近50 a 哈尔滨地区夏季低温指数变化特征

谭雪玥，谭玉龙，郭 令

(1.通河县气象局，黑龙江 通河 150900;2.虎林市气象局，黑龙江 虎林 154300)

1 引言

近些年，全球气候变暖问题加剧，导致极端性天气出现频次增加， 使得黑龙江省夏季低温事件频繁发生， 给社会经济发展和人们生产生活造成的影响日渐增大。 低温冷害是指农作物在生育期间，遭受低于其生长发育所需的环境温度， 引起农作物生育期延迟，或使其生殖器官的生理机能受到损害，从而导致农业减产的一种自然灾害[1]。 黑龙江省是中国最大的粮食基地之一， 也是中国热量资源最小的省份之一。 影响黑龙江省农业生产的主要自然灾害是夏季低温冷害，如夏季持续低温，则会造成大范围粮食减产，最大减产量可达15%-20%。 松嫩平原和三江平原是黑龙江省农区的主要集中区域， 哈尔滨市位于两个平原的中南部，对于研究具有较强代表性[2]，因此，在全球气候变暖的大背景下，研究哈尔滨地区近50 a 夏季低温指数变化规律及变化周期， 对其与气温变化的相关性研究， 对于充分利用气候资源调整农业结构至关重要， 从而为预防夏季低温冷害和科学防灾减灾提供科学依据。

2 资料与研究方法

选取哈尔滨地区1971-2020年阿城、 宾县、通河、五常等12个气象观测站的夏季（6-8月）逐日最低气温和日平均气温数据资料。 低温指数[3]定义为将一年中（或某一时段）至少5 d 最低温度低于多年日最低温度平均值5 ℃的总日数。 假定Tij为第j年第i天的日最低气温，Ti平均为第 i 天 1971-2020年日最低温度平均值，则低温指数为某段时间至少5 d 的Tij＜Ti平均-5 ℃的总日数。本文使用的主要方法有：气候倾向率法、Mann-Kendall 检验法、小波分析法和相关分析法。

2.1 气候倾向率法[4]

气候倾向率采用下式进行估计：y=a+bx，x=1，2，…，n

式中，x 为时间，y 为气象要素，a 为线性趋势，以a×10 作为气候倾向率，单位为℃/10 a。 当 a 为正时，表示序列随时间呈上升趋势，反之则为下降趋势。

2.2 Mann-Kendall 检验[5]

Mann-Kendall 检验全称为 Mann-Kendall 非参数统计检验法，在时间序列分析趋势当中，该方法计算简单，适用性强，不需要数据呈标准正态分布，在长期气象数据资料的观测背景下， 针对气候变化趋势所进行分析。

2.3 小波分析法[6]

小波分析（也叫小波变换）是一种时间和频率的局部变换方法， 该方法是通过平移和伸缩等运算功能对信号进行多尺度的细化分析， 最终获取有效的信息，基于该理论，小波分析在气象及水文等时间序列的周期变换规律方面得到广泛的应用。

3 结果分析

3.1 夏季低温指数的年际变化

由图 1 可知， 哈尔滨地区1971-2020年夏季平均低温指数呈下降趋势，变化速率为1.256 d/10a，趋势系数为 0.482，通过了 0.05 显著性检验。 50 a 夏季平均低温指数为2.5 d，1976年夏季平均低温指数为17.3 d，是 1971年以来最严重的低温冷夏年，2002年夏季平均低温指数为0.4 d，为最低值，最值相差17 d左右。根据累积距平法分析得出，1983年前后哈尔滨地区夏季平均低温指数发生了显著的突变。

图1 哈尔滨1971-2020年夏季低温指数年际变化特征

3.2 夏季低温指数的年代际变化

见表 1 可知， 哈尔滨地区20 世纪70年代夏季平均低温指数为 6.3 d，20 世纪 80年代比 70年代夏季平均低温指数减少 3.8 d，20 世纪 90年代比 80年代夏季平均低温指数减少 0.8 d，21 世纪 00年代比20 世纪 90年代夏季平均低温指数减少 0.6 d，21 世纪10年代夏季平均低温指数为1.1 d。 可以看出，哈尔滨地区夏季平均低温指数年代际变化表现明显，进入21 世纪00年代以来， 夏季低温指数变化明显减少。

表1 哈尔滨1971-2020年夏季平均低温指数年代际变化

3.3 突变分析

通过对哈尔滨地区夏季平均低温指数进行Mann-Kendall分析，1973-1983年夏季平均低温指数的UF 曲线和UB 曲线有多个交点， 结合Mann-Kendall 检验的突变规律可知，突变年份出现在1983年前后，因此，可以初步确定1983年是哈尔滨地区夏季低温指数突变点。在此之后UF 曲线下降趋势非常明显，从1985年到1991年，哈尔滨地区的夏季低温指数在UF 曲线的零线以下经历了下降，然后又回到零线以上， 说明哈尔滨地区夏季低温指数经历了减少转变为增加，又从增加转变为减少趋势。 UF 曲线和UB 曲线分别在1986年和1993年超过置信度线，上述分析表明， 哈尔滨地区夏季平均低温指数下降趋势变化显著。

3.4 夏季低温指数的小波分析

哈尔滨地区夏季低温指数的Morlet 小波系数实部等值线图中显示（图 2），哈尔滨地区夏季低温指数在 20 世纪 70年代末、20 世纪 80年代初、20 世纪 90年代初存在显著的准2-4 a 周期，在20 世纪80年代初存在显著的准6 a 周期， 均通过了0.05 的显著性检验。 这与小波方差得出的结果一致。 21 世纪00年代以后哈尔滨地区夏季低温指数周期不显著。

图2 哈尔滨1971-2020年夏季低温指数的小波分析结果

3.5 夏季低温指数与气温变化的关系

为了进一步研究全球气候变暖对夏季低温指数的影响， 本文利用相关分析法对哈尔滨地区1971-2020年夏季平均低温指数和夏季平均气温进行相关性检验，其相关系数为 0.519，达到 0.05 置信度的显著检验，由图3 可知，夏季平均气温随时间的变化趋势与夏季平均低温指数的变化趋势相反， 即夏季平均气温每上升 1 ℃，夏季低温指数下降 1.1 d。 这说明两者之间存在负相关关系。

图3 哈尔滨1971-2020年夏季低温指数与平均气温的关系

4 结论

（1）近50 a 来，哈尔滨地区夏季平均低温指数呈下降趋势， 变化速率为 1.256 d/10a， 趋势系数为0.482， 通过了 0.05 显著性检验，1976年夏季平均低温指数为17.3 d， 是1971年以来最严重的低温冷夏年，2002年夏季平均低温指数为 0.4 d，为最低值。 哈尔滨地区夏季平均低温指数年代际变化表现明显，进入21 世纪00年代以来， 夏季低温指数变化明显减少。 夏季低温指数变化与气温变化之间存在负相关关系。

（2）经Mann-Kendall 检验可知，哈尔滨地区夏季低温指数在1983年前后发生了显著的突变。

（3）由小波分析可知，哈尔滨地区夏季低温指数在 20 世纪 70年代末、20 世纪 80年代初、20 世纪 90年代初存在显著的准2-4 a 周期，在20 世纪80年代初存在显著的准6 a 周期， 均通过了0.05 的显著性检验。 这与小波方差得出的结果一致。 21 世纪00年代以后哈尔滨地区夏季低温指数周期不显著。