張 鑫，樓俊偉，范瑜越，王 進(jìn)*，賈 超，高 宇，李 杏

（1.石河子氣象局，新疆 石河子832000；2.武義縣氣象局，浙江 武義321200；3.金華市氣象局，浙江 金華321000）

近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，霜凍給民眾造成的損失越來越大，引起了國內(nèi)外學(xué)者[1-5]的關(guān)注。寧曉菊等[1]將我國1951 年以來初、終霜日和無霜期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指出中國80%以上區(qū)域呈現(xiàn)初霜日推后、終霜日提前和無霜期延長的趨勢，且三者的變化幅度均是北方大于南方、東部大于西部。Ecmel Erlat 等[3]對土耳其1950—2010 年的霜凍日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，指出大部分站點(diǎn)霜凍日數(shù)呈明顯減小趨勢，尤其是在東安納托利亞、馬爾馬拉地區(qū)和地中海沿岸。關(guān)于霜期的研究，大多學(xué)者[6-9]是分析初、終霜日和（無）霜期的氣候變化特征，但也有部分學(xué)者[10-15]基于三者的變化規(guī)律進(jìn)一步研究將霜凍趨利避害的方法。彭九慧等[10]基于常規(guī)觀測資料與NCEP1°×1°再分析資料建立了初霜預(yù)報的天氣概念模型，檢驗表明該模型對于中重度初霜凍預(yù)報準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上，對輕度初霜的預(yù)報準(zhǔn)確率可達(dá)68%以上，無漏報出現(xiàn)。張雪芬等[15]從構(gòu)成晚霜凍害的最低溫度和小麥發(fā)育期兩個因素出發(fā)，提出了晚霜凍害指數(shù)構(gòu)建方法，使晚霜凍害指標(biāo)定量化。由于全球氣候變化的加劇，初霜日的推遲、終霜日的提前和無霜期的延長越來越明顯[16]。雖然氣候變暖是影響霜期變化的根本原因，但這種影響也存在著區(qū)域性和年代際的差異。

北疆位于新疆天山以北，春、秋季易受冷空氣影響[17]，尤其春季正值春耕春播關(guān)鍵時期，強(qiáng)冷空氣常造成霜凍災(zāi)害，對農(nóng)作物生長影響較大。目前新疆地區(qū)的霜期研究主要是分析全疆或者個別地區(qū)的氣候變化特征[18-20]，任妍等[18]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；王榮梅等[19]指出喀什地區(qū)50 a 來平均初霜日出現(xiàn)在10 月下旬，平均終霜日結(jié)束在3 月中旬，平均無霜期為123～225 d，極差為102 d；鄭玉萍等[20]對烏魯木齊3 個農(nóng)區(qū)霜凍變化進(jìn)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。

新疆“三山夾兩盆”的地形導(dǎo)致南北疆氣候差異較大，有必要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆珠_討論南北疆霜期特征，已有學(xué)者[21]對北疆地區(qū)初、終霜日和霜期時空特征進(jìn)行分析，但考慮到不同氣候背景對三者影響的研究卻鮮有見刊。姚俊強(qiáng)等[22]研究不同時間尺度下新疆氣候“暖濕化”特征指出：20 世紀(jì)90 年代之后新疆氣候多呈暖濕配置。因此，本文利用1961—2020 年的北疆氣象數(shù)據(jù)，將北疆初、終霜日和霜期分為1990 年前和1990 年后2 個氣候背景進(jìn)行年代際背景分析，討論過去60 年內(nèi)不同氣候背景下前后30年之間產(chǎn)生的差異，以期為當(dāng)?shù)氐乃獌鰹?zāi)害防御、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃等氣候研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)處于79°48′～95°56′E，42°18′～49°11′N，具有“三山夾兩盆”的地理特征，屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候，中部為準(zhǔn)噶爾盆地，海拔較低，在500～1 000 m（盆地西南部的艾比湖湖面海拔僅190 m），東高西低；北部與南部分別為阿爾泰山和天山山脈，山區(qū)海拔高度差異大，阿爾泰山海拔在1000～3000m，主要山脊高度在3 000 m 以上，北部的最高峰為友誼峰，海拔4 374 m；天山山脈東西長約1 000 km，寬35～50 km，海拔4 000～5 000 m。研究區(qū)內(nèi)選取37 個長時間序列具有農(nóng)區(qū)代表性的氣象站點(diǎn)。文中所涉及地圖均是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2016）1552 號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

