張志高， 徐曉曼， 郭超凡， 蔡茂堂， 袁 征， 張明哲

（1.安陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽 455000；2.河南大學(xué)黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心，河南 開封 475001；3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；4.安陽工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

近100 多年來，地球氣候正在經(jīng)歷以全球變暖為主要特征的變化，IPCC 第六次評估報(bào)告指出，全球地表溫度正以前所未有的速度上升，2011—2020年全球平均表面溫度相比1850—1900 年上升1.09 ℃［1］。全球變暖將改變氣溫、輻射以及降水等要素的地理分布，導(dǎo)致高溫、洪澇等災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自然生態(tài)以及人類生活環(huán)境［2-3］。霜凍是由于寒潮和強(qiáng)冷空氣活動(dòng)引致土壤或植物表面溫度降至0 ℃以下而造成作物受害的現(xiàn)象［4］。在全球氣候變暖背景下，初、終霜日及霜期的變化會(huì)顯著影響農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)及糧食安全［5-7］。因此，霜凍的時(shí)空演變特征及其影響因素與災(zāi)害評估受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［8-12］。相關(guān)研究表明，歐洲［13］和北美［14］等地初霜日推遲，終霜日提前，霜凍日數(shù)呈減少趨勢。近50 a來，中國大部分地區(qū)如吉林?。?5］、淮河流域［16］、黃土高原［17］和甘肅?。?8］等地霜期縮短，初霜日推遲而終霜日提前，但是霜凍時(shí)空變化特征具有明顯的區(qū)域差異［19］。在霜凍變化影響因素方面，王國復(fù)等［20］認(rèn)為中國大部地區(qū)霜期縮短，初霜日推遲，終霜日提前主要與日最低氣溫和0 cm最低地溫的不斷升高有關(guān)；馬彬等［21］認(rèn)為極渦與副熱帶高壓的位置、強(qiáng)度、面積變化驅(qū)動(dòng)了中國農(nóng)業(yè)區(qū)霜凍多年氣候狀態(tài)的轉(zhuǎn)變；陳少勇等［22］探討了西北地區(qū)影響初霜凍發(fā)生的環(huán)流特征，認(rèn)為與副熱帶高壓正相關(guān)，與極渦負(fù)相關(guān)，初霜日推遲是氣候變暖的結(jié)果；吳楊等［23］建立了浙江省春霜凍日與太平洋海溫的遙相關(guān)關(guān)系；賈艷青等［24］研究發(fā)現(xiàn)城市化進(jìn)程導(dǎo)致長三角地區(qū)霜凍日數(shù)明顯減少。還有學(xué)者分析了霜凍災(zāi)害對大豆［25］、茶樹［26］和冬小麥［27］等作物的影響。

黃河流域橫跨我國北方東、中、西三大地理階梯，流域上、中、下游地形地貌、植被及氣候類型分異顯著，為我國重要的生態(tài)安全屏障。黃河流域現(xiàn)有耕地1.3×107hm2，糧食產(chǎn)量約占全國1/3，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。然而流域內(nèi)氣候溫差較大且季節(jié)差異明顯，降水集中但分布不均勻，旱澇及霜凍等氣象災(zāi)害嚴(yán)重影響流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，本文基于1960—2020 年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析、Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)、相關(guān)分析及R/S 分析等方法對黃河流域初霜、終霜日及無霜期的時(shí)空演變進(jìn)行研究，并探討其與地理因子的關(guān)系，以期為流域霜凍災(zāi)害的預(yù)警和防范以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域（32°～42°N，96°～119°E）橫貫我國中北部，包含青海、四川等9省區(qū)，流域面積約7.5×105km2。黃河流域海拔在0～6241 m，西接青藏高原，多為山地，中部以黃土高原區(qū)為主，水土流失嚴(yán)重，東鄰華北平原，地勢西高東低。流域地處中緯度地帶，受大氣環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流影響較為復(fù)雜，西部為大陸性干旱氣候，中部為季風(fēng)性半干旱氣候，東部屬海洋性半濕潤氣候。流域多數(shù)地區(qū)降水量在200～650 mm，且年內(nèi)分布不均，多集中在6—10 月，年均氣溫在-4～14 ℃，全年日照時(shí)數(shù)在2000～3300 h。為研究黃河流域霜凍變化的區(qū)域特征，將黃河流域進(jìn)一步劃分為上、中、下游地區(qū)，其中，上游地區(qū)包括久治、景泰、包頭等33個(gè)氣象站點(diǎn)，中游地區(qū)包括武功、靖邊、神木等43個(gè)氣象站點(diǎn)，下游地區(qū)包括新鄉(xiāng)、鄭州、沂源等7個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1）。

