引言

气候变化已成为科学家和公众共同关心的问题。从20世纪初到2005年, 全球平均气温大约上升了0. 8 ℃ ^[1]。近百年来我国气候变化趋势与全球基本一致^[2-3], 但近50年增温比全球平均状况显著^[4]。在气候变暖的背景下, 全球许多地区的低温冷害事件发生频率和霜冻起讫日期也出现了明显的变化。例如, Heino等^[5]发现, 20世纪北欧的霜冻日数减少; Bonsal等^[6]发现加拿大也有类似特征; 研究表明, 美国地区霜冻日数变化趋势有明显的区域差异^[7-8]。在我国北方, 近50年霜冻日数有明显减少的趋势, 但趋势显著性存在明显的区域差异。1961-2000年期间西藏雅鲁藏布江谷地初、终霜冻日期也发生了明显变化^[9-10]。

东北是我国地面气温上升非常显著的地区, 气候变暖主要发生在冷季^[11-12], 这可能对初、终霜冻日期和无霜冻期长度有重要影响。杨克明等^[13]曾利用实测和历史天气图资料, 分析了东北地区1967-1997年初霜冻日期的天气气候特征, 也有研究者分析了东北局部地区初、终霜冻日期和无霜冻期的变化情况^[14-18], 但在辽东半岛地区相关研究还没有开展。本文利用大连地区日最低气温资料, 对此进行初步分析。这项研究有助于了解位于东北南部的辽东半岛霜冻气候和气候变化特征, 为提高该地区对异常霜冻灾害的预测能力、有效防御霜冻灾害提供参考。

1.   资料和方法

选取大连地区资料年限长、连续性好的大连、瓦房店和庄河3个测站1961-2006年的日最低气温资料, 分析初(终)霜冻日期的变化趋势。霜冻是因为大气温度降低而引起农作物受冻的一种灾害。为了能根据气象观测资料分析霜冻发生的时间, 本文把初(终)霜冻日定义为:秋季(春季)的日最低气温首次出现小于或等于(大于或等于)0 ℃的日期。

由于霜冻日期与大气温度降低密切相关, 因此它同气温一样具有正态分布特征。所以, 挑选极早初霜冻日和极晚终霜冻日的概率值都以0.05较为合适。根据正态分布原理, 其关系式^[19]为:

同理, 挑选偏早和偏晚霜冻的概率值为0.11, 即

式(1)~(3)中, P为概率值(单位: %), X为初(终)霜冻日, μ为1971-2000年30年平均值, σ为标准差。

因此, 本文规定“异常”初、终霜冻日的标准为:小于-1.65σ和大于1.65σ分别称为极早初霜冻日和极晚终霜冻日。根据上述标准, 统计分析了大连地区1961-2006年期间异常初、终霜冻日出现的年份。在-1.65σ~-σ和σ~1.65σ分别称为偏早初霜冻日和偏晚终霜冻日。

对分析时期的初(终)霜冻日线性变化趋势, 采用最小二乘法求得。多年平均值是1971-2000年30年的平均, 距平值是指相对多年平均值的差。初(终)霜冻日的周期分析采用功率谱方法, 最大落后时间长度取10年。

2.   初、终霜冻事件气候特征

大连地区3个站平均初霜冻日出现在10月9日-11月2日之间, 最早可提前到9月下旬。大连站平均初霜冻日出现在11月2日, 最早可提前到10月10日。瓦房店站通常出现在10月12日, 最早可提前到9月27日。

平均终霜冻日大连站出现在3月8日, 最迟出现在4月21日。瓦房店站通常出现在4月15日, 最晚可推迟到5月16日, 庄河站通常出现在4月12日, 最迟发生在5月6日。

全区平均无霜冻期为178~220 d, 最长的年份可达184~259 d, 最短的年份则缩至148~208 d; 南部的大连站无霜冻期最长; 东北部的庄河站最短。82 %保证率的无霜冻期在160~210 d之间。

表 1为近46年大连地区出现极早(晚)初(终)霜冻事件和无霜冻期的年份。极早初霜冻频数为1~3次, 以大连最多。极早初霜冻大连20世纪70年代出现了2次, 80年代出现了1次, 庄河在20世纪60年代初期、70年代末期各出现1次, 瓦房店只在20世纪70年代中期出现1次初霜冻来得极早的年份。各站极晚初霜冻发生的频数为1~4次, 其中大连和瓦房店最多, 主要发生在20世纪90年代中期以后。

表  1  大连地区极早(晚)初(终)霜冻事件出现的年份

Table  1.  The years with exceptional early(late)first(last)frost events in Dalian area

