濉溪县霜变化特征及结霜与气象要素关系分析

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　　摘  要：研究濉溪县1957—2018年霜的变化及结霜与气象要素关系，结果表明：随着年份的延续，初霜日推后，终霜日提前，无霜期延长，霜日减少，气候倾向率分别为3.66、-2.96、6.62、-4.26d/10年。随着当日最低温度升高或隔夜温差的增大，结霜频率呈抛物线变化趋势;结霜频率与上日湿度、日照率或降水量多直线相关。对结霜频率的影响大小依次为当日最低气温?上日日照率?上日湿度?隔夜温差?上日降水量。
　　关键词：初霜日;终霜日;变化特征;气象要素
　　中图分类号 P423.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）10-0138-05
　　IPCC第5次评估报告指出，1880—2012年期间全球平均陆地和海洋表面温度升高0.85℃，全球几乎所有的地区都经历了地表增暖过程。20世纪后半叶，中国也经历了类似气候变暖过程，1951—2009年中国陆地表面平均温度升高1.38℃，变暖速率为0.23℃/10年。在全球变暖的背景下，一些极端气候事件发生的频率和强度也显著增加，许多地区遭受低温冷害和高温热浪的侵扰。霜是水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白色松脆的冰晶，或由露冻结而成的冰珠，对农作物基本无害。霜冻是指空气温度突然下降，使植物体温降至0℃以下而受到损害甚至死亡的农业气象灾害。国内很多学者分析了全国及区域初、终霜日期的时空变化特征，发现中国大部分地区的初霜日推迟、终霜日提前，无霜期延长，并且在1980—1990年发生突变[1～6]。近年来，对濉溪县气候变化如气温、日照、降水等方面的研究较多，对于结霜方面的研究几乎空白。笔者利用濉溪县62年的气候资料，分析初、终霜日及无霜期的变化趋势，解析气象要素与结霜频率的关系，以期更好的指导农事生产，预防霜冻，减少损失。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况 安徽省濉溪县位于黄淮平原南缘，地处33°17′～33°59′N、116°23′～116°59′E，南北长90km，东西宽45km，辖11个镇和省级濉溪经济开发区、濉溪芜湖现代产业园，人口107万。国土面积1987km2，皆为平原，地势平坦，地面高程23.5～32.4m，自西北向东南缓倾，坡降1/10000。耕地14.7×104hm2，土壤类型为砂姜黑土和潮土。耕作制度以冬小麦-夏大豆、冬小麦-夏玉米1年2熟为主，复种指数184.0%。1981—2010年30年平均太阳辐射总量521.6kJ/cm2，年平均气温15.3℃，>0℃积温5497℃·d，≥10℃积温4975℃·d。日照时数2237.0h，降水量818.3mm，蒸发量1883.8mm。
　　1.2 数据来源 1957—2018年霜日（记录霜为准）及结霜前气温、空气湿度、日照、降水等气象资料来自濉溪县气象站。
　　1.3 数据处理 数据处理和图表绘制利用Excel 2003软件进行，使用DPS v7.05软件进行统计分析。将原始霜日数据采用儒历日进行标准化，定义为同一年（4的倍数年）的日期。
　　采用线性倾向估计即一元线性回归对时间序列数据进行变化趋势分析。变化的方向和显著性由相关系数r来判定：r值正为退后（延长），负为提前（缩短）;│r│<r0.1表示没有明显的异常变化，r0.05≥│r│≥r0.1弱相关（近似直线变化），│r│≥r0.05变化趋势显著。回归系数k表示变化幅度的大小。
　　结霜日期与大气最低温度关系密切，由此认为其与大气温度一样满足正态分布。[X]（平均数）-[σ]（标准差）～[X±σ]之间定义为正常值，[X±σ]之外为异常，[X]±1.65σ之外的为特异常。
　　采用Mann-kendall检验对霜的年际变化特征进行突变检验。把结霜前气象要素按适当的间隔划分若干区间（区间数?5），统计区间内天数和结霜日数，计算结霜频率（f），通过线性或曲线拟合分析结霜频率与气象要素的关系。霜期划分：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 结果与分析
　　2.1 霜的季节分布 1957—2018年62年间濉溪县共结霜4585次，年均霜日73.95d，标准差13.31d，近30年平均（历年平均）66.1d。1995年最多，达97d;2018年最少，为33d。
