霜冻是我国发生范围广、危害作物种类多、造成经济损失大的一种气象灾害, 北至黑龙江, 南至广东、广西均存在霜冻灾害^[1-3]。在全球变暖的气候背景下, 极端温度变化特征的区域性和季节性存在差异^[4], 霜冻的一些气候特征也会发生变化。研究表明:在北欧、美国、加拿大过去几十年霜冻日数都有减少趋势^[5-7]。我国学者采用不同的指标对我国部分地区的霜冻气候特征及变化规律进行了分析, 如翟盘茂等^[8]采用200个测站资料对我国北方1951-1999年温度和降水极端事件变化研究指出, 我国北方最低气温小于0 ℃的日数显著减少, 这使得我国北方尤其是东部地区的无霜期明显加长。陈乾金等^[9-10]采用1953-1990年地面最低气温对华北和江淮地区异常霜冻气候特征进行研究, 结果表明, 异常初、终霜冻发生频率地理分布差异显著。马柱国^[11]用日平均气温对我国北方地区霜冻日数的变化进行研究, 结果显示: 1951-2000年霜冻日数有明显减少趋势, 春季霜冻日提前结束和秋季霜冻日推迟来临使得霜冻期缩短而生长季拉长。杜军等^[12]采用日最低气温对雅鲁藏布江中游1961-2000年异常初、终霜冻进行分析, 认为流域东段表现出初霜冻来得迟、终霜冻结束得早、无霜期延长的显著趋势; 江孜则表现为终霜冻推迟、无霜期缩短的不显著趋势。

以上关于霜冻的研究, 一般使用的资料站点少或资料长度短或多数对资料没有进行均一化处理, 很少针对全国范围的霜冻气候变化特征进行分析。气候资料的质量、台站迁移、仪器及台站邻近环境的变化均会对气候变化观测研究结果产生影响^[13]。2006年, 国家气象信息中心制作完成了全国均一化日最低气温资料, 本研究就是基于该资料, 试图比较全面地分析我国近50年来初、终霜冻日期及无霜冻期的变化趋势, 以期为区域作物结构调整及选取合适生育期的品种提供参考。

本文所用气象资料为国家信息中心提供的全国740个测站建站至2007年的均一化逐日最低气温资料, 考虑到20世纪50年代有气温观测记录的站数与60年代之后的站数相差较大, 文中统计、分析采用1961-2007年资料; 在统计时段中, 对资料长度不足40年的测站予以剔除, 最后满足条件的共有577个测站。

把百叶箱日最低气温降到2 ℃或以下作为霜冻的气候指标^{[2, 14-15]}。由温暖季节向寒冷季节过渡期间第一次出现霜冻的日期为初霜冻日, 由寒冷季节向温暖季节过渡期间最后一次出现霜冻的日期为终霜冻日; 终霜冻日期的后一天至初霜冻日期的前一天之间的日数称为无霜冻期。

本文的初、终霜冻日期及无霜冻期的年际变化趋势采用线性方法处理, 并采用相关系数法检验趋势的显著性。为了统计和表述方便, 在历年变化中, 将初、终霜冻日期均用自1月1日起的日序来表示, 即1月1日的日序为1, 3月20日的日序为59, 10月3日的日序为276等等; 初、终霜冻日期及无霜冻期的年际间最大离散程度用极差 (日序最大值与最小值之差) 来表示; 初、终霜冻日期及无霜冻期的年际变率大小以标准差来衡量。全国平均的时间序列是对满足统计条件的所有站点逐年资料进行等权算术平均获得。

在我国, 初霜冻日期的年际变化较大, 且区域差异明显。从近47年各地初霜冻日期极差看 (图略), 华南地区南部及云南南部最小, 在20 d以下; 东北、华北地区中部和东部、华南地区北部及南疆大部一般有30~40 d, 西北地区大部、江淮、江南、西南地区大部在40~60 d之间, 青藏高原部分地区超过60 d。从近47年各地终霜冻日期极差来看, 东北、华北、黄淮地区及陕西北部、内蒙古大部、新疆东部、青海中部等地较小, 一般在30~50 d左右, 西北地区东南部及南方大部地区有50~70 d, 局部地区达70~80 d。从近47年各站无霜冻期极差来看, 西南地区东部、西北地区东部、江汉、江南、华南地区北部较大, 一般在70 d以上, 局部地区超过90 d; 东北地区大部、华北地区东部较小, 普遍在50~60 d之间。初、终霜冻日期及无霜冻期的极差均呈现出西部大、东部小, 南方大、北方小的变化特征。

