烏海市春霜凍氣候變化特征與氣候背景研究

馬文迪

(烏海市氣象局，內蒙古 烏海 016000)

霜凍是烏海地區農牧業面臨的自然災害之一，研究表明春霜凍危害嚴重大于秋霜凍。伴隨著全球氣候變暖，霜凍日數及其程度在不同時空尺度上發生了變化，對當地農業產生較大影響。本文重點研究烏海地區春霜凍的氣候變化特征及其氣候背景，了解烏海地區霜凍發生規律和演變特征，對防御霜凍災害具有重要的應用價值。

1 研究現狀

目前對霜凍的日變化分析、演變趨勢和霜凍時空分布研究較多，2010年之后對烏海地區的霜凍研究較少。在之前的研究中，王鳳琴等(2015)對烏海霜凍的定義標準以低溫來定義，統計2010年之前終霜凍結束平均日期為4月29日；1971年—2000年之間終霜凍日期逐年提前，無霜凍期延長；2001年—2010年之間終霜凍日期推后，無霜凍期減少；2006年—2010年表現得更加顯著。

2 研究意義

2.1 分析春霜凍氣候變化特征

隨著全球氣候變暖，國內許多學者對霜凍的變化趨勢進行了研究，多地霜凍氣候變化特征是初霜凍推后，終霜凍提前，無霜期延長，在這樣的氣候背景下，烏海地區霜凍變化特征是否一致？分析烏海春霜凍的時空變化規律以及周期特征，對霜凍防御、特色農業生產布局以及結構調整有重要意義。

2.2 春霜凍期環流形勢及其氣候背景研究

春霜凍次數的多少、終霜凍結束的早晚都是大氣環流結果異常造成的，了解終霜凍早晚對應的前期氣候背景的異同和早晚終霜凍發生的環流特征有助于進一步加深對終霜凍結束早晚的認識，也有助于準確預測春霜凍結束的早晚。

3 資料與方法

3.1 霜凍定義、研究范圍

地面最低溫度≤0 ℃，定義為霜凍日；終霜凍：春季最后一次地面溫度≤0 ℃出現的日期。地面日值資料采用1963年—2021年共59 a的春季逐日地面氣象觀測資料，包括地面最低溫度、最低氣溫。由于1973年數據缺測較多，故剔除1973年，總計研究58 a。

3.2 環流場資料

本項目環流場資料采用NCEP逐日再分析位勢高度資料，網格點距為2.5°×2.5°(即144×73網格)，將逐日資料處理成候、月、季、年資料，氣候態取1981年—2010年平均。

3.3 研究方法

運用統計學方法研究烏海地區的春霜凍時間變化特征，利用氣象站點最低氣溫和最低地溫的逐日觀測資料，采用氣象統計中的Mann-kendall(以下簡稱M-K)檢驗方法研究春霜凍期霜凍日數和終霜凍日期的時間變化和周期特征。

利用NCEP再分析資料，對春霜凍期霜凍前一天500 hPa的環流平均場進行分析，得出主要影響春霜凍的環流特征。分析早晚終霜凍發生的環流特征有助于進一步加深對終霜凍結束早晚的認識，也有助于對終霜凍的短期氣候預測；選取終霜凍偏早和偏晚的典型年，分析對比其4月、5月單月的位勢高度平均場與距平、前期1月—3月的位勢高度平均場與距平；為了提高預測的時效性，在年度及春季的預測服務中能更好地預測春霜凍結束的早晚，可分析上一年冬天位勢高度平均場與距平；分析其不同時期冷空氣位置和強度的分布；得出春霜凍偏早和偏晚年的氣候背景。

4 春霜凍時間變化特征

4.1 春霜凍次數變化特征

基于烏海市國家氣象觀測站1963年建站以來至2021年5月份的常規地面氣象觀測資料，選取4月、5月份地溫≤0 ℃為一次春霜凍，總計656次。根據烏海地區實際情況，4月10日以后發生霜凍會對農產業造成危害，故重點分析4月10日及以后的春霜凍特征。

58 a內4月10日之后發生的霜凍次數總計391次(圖1)，平均每年6.7次；春霜凍次數最多的是2010年16次，次之是1980年14次。春霜凍次數最少的是1974年1次，次之是1998年、2004年和2019年為2次；1981年—2010年30 a春霜凍次數氣候值為7次，1991年—2020春霜凍次數新的氣候值為6.4次，呈減少趨勢。從年代際的變化來看，春霜凍次數最少的是20世紀60年代，最多的是80年代，增長顯著?？傮w呈先增后減趨勢，后期有所減少。

