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摘要 选用1961年1月1日—2017年12月31日陕西省34个地面气象观测站的地面日最低温度，基于不同基准气候期，分析陕西省初终霜日时空变化特征。结果表明，陕西省全省初霜日期在1999年发生突变，终霜日期未发生突变;近57年陕西省全省及各分区初霜日期均呈推后趋势，终霜日期均呈提前趋势。陕北平均初霜日期和终霜日期推后和提前趋势最显著，其中陕北的靖边推后趋势和提前趋势分别达3.0和4.0 d/10 a;近57年陕西省各地初霜日期和终霜日期由北到南呈显著的带状分布。初霜日期出现最早和终霜日期出现最迟的均是吴旗—靖边—横山—榆林—神木一线，初霜日期出现最迟和终霜日期出现最早的均是陕南中部地区、关中太白地区、汉中宁强地区。
关键词 初终霜日;时空变化特征;陕西省
中图分类号 P467文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2019）20-0228-07
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.062
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Analysis of Temporal and Spatial Changes of First and Last Frost Day in Shaanxi Province from 1961 to 2017
LUO Jing，FEI Du qiu （Qinghai Engineering Consulting Center，Xining，Qinghai 810001）
Abstract The ground day minimum temperature data of 34 surface meteorological observatories in Shaanxi Province from January 1，1961 to December 31，2017 were selected.Based on different reference climatic periods，the temporal and spatial variation characteristics of the first and last frost days in Shaanxi Province were analyzed.The results showed that the first frost date in Shaanxi Province was abruptly changed in 1999，and there was no mutation in the last frost date.The first frost date of the province and all districts in Shaanxi Province showed a post pushing trend，and the last frost date both were in an early trend.The average first frost date and last frost date in northern Shaanxi were the most significant.Among them，the post pushing trend and the advance trend of Jingbian in northern Shaanxi reached 3.0 and 4.0 d/10 a respectively.Nearly 57 years，the first frost date and the last frost date of Shaanxi Province showed a significant band distribution from north to south.The earliest date of the first frost and the latest date of the late frost were the Wuqi Jingbian HengshanYulin Shenmu line.The latest date of the first frost date and the earliest date of last frost date were the central part of southern Shaanxi，Guanzhong Taibai area and Hanzhong Ningqiang area.
Key words First and last frost date;Temporal and spatial changes;Shaanxi Province
近年來，中纬度地区气候暖干化是全球气候变化最显著的特征，是备受瞩目的全球热点环境问题之一[1-2]。IPCC第五次评估报告指出，全球地表持续升温，1880—2012年全球平均温度已升温0.85 ℃，其中区域间升温幅度在0.65～1.06 ℃[3]。现在以温度升高为主要特征的气候变化以及并将继续对自然生态系统和人类社会经济产生重大影响，越来越引起社会和公众的关注。
