塔城市近60a冬季负积温变化特征分析

摘要：基于塔城市1961—2020年逐日平均气温资料，应用线性倾向估计、滑动t检验、功率谱分析及经验频率法等方法对塔城市冬季负积温变化特征进行了分析。分析表明：(1)塔城市近60a冬季负积温呈显著增加趋势，其增加速率为73.6℃/10a，具有明显中期振荡周期；年代际变化趋势在整个统计时段表现为“减少-增加-维持-波动”的特征；负积温在1985年前后发生了明显的由多到少的突变。(2) 塔城市负积温多年<0℃持续日数平均为103.4d，且以-3.5d/10a的速率呈现出减少趋势；<-10℃、<-15℃和<-20℃持续日数也均呈现不同程度的减少趋势，减少率分别为-2.5d/10a、-1.4d/10a和-0.2d/10a，且不同温度界限的持续日数存在不同的中期振荡周期。(3) 近60a来塔城市冷冬年数和暖冬年数分别为6a和11a，冷冬年主要集中出现在60-80年代，而暖冬年在20世纪80年代开始出现，在随后的年代中呈现出增长的态势。冬季负积温减少对农牧业影响是利弊共存，冬季气候变暖对当地冬小麦、特色林果越冬及日光温室生产有利，但同时病虫害越冬基数增加，防治难度加大，春旱加剧使当地潜在荒漠化趋势增大。

关键词：塔城市；负积温；变化特征；农牧业；影响

负积温是某地农业气候生态的重要指标，其高低直接影响一个地区的林果木及农作物能否安全越冬，并且在当地农作物分布格局及病虫害蔓延方面扮演着重要角色[1]；范丽红、何清等在研究了天山山区与南北疆气候变化后，得出了在全球气候变暖的大背景下，近45a来研究区域的气温总体上也呈变暖趋势，但变暖趋势因区域不同也不尽相同[2]，黄成荣等也有气温变化存在明显的地区性和季节性的类似结论[3]; 马洪亮、马燕[4]等提出了天山山区最低气温的升高对天池增暖的贡献最大的结论。本文将对塔城市冬季负积温的变化规律进行统计分析，并结合对其对当地农林业生产带来的影响进行讨论，以期为当地农作物、林果木生产布局规划提供科学参考依据。

1  资料与方法

1.1 资料

基于塔城国家基本气象站1961—2020年的逐日平均气温资料，计算日平均气温稳定通过0℃以下的最大天数的温度累计值，同时计算<0℃、<-10℃、<-15℃、<-20℃各界限温度的持续日数, 建立塔城市冬季负积温资料序列。

1.2分析方法

利用一元线性回归分析方法进行气候倾向率和变化过程分析；利用F检验法对回归方程进行显著性检验；采用滑动T检验法来确定气候突变[5]；利用小波分析方法进行周期变化分析。

2  塔城市负积温的变化特征

2.1负积温年变化趋势分析

塔城市冬季负积温近60a来年际变化较大，60a平均为-901.0℃。最多为-1889.2℃，出现在1968年，最少为-451.7℃，出现在2001年。通过对塔城市冬季负积温的气候倾向率分析(图1)，近60a塔城冬季负积温呈显著增加趋势，其增加速率为73.6℃/10a（通过0.05的显著性水平检验）。通过负积温的10a滑动平均曲线后可发现塔城市负积温呈现出振荡式增加趋势，速率为87.5℃/10a。通过小波分析表明(图2)，塔城市近60a负积温变化在整个统计时段存在准14a和准29a的中期振荡周期。

图1 塔城市近60a负积温变化曲线        图2 塔城市负积温小波分析

2.2负积温年代际变化特征

图3是塔城市冬季负积温年代际变化情况。整个统计时段变化趋势表现为“减少-增加-维持-波动”的特征，即20世纪60年代至70年代中期表现为减少，随后变化趋势由减少转为增加，且增加趋势一直持续到90年代初期，90年代中期开始至21世纪00年代中期该趋势基本维持不变，进入10年代初后表现出波动形态。

