江苏春季霜冻气候变化特征及其未来可能变化趋势

张旭晖，居为民，蒯志敏，霍金兰，杨建全

(1.江苏省气象台，江苏 南京210008;2.南京大学，江苏 南京210093;3.吴中区气象局，江苏 苏州215128;4.盐都区气象局，江苏盐城224005;5.丹徒区气象局，江苏 镇江212003)

0 引言

霜冻在我国发生范围广、危害作物种类多、造成经济损失大，霜冻的发生与气温有着密切的关系(王国复等，2009)。随着气候的变暖，全球许多地区的霜冻气候特征也出现了明显的变化，如20世纪北欧、加拿大的霜冻日数减少，美国霜冻日数变化趋势存在明显的区域差异(Heino et al.，1999;Easterling，2002;Frich et al.，2002;马柱国，2003;Meehl et al.，2004)。我国学者对霜冻气候变化也做了大量的研究(王秀萍等，2008;叶殿秀和张勇，2008;钱锦霞等，2009;许艳等，2009)。叶殿秀和张勇(2008)采用1961—2007年我国577个测站的均一化逐日最低气温资料分析全国霜冻变化规律，认为全国平均终霜冻日期自20世纪80年代起明显提早，初霜冻日期20世纪90年代开始明显推迟，全国平均终霜冻日期提早时间明显比初霜冻日期推迟时间长，全国平均无霜冻期自20世纪80年代起明显延长。许艳等(2009)采用1951—2007年全国756站逐日的霜冻气象观测资料，分析证实50多年来，中国大部分地区霜期在逐渐缩短，初霜期逐渐推迟，而终霜期不断提前，20世纪90年代后这种趋势变得更加明显。杜军和宁斌(2006)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。江苏地处南北过渡带，霜冻频繁发生，对农业生产危害极大。在气候变暖的背景下，江苏春霜冻发生次数、终霜冻期气候特征发生了怎样的变化?未来气候变化背景下江苏霜冻的可能趋势是什么?对此问题的研究，可以提高霜冻灾害的预测能力，也可以为农业生产部门合理安排农业布局，保障农业安全生产提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料

利用江苏省35站1961—2008年气象观测资料，分析春霜冻基本特征及气候变化趋势;利用世界气候研究计划(WCRP)的耦合模式比较计划—阶段3的多气候模式数据，分析未来不同气候变化情景下江苏省霜冻发生的变化趋势。为了预测在未来气候变化情景下江苏省春季霜冻的演变趋势，将模型预测结果与观测数据进行融合生成未来春季气温序列，即

其中:T(i)为融合生成的未来i年的春季气温;Tm(i)是气候模式预测的未来i年的春季气温;Tm(1961—1999)是气候模式模拟的1961—1999年春季气温的平均值;T0(1961—1999)是观测的1961—1999年春季气温的平均值。

1.2 霜冻指标

以日最低气温小于等于2℃作为霜冻的气候指标(叶殿秀和张勇，2008)。定义每年3月10日—4月20日出现的霜冻为春霜冻，最后一次春霜冻出现的日期为终霜冻期。

1.3 趋势诊断方法

气象要素的气候倾向率利用以下方程计算:

式中:xt为气象要素的拟合值;a1×10称为气候倾向率，表示气象要素每10 a的变化率;xt与时间序列t(1，2，…，n)的相关系数称为趋势系数(杜军和宁斌，2006)。

1.4 气候突变诊断方法

以信噪比检验霜冻的气候突变性(Yamamoto et al.，1986;魏风英，1999)，计算式为

1.5 分区

受大气环流和海洋的影响，南部的春季气温回升速度快于北部，内陆快于沿海。江苏省终霜冻期则表现为南部早于北部，东部早于西部。根据春霜冻气候特点及实际气象服务需求(胡辛陵等，2001)，把江苏划分为4个区域:苏北西部地区(包括徐州、宿迁、淮安3市);苏北沿海地区(包括连云港、盐城、南通、泰州4市);宁镇扬地区(包括南京、镇江、扬州3市);苏南地区(包括苏州、无锡、常州3市)。

2 结果分析

2.1 江苏省春霜冻分布的气候特征

由于距海洋距离和纬度的差异，江苏省春季升温在西南部最早，而在西北部最晚，终霜冻期则表现为南部早于北部，东部早于西部。江苏省1961—2008年平均终霜冻期的空间分布(图1)显示，苏南地区为3月15—23日，苏北西部为3月28日—4月4日，苏北沿海地区为3月28—31日，宁镇扬地区为3月23—26日。

