1961—2020年山西南部霜期气候特征及对农业的影响

刘强军，任鹏娟，赵慧琴，宋方超，王 勇

（山西省晋城市气象局，山西晋城 048000）

霜冻直接影响经济农作物的产量，是影响农业生产的重要气象灾害之一[1-2]。霜冻的变化主要受大尺度大气环流和大气振荡的影响[3-5]。国内外关于霜冻变化的研究较多，Bonsal 等[6]和Heino 等[7]研究认为加拿大和北欧霜冻日数都为减少趋势，而美国学者Easterling[8]认为霜冻日数变化有区域差异；
国内学者[9-11]对中国的霜冻变化也进行了研究，结论基本为初霜日推迟、终霜日提前，无霜期增加，但气候特征存在区域差异；
在霜期与纬度等地理因子关系方面，刘静等[12]和周晓宇等[13]分析了中国秦岭地区和东北地区霜期与纬度的关系，总体呈现随纬度增加而减少的趋势；
在霜期与气候因子关系方面，张波[14]分析了贵州地区霜期与最低气温等气候因子的关系，结果正相关性很高。初霜日大幅提前，易对大秋作物的灌浆和乳熟形成冻害；
终霜日大幅推迟，对冬小麦的拔节孕穗及经济林果产生冻害，严重影响农业产量和经济效益。无霜期的长短由初霜日和终霜日决定，其变化直接影响农作物的受害概率和程度，因此对初霜日和终霜日及无霜期的气候特征进行研究，对农业产业非常重要。山西省地处华北地区西部的黄土高原，地形复杂，霜冻灾害频发，尤其在山西南部地区，霜冻更是主要气象灾害之一，在山西霜冻变化研究方面，李芬等[15]和蔡霞等[16]分析了山西省及北部地区霜冻日的气候特征，但目前没有发现对山西南部霜冻气候变化规律进行分析的文献，由于山西区域性气候特征非常明显，因此，在前人研究的基础上，以地面0 cm日最低气温≤0℃作为霜冻日指标，以期更系统、更全面的分析山西南部初霜日、终霜日和无霜期的气候特征，充分认识山西南部霜冻特征及对农业生产的重要影响，为乡村振兴和农业产业增收增利提供科学依据，促进山西南部绿色康养产业的健康发展。

选取1961—2020 年山西南部46 个地面中国国家气象观测站（其中，晋城市5个站，临汾市17个站，长治市11 个站，运城市13 个站）地面最低温度（简写为T0）数据（见图1）。韩荣青等[17]指出以地面最低温度作为基础温度得出的初霜日期更接近于实测数据，因此将霜冻标准定义为T0≤0℃[18-19]。把秋季T0≤0℃的最后1天定义为初霜日，同样春季T0≤0℃的最后1 天定义为终霜日，无霜期为终霜日和初霜日之间的间隔天数。由于初霜日偏晚和终霜日偏早对农业的影响较小，在此不作研究。将比平均初霜日提早1～5天、6～10天、11天分别定义为正常、偏早、特早初霜冻[14]，同样将比平均终霜日推迟1～5天、6～10天、11天分别定义为正常、偏晚、特晚终霜冻。研究方法采用线性趋势法、气候倾向率法[20]和M-K[21]法。

2.1 时间趋势特征

图2所示为山西南部1961—2020年初霜日和终霜日及无霜期时间趋势图，由图2(a)可以看出，山西南部60 年平均初霜日为10 月17日，最早初霜日为9 月2日，发生在1970年（高平），最晚初霜日为12月1日，发生在2020 年（新绛）；
初霜日气候倾向率为2.18 天/10年，呈现显著推迟特征。从年代际趋势看，20 世纪60年代和70年代初霜日分别为10月15日和10月13日，80 年代和90 年代初霜日分别为10 月17 日和10 月15日，均早于60 年平均值，进入21 世纪后，2000—2009年初霜日为10 月17日，2010—2020 年初霜日为10 月26日，初霜日明显推迟。

图2b 为终霜日时间趋势特征，由图可知，山西南部60年平均终霜日为4月17日，最早终霜日为2016年4月3日，最晚终霜日为1962年5月4日，相差17天；
60年终霜日气候倾向率为2.07天/10年，提前了18天，呈现显著提前特征。从年代际趋势看，20世纪60—90年代终霜日均晚于60年平均值，60年代和80年代为4月20日，晚3天，70年代终霜日为4月26日，晚9天，90年代终霜日为4月19日，晚2天。进入21世纪后，2000—2009 年和2010—2020 年终霜日均早于60 年平均值，分别为4月16日和4月14日，提前1天和3天。终霜日总体呈现20世纪延迟和21世纪提前的变化趋势。