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极晚终霜冻发生的频数为1~4次, 瓦房店最少, 大连最多。其中庄河全部出现在20世纪60年代, 达3次, 1965, 1966年连续2年终霜冻结束得极晚。而极早终霜冻的频数除大连未出现外, 庄河在20世纪90年代出现1次, 瓦房店最多达5次, 但全部出现在21世纪的近6年内。

大连地区极长无霜冻期发生的频数为1~4次。20世纪60年代多出现极短无霜冻期年, 极长无霜期年一般出现在20世纪90年代和21世纪初。瓦房店出现过4次极长无霜冻期年, 均发生在21世纪初。大连出现过3次极短无霜冻期年, 分别发生在20世纪60年代中期、70年代初期和80年代中期, 瓦房店未出现过极短无霜冻期年, 庄河出现2次极短无霜冻期年, 均发生在20世纪60年代中期以后。

表 2为近46年大连地区出现偏早(晚)初(终)霜冻事件和无霜冻期的年份。偏早初霜冻出现的频数大连为7次, 瓦房店5次, 庄河3次, 其中瓦房店在20世纪60年代出现3次, 70年代、80年代各出现1次, 大连20世纪80年代连续2年出现初霜冻偏早, 即1986, 1987年, 60年代出现3次, 70年代1次, 90年代1次, 庄河20世纪60年代末、70年代初、80年代末各出现1次。偏晚初霜冻出现的频数在1~7次之间, 以庄河最多, 主要出现在20世纪70年代和90年代。

表  2  大连地区偏早(晚)初(终)霜冻事件出现的年份

Table  2.  The years with earlier (later) first (last) frost events in Dalian area

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偏晚终霜冻发生频数为2~5次, 以大连和庄河最多, 其中大连20世纪60年代较多, 90年代以后未出现; 庄河主要出现在20世纪80年代末以后, 占总次数的80 %; 瓦房店发生了2次, 20世纪60年代末和70年代末各出现1次。偏早终霜冻发生的频数为3~6次, 庄河最多, 20世纪80年代中期以后出现较多, 而瓦房店出现了3次, 均出现在20世纪90年代。偏长无霜冻期发生的年份仍以庄河最多, 且出现在20世纪80年代中期以后; 大连和瓦房店均出现3次, 主要出现在20世纪90年代。偏短无霜冻期出现的频数为4~7次, 以大连和庄河为最多, 20世纪60年代和70年代较多。

图 1反映大连地区各站不同年代异常霜冻事件出现频数的变化情况。从图 1可见, 大连和庄河站20世纪60年代出现异常终霜冻和无霜冻期频数均最多, 且大连站异常终霜冻频数逐年代递减, 庄河20世纪70年代出现异常初霜冻频数最多, 为3次, 近6年是瓦房店终霜冻和无霜冻期出现异常频数最多的时期, 达4次或5次之多。总体来看, 异常霜冻事件大连和庄河站20世纪60年代出现的频数最多, 21世纪初最少, 而瓦房店21世纪初出现的频数最多, 20世纪80年代最少。

图  1  大连地区各站不同年代异常霜冻事件出现的频数

Figure  1.  The decadal variation in frequency of unusual frost events for each station over Dalian area

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3.   初、终霜冻日期和无霜冻期年代际变化

表 3给出各站初(终)霜冻日统计特征和线性变化趋势。大连和瓦房店均表现出初霜冻出现迟、终霜冻结束早的显著趋势, 瓦房店尤其显著, 平均每10年初霜冻日推迟3.7 d, 终霜冻日提早8.1 d。大连初霜冻日平均每10年推迟2.9 d, 终霜冻日提早2.7 d。庄河则表现为不显著的初霜冻日推迟、终霜冻日提早。表 3还显示了最迟、最早初(终)霜冻日期的差值。各站最迟、最早初霜冻日的差值和最早、最迟终霜冻日的差值都在30 d以上, 其中瓦房店站最早、最迟终霜冻日的差值多达84 d, 这主要是由于春季强烈变暖使终霜冻日不断提前造成的。另外, 各站无霜冻期统计特征(表略)分析表明, 各站均表现为无霜冻期显著延长的趋势, 大连、瓦房店和庄河无霜冻期延长趋势分别通过了0.05, 0.01和0.10的显著性检验。无霜冻期大连延长6.0 d/10a, 瓦房店延长12.5 d/10a, 庄河延长3.3 d/10a。各站最长与最短无霜冻期的差值均在40 d以上, 大连、庄河差值更大。