图1 1961—2008年平均终霜冻期的空间分布Fig.1 Spatial distribution of the average date of final spring frost from 1961 to 2008

平均春霜冻日数表现为北部明显多于南部，同纬度地区沿海多于内陆(图2)。苏北西部及苏北沿海的大部分地区为7～9 d;苏南地区为2～4 d;宁镇扬地区为4～6 d。最多春霜冻日数(图略)表明:苏北西部及苏北沿海的大部分地区为16～23 d，苏南地区为8～11 d，宁镇扬地区为10～15 d。

图2 1961—2008年平均春霜冻日数的空间分布(单位:d)Fig.2 Spatial distribution of the average days of spring frost from 1961 to 2008(units:d)

全省各地均有可能出现不发生春霜冻的年份，南部的无春霜冻发生年份明显多于北部。48 a中，淮北西部和苏北沿海地区普遍为1～3次，出现在2002、2004和2008年;宁镇扬地区为5～9次，一般出现在1989年以后;苏南地区出现次数最多，普遍为6～13次，半数以上出现在1986年以后，另有一些出现在1968、1973、1975和1977年。从时间分布看，20世纪90年代以后特别是进入21世纪，无春霜冻发生的年份明显增加，其中2002年全省各地均无春霜冻发生，2008年全省大部分地区未出现春霜冻。

2.2 江苏省春霜冻的年际变化趋势

为了解春霜冻的变化趋势，计算了终霜冻期、春霜冻日数的趋势系数。图3为终霜冻期趋势系数的空间分布。可见，全省均为负趋势，其中苏北西部、苏北沿海北部及苏南地区均通过了0.001信度的显著性检验，其他地区均通过了0.01信度的显著性检验，即48 a来江苏省平均终霜冻期呈显著提早的变化趋势。图4为终霜冻期趋势系数空间分布。可见，全省均为负趋势，普遍通过0.001信度的显著性检验，48 a来全省春霜冻日数显著减少。

图3 江苏省终霜冻期趋势系数的空间分布Fig.3 Spatial distribution of the tendency coefficient for the date of final spring frost

图5为终霜冻期气候倾向率的空间分布。可见，苏北西部和苏南地区提早4～5 d/(10 a)，苏北沿海地区大多提早2～3 d/(10 a)，宁镇扬地区提早2～4 d/(10 a)。春霜冻日数气候倾向率的空间分布(图6)显示，春霜冻日数减少程度是北部大于南部，沿海大于内陆:苏北西部地区及苏北沿海北部普遍减少2～3 d/(10 a)，其他地区平均减少1 d/(10 a)。

2.3 春霜冻与气温的关系

图4 江苏省春霜冻日数趋势系数的空间分布Fig.4 Spatial distribution of the tendency coefficient for the days of spring frost

图5 江苏省终霜冻期气候倾向率的空间分布(单位:d/(10 a))Fig.5 Spatial distribution of the climate trend rate of the date of final spring frost(units:d/(10 a))

分析江苏省终霜冻期、春霜冻日数与春季平均气温的关系可知:全省35站中有34站的终霜冻期与春季平均气温呈现显著的反相关关系，其中30站通过0.001信度的显著性检验，另4站分别通过0.01和0.05信度的显著性检验。从相关系数的空间分布(图略)看，终霜冻期与春季平均气温负相关程度高的地区为淮北西部、苏北沿海北部以及苏南地区东南部，相关系数为－0.53～－0.75，其他地区为 －0.32～ －0.52。

稻鸭共育是以水田为基础，在水稻田进行家鸭野养的一项生态农业技术，具有除草吃虫、增肥控蘖、提高品质、增加效益、减少污染等优点，是目前较为理想的优质高效技术之一。同时，稻鸭共育技术的实施及示范减少了农药和化肥用量，保护了环境，提高了农民的收入，也满足消费者对绿色食品、无公害农产品的需求。为有效控制水稻虫害，提高水稻害虫的控制水平，减少农药在稻米和环境中的残留，保障稻米质量安全，于2007～2011年推广实施稻鸭共育技术，取得了显著的社会、经济和生态效益。

