郭俊文, 單紅洮, 郭俊瑞

(1.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730020; 2.甘肅省定西市氣象局, 甘肅 定西 743000; 3.甘肅省白銀市氣象局, 甘肅 白銀 743000)

霜凍是指作物生育期氣溫驟降，地面最低溫度≤0℃，作物細(xì)胞間隙間的水分凝結(jié)成冰晶，細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)與液泡逐漸脫水和凝固導(dǎo)致死亡，解凍時(shí)細(xì)胞間隙中的冰融化為水且快速蒸發(fā)，細(xì)胞原生質(zhì)因失水致死。從而導(dǎo)致農(nóng)作物受害的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，霜凍多發(fā)生于春秋兩季，當(dāng)年春季最后一次霜凍出現(xiàn)的日期稱作霜凍終日，當(dāng)年秋季第一次霜凍出現(xiàn)的日期稱作霜凍初日，霜凍終日至初日之間的天數(shù)稱作無霜期[1-2]。

近百年來，以地表平均氣溫增高為顯著特征的全球氣候變化影響著氣象災(zāi)害的時(shí)空分異特征[3]，研究表明，北美、歐洲等多地霜凍呈現(xiàn)初日推遲、終日提前、無霜凍期延長的變化特征[4-6]。中國大部分地區(qū)霜凍也表現(xiàn)為初日推遲、終日提前、無霜凍期延長的特征[7-9]。但區(qū)域變化差異明顯[10]。1963—2009年中國溫帶季風(fēng)區(qū)終霜凍日顯著提前[11],西北地區(qū)初霜凍平均以1.8 d/10 a的速率推遲,1986年有明顯的突變現(xiàn)象,近49 a來初霜凍有顯著的2～3 a周期[12]；近57 a來，沈陽地區(qū)霜凍初日呈推遲趨勢，平均每10 a推遲0.9 d，而終日呈顯著提前趨勢，平均每10 a提前1.9 d，導(dǎo)致無霜凍期顯著延長，平均每10 a延長2.8 d，有利于作物生長季延長、熱量資源增加；霜凍變化存在不穩(wěn)定性波動(dòng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極為不利[13]。

隴中黃土高原半干旱區(qū)晚霜凍結(jié)束期在4月下旬到5月下旬，該時(shí)段是冬小麥出苗—分蘗期，春小麥、玉米、胡麻和扁豆等春播作物苗期、蘋果、梨、杏和桃等林果開花坐果階段，農(nóng)作物幼苗和林果花蕾對(duì)霜凍危害的承災(zāi)能力極敏感且脆弱，抗凍能力低。隴中黃土高原位于黃土高原的腹地，土層深厚，非常適宜優(yōu)質(zhì)蘋果、桃、梨和杏等經(jīng)濟(jì)林果的栽培，近年來黃土高原以蘋果、桃為主體的經(jīng)濟(jì)林果栽培面積迅速擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展快，效益高。但霜凍會(huì)造成林果花蕾期的嚴(yán)重凍害，導(dǎo)致花蕾細(xì)胞原生質(zhì)死亡，無法形成果實(shí)，造成大面積減產(chǎn)或絕收[14-16]。為此，研究霜凍變化特征及其對(duì)農(nóng)作物和林果業(yè)的影響意義重大。本文分析隴中黃土高原半干旱區(qū)霜凍初、終日和無霜凍期時(shí)空變化特征及其對(duì)農(nóng)作物和林果業(yè)的影響，為農(nóng)作物和林業(yè)氣象災(zāi)害防御提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和資料方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于甘肅中部，屬典型的黃土高原半干旱區(qū)，地貌特征為黃土高原丘陵、溝壑區(qū)。年平均氣溫6.1～8.1℃，極端最低氣溫-29.7～-22.3℃，極端最高氣溫33.3～36.1℃；年降水量377.0～556.3 mm；無霜期109～162 d；年日照時(shí)數(shù)2183.7～2 477.2 h。

1.2 資料及處理

選擇隴中黃土高原半干旱區(qū)1971—2016年安定、通渭、隴西、渭源、臨洮、漳縣和岷縣等7個(gè)氣象觀測站逐日氣象觀測資料。

霜凍是由于地表溫度降低到0℃或以下導(dǎo)致農(nóng)作物受凍的氣象災(zāi)害，故以地面最低溫度≤0℃作為霜凍指標(biāo)，定義春季地面最低溫度≤0℃的最后一天為霜凍終日，秋季地面最低溫度≤0℃的第一天為霜凍初日，霜凍終日的翌日至初日的前一天之間的日數(shù)為無霜期[2]

