近61 a 黄河流域霜冻日期时空分异特征及影响因素

张志高， 徐晓曼， 郭超凡， 蔡茂堂， 袁 征， 张明哲

（1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳 455000；2.河南大学黄河文明与可持续发展研究中心，河南 开封 475001；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；4.安阳工学院材料科学与工程学院，河南 安阳 455000）

近100 多年来，地球气候正在经历以全球变暖为主要特征的变化，IPCC 第六次评估报告指出，全球地表温度正以前所未有的速度上升，2011—2020年全球平均表面温度相比1850—1900 年上升1.09 ℃［1］。全球变暖将改变气温、辐射以及降水等要素的地理分布，导致高温、洪涝等灾害频繁，严重危害农业生产、自然生态以及人类生活环境［2-3］。霜冻是由于寒潮和强冷空气活动引致土壤或植物表面温度降至0 ℃以下而造成作物受害的现象［4］。在全球气候变暖背景下，初、终霜日及霜期的变化会显著影响农业作物生产及粮食安全［5-7］。因此，霜冻的时空演变特征及其影响因素与灾害评估受到了国内外学者的广泛关注［8-12］。相关研究表明，欧洲［13］和北美［14］等地初霜日推迟，终霜日提前，霜冻日数呈减少趋势。近50 a来，中国大部分地区如吉林省［15］、淮河流域［16］、黄土高原［17］和甘肃省［18］等地霜期缩短，初霜日推迟而终霜日提前，但是霜冻时空变化特征具有明显的区域差异［19］。在霜冻变化影响因素方面，王国复等［20］认为中国大部地区霜期缩短，初霜日推迟，终霜日提前主要与日最低气温和0 cm最低地温的不断升高有关；马彬等［21］认为极涡与副热带高压的位置、强度、面积变化驱动了中国农业区霜冻多年气候状态的转变；陈少勇等［22］探讨了西北地区影响初霜冻发生的环流特征，认为与副热带高压正相关，与极涡负相关，初霜日推迟是气候变暖的结果；吴杨等［23］建立了浙江省春霜冻日与太平洋海温的遥相关关系；贾艳青等［24］研究发现城市化进程导致长三角地区霜冻日数明显减少。还有学者分析了霜冻灾害对大豆［25］、茶树［26］和冬小麦［27］等作物的影响。

黄河流域横跨我国北方东、中、西三大地理阶梯，流域上、中、下游地形地貌、植被及气候类型分异显著，为我国重要的生态安全屏障。黄河流域现有耕地1.3×107hm2，粮食产量约占全国1/3，在我国农业生产中占有重要地位。然而流域内气候温差较大且季节差异明显，降水集中但分布不均匀，旱涝及霜冻等气象灾害严重影响流域内农业生产。因此，本文基于1960—2020 年逐日气象观测数据，运用趋势分析、Mann-Kendall 突变检验、相关分析及R/S 分析等方法对黄河流域初霜、终霜日及无霜期的时空演变进行研究，并探讨其与地理因子的关系，以期为流域霜冻灾害的预警和防范以及指导农业生产提供科学依据和参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

黄河流域（32°～42°N，96°～119°E）横贯我国中北部，包含青海、四川等9省区，流域面积约7.5×105km2。黄河流域海拔在0～6241 m，西接青藏高原，多为山地，中部以黄土高原区为主，水土流失严重，东邻华北平原，地势西高东低。流域地处中纬度地带，受大气环流和季风环流影响较为复杂，西部为大陆性干旱气候，中部为季风性半干旱气候，东部属海洋性半湿润气候。流域多数地区降水量在200～650 mm，且年内分布不均，多集中在6—10 月，年均气温在-4～14 ℃，全年日照时数在2000～3300 h。为研究黄河流域霜冻变化的区域特征，将黄河流域进一步划分为上、中、下游地区，其中，上游地区包括久治、景泰、包头等33个气象站点，中游地区包括武功、靖边、神木等43个气象站点，下游地区包括新乡、郑州、沂源等7个气象站点（图1）。

图1 黄河流域气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorology stations in the Yellow River Basin

