1. 引言
霜冻是与人类生产和生活密切相关的农业气象灾害，常出现在春、秋两季农作物生长期，且霜冻的危害较大。在全球气候变暖的背景下，初、终霜冻以及无霜期皆受到影响。国外学者的研究表明：北欧、美国、加拿大过去几十年霜冻日数出现减少的趋势 [1] [2] [3] 。国内学者也得到相似的变化趋势，叶殿秀等众多学者的研究表明我国大多数地区具有初霜冻日期推迟，终霜冻日期提早，无霜期延长的变化趋势 [4] [5] [6] [7] [8] 。目前采用的气象指标主要为地面最低温度、日最低气温和日平均气温这三种，也有学者通过以上几种气象指标结合产生新指标，如桑建人等将日最低气温和地面0 cm地温数据结合，开展宁夏地区的霜冻研究 [9] 。气象指标判定霜冻发生日期，还可结合研究区域的气候特征选择适合的标准研究霜冻发生时间的早晚和持续时间的长短，减少霜冻异常发生时间会对农业生产造成严重危害。
北疆西部位于新疆，准噶尔盆地的西侧，地理位置优越，适合种植水果、粮食、经济作物及发展畜牧业 [10] [11] ，这些作物易受霜冻影响，对该地区造成较大的经济损失。如2008年，北疆产区的酿酒葡萄由于霜冻减产约8万吨，损失将近1.6亿元，2009年，由于霜冻使新疆博乐的鲜食葡萄减产50%，对棉花、加工番茄和瓜果蔬菜等造成危害 [12] 。2014年10月8至9日伊犁州发生霜冻，导致伊犁州葡萄种植基地受到损失，葡萄种植总面积11.67万亩，受灾就达6万亩，损失将近3亿元。由此可见在全球变暖背景下 [12] ，虽然众多地区出现霜冻减弱的趋势，但在北疆西部霜冻仍是影响农业的主要气象灾害之一，为防御霜冻造成重大损失，有必要开展北疆西部霜冻时空变化特征的研究。
2. 资料与方法
2.1. 资料
使用的站点及数据资料选取范围为1986~2021年北疆西部11个气象站的36年日最低气温数据 [4] [9] [13] [14] [15] [16] 。以北疆西部作为研究区域，该研究区域气候类型多样，地形地貌较复杂，有高山、山间平原盆地、河谷地等类型，为了排除站点间海拔差距过大的影响，使用海拔差距比较平均的站点进行分析。研究区域及气象站点分布情况如图1。
Figure 1. Study area site distribution (review map umber GS (2016) 2556))
图1. 研究区域站点分布(审图号GS (2016) 2556号)
2.2. 研究方法
2.2.1. 线性回归分析
以线性回归方程分析初、终霜冻及无霜期近36a的变化趋势，判断气候序列的趋势变化及其显著性。用北疆西部近36a平均初霜冻、终霜冻日序，平均无霜期天数与对应时间建立方程y = b0 + bti (i = 1, 2, …, n)，分析气候序列的趋势。
2.2.2. Mann-Kendall突变检验法
使用Mann-Kendall突变检验方法对气候序列进行突变检验，判断北疆西部近36a初、终霜冻及无霜期是否存在突变、突变开始时间以及突变区域。根据时间序列的上升或下降趋势来判断该时间序列的变化趋势 [17] 。
2.2.3. 霜冻异常发生时间早晚和无霜期异常长短等级
陈乾金、张旭辉等人认为霜冻同大气温度一样具有正态分布特征，判断霜冻异常发生时间和异常持续时间时，认为小于0.05和大于0.95的概率范围发生特早初霜冻、特晚终霜冻、极长、极短无霜期，在0.05~0.11、0.89~0.95的概率范围发生偏早初霜冻、偏晚终霜冻、偏长、偏短无霜期 [18] [19] [20] 。
3. 结果与分析
3.1. 霜冻的时间变化特征
3.1.1. 初霜冻时间变化特征
北疆西部初霜冻年际变化如图2，初霜冻以0.3 d/10a的速率提早。1986~1997、1998~2009、2010~2021年的年代际特征较显著，呈先增加后下降的趋势。各站点的气候倾向率相比较，和布克赛尔气候倾向率最大，尼勒克气候倾向率最小，大部分站点为推迟趋势，除尼勒克、博乐、温泉、阿拉山口，分别以0.0、0.2、6.8、8.4 d/10a的速率提前(表1)，据分析以上站点海拔高度相对较高，可考虑因地理位置因素呈现不同的局地变化趋势 [15] [21] 。
Figure 2. Map of interannual variation in first frosts in the western part of the Northern Territory
图2. 北疆西部初霜冻年际变化图