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

1.3.1 傾向率 氣候要素的趨勢傾向率變化

Xi=a+bti(i=1,2,…，n)

式中：Xi為氣候要素變量；ti表示Xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)；n為樣本量[17]。

1.3.2 霜凍異常初、終日的確定方法 由于霜凍是因地面最低溫度降低而導(dǎo)致的農(nóng)作物受凍災(zāi)害，地面溫度變化與大氣溫度變化特征均符合正態(tài)分布，故霜凍的氣候異常閾值的概率可定義為0.05，即霜凍的極早初日和極晚終日的概率值定義為0.05[17-19]，其關(guān)系式如下：

P(-1.65δ

[1-P(-1.65δ

式中：P為概率值(%)；X為霜凍初(終)日；μ為1981—2010年平均值；δ為標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)Xi-μ≤-1.65δ時(shí)；Xi為霜凍極早初日；Xi-μ>1.65δ時(shí)；Xi為霜凍極晚終日。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜凍空間變化特征

研究區(qū)域1971—2016年霜凍初日平均在10月4日，最早霜凍初日為8月25日，1986年在岷縣出現(xiàn)(表1)；最晚霜凍初日為10月29日，1975年和2000年分別在隴西、通渭出現(xiàn)；霜凍初日變幅最大為通渭和岷縣，達(dá)56 d，變幅最小是隴西和漳縣，為41 d。

表1 研究區(qū)域(1971-2016年)霜凍初(終)日和無霜期統(tǒng)計(jì)特征

近46 d來，研究區(qū)域霜凍終日平均在5月5日，最早霜凍終日為3月30日，1981年在漳縣出現(xiàn)；最晚霜凍終日為6月28日，1982年在岷縣出現(xiàn)；霜凍初日變幅最大是通渭，達(dá)71 d，變幅最小是漳縣，為48 d。

研究區(qū)域無霜期平均為152 d，無霜期最長為197 d，2007年出現(xiàn)在隴西；最短為78 d，1977年出現(xiàn)在岷縣；無霜期變幅最大為岷縣，達(dá)97 d，變幅最小是漳縣，為65 d。

2.2 霜凍年際變化趨勢

近46 a來研究區(qū)域霜凍初日呈顯著推遲趨勢(圖1)，霜凍初日線性擬合傾向率為3.117 d/10 a (p≤0.01)。霜凍初日Cubic函數(shù)擬合呈先降后升型特征，20世紀(jì)90年代中期以后霜凍初日明顯推遲。

圖1 1971-2016年研究區(qū)域霜凍初日變化趨勢

霜凍初日推遲最多的是岷縣，趨勢傾向率為5.2 d/10 a (p≤0.01)；推遲最少的是漳縣，趨勢傾向率為2.2 d/10 a (p≤0.05)；隴西未發(fā)生顯著性變化(表2)。

表2 研究區(qū)域霜凍初(終)日和無霜期變化傾向率(1971-2016年)

注：*，**分別表示p≤0.05，p≤0.01。

近46 a來研究區(qū)域霜凍終日呈提前趨勢，但未通過顯著性檢驗(yàn)(圖2)，霜凍終日線性擬合傾向率為-0.823 d/10 a (p>0.05)。霜凍終日Cubic函數(shù)擬合呈波動(dòng)變化，進(jìn)入21世紀(jì)9以后霜凍終日明顯提前。

就次區(qū)域而言，霜凍終日顯著提前的是岷縣，趨勢傾向率為-5.4 d/10 a (p≤0.01)；其余各地未發(fā)生顯著性變化(表2)。

圖2 1971-2016年研究區(qū)域霜凍終日變化趨勢

研究區(qū)域無霜期日數(shù)呈顯著延長趨勢(圖3)，無霜期日數(shù)線性擬合傾向率為3.94 d/10 a (p≤0.01)。無霜期日cubic函數(shù)擬合也呈先降后升型變化特征，20世紀(jì)90年代中期以后無霜期日數(shù)明顯延長。

就次區(qū)域而言，無霜期日數(shù)顯著延長的是岷縣、安定和臨洮，趨勢傾向率分別為10.7 d/10 a (p≤0.01)，7.4 d/10 a (p≤0.01)和4.2 d/10 a (p≤0.01)；其余各地未發(fā)生顯著性變化(表2)。