表  3  各站 1961-2006 年初(终)霜冻日期统计特征和线性变化趋势

Table  3.  Statistical feature and linear trends of the first( last)frost dates during 1961-2006 at each station

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图 2给出瓦房店站初(终)霜冻日和无霜冻期逐年趋势变化情况。从图 2可见, 瓦房店站的初霜冻日表现出明显推迟、终霜冻日明显提早、无霜冻期显著延长的趋势。自20世纪80年代以来, 上述趋势更加明显, 各项指数均显著偏离多年平均值。

图  2  瓦房店站初霜冻日(a)、终霜冻日(b)和无霜冻期(c)的变化曲线

(折线：历年值；粗斜线：线性趋势；虚线：平均值)

Figure  2.  Change in first frost dates (a), last frost dates (b) and frost-free periods (c) at Wafangdian station

(broken lines:yearly values; thick lines:liner trend; dashed lines:mean value)

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从初(终)霜冻日期和无霜冻期的年代际变化来看, 表现出以下3个特点:① 20世纪60年代到80年代初霜冻日表现为逐年代推迟的趋势。例如, 大连90年代初霜冻最晚、终霜冻结束得最早、无霜冻期最长; ②近6年来, 瓦房店、庄河皆表现为初霜冻出现最晚、终霜冻结束得最早、无霜冻期最长的特点, 其中瓦房店2005年无霜冻期达到260 d, 为46年最大值, 较多年平均值延长了2个半月, 但大连站近6年的初、终霜冻日期和无霜冻期趋于稳定, 在多年平均值附近波动。

图 3给出对大连地区各站初、终霜冻日期和无霜冻期进行的功率谱分析结果。大连站初、终霜冻日期分别在11年和2年、22年的功率超过白噪音谱值, 庄河站初霜冻日期和无霜冻期均在11年处的功率超过白噪音谱值, 说明大连站初霜冻日期存在2年和11年左右显著周期, 终霜冻日期存在22年左右显著周期, 而庄河站的初霜冻日期和无霜冻期均存在11年左右的显著周期。

图  3  大连初霜冻日(a)、终霜冻日(b)和庄河初霜冻日(c)、无霜冻期(d)的功率谱分析图

(实线:功率谱; 虚线: 0.05显著性水平)

Figure  3.  The power spectrums of first frost dates (a) and last frost dates(b)at Dalian Station, and first frost dates (c) and frost-free periods (d) at Zhuanghe Station

(solid lines:power spectrum; dashed lines:significance at the 0.05 level)

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4.   结论

1) 近46年(1961-2006年)大连、瓦房店地区均表现为初霜冻出现迟、终霜冻结束早、无霜冻期延长的显著趋势, 使得生长季延长, 其中瓦房店站表现得最为显著。庄河站初霜冻日推迟和终霜冻日提早的趋势不显著, 但无霜冻期延长的趋势仍较显著。

2) 瓦房店站20世纪90年代以后初霜冻出现迟、终霜冻结束早、无霜冻期显著延长。20世纪60和70年代各站表现为初霜冻出现早、终霜冻结束晚、无霜冻期短的特点。20世纪60年代到80年代初霜冻日期有逐年代推迟、终霜冻日期不断提早的趋势。大连站90年代初霜冻降得最晚、终霜冻结束得最早、无霜冻期最长。近6年来, 瓦房店和庄河站与以前年代比较初霜冻日期来得最晚、终霜冻结束得最早、无霜冻期最长, 而大连站初霜冻日期、终霜冻日期和无霜冻期在多年平均值附近波动。

3) 各站极早初霜冻事件频数为1~3次, 以大连为最多。极晚终霜冻事件发生的频数为1~4次, 瓦房店最少, 大连最多。而极早终霜冻事件除大连未出现外, 庄河在20世纪90年代出现1次, 瓦房店全部出现在21世纪的近6年内, 达5次之多。瓦房店未出现过极短无霜冻期, 但极长无霜冻期出现的次数最多, 达4次, 均出现在21世纪初。

4) 异常霜冻事件大连和庄河站20世纪60年代出现的频数最多, 21世纪初最少, 且大连站异常终霜冻频数逐年代递减。而瓦房店21世纪初出现的频数最多, 20世纪80年代最少。

5) 大连站的初、终霜冻日期与庄河站的初霜冻日期和无霜冻期存在显著周期现象。其中大连站初霜冻日期的显著周期为2年和11年左右, 终霜冻日期的显著周期为22年左右; 庄河站的初霜冻日期和无霜冻期均存在11年左右的显著周期。