1 引言
霜冻是一种比较常见的农业气象灾害， 历来受到气象学科、 农业学科及其他相关学科的高度重视（李芬等， 2012）。在植物生长季内， 当土壤表面、 植物表面及近地气层的温度下降到0 ℃以下时， 农作物受损乃至死亡， 称为霜冻（冯秀藻， 2011）。霜冻主要出现在秋、 冬、 春三季。霜冻出现时， 严重影响正常的农业生产活动， 较严重的霜冻害将造成农作物约30%的减产， 甚至毫无收成（马尚谦等， 2018； 宋海龙等， 2018）。有研究表明自20世纪90年代之后， 低温冷冻灾害处于整体增强的趋势（马树庆和杨菲芸， 2015）。
国内外许多研究者都对霜冻进行了研究。Anandhi et al（2013）选用6个霜冻指标对纽约卡茨基尔山区过去和未来霜冻变化进行研究， 结果表明过去与未来平均霜日、 终霜日、 初霜日和生长季长度分别呈减少、 提前、 推迟和延长的趋势； Erlat and Turkes（2012）以日最低温度≤0 ℃为判据， 发现土耳其大部分地区霜冻日均呈显著减少的趋势。国内也有许多学者对我国及不同区域霜冻的变化进行研究， 指出我国平均初霜日、 终霜日和无霜期分别呈推迟、 提前和延长的趋势（叶殿秀和张勇， 2008； 宁晓菊等， 2015）， 国内各区域霜冻的研究均得出与全国相似的结论， 但也存在区域差异（马柱国， 2003； 韩荣青等， 2010； 王媛媛和张勃， 2012； 闫军辉等， 2015； 周晓宇等， 2017）， 同时有学者对异常霜冻的变化特征进行了研究（马彬等， 2017； 马尚谦等， 2019）。
华北是我国主要的粮食、 牧草产区， 随着气候变暖， 极端天气逐渐增多， 再加上频繁的人类活动， 当地生态环境变得较为脆弱（李庆祥等， 2002； 符淙斌等， 2005）。霜冻的变化对华北地区农牧业产生了显著影响， 特别是初霜冻异常提早、 终霜冻显著推迟， 将使春季、 秋季节正处在生长发育初期、 末期的植物受到较严重的危害。目前针对华北地区霜冻的研究文献较少， 本研究利用华北地区90个气象站点近58 年的气象数据， 系统全面地分析华北地区初、 终霜日和无霜期的变化特征， 并明确其发生规律， 对指导农业生产实践， 提高对霜冻灾害的防范和预警能力， 为有关农业部门防灾减灾提供科学依据具有现实意义。
2 研究区概况
华北地区地理范围34.34°N -53.23°N， 97.12°E -126.04°E， 行政区划上包括北京、 天津、 河北、 山西和内蒙古五省（市、 自治区）。华北地区地处我国地形第三阶梯， 地貌复杂多样； 属暖温带大陆性季风性气候， 受季风影响明显， 冬春寒冷干燥， 夏季高温多雨， 全年降水量主要集中在6 -9月， 降水量自沿海向内陆递减， 自然条件优越， 适合农作物和植被的生长。
3 资料选取与方法介绍
3.1 数据来源
韩荣青等（2010）指出以地面0 cm日最低温度作为基础温度得出的初霜日期更接近于实测数据， 故选用华北地区90个气象站1961 -2018年地面0 cm日最低温度和平均气温资料， 数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http： //cdc.cma.gov.cn）。为尽可能保证所选站点数据资料的连续性、 统一性和时间的一致性， 对个别站点的缺测数据采用回归法进行插补， 研究区及所选气象站点分布见图1［该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）5496的标准地图制作， 底图无修改］。
3.2 研究方法
3.2.1 指标确定
根据马柱国（2003）和韩荣青等（2010）对北方地区霜冻日的分析可知， 我国北方初霜日基本在8月1日之后。因此， 本研究将8月1日作为统计时点， 初霜日为一年中8月1日之后第一次出现地面0 cm日最低温度≤0 ℃的一天； 终霜日为一年中7月31日之前最后一次出现地面0 cm日最低温度≤0 ℃的一天； 一年中终霜日到初霜日之间的日数为无霜期。
3.2.2 数据分析方法