圖3 1971-2016年研究區(qū)域無霜期變化趨勢

2.3 霜凍異常分布特征

近46 a來，安定霜凍初日極早出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1972年9月3日，霜凍初日極晚未出現(xiàn)。安定霜凍終日極早出現(xiàn)2次，分別出現(xiàn)在1999年4月5日和2009年4月7日；霜凍終日極晚出現(xiàn)4次，分別出現(xiàn)在1973年5月29日、1974年6月6日，1990年5月31日和1997年6月10日。安定無霜期極長出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在2009年，為189 d；無霜期極短出現(xiàn)3次，分別出現(xiàn)在1973年、1974年和1997年，分別為112 d，107 d和100 d(表3)。

通渭霜凍初日極早出現(xiàn)1次，同安定一樣出現(xiàn)在1972年9月3日；霜凍初日極晚出現(xiàn)3次，分別出現(xiàn)在1975年10月29日、1983年10月26日和2000年10月29日。通渭霜凍終日極早出現(xiàn)2次，分別出現(xiàn)在1998年4月12日和1999年4月2日；霜凍終日極晚出現(xiàn)3次，分別出現(xiàn)在1974年6月6日、1979年6月12日、和1997年6月10日。通渭無霜期極長出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1999年，為192 d；無霜期極短出現(xiàn)3次，出現(xiàn)在1974年、1979年和1997年，分別為106 d，113 d和100 d。

隴西霜凍初日極早出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1991年9月20日和1997年9月18日；霜凍初日極晚也出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1975年10月29日和1978年10月27日。隴西霜凍終日極早出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在2007年4月5日和2009年4月7日；霜凍終日極晚出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1997年5月30日。隴西無霜期極長出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1978年和2007年，分別為194 d和197 d；無霜期極短出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1997年，為111 d。

渭源霜凍初日極早出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1972年9月3日和1997年9月12日；霜凍初日極晚未出現(xiàn)。渭源霜凍終日極早出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在199年4月3日；霜凍終日極晚出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1976年5月22日和2011年5月22日。渭源無霜期極長出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1999年，為196 d；無霜期極短也出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1991年，為127 d。

臨洮霜凍初日極早出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在2007年9月10日；霜凍初日極晚也出現(xiàn)3次，出現(xiàn)在2010年10月25日、2013年10月21日和2014年10月21日。臨洮霜凍終日極早出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在2007年4月5日；霜凍終日極晚出現(xiàn)3次，出現(xiàn)在1977年5月24日、1997年5月30日和1999年5月26日。臨洮無霜期極長出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在2013年為187 d；無霜期極短也出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1997年，為114 d。

漳縣霜凍初日極早出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1987年9月15日和1988年9月19日；霜凍初日極晚出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在2010年10月26日。漳縣霜凍終日極早出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在1981年3月30日；霜凍終日極晚未出現(xiàn)。漳縣無霜期極長出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在81 a，為193 d；無霜期極短也出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在2002年，為132 d。

表3 研究區(qū)域1971-2016年霜凍極早、極晚初(終)日出現(xiàn)年份

岷縣霜凍初日極早出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1977年8月28日和1986年8月25日；霜凍初日極晚也出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1981年10月18日和2005年10月20日。岷縣霜凍終日極早亦出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1973年4月21日和1998年4月24日；霜凍終日極晚同樣出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1975年6月19日和1982年6月28日。岷縣無霜期極長出現(xiàn)1次，出現(xiàn)在2005年為175 d；無霜期極短出現(xiàn)2次，出現(xiàn)在1977年和1996年，分別為78 d和84 d。

區(qū)域分析可知，無霜期極短年在20世紀(jì)70年代最多，達(dá)4 a，分別在1973年、1974年、1977年、1979年，其中1977年是因?yàn)樗獌龀跞諛O早造成的，其余是由于霜凍終日極晚導(dǎo)致。90年代無霜期極短出現(xiàn)3 a，分別在1991年、1996年、1997年，其中1997年是由于霜凍終日極晚導(dǎo)致，1991年和1996年是由于霜凍終日偏晚，霜凍初日偏早所致。在21世紀(jì)，無霜期極短年僅出現(xiàn)一年，為2002年，因霜凍終日偏晚，霜凍初日偏早所致。

