新疆石河子多年霜冻气候特征及预防

（新疆石河子气象局，石河子市，832000） 蒲云锦

霜冻是一种常见的农业气象灾害，一直是农业科学、气象科学和相关科学研究的重点，初霜期显著提前，终霜期显著推迟，都会给当地农作物造成严重危害。只有充分地认识霜冻气候的发生规律和形成机理，才能最大限度地降低霜冻灾害，国内外许多学者对霜冻气候及灾害做了大量的研究。郭晓雷[1]对近50年环香山地区霜冻气候的基本特征和变化趋势进行详细分析,为制定该地区压砂瓜霜冻灾害防御措施提供参考；丁文魁[2]等分析了武威市年初、终霜日的时空变化特征；朱红蕊[3]分析了水稻初霜冻灾害的危险性和易损性,实现水稻初霜冻灾害的风险评估与区划；袁佰顺[4]等进行了苹果花果期霜冻灾害气候风险区划研究；张延菊[5]根据1961～2009 年托里县实测资料,对当地霜冻变化特征进行分析；王俊[6]等建立由温度指标推算茶叶开采期的模型；钟有萍[7]等对铜仁市凝冻时空分布和凝冻指数进行分析；张黎[8]等对霜冻发生时间、强度、频率等致灾因子进行特征分析；林婧婧[9]等分析了初、终霜冻和无霜冻期的变化特征；杨明珠[10]等利用站点观测和再分析资料研究了黑潮海温(SST)与中国北方初霜冻日期的关系；冯淑霞[11]等分析了霜冻对东北地区农业生产的不利影响,并根据霜冻特点提出防御霜冻危害的措施；蒲金涌[12]等建立了干旱影响粮食产量的风险评估指数,并对不同冬小麦、玉米在不同季节受不同等级干旱的影响风险进行了分析；严应存[13]等采用图表法和指数乘积法开展青海省霜冻灾害变化特征及风险区划；桑建人[14]等组合建立具有一定代表性的霜冻指标；黄玖君[15]等分析霜冻变化特征,初步探讨其对主要农作物的影响；李超[16]等采用基础统计方法和气候诊断分析方法对赤峰市14个站的初霜冻日期进行统计分析；徐圣璇[17]等对1951～2012年广西90个气象站霜日分布及变化特征的分析；李芬[18]等分析了山西终霜冻的时空分布特征；张山清[19]等使用线性趋势、累积距平和t-检验以及混合插值法对年平均气温和初、终霜冻日、无霜冻期的时空变化特征进行分析；拉巴次仁[20]等分析了霜冻日数的年际、年代际、异常、突变等气候变化特征。

石河子垦区地处地处天山北麓中段，古尔班通古特大沙漠南缘，地理坐标位于东经84'58"～86'24"，北纬43'26"～45'20"。属于大陆性温带干旱、半干旱气候，也是霜冻灾害的多发区，石河子垦区是一个以农业生产为主的地区，每年都有霜冻灾害发生，霜冻灾害是制约石河子垦区农业生产发展的主要因素之一，此文以石河子气象局1954～2017 年地面气象观测资料为基础，统计分析了霜冻气候变化特征，初、终霜冻日和无霜日变化规律，以期提高霜冻的预报预测水平和防灾减灾服务能力，为石河子垦区因地制宜、合理调整种植物种结构和布局，充分利用当地气候自语昂提供科学依据，为当地政府提供准确及时的决策依据，为促进当地农业发展有着极其重要的意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用新疆石河子垦区1954～2017 年初霜、终霜和无霜日地面观测资料。

1.2 统计方法

（1）运用最小二乘法原理，采用一元线性回归方程对近石河子垦区霜冻气候时间序列进行线性拟合，以此来描述霜冻气候的变化，即令y(t)=a+bt，其中t为时间序列，b*10a定义为霜冻提前推迟率，b＞0表示要素序列呈上升（增加、推迟）趋势，b＜0表示要素序列呈下降（减少、提前）趋势。

（2）利用Molet小波分析方法分析年初霜日、年终霜日和年无霜日数的周期变化；

利用Mann-Kendall方法分析初霜日、终霜日和无霜日数突变特征，并确定其时间。

（4）用多元线性回归模型分析年无霜日数变化与9个气象因子的关系。

2 结果与分析

2.1 初霜日、终霜日和无霜日数的气候变化特征

从终霜日变化特征图（图1a）可知，石河子垦区1963年来终霜日呈波动提前趋势，以4.97d/10a的趋势提前，且相关系数通过了0.05 置信度检验，有较好的拟合性，石河子垦区平均终霜日是4 月23 日，终霜日出现最早的日期是2014年3月18日，最迟终霜日期出现在1958年5月31日。

初霜日变化特征图（图1b）可知，石河子垦区年63年来初霜日呈波动推后趋势，以3.48d/10a的趋势推后，相关系数通过了0.05 置信度检验，石河子垦区年平均初霜日是10月2日，年初霜日出现最早的日期是1968 年9 月7 日，最迟初霜日期出现在2006年11月5日。