R/S分析法是英国水文专家Hurst在分析尼罗河多年水文资料时提出的一种处理时间序列的方法—变标度极差分析法。用R/S分析法可以计算Hurst指数H， 对时间序列的未来变化趋势的持续性进行定性描述（吕桂军和袁巧丽， 2020）。有三种情况： 当H=0.5， 序列为随机游走， 即时间序列的前后变化无关； 当H>0.5， 表明序列具有持续性， 序列前后变化一致且为正相关， H越大， 持续性越强； 如果0≤H<0.5， 表明序列向相反态势转变， 具有负相关性。
采用线性倾向估计法（魏凤英， 1999）分析初、 终霜日及无霜期的变化趋势； 利用Mann-Kendall（M-K）非参数检验法（Mann， 1945； Kendall， 1975）对变化趋势进行显著性检验； 采用M-K法和累积距平法（贺伟等， 2013）进行突变分析； 采用反距离加权（Inverse Distance Weighted）插值法对各指标进行空间化处理。
4 结果与分析
4.1 时间变化特征
4.1.1 年际变化
图2 1961 -2018年华北地区初、 终霜日、 无霜期和平均气温年际变化趋势Fig.2 Annual variations of the first frost date, the last frost date, frost-free period and the average temperature in the North China from 1961 to 2018 |
表1 1961 -2018年华北地区及各区域初霜日、 终霜日和无霜期的变化趋势Table 1 Trends of the first frost date, the last frost date and frost-free period in North China and the three sub-regions during 1961 -2018 |
| 时期 | 变化趋势/[d·（10a）-1] | |||
|---|---|---|---|---|
| 华北地区 | 京津冀地区 | 山西省 | 内蒙古自治区 | |
| 初霜日期 | 1.50** | 1.18** | 1.51** | 1.72** |
| 终霜日期 | -2.32** | -2.49** | -2.03** | -2.44** |
| 无霜期 | 3.85** | 3.69** | 3.47** | 4.17** |
**表示通过0.01显著性检验水平 |
由表1可知， 华北地区各区域初、 终霜日和无霜期也分别呈显著推迟、 显著提前和显著延长趋势， 其中内蒙古自治区初霜日和无霜期推迟、 延长速率最大， 分别为1.72 d·（10a）-1和4.17 d·（10a）-1， 均大于华北地区初霜日和无霜期的推迟、 延长速率， 京津冀地区初霜日推迟速率最小［1.18 d·（10a）-1］； 京津冀地区终霜日提前速率最大［2.49 d·（10a）-1］， 大于华北地区终霜日的提前速率， 山西省终霜日和无霜期提前、 延长速率较小， 分别为2.03 d·（10a）-1和3.47 d·（10a）-1。
4.1.2 年代际变化
表2为华北地区及各区域初、 终霜日和无霜期每10 年的平均值， 可用此来分析其年代际变化。由表2可知， 20世纪60年代和70年代华北地区初霜日早于研究时段的平均值， 80年代与之持平， 之后晚于平均值； 60~90年代平均终霜日期晚于平均值， 之后早于平均值； 各年代平均无霜期从90年代开始超过平均值； 在研究时段内， 京津冀地区平均初霜日为10月24日， 60年代和70年代早于平均值， 80年代与之持平， 此后晚于平均值； 终霜日在60年代和70年代均晚于平均值（4月5日）， 80年代与之持平， 之后晚于平均值； 无霜期在研究时段内平均值为200 天， 基本呈逐年代增加。山西省平均初霜日为10月15日， 60~90年代初霜日早于平均值， 2000年之后初霜日推迟； 平均终霜日为4月16日， 20世纪60~80年代终霜日晚于平均值， 90年代之后均提前； 无霜期在90年代开始超过平均值（181 天）。内蒙古自治区的平均初霜日早于京津冀地区和山西省， 为9月26日， 60~70年代初霜日偏早， 80年代开始推迟； 平均终霜日为5月6日， 60~80年代晚于平均值， 此后均有所提前； 内蒙古自治区平均无霜期在3个区域中最短， 无霜期从80年代开始快速增加并超过平均值。