從圖1中分析出：1975年之前春霜凍次數≤平均數；1975年—1995年>平均數，1995年—2019年<平均數；在1975年和1995年存在突變。

圖1 春霜凍次數變化特征

對春霜凍次數隨時間的變化做M-K突變檢驗，結果見圖2。從檢驗結果來看，春霜凍發生次數在1975年、1995年存在2次突變，1975年之后春霜凍次數有所增加，1995年之后表現為顯著減少。突變檢驗結果支持結論：春霜凍次數1975年之前≤平均數,1975年—1995年>平均數，1995年—2019年<平均數。

圖2 春霜凍次數M-K突變檢驗

4.2 終霜凍日期變化特征

利用1963年—2021年終霜凍數據，分析烏海市終霜凍變化特征(圖3)。研究表明,1963年—2021年烏海市平均終霜凍日期5月1日；春霜凍結束最晚的年份是2018年為5月22日；次之是1979年和2021年為5月16日。終霜凍結束最早的年份是1964年，為4月6日，其次是2019年和1970年，為4月14日。終霜凍日期總體呈推遲趨勢。

平均終霜凍日期氣候值1981年—2010年30年是4月29日，1991年—2020年氣候值5月1日，氣候值推遲了2天。從年代記變化來看，20世紀70年代和21世紀10年代終霜凍日期最晚，平均終霜凍日期是5月7日；終霜凍日期最早是20世紀60年代為4月19日，其次是2001年—2010年代，平均終霜凍日期是4月27日。從圖3分析得到1971年之前終霜凍偏早，1971年—1995年偏晚，沒有明顯的周期變化。

圖3 終霜凍日期變化特征

研究終霜凍日最低氣溫發現：5月的霜凍伴隨寒潮天氣發生。比如2021年5月14日低溫12.9℃,16日最低溫度2.9 ℃。達到寒潮預警標準。

分析發現，在2010年—2020年，終霜凍異常偏晚，有7 a終霜凍都發生在5月1日之后，這與全球氣候變暖，大范圍地區終霜凍偏早的結論背道而馳，說明在全球氣候變暖的大背景下，烏海地區存在局地小氣候事件。

對春霜凍終霜凍日期進行M-K突變檢驗，結果見圖4。從檢驗結果來看，終霜凍日期在1969年—1971年存在一次突變，1985年—1990年之間存在顯著性突變，終霜凍日期顯著提前，2000年之后又開始推遲。2015年左右存在突變，顯著性不強，突變周期20 a左右。

圖4 終霜凍日期M-K突變檢驗

5 春霜凍期環流形勢及其氣候背景特征研究

5.1 終霜凍日前1天500 hPa環流形勢分析

為了更準確地預報春霜凍，需要對造成霜凍的環流形勢進行分析，筆者通過對終霜凍日前一天平均500 hPa環流形勢進行研究，發現造成4月份和5月份的霜凍環流形勢各有特征且有著明顯的差別，圖5隨機選取6個年份進行說明。

造成烏海地區春霜凍前1日的環流形勢，500 hPa主要有兩類，按照出現的頻次分為貝加爾湖冷槽型和貝加爾湖冷渦型。

其中4月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷槽型：在貝加爾湖以東地區有一個東北—西南走向的低槽，烏拉爾山以東、貝加爾湖以西、薩彥嶺以北為發展強盛、呈東北西南走向的高壓脊。

5月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷渦型：東亞中高緯長波系統為兩槽一脊型，關鍵區的東南方向有發展強盛的冷渦，繼續向東南方向移動發展。主槽的影響區呈東北—西南走向。

圖5 4月、5月終霜凍日環流形勢對比

5.2 終霜凍結束偏早年和偏晚年4月份位勢高度與距平復合圖對比

終霜凍結束偏晚年選取1972年、1979年、2018年3年分析；終霜凍結束偏早年選取1964年、2001年、2019年3年分析。結果顯示，終霜凍結束偏早時4月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示貝加爾湖及以南地區基本為正距平，我國北方大部為正距平；終霜凍結束偏晚時4月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區為負距平，我國北部、東北地區為負距平，冷空氣活躍；貝加爾湖以西北部存在小范圍正距平。

