濉溪縣霜變化特征及結霜與氣象要素關系分析

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　　摘  要：研究濉溪縣1957—2018年霜的變化及結霜與氣象要素關系，結果表明：隨著年份的延續，初霜日推后，終霜日提前，無霜期延長，霜日減少，氣候傾向率分別為3.66、-2.96、6.62、-4.26d/10年。隨著當日最低溫度升高或隔夜溫差的增大，結霜頻率呈拋物線變化趨勢;結霜頻率與上日濕度、日照率或降水量多直線相關。對結霜頻率的影響大小依次為當日最低氣溫?上日日照率?上日濕度?隔夜溫差?上日降水量。
　　關鍵詞：初霜日;終霜日;變化特征;氣象要素
　　中圖分類號 P423.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2019）10-0138-05
　　IPCC第5次評估報告指出，1880—2012年期間全球平均陸地和海洋表面溫度升高0.85℃，全球幾乎所有的地區都經歷了地表增暖過程。20世紀后半葉，中國也經歷了類似氣候變暖過程，1951—2009年中國陸地表面平均溫度升高1.38℃，變暖速率為0.23℃/10年。在全球變暖的背景下，一些極端氣候事件發生的頻率和強度也顯著增加，許多地區遭受低溫冷害和高溫熱浪的侵擾。霜是水汽在地面和近地面物體上凝華而成的白色松脆的冰晶，或由露凍結而成的冰珠，對農作物基本無害。霜凍是指空氣溫度突然下降，使植物體溫降至0℃以下而受到損害甚至死亡的農業氣象災害。國內很多學者分析了全國及區域初、終霜日期的時空變化特征，發現中國大部分地區的初霜日推遲、終霜日提前，無霜期延長，并且在1980—1990年發生突變[1～6]。近年來，對濉溪縣氣候變化如氣溫、日照、降水等方面的研究較多，對于結霜方面的研究幾乎空白。筆者利用濉溪縣62年的氣候資料，分析初、終霜日及無霜期的變化趨勢，解析氣象要素與結霜頻率的關系，以期更好的指導農事生產，預防霜凍，減少損失。
　　1 材料與方法
　　1.1 研究區概況 安徽省濉溪縣位于黃淮平原南緣，地處33°17′～33°59′N、116°23′～116°59′E，南北長90km，東西寬45km，轄11個鎮和省級濉溪經濟開發區、濉溪蕪湖現代產業園，人口107萬。國土面積1987km2，皆為平原，地勢平坦，地面高程23.5～32.4m，自西北向東南緩傾，坡降1/10000。耕地14.7×104hm2，土壤類型為砂姜黑土和潮土。耕作制度以冬小麥-夏大豆、冬小麥-夏玉米1年2熟為主，復種指數184.0%。1981—2010年30年平均太陽輻射總量521.6kJ/cm2，年平均氣溫15.3℃，>0℃積溫5497℃·d，≥10℃積溫4975℃·d。日照時數2237.0h，降水量818.3mm，蒸發量1883.8mm。
　　1.2 數據來源 1957—2018年霜日（記錄霜為準）及結霜前氣溫、空氣濕度、日照、降水等氣象資料來自濉溪縣氣象站。
　　1.3 數據處理 數據處理和圖表繪制利用Excel 2003軟件進行，使用DPS v7.05軟件進行統計分析。將原始霜日數據采用儒歷日進行標準化，定義為同一年（4的倍數年）的日期。
　　采用線性傾向估計即一元線性回歸對時間序列數據進行變化趨勢分析。變化的方向和顯著性由相關系數r來判定：r值正為退后（延長），負為提前（縮短）;│r│<r0.1表示沒有明顯的異常變化，r0.05≥│r│≥r0.1弱相關（近似直線變化），│r│≥r0.05變化趨勢顯著。回歸系數k表示變化幅度的大小。
　　結霜日期與大氣最低溫度關系密切，由此認為其與大氣溫度一樣滿足正態分布。[X]（平均數）-[σ]（標準差）～[X±σ]之間定義為正常值，[X±σ]之外為異常，[X]±1.65σ之外的為特異常。
　　采用Mann-kendall檢驗對霜的年際變化特征進行突變檢驗。把結霜前氣象要素按適當的間隔劃分若干區間（區間數?5），統計區間內天數和結霜日數，計算結霜頻率（f），通過線性或曲線擬合分析結霜頻率與氣象要素的關系。霜期劃分：秋霜10月中旬至11月（51d），冬霜12月至翌年2月（90～91d），春霜3月至4月中旬（51d）。
　　2 結果與分析
　　2.1 霜的季節分布 1957—2018年62年間濉溪縣共結霜4585次，年均霜日73.95d，標準差13.31d，近30年平均（歷年平均）66.1d。1995年最多，達97d;2018年最少，為33d。
