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摘要 利用1961—2015年中卫市沙坡头区国家气候基本站的逐日平均气温及地面最低气温资料，采用线性倾向估计等方法研究了近55年沙坡头区气温及霜冻的变化特征。结果表明，近55年来沙坡头区年平均气温在波动中不断上升，尤其21世纪初气候变暖明显，在此背景下，沙坡头区初霜冻日呈推后趋势，终霜冻日呈提前趋势，无霜期呈延长趋势；进入21世纪，初霜冻日平均推后4～5 d，终霜冻日平均提前15 d左右，无霜期明显增加，尤其在近5年平均延长了31 d，特早终霜冻日和特长无霜期也均出现在21世纪。
关键词 初霜冻；终霜冻；无霜冻期；变化特征；沙坡头区
中图分类号 S425 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0186-03
Change Characteristics of frost in Shapotou District under the Background of Climate Warming
GAO Jie，YANG Yuan，PANG Ting-ting et al
（Zhongwei City Meteorological Bureau，Zhongwei，Ningxia 755000）
Abstract Using the daily average temperature and ground minimum temperature data of the national climate base station in Shapotou District of Zhongwei City from 1961 to 2015， the change characteristics of temperature and frost in Shapotou District were studied by linear propensity estimation method.The results showed that the annual average temperature in Shapotou District had been increasing in the past 55 years， especially in the beginning of the 21st century. On this background，the first frost day in Shapotou District was pushed forward， and the final frost day was in advance，and the frost-free period was prolonged.In the 21st century，the average first frost day pushed 4-5 days，the average final frost day was about 15 days in advance， and the frost-free period was obviously increased，especially in the past 5 years，an average of 31 days extended，special early final frost day and specialty frost-free period also appeared in the 21st century.
Key words First frost；Final frost；Frost-free period；Change characteristics；Shapotou District
近年来，各种极端天气频发，气候变化问题引起了全球的广泛关注，科学家将其归因为温室效应[1-2]。虽然受温室效应影响，气温总体呈上升趋势，但我国许多地区仍然受到低温冻害的危害[3]。霜冻是植物生长季内，由于冷空气的入侵，使土壤表面、植物表面及近地气层的温度骤降至0 ℃以下，引起植物细胞间结冰而使植物遭到伤害或死亡的一种短时间低温灾害[4]。对农业生产而言，在遇严重的终霜冻结束晚和初霜冻来得早的年份都会给农业生产造成较大危害。如2010年4月11日晚霜冻使中卫市沙坡头区大部分小麦及经济果园冻伤，造成直接经济损失245.01万元。严重的初终霜冻已成为中卫市农业生产的主要灾害之一，因此，霜冻灾害的预测研究备受关注，李红英等[5]、唐晶等[6]、马柱国[7]对不同区域范围霜冻的气候变化特征、霜冻致灾因子指标特征及危害性进行了分析。笔者利用1961—2015年中卫市沙坡头区每日的平均气温及地面最低气温资料，采用线性倾向估计法等分析近55年来沙坡头区气温变化特征，在此基础上详细分析初、终霜冻、无霜期的变化特征及霜冻的异常特征，以期为当地制订霜冻灾害防御措施提供气候参考。
1 资料与方法
1.1 資料来源及说明
所用资料是由沙坡头区国家气候基本站提供的1961—2015 年日平均气温及最低气温观测资料，该站观测资料完整性和连续性较好。参考作物霜冻等级气象行业标准[8]和中国科学技术蓝皮书第5号《气候》[9]，把地面最低温度≤0 ℃作为霜冻标准。初霜冻日为后半年首次出现日地面最低温度≤0 ℃的日期；终霜冻日为前半年最后一次出现日地面最低温度≤0 ℃的日期；无霜期为霜冻初日和终日之间的间隔日数[10]。
