氣象站，新疆 石河子832000；3.椒江區(qū)氣象局，浙江 臺州318000；4.中江縣氣象局，四川 中江618100；5.民航溫州空管站，浙江 溫州325000）

隨著農業(yè)生產布局規(guī)模逐漸擴大， 霜期農業(yè)災害造成的損失日益加重， 這引起了一些學者以及氣象部門的關注[1-7]。 目前國內很多學者采用日最低氣溫或者地面0 cm 日最低溫度來分析全國以及其他區(qū)域初霜日、終霜日和霜期變化的時空特征[8-14]。 任妍[15]等研究指出近43 a 新疆終霜日提前比初霜日推遲更明顯，無霜期延長比霜期縮短更明顯，且北疆均比南疆地區(qū)更顯著。 鄭玉萍[16]等對烏魯木齊3 個農區(qū)霜凍變化進行研究，指出1961—2013 年終霜日提前了0.6~2.2 d/10 a，初霜日推遲了1.7~3.7 d/10 a，無霜期延長了2.4~5.1 d/10 a。 馬尚謙[17]等研究發(fā)現(xiàn)淮河流域氣候態(tài)的轉型促進了初霜日的推遲和終霜日的提前， 氣候態(tài)的轉變導致初、 終霜日的穩(wěn)定性降低，初、終霜日的穩(wěn)定性隨經、緯度的增加而變好，初霜日穩(wěn)定性隨海拔升高而變好， 終霜日穩(wěn)定性隨海拔升高而變化不顯著， 終霜日穩(wěn)定性好于初霜日穩(wěn)定性。馬彬[18]等研究指出青藏高原地區(qū)在20 世紀90 年代之后初霜日明顯推后、 終霜日明顯提前，無霜期明顯延長；四川盆地東部、華南地區(qū)南部部分站點在20 世紀90 年代之后霜期縮短明顯， 出現(xiàn)低頻率無霜年份，無霜日站點相對有所增多，出現(xiàn)向北擴展趨勢，20 世紀90 年代之后擴展趨勢明顯。學者探討了初、 終霜日以及霜期的變化對農業(yè)生產造成的影響， 指出選擇合適的作物類型并調整種植制度可以減少極端低溫事件對農業(yè)生產的危害， 從而增強農業(yè)對氣候變化的適應性[19-20]。朱虹暉[21]等探究了河南省冬小麥實際晚霜凍害發(fā)生的氣象條件， 結果說明實際凍害與氣象凍害存在明顯差異， 氣象因子間相互關聯(lián)共同影響凍害發(fā)生， 實際凍害形成與前期水分條件不足有關，輕度實際凍害多為輻射型凍害，而重度實際凍害多為混合型凍害。 李時睿[22]等開展了浙江省松陽縣茶葉霜凍害精細化預警研究， 結果表明茶葉霜凍害精細化預警時效8 d， 空間分辨率30 m×30 m，2017 年3 月15 日的茶樹霜凍害預警效果良好，實地調查結果與預估結果基本一致。

秦巴山區(qū)是由秦嶺、 大巴山及其連片地區(qū)構成的。 而作為氣候過渡區(qū)的秦巴山區(qū)，關于初、終霜日和霜期變化的研究較少，劉靜[23]等根據(jù)自然環(huán)境差異將秦嶺南北47 個氣象站點分為4 個子區(qū)域，并通過這些站點1960—2014 年的氣象數(shù)據(jù)對比研究初、終霜日的時空變化特征。秦巴山區(qū)地形復雜，范圍較廣， 因此有必要用盡可能多的站點全面分析整個秦巴山區(qū)霜期變化特征，同時結合地形數(shù)據(jù)，探討初、終霜日和霜期的變化趨勢與海拔高度的關系。為此，本文利用秦巴山區(qū)氣象站點（96 個）、資料對初、終霜日和霜期的時空變化特征進行分析， 并且討論三者的變化趨勢及其與海拔高度的關系。

1 資料與方法

1.1 資料

站點資料來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網， 根據(jù)數(shù)據(jù)連續(xù)性、 統(tǒng)一性和時間一致性等原則進行數(shù)據(jù)質量控制后， 選取其中秦巴山區(qū)的96 個氣象站點（圖1），時間范圍為1951 年1 月1 日—2016 年12 月31日。 在分析初、終霜日和霜期的時間變化特征時，由于1952 年數(shù)據(jù)為極端值且與其他年份差異大，特從1953 年數(shù)據(jù)開始分析。 另外為了便于分析初、終霜日的時空分布特征，本文歷法采用Julian 歷[24-26]。