1.2 数据来源

黄河流域83 个气象站点1960—2020 年逐日地面温度数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn）中国地面气候资料日值数据集，该数据集经过极值检验和RHtest 均一性检验等方面的严格质量控制。以地面最低温度≤0 ℃作为霜冻指标，参考前人研究［28］，中国北方初霜日一般在8月1日后，因此以8月1日作为统计起始点，将8月1日定义为1，用日序表示初、终霜日，初霜日为8月1日以后第一次出现地面最低温度≤0 ℃的日期，终霜日为最后一次地面最低温度≤0 ℃的日期，霜冻终日的翌日至初日的前一天之间的日数为无霜期。利用算术平均法建立1960—2020年黄河流域初霜期、终霜期和无霜期序列。

1.3 研究方法

采用线性倾向估计法分析黄河流域霜冻的时间变化特征；采用Mann-Kendall 检验法对黄河流域霜冻日期进行突变分析［29］；采用Morlet 小波分析方法对黄河流域霜冻周期变化特征进行分析；利用Pearson 相关分析法和线性回归法分析霜冻日期与地理因子（经纬度和海拔高度）和日平均气温的关系，变量间相关性强度依据相关系数（r）绝对值大小分为5 个等级，分别为极强相关（0.8＜|r|≤1.0）、强相关（0.6＜|r|≤0.8）、中等程度相关（0.4＜|r|≤0.6）、弱相关（0.2＜|r|≤0.4）和极弱相关（0.0＜|r|≤0.2）；基于Arc-GIS 10.0 软件，采用克里金插值和自然断点法分析霜冻日期空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 黄河流域霜冻日期时间变化特征

1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期时间变化（图2、表1）。近61 a来黄河流域初霜平均日期为10 月8 日，其中1972 年初霜日最早，为9月22 日，2016 年初霜日最晚，为10 月22 日，线性拟合可知，黄河流域初霜日期显著推迟，倾向率为2.51 d·(10a)-1（图2a）。1960—2020年黄河流域终霜平均日期为4 月30 日，其中，2008、2011、2013、2015年和2017 年终霜日最早，为4 月21 日，1974 年终霜日最晚，为5月12日，61 a来终霜日以-2.07 d·(10a)-1的倾向率显著提前（图2b）。1960—2020 年黄河流域无霜期平均为161 d，其中1974年最短，为140 d，2016年最长，为182 d，61 a来无霜期显著延长，倾向率为4.48 d·(10a)-1（图2c）。

图2 1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期年际变化Fig.2 Annual variations of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

年代际变化方面，20 世纪70 年代初霜日最早，平均日期为10 月4 日，21 世纪以来距平转为正值，21 世纪10 年代初霜日最晚，平均为10 月17 日。20世纪70年代终霜日最晚，为5月6日，之后逐年代提前，21 世纪10 年代提前至4 月23 日。20 世纪70 年代无霜期最短为150 d，21世纪以来显著延长，21世纪10 年代无霜期达176 d，相比70 年代延长26 d（表1）。

表1 黄河流域初霜日、终霜日和无霜期年代际变化Tab.1 Inter-decadal variations of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin

2.2 上、中、下游地区霜冻日期时间变化特征

1960—2020 年黄河流域上、中、下游地区初霜日、终霜日和无霜期差异明显（表2）。近61 a来，黄河流域上、中、下游地区初霜日分别为9月24日、10月16日和10月31日，上游地区初霜日最早，下游地区出现最晚，相差37 d；下游地区终霜日为4月6日，上游地区为5月13日，相差37 d；无霜期在下游地区最长为207 d，上游地区最短为132 d，相差75 d。从变化趋势来看，近61 a来黄河流域上、中、下游地区初霜日均呈推迟趋势，终霜日均呈提前趋势，无霜期均显著延长，下游地区初霜日和无霜期变化幅度最大。

2.3 霜冻日期空间分布特征

2.3.1 霜冻日期的平均空间分布特征黄河流域初霜日、终霜日和无霜期的空间变化（图3）。黄河流域各地初霜日出现在8 月4 日至11 月8 日之间，整体呈由南到北递减、由东向西递减趋势，西南部玛多、久治、若尔盖等站初霜日最早，在8 月22 日之前，东南部商南、郑州、开封、孟津等站初霜日最晚，在11 月5 日以后（图3a）。近61 a 黄河流域各地平均终霜日在3月29日至5月30日之间，总体呈自南向北逐渐推迟、由东向西逐渐推迟趋势，东南部武功、郑州、商南、开封等站终霜日期在4月1日前，西南部玛多、若尔盖、久治、红原等站终霜日期出现最晚，在5月27日以后（图3b）。近61 a黄河流域各地平均无霜期在65～220 d 之间，总体呈自南向北减少、由东向西递减趋势，东南部武功、商南、郑州、开封等站无霜期在218 d 以上，西南部玛多、久治、若尔盖等站无霜期最短，在85 d以下（图3c）。