圖1 黃河流域氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorology stations in the Yellow River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

黃河流域83 個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2020 年逐日地面溫度數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集經(jīng)過極值檢驗(yàn)和RHtest 均一性檢驗(yàn)等方面的嚴(yán)格質(zhì)量控制。以地面最低溫度≤0 ℃作為霜凍指標(biāo)，參考前人研究［28］，中國北方初霜日一般在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，初霜日為8月1日以后第一次出現(xiàn)地面最低溫度≤0 ℃的日期，終霜日為最后一次地面最低溫度≤0 ℃的日期，霜凍終日的翌日至初日的前一天之間的日數(shù)為無霜期。利用算術(shù)平均法建立1960—2020年黃河流域初霜期、終霜期和無霜期序列。

1.3 研究方法

采用線性傾向估計(jì)法分析黃河流域霜凍的時(shí)間變化特征；采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對黃河流域霜凍日期進(jìn)行突變分析［29］；采用Morlet 小波分析方法對黃河流域霜凍周期變化特征進(jìn)行分析；利用Pearson 相關(guān)分析法和線性回歸法分析霜凍日期與地理因子（經(jīng)緯度和海拔高度）和日平均氣溫的關(guān)系，變量間相關(guān)性強(qiáng)度依據(jù)相關(guān)系數(shù)（r）絕對值大小分為5 個(gè)等級，分別為極強(qiáng)相關(guān)（0.8＜|r|≤1.0）、強(qiáng)相關(guān)（0.6＜|r|≤0.8）、中等程度相關(guān)（0.4＜|r|≤0.6）、弱相關(guān)（0.2＜|r|≤0.4）和極弱相關(guān)（0.0＜|r|≤0.2）；基于Arc-GIS 10.0 軟件，采用克里金插值和自然斷點(diǎn)法分析霜凍日期空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域霜凍日期時(shí)間變化特征

1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期時(shí)間變化（圖2、表1）。近61 a來黃河流域初霜平均日期為10 月8 日，其中1972 年初霜日最早，為9月22 日，2016 年初霜日最晚，為10 月22 日，線性擬合可知，黃河流域初霜日期顯著推遲，傾向率為2.51 d·(10a)-1（圖2a）。1960—2020年黃河流域終霜平均日期為4 月30 日，其中，2008、2011、2013、2015年和2017 年終霜日最早，為4 月21 日，1974 年終霜日最晚，為5月12日，61 a來終霜日以-2.07 d·(10a)-1的傾向率顯著提前（圖2b）。1960—2020 年黃河流域無霜期平均為161 d，其中1974年最短，為140 d，2016年最長，為182 d，61 a來無霜期顯著延長，傾向率為4.48 d·(10a)-1（圖2c）。

圖2 1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期年際變化Fig.2 Annual variations of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

年代際變化方面，20 世紀(jì)70 年代初霜日最早，平均日期為10 月4 日，21 世紀(jì)以來距平轉(zhuǎn)為正值，21 世紀(jì)10 年代初霜日最晚，平均為10 月17 日。20世紀(jì)70年代終霜日最晚，為5月6日，之后逐年代提前，21 世紀(jì)10 年代提前至4 月23 日。20 世紀(jì)70 年代無霜期最短為150 d，21世紀(jì)以來顯著延長，21世紀(jì)10 年代無霜期達(dá)176 d，相比70 年代延長26 d（表1）。

