不同氣候背景下北疆霜期的時空變化特征

張 鑫，樓俊偉，范瑜越，王 進*，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，隨著農業生產規模的不斷擴大，霜凍給民眾造成的損失越來越大，引起了國內外學者[1-5]的關注。寧曉菊等[1]將我國1951 年以來初、終霜日和無霜期數據進行分析，指出中國80%以上區域呈現初霜日推后、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 年的霜凍日數進行統計分析，指出大部分站點霜凍日數呈明顯減小趨勢，尤其是在東安納托利亞、馬爾馬拉地區和地中海沿岸。關于霜期的研究，大多學者[6-9]是分析初、終霜日和（無）霜期的氣候變化特征，但也有部分學者[10-15]基于三者的變化規律進一步研究將霜凍趨利避害的方法。彭九慧等[10]基于常規觀測資料與NCEP1°×1°再分析資料建立了初霜預報的天氣概念模型，檢驗表明該模型對于中重度初霜凍預報準確率可達95%以上，對輕度初霜的預報準確率可達68%以上，無漏報出現。張雪芬等[15]從構成晚霜凍害的最低溫度和小麥發育期兩個因素出發，提出了晚霜凍害指數構建方法，使晚霜凍害指標定量化。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鍵時期，強冷空氣常造成霜凍災害，對農作物生長影響較大。目前新疆地區的霜期研究主要是分析全疆或者個別地區的氣候變化特征[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更顯著；王榮梅等[19]指出喀什地區50 a 來平均初霜日出現在10 月下旬，平均終霜日結束在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 個農區霜凍變化進行研究，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”的地形導致南北疆氣候差異較大，有必要更嚴謹的分開討論南北疆霜期特征，已有學者[21]對北疆地區初、終霜日和霜期時空特征進行分析，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 年的北疆氣象數據，將北疆初、終霜日和霜期分為1990 年前和1990 年后2 個氣候背景進行年代際背景分析，討論過去60 年內不同氣候背景下前后30年之間產生的差異，以期為當地的霜凍災害防御、農業生產布局和霜凍災害風險區劃等氣候研究提供參考。

1 研究區概況

北疆地區處于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。研究區內選取37 個長時間序列具有農區代表性的氣象站點。文中所涉及地圖均是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2016）1552 號的標準地圖制作，底圖無修改。

2 資料與方法

關于初、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 ℃的日期判定為當年初霜日及終霜日[21]。根據數據連續性、統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據，通過統計整理，結合一元線性回歸、Cressman 空間插值法等常規氣象統計方法（統計分析過程中，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行分析。

基于中國氣象局頒布的《全國氣候影響評價標準》[25]，通過計算初、終霜日和霜期的距平（Δd）和標準差（σ），建立7 個等級判斷氣候態的轉變對初、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 年北疆地區平均初、終霜日和霜期的變化趨勢（圖1）可知，北疆地區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），這應該是導致背景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 年北疆地區霜期呈縮短態勢為普遍現象，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致，在氣候背景II 下霜期的縮短主要由終霜日提前所導致。

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，其中哈密地區東部推遲速率最快，伊犁州中部次之，阿勒泰地區推遲速率最慢。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，僅阿勒泰地區東部、哈密地區東部呈提前趨勢，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提前趨勢較明顯，高達-0.54～-0.63 d·a-1（P＜0.1），伊犁州、博州、塔城地區南部提前趨勢較慢。

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），其中哈密地區東部縮短速率最明顯，塔城地區南部次之，伊犁州西部、阿勒泰地區中部、烏昌石部分地區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、哈密地區北部縮短趨勢較明顯，伊犁州、博州、塔城地區部分地區呈較弱延長趨勢。

綜上所述，北疆地區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，僅阿勒泰地區東部、哈密地區東部呈提前趨勢，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 下異常偏晚的年數略微減少，異常偏早的年數顯著增加；終霜日在氣候背景II 下異常偏晚的年數有所增加，異常偏早的年數顯著減少；霜期在氣候背景II 下異常偏長的年數有所增加，異常偏短的年數有所減少。由此可知，氣候背景的轉變會對初、終霜日和霜期的氣候評價產生一定影響，由氣候背景I 轉為II，北疆初霜日等級由低向高轉變（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）出現頻率的變化