圖1 研究區(qū)及氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 一元線性回歸

一般來說，對于容量為n 的一組樣本，預報量記為y，預報因子記為x，斜率設為k，截距設為b，則該一元線性回歸方程可以寫成：y=kx+b。本文將年份設為預報因子x，初、終霜日和霜期分別設為預報量y，從而分別分析初、 終霜日和霜期與年份存在的線性關系。在分析初、終霜日和霜期線性趨勢與海拔分布關系中，將海拔高度記為預報因子x，初、終霜日和霜期線性趨勢分別記為y。

1.2.2 M-K 突變檢驗法

M-K（Mann-Kendall 的縮寫）突變檢驗法常用于檢測氣候突變，檢測的氣候序列要以平穩(wěn)為前提，且該序列是隨機獨立的，其概率分布等同。通過定義UF、UB 2 個統(tǒng)計量并進行序列分析，得到原氣候樣本序列的變化趨勢，UF＞0（＜0）序列表現(xiàn)為增長（減?。?趨勢， 當曲線UF 超過信度線（信度線一般取1.96，即95%的置信水平），即表示存在顯著的變化趨勢， 如果曲線UF 和UB 的交叉點位于信度線之間，這點便是突變點的開始[27-29]。 本文利用該方法分析秦巴山區(qū)初、終霜日和霜期的時間變化特征。

1.2.3 Cressman 插值法

Cressman 插值能實現(xiàn)不規(guī)則格點（站點）數(shù)據(jù)轉換為網格數(shù)據(jù)，常用于氣象數(shù)據(jù)的擬合內插。它是通過逐步訂正方法來實現(xiàn)最優(yōu)化插值， 用實況資料與初始場之差去改變和訂正初始場，得到一個新場，再求出新場與實際值之差，來訂正上一次的場，直至訂正場逼近實況資料為止[30]。 利用Cressman 插值法將秦巴山區(qū)96 個站點的平均初、終霜日和霜期變化趨勢數(shù)據(jù)分別插值成空間分辨率為0.05°×0.05°的網格數(shù)據(jù)， 從而在空間分布圖上分析出秦巴山區(qū)平均初、終霜日和霜期變化趨勢的空間分布特征。

2 初、終霜日和霜期的時間變化特征

2.1 初霜日的時間變化特征

2.1.1 初霜日的時間序列變化

圖2 秦巴山區(qū)平均初霜日的時間變化

為了分析秦巴山區(qū)平均初霜日的時間變化特征，本文將各個站點初霜日數(shù)據(jù)進行區(qū)域平均，從而得出圖2。 秦巴山區(qū)的平均初霜日隨著年份的增加（減少）而推遲（提前），推遲速率達到0.4 d/10 a（未通過0.05 顯著性水平檢驗），這與劉靜[23]等人對秦嶺南北初霜日變化趨勢研究的結論一致。 其中平均初霜日最大值是321 日， 分別出現(xiàn)在1975、2013 年的11 月17 日以及2016 年的11 月16 日， 說明這3 a 較其他年份初霜日出現(xiàn)的時間最晚。 平均初霜日的最小值是第297 日，即10 月24 日，發(fā)生的年份是1994 年，說明當年較其他年份初霜日出現(xiàn)時間最早，最晚和最早的年份平均初霜日相差24 d。

2.1.2 初霜日的M-K 突變檢驗

由秦巴山區(qū)初霜日的M-K 突變檢驗（圖3）可知，秦巴山區(qū)初霜日在1953—1960 年主要呈減少趨勢，1961—2016 年呈顯著的增加趨勢， 說明1953—1960 年的初霜日是在提前的，1961—2016 年的初霜日是在顯著推遲的。同時可以看出1960—1961 年發(fā)生了一次突變，且該突變現(xiàn)象顯著，這與焉耆盆地等區(qū)域尺度的初霜日的突變情況較一致[4]。

圖3 秦巴山區(qū)平均初霜日的M-K 突變檢驗

2.2 終霜日的時間變化特征

2.2.1 終霜日的時間序列變化

由圖4 可知， 秦巴山區(qū)平均終霜日的最大值出現(xiàn)在1978 年和2006 年，達到了94 d，即出現(xiàn)在當年的4 月4 日， 說明當年平均終霜日出現(xiàn)的時間是近64 a 中最晚的。 而平均終霜日的最小值出現(xiàn)在1992 年，達到了78 天，即出現(xiàn)在1992 年的3 月18日， 說明1992 年平均終霜日出現(xiàn)時間是近64 a 中最早的， 平均終霜日出現(xiàn)的最晚時間和最早時間相差16 d。 此外平均終霜日的整體變化趨勢是隨著年份的增加（減少）而提前（推遲），且每10 a 提前0.2 d（未通過0.05 顯著性水平檢驗）。