表1 黃河流域初霜日、終霜日和無霜期年代際變化Tab.1 Inter-decadal variations of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin

2.2 上、中、下游地區(qū)霜凍日期時(shí)間變化特征

1960—2020 年黃河流域上、中、下游地區(qū)初霜日、終霜日和無霜期差異明顯（表2）。近61 a來，黃河流域上、中、下游地區(qū)初霜日分別為9月24日、10月16日和10月31日，上游地區(qū)初霜日最早，下游地區(qū)出現(xiàn)最晚，相差37 d；下游地區(qū)終霜日為4月6日，上游地區(qū)為5月13日，相差37 d；無霜期在下游地區(qū)最長為207 d，上游地區(qū)最短為132 d，相差75 d。從變化趨勢來看，近61 a來黃河流域上、中、下游地區(qū)初霜日均呈推遲趨勢，終霜日均呈提前趨勢，無霜期均顯著延長，下游地區(qū)初霜日和無霜期變化幅度最大。

2.3 霜凍日期空間分布特征

2.3.1 霜凍日期的平均空間分布特征黃河流域初霜日、終霜日和無霜期的空間變化（圖3）。黃河流域各地初霜日出現(xiàn)在8 月4 日至11 月8 日之間，整體呈由南到北遞減、由東向西遞減趨勢，西南部瑪多、久治、若爾蓋等站初霜日最早，在8 月22 日之前，東南部商南、鄭州、開封、孟津等站初霜日最晚，在11 月5 日以后（圖3a）。近61 a 黃河流域各地平均終霜日在3月29日至5月30日之間，總體呈自南向北逐漸推遲、由東向西逐漸推遲趨勢，東南部武功、鄭州、商南、開封等站終霜日期在4月1日前，西南部瑪多、若爾蓋、久治、紅原等站終霜日期出現(xiàn)最晚，在5月27日以后（圖3b）。近61 a黃河流域各地平均無霜期在65～220 d 之間，總體呈自南向北減少、由東向西遞減趨勢，東南部武功、商南、鄭州、開封等站無霜期在218 d 以上，西南部瑪多、久治、若爾蓋等站無霜期最短，在85 d以下（圖3c）。

圖3 1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期的空間分布Fig.3 Spatial distributions of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.3.2 霜凍日期變化趨勢空間分布特征1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期傾向率空間分布（圖4）。黃河流域83個(gè)站點(diǎn)初霜日傾向率均為正值，氣候傾向率在0.05～9.98 d·(10a)-1之間，各地初霜日均呈推遲趨勢，瑪多站推遲幅度最小，共和站推遲幅度最大（圖4a）。近61 a 黃河流域終霜日傾向率在-4.75～1.05 d·(10a)-1之間，其中81 個(gè)站點(diǎn)傾向率為負(fù)值，終霜日呈提前趨勢，西南部合作、久治站傾向率為正，終霜日呈推遲趨勢（圖4b）。近61 a黃河流域無霜期顯著延長，氣候傾向率在0.12～9.28 d·(10a)-1之間，中東部地區(qū)無霜期延長幅度較大，西南部地區(qū)延長幅度較小，中寧站最大，瑪多站最?。▓D4c）。

圖4 1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期傾向率的空間分布Fig.4 Spatial distributions of the tendency of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.4 霜凍日期突變特征