1.2 研究方法
采用线性倾向估计法分析中卫市沙坡头区近55年霜冻变化趋势；根据正态分布原理挑选计算异常霜冻的发生年份及其发生概率；利用累积距平[11]和信噪比进行突变分析。
2 结果与分析
2.1 气温年代际变化 从图1可看出，近55年来沙坡头区年平均气温在波动中不断上升，年际、年代际变化均较大。2001—2010年比20世纪60年代溫度升高了1.8 ℃，可见沙坡头区气候变暖形势严峻。
2.2 初、终霜冻日和无霜冻日时间变化
中卫市沙坡头区历年平均初霜冻日期为10月5日，1961年9月14日为最早出现的日期，1976年10月24日为最晚出现的日期，极差为40 d。近55年来年初霜冻日总体上呈推迟趋势，趋势变化方程为y=0.182 3x+41 546，表明初霜日以1.823 d/10 a的速度推后，可以推算出近55年推迟了约10 d，气候趋势系数为0.292 4。
沙坡头区终霜冻历年平均终霜冻日期为4月21日，2001年1月26日为最早结束的日期，1971年5月28日为最晚结束的日期，极差为122 d。近55年来终霜冻日总体呈提前趋势，其变化方程为y=-0.503 0x+41 399，表明终霜日以5.030 d/10 a的速度提前，可以推算出近55年约提前了28 d，气候趋势系数为0.347 3。
中卫市沙坡头区无霜期平均为166 d，最长达249 d（2001年），最短为120 d（1971年），极差为129 d。近55年来无霜期呈延长趋势，趋势方程为y=0.638 7x+147.7，表明无霜期以6.387 d/10 a的速度延长，粗略推算出近55年约延长了33 d，气候趋势系数为0.391 0。
从表1可以看出，20世纪60、90年代平均初霜冻日期为9月28日，2000年以后为10月9—10日。结合趋势变化（图2a）可以看出，沙坡头区初霜冻日期在20世纪70、80年代均推后，90年代开始发生逆转，初霜冻日开始提前；20世纪70年代平均终霜冻日期为5月6日，20世纪60、80及90年代平均终霜冻日期均在4月下旬；20世纪90年代以前，沙坡头区的平均无霜期均小于平均值。
进入21世纪后，气候变暖现象更加明显；初霜冻日平均推后4～5 d；终霜冻日提前趋势较明显，平均提前15 d左右；无霜期明显增加，尤其是近5年，无霜期延长明显，平均延长了31 d。
2.3 霜冻异常发生特征与突变分析
2.3.1 霜冻异常特征。
按照梁进秋等[12]、杜军等[13]的研究，霜冻与气温一样具有正态分布特征。因此，特早初霜冻和特晚终霜冻以及特短（长）无霜期采用出现概率5%来界定，偏早初霜冻和偏晚终霜冻以及较短（长）无霜期采用出现概率11%来界定。关系式[14]分别如下：
式中，P为出现概率（%），x为霜冻指标，μ为多年平均值，σ为标准差。<-1.65σ和>1.65σ分别称为特早初霜冻日和特晚终霜冻日；-1.65σ～-σ和σ～1.65σ分别为偏早初霜冻日和偏晚终霜冻日。经计算得出，1961—2015年中卫市沙坡头区的特早和特晚初霜冻日分别为早于9月18日和晚于10月21日；偏早和偏晚初霜冻日分别为9月18—25日、10月14—21日。特早和特晚终霜冻日界线为早于3月14日和晚于5月29日；偏早和偏晚终霜冻日分别为3月14—29日、5月14—29日。特短和特长无霜期界线为少于123 d和多于208 d；较短和较长无霜期日数分别为123～140和192～208 d。
从表2可以看出，1961—2015年中卫市沙波头区各个年代均有异常霜冻出现。近55年特晚终霜冻未出现过；偏晚初霜冻日出现的频率最高，其中21世纪占绝大多数；特早初霜冻日主要出现在20世纪60年代；特早终霜冻日和特长无霜期均出现在21世纪。虽然受全球气候变暖的影响，初霜冻日出现趋势整体推后，终霜冻日出现趋势整体提前，但20世纪90年代初霜冻日偏早出现年份竟占50%；而1991和2004年终霜冻日较同时代明显推后出现。
2.3.2 无霜冻期突变分析。
利用累积距平公式[11]计算得出，近55年来中卫市沙坡头区无霜期累积距平值最大年份为1998年，即1998年可能是突变年份。
经计算，1998年信噪比为0.21，未能通过S/N>1.0的检验。故沙坡头区1998年的霜冻特征虽然发生较大的逆转，但还未达到气候突变的标准。
3 结论
（1）近55年中卫市沙坡头区平均初霜冻出现在10月5日，呈推后趋势，气候倾向率为1.823 d/10 a，55年约推后了10 d；平均终霜冻出现在4月21日，呈提前趋势，气候倾向率为-5.030 d/10 a，55年约提前了28 d；平均无霜冻日数为166 d，呈延长趋势，气候倾向率为6.387 d/10 a，55年约延长了33 d。
（2）进入21世纪后，初霜冻日平均退后4～5 d，终霜冻日平均提前15 d左右，无霜期也在进入21世纪后明显增加，尤其在近5年平均延长了31 d。
（3）近55年沙坡头区特晚终霜冻日未出现过，偏晚初霜冻日出现的频率最高，其中20世纪80年代后占绝大多数，特早初霜冻日主要出现在20世纪60年代，特早终霜冻日和特长无霜期均出现在21世纪。
参考文献
[1] 白爱娟，翟盘茂.中国近百年气候变化的自然原因讨论[J].气象科学，2007，27（5）：584-590.
