张家口坝上高寒区近53年霜冻变化特征及其对农业的影响

吴伟光 郝瑛 刘星燕

摘要 利用1965—2017年张家口坝上高寒区康保、沽源、尚义和张北4个气象站逐日最低气温资料，运用一元线性回归、Mann Kendall检验法对该地区初（终）霜冻日和无霜期变化特征进行了分析。结果表明，张家口坝上高寒区有平均初霜冻日推迟、平均终霜冻日提早、无霜期延长的趋势，但是还存在一定的不稳定性，平均终霜日1987—2012年几乎以等振幅波动性变化；平均终霜冻日进入21世纪后出现突变现象，突变几率明显增大。

关键词 张家口坝上高寒区；初（终）霜冻日；变化特征；M K检验

中图分类号：S425 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2018）04-045-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.04.018

Abstract Based on daily minimum temperature data of 4 meteorological stations including Kangbao， Guyuan， Shangyi and Zhangbei from 1965 to 2017 in high cold region of Bashang in Zhangjiakou， the climate change characteristics of the first and last frost date and frost free period were analyzed by using one dimensional linear regression method and Mann Kendall test method. The results showed that the average first frost date had a delaying trend and the situation was quite the reverse for the average last frost in Bashang. Moreover， the frost free period was extended. The first frost date had significantly delayed， but there was still some instability， the average last frost date fluctuated almost by equal amplitude from 1987 to 2012. The average last frost date had a sudden change， and the probability of mutation increased significantly in the 21st century.

Key words High cold region of Bashang in Zhangjiakou； First and last frost date； Change characteristics； Mann Kendall test

霜冻发生在春秋季节，是一种较为常见的农业气象灾害。农业气象学上，霜冻是指日平均气温高于0℃的温暖时期，地面和作物体表面的温度迅速降低到0℃以下，使作物遭受冻害或死亡的现象，是由于低温造成的作物生理现象。在全球增暖[1-3]的气候背景下，国内外有不少学者对各地的霜冻发生规律进行了研究。研究表明，美国、加拿大和北欧的霜冻日数都有减少趋势[4-6]，国内有很多学者也得出了类似的结论[7-9]。陈乾金等[10-11]发现，霜冻的异常变化特征还存在明显的地区差异。

张家口坝上高寒区是以农业为主的贫困地区[12]，地处40°N以北，海拔在1 200～1 600 m，是霜冻的多发、频发严重区。作为该地一种重要的农业气象灾害，霜冻是影响农作物单产水平及总产量波动的重要因素之一[13]，但目前对张家口坝上高寒区霜冻的研究文献较少，且大都是局部地区或针对个别农作物的霜冻防御研究[14-15]。笔者旨在分析气候变暖背景下，坝上高寒区4个代表站霜冻的变化特征和突变特征，以期为霜冻的预报服务、选取合适生育期品种等工作提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

考虑数据的时间序列长度、完整性和高寒区的代表性，选取坝上康保、沽源、尚义、张北4个高寒地区观测站的逐日0 cm气温、逐年初霜冻日和逐年终霜冻日资料。时间序列为1965—2017年，初霜冻日为9月1日起0 cm地温≤0℃的第1天；终霜冻日为次年3月份起0 cm地温≤0℃的最后1天。资料来源为张家口市气象局资料室。康保、沽源、尚义、张北4个县站1965—2017年气温观测资料，其中张北为国家基准站，其余3站为国家基本站。

1.2 研究方法

采用一元线性回归方程拟合计算初（终）霜冻日的倾向率。方程为y（t）=a0+a1t，y为初、终霜冻日拟和值，t是年序列，t=1，2，3，…，53（年），其线性趋势倾向系数由最小二乘法求得。dy（t）/dt=a1，a1×10年为（终）霜冻日的倾向率，单位为d/10年。

用Mann Kendall（M K）方法检验初（终）霜冻日和无霜期的突变点。

2 结果与分析

2.1 初、终霜冻日的气候统计特征及年际变化特征

2.1.1 初、终霜冻日和无霜期的气候统计特征 由表1可以看出，近53年张家口市坝上高寒区平均初霜冻日在9月上、中旬，平均终霜冻日在5月下旬或6月上旬。最早初霜冻日为8月15日（康保），最晚初霜冻日为10月3日（张北）；最早终霜冻日为4月28日（康保和张北），最晚终霜冻日为6月26日（康保和尚义）。各站最早、最晚初霜冻日的差值沽源最小，為28 d，其他3站最早、最晚终霜冻日的差值均在40 d以上。从线性趋势可以看出，康保、沽源、尚义和张北均有初霜冻推迟、终霜冻结束早、无霜期延长的趋势，其中尚义更为显著，初霜冻日平均每10年推迟2.7 d，终霜冻日平均每10年提早4.4 d。