Table 1. Climatic propensity to first frost (d/10a) at stations in western Northland
表1. 北疆西部各站点初霜冻气候倾向率(d/10a)
3.1.2. 终霜冻的时间变化特征
北疆西部终霜冻年际变化如图3，终霜冻以0.7 d/10a的速率提前。1986~1997、1998~2009、2010~2021年的年代际特征明显，呈逐渐下降的趋势。各站点的气候倾向率相比较，尼勒克、温泉、托里的气候倾向率较大，终霜冻提早的趋势更明显，和布克赛尔和克拉玛依的气候倾向率最小，提早的趋势较弱(表2)。局地影响变化趋势的可能性较大 [14] [22] 。
Figure 3. Map of inter-annual variation of terminal frost in the western part of the Northern Territory
图3. 北疆西部终霜冻年际变化图
Table 2. Climatic propensity for terminal frost (d/10a) at stations in western Northland
表2. 北疆西部各站点终霜冻气候倾向率(d/10a)
3.1.3. 无霜期的时间变化特征
北疆西部无霜期年际变化如图4，无霜期以5.0 d/10a的速率延长。1986~1997、1998~2009、2010~2021年的年代际特征明显，呈阶段性增加的趋势。各站点的气候倾向率相比较，伊宁、温泉、托里的气候倾向率最大，无霜期延长趋势显著，博乐气候倾向率最小，每10年延长1.5 d (表3)。
Figure 4. Map of interannual variation in frost-free periods in the western part of the Northern Territory
图4. 北疆西部无霜期年际变化图
Table 3. Frost-free climatic propensity of stations in the western part of the Northern Territory (d/10a)
表3. 北疆西部各站点无霜期气候倾向率(d/10a)
3.2. 霜冻的突变分析
3.2.1. 初霜冻的突变分析
北疆西部初霜冻无明显突变，整体曲线呈小幅度波动上升。1989、2012~2014年呈显著增长趋势，说明该时期初霜冻推迟，2020年后呈下降趋势(图5)。
3.2.2. 终霜冻的突变分析
北疆西部终霜冻在2008~2010、2011年发生突变。1990年后曲线呈上升趋势，2014~2021年呈下降趋势，说明1986~1990年、2014年后终霜冻呈提前趋势(图6)。
3.2.3. 无霜期的突变分析
北疆西部无霜期在2000~2004年发生突变。1993~1998年曲线呈下降趋势，该阶段无霜期呈缩短趋势，其他阶段呈上升趋势，2012年~2021年达到0.05的显著水平，该时期无霜期显著增加(图7)。
Figure 5. M-K mutation test map for early frosts in western Nor- thern Territory
图5. 北疆西部初霜冻的M-K突变检验图
Figure 6. M-K mutation test map for terminal frost in the western part of the Northern Territory
图6. 北疆西部终霜冻的M-K突变检验图
Figure 7. M-K mutation test map for frost-free periods in the western part of the Northern Territory
图7. 北疆西部无霜期的M-K突变检验图
3.3. 霜冻的时空变化特征
3.3.1. 初霜冻的空间分布特征
图8是北疆西部初霜冻空间分布图，西北部、南部发生日期较早，西部、东北部发生日期较晚。最早发生日期为10月上旬，最晚发生日期为11月上旬。空间上未明显表现出北方小于南方，东部小于西部的趋势 [4] [22] ，局地变化趋势较明显。
Figure 8. Spatial distribution of first frosts in the western part of the Northern Territory
图8. 北疆西部初霜冻空间分布图
3.3.2. 终霜冻的空间分布特征