[2] 姜大膀，王会军，郎咸梅.全球变暖背景下东亚气候变化的最新情景预测[J].地球物理学报，2004，47（4）：590-596.
[3] 冯玉祥，何维勋.霜冻的研究[M].北京：气象出版社，1999.
[4] 李芬，张建新，闫永刚，等.山西近50年初霜冻的时空分布及其突变特征[J].中国农业气象，2012，33（3）：448-456.
[5] 李红英，张晓煜，曹宁，等.宁夏霜冻致灾因子指标特征及危险性分析[J].中国农业气象，2013，34（4）：474-479.
[6] 唐晶，张文煜，赵光平，等.宁夏近44 a霜冻的气候变化特征[J].干旱气象，2007，25（3）：39-43.
[7] 马柱国.中国北方地区霜冻日的变化与区域增暖相互关系[J].地理学报，2003，58（S1）：31-37.
[8] 中国气象标准化信息网.作物霜冻害等级[EB/OL].（2012-01-19）[2017-01-05].http：//standard.cma.gov.cn/plus/view.php？aid=170.
[9] 国家科学技术委员会.气候（中国科学技术蓝皮书 第 5 号）[M].北京：科学技术文献出版社，1990：25-26.
[10] 王海岩.青河1961—2008 年霜冻的气候特征和变化规律分析[J].沙漠与绿洲气象，2009，3（5）：33-35.
[11] 唐晶.宁夏霜冻的气候特征、演变规律及预报方法研究[D].兰州：兰州大学，2007.
[12] 梁进秋，贾利芳，何正梅，等.大同市近50年霜冻及其异常事件变化特征分析[J].中国农业气象，2010，31（S1）：124-128.
[13] 杜军，石磊，袁雷.近50年西藏主要农区霜冻指标的变化特征[J].中国农业气象，2013，34（3）：264-271.
[14] 陈乾金，张永山.华北异常初终霜冻气候特征的研究[J].自然灾害学报，1995，4（3）：33-39.
关键词 初霜冻；终霜冻；无霜冻期；变化特征；沙坡头区
中图分类号 S425 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0186-03
Change Characteristics of frost in Shapotou District under the Background of Climate Warming
GAO Jie，YANG Yuan，PANG Ting-ting et al
（Zhongwei City Meteorological Bureau，Zhongwei，Ningxia 755000）
Abstract Using the daily average temperature and ground minimum temperature data of the national climate base station in Shapotou District of Zhongwei City from 1961 to 2015， the change characteristics of temperature and frost in Shapotou District were studied by linear propensity estimation method.The results showed that the annual average temperature in Shapotou District had been increasing in the past 55 years， especially in the beginning of the 21st century. On this background，the first frost day in Shapotou District was pushed forward， and the final frost day was in advance，and the frost-free period was prolonged.In the 21st century，the average first frost day pushed 4-5 days，the average final frost day was about 15 days in advance， and the frost-free period was obviously increased，especially in the past 5 years，an average of 31 days extended，special early final frost day and specialty frost-free period also appeared in the 21st century.