表2 华北地区及各区域初、 终霜日和无霜期每10年平均值Table 2 The 10-year mean of the first frost date, the last frost date and frost-free period in North China and the three sub-regions |
| 区域 | 时段 | 1961 -1970年 | 1971 -1980年 | 1981 -1990年 | 1991 -2000年 | 2001 -2018年 | 1961 -2018年 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 华北地区 | 初霜日期(月-日) | 10-05 | 10-06 | 10-09 | 10-10 | 10-12 | 10-09 |
| 终霜日期(月-日) | 04-27 | 04-27 | 04-23 | 04-20 | 04-17 | 04-22 | |
| 无霜期/d | 160 | 161 | 168 | 171 | 176 | 169 | |
| 京津冀地区 | 初霜日期(月-日) | 10-20 | 10-21 | 10-24 | 10-26 | 10-26 | 10-24 |
| 终霜日期(月-日) | 04-11 | 04-10 | 04-05 | 04-03 | 04-01 | 04-05 | |
| 无霜期(月-日) | 191 | 193 | 201 | 205 | 207 | 200 | |
| 山西省 | 初霜日期(月-日) | 10-13 | 10-13 | 10-14 | 10-13 | 10-19 | 10-15 |
| 终霜日期(月-日) | 04-18 | 04-21 | 04-18 | 04-15 | 04-11 | 04-16 | |
| 无霜期/d | 176 | 174 | 178 | 180 | 190 | 181 | |
| 内蒙古自治区 | 初霜日期(月-日) | 09-21 | 09-23 | 09-27 | 09-28 | 09-29 | 09-26 |
| 终霜日期(月-日) | 05-11 | 05-12 | 05-07 | 05-05 | 05-01 | 05-06 | |
| 无霜期/d | 132 | 133 | 143 | 145 | 150 | 142 |
综上可知， 华北地区各区域初、 终霜日和无霜期平均值： 内蒙古自治区初霜日最早， 终霜日最晚， 无霜期最短， 京津冀地区初霜日最晚， 终霜日最早， 无霜期最长。华北地区及各区域各年代的初霜日、 终霜日和无霜期平均值均大致呈现出逐年代推迟、 提前和延长的趋势， 主要在20世纪80年代开始这种趋势逐渐明显， 其中华北地区及京津冀地区和内蒙古自治区初霜日、 终霜日和无霜期在80年代推迟、 提前和延长的趋势最明显， 山西省初、 终霜日和无霜期在2000年之后推迟、 提前和延长的趋势最明显。
4.2 空间变化特征
4.2.1 空间分布
华北地区近58年初、 终霜日、 无霜期和平均气温平均值空间分布如图3所示， 华北地区初霜日在8月23日至11月13日， 呈由北向南逐渐推迟的趋势， 东北部由于受冷空气影响较早和地形的影响下在8月下旬到9月中旬就出现初霜， 内蒙古自治区中部受高原地形及山脉的影响初霜日在9月下旬， 华北平原地区在10月下旬到11月中旬出现初霜， 由于山区地势高气温低的影响， 山西省初霜日与京津冀同纬度的地区相比要晚， 可见， 高纬度地区初霜早于低纬度地区， 并且山区要早于平原。华北地区终霜日在3月19日至6月20日， 东北部终霜冻最晚结束， 南部地区最早结束。在空间分布上终霜日早（晚）的地区与初霜日晚（早）的地区基本一致， 呈由北向南逐渐提前， 平原结束早、 山区结束晚的规律。华北地区无霜期在63~250天， 无霜期长（短）的地区的空间分布与初霜日晚（早）、 终霜期早（晚）的地区的分布大致相同， 无霜期呈由北向南逐渐增加， 山区向平原逐渐增多的分布规律。东北部初霜日最早， 终霜日最晚， 故无霜期最短， 而最北部不足100天。