图3 塔城市冬季负积的年代际变化

2.3负积温的异常年及突变分析

塔城市冬季负积温异常标准采用如下：偏高为距平大于0.5倍、小于1.5倍标准差，异常偏高为距平大于1.5倍标准差，偏低为距平小于-0.5倍、大于-1.5倍标准差，异常偏低为距平小于-1.5倍标准差。由表1可知，塔城市负积温异常年数存在由偏低出现次数多向偏多出现次数多转变的特征，即20世纪60-70年代偏低年出现次数大大超过偏高年出现次数， 80-90年代偏低年次数开始快速减少且维持在一定水平，但偏高年出现次数开始显著增加，进入21世纪后偏低年出现次数进一步减少，而偏高年出现次数仍保持在较高水平。同时，异常偏低年出现的时段主要集中在20世纪60-70年代，随后的年代中再无出现，而异常偏高年首次出现时间则是在进入21世纪后。

表1 负积温异常年分析(括号内为异常出现的具体年份)

图3给出了塔城市冬季负积温的Mann-Kendall统计量曲线及滑动T检验统计量曲线。从图3(a)可知塔城市冬季负积温的UF曲线在1975年前在临界线以上，表明此时段负积温变化表现为显著上升趋势；随后直至21世纪10年代初该曲线的值绝大部分均大于0，但未超过临界线，此时段的变化表现为不显著的上升趋势；10年代后曲线在“0线”处上下波动，此时段变化则表现为不显著的上下波动趋势。UF曲线和UB曲线在图中的1985年和1986年处存在2处交点，结合滑动T检验法(图3b)对此时间序列进行进一步突变分析，此处n=60，分别取两子序列长度n₁=n₂=15，给定显著性水平α=0.05，查表得自由度v=n₁+n₂-2时的显著性水平t=2.31，计算后确定塔城市负积温在1985年附近发生了突变。

图3 塔城市负积温M-K突变检验及滑动t统计量曲线

(a)                        (b)

3  塔城市冬季<0℃、<-10℃、<-15℃、<-20℃持续日数的变化

3.1塔城市冬季负积温各界限温度持续日数的年变化

图4为塔城市近60a冬季<0℃、<-10℃、<-15℃、<-20℃持续日数的变化曲线，由图可知近60a塔城市负积温各界限温度持续日数变化不尽相同。多年<0℃持续日数平均为103.4d，且以-3.5d/10a的速率呈现出减少趋势；<-10℃、<-15℃和<-20℃持续日数也均呈现不同程度的减少趋势，减少率分别为-2.5d/10a、-1.4d/10a和-0.2d/10a。通过小波分析可知（图略），塔城市冬季<-0℃持续日数分别在20世纪60-80年和20世纪80年代-21世纪00年代存在准15a和准9a的振荡周期；<-10℃持续日数在整个统计时段内存在准29a的振荡周期，并且准12a振荡周期在20世纪60年代-90年代期间表现明显;<-15℃持续日数表现出于<-10℃持续日数相似的特性，即在整个统计时段内存在准22a的振荡周期，同时在20世纪70年代-21世纪20年代之间存在准14a的振荡周期；<-20℃持续日数则没有明显的周期变化。

图4 塔城近60a冬季<0℃、<-10℃、<-15℃、<-20℃持续日数的变化曲线

3.2塔城市冬季负积温各界限温度持续日数的年代际变化

从表2可以看出，塔城冬季<0℃持续日数变化呈起伏式波动变化，从20世纪60年代到70年代，持续日数表现为增多趋势，随后直至21世纪前10a，则表现为持续性减少趋势，其中在20世纪80-90年代最为明显，变化幅度达到11.2d，进入21世纪10年代后又表现为增多。<-10℃持续日数从20世纪60年代到21世纪初表现为持续减少，最大幅度变化同样出现20世纪80-90年代，在进入21世纪后则表现为先增多后减少。<-15℃持续日数的变化趋势与<-10℃的变化趋势大致相同，但变化幅度较<-10℃要小。<-20℃持续日数变化趋势则表现为增加和减少趋势按年代交替出现。