图9是北疆西部终霜冻空间分布图，中部、东部、南部地区发生日期较早，位于3月下旬，东北、西部地区发生日期最晚，位于4月下旬。东部小于西部的趋势较明显，北方小于南方的趋势较微弱 [4] [22] ，随纬度的增加发生日期较晚 [19] ，局地变化趋势更明显。
Figure 9. Spatial distribution of terminal frosts in the western part of the Northern Territory
图9. 北疆西部终霜冻空间分布图
3.3.3. 无霜期的空间分布特征
图10是北疆西部无霜期空间分布图，西部、东北部无霜期天数较少，为170~177 d，中部地区无霜期天数较多，其中克拉玛依是无霜期最长的地方，是221~226 d。随纬度增加无霜期天数有延长的趋势，局地趋势更明显。
Figure 10. Spatial distribution of frost-free periods in the western part of the Northern Territory
图10. 北疆西部无霜期空间分布图
3.4. 霜冻发生时间等级特征
3.4.1. 初霜冻发生时间提早等级特征
根据陈乾金等人对初霜冻异常发生时间的划分标准 [20] [23] [24] [25] [26] ，初霜冻划分结果如表4，特早初霜冻的发生频次为0~7次，其中温泉发生频次最多，2010~2021年发生的概率达55%；偏早初霜冻的发生频次为1~9次，其中阿拉山口发生频次最多，1986~1997年发生的概率达51%。
Table 4. Early and delayed onset of first and last frosts in the western part of the northern border (frequency)
表4. 北疆西部初、终霜冻发生时间提早、推迟等级(频次)
3.4.2. 终霜冻发生时间推迟等级特征
终霜冻发生时间推迟，对粮食和经济作物造成的危害最严重。终霜冻划分结果如表4 (见上表)，特晚终霜冻发生频次为0~3次，其中尼勒克发生频次最多，1998~2009年发生的概率达47%；偏晚终霜冻发生频次为3~6次，其中阿拉山口、博乐发生频次最多，1986~1997年发生的概率达43%。
3.4.3. 无霜期发生时间长短等级特征
无霜期发生时间长短的划分结果如表5，各站点极长、偏长、偏短、极短无霜期发生频次为1~4、2~8、0~4、1~7次。极长无霜期在2010~2021年发生的概率达64%，偏长无霜期在1998~2009年发生的概率达51%，极短无霜期在1998~2009年发生的概率达44%，偏短无霜期在1986~1997年发生的概率达52%。
Table 5. Length of frost-free period occurrence rating (frequency) in the western part of the Northern Territory
表5. 北疆西部无霜期发生时间长短等级(频次)
4. 结论
本文通过分析1986~2021年北疆西部11个气象观测站的日最低气温数据，获得初、终霜冻及无霜期时空变化特征，结论如下：
1) 北疆西部初霜冻提早0.3 d/10a，无明显突变，1989、2012~2014年初霜冻呈现推迟趋势；终霜冻提早0.7 d/10a，2008~2010、2011年存在突变，1986~1990年、2014年终霜冻呈提前趋势；无霜期延长5.0 d/10a，2000~2004年存在突变，2012年后呈显著增加；整体的霜冻变化趋势除初霜冻外，与国内学者研究结论一致。
2) 空间分布上，初霜冻局地变化较明显；终霜冻呈东部小于西部的趋势，北方小于南方的趋势不明显；无霜期有随纬度增加而减少的趋势。基于地理位置因素对初、终霜冻和无霜期产生的局地差异，可在该研究方法上结合更多海拔高度等地理因素进行拓展分析。
3) 北疆西部特早、偏早初霜冻的发生频次为0~7、1~9次；特晚、偏晚终霜冻发生频次为0~3、3~6次；极长、偏长、偏短、极短无霜期的发生频次为1~4、2~8、0~4、1~7次，1986~1997年期间以上各等级发生频次相对较多。
基金项目
新疆维吾尔自治区自然科学基金：基于多参数的棉花干旱胁迫光谱诊断模型研究(2021D01B13)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。