　　濉溪县霜日分布具有明显的季节性[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月中旬前結霜仅1次（1981年10月10日），4月中旬后结霜也1次（1961年5月4日），属极小概率事件。10月中旬至翌年4月中旬霜日（D）分布呈抛物线变化趋势（图1），1月上旬结霜最多（平均7.2d）。设定10月中旬编码值（m）为1，10月下旬m=2，以此类推;回归方程为D=-1.72+1.721m-0.089m2，r一次项=0.947**，r二次项=-0.953**。10月中旬至12月上旬，有霜年率从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%（图1）。
　　2.2 霜的变化特征 结霜与温度有着密切的联系，在全球变暖的背景下，霜期必然随之发生变化。
　　2.2.1 霜的变化 由温暖季节向寒冷季节过渡期间第1次结霜日期为初霜日。濉溪县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（历年平均11月5日），标准差11.4d，正常年份初霜日介于10月19日至11月11日。随着年份的延续，初霜日显著推迟（r=0.5812**），气候倾向率为3.66d/10年（图2）。62年推迟22.7d。从图3可以看出初霜日在1988年发生突变。 　　由寒冷季节向温暖季节过渡期间最后结霜日期为终霜日。濉溪县1957—2018年终霜日介于2月22日（1999年）至5月4日（1961年），相差72d。平均3月30日（历年平均3月25日），标准差13.3d，正常年份终霜日介于3月17日至4月11日。随着年份的延续，终霜日明显提前（r=-0.4296**），气候倾向率为-2.96d/10年。62年提前18.4d。从图4可以看出，终霜日的在1987年发生突变。相同气候背景下，初霜日推迟幅度大于终霜日提前幅度，表明初霜日对气候变化的响应更为敏感。
　　 濉溪县1957—2018年霜日为33（2018年）～97d（1995年），相差64d。平均73.95d（历年平均66.07d），标准差13.31d，正常年份60.6～87.3d。随着年份的延续，霜日显著减少（r=-0.6108**），气候倾向率为-4.26d/10年。62年减少26.4d。各月霜日也随着年份的延续趋于减少（r=-0.2018～-0.5107），除1月相关不显著外，其余达显著或极显著水平。每10年减少0.20～0.93d（表1）。
　　无霜期是终霜日后1天至初霜日前1天之间的天数，是广泛用来衡量地区农业气候资源的重要指标。濉溪县无霜期在179（1962年）～267d（1999年），相差88d。年均213.2d（历年平均223.7d），标准差19.6d，正常年份193.6～232.8d。随着年份的延续，无霜期显著延长（r=0.6108**），气候倾向率为6.62d/10年。无霜期延长有利于种植业结构调整及农产品产量的提高。
　　相关分析表明：初霜日与终霜日极显著负相关（r=-0.3502**），与霜日极显著负相关（r=-0.5131**），与无霜期极显著正相关（r=0.8038**）。初霜日每推迟1d，终霜日提前0.38d，霜日减少0.60d，无霜期延长1.38d。
　　2.2.2 结霜异常 1957—2018年间，濉溪县初霜日偏早7年，特早3年，概率为11.7%、5.0%;终霜日偏晚7年，特晚2年，概率11.7%、3.3%。霜日偏少20.0%，偏多16.7%;无霜期偏短21.7%，偏长16.7%（表2）。初霜来临早，容易造成冬小麦幼苗受冻，对夏红薯和萝卜等露天蔬菜产量形成不利。终霜推迟，可能造成小麦穗部冻害，也影响桃、葡萄等林果开花、受精。
　　2.3 结霜与气象条件的关系
　　2.3.1 霜日的气象条件 当较暖空气和较冷物体表面接触时空气就会冷却，达到水汽过饱和时多余水汽就会析出。如果地表或草面温度<0℃，则多余的水汽就在物體表面凝华为冰晶，便形成霜。濉溪县1961—2018年58年结霜4265次，临近结霜的气象条件为：当日最低气温-21.3～10.6℃（-3.5±3.5，[X±σ]，下同），隔夜温差1.7～25.3℃（11.8±3.4），上日平均湿度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。这说明阴雨天次日清晨也可能结霜。
　　2.3.2 结霜与气象条件的关系 寒冷季节霜大多形成于晴朗、微风、湿度大的夜晚，这是适合的风、温、湿等多种气象要素共同作用的结果[8]。日出后随着温度的升高，霜逐渐融化消失。