Key words First frost；Final frost；Frost-free period；Change characteristics；Shapotou District
近年来，各种极端天气频发，气候变化问题引起了全球的广泛关注，科学家将其归因为温室效应[1-2]。虽然受温室效应影响，气温总体呈上升趋势，但我国许多地区仍然受到低温冻害的危害[3]。霜冻是植物生长季内，由于冷空气的入侵，使土壤表面、植物表面及近地气层的温度骤降至0 ℃以下，引起植物细胞间结冰而使植物遭到伤害或死亡的一种短时间低温灾害[4]。对农业生产而言，在遇严重的终霜冻结束晚和初霜冻来得早的年份都会给农业生产造成较大危害。如2010年4月11日晚霜冻使中卫市沙坡头区大部分小麦及经济果园冻伤，造成直接经济损失245.01万元。严重的初终霜冻已成为中卫市农业生产的主要灾害之一，因此，霜冻灾害的预测研究备受关注，李红英等[5]、唐晶等[6]、马柱国[7]对不同区域范围霜冻的气候变化特征、霜冻致灾因子指标特征及危害性进行了分析。笔者利用1961—2015年中卫市沙坡头区每日的平均气温及地面最低气温资料，采用线性倾向估计法等分析近55年来沙坡头区气温变化特征，在此基础上详细分析初、终霜冻、无霜期的变化特征及霜冻的异常特征，以期为当地制订霜冻灾害防御措施提供气候参考。
1 资料与方法
1.1 資料来源及说明
所用资料是由沙坡头区国家气候基本站提供的1961—2015 年日平均气温及最低气温观测资料，该站观测资料完整性和连续性较好。参考作物霜冻等级气象行业标准[8]和中国科学技术蓝皮书第5号《气候》[9]，把地面最低温度≤0 ℃作为霜冻标准。初霜冻日为后半年首次出现日地面最低温度≤0 ℃的日期；终霜冻日为前半年最后一次出现日地面最低温度≤0 ℃的日期；无霜期为霜冻初日和终日之间的间隔日数[10]。
1.2 研究方法
采用线性倾向估计法分析中卫市沙坡头区近55年霜冻变化趋势；根据正态分布原理挑选计算异常霜冻的发生年份及其发生概率；利用累积距平[11]和信噪比进行突变分析。
2 结果与分析
2.1 气温年代际变化 从图1可看出，近55年来沙坡头区年平均气温在波动中不断上升，年际、年代际变化均较大。2001—2010年比20世纪60年代溫度升高了1.8 ℃，可见沙坡头区气候变暖形势严峻。
2.2 初、终霜冻日和无霜冻日时间变化
中卫市沙坡头区历年平均初霜冻日期为10月5日，1961年9月14日为最早出现的日期，1976年10月24日为最晚出现的日期，极差为40 d。近55年来年初霜冻日总体上呈推迟趋势，趋势变化方程为y=0.182 3x+41 546，表明初霜日以1.823 d/10 a的速度推后，可以推算出近55年推迟了约10 d，气候趋势系数为0.292 4。
沙坡头区终霜冻历年平均终霜冻日期为4月21日，2001年1月26日为最早结束的日期，1971年5月28日为最晚结束的日期，极差为122 d。近55年来终霜冻日总体呈提前趋势，其变化方程为y=-0.503 0x+41 399，表明终霜日以5.030 d/10 a的速度提前，可以推算出近55年约提前了28 d，气候趋势系数为0.347 3。
中卫市沙坡头区无霜期平均为166 d，最长达249 d（2001年），最短为120 d（1971年），极差为129 d。近55年来无霜期呈延长趋势，趋势方程为y=0.638 7x+147.7，表明无霜期以6.387 d/10 a的速度延长，粗略推算出近55年约延长了33 d，气候趋势系数为0.391 0。
从表1可以看出，20世纪60、90年代平均初霜冻日期为9月28日，2000年以后为10月9—10日。结合趋势变化（图2a）可以看出，沙坡头区初霜冻日期在20世纪70、80年代均推后，90年代开始发生逆转，初霜冻日开始提前；20世纪70年代平均终霜冻日期为5月6日，20世纪60、80及90年代平均终霜冻日期均在4月下旬；20世纪90年代以前，沙坡头区的平均无霜期均小于平均值。
进入21世纪后，气候变暖现象更加明显；初霜冻日平均推后4～5 d；终霜冻日提前趋势较明显，平均提前15 d左右；无霜期明显增加，尤其是近5年，无霜期延长明显，平均延长了31 d。
2.3 霜冻异常发生特征与突变分析
2.3.1 霜冻异常特征。
按照梁进秋等[12]、杜军等[13]的研究，霜冻与气温一样具有正态分布特征。因此，特早初霜冻和特晚终霜冻以及特短（长）无霜期采用出现概率5%来界定，偏早初霜冻和偏晚终霜冻以及较短（长）无霜期采用出现概率11%来界定。关系式[14]分别如下：