霜冻作为一种用温度来表征的农业气象灾害，与温度变化紧密联系[4]。初霜常使晚熟的大田作物茎叶提前凋萎，籽粒成熟不饱满或品质变坏，甚至不能成熟。终霜常使大田作物不能正常生长发育，对作物的苗期影响极大。作为衡量温度变化的重要指标，分析初、终霜日期时空变化趋势有利于减少极端低温对农业生产带来的危害，也有利于因地制宜地选择作物品种、及时调整种植制度等。目前已有较多研究在初、终霜日出现早晚、无霜期长短等方面取得重要进展[5-9]。周晓宇等[5]利用东北地区1961—2014年日最低气温及平均气温资料，分析了其近54年初霜日、终霜日及无霜期的气候变化特征。陈少勇等[7]利用中国西北地区135个测站1961—2009年逐日地面最低气温和NCEP/NCAR资料，采用线性趋势分析、Mann-Kendall、子波分析、功率谱分析和合成分析等方法，分析了近49年中国西北地区初霜冻的气候变化特征。马尚谦等[9]基于淮河流域 1960—2015年61个气象站点地面 0cm 日最低气温资料，采用线性倾向估计、反距离加权、Mann-Kendall 突变检验、滑动T检验方法，分析近 56年淮河流域初霜日、终霜日和无霜期的时空变化特征及突变年份。 目前，针对陕西省的霜冻研究主要集中在果区霜冻风险区划方面[10-11]，将初、终霜日与无霜期的变化结合起来分析三者的变化趋势及突变的研究尚未开展。陕西省地处中国南北气候过渡带，属暖温带半湿润季风气候区，是气候变化的脆弱区与敏感区，同时该地区也是中国冬小麦、苹果、猕猴桃、水蜜桃等的主产区，而霜冻灾害是对其威胁最大的气象灾害。基于此，该研究以地面 0 cm 日最低温度作为基础数据，参照《作物霜冻害等级》标准和中国科学技术蓝皮书第5号《气候》[12]，基于不同基准气候期和不同年代，探索陕西省初、终霜日、无霜期的变化规律，旨在通过系统分析该区域近57年来的霜日变化特征，为合理利用农业气候资源和有效防御霜冻提供一定的科学依据。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
陕西省位于中国西北部，地处31°42′～39°35′N、105°29′～111°15′E（图1）。境内山塬起伏，河川纵横，南北长，东西窄。以北山和秦岭为界，全省分为陕北高原、关中平原和陕南山地三大地貌区[13]，其中陕北高原面积最大，约占全省总面积的40%。远离水汽源地的特殊地理位置，使其形成显著的大陆性季风气候。全省年平均降水量约653 mm，年平均气温约11.6℃，极端最高气温45.2 ℃，极端最低气温-20.6 ℃。蒸发量北大南小，年平均水面蒸发量1 200～2 100 mm，无霜期218 d左右。河川年平均径流量420.2×108 m3。全省耕地总面积480万hm2，林地963万hm2，草地318万hm2。种植的农作物主要有小麦、玉米、大豆、水稻，经济作物主要有猕猴桃、苹果、蔬菜等。
1.2 资料选取 选用1961年1月1日—2017年12月31日陕西省34个地面气象观测站的地面日最低温度，数据来自中国国家气象局气象信息中心的中国地面气候资料日值数据 V3.0[14]。其中，10个台站位于陕北高原，11个台站位于关中平原，13个台站位于陕南山地。所有数据经过严格的质量控制，主要包括极值控制、缺测站点时间一致性检验[2]。对个别台站的缺测数据进行插补处理，主要采用的是均值替换法。首先对于明显错误数据进行检测，确定错误数据或者断点，剔除或用多年平均值取代错误或断点数据。经过订正处理后的34个台站资料具有较好的连续性。
1.3 霜日指标计算
霜冻是指在春秋转换季节土壤表面和植物表面温度下降到（0 ℃以下）足以使植物遭受伤害甚至死亡的一种农业气象灾害[15]。根据韩荣青等[6]的分析，北方地区初霜日期基本在 8 月 1 日后，因此，以 8 月 1 日作为统计起始点，将 8 月 1 日定义为 用日序表示初、终霜日。初霜日期为 8 月 1 日以后第一次出现地面0 cm 日最低温度≤0 ℃的日期，终霜日期为 5 月 31日之前最后一次出现地面0 cm日最低温度≤0 ℃的日期，无霜期为一年中终霜日至初霜日之间的日数。
1.4 M-K突变检验
Mann-Kendall检验方法是一种广泛应用于径流、降水、气温、水文序列等趋势分析和显著性检验的非参数统计检验方法[16-17]，其优点是既不需要时序遵循特定分布，也不受少数异常值的干扰[18]，而且可以明确突变开始的时间和突变区域[19-20]。
对于n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：
Sk=ki=1ri （k=2，3，…，n）（1）
ri=1xj>xi0xj≤xi （i=1，2，…，j） （2）
式中，秩序列Sk是第j時刻数值大于i时刻数值个数的累计数ri的累计值。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：
UFk=[Sk-E（Sk）]/Var（Sk） （k=1，2，…，n） （3）
式中，UF1=0;E（Sk）、Var（Sk）分别是累计值Sk的均值和方差。在x x2，…，xn相互独立且具有相同连续分布时，它们可由下式算出：
E（Sk）=n（n-1）4
Var（Sk）=n（n-1）（2n+5）72 （k=1，2，…，n）（4）
对时间序列x=（x x2，…，xn），当n增加时（n>10），UFk很快收敛于标准正态分布。当原假设为该序列无趋势时，一般采用双边趋势检验，给定显著性水平α，在正态分布表中查出临界值Uα/2，若|UFk︱Uα/2，拒绝原假设，认为趋势显著。