2 資料與方法

關(guān)于初、終霜日和霜期的確定，目前的研究主要用日最低氣溫或者地面0 cm 最低溫度來判斷[23-24]，本文選取每年入秋以來第一次和最后一次日最低氣溫低于0 ℃的日期判定為當(dāng)年初霜日及終霜日[21]。根據(jù)數(shù)據(jù)連續(xù)性、統(tǒng)一性和時間一致性等原則，選取新疆氣象信息中心1961 年1 月1 日—2021 年5 月31日的逐日最低氣溫數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計整理，結(jié)合一元線性回歸、Cressman 空間插值法等常規(guī)氣象統(tǒng)計方法（統(tǒng)計分析過程中，將1961—1990 年記為氣候背景I，1991—2020 年記為氣候背景II），對不同氣候背景下北疆初、終霜日和霜期的時空變化特征進(jìn)行分析。

基于中國氣象局頒布的《全國氣候影響評價標(biāo)準(zhǔn)》[25]，通過計算初、終霜日和霜期的距平（Δd）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ），建立7 個等級判斷氣候態(tài)的轉(zhuǎn)變對初、終霜日和霜期氣候評價的影響。其中，1 級為Δd/σ ≥2，初、終霜日（霜期）異常偏晚（長）；2 級為2 ＞Δd/σ ≥1.5，初、終霜日（霜期）顯著偏晚（長）；3 級為1.5 ＞Δd/σ ＞1，初、終霜日（霜期）偏晚（長）；4 級為1 ≥Δd/σ ≥-1，初、終霜日（霜期）正常；5 級為-1 ＞Δd/σ ＞-1.5，初、終霜日（霜期）偏早（短）；6 級為-1.5 ≥Δd/σ ＞-2，初、終霜日（霜期）顯著偏早（短）；7 級為Δd/σ ≤-2，初、終霜日（霜期）異常偏早（短）。

3 結(jié)果分析

3.1 不同氣候背景下初、終霜日和霜期時間變化趨勢

分析1961—2020 年北疆地區(qū)平均初、終霜日和霜期的變化趨勢（圖1）可知，北疆地區(qū)平均初霜日呈推遲趨勢，推遲速率為0.20 d/a（P＜0.001）；平均終霜日呈提前趨勢，提前速率為0.16 d/a（P＜0.01）；平均霜期呈縮短趨勢，縮短速率為0.37 d/a（P＜0.001）。氣候背景I、II 下的變化趨勢有差異，北疆地區(qū)平均初霜日（圖1a）在氣候背景I 下呈較快推遲趨勢，推遲速率高達(dá)0.36 d/a（P＜0.005），在背景II 下則變化趨勢很小，呈微弱推遲趨勢，推遲速率僅有0.01 d/a。平均終霜日（圖1b）在氣候背景I 下呈推遲趨勢，推遲速率為0.15 d/a，這與過去60 年整體變化趨勢相差很大，在背景II 下呈較快的提前趨勢，提前速率高達(dá)0.28 d/a（P＜0.05），雖已有研究[26]表明過去58年北疆春季氣溫整體呈增溫趨勢，且速率較快，為0.374 ℃/10 a，但僅分析氣候背景I 下北疆春季氣溫變化趨勢則為-0.357 ℃/10 a（P＜0.01），這應(yīng)該是導(dǎo)致背景I 下北疆平均終霜日變化趨勢與過去60 年整體趨勢呈相反態(tài)勢的主要原因。平均霜期（圖1c）在氣候背景I、II 下均呈縮短趨勢，縮短速率分別為0.24、0.35 d/a（P＜0.1），近30 年來新疆氣候“暖濕化”趨勢明顯[22]，這可能是導(dǎo)致霜期在氣候背景II 下的縮短速率較快的原因。