1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期M-K突變檢驗(yàn)曲線（圖5）。近61 a來黃河流域初霜日正序列UF曲線整體呈上升趨勢，反序列UB曲線呈下降趨勢，二者相交于2002 年，確定初霜日的突變點(diǎn)為2002 年，突變前平均初霜日期為10 月5日，突變后為10月16日，推遲了11 d（圖5a）。終霜日正序列UF曲線呈下降趨勢，反序列UB曲線呈上升趨勢，UF 和UB 曲線相交于2000 年，確定終霜日的突變點(diǎn)為2000年，突變后平均終初霜日期為4月24日，較突變前的5月2日提前了8 d（圖5b）。無霜期正序列UF曲線呈上升趨勢，反序列UB曲線呈下降趨勢，UF 和UB 曲線相交于2001 年，確定終霜日的突變點(diǎn)為2001年，突變后無霜期平均為173 d，較突變前的156 d延長了17 d（圖5c）。

圖5 1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期的M-K檢驗(yàn)Fig.5 M-K test curves of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.5 霜凍的周期變化特征

1960—2020年黃河流域初霜日、終霜日和無霜期的Morlet 小波分析結(jié)果（圖6～8）。初霜日存在11 a 和28 a 左右的周期變化，其中28 a 的周期具有全域性，11 a 左右的周期在1990 年之前較為突出（圖6）。初霜日的小波方差圖（圖6b）顯示初霜日在28 a左右出現(xiàn)極值，為第一主周期，表明黃河流域初霜日在28 a左右會(huì)經(jīng)歷一個(gè)逐漸推遲變化過程。

圖6 1960—2020年黃河流域初霜日周期變化特征Fig.6 Periodic variation characteristics of the first frost date in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

近61 a來黃河流域終霜日存在28 a左右的周期變化（圖7），且具有全域性，從終霜日的小波方差圖可以看出，終霜日小波方差在28 a左右出現(xiàn)峰值，為其主周期，表明黃河流域終霜日在28 a左右會(huì)經(jīng)歷一個(gè)逐漸提前的變化過程（圖7b）。

圖7 1960—2020年黃河流域終霜日周期變化特征Fig.7 Periodic variation characteristics of the last frost date in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

近61 a來黃河流域無霜期存在28 a左右的周期變化，且具有全域性（圖8）。從無霜期的小波方差圖可以看出，無霜期在28 a左右方差出現(xiàn)最大峰值，為第一主周期，表明黃河流域無霜期日數(shù)在28 a左右會(huì)經(jīng)歷逐漸延長的變化過程（圖8b）。

圖8 1960—2020年黃河流域無霜期周期變化特征Fig.8 Periodic variation characteristics of the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.6 霜凍的影響因素

黃河流域初霜日、終霜日和無霜期與地理因子及日平均氣溫的相關(guān)關(guān)系和回歸系數(shù)如表3 所示。初霜日與海拔高度的r為-0.892，表現(xiàn)為極強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過回歸系數(shù)可以看出，隨著海拔高度的上升，初霜日漸趨提前，每升高10 m，提前0.20 d，初霜日與經(jīng)度和日平均氣溫分別呈強(qiáng)和極強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，經(jīng)度和日平均氣溫越高，初霜日出現(xiàn)時(shí)間就越晚。終霜日與海拔高度呈極強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，與緯度呈弱正相關(guān)關(guān)系，海拔高度每上升10 m，緯度每增加1°，終霜日分別推遲0.17 d 和3.24 d，終霜日與經(jīng)度和日平均氣溫分別呈強(qiáng)和極強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，經(jīng)度每增加1°，日平均氣溫每增加1℃，終霜日分別提前2.66 d 和4.46 d。無霜期與海拔高度呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與緯度呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，海拔高度每上升10 m，緯度增加1°，無霜期日數(shù)分別縮短0.37 d 和5.37 d，無霜期與經(jīng)度和日平均氣溫分別呈強(qiáng)和極強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，經(jīng)度每增加1°，日平均氣溫每增加1℃，無霜期會(huì)分別延長5.71 d 和9.65 d。黃河流域初霜日和無霜期均與海拔高度呈顯著極強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日平均氣溫呈顯著極強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，終霜日和海拔高度呈顯著極強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，與日平均氣溫呈顯著極強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，流域初、終霜日和無霜期主要受海拔高度和日平均氣溫影響。