图3 1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期的空间分布Fig.3 Spatial distributions of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.3.2 霜冻日期变化趋势空间分布特征1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期倾向率空间分布（图4）。黄河流域83个站点初霜日倾向率均为正值，气候倾向率在0.05～9.98 d·(10a)-1之间，各地初霜日均呈推迟趋势，玛多站推迟幅度最小，共和站推迟幅度最大（图4a）。近61 a 黄河流域终霜日倾向率在-4.75～1.05 d·(10a)-1之间，其中81 个站点倾向率为负值，终霜日呈提前趋势，西南部合作、久治站倾向率为正，终霜日呈推迟趋势（图4b）。近61 a黄河流域无霜期显著延长，气候倾向率在0.12～9.28 d·(10a)-1之间，中东部地区无霜期延长幅度较大，西南部地区延长幅度较小，中宁站最大，玛多站最小（图4c）。

图4 1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期倾向率的空间分布Fig.4 Spatial distributions of the tendency of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.4 霜冻日期突变特征

1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期M-K突变检验曲线（图5）。近61 a来黄河流域初霜日正序列UF曲线整体呈上升趋势，反序列UB曲线呈下降趋势，二者相交于2002 年，确定初霜日的突变点为2002 年，突变前平均初霜日期为10 月5日，突变后为10月16日，推迟了11 d（图5a）。终霜日正序列UF曲线呈下降趋势，反序列UB曲线呈上升趋势，UF 和UB 曲线相交于2000 年，确定终霜日的突变点为2000年，突变后平均终初霜日期为4月24日，较突变前的5月2日提前了8 d（图5b）。无霜期正序列UF曲线呈上升趋势，反序列UB曲线呈下降趋势，UF 和UB 曲线相交于2001 年，确定终霜日的突变点为2001年，突变后无霜期平均为173 d，较突变前的156 d延长了17 d（图5c）。

图5 1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期的M-K检验Fig.5 M-K test curves of the first,last frost dates and the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.5 霜冻的周期变化特征

1960—2020年黄河流域初霜日、终霜日和无霜期的Morlet 小波分析结果（图6～8）。初霜日存在11 a 和28 a 左右的周期变化，其中28 a 的周期具有全域性，11 a 左右的周期在1990 年之前较为突出（图6）。初霜日的小波方差图（图6b）显示初霜日在28 a左右出现极值，为第一主周期，表明黄河流域初霜日在28 a左右会经历一个逐渐推迟变化过程。

图6 1960—2020年黄河流域初霜日周期变化特征Fig.6 Periodic variation characteristics of the first frost date in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

近61 a来黄河流域终霜日存在28 a左右的周期变化（图7），且具有全域性，从终霜日的小波方差图可以看出，终霜日小波方差在28 a左右出现峰值，为其主周期，表明黄河流域终霜日在28 a左右会经历一个逐渐提前的变化过程（图7b）。

图7 1960—2020年黄河流域终霜日周期变化特征Fig.7 Periodic variation characteristics of the last frost date in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

近61 a来黄河流域无霜期存在28 a左右的周期变化，且具有全域性（图8）。从无霜期的小波方差图可以看出，无霜期在28 a左右方差出现最大峰值，为第一主周期，表明黄河流域无霜期日数在28 a左右会经历逐渐延长的变化过程（图8b）。

图8 1960—2020年黄河流域无霜期周期变化特征Fig.8 Periodic variation characteristics of the frost-free period in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.6 霜冻的影响因素