表2 冬季<0℃、<-10℃、<-15℃、<-20℃持续日数的年代际变化

4  塔城市冷、暖冬年的判定

负积温可以表征冬季的冷暖强度，也可以表示冬季寒冷强度累积的程度。目前用负积温来判定冷、暖冬是最常用的方法。国内有学者[6]使用负积温距平△T高于标准差α判定当年为暖冬年，低于-σ为冷冬年，在-σ<△T<σ为平年。

根据以上标准，计算塔城市近60a的冷冬、暖冬年(表3)。从表中看出，近60a来塔城市冷冬年数和暖冬年数分别为6a和11a。冷冬年主要集中出现在60-80年代。冷冬年负积温距平在-330.8~-988.2℃间，负积温峰值出现在1968年，为-1889.2℃，低于平均值达109.7%。暖冬年在20世纪80年代开始出现，在随后的年代中呈现出增长的态势，负积温绝对值最低值在2001年，为-451.7℃，高于平均值达49.9%。冷、暖冬年的分布也证实了塔城冬季气候是从80年代中期开始出现明显的由冷向暖的变化。

表3塔城冷冬、暖冬年分布

5  结论

(1)塔城市近60a冬季负积温呈显著增加趋势，其增加速率为73.6℃/10a，具有明显中期振荡周期；年代际变化趋势在整个统计时段表现为“减少-增加-维持-波动”的特征；负积温在1985年前后发生了明显的由多到少的突变。

(2) 塔城市负积温多年<0℃持续日数平均为103.4d，且以-3.5d/10a的速率呈现出减少趋势；<-10℃、<-15℃和<-20℃持续日数也均呈现不同程度的减少趋势，减少率分别为-2.5d/10a、-1.4d/10a和-0.2d/10a，且不同温度界限的持续日数存在不同的中期振荡周期。

(3) 近60a来塔城市冷冬年数和暖冬年数分别为6a和11a，冷冬年主要集中出现在60-80年代，而暖冬年在20世纪80年代开始出现，在随后的年代中呈现出增长的态势。

6  讨论

(1)塔城市主要的粮食作物为冬小麦，伴随着冬季温度升高，负积温绝对值减少，有利于土壤热量积累，对当地冬小麦安全越冬有利。(2)塔城市当地特色林果主要以高酸海棠、梨蒙果居多，伴随塔城市冬季负积温的减少，特别是<-15℃和<-20℃持续日数的减少，使果树冬季受冻害的几率同时减少，有利于当地特色林果业的发展。(3)冬季负积温减少、气温偏高使病虫卵(蛹)越冬基数增加，有利于病虫害的发生发展，易导致春季病虫害蔓延，无形中增大防治难度。(5)冬季气温上升还会造成土壤失墒，使得引发春旱的机率增大。

参考文献：

[1]周雪英，吉春容，李晓川.库尔勒1959—2008年冬季气温及负积温变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2009，4(3):39-42.

[2]范丽红，何清.新疆天山山区与南北疆气候变化及其影响的比较研究[C].新疆：新疆大学，2006.

[3]黄成荣，周可法，黄镇.克拉玛依1957—2006年气温变化特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2008，2(2):18-21.

[4]马洪亮，马燕，薛福民.天山天池近49年气候变化特征[J].气象科技，2010，2(38):209-213.

[5]符淙斌，王强.气候突变的定义和检测方法[J].大气科学，1992.4(16):482-493

[6]桑建人，刘玉兰，等.宁夏冬季负积温变化特征[J].气象科学，2007.27(2):201-206