由［图3（d）］可知， 华北地区平均气温大致呈纬向分布， 由北向南平均气温逐渐上升， 东北部平均气温不到0 ℃， 南部地区最高， 超过10 ℃， 年平均气温的空间分布与初、 终霜日和无霜期的空间分布相比较， 可见年平均气温越低（高）的地区， 初霜日越早（晚）， 终霜日越晚（早）， 无霜期越短（长）。
4.2.2 变化趋势的空间分布
近58年华北地区90个站点初、 终霜日、 无霜期和平均气温变化趋势的空间分布如图4所示， 除个别站点外， 89%的站点初霜日呈推迟趋势， 其中70%的站点推迟趋势显著， 大部分站点推迟速率在1.71~3.40 d·（10a）-1， 山西南部、 东部和京津冀地区西部小部分站点推迟速率最大， 超过3.41 d·（10a）-1［图4（a）］； 94%的站点终霜日呈提前趋势， 其中84%的站点提前趋势显著， 大部分站点提前速率在2.01~4.00 d·（10a）-1， 提前速率最大的站点分布在山西东部， 超过6.00 d·（10a）-1， 部分站点的终霜日呈不显著的推迟趋势［图4（b）］； 除山西南部和京津冀东北部部分站点无霜期呈缩短趋势外， 有92%的站点无霜期呈延长趋势， 其中89%的站点延长趋势显著， 多数站点无霜期延长速率在3.01~6.00 d·（10a）-1， 山西东部、 南部小部分站点和京津冀西部小部分站点延长速率最大， 超过8 d·（10a）-1［图4（c）］。
除部分站点外， 99%的站点平均气温呈升温趋势［图4（d）］， 其中97%的站点升温趋势显著， 大部分站点平均气温增温速率在0.31~0.45 ℃·（10a）-1， 平均气温变化趋势的空间分布与初霜日、 终霜日和无霜期变化趋势的空间分布相比较， 可知平均气温增温速率越大越显著的站点， 其初、 终霜日和无霜期推迟、 提前和延长的速率也较显著， 初、 终霜日和无霜期的变化体现了华北地区的气候变暖。
4.3 突变分析
对华北地区及各区域初霜日、 终霜日及无霜期进行突变分析（图5和表3）。华北地区初霜日M-K突变检验表明， UF、 UB曲线在置信度区间内在1986年有1个交点， 初霜日的累积距平值在1986年之前呈下降趋势， 之后呈上升趋势， 累积距平与M-K结果均表明初霜日在1986年发生突变， 突变前为10月6日， 突变后为10月11日［图5（a）］； 终霜日和无霜期的UF、 UB曲线的交点均在置信度区间外， 不能判断是否发生突变， 根据累积距平结果均表明终霜日和无霜期大致在1995年发生转折， 故二者在1995年左右发生突变， 终霜日突变前和突变后分别为4月25日、 4月17日， 无霜期在突变前为164天， 突变后为176天［图5（b）， （c）］。从华北地区各区域来看， 各区域初、 终霜日和无霜期的突变年均发生在20世纪80和90年代， 山西省初、 终霜日和无霜期突变年份均晚于其他区域， 内蒙古自治区初霜日和无霜期突变年份最早， 京津冀地区终霜日突变最早， 初霜日、 终霜日和无霜期在突变后均发生显著推迟、 提前和延长趋势。
图5 1961 -2018年华北地区初、 终霜日和无霜期M-K突变检验（上）和累积距平（下）值Fig.5 M-K mutation test (up) and cumulative anomaly (down) of the first frost date, the last frost date, frost-free period in the Northern China from 1961 to 2018 |
表3 1961 -2018年华北地区及各区域初、 终霜日和无霜期突变Table 3 The mutation time of the first frost date, the last frost date and frost-free period in North China and the three sub-regions during 1961 -2018 |
| 区域 | 初霜日期 | 终霜日期 | 无霜期 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 突变年 | 前（月-日） | 后（月-日） | 突变年 | 前（月-日） | 后（月-日） | 突变年 | 前/天 | 后/天 | |