黄河流域初霜日、终霜日和无霜期与地理因子及日平均气温的相关关系和回归系数如表3 所示。初霜日与海拔高度的r为-0.892，表现为极强负相关关系，通过回归系数可以看出，随着海拔高度的上升，初霜日渐趋提前，每升高10 m，提前0.20 d，初霜日与经度和日平均气温分别呈强和极强正相关关系，经度和日平均气温越高，初霜日出现时间就越晚。终霜日与海拔高度呈极强正相关关系，与纬度呈弱正相关关系，海拔高度每上升10 m，纬度每增加1°，终霜日分别推迟0.17 d 和3.24 d，终霜日与经度和日平均气温分别呈强和极强负相关关系，经度每增加1°，日平均气温每增加1℃，终霜日分别提前2.66 d 和4.46 d。无霜期与海拔高度呈极强负相关关系，与纬度呈弱负相关关系，海拔高度每上升10 m，纬度增加1°，无霜期日数分别缩短0.37 d 和5.37 d，无霜期与经度和日平均气温分别呈强和极强正相关关系，经度每增加1°，日平均气温每增加1℃，无霜期会分别延长5.71 d 和9.65 d。黄河流域初霜日和无霜期均与海拔高度呈显著极强负相关关系，与日平均气温呈显著极强正相关关系，终霜日和海拔高度呈显著极强正相关关系，与日平均气温呈显著极强负相关关系，流域初、终霜日和无霜期主要受海拔高度和日平均气温影响。

表3 黄河流域初霜日、终霜日和无霜期与海拔高度、经纬度以及日平均气温的关系Tab.3 Relationships of the first,last frost dates and the frost-free period with the geographical parameters and average temperature in the Yellow River Basin

3 讨论

本研究以0 m 地表最低温度作为霜冻指标，分析了黄河流域1960—2020年初、终霜日和无霜期的时空分布及影响因素。在全球变暖背景下，近61 a来黄河流域初霜日推迟，终霜日提前，无霜期显著延长，这与黄土高原［17,27］、河南省［9］、宁夏［11］和山西省［30］等地区研究结果一致。

黄河流域初、终霜日和无霜期主要受海拔高度和日平均气温的影响，这与贵州省研究结果一致［31］，这是由于黄河流域横跨我国地势三级阶梯，区域内海拔高差较大有关。

在突变特征方面，黄河流域初、终霜日和无霜期分别于2002、2000 年和2001 年发生突变，这与山西省［30］、淮河流域［16］和甘肃省［4］霜冻日期突变时间较为接近，与中国极端气候事件突变时间段主要集中在20 世纪80 年代和90 年代一致［32］。近百年来，全球显著变暖，研究表明全球气候状态转变发生于20世纪80年代中后期［33］，气候状态的转变导致气候变率增大及极端气候事件增加，引致初霜日推迟，终霜日提前，无霜期延长。

近61 a 来黄河流域初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长，这将延长作物生长季，为地区农业生产提供充足的热量资源，利于作物适宜种植区域扩展，然而生长季延长又增加了作物对霜冻的暴露，作物生长对霜冻的敏感性因物种及生长环境而异。因此，在未来全球变暖背景下，各地还需因地制宜的采取调整农作物种植制度等措施，以减少霜冻危害。

4 结论

（1）1960—2020 年黄河流域初、终霜平均日期分别为10 月8 日和4 月30 日，无霜期平均为161 d，近61 a来黄河流域初霜日以2.51 d·(10a)-1的倾向率推迟，终霜日显著提前，倾向率为-2.07 d·(10a)-1，无霜期显著延长，倾向率为4.48 d·(10a)-1。20 世纪70年代初霜日最早，终霜日最晚，无霜期最短，21世纪10年代初霜日最晚，终霜日最早，无霜期最长。

（2）近61 a 黄河流域初霜日由南到北、由东向西逐渐提前，出现在8 月上旬至11 月上旬，上游地区初霜日最早，下游地区出现最晚。终霜日自南向北、由东向西逐渐推迟，出现在3 月下旬至5 月下旬，下游地区最早，上游地区最晚。无霜期自南向北、由东向西逐渐缩短，下游地区最长为207 d，上游地区最短为132 d。初霜日在流域各地均呈推迟趋势，终霜日仅在西南部合作和久治呈推迟趋势，无霜期在各地均呈延长趋势，下游地区初霜日和无霜期变化幅度最大。

（3）M-K 突变分析表明，近61 a 来黄河流域初霜日突变点为2002 年，突变后初霜日推迟11 d，终霜日于2000年发生突变，突变后终霜日提前8 d，无霜期于2001 年发生突变，突变后无霜期延长17 d。小波分析表明，黄河流域初、终霜日和无霜期均存在28 a左右的主周期变化。

（4）黄河流域初、终霜日和无霜期与海拔高度和日平均气温均呈显著极强相关关系，初、终霜日和无霜期主要受海拔高度和日平均气温的影响。