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        1961—2017年內(nèi)蒙古霜凍時(shí)空分布特征及演變趨勢(shì)

        2020-10-20 05:58:30王惠貞李丹吳瑞芬吳向東
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年18期
        關(guān)鍵詞:突變

        王惠貞 李丹 吳瑞芬 吳向東

        摘要:為深入研究?jī)?nèi)蒙古霜凍發(fā)生的演變規(guī)律,提高防霜減災(zāi)能力,促進(jìn)氣候資源合理開(kāi)發(fā)利用,以1961—2017年內(nèi)蒙古107個(gè)氣象站的逐日最低地溫資料為基礎(chǔ),根據(jù)霜凍氣候指標(biāo)統(tǒng)計(jì)霜凍日數(shù),并采用線性傾向估計(jì)法、旋轉(zhuǎn)正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)(REOF)分析法及M-K突變檢驗(yàn)等方法分析內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的時(shí)空變化特征和突變情況。結(jié)果表明,(1)內(nèi)蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)呈明顯下降趨勢(shì),且變化程度與海拔高度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。(2)從內(nèi)蒙古各地區(qū)霜凍日數(shù)近57年的平均值分布特征來(lái)看,東北部地區(qū)霜凍日數(shù)最多、西部和東南部地區(qū)略少。(3)自20世紀(jì)60年代以來(lái),內(nèi)蒙古年平均霜凍日數(shù)發(fā)生突變的時(shí)間為1987年。(4)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)和REOF分析可知,內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征受氣候因素、地形等因素影響,分為中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū)等3個(gè)區(qū)域,中西部地區(qū)霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)最為明顯,隨著全球氣候變化加劇,該地區(qū)可能成為霜凍脆弱區(qū)。

        關(guān)鍵詞:霜凍日數(shù);年際變化;突變;EOF;REOF

        中圖分類號(hào): S425文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號(hào):1002-1302(2020)18-0274-09

        收稿日期:2019-09-03

        基金項(xiàng)目:內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(編號(hào):2017MS0411);內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局科技創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào):nmqxkjcx201915);中國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)(編號(hào):CCSF202025)。

        作者簡(jiǎn)介:王惠貞(1988—),女,內(nèi)蒙古呼和浩特人,碩士,工程師,主要從事應(yīng)用氣象與農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防御研究。E-mail:1695920285@qq.com。

        通信作者:李?丹,碩士,工程師,主要從事生態(tài)氣象學(xué)研究。E-mail:40342051@qq.com。

        目前,全球變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí),聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第5次評(píng)估報(bào)告指出,近130年(1880—2012年),全球地表溫度增高 0.85 ℃,不同區(qū)域氣候變暖的范圍和幅度各異,我國(guó)1951—2017年地表年平均氣溫平均每10年升高0.24 ℃[1-3]。在全球變暖的氣候背景下,極端氣候特征也出現(xiàn)一系列的變化,其中,霜凍的發(fā)生受溫度變化的控制,是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一[4]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞霜凍的分布特征和氣候變化特征及霜凍災(zāi)害評(píng)估等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明,北歐和北美霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì),且變化趨勢(shì)有明顯的地域差異[5-7],20世紀(jì)90年代以后我國(guó)大部地區(qū)霜凍日數(shù)呈縮短趨勢(shì)[8],且霜凍日數(shù)的變化具有明顯的區(qū)域特征[9]。影響我國(guó)寧夏、西藏、貴州等地區(qū)霜凍日數(shù)變化特征的因素較多,時(shí)空變化規(guī)律有區(qū)域性和季節(jié)性等差異[10-14],且霜凍日期的變化與極渦、副熱帶高壓所處的位置及變動(dòng)有直接關(guān)系[15]。

        內(nèi)蒙古地形和氣候復(fù)雜多樣,霜凍主要出現(xiàn)在秋季和春季,是影響內(nèi)蒙古地區(qū)玉米、馬鈴薯、大豆等農(nóng)作物生產(chǎn)的主要因素之一[16]。目前針對(duì)內(nèi)蒙古霜凍的研究較多,包括對(duì)初霜凍日期、終霜凍日期及作物霜凍臨界溫度等方面的研究[17-19],但霜凍日數(shù)的變化特征尚不清楚。本研究以日最低氣溫<0 ℃的日數(shù)作為霜凍指標(biāo),揭示近57年內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的年際變化、突變情況及空間變化的特征,對(duì)防霜減災(zāi)和高效利用農(nóng)業(yè)氣候資源具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,并為提高對(duì)霜凍的預(yù)測(cè)和服務(wù)能力奠定理論基礎(chǔ)。

