宁夏春霜冻期相对湿度的时空变化特征研究

摘 要：相对湿度是霜冻形成过程中的重要影响因素。基于宁夏1961—2016年春霜冻期相对湿度观测数据，采用皮尔逊相关系数、Mann-Kendall趋势检验、Sen斜率法、反距离空间插值法，研究了相对湿度的时空变化特征。结果表明：1961—2016年宁夏春霜冻期的相对湿度和霜冻日数均呈下降趋势，且两者存在显著的负相关。在空间分布方面，南部为高值区，中部为中值区，北部为低值区。全区84 %的站点相对湿度显著下降，其余站点无明显变化，Sen斜率较小。

关键词：春霜冻时期；相对湿度；时空变化；Mann-Kendall检验

中图分类号：S512.11 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-03

气候风险是灾害风险的重要组成部分，‌其影响范围广泛。而关于气候风险的研究主要集中在气候灾害因子的发生频率、持续时间和强度等方面，并关注其等级及出现概率。其中，春霜冻是宁夏农业和林业面临的一种多发性自然灾害，尤其对小麦、苹果和红梅杏等作物的危害较大，相关学者也针对这一领域进行了深入研究。

李红英等[1]使用宁夏23个气象站点1981—2010年的日最低气温观测数据，结合数理统计和空间分析方法，深入分析了宁夏霜冻的发生范围、频率、强度及致灾因子的危险性。郭晓雷等[2]通过对宁夏枸杞种植区15个气象站1961—2017年的最低气温观测数据及春霜冻致灾指标进行分析，研究了春霜冻发生次数和终霜冻日的时空分布特征。程瑛等[3]通过分析甘肃省57个气象站点1961—2017年的温度和霜冻灾害数据，运用趋势系数、累计距平和Mann-Kendall方法探讨了不同等级霜冻日数的变化特征。朱永宁等[4]通过人工霜冻试验明确了危害积温和持续时间对枸杞花期霜冻形成的作用。白磊等[5]利用1961—2018年的长时间序列格点气象数据，替代以往的站点数据，通过趋势分析和聚类分析等方法，探讨了中国地区霜冻的时空变化规律，包括霜冻的辨识阈值、发生时间及强度。丁永平[6]结合宁夏23个气象站1981—2020年的气象数据和霜冻灾害调查结果，分析了苹果、酿酒葡萄和桃等作物的霜冻风险分布规律。姜元等[7]基于陕西省苹果主产区1971—2018年的逐日最低气温数据，提取了春霜冻事件的历时和强度等特征变量，运用6种Copula函数构建春霜冻特征变量的联合分布，并分析了春霜冻的发生概率及重现期。王磊等[8]通过连续30年的农业和气象观测资料，统计分析了降水、气温、日照时数等因子对曹县冬小麦霜冻灾害和产量的影响。邱星霖等[9]通过CMIP5气候模式提供的积温和最低温度评估了中国北方苹果花期霜冻灾害风险。梁小娟等[10]通过低温胁迫探究了宁夏葡萄霜冻冻害阈值。

当前，气象因素对霜冻的影响主要集中在最低温度及其持续时间上，由于霜冻灾害同时受到多种因素的综合影响，其形成过程较为复杂，而相对湿度通过影响作物周围空气比热容和热量传播过程对作物霜冻灾害的形成有重要作用，针对此方面的研究较少[11]。探讨宁夏春霜冻期相对湿度和霜冻日数的相关关系，以及相对湿度的时空变化规律，以期为农业规划和气象灾害防控提供数据支撑。

1 资料与方法

1.1 资料来源

宁夏回族自治区位于中国西北部，面积为6.64万km2，辖5个地级市，下辖22个县市区，属于温带大陆性气候。

自然状况：宁夏海拔1 000 m以上，地势南高北低，落差近1 000 m，呈阶梯状下降。属典型的大陆性气候，为温带半干旱区和半湿润地区，具有春多风沙、夏少酷暑、秋凉较早、冬寒较长、雨雪稀少、日照充足、蒸发强烈等特点，年平均降水量300 mm左右。

地理区划：在地形上分为三大板块，一是北部引黄灌区。地势平坦，土壤肥沃，素有“塞上江南”的美誉。二是中部干旱带。干旱少雨，风大沙多，土地贫瘠，植物生存条件较差。三是南部山区。丘陵沟壑林立，部分地域阴湿高寒。

宁夏春季霜冻一般发生在4月10—5月15日，该时期1961—2016年的逐日相对湿度由国家气象科学数据中心提供，经过数据校验，剔除数据序列短的站点，将逐日数据在霜冻期进行算术平均处理。霜冻日数的判定根据王荣梅等[12]的研究确定。

1.2 研究方法

根据Mann-Kendall趋势检验是气象学广泛应用的研究方法，能够对时间序列的变化趋势、显著水平及突变点进行判定。具体计算公式如下。

对于时间序列xi（i=1，2，…i，…j，…n）定义符号，函数统计量S：

S=sign（si-si）（1）

（2）

Var（S）=（3）

（4）

上式中，n为序列长度；xi和xj为序列x的第i个和j个元素（i＞j）；Sign为符号函数；Var为方差；Z为标准化检验统计量。若Z为正值，表示序列呈上升趋势，负值呈下降趋势；当|Z|≥1.96时，表示序列在a=0.05的水平上变化显著，否则变化趋势不显著。