無霜期極長年在21世紀(jì)最多，達(dá)4 a，出現(xiàn)在2005年、2007年、2009年、2013年，其中，2005年和2013年是因?yàn)樗獌龀跞諛O晚形成；2007年和2009年是因?yàn)樗獌鼋K日極早形成。無霜期極長年在20世紀(jì)70，80，90年代各出現(xiàn)一次，分別在1978年、1981年和1999年、1978年是因?yàn)樗獌龀跞諛O晚形成，1981年和1999年是因?yàn)樗獌鼋K日極早形成。

可見，無霜期極短年在20世紀(jì)70年代最多，在21世紀(jì)最少；無霜期極長年在21世紀(jì)最多，在其余年代少。

3 討 論

研究區(qū)域霜凍初日顯著推遲，無霜期日數(shù)顯著延長，無霜期平均每10 a延長3.9 d。霜凍初、終日及無霜期的不穩(wěn)定性增加。該結(jié)論與西北區(qū)域研究結(jié)論一致。中國西北霜凍初日也推遲，終日提前，無霜期也呈逐年延長趨勢，霜凍頻率減小、但強(qiáng)度增加，霜凍災(zāi)害損失呈加重趨勢[20-21]。

無霜期日數(shù)顯著延長，增加了作物生長發(fā)育季熱量資源條件，有利于延長作物生長季，使得隴中黃土高原半干旱區(qū)域喜溫和越冬作物適宜種植區(qū)域由較低海拔向較高海拔區(qū)域推進(jìn)擴(kuò)展[3，14-15]。冬小麥、玉米適宜區(qū)和可種植區(qū)擴(kuò)大；春小麥適宜種植區(qū)、不可種植區(qū)縮小；該區(qū)域由以春小麥為主的傳統(tǒng)種植結(jié)構(gòu)向以冬小麥、馬鈴薯和冬油菜為主的作物種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；區(qū)域農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)明顯提高。蘋果、桃、梨和杏等林果生長發(fā)育期提前，生長發(fā)育速度加快，生長周期縮短，且隨著海拔高度增加，生育期提前愈明顯；使蘋果、桃、梨和杏等林果的產(chǎn)量和糖分含量增加[22-24]。

由于凍初、終日及無霜期的不穩(wěn)定性增加，霜凍強(qiáng)度增加，使得該區(qū)域冬小麥出苗—分蘗期、春小麥、玉米、胡麻和扁豆等春播作物苗期的霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加，在調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)和布局時(shí)應(yīng)予以高度重視。隨著研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)林果開花期提前，經(jīng)濟(jì)林果開花期霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大，災(zāi)害造成的損失呈加重趨勢，尤其應(yīng)注重霜凍災(zāi)害的防御。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)域1971—2016年霜凍初日平均為10月4日，區(qū)域最早霜凍初日為8月25日，最晚霜凍終日為6月28日；平均無霜凍期125～149 d，無霜凍期極差天數(shù)為65～97 d。

(2) 近46 a來，研究區(qū)域霜凍初日呈顯著推遲趨勢，平均每10 a推遲3.1 d。其中，推遲最多的是岷縣，每10 a推遲5.2 d，推遲最少的是漳縣，每10 a推遲22 d。研究區(qū)域霜凍終日呈提前趨勢，但未通過顯著性檢驗(yàn)。研究區(qū)域無霜期日數(shù)呈顯著延長趨勢，平均每10 a延長3.9 d。其中，極顯著延長的是岷縣、安定和臨洮，每10 a分別延長10.7 d，7.4 d，4.2 d。

(3) 近46 a，研究區(qū)域霜凍初、終日及無霜期的不穩(wěn)定性波動(dòng)特征明顯，該特征極易造成農(nóng)作物凍害，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利；霜凍終日的不穩(wěn)定性最大，霜凍初日的不穩(wěn)定性次之，無霜期的不穩(wěn)定性較前兩者小，不穩(wěn)定性年代際變化呈減弱趨勢。無霜期極短年在20世紀(jì)70年代最多，在21世紀(jì)最少；而無霜期極長年在21世紀(jì)最多，在其余年代少。

(4) 凍初、終日及無霜期的不穩(wěn)定性增加，霜凍強(qiáng)度增加，使春播作物苗期的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加，經(jīng)濟(jì)林果業(yè)開花期霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也加大，災(zāi)害損失加重，應(yīng)注重霜凍災(zāi)害的防御。