| 华北地区 | 1986 | 10-06 | 10-11 | 1995 | 04-25 | 04-17 | 1995 | 164 | 176 |
| 京津冀地区 | 1986 | 10-21 | 10-26 | 1987 | 04-09 | 04-01 | 1986 | 193 | 206 |
| 山西省 | 1997 | 10-13 | 10-19 | 1996 | 04-19 | 04-10 | 1996 | 176 | 190 |
| 内蒙古自治区 | 1984 | 09-22 | 09-28 | 1996 | 05-10 | 05-01 | 1983 | 133 | 147 |
4.4 霜冻日期多年平均值地带位置变化分析
上文研究可知， 近58年华北地区初、 终霜日和无霜期多年平均值分别为10月9日、 4月22日和169天， 基于不同气候基准期和年代来分析初、 终霜日和无霜期多年平均值位置的变化（图4）。各气候基准期的初霜日等值线逐渐向北推移［图4（a）］， 1981 -2010年等值线较1971 -2000年等值线的北移幅度要大于1971 -2000年较1961 -1990年等值线的北移幅度， 在内蒙古自治区东-山西段， 各气候基准期初霜日等值线位置北移幅度较小， 受地形的影响， 在山西中部1981 -2010年初霜日等值线较前两个基准期北移幅度较大， 约北移0.5个纬距， 而在内蒙古自治区西段各气候基准期初霜日等值线北移幅度较大， 1981 -2010年较上个基准期最大北移约3个纬距。就各年代变化而言， 各年代的初霜日等值线逐渐向北推移， 等值线位置在内蒙古自治区东-山西段北移幅度较小， 在内蒙古自治区西段北移幅度较大， 其中2000年之后等值线北移幅度要比前4个年代大， 最大北移约1个纬距； 1981 -2010年终霜日等值线较前两个基准期等值线更偏北［图4（b）］， 1981 -2010年终霜日等值线较1971 -2000年的北移幅度要大于1971 -2000年较1961 -1990年等值线的移动幅度， 就各年代变化而言， 60年代和70年代终霜日等值线基本重合， 1980s开始终霜日等值线北移逐渐明显， 21世纪初终霜日等值线较60年代等值线最大北移约1.4个纬距。各气候基准期无霜期等值线逐渐向北推移［图4（c）］， 与初霜日和终霜日等值线相类似， 均是1981 -2010年无霜期等值线比前两个基准期无霜期线北移幅度大， 在内蒙古自治区西段较1960 -1990年无霜期等值线北移约1.7个纬距， 就各年代变化而言， 前两个年代无霜期等值线基本重合， 从20世纪80年代开始无霜期等值线北移逐渐明显， 在内蒙古自治区西段， 21世纪初较20世纪60年代最大北移约3个纬距。
综上分析， 基于不同气候基准期和年代， 多年初、 终霜日及无霜期等值线受地形因素的影响， 等值线由低海拔区向高海拔区弯曲， 在内蒙古自治区西段北移幅度比内蒙古自治区东-山西段北移幅度大； 初、 终霜日及无霜期等值线整体上呈逐渐北移的趋势， 且从80年代开始各等值线逐渐明显北移， 1981 -2010年基准期较前两个基准期北移幅度大， 进一步表明华北地区初、 终霜日和无霜期分别呈逐渐推迟、 提前和延长的趋势， 并在80年代起趋势变得明显。
4.5 霜冻日期未来预测分析
由表4， Hurst指数计算结果均大于0.5， 说明序列的趋势与原序列呈正相关， 华北地区及各区域初霜日期、 终霜日期和无霜期在未来分别呈持续推迟、 持续提前和持续延长的趋势。且三者的变化幅度存在差异， 呈现出无霜期>终霜期>初霜期。
表4 华北地区霜冻日期R/S统计结果Table 4 The statistical results of R/S in the North China |
| 华北地区 | 京津冀地区 | 山西省 | 内蒙古自治区 | |
|---|---|---|---|---|
| 初霜日期 | 0.86 | 0.84 | 0.82 | 0.87 |
| 终霜日期 | 0.89 | 0.88 | 0.87 | 0.88 |