式中，P为出现概率（%），x为霜冻指标，μ为多年平均值，σ为标准差。<-1.65σ和>1.65σ分别称为特早初霜冻日和特晚终霜冻日；-1.65σ～-σ和σ～1.65σ分别为偏早初霜冻日和偏晚终霜冻日。经计算得出，1961—2015年中卫市沙坡头区的特早和特晚初霜冻日分别为早于9月18日和晚于10月21日；偏早和偏晚初霜冻日分别为9月18—25日、10月14—21日。特早和特晚终霜冻日界线为早于3月14日和晚于5月29日；偏早和偏晚终霜冻日分别为3月14—29日、5月14—29日。特短和特长无霜期界线为少于123 d和多于208 d；较短和较长无霜期日数分别为123～140和192～208 d。
从表2可以看出，1961—2015年中卫市沙波头区各个年代均有异常霜冻出现。近55年特晚终霜冻未出现过；偏晚初霜冻日出现的频率最高，其中21世纪占绝大多数；特早初霜冻日主要出现在20世纪60年代；特早终霜冻日和特长无霜期均出现在21世纪。虽然受全球气候变暖的影响，初霜冻日出现趋势整体推后，终霜冻日出现趋势整体提前，但20世纪90年代初霜冻日偏早出现年份竟占50%；而1991和2004年终霜冻日较同时代明显推后出现。
2.3.2 无霜冻期突变分析。
利用累积距平公式[11]计算得出，近55年来中卫市沙坡头区无霜期累积距平值最大年份为1998年，即1998年可能是突变年份。
经计算，1998年信噪比为0.21，未能通过S/N>1.0的检验。故沙坡头区1998年的霜冻特征虽然发生较大的逆转，但还未达到气候突变的标准。
3 结论
（1）近55年中卫市沙坡头区平均初霜冻出现在10月5日，呈推后趋势，气候倾向率为1.823 d/10 a，55年约推后了10 d；平均终霜冻出现在4月21日，呈提前趋势，气候倾向率为-5.030 d/10 a，55年约提前了28 d；平均无霜冻日数为166 d，呈延长趋势，气候倾向率为6.387 d/10 a，55年约延长了33 d。
（2）进入21世纪后，初霜冻日平均退后4～5 d，终霜冻日平均提前15 d左右，无霜期也在进入21世纪后明显增加，尤其在近5年平均延长了31 d。
（3）近55年沙坡头区特晚终霜冻日未出现过，偏晚初霜冻日出现的频率最高，其中20世纪80年代后占绝大多数，特早初霜冻日主要出现在20世纪60年代，特早终霜冻日和特长无霜期均出现在21世纪。
参考文献
[1] 白爱娟，翟盘茂.中国近百年气候变化的自然原因讨论[J].气象科学，2007，27（5）：584-590.
[2] 姜大膀，王会军，郎咸梅.全球变暖背景下东亚气候变化的最新情景预测[J].地球物理学报，2004，47（4）：590-596.
[3] 冯玉祥，何维勋.霜冻的研究[M].北京：气象出版社，1999.
[4] 李芬，张建新，闫永刚，等.山西近50年初霜冻的时空分布及其突变特征[J].中国农业气象，2012，33（3）：448-456.
[5] 李红英，张晓煜，曹宁，等.宁夏霜冻致灾因子指标特征及危险性分析[J].中国农业气象，2013，34（4）：474-479.
[6] 唐晶，张文煜，赵光平，等.宁夏近44 a霜冻的气候变化特征[J].干旱气象，2007，25（3）：39-43.
[7] 马柱国.中国北方地区霜冻日的变化与区域增暖相互关系[J].地理学报，2003，58（S1）：31-37.
[8] 中国气象标准化信息网.作物霜冻害等级[EB/OL].（2012-01-19）[2017-01-05].http：//standard.cma.gov.cn/plus/view.php？aid=170.
[9] 国家科学技术委员会.气候（中国科学技术蓝皮书 第 5 号）[M].北京：科学技术文献出版社，1990：25-26.
[10] 王海岩.青河1961—2008 年霜冻的气候特征和变化规律分析[J].沙漠与绿洲气象，2009，3（5）：33-35.
[11] 唐晶.宁夏霜冻的气候特征、演变规律及预报方法研究[D].兰州：兰州大学，2007.
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[13] 杜军，石磊，袁雷.近50年西藏主要农区霜冻指标的变化特征[J].中国农业气象，2013，34（3）：264-271.
[14] 陈乾金，张永山.华北异常初终霜冻气候特征的研究[J].自然灾害学报，1995，4（3）：33-39.