        1?資料與方法

        1.1?數(shù)據(jù)資料

        選用1961—2017年內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)(37.85~50.78°N、101.07~124.48°E)119個(gè)基本氣象站逐日最低氣溫資料,對(duì)資料進(jìn)行均一性訂正,遵循資料年代較長(zhǎng)、區(qū)域分布較均勻的原則,剔除部分站點(diǎn),最終選定107個(gè)代表站點(diǎn),并利用周圍參考站數(shù)據(jù)對(duì)代表站點(diǎn)個(gè)別年份缺測(cè)及其他因素造成的奇異值進(jìn)行訂正,周圍參考站的選擇遵循距離200 km以內(nèi)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7以上、高度差50 m以內(nèi)的原則。上述資料來(lái)源于內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心。

        1.2?指標(biāo)與研究方法

        以地面0 cm最低溫度低于0 ℃作為霜凍指標(biāo),統(tǒng)計(jì)霜凍日數(shù)(frost days,簡(jiǎn)稱FD),即一年中日最低氣溫<0 ℃的日數(shù)。采用均值分布法分析平均霜凍日數(shù)的空間分布;采用線性傾向估計(jì)法分析霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì),并用t檢驗(yàn)對(duì)其信度進(jìn)行檢驗(yàn);采用Mann-Kendall(M-K)突變分析法檢測(cè)霜凍日數(shù)的突變特征;采用相關(guān)分析法和多元回歸分析法研究海拔和緯度對(duì)霜凍日數(shù)變化的影響;采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(REOF)方法分析霜凍發(fā)生的時(shí)空分布特征。

        1.3?數(shù)據(jù)分析和圖表制作方法

        以SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析,用Excel繪制圖表,用ArcGIS 10.2制作相關(guān)分布圖。

        2?結(jié)果與分析

        2.1?內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的年際變化特征

        1961—2017年內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的線性變化呈明顯下降的趨勢(shì)(圖1),平均每10年下降3.6 d。20世紀(jì)90年代后期之前,內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)波動(dòng)起伏,這之后,霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)較明顯。近57年內(nèi)蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)為183 d,從1996年開(kāi)始5年滑動(dòng)平均值均低于57年平均值,1998年霜凍日數(shù)達(dá)最低值,為167 d。

        2.2?內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)和地理分布特征

        2.2.1?霜凍日數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)分析

        對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)107個(gè)臺(tái)站的霜凍資料進(jìn)行線性趨勢(shì)分析,得到趨勢(shì)變化系數(shù)分布(圖2)。分析結(jié)果表明,系數(shù)為負(fù)值,對(duì)應(yīng)霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì),說(shuō)明全區(qū)大部分地區(qū)近57年來(lái)霜凍日數(shù)呈較明顯的減少趨勢(shì),且變化趨勢(shì)分布存在明顯的區(qū)域差異,霜凍日數(shù)減少幅度較大的地區(qū)主要在東北部和中西部大部分地區(qū),變化趨勢(shì)在-3.5 d/10年以上,其中河套灌區(qū)和陰山北麓偏東地區(qū)霜凍日數(shù)減少最明顯,線性傾向達(dá)到 -6.6~-6.1 d/10年,錫林郭勒盟東部、通遼市南部、赤峰市南部和呼倫貝爾市西部地區(qū)的線性傾向?yàn)?3.5~-1.5 d/10年。

        3?討論

        內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)有明顯的年際變化特征,1961—2017年內(nèi)蒙古地區(qū)平均霜凍日數(shù)的線性變化呈明顯下降趨勢(shì),全區(qū)107個(gè)測(cè)試站點(diǎn)中有94個(gè)站點(diǎn)霜凍日數(shù)表現(xiàn)為極顯著減少趨勢(shì),變化趨勢(shì)分布存在明顯的區(qū)域差異,霜凍日數(shù)減少幅度相對(duì)較大的地區(qū)主要在東北部和中西部大部地區(qū)。全球變暖使霜凍日數(shù)整體呈減少趨勢(shì),可能造成玉米、大豆等大田作物發(fā)育期延遲,尤其是北半球30°N以北地區(qū)作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)幅度較大的地區(qū)近30年的霜凍日數(shù)有所增加,而霜凍日數(shù)的變化對(duì)作物的危害具有較大的不確定性,可能增加植株受霜凍害的風(fēng)險(xiǎn),但與作物品種、植株耐寒性和所處生育期密切相關(guān),全球性和區(qū)域性氣候變暖也預(yù)示著農(nóng)作物和植物花期受霜凍危害的可能性將減小[21-26]。

