1951年以来中国无霜期的变化趋势

准确界定无霜期及初、终霜日的时空变化是减少气候变化对农业生产的危害、有效提升农业适应性的重要内容。根据1951年以来国内824个气象站点日最低气温资料,分析初、终霜日和无霜期在全国的分布特征,采用累积距平和线性倾向估计模拟三者的变化趋势,并对无霜期进行突变检验。结果显示：① 中国无霜期随纬度增加或海拔升高而减少,无霜期的年际波动幅度随纬度增加或随海拔降低而减少。② 中国80%以上区域呈现初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长的趋势,且三者的变化幅度均是北方大于南方、东部大于西部。③ 中国多数农区无霜期延长是初霜日推后和终霜日提前共同影响,而西南区和长江中下游区部分地区无霜期延长是初霜日的推后幅度大于终霜日的推后幅度或终霜日的提前幅度大于初霜日的提前幅度。④ 中国过半区域无霜期在1980s和1990s发生突变。突变集中分布在东北区中西部、内蒙及长城沿线区、黄淮海区、青藏区和甘新区;突变时间上,东部农区和西部农区无霜期分别在1980s和1990s突变。     

近61 a黄河流域霜冻日期时空分异特征及影响因素

深入研究黄河流域霜冻演变规律,可为科学防范霜冻危害,促进气候资源合理开发利用提供依据。基于1960—2020年黄河流域83个气象站点统计资料,采用Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析和相关分析等方法,对黄河流域霜冻日期时空变化特征及其影响因素进行了分析。结果表明：（1） 1960—2020年黄河流域平均初霜日期为10月8日,终霜日期为4月30日,平均无霜期161 d。61 a来初霜日以2.51 d·(10a)^-1的速率推迟、终霜日以-2.07 d·(10a)^-1的速率提前,无霜期以4.48 d·(10a)^-1的速率显著延长。20世纪70年代初霜日最早,终霜日最晚,无霜期最短,21世纪10年代初霜日最晚,终霜日最早,无霜期最长。（2） 小波分析表明,黄河流域初、终霜日和无霜期均存在28 a左右的主周期变化。初霜日于2002年发生突变,终霜日于2000年突变,无霜期突变发生于2001年。（3） 从空间分布来看,由上游、中游到下游地区初霜日逐渐延迟,终霜日逐渐提前,无霜期日数逐渐延长。初霜日在流域各地均呈推迟趋势,终霜日仅在西南部合作、久治站呈推迟趋势,无霜期在各地均呈延长趋势,下游地区初霜日和无霜期变化幅度最大。（4） 黄河流域初、终霜日和无霜期主要受海拔高度和日平均气温的影响。     

1961—2017年北疆初终霜日及霜期时空变化特征

利用1961—2017年北疆37个地面气象站逐日最低气温观测资料,结合常规气象统计方法,分析北疆地区初、终霜日和霜期的时空演变特征。结果表明:(1)北疆平均初霜日以2.2 d·(10a)^-1速率推迟;平均终霜日以1.7 d·(10a)^-1速率提前;平均霜期以3.9 d·(10a)^-1速率缩短;初、终霜日和霜期的主周期均为2 a左右。(2)北疆霜期缩短趋势较大(小)的地区,能较好的对应其初霜日推迟、终霜日提前较强(弱),伊犁州、塔城地区北部及东天山东北部霜期的缩短趋势最为显著,博州至天山北坡一线居中,阿勒泰地区霜期的缩短趋势最弱。(3)北疆大部分地区初霜日的变化趋势与海拔高度有很好的相关性,其初霜日的推迟速度随海拔高度的增加而减小,垂直递减率为-0.077 d·(a·km)^-1;秋季气候变暖是初霜日推迟的主要原因,春、秋季气候变暖同时影响霜期缩短,且秋季的影响更大。     

