湖南省寒露風發生特征及氣象風險區劃

黃晚華，黃仁和，袁曉華，李忠輝

（1.湖南省氣象科學研究所，湖南 長沙 410007；2.湖南省氣象局國有資產運營中心，湖南 長沙 410007；3.吉林省氣象科學研究所，吉林 長春 130062）

湖南是我國重要水稻產區，歷來就有“湖廣熟，天下足”的美譽。多年來湖南水稻種植面積和稻谷總產量穩居全國第一位，其中雙季晚稻種植面積占水稻總面積的40%左右[1]。湖南省大部分地區屬于中亞熱帶季風濕潤氣候,，影響湖南晚稻生產的主要農業氣象災害是干旱和寒露風[2]。

一般而言，進入初秋季節的9月份，冷空氣活動開始活躍，常南侵湖南造成日平均氣溫低于20℃的低溫天氣，此時低溫會對雙季晚稻抽穗揚花造成影響，常出現包頸穎花不能正常開放，傳粉受精發生障礙等現象，致使晚稻空殼率增加，影響產量的形成。寒露風發生嚴重的地區晚稻會普遍減產，如1997年9月中旬出現了有氣象記錄以來持續時間最長、危害最嚴重的寒露風天氣，從9月中旬開始到月末，全省大部分地區持續了10～15 d的寒露風天氣，導致當年的晚稻產量減產達5%～10%[2-4]。可見，寒露風是影響湖南晚稻產量的主要低溫災害。水稻生產經驗也表明，抽穗揚花期的寒露風天氣對晚稻生產豐歉起著決定性的作用。近30 a以來，在氣候變暖背景下，寒露風呈現減弱的趨勢，生產中對防御寒露風災害有所輕視，但近幾年極端天氣事件增多，湖南5月低溫、8月低溫、寒露風等低溫災害又呈現增多的趨勢[5]，如2010年9月下旬，湖南發生自1997年以來最嚴重的寒露風天氣，對晚稻生產影響很大，使晚稻產量明顯減產。因此，系統分析寒露風發生特征，評估其風險，并進行科學風險區劃，對指導和安排晚稻生產，減輕寒露風帶來的不利影響，保障糧食安全具有重要意義。

關于農作物的氣象災害特征分析及風險評估，已有不少研究[6－7]，但多針對水、旱災害或典型低溫區的冷害，如東北玉米冷害或華南寒害[8-11]。目前，對江南晚稻生產的寒露風災害風險評估分析較少，已有關于寒露風的研究也多注重預報機理和影響分析，僅部分研究涉及到定量評估[12-14]。本文根據災害風險評估原理和寒露風致災特征，通過分析湖南各地不同強度寒露風出現的歷史概率，進行雙季晚稻寒露風風險評估分析，為雙季晚稻生產提供氣象科學保障依據。

1 資料和方法

1.1 資料來源和寒露風定義

資料來源：湖南省96個氣象臺站1961～2009年9月份日平均氣溫、日照時數等逐日氣象資料。

寒露風定義：根據湖南省地方標準《氣象災害術語和等級》[3]，寒露風定義為9月份出現的日平均氣溫≤20℃且持續3 d或以上的低溫天氣過程[2－3]。根據寒露風持續時間長短或低溫程度影響，該標準把寒露風分成如下不同等級。①輕度寒露風：日平均氣溫為18.5～20℃，持續3～5 d。②中度寒露風：日平均氣溫 17.0～18.4℃，持續 3～5 d；或日平均氣溫為18.5～20℃，持續6～8 d。③重度寒露風：日平均氣溫（過程平均溫度）≤17℃，連續3 d或以上；或日平均氣溫≤20℃，持續9 d或以上；或日平均氣溫17.0～18.4℃，連續 6～8 d。

1.2 寒露風年次頻率計算

僅發生1次輕度寒露風過程的年份為輕度寒露風年；僅發生1次中度寒露風過程，或發生2次輕度寒露風過程的年份為中度寒露風年；發生1次重度寒露風，或發生2次中度（或1次中度和1次輕度）寒露風，或發生3次輕度寒露風過程的年份為重度寒露風年。不同程度寒露風發生年次頻率的計算方法為：不同程度寒露風發生年次數與統計資料總年數之比[15]。

1.3 寒露風氣象風險指數

寒露風影響水稻生產的主要因素有低溫降溫幅度、過程最低氣溫、低溫持續日數、低溫過程平均溫度、綜合溫度等。為了較好地反映寒露風對水稻生產的影響程度，參考其他冷害評估指標[16-17]，定義了寒露風低溫氣象風險指數（R），見式1。

式中，R 為寒露風的風險指數；f1、f2、f3分別為輕度、中度、重度寒露風發生頻次；I1j、I2j、I3j分別為歷史上出現輕度、中度、重度寒露風對應的發生強度；n1、n2、n3分別為輕度、中度、重度寒露風發生次數；n為統計年內總寒露風的次數。