2.2.2 終霜日的M-K 突變檢驗

圖5 為秦巴山區(qū)平均終霜日的M-K 突變檢驗圖， 由于圖5 中的UF 以及UB 曲線均未超過0.05置信水平， 因此秦巴山區(qū)終霜日的時間序列不存在突變現(xiàn)象。

圖4 秦巴山區(qū)平均終霜日的時間變化

圖5 秦巴山區(qū)平均終霜日的M-K 突變檢驗

2.3 霜期的時間變化特征

2.3.1 霜期的時間序列變化

由圖6 可以看出， 平均霜期天數(shù)最大值出現(xiàn)在1957 年，為179 d，說明該年的平均霜期天數(shù)與其他年份相比是最長的。 最小值發(fā)生在2016 年， 僅有120 d，說明當年的平均霜期天數(shù)與其他年份相比是最短的， 最長的和最短的平均霜期天數(shù)相差59 d。平均霜期天數(shù)的總體趨勢是在波動中減少， 說明近64 a 來秦巴山區(qū)平均霜期的整體變化趨勢是隨著年份的增加（減少）而縮短（延長），且平均每10 a 縮短1.8 d（通過0.01 顯著性水平檢驗）。

圖6 秦巴山區(qū)平均霜期的時間變化

2.3.2 霜期的M-K 突變檢驗

秦巴山區(qū)霜期分別在1961—1962 年和1980—1981 年發(fā)生了一次突變（圖7），在1953—2016 年主要呈減少趨勢， 從20 世紀60 年代初以后霜期出現(xiàn)明顯的減少趨勢， 并在1965—1980 年超過0.05 顯著性水平，說明霜期在1953—2016 年期間主要是縮短的， 且從20 世紀60 年代初以后霜期出現(xiàn)明顯的縮短趨勢，同時1965—1980 年霜期縮短趨勢是十分明顯的。

圖7 秦巴山區(qū)霜期的M-K 突變檢驗

3 初、終霜日和霜期的空間變化特征

3.1 初霜日的空間變化

秦巴山區(qū)初霜日整體的變化趨勢介于0.02~0.3，說明1951—2016 年以來，秦巴山區(qū)初霜日整體是在推遲的。其中秦巴山區(qū)中西部、東部等大部分地區(qū)的初霜日變化趨勢集中在0.02~0.1， 說明這些地方初霜日推遲速度最快的每10 a 推遲1 d。 西北和西南一部分地區(qū)的初霜日變化趨勢介于0.1~0.16，說明以上地區(qū)初霜日的推遲速度每10 a 推遲1~1.6 d。西北地區(qū)3 個站點以及中南部3 個站點初霜日的變化趨勢分別為0.16~0.18、0.16~0.28， 表明初霜日的推遲速度在這6 個站附近的地區(qū)很快。 另外秦巴山區(qū)的96 個站點中有19 個站點的變化趨勢是通過了0.05 的顯著性水平檢驗（圖5 中紅色圓點標注著初霜日線性趨勢通過0.05 顯著性水平檢驗的站點），其中的大部分站點集中在秦巴山區(qū)的北方， 而南方的大部分站點未通過顯著性檢驗（黃色的圓點標注著初霜日線性趨勢未通過0.05 顯著性水平檢驗的站點）。 結合圖1 可得，秦巴山區(qū)高海拔地區(qū)主要集中在西部和北方，海拔高度高，氣溫相對較低，加之北方地區(qū)緯度較高，接收到的太陽輻射較少，使得北方入秋后日最低氣溫較容易低于0 ℃， 因此通過顯著性檢驗站點主要集中在北方。反之，南方海拔較低（除西南方3 個站點海拔較高外），氣溫較高，加之全球氣候變化的影響， 使得每年初霜日出現(xiàn)時間不固定，甚至有些年份秋季沒有初霜日（日最低氣溫均不小于0 ℃），使得南方大部分站點初霜日的變化趨勢通不過顯著性檢驗。 因此秦巴山區(qū)初霜日的線性變化趨勢在南北方差異最大，達到了0.28。