圖6 終霜凍結束偏早年和偏晚年4月份位勢高度與距平復合圖對比

5.3 終霜凍結束偏早年和偏晚年5月份位勢高度與距平復合圖對比

終霜凍結束偏早時5月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區基本為正距平，我國北部、東北地區為正距平；終霜凍結束偏晚時5月份北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區基本為負距平，烏海至極地有大范圍負距平，冷空氣活躍；新疆北部、東北地區存在小范圍正距平。貝加爾湖以北地區存在負距平中心。

5.4 終霜凍結束偏早年和偏晚年初春(2月—3月)位勢高度與距平復合圖對比

終霜凍結束偏早時北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖及以北地區存在正距平，位勢高度平均為脊控制；終霜凍結束偏晚時北半球500 hPa距平場合成圖顯示：貝加爾湖以北地區存在負距平中心。貝加爾湖及以北地區基本為負距平，烏海至極地有大范圍負距平，冷空氣活躍；新疆北部、東北地區存在小范圍正距平。

圖7 終霜凍結束偏早年和偏晚年5月份位勢高度與距平復合圖對比

圖8 終霜凍結束偏早年和偏晚年初春(2月—3月)位勢高度與距平復合圖對比

5.5 終霜凍結束偏早年和偏晚年上一年初冬(12月—1月)位勢高度與距平復合圖對比

終霜凍結束偏早時北半球500 hPa距平場合成圖顯示：環流形勢較為平直，貝加爾湖以北地區存在正距平，我國大部地區距平值接近于0或者正距平。

終霜凍結束偏晚時北半球500 hPa距平場合成圖顯示：在貝加爾湖以東地區有一個東北—西南走向的低槽，貝加爾湖及其以南地區均為負距平。

圖9 終霜凍結束偏早年和偏晚年上一年初冬(12月—1月)位勢高度與距平復合圖對比

6 結果與討論

筆者從春霜凍氣候變化特征入手，分析了終霜凍結束早晚及其對應氣候背景的特征，得出結論如下：①58 a間春霜凍的次數總體呈先增后減趨勢。在1975年、1995年存在2次突變，1975年之前春霜凍次數≤平均數；1975年—1995年多于平均數，1995年之后表現為顯著減少，1995年—2019年<平均數。②終霜凍日期1981年—2010年30 a整編值是4月29日，1991年—2020年30 a整編值是5月1日，氣候值推遲了2天。分析發現,在2010年—2020年，終霜凍異常偏晚，有7 a終霜凍都發生在5月1日之后，這與全球氣候變暖，大范圍地區終霜凍偏早的結論背道而馳，說明在全球氣候變暖的大背景下烏海地區存在局地小氣候事件。終霜凍日期在1969年—1971年存在一次突變、1985年—1990年之間存在顯著性突變，終霜凍日期顯著提前，2000年之后又開始推遲。③造成烏海地區春霜凍的環流形勢，500 hPa主要有兩類，按照出現的頻次分為貝加爾湖冷槽型和貝加爾湖冷渦型。其中4月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷槽型；5月份主要的影響形勢是貝加爾湖冷渦型。④終霜凍結束偏早時,4月份北半球500 hPa距平場上貝加爾湖及以南地區基本為正距平，我國北部方大部為正距平；終霜凍結束偏晚時4月份北半球500 hPa距平場上貝加爾湖及以北地區為負距平，我國北部、東北地區為負距平，冷空氣活躍。⑤終霜凍結束偏早時，5月份北半球500 hPa距平場貝加爾湖及以北地區基本為正距平，中國北部、東北地區為正距平，暖空氣活躍。終霜凍結束偏晚時，5月份北半球500 hPa距平場貝加爾湖及以北地區基本為負距平，烏海至極地有大范圍負距平，冷空氣活躍。⑥終霜凍結束偏早時，初春北半球500 hPa貝加爾湖及以北地區存在正距平，位勢高度平均為脊控制；終霜凍結束偏晚時，北半球500 hPa貝加爾湖以北地區存在負距平中心。貝加爾湖及以北地區基本為負距平，烏海至極地有大范圍負距平，冷空氣活躍。⑦終霜凍結束偏早時，前1年冬季北半球500 hPa環流形勢較為平直，貝湖以北地區存在正距平，我國大部地區距平值接近于0或者正距平。終霜凍結束偏晚時，北半球500 hPa在貝加爾湖以東地區有一個東北—西南走向的低槽，貝加爾湖及其以南地區均為負距平。