近50年山西终霜冻的时空分布及其影响因素

利用山西62 个气象观测站1961-2010 年的逐日最低地温资料,分析了山西终霜冻的时空分布特征,结果表明：（1）山西近50 年平均终霜冻日为4 月12 日,总体上呈现南部早北部晚的规律,但具体分布还受地形及地理位置的影响;平均终霜冻日与纬度和海拔高度均呈显著的正相关,且纬度对平均终霜冻日的影响要大于海拔高度。（2）M-K突变检验表明,大部分站点的终霜冻日都发生了显著的气候突变,突变时间在1975-1996 年之间;突变年份与海拔高度和纬度均为负相关,且与纬度的相关程度比海拔高度更为密切。（3）山西近50 年终霜冻变化趋势的分布具有明显的区域差异,提前幅度较大的地区主要位于中西部和南部的广大地区,推后幅度较大的地区集中在西北部以及中东部;变化趋势与海拔高度和纬度均为负相关,海拔高度对变化趋势的影响大于纬度。（4）山西正常终霜冻的出现概率为54%~74%,出现概率最大的地区位于东南部以及北中部等地;偏晚终霜冻出现概率为2%~22%,北部和东南部是偏晚终霜冻出现概率最大的地区;特晚终霜冻的出现概率为14%~36%,出现概率较大的地区集中在北中部和中西部。（5）海拔高度与偏晚终霜冻发生概率呈负相关关系,纬度与特晚终霜冻发生概率呈正相关关系;纬度、海拔高度与正常终霜冻发生概率的相关都不密切;纬度对不同程度终霜冻发生概率的影响要大于海拔高度。     

博州气候暖湿化中若干其他气候特征的变化

 博州（博尔塔拉蒙古自治州的简称）作为北疆暖湿敏感区之一,许多与农事活动有关的气候现象以及风能、太阳能等气候资源发生了变化:≥0℃、≥10℃积温显著增加,主要营养生长期气温升高,延迟性低温冷害强度降低,阶段性低温减少;终霜与10℃活动积温初日提前,初霜与10℃活动积温终日推后;冬暖使得采暖成本降低,蔬菜大棚生产规模扩大,冬作物与牲畜安全越冬得以提高,冬季水电发电量得以保障;博乐市第一场透雨推后,透雨次数减少,干旱化趋势增加,同时山区日降水量达12 mm以上的降水次数增加,洪灾增加;冬季河谷日降水量达3.0 mm以上的中量降雪频次增加,山区稳定积雪期缩短;各地风灾频次减少,年平均风速、年日照时数显著减小、减少。作物营养生产期（5—8月）内,博乐气温日较差显著减小,温泉日照时间显著减少。对农业生产而言,这些气象要素的变化似乎总体利多于弊,对风能、太阳能开发利用而言,则反之。     

1960-2014年中国绿洲严寒期的时空变化特征与成因分析

基于中国绿洲74个地面气象站的逐日平均气温观测资料,计算候平均温度≤ 0 ℃的严寒期起止候及候数,运用线性趋势法、M-K突变检验、Morlet小波分析法、相关分析等方法,分析中国绿洲严寒期的起止候及候数的时空变化特征与成因。结果表明：近55年来,中国绿洲严寒期起始候推后、终止候提前、候数缩短,变化倾向率分别为0.3 p/10a、-0.27 p/10a和-0.58 p/10a;且空间差异显著,其中,柴达木盆地绿洲严寒期来的最早、结束的最晚,严寒期变化趋势最显著。严寒期起止候及候数分别在1990年、1998年、1994年发生突变。严寒期起始候与候数表现出与大气环流和厄尔尼诺有关的显著周期,终止候表现出与太阳活动有关的显著周期,可以证实严寒期起始候和候数的变化与大气环流和厄尔尼诺密切相关,而终止候的变化则与太阳活动有关。青藏高原指数、亚洲区极涡面积指数和二氧化碳排放量是影响研究区严寒期的主要因子,而南亚夏季风指数则对柴达木盆地绿洲影响最显著。研究区严寒期随着经纬度和海拔高度的增加,起始候提前、终止候推后、候数延长,并以纬度的变化最显著。严寒期起止候及候数对区域增暖具有极好的响应,但区域增暖对起止候及候数的影响各不相同。     