　　濉溪縣霜日分布具有明顯的季節性[7]，99.9%以上的霜日分布在10月中旬至翌年4月中旬。1957—2018年10月中旬前結霜僅1次（1981年10月10日），4月中旬后結霜也1次（1961年5月4日），屬極小概率事件。10月中旬至翌年4月中旬霜日（D）分布呈拋物線變化趨勢（圖1），1月上旬結霜最多（平均7.2d）。設定10月中旬編碼值（m）為1，10月下旬m=2，以此類推;回歸方程為D=-1.72+1.721m-0.089m2，r一次項=0.947**，r二次項=-0.953**。10月中旬至12月上旬，有霜年率從14.5%逐步增加到100%，11月中旬至翌年3月上旬80%以上的年份旬有霜1次以上，12月上旬至翌年2月中旬有霜年率接近100%，2月下旬后，由93.5%逐步降低到14.5%（圖1）。
　　2.2 霜的變化特征 結霜與溫度有著密切的聯系，在全球變暖的背景下，霜期必然隨之發生變化。
　　2.2.1 霜的變化 由溫暖季節向寒冷季節過渡期間第1次結霜日期為初霜日。濉溪縣1957—2018年初霜日介于10月10日（1981年）至12月3日（1994年），相差54d。平均10月30日（歷年平均11月5日），標準差11.4d，正常年份初霜日介于10月19日至11月11日。隨著年份的延續，初霜日顯著推遲（r=0.5812**），氣候傾向率為3.66d/10年（圖2）。62年推遲22.7d。從圖3可以看出初霜日在1988年發生突變。 　　由寒冷季節向溫暖季節過渡期間最后結霜日期為終霜日。濉溪縣1957—2018年終霜日介于2月22日（1999年）至5月4日（1961年），相差72d。平均3月30日（歷年平均3月25日），標準差13.3d，正常年份終霜日介于3月17日至4月11日。隨著年份的延續，終霜日明顯提前（r=-0.4296**），氣候傾向率為-2.96d/10年。62年提前18.4d。從圖4可以看出，終霜日的在1987年發生突變。相同氣候背景下，初霜日推遲幅度大于終霜日提前幅度，表明初霜日對氣候變化的響應更為敏感。
　　 濉溪縣1957—2018年霜日為33（2018年）～97d（1995年），相差64d。平均73.95d（歷年平均66.07d），標準差13.31d，正常年份60.6～87.3d。隨著年份的延續，霜日顯著減少（r=-0.6108**），氣候傾向率為-4.26d/10年。62年減少26.4d。各月霜日也隨著年份的延續趨于減少（r=-0.2018～-0.5107），除1月相關不顯著外，其余達顯著或極顯著水平。每10年減少0.20～0.93d（表1）。
　　無霜期是終霜日后1天至初霜日前1天之間的天數，是廣泛用來衡量地區農業氣候資源的重要指標。濉溪縣無霜期在179（1962年）～267d（1999年），相差88d。年均213.2d（歷年平均223.7d），標準差19.6d，正常年份193.6～232.8d。隨著年份的延續，無霜期顯著延長（r=0.6108**），氣候傾向率為6.62d/10年。無霜期延長有利于種植業結構調整及農產品產量的提高。
　　相關分析表明：初霜日與終霜日極顯著負相關（r=-0.3502**），與霜日極顯著負相關（r=-0.5131**），與無霜期極顯著正相關（r=0.8038**）。初霜日每推遲1d，終霜日提前0.38d，霜日減少0.60d，無霜期延長1.38d。
　　2.2.2 結霜異常 1957—2018年間，濉溪縣初霜日偏早7年，特早3年，概率為11.7%、5.0%;終霜日偏晚7年，特晚2年，概率11.7%、3.3%。霜日偏少20.0%，偏多16.7%;無霜期偏短21.7%，偏長16.7%（表2）。初霜來臨早，容易造成冬小麥幼苗受凍，對夏紅薯和蘿卜等露天蔬菜產量形成不利。終霜推遲，可能造成小麥穗部凍害，也影響桃、葡萄等林果開花、受精。
　　2.3 結霜與氣象條件的關系
　　2.3.1 霜日的氣象條件 當較暖空氣和較冷物體表面接觸時空氣就會冷卻，達到水汽過飽和時多余水汽就會析出。如果地表或草面溫度<0℃，則多余的水汽就在物體表面凝華為冰晶，便形成霜。濉溪縣1961—2018年58年結霜4265次，臨近結霜的氣象條件為：當日最低氣溫-21.3～10.6℃（-3.5±3.5，[X±σ]，下同），隔夜溫差1.7～25.3℃（11.8±3.4），上日平均濕度15%～100%（63.2±14.8），上日日照率0.0%～100%（61.7±30.0），雨日498d，上日降水量0.1～111.9mm。這說明陰雨天次日清晨也可能結霜。
　　2.3.2 結霜與氣象條件的關系 寒冷季節霜大多形成于晴朗、微風、濕度大的夜晚，這是適合的風、溫、濕等多種氣象要素共同作用的結果[8]。日出后隨著溫度的升高，霜逐漸融化消失。