表3 黃河流域初霜日、終霜日和無霜期與海拔高度、經(jīng)緯度以及日平均氣溫的關(guān)系Tab.3 Relationships of the first,last frost dates and the frost-free period with the geographical parameters and average temperature in the Yellow River Basin

3 討論

本研究以0 m 地表最低溫度作為霜凍指標(biāo)，分析了黃河流域1960—2020年初、終霜日和無霜期的時(shí)空分布及影響因素。在全球變暖背景下，近61 a來黃河流域初霜日推遲，終霜日提前，無霜期顯著延長，這與黃土高原［17,27］、河南?。?］、寧夏［11］和山西?。?0］等地區(qū)研究結(jié)果一致。

黃河流域初、終霜日和無霜期主要受海拔高度和日平均氣溫的影響，這與貴州省研究結(jié)果一致［31］，這是由于黃河流域橫跨我國地勢三級階梯，區(qū)域內(nèi)海拔高差較大有關(guān)。

在突變特征方面，黃河流域初、終霜日和無霜期分別于2002、2000 年和2001 年發(fā)生突變，這與山西?。?0］、淮河流域［16］和甘肅?。?］霜凍日期突變時(shí)間較為接近，與中國極端氣候事件突變時(shí)間段主要集中在20 世紀(jì)80 年代和90 年代一致［32］。近百年來，全球顯著變暖，研究表明全球氣候狀態(tài)轉(zhuǎn)變發(fā)生于20世紀(jì)80年代中后期［33］，氣候狀態(tài)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致氣候變率增大及極端氣候事件增加，引致初霜日推遲，終霜日提前，無霜期延長。

近61 a 來黃河流域初霜日推后、終霜日提前和無霜期延長，這將延長作物生長季，為地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供充足的熱量資源，利于作物適宜種植區(qū)域擴(kuò)展，然而生長季延長又增加了作物對霜凍的暴露，作物生長對霜凍的敏感性因物種及生長環(huán)境而異。因此，在未來全球變暖背景下，各地還需因地制宜的采取調(diào)整農(nóng)作物種植制度等措施，以減少霜凍危害。

4 結(jié)論

（1）1960—2020 年黃河流域初、終霜平均日期分別為10 月8 日和4 月30 日，無霜期平均為161 d，近61 a來黃河流域初霜日以2.51 d·(10a)-1的傾向率推遲，終霜日顯著提前，傾向率為-2.07 d·(10a)-1，無霜期顯著延長，傾向率為4.48 d·(10a)-1。20 世紀(jì)70年代初霜日最早，終霜日最晚，無霜期最短，21世紀(jì)10年代初霜日最晚，終霜日最早，無霜期最長。

（2）近61 a 黃河流域初霜日由南到北、由東向西逐漸提前，出現(xiàn)在8 月上旬至11 月上旬，上游地區(qū)初霜日最早，下游地區(qū)出現(xiàn)最晚。終霜日自南向北、由東向西逐漸推遲，出現(xiàn)在3 月下旬至5 月下旬，下游地區(qū)最早，上游地區(qū)最晚。無霜期自南向北、由東向西逐漸縮短，下游地區(qū)最長為207 d，上游地區(qū)最短為132 d。初霜日在流域各地均呈推遲趨勢，終霜日僅在西南部合作和久治呈推遲趨勢，無霜期在各地均呈延長趨勢，下游地區(qū)初霜日和無霜期變化幅度最大。

（3）M-K 突變分析表明，近61 a 來黃河流域初霜日突變點(diǎn)為2002 年，突變后初霜日推遲11 d，終霜日于2000年發(fā)生突變，突變后終霜日提前8 d，無霜期于2001 年發(fā)生突變，突變后無霜期延長17 d。小波分析表明，黃河流域初、終霜日和無霜期均存在28 a左右的主周期變化。

（4）黃河流域初、終霜日和無霜期與海拔高度和日平均氣溫均呈顯著極強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，初、終霜日和無霜期主要受海拔高度和日平均氣溫的影響。