图1a终霜日变化特征图 图1b初霜日变化特征图 图1c无霜日变化特征图

无霜日变化特征图（图1c）可知，石河子垦区年无霜日数呈波动延长趋势，以8.76d/10a的趋势在延长，相关系数也通过了0.05 置信度检验，石河子垦区平均无霜日数是162.9d，最短无霜日数是117d，出现在1958 年，最长无霜日数出现在2014 年，是208d。从气候资源利用的角度评价,无霜期的变化范围越大,表明热量资源的稳定性越差,可利用的程度越低;从防御灾害的角度分析,无霜期变化越大,农业生产上躲避霜冻的难度越大,遭受的危害性越高。无霜期的绝对变率比初（终）霜日的绝对变率要大,所以无霜期是一个变化较大的气候值。

2.2 无霜日数周期特征

用Morlet小波分析函数来分析无霜日数周期特征，Morlet 小波变换得到的最重要的变量是小波实部、相位和模。实部包含强度和位相两方面的信息，不同时间尺度下的小波系数，可以反映系统在该时间尺度下的变化特征：正的小波系数对应无霜日数延长期，负的小波系数对应无霜日数缩短期，小波系数绝对值越大，表示该时间尺度变化越显著。

图2 无霜日数Morlet小波实部分析

图2 为1954～2017 年石河子垦区无霜日数Morlet小波变换实部，年代际周期从1954年的准12年周期逐渐减少到2016 年的准9 年周期，表现为1954～1957 年无霜日数延长期（准12 年周期）、1958～1962年缩短期（准12年周期，中心值为-1.5）、1963～1969 年延长期（准12 年周期，中心值为1.5）、1970～1976年缩短期（准12年周期，中心值为-1.0）、1977～1981 年延长期（准11 年周期）、1982～1986 年无霜日数缩短期（准9 年周期，中心值为-1.5）、1987～1989 年延长期（准9 年周期，中心值为2.0）、1990～1995 年缩短期（准8 年周期，中心值为-2.0）、1996～2000 年延长期（准8 年周期，中心值为1.5）、2001～2004 年缩短期（准8 年周期，中心值为-1.5）、2005～2009 年延长期（准8 年周期，中心值为1.0）、2010～2013 年无霜日数缩短期（准8 年周期，中心值为-0.5）、2014～2016年延长期（准8年周期）。

2.3 无霜日数突变特征

图3 无霜日数突变特征曲线

图3为近63年石河子无霜日的突变曲线，根据UF（k）、UB（k）曲线交点的位置，可以确定1995年前后石河子垦区无霜日数发生了突变。表明石河子垦区自1995年代以后无霜日数增多是十分显著的。

2.4 石河子垦区预防霜冻的措施

（1）根据石河子垦区霜冻气候特征，选择和培育抗霜冻、早熟、高产的作物品种。不同作物抗霜冻的能力是不同的，只要选育品种得当就可以大大减少霜冻的危害。

（2）根据石河子垦区霜冻气候特征，选择适宜的播种期和移栽期，避开当地易发生霜冻的时间，减少霜冻的危害。也可以进行保护地或营养钵育苗，等霜冻过后再把棉苗移栽到大田，是预防霜冻行之有效的方法。

（3）根据石河子垦区地形的小气候合理种植作物。一般山谷地带易受霜冻危害，而山坡中部不易受霜冻。把喜温作物种在向阳坡地上，而把耐寒作物种在偏北坡。

（4）根据石河子垦区多年风向风速气候资料，在合适的区域设置防风林和风障，可以减低风速，减少土壤水分蒸发，提高土壤温度，降低霜冻危害。

（5）物理化学方法。①有熏烟法，能提高地面温度1℃～3℃。②灌水和喷水法。可以增加土壤湿度，致使土壤热容量和导热率增大，资料表明，灌水后，近地面可增温3℃～5℃，灌水时间越接近霜冻来临时间，效果越好。③覆盖法。能显著地减弱土壤和作物表面的辐射冷却，在覆盖物下的气温比外面的气温高2℃左右，温度不致与外界冷空气交换而降低。④通风法。霜冻发生时，利用鼓风机或直升机可以使上下空气混合，能使作物生长区的温度升高，可提高气温2℃～4℃，从而保护作物免受霜冻害。

3 结论

（1）石河子垦区从终霜日以3.48d/10a的趋势提前，初霜日以4.97d/10a 的趋势推后，无霜日数以8.76d/10a的趋势在延长。

（2）石河子垦区无霜日数从1954 年的准12 年周期逐渐减少到2016年的准9年周期。

（3）石河子垦区无霜日数在1995 年发生了突变。

（4）根据石河子垦区霜冻气候特征，合理选择农作物品种，选择合适的地形种植农作物，选用正确预防霜冻等方法可以大大减少霜冻的危害。

4 讨论

根据当地霜冻气候特征，选择适宜的播种期和移栽期，在合适的区域设置防风林和风障，选择和培育抗霜冻、早熟、高产的作物品种，选用合适预防霜冻措施，霜冻灾害是完全可以避免的。