圖1 不同氣候背景下北疆初霜日（a）、終霜日（b）和霜期（c）的年際變化

雖然過去60 年北疆地區(qū)霜期呈縮短態(tài)勢為普遍現(xiàn)象，但霜期的縮短并非均由初霜日推遲、終霜日提前共同影響的。在氣候背景I 下霜期的縮短主要由初霜日推遲而導(dǎo)致，在氣候背景II 下霜期的縮短主要由終霜日提前所導(dǎo)致。

3.2 不同氣候背景下初、終霜日和霜期空間變化特征

3.2.1 初霜日的空間變化

對比分析氣候背景I、II 下北疆初霜日空間變化趨勢（圖2a、3a）可以看出，北疆初霜日變化傾向率在氣候背景I 下整體為增加趨勢，變化趨勢為0.15～0.59 d·a-1（P＜0.05），說明在背景I 下北疆初霜日整體在推遲，其中哈密地區(qū)東部推遲速率最快，伊犁州中部次之，阿勒泰地區(qū)推遲速率最慢。北疆初霜日變化傾向率在氣候背景II 下西部整體呈減少趨勢，東部呈增加趨勢，變化趨勢為-0.18～0.21 d·a-1（P＜0.1），說明在背景II 下北疆初霜日西部提前、東部推遲，其中伊犁州、塔城地區(qū)中部、烏魯木齊提前趨勢較明顯，石河子、昌吉州東部推遲趨勢較明顯。

圖2 氣候背景I 下北疆初霜日（a）、終霜日（b）及霜期（c）的空間變化趨勢

圖3 氣候背景II 下北疆初霜日（a）、終霜日（b）及霜期（c）的空間變化趨勢

3.2.2 終霜日的空間變化

對比分析氣候背景I、II 下北疆終霜日空間變化趨勢（圖2b、3b）可以看出，北疆終霜日在氣候背景I下整體呈推遲趨勢，僅阿勒泰地區(qū)東部、哈密地區(qū)東部呈提前趨勢，變化趨勢為-0.16～0.39 d·a-1，其中伊犁州西部、中天山北部一線推遲速率最明顯。北疆終霜日在氣候背景II 下整體呈提前趨勢，變化趨勢為-0.63～0.23 d·a-1（P＜0.1），其中塔額盆地、烏昌石一線部分地區(qū)提前趨勢較明顯，高達(dá)-0.54～-0.63 d·a-1（P＜0.1），伊犁州、博州、塔城地區(qū)南部提前趨勢較慢。

3.2.3 霜期的空間變化

對比分析氣候背景I、II 下北疆霜期空間變化趨勢（圖2c、3c）可以看出，北疆霜期在氣候背景I 下整體呈縮短趨勢，局地呈延長趨勢，變化趨勢為-0.75～0.05 d·a-1（P＜0.1），其中哈密地區(qū)東部縮短速率最明顯，塔城地區(qū)南部次之，伊犁州西部、阿勒泰地區(qū)中部、烏昌石部分地區(qū)呈延長趨勢或縮短速率不明顯。北疆霜期在氣候背景II 下西部呈較弱延長趨勢，中東部整體呈縮短趨勢，變化趨勢為-0.17～0.27 d·a-1，其中昌吉州、哈密地區(qū)北部縮短趨勢較明顯，伊犁州、博州、塔城地區(qū)部分地區(qū)呈較弱延長趨勢。

綜上所述，北疆地區(qū)平均初霜日在氣候背景II下變化趨勢很小是因為背景II 下北疆初霜日西部提前、東部推遲，且推遲與提前的變化趨勢相差較??；平均終霜日在氣候背景I 下反呈推遲趨勢是因為北疆終霜日在背景I 下整體呈推遲趨勢，僅阿勒泰地區(qū)東部、哈密地區(qū)東部呈提前趨勢，且推遲速率較大，提前速率較小。