3.4 初、終霜日與大氣環流指數相關性分析

霜期變化趨勢和氣候背景的轉變密切相關，不同氣候背景下霜期的變化特征相差較大。關于霜期的研究，常規的討論方法往往是利用M-K 突變檢驗（或結合滑動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選取多個滑動窗口進行突變檢驗，檢驗效果均不達標，究其原因應該是初、終霜日受極端天氣影響較為嚴重，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。對于霜期的研究應該更多的考慮極端天氣所伴隨的影響，通過分析大氣環流指數與初、終霜日的相關性更有利于準確把握霜的變化規律。

參考文獻[27-28]選取北極濤動指數（AO）、北大西洋濤動指數（NAO）、東亞槽位置指數、厄爾尼諾—南方濤動指數（ENSO）分析與北疆初、終霜日的相關性（數據來源于國家氣候中心網站http：//cmdp.ncccma.net/cn/monitoring.htm），其中ENSO 指數采用NINO 3.4 區（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、冬季的大氣環流指數做相關分析（表1）。初霜日與夏季北大西洋濤動指數和春季東亞槽位置指數均呈顯著負相關，終霜日與秋季北大西洋濤動指數呈顯著正相關，相關季節北大西洋濤動指數對于北疆地區初、終霜日的影響較為顯著。

表1 1961—2020 年北疆初、終霜日與季節性大氣環流指數的相關

1961—2020 年夏季、秋季北大西洋濤動指數平均值分別為0.069 和0.109，挑選當年對應季節指數高于平均值的年份為高指數年，統計不同氣候背景下高指數年份數量。夏季北大西洋濤動指數在氣候背景I 下有20 a 為高指數年，在氣候背景II 下有11 a 為高指數年，由于初霜日與夏季北大西洋濤動指數呈顯著負相關，隨著氣候背景的轉變，高指數年份數量減少，對應初霜日推遲趨勢增強。秋季北大西洋濤動指數在氣候背景I 下有22 a 為高指數年，在氣候背景II 下有9 a 為高指數年，終霜日與秋季北大西洋濤動指數呈顯著正相關，隨著氣候背景的轉變，高指數年份數量減少，對應終霜日提前趨勢增強。夏、秋季北大西洋濤動指數對于北疆地區初、終霜日的變化趨勢有很好的指導性意義，在霜期預測工作中應充分考慮北大西洋濤動指數的指示作用。

4 結論

利用常規氣象統計方法分析了不同氣候背景下北疆地區初、終霜日和霜期的時空變化特征，得到如下結論：

（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0.15 d/a，在背景II 下呈較快提前趨勢，速率達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）北疆地區霜期在過去60 年內整體呈縮短態勢，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致，終霜日對霜期的縮短為負貢獻，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，僅阿勒泰地區東部、哈密地區東部呈提前趨勢。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）隨著氣候背景的轉變，北疆地區初、終霜日和霜期的氣候評價會受到一定影響，由氣候背景I轉為II，北疆初霜日等級由低向高轉變，即初霜日出現偏早現象的頻率增多；終霜日和霜期等級則由高向低轉變，即終霜日出現偏晚現象的頻率增多，霜期出現偏長現象的頻率增多。

（4）初霜日與夏季北大西洋濤動指數和春季東亞槽位置指數呈顯著負相關，終霜日與秋季北大西洋濤動指數呈顯著正相關。相關季節北大西洋濤動指數對于北疆地區初、終霜日的影響較為顯著，對于初、終霜日的變化趨勢有指導性意義。

目前研究不同地區霜期的文章較多，多數都停留在常規研究方法上[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，并找準影響霜期變化的關鍵因素（大氣環流指數），對當地霜期的變化特征有了更細致的認識。雖然本文已對北疆霜期與大氣環流指數的相關性進行分析，找出了對北疆初、終霜日影響較為顯著的指數，但環流指數對于霜期的預報到底有怎樣的指導意義有待進一步探討。另外，姚俊強等[29]在最新的研究中表明，近10 年新疆氣候出現了從“暖濕化”向“暖干化”轉折的強烈信號，這對北疆霜期的影響如何有待進一步研究。