35站的春霜冻日数与春季平均气温也呈现显著的反相关关系，表明江苏春季平均气温越高，春霜冻日数越少，霜冻期结束越早。从相关系数的空间分布(图略)看，终霜冻期与春季平均气温负相关程度是北部高于南部，淮北西部、苏北沿海地区的相关系数为 －0.66～ －0.77，其他地区为 －0.22～－0.68。表1给出了各区终霜冻期、春霜冻日数与春季平均气温的关系式。

图6 江苏省春霜冻日数气候倾向率的空间分布(单位:d/(10 a))Fig.6 Spatial distribution of the climate trend rate of the days of spring frost(units:d/(10 a))

表1 江苏各区终霜冻期(Y1)、春霜冻日数(Y2)与春季平均气温(X)的关系式Table 1 The relationship between the spring average temperature(X)and the date of final spring frost(Y1)，and the days of spring frost(Y2)for each area of Jiangsu Province

2.4 终霜冻期、春霜冻日数气候突变分析

利用(3)式计算江苏省各区48 a春季平均气温、终霜冻期、春霜冻日数气候突变的时间，序列长度取10 a，计算发现，各区春季平均气温均在1997年发生气候突变，苏北西部、苏北沿海地区、宁镇扬地区和苏南地区的信噪比分别为1.11、1.39、1.19和1.40，即1997年全省春季气温从一个相对偏低的时期跃变成一个相对偏高的时期。而各区终霜冻期、春霜冻日数在1961—2008年的信噪比普遍小于1.0，为了增加突变信息，本文以作为接近突变。取连续的峰值作为突变点，当序列长度取10 a时，相当于 t＞1.739，置信水平在90%以上;，相当于 t＞2.119，置信水平在95%以上。

计算表明:苏北西部、苏北沿海和宁镇扬终霜冻期的信噪比分别为0.79、0.81和0.80，达到95%以上的置信水平，三区的突变点均出现在1997年;苏南地区的终霜冻期信噪比为0.62，达到90%以上的置信水平，突变点出现在1996年。随着气候变暖，江苏年(季)平均气温、极端气温以及地温都发生了不同程度的响应(陆晓波等，2006;张宁等，2008;郭品文等，2009;杨英宝和江南，2009;潘敖大等，2010)，各区春季气温呈现明显的升高趋势，并在1997年发生了突变。由此可见，各区终霜冻期突变与春季气温突变基本一致。

由1961—2008年终霜冻期的逐年变化(图7)可见，各区终霜冻期突变后比突变前提前了10～12 d。1961—1996年，苏北西部地区终霜冻期的提前趋势不明显，平均在4月3日，1997年后，终霜冻期有一明显的提前趋势，平均提前至3月20日;苏北沿海地区突变前为4月2日，突变后为3月22日;宁镇扬地区突变前为3月26日，突变后为3月15日;苏南地区突变前为3月23日，突变后为3月11日。

苏北西部、苏北沿海地区春霜冻日数的信噪比为0.96和0.97，可以认为，48 a来苏北西部、苏北沿海地区春霜冻日数从一个相对偏多期跃变为一个相对偏少期，突变点均在1997年，其中苏北西部突变前平均春霜冻日数为9.5 d，突变后减为3.4 d，苏北沿海地区突变前平均春霜冻日数为7.8 d，突变后减为3.0 d。宁镇扬和苏南地区春霜冻日数的信噪比低于0.50，即这两个地区没有发生突变。

2.5 未来气候变化背景下江苏霜冻的可能趋势

2.5.1 观测与模拟的江苏春季气温变化趋势的比较

图71961 —2008年苏北西部地区(a)、苏北沿海地区(b)、宁镇扬地区(c)和苏南地区(d)终霜冻日的逐年变化(图中两段直线分别为突变前后时段的平均值)Fig.7 Yearly variations of the date of final spring frost in(a)northwestern Jiangsu，(b)northern coastal area of Jiangsu，(c)Nanjing－Zhenjiang－Yangzhou region，and(d)southern Jiangsu during 1961—2008(The two straight lines represent the average values before and after the abrupt change point，respectively)

表2 1961—1999年江苏各区春季平均气温模拟值与实测值的气候倾向率及其多年平均温度差值Table 2 The climate trend rates of simulated and observed average temperatures and the differences between the simulated and observed annual average temperatures in spring from 1961 to 1999 for each region of Jiangsu Province