1963-2012年中国主要木本植物花期长度时空变化

花期物候变化研究对赏花活动安排、园林景观布置和致敏花粉防治等具有重要意义。现有研究对始花期与盛花期的变化趋势已有较为深刻的认识,但很少有研究辨识了花期长度的时空变化。本文基于“中国物候观测网”观测数据,统计了1963-2012年中国42个站点23种广布木本植物的花期长度变化趋势,分析了花期长度变化的时空格局、种间差异和变化形式。主要结论为：所有的259条花期长度时间序列中,61.39%的序列呈延长趋势,其中显著延长的占21.24%（P<0.05）。灌木花期的延长趋势比乔木更加显著。东北地区南部、华中和华东地区的多数站点花期长度主要呈缩短趋势。在东北地区北部、华北、西南和华南地区,大多数物种的花期长度呈延长趋势。花期长度变化趋势在20°N~22°N间最大（0.94 d/a）。西部地区（87°E~112°E）的花期长度变化趋势（平均0.28 d/a）高于东部地区（平均0.05 d/a）。花期长度的总体变化可分为3个阶段：1963-1980年（偏短）、1981-1997年（与多年平均值接近）和2001-2012年（偏长）,但不同物种的花期长度变化存在显著差异。在花期长度延长的序列中,43.39%是因开花始期提前程度大于开花末期;在花期长度缩短的序列中,62.00%是因开花始期提前程度小于开花末期。     

季节变化对全球气候变化的响应——以湖北省为例

根据湖北省10个代表站1951(或建站)~2006年逐日平均气温,计算分析了四季初日和长度及其变化趋势,以揭示气候季节对全球气候变暖的响应。结果表明:(1)湖北省平均春、夏、秋、冬四季初日分别为3月22日、5月27日、9月27日、11月27日,四季长度分别为65.7、122.8、60.9、115.6d,且时空差异明显;(2)56a来湖北省平均入春、入夏分别提前2.8、1.6d,入秋、入冬分别推后4.0、6.1d;(3)56a来湖北省平均冬季缩短8.9d,夏季延长6.3d,秋季延长2.0d,春季无变化;荆州夏季延长21.1d,武汉冬季缩短17.0d。     

近58a我国西北地区干期与湿期变化特征

利用西北地区1960—2017年68个站点逐日降雨气象数据，分别将日降雨小于（大于等于）0.1 mm和1 mm定义为旱日（湿日），从干期和湿期变化特征的角度分析西北地区雨日年内分配变化。结果表明：西北地区东部年降雨量变化不明显，降雨频率下降，平均降雨强度增加；西北地区西部年降雨量、降雨频率和平均降雨强度均呈现增加趋势，平均降雨强度增加主要是由于降雨量增加速率快于降雨频率增加速率。结合干期和湿期变化特征，发现西北地区东部虽然干期旱日总数增加，但干期平均长度、干期次数和最长干期旱日数变化不明显，同时湿期湿日数和次数减少，说明西北地区东部在降雨量不变情况下，降雨更加集中。在西北地区西部，干期次数增加，但干期旱日总数、干期平均长度以及最长干期旱日数减少，湿期湿日数和湿期次数增加，湿期平均长度不变，西北地区西部在降雨量和降雨频率增加过程中，干期持续时间缩短，对该区域农业生产和生态环境有利。另外，使用不同阈值会影响特征值变化趋势大小及其显著性，甚至会得到相反的变化趋势，说明选择合理阈值对于研究降雨、干期以及湿期变化十分重要，需要结合区域气候特征进一步研究。     