按时间序列x逆序xn，xn- …，x 再重复上述过程，计算UBk，让UBk =-UFk （k=n，n- …，1），UB1=0。若UFk或UBk的值大于0，表明序列呈上升趋势，反之序列呈下降趋势。当UFk或UBk的值超过临界值时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。若UFk或UBk 2条曲线出现交点，并且交点在临界线之间，则交点对应的时刻便是突变开始的时间。
2 结果与分析
2.1 陕西省初霜日时空变化特征
2.1.1 初霜日突变检测。
由Mann-Kendall突变检验以及滑动T检验对初霜日期进行的突变分析如图2和图3所示。陕西省全省初霜日期UF和UB曲线相交于1999、2001、2003年（r=0.05）（图2a），而根据图 3a 可知，陕西省全省初霜日期自1971年以来可能存在突变点的年份为 1998、1999年;综合分析认定，陕西省全省初霜日期在1999年发生突变。陕北地区初霜日期UF和UB曲线相交于2000年（r=0.05）（图2b），而根据图 3b 可知，陕北地区初霜日期自1971年以来可能存在突变点的年份为 1998、1999、2000、2001、2003、2005年;综合分析认定，陕北地区初霜日期在2000年发生突变。关中地区初霜日期UF和UB曲线相交于2001、2003年（r=0.05）（图2c），而根据图 3c 可知，关中地区初霜日期自1971年以来不存在可能的突变点年份;综合分析认定，关中地区初霜日期未发生突变。陕南地区初霜日期UF和UB曲线相交于2004年（r=0.05）（图2d），而根据图 3d 可知，陕南地区初霜日期自1971年以来可能存在突变点的年份为 1998、2002、2003、2004年;综合分析认定，陕南地区初霜日期在2004年发生突变。
关键词 初终霜日;时空变化特征;陕西省
中图分类号 P467文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2019）20-0228-07
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.062
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Analysis of Temporal and Spatial Changes of First and Last Frost Day in Shaanxi Province from 1961 to 2017
LUO Jing，FEI Du qiu （Qinghai Engineering Consulting Center，Xining，Qinghai 810001）
Abstract The ground day minimum temperature data of 34 surface meteorological observatories in Shaanxi Province from January 1，1961 to December 31，2017 were selected.Based on different reference climatic periods，the temporal and spatial variation characteristics of the first and last frost days in Shaanxi Province were analyzed.The results showed that the first frost date in Shaanxi Province was abruptly changed in 1999，and there was no mutation in the last frost date.The first frost date of the province and all districts in Shaanxi Province showed a post pushing trend，and the last frost date both were in an early trend.The average first frost date and last frost date in northern Shaanxi were the most significant.Among them，the post pushing trend and the advance trend of Jingbian in northern Shaanxi reached 3.0 and 4.0 d/10 a respectively.Nearly 57 years，the first frost date and the last frost date of Shaanxi Province showed a significant band distribution from north to south.The earliest date of the first frost and the latest date of the late frost were the Wuqi Jingbian HengshanYulin Shenmu line.The latest date of the first frost date and the earliest date of last frost date were the central part of southern Shaanxi，Guanzhong Taibai area and Hanzhong Ningqiang area.