3.3 不同氣候背景對初、終霜日和霜期等級的影響

分析氣候背景I、II 下北疆地區(qū)初、終霜日和霜期等級的變化特征（圖4）可知，相較氣候背景I，初霜日在氣候背景II 下異常偏晚的年數(shù)略微減少，異常偏早的年數(shù)顯著增加；終霜日在氣候背景II 下異常偏晚的年數(shù)有所增加，異常偏早的年數(shù)顯著減少；霜期在氣候背景II 下異常偏長的年數(shù)有所增加，異常偏短的年數(shù)有所減少。由此可知，氣候背景的轉(zhuǎn)變會對初、終霜日和霜期的氣候評價產(chǎn)生一定影響，由氣候背景I 轉(zhuǎn)為II，北疆初霜日等級由低向高轉(zhuǎn)變（即偏晚頻率降低，偏早頻率增加），終霜日和霜期與其相反（即終霜日偏晚頻率增加，偏早頻率降低；霜期偏短頻率降低，偏長頻率增加）。

圖4 不同氣候背景下北疆初霜日等級（a）、終霜日等級（b）、霜期等級（c）出現(xiàn)頻率的變化

3.4 初、終霜日與大氣環(huán)流指數(shù)相關(guān)性分析

霜期變化趨勢和氣候背景的轉(zhuǎn)變密切相關(guān)，不同氣候背景下霜期的變化特征相差較大。關(guān)于霜期的研究，常規(guī)的討論方法往往是利用M-K 突變檢驗（或結(jié)合滑動T 檢驗、信噪比檢驗）來分析可能存在的突變情況，但本文在研究過程中曾反復(fù)選取多個滑動窗口進(jìn)行突變檢驗，檢驗效果均不達(dá)標(biāo)，究其原因應(yīng)該是初、終霜日受極端天氣影響較為嚴(yán)重，極端天氣具有不確定性，受極端天氣影響初、終霜日和霜期的突變情況也變得置信度不高。對于霜期的研究應(yīng)該更多的考慮極端天氣所伴隨的影響，通過分析大氣環(huán)流指數(shù)與初、終霜日的相關(guān)性更有利于準(zhǔn)確把握霜的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)[27-28]選取北極濤動指數(shù)（AO）、北大西洋濤動指數(shù)（NAO）、東亞槽位置指數(shù)、厄爾尼諾—南方濤動指數(shù)（ENSO）分析與北疆初、終霜日的相關(guān)性（數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心網(wǎng)站http：//cmdp.ncccma.net/cn/monitoring.htm），其中ENSO 指數(shù)采用NINO 3.4 區(qū)（5°S～5°N，170°～120°W）海表溫度距平（SSTA）表示?？紤]到海氣相互作用具有一定滯后性，分別將1961—2020 年北疆初、終霜日與春、夏、秋、冬季的大氣環(huán)流指數(shù)做相關(guān)分析（表1）。初霜日與夏季北大西洋濤動指數(shù)和春季東亞槽位置指數(shù)均呈顯著負(fù)相關(guān)，終霜日與秋季北大西洋濤動指數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)季節(jié)北大西洋濤動指數(shù)對于北疆地區(qū)初、終霜日的影響較為顯著。

表1 1961—2020 年北疆初、終霜日與季節(jié)性大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)

1961—2020 年夏季、秋季北大西洋濤動指數(shù)平均值分別為0.069 和0.109，挑選當(dāng)年對應(yīng)季節(jié)指數(shù)高于平均值的年份為高指數(shù)年，統(tǒng)計不同氣候背景下高指數(shù)年份數(shù)量。夏季北大西洋濤動指數(shù)在氣候背景I 下有20 a 為高指數(shù)年，在氣候背景II 下有11 a 為高指數(shù)年，由于初霜日與夏季北大西洋濤動指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著氣候背景的轉(zhuǎn)變，高指數(shù)年份數(shù)量減少，對應(yīng)初霜日推遲趨勢增強(qiáng)。秋季北大西洋濤動指數(shù)在氣候背景I 下有22 a 為高指數(shù)年，在氣候背景II 下有9 a 為高指數(shù)年，終霜日與秋季北大西洋濤動指數(shù)呈顯著正相關(guān)，隨著氣候背景的轉(zhuǎn)變，高指數(shù)年份數(shù)量減少，對應(yīng)終霜日提前趨勢增強(qiáng)。夏、秋季北大西洋濤動指數(shù)對于北疆地區(qū)初、終霜日的變化趨勢有很好的指導(dǎo)性意義，在霜期預(yù)測工作中應(yīng)充分考慮北大西洋濤動指數(shù)的指示作用。