1961-2009年中国区域干旱状况的时空变化特征

 利用1961—2009年中国589个气象站月降水和月平均气温资料,采用经验正交函数(EOF)／旋转经验正交函数(REOF)、小波变换及Mann-Kendall 突变检验等方法,对年标准化干旱指数的空间异常特征和时间变化规律进行了研究。中国前10个主要干旱异常区为:河套-华北、长江中下游、华南地区、东北大部、陕西南部-青海东部、滇黔-广西丘陵地区、新疆北部、川西高原-青藏高原东部地区、辽东及山东-河南东北部。有7个区域呈现干旱化趋势,其中干旱化最明显的区域为滇黔-广西丘陵地区,其次为河套-华北地区。新疆北部、川西高原-青藏高原东部地区和长江中下游地区呈现变湿趋势,其中变湿最显著的区域为新疆北部。选择变干和变湿最典型的区域进行突变分析。滇黔-广西丘陵区突变发生在1980年前后,新疆北部突变点也出现在1980年前后。小波能量谱显示,中国区域干旱化变化存在多时间尺度特征,2～4 a左右的时间尺度的周期振荡最显著。小波谱分析结果表明,中国区域干旱化主要存在3 a左右的显著主周期,其中陕西南部-青海东部还存在显著8 a和22 a主周期。     

近50年中国温带季风区植物花期春季霜冻风险变化

中国温带季风区是我国重要的农业区,春季霜冻常对该地区的植物造成严重的损害。本文利用“中国物候观测网”12 个站点的物候观测数据和对应站点气象资料,应用物候模型方法,对1963-2009 年各站点的霜冻频次和多种木本植物的始花期进行了分析,并对植物在花期的霜冻风险进行了评估。结果表明,1963-2009 年,研究区内东北地区和华北地区的始花期分别以-1.52 天/10a (P < 0.01) 和-2.22 天/10a (P < 0.01) 的速度提前。在同一时段,研究区春季霜冻日数显著减少,终霜冻日显著提前。综合考虑花期和霜冻频次的变化,霜冻风险指数,即木本植物花期受到霜冻的物种数占调查总数的百分比,在东北地区以-0.37%/10a 的速度降低(不显著);而在华北地区,霜冻风险指数则以-1.80%/10a 的速度显著下降(P < 0.01)。这表明过去半个世纪研究区植物花期霜冻风险在降低,且存在显著的区域差异。该结论可为农业和森林管理者制订应对春季霜冻害的决策提供参考。     

Study of experiment method for triaxial frost heaving constitutive relation of frozen soil

A new experiment method is introduced to study the relations between frost heaving strain and stress of soil or fracture rock under different moisture contents, temperatures and stress states. Based on experiments, a new triaxial frost heaving stress-strain relation is presented aiming at tunnel in cold regions. The experimental equipments are strain-controlled and low temperature buildup, and different restrained conditions are controlled by changing the stiffness of a test-force-ring. Then the frost heaving strain and stress of soil or fracture rock can be obtained under different restrained conditions, and the frost heaving stress-strain relation can be got by regression analysis of some feature points. Experiments of saturated sandy soil conducted by this method show that the triaxial frost heaving stress-strain relation could be expressed by logarithmic curves, and the frost heaving stress changes linearly with the logarithm of the frost heaving strain. The stronger the constraint, the smaller the frost heaving strain and the larger the frost heaving stresses. The frost heaving stresses would tend to a limit value with increasing the constraint intensity. The larger the confining pressure, the larger the frost heaving strain and stress.     

清代华北地区冬半年温度变化重建与分析

利用清代地方志中的异常初、终霜记载,根据器测时期华北初、终霜的早、晚与温度变化的关系,重建了1646-1910 年华北地区时间分辨率为5 年的冬半年温度距平序列,分析了期间的冷暖变化特征.结果表明：清代华北地区气候以寒冷为主要特征,冬半年温度平均较现代(1951-1980 年)约低0.55℃,最冷5 年(1656-1660 年)较现代约低1.42℃;清代华北地区冬半年气候存在“冷-暖-冷”的世纪波动,两个寒冷时段起讫时间分别为1646-1700 年(平均较现代约低0.77℃)和1781-1910 年(平均较现代约低0.58℃),1701-1780 年虽然相对较暖,但冬半年温度仍较现代略低(平均较现代约低0.36℃);从更高时间分辨率看,清代冷暖时段内同样存在较小的波动,清后期寒冷时段出现了两个“冷谷”.     