Key words First and last frost date;Temporal and spatial changes;Shaanxi Province
近年來，中纬度地区气候暖干化是全球气候变化最显著的特征，是备受瞩目的全球热点环境问题之一[1-2]。IPCC第五次评估报告指出，全球地表持续升温，1880—2012年全球平均温度已升温0.85 ℃，其中区域间升温幅度在0.65～1.06 ℃[3]。现在以温度升高为主要特征的气候变化以及并将继续对自然生态系统和人类社会经济产生重大影响，越来越引起社会和公众的关注。
霜冻作为一种用温度来表征的农业气象灾害，与温度变化紧密联系[4]。初霜常使晚熟的大田作物茎叶提前凋萎，籽粒成熟不饱满或品质变坏，甚至不能成熟。终霜常使大田作物不能正常生长发育，对作物的苗期影响极大。作为衡量温度变化的重要指标，分析初、终霜日期时空变化趋势有利于减少极端低温对农业生产带来的危害，也有利于因地制宜地选择作物品种、及时调整种植制度等。目前已有较多研究在初、终霜日出现早晚、无霜期长短等方面取得重要进展[5-9]。周晓宇等[5]利用东北地区1961—2014年日最低气温及平均气温资料，分析了其近54年初霜日、终霜日及无霜期的气候变化特征。陈少勇等[7]利用中国西北地区135个测站1961—2009年逐日地面最低气温和NCEP/NCAR资料，采用线性趋势分析、Mann-Kendall、子波分析、功率谱分析和合成分析等方法，分析了近49年中国西北地区初霜冻的气候变化特征。马尚谦等[9]基于淮河流域 1960—2015年61个气象站点地面 0cm 日最低气温资料，采用线性倾向估计、反距离加权、Mann-Kendall 突变检验、滑动T检验方法，分析近 56年淮河流域初霜日、终霜日和无霜期的时空变化特征及突变年份。 目前，针对陕西省的霜冻研究主要集中在果区霜冻风险区划方面[10-11]，将初、终霜日与无霜期的变化结合起来分析三者的变化趋势及突变的研究尚未开展。陕西省地处中国南北气候过渡带，属暖温带半湿润季风气候区，是气候变化的脆弱区与敏感区，同时该地区也是中国冬小麦、苹果、猕猴桃、水蜜桃等的主产区，而霜冻灾害是对其威胁最大的气象灾害。基于此，该研究以地面 0 cm 日最低温度作为基础数据，参照《作物霜冻害等级》标准和中国科学技术蓝皮书第5号《气候》[12]，基于不同基准气候期和不同年代，探索陕西省初、终霜日、无霜期的变化规律，旨在通过系统分析该区域近57年来的霜日变化特征，为合理利用农业气候资源和有效防御霜冻提供一定的科学依据。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
陕西省位于中国西北部，地处31°42′～39°35′N、105°29′～111°15′E（图1）。境内山塬起伏，河川纵横，南北长，东西窄。以北山和秦岭为界，全省分为陕北高原、关中平原和陕南山地三大地貌区[13]，其中陕北高原面积最大，约占全省总面积的40%。远离水汽源地的特殊地理位置，使其形成显著的大陆性季风气候。全省年平均降水量约653 mm，年平均气温约11.6℃，极端最高气温45.2 ℃，极端最低气温-20.6 ℃。蒸发量北大南小，年平均水面蒸发量1 200～2 100 mm，无霜期218 d左右。河川年平均径流量420.2×108 m3。全省耕地总面积480万hm2，林地963万hm2，草地318万hm2。种植的农作物主要有小麦、玉米、大豆、水稻，经济作物主要有猕猴桃、苹果、蔬菜等。
1.2 资料选取 选用1961年1月1日—2017年12月31日陕西省34个地面气象观测站的地面日最低温度，数据来自中国国家气象局气象信息中心的中国地面气候资料日值数据 V3.0[14]。其中，10个台站位于陕北高原，11个台站位于关中平原，13个台站位于陕南山地。所有数据经过严格的质量控制，主要包括极值控制、缺测站点时间一致性检验[2]。对个别台站的缺测数据进行插补处理，主要采用的是均值替换法。首先对于明显错误数据进行检测，确定错误数据或者断点，剔除或用多年平均值取代错误或断点数据。经过订正处理后的34个台站资料具有较好的连续性。