图2c 为无霜期时间趋势特征，由图可知，60 年平均无霜期为184天，最短无霜期为152天，发生在1972年，最长无霜期为214天，发生在2016年，相差62 天；
无霜期气候倾向率为4.4天/10年，延长了26.4天，呈现显著延长变化趋势。从年代际看，20世纪60—90年代无霜期日数均小于60年平均值，分别为180、171、182、181天，2000年以来无霜期日数均高于60年平均值，分别为191天和197天。

图2 初霜日(a)和终霜日(b)及无霜期(c)时间变化特征

2.2 空间分布特征

2.2.1 霜期的空间分布 图3为山西南部初霜日和终霜日及无霜期空间分布图。可以看出（图3a），山西南部初霜日一般在10月上旬至11月上旬之间，最早初霜日为晋城市高平的9月2日，最晚初霜日期为运城市新绛的11 月2日，相差61 天。在空间上呈现东北部早、西南部晚的空间特征，初霜日较早的区域主要分布在临汾市西北部、长治市北部和南部、晋城市的东部地等地区，介于10月2日—10月8日之间；
初霜日较晚的地区主要分布在运城市的大部分地区和临汾市南部、晋城市的西部，介于10月20日—11月2日之间；
其余大部分地区初霜日多发生在10月中旬。图3b为终霜日空间分布特征，由图可见，与初霜日呈相反的分布趋势，西南部早、东北部晚的空间特征，终霜冻日期出现在4月上旬—5月上旬，平均终霜冻日期为4月17日，最早终霜日期为4月2日，发生在运城市的永济，最晚终霜日期为5月5日，发生在晋城市的陵川。图3c为无霜期空间分布特征，由图可知，无霜期空间分布特征上和初霜日空间分布基本一致，无霜期呈自西南向东北递减的趋势，无霜期较短的地区主要分布在临汾市西北部、长治市北部和南部、晋城市的东部地等地区，无霜期介于151～185天，无霜期较长的地区主要分布在运城市的大部分地区和临汾市南部、晋城市的西部，长度在190～215天之间。最短无霜期发生在晋城市的陵川，为151天，最长无霜期发生在运城市的永济，达214天。

图3 初霜日(a)和终霜日(b)及无霜期(c)空间分布图

2.2.2 霜期的气候倾向率空间分布 图4为山西南部初霜日、终霜日和无霜期气候倾向率空间特征，从图4a可以看出，近60年山西南部初霜日平均气候倾向率在0.72～4.76 天/10 年之间，呈增大趋势，空间上呈现长治的南部、晋城市的北部、运城市的西北部等地初霜日气候倾向率较大，在3.4～4.76天/10年之间，反映出山西南部初霜日整体为推迟的变化趋势。山西南部终霜日平均气候倾向率在-0.19～-6.2天/10年之间，各站点气候倾向率均呈递增趋势；
说明山西南部终霜日整体呈现为提前的变化趋势；
空间上在长治市的屯留、长治县、长子、壶关、晋城市的高平、临汾市的乡宁等地气候倾向率较大，变化范围为-6.2～-3.2天/10年（图4b）。无霜期平均气候倾向率在1.6～10.14天/10年之间，与初霜日一致，均呈递增延长趋势。空间上在临汾市的永和、乡宁、汾西、襄汾、翼城，长治市的长子、潞城，晋城市的高平、陵川，运城市的垣曲、平陆、新绛、万荣等地气候倾向率较大，变化范围在6.36～10.14天/10年（图4c）。

图4 初霜日(a)和终霜日(b)及无霜期(c)气候倾向率空间分布

2.3 霜期的概率分布

2.3.1 特早和偏早初霜日概率分布 把初霜日分为偏早初霜日、特早初霜日及正常初霜日，计算它们的概率分布（图5）。如图5a 所示，特早初霜日的发生概率在6.9%～21.7%，平均概率为15.1%，空间上呈现东南部和西北部高，东北部和西南部低的特征。在临汾市的市区、古县、大宁，长治市的市区、屯留，晋城市的市区、沁水、陵川，运城市的万荣、河津、闻喜等区域发生特早初霜日概率较高，在18.2%～21.7%之间；
发生概率较低的区域分布在西部临汾市的曲沃、襄汾、隰县，运城市的新绛、平陆等地，概率在6%～10%左右。从图5b 可以看出：山西南部地区偏早初霜日发生概率在2%～21.8%，平均概率为12.6%；
空间上整体呈现东北部高，东南部低的特征；
在东北部长治市的壶关、武乡、沁县、襄垣、黎城、潞城，临汾市的隰县、蒲县和运城的新绛、永济等区域偏早初霜日发生概率较高，在16.3～21.8%之间；
发生概率较低的区域分布在东南部晋城市的市区、陵川、沁水等地，发生概率在1%～5%左右。图5c为山西南部初霜日正常发生的概率，可以看出，在临汾西北部的永和县和隰县、南部的侯马市、东部的安泽县，长治市的沁县和平顺县，晋城的泽州县、陵川县，运城的新绛县和平陆县发生概率大于其他地区，平均达到25%以上。