2.1.2 初、终霜冻日的年际变化特征 图1为张家口市坝上4县平均初、终霜冻日年际变化及一元线性回归和四阶多项式拟合曲线。由图1a可知，张家口市坝上4县的平均初霜冻日在振动中逐渐推迟，平均每10年推迟0.9 d。1965—1983年、2000—2014年初霜冻出现的时间波动较大，1972年康保、沽源、张北初霜冻均出现在8月下旬，2012年张北和尚义8月22日出现初霜冻，分别创造和接近历史极值；1984—1999年初霜冻出现的时间相对比较平稳。

由图1b可知，近53年终霜冻日在波动变化中逐渐提前，平均每10年提前0.7 d。1977—1987年终霜冻日波动较大，虽然平均终霜冻日在振动中提前，但是终霜冻日出现的偏晚概率增大了。

2.2 初、终霜冻日的突变性分析

从初霜冻日UF曲线（图2a）可以看出，初霜冻日只是阶段性超过了0.01显著性水平临界线，未出现明显超过0.01显著性水平临界线的点，说明初霜冻日推迟并不是太明显。1973—1982年UF和UB 2条曲线出现多个交点，判断初霜冻日在此阶段可能发生突变；终霜冻日UF和UB 2条曲线于1973年出现交点，可以判定初霜冻日突变可能发生在1973年前后。UF曲线阶段性超出了0.01显著性水平临界线，未出现明显超过0.01显著性水平临界线的点，说明终霜冻日提前不是很显著（图2b）。

2.3 霜冻对农业生产的影响

霜冻对农作物的损伤，是由于突然降温使农作物体内的水分结冰，特别是植物细胞内体积增大导致细胞机能受到破坏而形成的[16]。张家口坝上地区初霜冻早、终霜冻晚、无霜期短，主要农作物有小麦、莜麦、马铃薯、青玉米、甜菜、蔬菜和豆类及油料类杂粮。张家口坝上地区的平均终霜冻日为5月中旬，对马铃薯和错季蔬菜影响较大，其他多数作物播种期一般在5月中下旬，影响不是很明显，极端天气除外。

初霜冻对作物的影响和危害非常大，虽然初霜冻日有推迟的趋势，但自20世纪90年代起，突发提前的频率在逐渐加大，极端天气出现的概率越来越高。如2012年8月22—24日，张家口市坝上沽源、张北、康保、尚义、塞北、察北和坝下崇礼、赤城、怀安、宣化县相继出现大幅降温天气，致使以上10个县区的63乡镇、829个行政村遭受了自1961年有气象记载以来50年一遇的特大低温冷冻灾害，即将收获的青玉米、马铃薯、架豆、杂豆、谷黍等农作物不同程度减产，甚至大面积绝收，受灾人口112 520户、315 103人，受灾面积96 650.68 hm2，造成农业损失44 647.94万元。

据资料统计，近53年来张家口坝上地区的初霜冻日70%的年份出现在8月下旬至9月上中旬，这期间正是粮食作物的成熟期，在此期间初霜冻出现的越早对作物的危害越严重。

3 结论与讨论

（1）张家口坝上4县的平均初霜冻日在9月上、中旬，平均终霜冻日在5月下旬或6月上旬，并且有平均初霜冻日推迟、平均终霜冻日提早、无霜期延长的趋势，这与国内外学者分析的大部分地区霜冻日数有减少的趋势一致。

（2）张家口坝上4县平均初霜冻日1965—1983年、2000—2014年初霜冻出现的时间波动较大，1984—1999年相对比较平稳。20世纪80—90年代，初霜冻日有显著推迟的趋势，但是还存在一定的不稳定性。平均终霜日1974—1985年出现的时间相对较早，在5月上、中旬；1987年以后几乎以等振幅波动性变化。

（3）康保、沽源、张北和尚义4县平均初霜冻日20世纪70—80年代突变相对较多，平均终霜冻日进入21世纪后突变几率明显增大。

（4）初霜冻日推迟、终霜冻日提早、无霜期延长可以为农作物提供更多的热量资源和生长时间，对农作物的生长和发育很有利，但是霜冻是冷空气突然入侵强降温造成的，是一种时间尺度很短的农业气象灾害，它的发生可以与长时间尺度的气候变化趋势相反。在气候变暖的大背景下，出现初霜冻日突发提前的频率在逐渐增大。霜冻作为一种严重的气象灾害，一旦出现，对农作物将造成无法挽救的损伤，直接影响到农民的收成。研究霜冻出现的本地指标以及环流形式是未来比较紧要的工作。

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责任编辑：郑丹丹