摘 要：相對(duì)濕度是霜凍形成過程中的重要影響因素?；趯幭?961—2016年春霜凍期相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)、Sen斜率法、反距離空間插值法，研究了相對(duì)濕度的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：1961—2016年寧夏春霜凍期的相對(duì)濕度和霜凍日數(shù)均呈下降趨勢(shì)，且兩者存在顯著的負(fù)相關(guān)。在空間分布方面，南部為高值區(qū)，中部為中值區(qū)，北部為低值區(qū)。全區(qū)84 %的站點(diǎn)相對(duì)濕度顯著下降，其余站點(diǎn)無(wú)明顯變化，Sen斜率較小。

關(guān)鍵詞：春霜凍時(shí)期；相對(duì)濕度；時(shí)空變化；Mann-Kendall檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S512.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）08–0-03

氣候風(fēng)險(xiǎn)是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要組成部分，?其影響范圍廣泛。而關(guān)于氣候風(fēng)險(xiǎn)的研究主要集中在氣候?yàn)?zāi)害因子的發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度等方面，并關(guān)注其等級(jí)及出現(xiàn)概率。其中，春霜凍是寧夏農(nóng)業(yè)和林業(yè)面臨的一種多發(fā)性自然災(zāi)害，尤其對(duì)小麥、蘋果和紅梅杏等作物的危害較大，相關(guān)學(xué)者也針對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。

李紅英等[1]使用寧夏23個(gè)氣象站點(diǎn)1981—2010年的日最低氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)和空間分析方法，深入分析了寧夏霜凍的發(fā)生范圍、頻率、強(qiáng)度及致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性。郭曉雷等[2]通過對(duì)寧夏枸杞種植區(qū)15個(gè)氣象站1961—2017年的最低氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)及春霜凍致災(zāi)指標(biāo)進(jìn)行分析，研究了春霜凍發(fā)生次數(shù)和終霜凍日的時(shí)空分布特征。程瑛等[3]通過分析甘肅省57個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2017年的溫度和霜凍災(zāi)害數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢(shì)系數(shù)、累計(jì)距平和Mann-Kendall方法探討了不同等級(jí)霜凍日數(shù)的變化特征。朱永寧等[4]通過人工霜凍試驗(yàn)明確了危害積溫和持續(xù)時(shí)間對(duì)枸杞花期霜凍形成的作用。白磊等[5]利用1961—2018年的長(zhǎng)時(shí)間序列格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，替代以往的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過趨勢(shì)分析和聚類分析等方法，探討了中國(guó)地區(qū)霜凍的時(shí)空變化規(guī)律，包括霜凍的辨識(shí)閾值、發(fā)生時(shí)間及強(qiáng)度。丁永平[6]結(jié)合寧夏23個(gè)氣象站1981—2020年的氣象數(shù)據(jù)和霜凍災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，分析了蘋果、釀酒葡萄和桃等作物的霜凍風(fēng)險(xiǎn)分布規(guī)律。姜元等[7]基于陜西省蘋果主產(chǎn)區(qū)1971—2018年的逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，提取了春霜凍事件的歷時(shí)和強(qiáng)度等特征變量，運(yùn)用6種Copula函數(shù)構(gòu)建春霜凍特征變量的聯(lián)合分布，并分析了春霜凍的發(fā)生概率及重現(xiàn)期。王磊等[8]通過連續(xù)30年的農(nóng)業(yè)和氣象觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析了降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)等因子對(duì)曹縣冬小麥霜凍災(zāi)害和產(chǎn)量的影響。邱星霖等[9]通過CMIP5氣候模式提供的積溫和最低溫度評(píng)估了中國(guó)北方蘋果花期霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。梁小娟等[10]通過低溫脅迫探究了寧夏葡萄霜凍凍害閾值。