图5 特早初霜日(a)和偏早初霜日(b)及正常初霜日(c)概率分布特征

2.3.2 偏晚和特晚终霜日概率分布 把终霜日分为偏晚终霜日，特晚终霜日及正常终霜日，计算它们的概率分布（图6）。如图6a所示，特晚终霜日的发生概率在5%～24%，平均概率为14.8%，空间上呈现临运盆地和临汾与晋城交界的河谷地带偏低、其余地区偏高的特征；
发生概率较高的区域主要分布在临汾市的东北部和西部、长治市的大部、运城市的东部、晋城市的北部，发生概率在16%～24%；
发生概率较低的区域分布在运城市的大部和临汾市的东部古县、浮山及晋城市的陵川等地，概率在5%～8%左右。由图6b可见，山西南部偏晚终霜日时有发生，概率为12.8%，空间上在临汾市的西北部永和、隰县，晋城市的阳城、沁水、陵川及市区，长治市的屯留、壶关，运城市的河津、稷山、万荣、临猗等地偏晚终霜日发生概率较高，在16%～27.3%之间；
在临汾市的襄汾、市区、洪洞、霍州、汾西，运城市的夏县、曲沃、绛县及长治市的长子、黎城等地发生概率较低，在1%～6%左右。图6c 为正常终霜日发生概率，可以看出，临汾市的永和县，长治市的壶关县、长治县、长子县及平顺县高于其他地区，平均达到27%以上。

图6 特晚终霜日(a)和偏晚终霜日(b)及正常终霜日(c)概率分布特征

2.4 霜期的突变特征

图7为山西南部1961—2020年初霜日和终霜日及无霜期M-K突变特征，由图7a初霜日突变检验可以看出，山西南部初霜日在1972 年以前为向下递减特征，之后为逐年增加趋势，并在2007 年穿越临界线（0.05水平），推迟趋势非常显著，正向UF曲线与反向UB曲线相交于2005年，为初霜日突变年。由图7b终霜日突变检验，可以看出，1981年以前基本为递增趋势，之后为逐年递减趋势，也在2007 年穿越临界线（0.05 水平），终霜日提前趋势明显，正向UF曲线和反向UB曲线相交于2002年，为终霜日突变年。图7c为无霜期突变检验趋势图，可以看出，无霜期在1972 年之前为向下递减特征，之后为逐年增加趋势，并在2003 年穿越临界线（0.05 水平），延长趋势显著，正向UF 曲线与反向UB曲线相交于2001年，为无霜期突变年。

图7 初霜日(a)和终霜日(b)及无霜期(c)M-K突变检验

2.5 霜期的周期分析

1990—2010 年时段存在6～8 年间断性周期变化，而16年左右周期变化具有3个“强-弱”交替过程，具有全域性，为主周期（图8a）；
终霜日存在8～12年和32年的周期变化，其中32 年周期存在2 个“强-弱”交替过程，明显最强，为主周期（图8b）；
无霜期在32年的存在2个“强-弱”交替过程，周期变化相对较强，为主周期，其他周期相对较弱（图8c）。

图8 初霜日(a)和终霜日(b)及无霜期(c)小波分析

2.6 霜期的影响因子分析

计算山西南部霜冻日期与地理因子和气候因子相关系数（表1）。初霜日、终霜日和无霜期与纬度的相关系数分别为-0.12、0.33和-0.3，而与海拔高度的相关系数分别为-0.72、0.59 和-0.6，山西南部纬度跨度从35.5°—37°N，只有1.5°，相对于纬度，海拔高度对山西南部初霜日、终霜日和无霜期的影响更显著。由表1可知，初霜日和无霜期与年气温及各个季节气温均呈正相关，而终霜日与年气温及各个季节气温均呈负相关，且都通过了0.01的显著性检验。初霜日主要受秋季平均最低气温影响，而终霜日和无霜期主要受春季平均最低气温的影响。