从近47年各站初、终霜冻日期及无霜冻期标准差的空间分布来看 (图 1), 同样也呈现出西部大、东部小, 南方大、北方小的分布特征。东北地区大部、华南地区中南部及南疆大部初霜冻日期年际间变化较小, 标准差在8 d以下, 华北、西北地区大部、黄淮、江淮地区、两广北部及四川盆地、云南大部标准差在8~12 d之间, 江南地区中部、青藏高原大部及福建大部初霜冻日期年际变化较大, 标准差在12 d以上, 其中青藏高原中部和东部变化最大, 标准差达14~20 d (图 1a)。从近47年终霜冻日期标准差的空间分布来看 (图 1b), 华北、黄淮地区东部、江淮地区东部、东北地区东北部和南部、内蒙古西部、新疆西部终霜冻日期年际间变化较小, 在10 d以下, 江南地区西部、华南地区大部、西南地区东部及青藏高原中部终霜冻日期年际间变化较大, 一般超过14 d, 两广北部及四川盆地在18 d以上。近47年无霜冻期标准差的空间分布也呈现出南方地区大北方地区小的分布特征 (图 1c)。西南地区大部、江汉、江南、华南地区大部及青海北部、西藏大部一般在16~24 d之间; 而东北、华北地区及陕西中部和北部、甘肃东部、新疆大部变化幅度小, 在12~16 d之间; 山东东部、辽宁东部、吉林中南部、黑龙江东北部、青海东南部更小, 在12 d以下。

图 1

图 1. 1961-2007年我国初 (a)、终 (b) 霜冻日期及无霜冻期 (c) 标准差分布 (单位：d) Fig 1. The standard deviations distribution of the first frost date (a), the last frost date (b) and the frost_free days (c) in China during 1961-2007(unit:d)

由图 2可以看出, 近47年, 全国平均初霜冻日期呈推迟变化趋势, 终霜冻日期呈提早变化趋势, 无霜冻期呈延长变化趋势, 其气候倾向率分别为1.3 d/10a, 2.0 d/10a和3.4 d/10a, 并均通过0.001显著性检验。从年代际变化来看 (表 1), 20世纪60~80年代全国平均初霜冻日期变化不大, 但20世纪90年代之后初霜冻日期明显推迟, 其中21世纪以来全国平均初霜冻日期比20世纪80年代推迟5 d; 20世纪60~70年代全国平均终霜冻出现日期变化不大, 但从20世纪80年代起全国平均终霜冻日期出现明显提早的变化趋势, 其中21世纪以来全国平均终霜冻日比20世纪70年代提早9 d; 20世纪60年代和70年代全国平均无霜冻期变化不大, 80年代至今无霜冻期呈显著增加趋势, 21世纪前7年全国平均无霜冻期比20世纪70年代偏长15 d (表 1)。

图 2

图 2. 1961-2007年我国平均初 (a)、终 (b) 霜冻日序及无霜冻期 (c) 的历年变化 Fig 2. The inter-annual variation on day series of the first frost date (a), the last frost date (b) and the frost_free days (c) in China during 1961-2007

表 1

表 1 不同年代全国平均初、终霜冻日序及无霜冻期 Table 1 Day series of the first frost date, the last frost date and the frost-free days in different decades in China

表 1 不同年代全国平均初、终霜冻日序及无霜冻期 Table 1 Day series of the first frost date, the last frost date and the frost-free days in different decades in China

空间分布来看 (图 1), 近47年全国大部地区的初霜冻日期变化有推迟趋势, 其中, 除华北地区东部、长江三角洲、青海北部、新疆东部、西藏中部、云南推迟幅度相对较大, 为2~3 d/10a, 全国其余大部地区为1~2 d/10a;全国大部地区终霜冻日期有提早的变化趋势, 其中西北地区大部、江南地区中西部及辽宁大部、山东大部提早1~2 d/10a, 东北地区中部和北部、华北、黄淮、江淮、江南地区东部、西南地区大部、华南地区大部提早2~4 d/10a。对照图 3a, 3b可知, 北方大部地区终霜冻日期变化趋势明显大于初霜冻日期变化趋势。全国无霜冻期普遍呈延长的变化趋势, 且大部地区一般延长2 d/10a以上, 其中东北地区中北部、华北地区东部和北部、黄淮、江淮、华南、西南地区大部、青藏高原西部及新疆东部延长4~6 d/10a, 说明中东部地区及青藏高原西部无霜冻期延长比中西部地区明显 (图 3c)。

图 3

图 3. 1961-2007年我国初 (a)、终 (b) 霜冻及无霜冻期 (c) 的线性变化趋势分布（单位：d/10a） Fig 3. Linear trends of first frost date (a), the last frost (b) and the frost-free days (c) in China during 1961-2007(unit:d/10a)

1) 近47年, 初、终霜冻日期及无霜冻期长度的极差和标准差均表现出北方地区比南方地区小, 说明无论初、终霜冻日出现时间还是无霜冻期长度年际间变化北方地区均比南方地区稳定。所以, 在充分利用气候资源的同时, 也要注意预防极端霜冻的影响, 特别是南方地区。

2) 无论是初、终霜冻日期还是无霜冻期, 其极差均为标准差的2倍以上, 说明初、终霜冻日期、无霜冻期离散程度均较大。另外, 极差和标准差均反映出, 全国大部地区终霜冻日期的年际间差异比初霜冻日期大, 无霜冻期的年际变化又比终霜冻日期年际变化大。

3) 近47年, 全国平均终霜冻日期以2.0 d/10a的气候倾向率提早, 初霜冻日期以1.3 d/10a气候倾向率推迟, 终霜冻日期提早幅度比初霜冻日期推迟幅度大; 无霜冻期以3.4 d/10a的气候倾向率延长。从年代际变化来看, 初霜冻日期20世纪90年代开始明显推迟, 终霜冻日期80年代开始明显提早, 无霜冻期也是80年代开始明显延长。