ASSESSING THE ONSET OF SPRING: A CLIMATOLOGICAL PERSPECTIVE

This study is part of a program to examine spring plant-climate interactions in the major agricultural regions of eastern North America. The project's objectives were to: (1) document the yearly onset of the spring green wave and associated phenomena from 1908 to 1987 using phenological models, and (2) analyze regional dynamics and recent changes. Examining past variations in the green wave provides a context within which present and future variations can be assessed. Spring index dates, last -2.2°C (28°F) frost dates, and the difference between these two dates (termed the damage index) were generated for selected United States Daily Historical Climatology Network (HCN) stations between 1908 and 1987. The results show considerable geographic and temporal variations over the study period, and suggest that the threat of late spring frost damage may have decreased slightly from about 1960 to 1987. In future research, an improved version of the spring index (and associated surface phenological data) will be compared with satellite-derived vegetation condition data, in order to facilitate many kinds of atmosphere-biosphere interaction studies. [Key words: phenology, spring, “green wave” climatology.]     

A STATISTICAL ANALYSIS OF THE FREEZE HAZARD IN NEW YORK STATE

Thirty years of data are examined for the last spring freeze and first autumn freeze at freeze thresholds of 0°C, -2.2°C, and -4.4°C. Four statistical conclusions of a 1958 Iowa freeze hazard study are tested in New York. The time series of freeze dates are random and normally distributed. Spring and autumn freeze dates are independent at a station. The variances of autumn freeze dates are homogeneous throughout New York and variances of spring freeze dates are homogeneous within each of three regions of similar climate. Statistical properties of the freeze date time series should be examined locally before results of studies in other regions are used. (Key words: freeze, frost, climatology, growing-season, New York, statistical methods.)     

Modelling the dynamics of snow cover, soil frost and surface ice in Norwegian grasslands

Studying the winter survival of forage grasses under a changing climate requires models that can simulate the dynamics of soil conditions at low temperatures. We developed a simple model that simulates depth of snow cover, the lower frost boundary of the soil and the freezing of surface puddles. We calibrated the model against independent data from four locations in Norway, capturing climatic variation from south to north (Arctic) and from coastal to inland areas. We parameterized the model by means of Bayesian calibration, and identified the least important model parameters using the sensitivity analysis method of Morris. Verification of the model suggests that the results are reasonable. Because of the simple model structure, some overestimation occurs in snow and frost depth. Both the calibration and the sensitivity analysis suggested that the snow cover module could be simplified with respect to snowmelt and liquid water content. The soil frost module should be kept unchanged, whereas the surface ice module should be changed when more detailed topographical data become available, such as better estimates of the fraction of the land area where puddles may form.     

中国北方初霜冻日期变化及其对农业的影响

我国北方地区初霜冻出现的早晚对秋粮产量影响极大,但目前我国关于初霜冻日期的气候研究及其气候预测业务存在定义要素不统一、同一要素定义多样化和业务预测、服务产品参考标准不统一的问题,严重阻碍了研究和预测业务的发展,也给农业部门在使用相关气象信息产品时带来了困难。本文针对以上问题作了3方面的工作:第一,将国家气候中心原有北方地区(30oN以北)初霜冻预测业务代表站由65个增加到233个,空间精细度达到行政县级,并且分析了233个测站分别用地面0cm日最低温度和百叶箱观测日最低气温定义的初霜冻日期与气象观测日期的差异,结果表明在北方地区用地温定义的初霜冻日期普遍要更接近于初霜冻观测日期;第二,本文整理分析了1961-2008年北方地区233个站地面0cm日最低温度定义的初霜冻日期的年际/年代际气候变化特征,结果表明2000年以来各地初霜冻日期推迟最为明显,而且黑龙江东部地区初霜冻日期推迟到了9月30日以后,另外在北方许多地区初霜冻日期在20世纪80年代较90年代偏晚;第三,分析了黑龙江省初霜冻日期早晚对秋粮产量的影响,结果表明,成熟期之前若无持续性异常低温时段,初霜冻日期早晚变化对水稻和玉米单产有显著影响,但其影响大小还受到作物成熟前各生长阶段的气候条件和气候条件的年代际背景调控。