表1 初霜日、终霜日和无霜期与影响因子的相关系数

霜期变化受到多种因素的影响，其中气候变暖是影响农作物重要因素，会使农作物和林果生长期延长,严重影响经济农作物和林果的产量，危害较大。图9a为1961—2020 年山西南部霜冻灾害农作物面积占总播种面积的比率，可以看出，农作物受灾面积与霜冻频次的变化一致，但从1990 年开始，在霜冻频次和强度变化及初霜日推迟、终霜日提前的气候环境下，霜冻灾害农作物面积变化并不大，或与设施农业防护措施和农业现代化水平提高有关。积温是农业生产的重要热量指标[22]，对作物生长影响较大，是定量评估气候对农作物的重要气象指标。图9b 是山西南部1961—2020年≥10℃积温变化趋势[23-25]，可以看出，全年积温倾向率达66.7℃/10年，通过了0.01 的显著性检验，相关系数达0.65。近60 年全年积温平均增加了160℃，积温的明显增加导致农作物发育提前，而终霜日的推后，加大了冻害的发生。随着国家乡村振兴战略实施，中国农业产业以经济农作物和果树为主的产业布局，冻害风险骤然增大[26-28]，对农业产业的发展非常不利。

图9 山西省南部霜冻造成受灾农作物占比(a)及积温(≥10℃)变化趋势(b)

（1）1961—2020年，山西南部地区平均初霜日为10月17日，平均终霜日为4月17日，平均无霜期为184天。初霜日和终霜日及无霜期时间趋势变化分别呈现推迟、提前和延长，与许艳等[29]研究结果一致，但全国各地变化幅度差别较大，纬度偏北的吉林[30]，初霜日和终霜日及无霜期变化趋势分别为1.4、2.2、3.6天/10年，本研究处于中国纬度中部地区的山西南部地区三者变化趋势分别为2.18、2.07、4.4天/10年，而纬度偏南的贵州[14]，三者变化趋势分别为2.34、2.95、5.76天/10年，从北到南，变化速率明显加快。间接反映了气候变暖导致无霜期延长的变化特征，结论需进一步验证。

（2）在空间分布上，初霜日和无霜期空间分布基本一致，呈自西南向东北递减的趋势，在临汾市西北部、长治市北部和南部、晋城市的东部地等地初霜日较早和无霜期较短；
终霜日与初霜日分布正好相反，呈现西南部早、东北部晚的空间特征。霜冻日期存在明显周期变化；
2005年、2002年及2001年分别为初霜日、终霜日及无霜期的突变年。

（3）山西南部特早初霜日的平均发生概率为15.1%，呈现东南部和西北部高，东北部和西南部低的特征，在临汾市的古县、临汾市区、大宁，长治市的长治市区、屯留，晋城市的市区、沁水、陵川，运城市的万荣、河津、闻喜等地特早初霜日发生概率较高。偏早初霜日平均发生概率为12.6%，呈现东北部高，东南部低的特征，在东北部长治市的壶关、武乡、沁县、襄垣、黎城、潞城，临汾市的隰县、蒲县和运城的新绛、永济等地偏早初霜日发生概率较高，在16.3%～21.8%，其他地区发生概率在5%以下。

（4）特晚终霜日的平均发生概率为14.8%，空间上呈现临运盆地和临汾与晋城交界的河谷地带偏低、其余地区偏高的特征；
发生概率较高的区域主要分布在临汾市的东北部和西部、长治市的大部、运城市的东部、晋城市的北部等地，在16%～24%。山西南部偏晚终霜日时有发生，概率为12.8%，空间上在临汾市的西北部永和、隰县，晋城市的阳城、沁水、陵川，长治市的屯留、壶关，运城市的河津、稷山、万荣、临猗等地偏晚终霜日发生概率较高，在16%～27.3%，其他地区发生概率低于6%。

（5）山西南部位于黄土高原偏东南地区，影响初霜日、终霜日和无霜期的关键因子是海拔高度，由于山西南部地形起伏较大，气温随海拔高度的升高变化明显，而纬度为35.5°—37°N，跨度不大，对初霜日、终霜日和无霜期的影响略小。1990年以后，在霜冻频次和强度显著变化的情况下，霜冻灾害农作物面积变化并不大，或许与现在的设施农业防护措施提高有关。计算表明，近60年积温平均增加了160℃，积温的明显增加导致农作物发育提前，加大了冻害的发生，对农业生产产生重要影响，不利于现代农业生产的发展。