當(dāng)前，氣象因素對(duì)霜凍的影響主要集中在最低溫度及其持續(xù)時(shí)間上，由于霜凍災(zāi)害同時(shí)受到多種因素的綜合影響，其形成過程較為復(fù)雜，而相對(duì)濕度通過影響作物周圍空氣比熱容和熱量傳播過程對(duì)作物霜凍災(zāi)害的形成有重要作用，針對(duì)此方面的研究較少[11]。探討寧夏春霜凍期相對(duì)濕度和霜凍日數(shù)的相關(guān)關(guān)系，以及相對(duì)濕度的時(shí)空變化規(guī)律，以期為農(nóng)業(yè)規(guī)劃和氣象災(zāi)害防控提供數(shù)據(jù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

寧夏回族自治區(qū)位于中國(guó)西北部，面積為6.64萬(wàn)km2，轄5個(gè)地級(jí)市，下轄22個(gè)縣市區(qū)，屬于溫帶大陸性氣候。

自然狀況：寧夏海拔1 000 m以上，地勢(shì)南高北低，落差近1 000 m，呈階梯狀下降。屬典型的大陸性氣候，為溫帶半干旱區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)，具有春多風(fēng)沙、夏少酷暑、秋涼較早、冬寒較長(zhǎng)、雨雪稀少、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈等特點(diǎn)，年平均降水量300 mm左右。

地理區(qū)劃：在地形上分為三大板塊，一是北部引黃灌區(qū)。地勢(shì)平坦，土壤肥沃，素有“塞上江南”的美譽(yù)。二是中部干旱帶。干旱少雨，風(fēng)大沙多，土地貧瘠，植物生存條件較差。三是南部山區(qū)。丘陵溝壑林立，部分地域陰濕高寒。

寧夏春季霜凍一般發(fā)生在4月10—5月15日，該時(shí)期1961—2016年的逐日相對(duì)濕度由國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供，經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗(yàn)，剔除數(shù)據(jù)序列短的站點(diǎn)，將逐日數(shù)據(jù)在霜凍期進(jìn)行算術(shù)平均處理。霜凍日數(shù)的判定根據(jù)王榮梅等[12]的研究確定。

1.2 研究方法

根據(jù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)是氣象學(xué)廣泛應(yīng)用的研究方法，能夠?qū)r(shí)間序列的變化趨勢(shì)、顯著水平及突變點(diǎn)進(jìn)行判定。具體計(jì)算公式如下。

對(duì)于時(shí)間序列xi（i=1，2，…i，…j，…n）定義符號(hào)，函數(shù)統(tǒng)計(jì)量S：

S=sign（si-si）（1）

（2）

Var（S）=（3）

（4）

上式中，n為序列長(zhǎng)度；xi和xj為序列x的第i個(gè)和j個(gè)元素（i＞j）；Sign為符號(hào)函數(shù)；Var為方差；Z為標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。若Z為正值，表示序列呈上升趨勢(shì)，負(fù)值呈下降趨勢(shì)；當(dāng)|Z|≥1.96時(shí)，表示序列在a=0.05的水平上變化顯著，否則變化趨勢(shì)不顯著。

Sen斜率能夠減輕數(shù)據(jù)異常對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，在分析時(shí)間序列的平均變幅方面較線性回歸更為穩(wěn)定和準(zhǔn)確。計(jì)算公式為：

Seni， j=Median（5）

式（5）中，Seni， j為Sen斜率；xi和xj分別為第i和第j時(shí)刻的序列值；Median為取中值函數(shù)。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的基礎(chǔ)方法，可以度量2個(gè)變量間相關(guān)程度。取值范圍為-1～1，其中，1表示變量完全正相關(guān)，-1表示完全負(fù)相關(guān)。反距離權(quán)重法是空間插值的常規(guī)方法，能夠表征指標(biāo)的空間分布特征[13]。以上方法通過數(shù)學(xué)軟件Matlab和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 寧夏春霜凍期氣候相對(duì)濕度的時(shí)間變化趨勢(shì)