3.2 終霜日的空間變化

秦巴山區(qū)大部分地區(qū)終霜日的線性變化趨勢＜0， 說明近66 a 來秦巴山區(qū)的終霜日是在提前的。 其中西部地區(qū)終霜日的線性變化趨勢最明顯，都＜-0.08， 且最西北的5 個站點附近地區(qū)終霜日的線性趨勢＜-0.14，說明西部地區(qū)終霜日每10 a 至少提前0.8 d。中西部和東南地區(qū)終霜日的線性趨勢介于-0.08~-0.04，表明這部分地區(qū)終霜日提前速度為每10 a 提前0.4~0.8 d。東北地區(qū)終霜日的線性趨勢為-0.04～0.02，其中東北大部分地區(qū)的線性趨勢為-0.04～0，這些地區(qū)的終霜日還是在提前的，但是有3 個站點（57078、57080 和57084）趨勢變化＜0，說明以上地區(qū)的終霜日是推遲的。結合高程圖可知，這3個站點海拔高度明顯高于其他地區(qū)，而海拔高度高，氣溫偏低，故易造成終霜日推遲。因此秦巴山區(qū)終霜日的變化趨勢在東西方差異很大，達到了0.2。 另外在秦巴山區(qū)的96 個站點中有13 個站點終霜日的變化趨勢是通過了0.05 的顯著性檢驗（在圖6 中用紅色的圓點表示通過95%署信水平的站點，用黃色的圓點表示未通過0.05 顯著性水平的站點）， 且有6個站點分布在西部地區(qū)，6 個站點分布在中東部地區(qū)，1 個站點分布在東北地區(qū)，這些站點海拔高度都明顯高于附近其他地區(qū)。

3.3 霜期的空間變化

秦巴山區(qū)霜期整體的線性變化趨勢都＜0，且最小趨勢達到了-0.8， 說明秦巴山區(qū)霜期整體都是在縮短的。 其中西北一小部分地區(qū)霜期變化趨勢介于-0.5～-0.45， 這表示該地區(qū)霜期的縮短速度較研究區(qū)大部分地區(qū)都要快，且每10 a 縮短4.5~5 d。 中西部、 東部大部分地區(qū)霜期的線性趨勢主要集中在-0.45～-0.2， 表明這些地方霜期的縮短趨勢較明顯，每10 a 霜期將減少2~4.5 d。 中東部偏南的一塊地區(qū)霜期的線性趨勢介于-0.8～-0.45， 尤其是最南邊的一個站點附近地區(qū)霜期變化趨勢更是介于-0.8～-0.6，霜期的減少速度是最快的，每10 a 霜期將縮短6~8 d。 因此秦巴山區(qū)霜期的變化趨勢南北方差異最大，達到了0.6，且隨著緯度升高，霜期縮短速率在減慢。 另外在研究區(qū)域的96 個氣象站點中，有44 個站點的未通過0.05 顯著性檢驗（通過α=0.05 顯著性檢驗的站點用紅色的圓點標注， 未通過的站點用黃色圓點標注），其中大部分站點都分布在北方，僅有3 個站點分布在南方?？紤]到一部分站點尤其是偏南方或者海拔較低的站點， 某些年份的秋季或者來年的春季日最低氣溫一般不小于0 ℃，從而導致這些站點對應年份沒有初霜日或者終霜日，而霜期是由初霜日和終霜日確定的， 因此使得這些站點霜期的變化趨勢的可信度受到影響。

4 終霜日和霜期的變化趨勢與海拔高度的關系

為了研究初、 終霜日和霜期變化趨勢與海拔高度的具體關系，且保證結論的準確性，將初、終霜日和霜期的空間變化圖中通過顯著性檢驗的站點挑出來分別討論其海拔依賴性。 但由于秦巴山區(qū)初霜日的變化趨勢通過顯著性檢驗的站點與海拔高度的線性趨勢置信水平不高， 故不在此討論其海拔依賴性問題。

4.1 終霜日的變化趨勢與海拔高度的關系

由圖8 可知，秦巴山區(qū)西部及中東部地區(qū)（終霜日的變化趨勢通過顯著性檢驗的站點主要集中在這2 個區(qū)域）終霜日的變化趨勢隨海拔高度的增加（減?。┒鴾p小（增加），即終霜日的提前速度隨海拔高度的增加（減?。┒黾樱p小），垂直遞減率為-0.073/km，通過了90%的置信水平檢驗，具有明顯的海拔依賴性。這與寧曉菊[31]等對中國黃土高原區(qū)、西南區(qū)終霜日隨海拔高度變化的研究結論較一致。