Sen斜率能够减轻数据异常对统计结果的影响，在分析时间序列的平均变幅方面较线性回归更为稳定和准确。计算公式为：

Seni， j=Median（5）

式（5）中，Seni， j为Sen斜率；xi和xj分别为第i和第j时刻的序列值；Median为取中值函数。

皮尔逊相关系数是统计学中的基础方法，可以度量2个变量间相关程度。取值范围为-1～1，其中，1表示变量完全正相关，-1表示完全负相关。反距离权重法是空间插值的常规方法，能够表征指标的空间分布特征[13]。以上方法通过数学软件Matlab和地理信息系统软件ArcGIS实现。

2 结果与分析

2.1 宁夏春霜冻期气候相对湿度的时间变化趋势

为确定宁夏春霜冻期相对湿度对霜冻日数的影响，对时间序列和相关分析进行研究。从时间变化来看，相对湿度和霜冻日数的下降趋势比较相似，且在大多数年份的曲线呈现出波峰—波谷的对应特征。通过皮尔逊相关分析发现，相对湿度与霜冻日数呈极显著的负相关关系（图1）。因此，选择相对湿度作为宁夏霜冻发生的主要因素之一具有统计学意义。同时根据气象学原理，日最低气温在2 ℃以下空气中水汽饱和会在植物表面形成白霜，但当相对湿度较高时，空气的比热容也较大，从而减缓气温降低的速度[14]。在田间防霜时，北方地区也有灌溉、喷洒温水等措施。相对湿度对霜冻的影响是正相关还是负相关，较为复杂，不能一概而论，还要结合当地气候、下垫面、低温阈值、热效应等要素予以综合考虑。

经统计，1961—2016年宁夏春霜冻期相对湿度多年平均值为44.45%，标准差为6.75，变异系数为0.15%。由图1a可见，春霜冻期的相对湿度在1961—1966年左右波动较大，然后波动趋于平缓，1997—2002年又有较大幅度变化，2010年后有小幅波动，整体序列在1961—2015年呈下降趋势。使用Mann-Kendal趋势检验，得到Z值为-2.72，表明下降趋势显著（P＜0.01），Sen斜率为-0.17%/年。

2.2 宁夏春霜冻期气象指标的空间分布特征

1961—2016年宁夏春霜冻期相对湿度多年平均值空间变化特征见图2。相对湿度总体上从南到北递减，南部山区的西吉、隆德和泾源为高值区（55%

～58%），中部地区属于中值区（41%～54%）， 惠农、陶乐、平罗为低值区（37%～40%）。相对湿度空间上的极值比为1.57，空间差异h3gAOwxuNYDUokEcnBqdWA==较大。研究结论符合宁夏北部灌区、中部干旱带、南部山区的地理特征，也与宁夏降水和植被的分布有关。相对湿度不仅受降水的影响，还与地形地貌关系密切，宁夏北临腾格里沙漠与乌兰布和沙漠，西接毛乌素沙漠，这对相对湿度的空间分布有一定影响。

利用Mann-Kendall趋势检验和Sen斜率分析了1961—2016年宁夏19个气象站点春霜冻期相对湿度的变化趋势（图2b）。相对湿度在全区的16个站点显著下降，占总数的84%，在3个站点无显著变化。绝大多数相对湿度显著下降的站点位于宁夏靠西的一侧，无显著变化的站点则处于中东部。在Sen斜率绝对值方面，盐池、同心和麻黄山地区较小，吴忠、固原和中卫较大。

3 结论

基于历史数据和统计分析，研究了1961—2016年宁夏19个气象站点春霜冻期相对湿度的时空变化特征，主要得出以下结论：

（1）宁夏春霜冻期间的相对湿度和霜冻日数呈现显著的负相关，同时，相对湿度和霜冻日数均呈显著下降趋势（P＜0.01），相对湿度值下降的Sen斜率为-0.17%/年。

（2）在空间分布方面，相对湿度的空间差异较大。表现为由南部山区向中西部递减的特征，湿度的高值区为宁夏最南部的西吉、隆德和泾原：宁夏中北部为中值区，北部的陶乐、惠农、平罗为低值区。

参考文献

[1] 李红英，张晓煜，曹宁，等.宁夏霜冻致灾因子指标特征及危险性分析[J].中国农业气象，2013，34（4）：474-479.

[2] 郭晓雷，申双和，张磊，等.宁夏枸杞种植区春霜冻发生的时空分布特征分析[J].江苏农业科学，2019，47（6）：238-242.

[3] 程瑛，吴晶，李红，等.1961—2017年甘肃省霜冻演变特征及其对农业的影响[J].自然灾害学报，2019，28（6）：37-46.

[4] 朱永宁，张磊，马国飞，等.基于危害积温的枸杞花期霜冻指标试验[J].农业工程学报，2020，36（14）：188-193.

[5] 白磊，张帆，文元桥，等.基于格点资料的1961—2018年中国霜冻灾害时空变化规律[J].中国农业气象，2021，42（9）：761-774.

[6] 丁永平.宁夏主栽果树苹果、酿酒葡萄、桃晚霜冻风险区划[D].银川：宁夏大学，2022.

[7] 姜元，茹晓雅，罗琦，等.基于Copula函数的陕西苹果晚霜冻特征分析[J].农业工程学报，2022，38（23）：170-180.

[8] 王磊，李萌.曹县冬小麦拔节期的霜冻害危险性分析与灾损评估[J].农业灾害研究，2023，13（12）：170-172.

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[10] 梁小娟，张晓煜，杨永娥，等.宁夏‘赤霞珠’葡萄不同发育期晚霜冻害阈值试验研究[J].西北植物学报，2024，44 （3）：460-469.

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[13] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].2版.北京：气象出版社，2007.

[14] 唐俊贤.江北和西南茶区中小叶种茶树春霜冻害指标及时空分布特征研究[D].北京：中国气象科学研究院，2022.