為確定寧夏春霜凍期相對(duì)濕度對(duì)霜凍日數(shù)的影響，對(duì)時(shí)間序列和相關(guān)分析進(jìn)行研究。從時(shí)間變化來(lái)看，相對(duì)濕度和霜凍日數(shù)的下降趨勢(shì)比較相似，且在大多數(shù)年份的曲線呈現(xiàn)出波峰—波谷的對(duì)應(yīng)特征。通過皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度與霜凍日數(shù)呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1）。因此，選擇相對(duì)濕度作為寧夏霜凍發(fā)生的主要因素之一具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同時(shí)根據(jù)氣象學(xué)原理，日最低氣溫在2 ℃以下空氣中水汽飽和會(huì)在植物表面形成白霜，但當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)，空氣的比熱容也較大，從而減緩氣溫降低的速度[14]。在田間防霜時(shí)，北方地區(qū)也有灌溉、噴灑溫水等措施。相對(duì)濕度對(duì)霜凍的影響是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)，較為復(fù)雜，不能一概而論，還要結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、下墊面、低溫閾值、熱效應(yīng)等要素予以綜合考慮。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1961—2016年寧夏春霜凍期相對(duì)濕度多年平均值為44.45%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.75，變異系數(shù)為0.15%。由圖1a可見，春霜凍期的相對(duì)濕度在1961—1966年左右波動(dòng)較大，然后波動(dòng)趨于平緩，1997—2002年又有較大幅度變化，2010年后有小幅波動(dòng)，整體序列在1961—2015年呈下降趨勢(shì)。使用Mann-Kendal趨勢(shì)檢驗(yàn)，得到Z值為-2.72，表明下降趨勢(shì)顯著（P＜0.01），Sen斜率為-0.17%/年。

2.2 寧夏春霜凍期氣象指標(biāo)的空間分布特征

1961—2016年寧夏春霜凍期相對(duì)濕度多年平均值空間變化特征見圖2。相對(duì)濕度總體上從南到北遞減，南部山區(qū)的西吉、隆德和涇源為高值區(qū)（55%

～58%），中部地區(qū)屬于中值區(qū)（41%～54%）， 惠農(nóng)、陶樂、平羅為低值區(qū)（37%～40%）。相對(duì)濕度空間上的極值比為1.57，空間差異h3gAOwxuNYDUokEcnBqdWA==較大。研究結(jié)論符合寧夏北部灌區(qū)、中部干旱帶、南部山區(qū)的地理特征，也與寧夏降水和植被的分布有關(guān)。相對(duì)濕度不僅受降水的影響，還與地形地貌關(guān)系密切，寧夏北臨騰格里沙漠與烏蘭布和沙漠，西接毛烏素沙漠，這對(duì)相對(duì)濕度的空間分布有一定影響。

利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和Sen斜率分析了1961—2016年寧夏19個(gè)氣象站點(diǎn)春霜凍期相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)（圖2b）。相對(duì)濕度在全區(qū)的16個(gè)站點(diǎn)顯著下降，占總數(shù)的84%，在3個(gè)站點(diǎn)無(wú)顯著變化。絕大多數(shù)相對(duì)濕度顯著下降的站點(diǎn)位于寧夏靠西的一側(cè)，無(wú)顯著變化的站點(diǎn)則處于中東部。在Sen斜率絕對(duì)值方面，鹽池、同心和麻黃山地區(qū)較小，吳忠、固原和中衛(wèi)較大。

3 結(jié)論

基于歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析，研究了1961—2016年寧夏19個(gè)氣象站點(diǎn)春霜凍期相對(duì)濕度的時(shí)空變化特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）寧夏春霜凍期間的相對(duì)濕度和霜凍日數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，同時(shí)，相對(duì)濕度和霜凍日數(shù)均呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.01），相對(duì)濕度值下降的Sen斜率為-0.17%/年。

（2）在空間分布方面，相對(duì)濕度的空間差異較大。表現(xiàn)為由南部山區(qū)向中西部遞減的特征，濕度的高值區(qū)為寧夏最南部的西吉、隆德和涇原：寧夏中北部為中值區(qū)，北部的陶樂、惠農(nóng)、平羅為低值區(qū)。

參考文獻(xiàn)

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