圖8 秦巴山區(qū)終霜日的線性變化趨勢與海拔高度的擬合

4.2 霜期的變化趨勢與海拔高度的關系

由圖9 可以明顯看出，研究區(qū)北方地區(qū)（霜期的變化趨勢通過顯著性檢驗的站點主要集中在這個區(qū)域）霜期的變化趨勢在海拔分布上都較為集中，除了1 個站點偏離較遠之外， 其他站點都分布在線性擬合線的周圍。 另外霜期的線性變化趨勢隨海拔高度增加（減?。┒鴾p?。ㄔ黾樱?，即研究區(qū)域的霜期縮短速度隨著海拔的增加（減小）變得越來越快（慢），垂直縮短率達-0.101/km， 通過了99.75%的置信水平檢驗，海拔依賴性明顯。

圖9 秦巴山區(qū)霜期的線性變化趨勢與海拔高度的擬合

5 結論與討論

本文利用1951—2016 年的逐日最低氣溫資料分析了秦巴山區(qū)初、終霜日和霜期的時空變化特征，終霜日和霜期的變化趨勢與海拔高度的關系， 得出如下結論：

（1）在時間變化上，秦巴山區(qū)平均初霜日逐年推遲，推遲速度達到了0.4 d/10 a（未通過95%置信水平檢驗）， 并在1960—1961 年發(fā)生了一次顯著突變現(xiàn)象， 即初霜日在20 世紀60 年代初開始呈現(xiàn)明顯的推遲趨勢；平均終霜日逐年提前，提前速度達到了0.2 d/10 a（未通過95%置信水平檢驗）， 無突變現(xiàn)象；平均霜期天數(shù)逐年減少，減少速度達到了1.8 d/10 a（通過99%置信水平檢驗）， 且分別在1961—1962 年和1980—1981 年發(fā)生了一次突變，從20 世紀60 年代初以后霜期出現(xiàn)明顯的減小趨勢， 并在1965—1980 年呈現(xiàn)十分顯著的縮短趨勢。

（2）在空間變化上，秦巴山區(qū)初霜日的線性變化趨勢在南北方差異最大，達到了0.28，研究區(qū)的96個站點中有19 個站點的變化趨勢是通過了95%的置信水平檢驗； 終霜日的變化趨勢在東西方差異很大，達到了0.2，同時有13 個站點終霜日的變化趨勢是通過了0.05 的顯著性水平檢驗；霜期的變化趨勢在南北方差異最大，達到了0.6，且隨著緯度升高，霜期縮短速率在減慢，研究區(qū)域的96 個氣象站點中，有43 個站點的無偏估計t 檢驗的雙尾概率α≤0.05。

（3）在海拔分布上，秦巴山區(qū)部分地區(qū)終霜日和霜期的變化趨勢具有明顯的海拔依賴性， 表現(xiàn)為西部及中東部地區(qū)終霜日的變化趨勢隨海拔高度的增加而減小，垂直遞減率為-0.073/km（通過了90%的置信水平檢驗），北部地區(qū)霜期的變化趨勢隨海拔高度的增加而減小，垂直縮短率達-0.101/km，（通過了99.75%的置信水平檢驗）。

秦巴山區(qū)地形條件復雜[32]，不同的地形地勢、氣候環(huán)境等情況會造成各個區(qū)域初、 終霜日和霜期變化的差異性較大。在已有的研究中，劉靜[23]等人指出秦嶺南北初終霜日和無霜期的變化具有區(qū)域差異性。造成區(qū)域差異性的因素有很多，通過分析不同海拔高度下各站點初、 終霜日和霜期的變化趨勢，從初、終霜日和霜期變化趨勢的海拔依賴性入手，進一步分析秦巴山區(qū)初、 終霜日和霜期變化的區(qū)域差異性。秦巴山區(qū)初、終霜日和霜期變化受復雜地形的影響，局地特征變化較明顯，因此在研究方法上也可以進一步拓展。

致謝：感謝成都信息工程大學程志剛老師的悉心教導，感謝陳俊達、曹峻烽、徐佳和胡耀月同學的支持，感謝在美國內華達大學雷諾分校、紐約州立大學奧爾巴尼分校讀研的陸思穎和蔡依晨同學以及中科院大氣所的湯彬同學的幫助與指導！