        分析各地區(qū)霜凍日數(shù)的趨勢(shì)變化系數(shù)與地理方位的關(guān)系得出,海拔、緯度以及地形綜合作用于霜凍日數(shù)的變化,但主導(dǎo)性因素的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果略有差異,霜凍日數(shù)的趨勢(shì)變化程度與海拔高度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明海拔高度對(duì)霜凍日數(shù)趨勢(shì)變化系數(shù)影響較大。

        內(nèi)蒙古近57年霜凍日數(shù)區(qū)域特征明顯,大致符合地帶性分異規(guī)律,呈現(xiàn)東北部多、西部和東南部少的分布特征。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解得出,內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)的分布型為主導(dǎo)分布型,表現(xiàn)為在多年霜凍日數(shù)變化中受共同氣候因子影響的一致性減少變化,且1987年之前呈振蕩變化而之后呈明顯偏少的特征,呼和浩特、包頭、巴彥淖爾市和鄂爾多斯東北部地區(qū)霜凍日數(shù)年際變化幅度較大。20世紀(jì)80—90年代,東西區(qū)域界限變動(dòng)較明顯,隨著時(shí)間變換由東北逐漸向西南方向移動(dòng)。

        由于EOF分解的局限性,分離出的空間分布結(jié)構(gòu)不能更細(xì)致地表示不同地理區(qū)域的特征[27],而采用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(REOF)分解分區(qū)時(shí),經(jīng)過(guò)正交旋轉(zhuǎn)后荷載平方的方差和達(dá)到最大,使得各特征向量的高荷載值更加突出,因此該方法對(duì)霜凍日數(shù)變化特征進(jìn)行分區(qū)更具有客觀性[28-30]。根據(jù)內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征可分成3個(gè)區(qū)域,分別是中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū),中西部地區(qū)霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)最為明顯,該區(qū)地處陰山山脈地區(qū),隨著全球氣候變化加劇,可能成為霜凍脆弱區(qū)。

        4?結(jié)論

        基于對(duì)1961—2017年內(nèi)蒙古地區(qū)霜凍日數(shù)的綜合分析,可獲得以下結(jié)論。

        近57年內(nèi)蒙古平均霜凍日數(shù)呈明顯下降趨勢(shì),霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)分布存在明顯的區(qū)域差異,變化程度與海拔高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,從各地區(qū)霜凍日數(shù)近57年平均值的分布特征來(lái)看,東北部地區(qū)霜凍日數(shù)最多、西部和東南部地區(qū)略少。

        對(duì)內(nèi)蒙古107個(gè)測(cè)試站點(diǎn)的57年霜凍日數(shù)資料進(jìn)行突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),自20世紀(jì)60年代以來(lái),內(nèi)蒙古年平均霜凍日數(shù)在明顯下降的基礎(chǔ)上,存在突變,突變的時(shí)間為1987年。

        根據(jù)內(nèi)蒙古霜凍日數(shù)空間變化特征可分成3個(gè)區(qū)域,分別是中西部地區(qū)、東北部地區(qū)和東南部地區(qū),東北部地區(qū)霜凍日數(shù)相對(duì)較多,但3個(gè)區(qū)域內(nèi)測(cè)試站點(diǎn)均表現(xiàn)為在多年霜凍日數(shù)變化中受共同氣候因子影響的一致性減少變化,其中,中西部地區(qū)霜凍日數(shù)較少趨勢(shì)最為明顯。

        總體來(lái)看,內(nèi)蒙古地形分布可代表霜凍日數(shù)的空間分布模式,霜凍防御的重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)該集中在中西部農(nóng)區(qū),東南部農(nóng)區(qū)受霜凍影響較輕,對(duì)于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較有利。

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