　　（1）当日最低气温：濉溪县1961—2018年结霜期间，最低气温秋季-7.8～19.3℃，冬季-21.3～11.4℃，春季-7.7～17.8℃。将当日最低气温（Tmin）以1.0℃为间隔划分区间（冬季≤-14.1℃的仅23d，作为一个区间），得出不同区间结霜频率（图5）。从图5可以看出：秋季最低气温≥6.1℃，仅出现1次结霜;冬春季最低气温≥5.1℃，即不再结霜。故可用翌日最低气温<6.0℃作为秋霜、<5.0℃作为冬春霜可能出现的预报指标[9]。相同最低气温条件下，秋季结霜频率明显高于冬春季。以区间中点作为自变量取值（下同），分析表明，随着当日最低气温的升高，结霜频率降低，呈平抛运动曲线变化（表3），最低温度越高，下降速率越大。
　　（2）隔夜温差：1961—2018年间，濉溪县隔夜温差秋霜1.5～22.3℃，冬霜1.5～23.9℃，春霜1.7～26.8℃。将隔夜温差（Td）以1.0℃为间隔划分区间（两端区间间隔适当放大，下同），得出不同区间结霜频率（图6）。相同隔夜温差条件下，冬季结霜频率明显高于春秋季。随着隔夜温差的加大，结霜频率趋于加大，秋霜呈直线增长，冬春霜呈抛物线变化趋势。
　　（3）上日湿度：1961—2018年间，濉溪县平均空气湿度秋霜20%～99%，冬霜15%～100%，春霜19%～99%。将上日湿度（H）以5%为间隔划分区间，得出不同区间结霜频率（图7）。相同空气湿度条件下，结霜频率总体上冬霜?秋霜?春霜。随着上日湿度的加大，结霜频率趋于减少，秋霜呈直线下降，冬春霜呈抛物线变化趋势。这是因为空气中水汽越高，空气比重越大，降温速度越慢;同时水汽凝结成露的过程中，释放出热量越多，从而更加减小降温幅度。
　　（4）上日日照率：将上日日照率（S）以5%为间隔划分区间，得出不同区间结霜频率（图8）。相同日照率条件下，冬季结霜频率明显高于春秋季。随着上日日照率的增加，结霜频率呈直线增长，但春霜未达显著水平（P=0.0621）。
　　（5）上日降水：濉溪县1961—2016年1月至4月中旬和10月中旬至12月霜日4176d，雨日1985d，结霜上日有降水的489d。每8年作为1个区组分析，降水次日结霜频率15.66%～38.59%，平均24.65%;无雨次日结霜频率34.69%～48.32%，平均42.01%。两者平均相差17.36个百分点（表4）。方差分析表明差异极显著（F=16.726**）。
　　 将降水量以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划分区间，得出不同区间结霜频率（图9）。相同降水量条件下，冬季结霜频率明显高于春秋季。分析表明，随着上日降水量的增加，结霜频率趋于下降，秋霜呈抛物线变化趋势（一、二次项P值分别为0.073、0.077），冬春霜趋于直线下降，但春霜未达显著水平（P值0.071）。 　　（6）标准化回归系数：对上述自变量进行标准化处理（最小值设为0，最大值设为100），相关分析表明：年结霜频率与当日最低温度、隔夜温差和上日湿度、日照率、降水量直线相关（表5）。从回归系数的绝对值可以看出气象要素对结霜频率的影响顺序：当日最低气温?上日日照率?上日湿度?隔夜温差?上日降水量。
　　3 结论与讨论
　　濉溪县霜的变化与其他地区趋势基本一致，但变化速率有别。每10年初霜日推后3.66d，终霜日提前2.96d，无霜期延长6.62d，霜日减少4.26d。气候倾向率均大于全国平均值[6]。随着当日最低温度升高或隔夜温差的增大，结霜频率呈抛物线变化趋势;结霜频率与上日湿度、日照率或降水量多直线相关，黎明气温低、隔夜温差大，上日湿度小、日照率高或降水量少，结霜频率高。气象要素对结霜频率的影响：当日最低气温?上日日照率?上日湿度?隔夜温差?上日降水量。
　　农业受霜冻的影响十分严重，较为严重的霜冻将导致农作物减产30%左右，甚至颗粒无收。全球气候变暖引起的初霜推迟、终霜提前和无霜期延长，对研究区域的作物种类、农业产业布局、农作物的产量和质量等都会产生重要影响。
　　霜形成于寒冷季节晴朗、微风、湿度大的夜晚[10]。笔者仅研究了结霜前24h气象要素与结霜频率的关系，有关结霜频率与前夜气象要素的关系有待进一步研究。
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　　（责编：徐世红）
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