2.5.2 江苏省终霜冻期的未来趋势

在高、中和低排放情景下，江苏各区春季平均气温均呈现为增高趋势。从区域分布看，增温幅度最大的是苏南地区，最小的是苏北西部地区，根据表1中江苏各区终霜冻期与春季平均气温的关系，利用气候模拟值进行终霜冻期情景预测(表3)，结果显示:江苏未来终霜冻期表现为明显的提前趋势。在中排放情景下(A1B)，苏北西部2020s终霜冻期将提前 4.6 d，2030s比 2020s明显提前，为 9.4 d，2040s和2050s比2030s略有提前，分别为10.1 d和10.7 d，2060s又明显提前，为14.8 d;其他各区情形与苏北西部地区相似，提前天数由北向南增多，提前最多的苏南地区2060s，为17.7 d。在高排放情景下(A2)，苏北西部2020s终霜冻期将提前7.3 d，2030s、2040s、2050s将提前 8.7 ～9.4 d，2060s将提前12.8 d;苏北沿海地区、宁镇扬地区和苏南地区将分别提前7.5～13.3、9.6～14.2和11.3～16.5 d。在低排放情景下(B1)，各区终霜冻期提前时间比其他排放情景略少，苏北西部为5.3～10.1 d，苏北沿海地区为6.2～10.1 d，宁镇扬地区为9.6～12.5 d，苏南地区为10.2～14.2 d;各区提前日数最少的年代均是2020s，而最多的年代不尽相同，苏北西部和宁镇扬为2050s，其他二区2050s和2060s并列最多。

图8 苏北西部地区(a)、苏北沿海地区(b)、宁镇扬地区(c)和苏南地区(d)春季平均气温实测值与模拟值的逐年变化(单位:℃)Fig.8 Yearly variations of simulated and observed spring average temperatures in(a)northwestern Jiangsu，(b)northern coastal area of Jiangsu，(c)Nanjing－Zhenjiang－Yangzhou region，and(d)southern Jiangsu(units:℃)

表3 不同排放情景下5种气候模式预测的2011—2060年江苏各区春季平均气温及终霜冻期变化的平均值(相对1961—1999年)Table 3 The changes in the average temperatures in spring and the date of final spring frost projected by the five climate models under different emission scenarios in each decade during the period from 2011 to 2060 relative to the corresponding values during the period from 1961 to 1999in different regions of Jiangsu Province

3 结论

1)1961—2008年江苏省春霜冻的空间分布特征明显，表现为苏北西部及苏北沿海地区终霜冻期明显晚于苏南地区，北部春霜冻日数明显多于南部，同纬度地区沿海多于内陆。

2)受气候变暖的影响，江苏省春季霜冻结束时间显著提早，春霜冻日数显著减少。各区终霜冻期(苏北西部和苏北沿海地区春霜冻日数)均在20世纪90年代后期，从一个相对偏晚(偏多)期跃变为一个相对偏早(偏少)期。特别是进入21世纪以后，春霜冻明显减轻，在宁镇扬和苏南地区有一半以上的年份几乎没有发生春霜冻。

3)在高、中和低排放情景下，江苏各区春季平均气温均呈增高趋势，未来终霜冻期也相应呈现为逐年代提前趋势。但春霜冻期提前结束并不意味着春霜冻害一定减轻，一方面随着春温的升高，作物生育进程加快，对霜冻敏感的时期会相应提前，另一方面在气候变暖背下，完全可能出现严重霜冻，而极短时间的霜冻就能对作物造成极大危害。因此，在气候变暖时期，农业部门调整生产布局、安排农业生产时仍不能放松对春霜冻的警惕。

本文在分析江苏省不同地区春霜冻终日变化趋势的基础上，建立了终霜冻期与春季气温之间的关系，根据多个气候模型预测的未来可能气候集成结果，探讨不同地区终霜冻期的未来可能变化趋势，研究结论旨在为政府采取科学的适应气候变化决策措施提供参考。本研究发现终霜冻期、春霜冻日数均与春季气温存在显著的相关关系，根据春季气温可以预报终霜冻期与春霜冻日数，但是这种预报是统计性的，预报模型的精度受到制约;预报结果依赖于春季气温预报的精度，由于气候模型结果的不确定性，所以春霜冻终日的未来趋势预测结果可能存在着不确定性，需要进一步深入研究，发展终霜冻期和春霜冻日数的预报模型。

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