1.3 霜日指标计算
霜冻是指在春秋转换季节土壤表面和植物表面温度下降到（0 ℃以下）足以使植物遭受伤害甚至死亡的一种农业气象灾害[15]。根据韩荣青等[6]的分析，北方地区初霜日期基本在 8 月 1 日后，因此，以 8 月 1 日作为统计起始点，将 8 月 1 日定义为 用日序表示初、终霜日。初霜日期为 8 月 1 日以后第一次出现地面0 cm 日最低温度≤0 ℃的日期，终霜日期为 5 月 31日之前最后一次出现地面0 cm日最低温度≤0 ℃的日期，无霜期为一年中终霜日至初霜日之间的日数。
1.4 M-K突变检验
Mann-Kendall检验方法是一种广泛应用于径流、降水、气温、水文序列等趋势分析和显著性检验的非参数统计检验方法[16-17]，其优点是既不需要时序遵循特定分布，也不受少数异常值的干扰[18]，而且可以明确突变开始的时间和突变区域[19-20]。
对于n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：
Sk=ki=1ri （k=2，3，…，n）（1）
ri=1xj>xi0xj≤xi （i=1，2，…，j） （2）
式中，秩序列Sk是第j時刻数值大于i时刻数值个数的累计数ri的累计值。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：
UFk=[Sk-E（Sk）]/Var（Sk） （k=1，2，…，n） （3）
式中，UF1=0;E（Sk）、Var（Sk）分别是累计值Sk的均值和方差。在x x2，…，xn相互独立且具有相同连续分布时，它们可由下式算出：
E（Sk）=n（n-1）4
Var（Sk）=n（n-1）（2n+5）72 （k=1，2，…，n）（4）
对时间序列x=（x x2，…，xn），当n增加时（n>10），UFk很快收敛于标准正态分布。当原假设为该序列无趋势时，一般采用双边趋势检验，给定显著性水平α，在正态分布表中查出临界值Uα/2，若|UFk︱
按时间序列x逆序xn，xn- …，x 再重复上述过程，计算UBk，让UBk =-UFk （k=n，n- …，1），UB1=0。若UFk或UBk的值大于0，表明序列呈上升趋势，反之序列呈下降趋势。当UFk或UBk的值超过临界值时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。若UFk或UBk 2条曲线出现交点，并且交点在临界线之间，则交点对应的时刻便是突变开始的时间。
2 结果与分析
2.1 陕西省初霜日时空变化特征
2.1.1 初霜日突变检测。
由Mann-Kendall突变检验以及滑动T检验对初霜日期进行的突变分析如图2和图3所示。陕西省全省初霜日期UF和UB曲线相交于1999、2001、2003年（r=0.05）（图2a），而根据图 3a 可知，陕西省全省初霜日期自1971年以来可能存在突变点的年份为 1998、1999年;综合分析认定，陕西省全省初霜日期在1999年发生突变。陕北地区初霜日期UF和UB曲线相交于2000年（r=0.05）（图2b），而根据图 3b 可知，陕北地区初霜日期自1971年以来可能存在突变点的年份为 1998、1999、2000、2001、2003、2005年;综合分析认定，陕北地区初霜日期在2000年发生突变。关中地区初霜日期UF和UB曲线相交于2001、2003年（r=0.05）（图2c），而根据图 3c 可知，关中地区初霜日期自1971年以来不存在可能的突变点年份;综合分析认定，关中地区初霜日期未发生突变。陕南地区初霜日期UF和UB曲线相交于2004年（r=0.05）（图2d），而根据图 3d 可知，陕南地区初霜日期自1971年以来可能存在突变点的年份为 1998、2002、2003、2004年;综合分析认定，陕南地区初霜日期在2004年发生突变。