| 无霜期 | 0.94 | 0.92 | 0.90 | 0.94 |
5 讨论与结论
5.1 讨论
本研究得出华北地区初、 终霜日和无霜期分别呈推迟、 提前和延长的趋势， 空间上初霜日呈北早、 南迟， 平原迟、 山区早， 终霜日呈北迟、 南早， 平原早、 山区迟， 无霜期呈北短、 南长， 平原长、 山区短的趋势， 初霜日、 终霜日和无霜期在未来分别呈持续推迟、 持续提前和持续延长的趋势， 这与前人的结论一致（马柱国， 2003； 韩荣青等， 2010； 李芬等， 2012； 王媛媛和张勃， 2012； 马树庆和杨菲芸， 2015； 宁晓菊等， 2015； 闫军辉等， 2015； 周晓宇等， 2017； 马尚谦等， 2018， 2019； 吕越敏等， 2019）， 有研究表明这主要是受地形、 地理位置和冷空气路径的影响（陈乾金和张永山， 1995）， 有研究还发现环流指数与城市化水平也影响霜冻的变化（马彬等， 2017； 贾艳青等， 2017）。华北地区初、 终霜日和无霜期主要在20世纪80年代和90年代发生突变， 平均霜日等值线也从80年代开始出现明显的北移， 这与全球范围的气候态转变在80年代中后期相对应， 突变发生后初霜日的推迟、 终霜期的提前和无霜期的延长趋势变明显， 这与前人基于不同数据得出的结论一致（叶殿秀和张勇， 2008； 韩荣青等， 2010； 王媛媛和张勃， 2012； 宁晓菊等， 2015； 周晓宇等， 2017）。
霜冻变化会对华北地区农牧业产生重要影响， 特别是初霜冻异常提早， 或终霜冻显著推迟， 会使春、 秋季节正处在生长发育初期或末期的植物受到较严重的危害（韩学俭， 2002； 杨泽华， 2019）。随着气候变暖， 霜冻日数整体上呈逐年减少趋势， 使得作物复种指数上升， 马树庆和杨菲芸（2015）研究表明自90年代之后， 低温冷冻灾害处于整体增强的趋势， 但是物种、 生长条件、 生长阶段不同， 作物的生长对霜冻的反应也不同（Augspurger， 2013）， 因此霜冻的增加不一定会对作物造成损害（Liu et al， 2018）。本研究主要从时间和空间上对华北地区初、 终霜日及无霜期变化特征进行分析， 并未对影响华北地区霜冻因素进行探讨， 还需今后进行深入研究。华北地区初、 终霜日和无霜期在全球变暖的大背景下分别呈推迟、 提前和延长的趋势， 但是， 气候变暖并不意味着减轻霜冻害， 为了确保国家稳定、 高产、 安全的粮食生产， 华北地区在未来要进一步加强对地区霜害的监测、 预测和防御。
5.2 结论
（1） 1961 -2018年华北地区平均初霜日、 终霜日和无霜期分别为10月9日、 4月22日和169 d。华北地区及各区域初、 终霜日和无霜期分别呈显著推迟、 显著提前和显著延长的趋势， 反映出华北地区气候变暖的现象［0.33 ℃·（10a）-1］； 年代际变化上， 初、 终霜日和无霜期平均值均大致呈逐年代推迟、 提前和延长的趋势， 主要从20世纪80年代开始趋势逐渐变明显。
（2） 初、 终霜日和无霜期的空间分布受纬度和地形影响， 由北向南初、 终霜日和无霜期分别呈逐渐推迟、 提前和延长的趋势， 同纬度地区， 山区初、 终霜日和无霜期要分别比平原的早、 晚和短。近58年华北地区大部分站点初霜日、 终霜日和无霜期分别呈推迟、 提前和延长趋势。年平均气温越低（高）的地区， 初霜日越早（晚）， 终霜日越晚（早）， 无霜期越短（长）， 平均气温增温速率越大越显著的站点， 其初、 终霜日和无霜期推迟、 提前和延长的速率也较显著。
（3） 华北地区初、 终霜日和无霜期分别在1986年、 1995年和1995年发生突变， 初、 终霜日和无霜期的突变年均发生在20世纪80年代和90年代， 突变后初、 终霜日和无霜期分别呈显著推迟、 提前和延长趋势。
（4） 基于不同气候基准期和不同年代， 多年初、 终霜日及无霜期等值线整体上呈逐渐北移的趋势， 从20世纪80年代开始各等值线北移趋势逐渐明显。
（5） 华北地区及各区域初霜日期、 终霜日期和无霜期在未来分别呈持续推迟、 持续提前和持续延长的趋势。且三者的变化幅度存在差异， 呈现出无霜期>终霜日>初霜日。