4 結(jié)論

利用常規(guī)氣象統(tǒng)計方法分析了不同氣候背景下北疆地區(qū)初、終霜日和霜期的時空變化特征，得到如下結(jié)論：

（1）不同氣候背景下，北疆初、終霜日和霜期的時間變化趨勢差異明顯。初霜日在氣候背景I 下呈較快推遲趨勢，速率達(dá)0.36 d/a（P＜0.005），在背景II下變化趨勢很小。終霜日在氣候背景I 下呈推遲趨勢，速率達(dá)0.15 d/a，在背景II 下呈較快提前趨勢，速率達(dá)0.28 d/a（P＜0.05）。霜期在氣候背景I、II 下均呈縮短趨勢，速率分別為0.24、0.35 d/a（P＜0.1）。

（2）北疆地區(qū)霜期在過去60 年內(nèi)整體呈縮短態(tài)勢，但在不同氣候背景下影響霜期縮短的原因各不相同。在氣候背景I 下霜期的縮短主要由初霜日推遲導(dǎo)致，終霜日對霜期的縮短為負(fù)貢獻(xiàn)，其在氣候背景I 下反呈推遲趨勢，原因是由于氣候背景I 下北疆地區(qū)春季氣溫變化趨勢為-0.357 ℃/10 a，降溫趨勢明顯，且北疆終霜日整體呈推遲趨勢，僅阿勒泰地區(qū)東部、哈密地區(qū)東部呈提前趨勢。氣候背景II 下霜期的縮短主要由終霜日提前導(dǎo)致，初霜日幾乎沒有影響到霜期的縮短，其在氣候背景II 下整體變化趨勢很小，這是由于氣候背景II 下北疆地區(qū)初霜日西部在提前，東部在推遲，且推遲與提前的變化趨勢相差較小。

（3）隨著氣候背景的轉(zhuǎn)變，北疆地區(qū)初、終霜日和霜期的氣候評價會受到一定影響，由氣候背景I轉(zhuǎn)為II，北疆初霜日等級由低向高轉(zhuǎn)變，即初霜日出現(xiàn)偏早現(xiàn)象的頻率增多；終霜日和霜期等級則由高向低轉(zhuǎn)變，即終霜日出現(xiàn)偏晚現(xiàn)象的頻率增多，霜期出現(xiàn)偏長現(xiàn)象的頻率增多。

（4）初霜日與夏季北大西洋濤動指數(shù)和春季東亞槽位置指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，終霜日與秋季北大西洋濤動指數(shù)呈顯著正相關(guān)。相關(guān)季節(jié)北大西洋濤動指數(shù)對于北疆地區(qū)初、終霜日的影響較為顯著，對于初、終霜日的變化趨勢有指導(dǎo)性意義。

目前研究不同地區(qū)霜期的文章較多，多數(shù)都停留在常規(guī)研究方法上[4]，即分析時間、空間變化率，做突變檢驗及周期分析等。本文分不同氣候背景討論北疆霜期的變化特征，并找準(zhǔn)影響霜期變化的關(guān)鍵因素（大氣環(huán)流指數(shù)），對當(dāng)?shù)厮诘淖兓卣饔辛烁?xì)致的認(rèn)識。雖然本文已對北疆霜期與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，找出了對北疆初、終霜日影響較為顯著的指數(shù)，但環(huán)流指數(shù)對于霜期的預(yù)報到底有怎樣的指導(dǎo)意義有待進(jìn)一步探討。另外，姚俊強(qiáng)等[29]在最新的研究中表明，近10 年新疆氣候出現(xiàn)了從“暖濕化”向“暖干化”轉(zhuǎn)折的強(qiáng)烈信號，這對北疆霜期的影響如何有待進(jìn)一步研究。