　?。?）當日最低氣溫：濉溪縣1961—2018年結霜期間，最低氣溫秋季-7.8～19.3℃，冬季-21.3～11.4℃，春季-7.7～17.8℃。將當日最低氣溫（Tmin）以1.0℃為間隔劃分區間（冬季≤-14.1℃的僅23d，作為一個區間），得出不同區間結霜頻率（圖5）。從圖5可以看出：秋季最低氣溫≥6.1℃，僅出現1次結霜;冬春季最低氣溫≥5.1℃，即不再結霜。故可用翌日最低氣溫<6.0℃作為秋霜、<5.0℃作為冬春霜可能出現的預報指標[9]。相同最低氣溫條件下，秋季結霜頻率明顯高于冬春季。以區間中點作為自變量取值（下同），分析表明，隨著當日最低氣溫的升高，結霜頻率降低，呈平拋運動曲線變化（表3），最低溫度越高，下降速率越大。
　?。?）隔夜溫差：1961—2018年間，濉溪縣隔夜溫差秋霜1.5～22.3℃，冬霜1.5～23.9℃，春霜1.7～26.8℃。將隔夜溫差（Td）以1.0℃為間隔劃分區間（兩端區間間隔適當放大，下同），得出不同區間結霜頻率（圖6）。相同隔夜溫差條件下，冬季結霜頻率明顯高于春秋季。隨著隔夜溫差的加大，結霜頻率趨于加大，秋霜呈直線增長，冬春霜呈拋物線變化趨勢。
　?。?）上日濕度：1961—2018年間，濉溪縣平均空氣濕度秋霜20%～99%，冬霜15%～100%，春霜19%～99%。將上日濕度（H）以5%為間隔劃分區間，得出不同區間結霜頻率（圖7）。相同空氣濕度條件下，結霜頻率總體上冬霜?秋霜?春霜。隨著上日濕度的加大，結霜頻率趨于減少，秋霜呈直線下降，冬春霜呈拋物線變化趨勢。這是因為空氣中水汽越高，空氣比重越大，降溫速度越慢;同時水汽凝結成露的過程中，釋放出熱量越多，從而更加減小降溫幅度。
　?。?）上日日照率：將上日日照率（S）以5%為間隔劃分區間，得出不同區間結霜頻率（圖8）。相同日照率條件下，冬季結霜頻率明顯高于春秋季。隨著上日日照率的增加，結霜頻率呈直線增長，但春霜未達顯著水平（P=0.0621）。
　?。?）上日降水：濉溪縣1961—2016年1月至4月中旬和10月中旬至12月霜日4176d，雨日1985d，結霜上日有降水的489d。每8年作為1個區組分析，降水次日結霜頻率15.66%～38.59%，平均24.65%;無雨次日結霜頻率34.69%～48.32%，平均42.01%。兩者平均相差17.36個百分點（表4）。方差分析表明差異極顯著（F=16.726**）。
　　 將降水量以0.1、0.2、0.3～0.4、0.5～0.8、0.9～1.2、1.3～2.0、2.1～3.0、3.1～5.0、5.1～7.0、7.1～10.0、10.1～15.0、15.1～25.0和25.1～50.0劃分區間，得出不同區間結霜頻率（圖9）。相同降水量條件下，冬季結霜頻率明顯高于春秋季。分析表明，隨著上日降水量的增加，結霜頻率趨于下降，秋霜呈拋物線變化趨勢（一、二次項P值分別為0.073、0.077），冬春霜趨于直線下降，但春霜未達顯著水平（P值0.071）。 　?。?）標準化回歸系數：對上述自變量進行標準化處理（最小值設為0，最大值設為100），相關分析表明：年結霜頻率與當日最低溫度、隔夜溫差和上日濕度、日照率、降水量直線相關（表5）。從回歸系數的絕對值可以看出氣象要素對結霜頻率的影響順序：當日最低氣溫?上日日照率?上日濕度?隔夜溫差?上日降水量。
　　3 結論與討論
　　濉溪縣霜的變化與其他地區趨勢基本一致，但變化速率有別。每10年初霜日推后3.66d，終霜日提前2.96d，無霜期延長6.62d，霜日減少4.26d。氣候傾向率均大于全國平均值[6]。隨著當日最低溫度升高或隔夜溫差的增大，結霜頻率呈拋物線變化趨勢;結霜頻率與上日濕度、日照率或降水量多直線相關，黎明氣溫低、隔夜溫差大，上日濕度小、日照率高或降水量少，結霜頻率高。氣象要素對結霜頻率的影響：當日最低氣溫?上日日照率?上日濕度?隔夜溫差?上日降水量。
　　農業受霜凍的影響十分嚴重，較為嚴重的霜凍將導致農作物減產30%左右，甚至顆粒無收。全球氣候變暖引起的初霜推遲、終霜提前和無霜期延長，對研究區域的作物種類、農業產業布局、農作物的產量和質量等都會產生重要影響。
　　霜形成于寒冷季節晴朗、微風、濕度大的夜晚[10]。筆者僅研究了結霜前24h氣象要素與結霜頻率的關系，有關結霜頻率與前夜氣象要素的關系有待進一步研究。
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