公式（1）的含義是通過不同程度的寒露風發生頻次和低溫強度進行加權，得到多年平均總的風險指數。這不難看出，風險指數越高，寒露風的風險就越大。

1.4 寒露風低溫強度和當量冷積溫計算

寒露風低溫強度，與低溫持續時間、低溫程度、過程氣溫及日照時數等相關。這里改進冷積溫定義，在冷積溫的基礎上創立當量冷積溫，把當量冷積溫定義為：

其中，T′為當量冷積溫，t為日平均氣溫。ak為時間訂正系數，由于不同時段發生的寒露風對晚稻抽穗影響不一樣，一般寒露風對湖南雙季晚稻危害主要集中在9月中旬前后，對晚稻抽穗揚花有明顯危害，且近似拋物線變化。一般在湖南晚稻集中9月中旬后期（第4候）前后抽穗揚花，因此寒露風對晚稻抽穗影響嚴重；之前水稻尚未大面積抽穗，對晚稻影響較小；之后晚稻抽穗完成，寒露風影響也減小。根據影響程度，這里將連續線性影響變化進行分段離散簡化近似處理，對應9月第1～6候時間訂正系數（ak）分別取值為 0.5、0.8、1.0、1.1、0.9、0.5。b1～b4為溫度影響訂正系數，不同低溫程度對水稻抽穗影響不同。根據以前的研究結果[2，18-20]，這里計算日平均氣溫低于20℃開始對水稻抽穗影響的冷積溫，溫度越低，低溫對水稻抽穗危害越大。因此，b1、b2、b3和 b4分別取 1.0、1.3、2.0、3.0。

當量冷積溫同時考慮低溫不同發生時段和不同低溫程度對作物危害累積，能更真實反映低溫對水稻的影響和危害，能很好反映低溫持續時間、低溫程度和冷積溫累積值。因此，定義低溫強度指數（Ij）如下：

其中，∑T′為累積當量冷積溫，D為寒露風持續日數，d為持續日數的權重，這里取d=0.3，c為當量冷積溫的權重，這里取c=0.7。Sj為低溫過程中累積日照時數，含義是相當2 h日照能補償冷積溫1℃·d。根據寒露風等級，當某次寒露風的強度指數（Ij）在0～5時為輕度寒露風，在5～10時為中度寒露風，Ij＞10為重度寒露風。當強度指數Ij＜0時，即使出現連續3天以上日平均氣溫≤20℃，認如發生寒露風，其危害也不嚴重，不納入計算統計。

按照上述定義，先計算等級強度要素，最后得到寒露風風險指數。

2 結果分析

2.1 寒露風氣象風險要素空間分布特征

2.1.1 發生頻率特征 圖1a為湖南寒露風發生年次頻率空間分布圖。由圖1a可見，湖南寒露風發生年次頻率為10.9%～60.8%，全省平均為36.1%，最低年次頻率出現在江永，最高年次頻率出現在鳳凰。湘南的永州中南部、郴州的宜章以及湘東部分地區寒露風年發生頻率在20%（5 a一遇）以下；湘東南其余大部分地區以及湘西瀘溪、辰溪、麻陽等山區盆地年發生頻率在33.3%（3 a一遇）以下。湘中以北及湘西大部分地區、湘東南部分山區年發生頻率為33.4%～50.0%（2～3 a一遇），其中湘北、湘西等地和湘南局部地區年發生頻率在50%（2年一遇）以上。

從圖1b可知，中度以上寒露風發生年次頻率為2.2%～34.8%，全省平均為16.6%。永州大部以及湘東局地中度以上寒露風發生年次頻率在10%（10 a一遇）以下。其中，江永、江華、道縣、寧遠、新田、宜章、瀏陽、平江等地寒露風發生年次頻率為2.2%，近49年來，僅在1997年發生過1次中度以上寒露風。湘北、湘西部分以及湘南局部地區，中度以上寒露風發生年次頻率在5 a一遇以上。其中，桂東和龍山最高，為34.8%，達到3 a一遇。其他大部分地區中度以上寒露風發生的年次頻率都在5～10 a一遇之間，約占全省面積的一半。

圖1 湖南省寒露風及中度以上寒露風發生年次頻率

大部分雙季稻區重度寒露風的年發生頻率在10 a一遇以下。其中，湘中以南大部分區域在20 a一遇以下（圖略）。

總體而言，我省雙季晚稻區僅湘北等地寒露風發生頻率較高，為2～3 a一遇；其他大部分地區寒露風發生頻率為3 a一遇或以下，中度寒露風為5 a一遇或以下。空間頻率分布以湘東南最低，湘中次之，湘北較高。

表1 不同程度強度寒露風的比例和強度、時段的分布

2.1.2 寒露風各強度分布和時段分布特征 于湘北、湘中、湘南等典型雙季稻區選取15個代表氣象站，統計分析寒露風不同程度發生頻次、占比及時段分布（表1）。由表1可見，湘北寒露風發生次數最多，各站平均達0.66次/a，湘中次之，湘南最少，僅0.26次/a。從發生強度看，各地均類似，都以輕度居多，中度較少，重度很少。其中，輕度寒露風占所有寒露風的60%左右，中度約占31%，約為輕度的一半，重度寒露風較少發生，比重不到10%。從不同發生程度的強度指數看，輕度寒露風的平均強度為3.0左右，中度寒露風平均強度為7.0，重度寒露風強度，湘北和湘南分別為12.1和11.6，湘中地區高達21.1。從寒露風發生時段看，多發生在9月中下旬。其中，9月上旬發生的不到5%，中旬發生的約占總數的1/3，下旬發生的接近2/3。

2.1.3 寒露風的風險強度要素特征 寒露風對雙季稻風險影響不僅與發生頻率有關，還與寒露風過程發生時的當量冷積溫、低溫持續天數、日照多寡有關。下面分別分析低溫過程發生時的當量冷積溫、低溫持續天數和過程日照時數等特征。

（1）當量冷積溫。寒露風發生時，湘東大部分地方當量冷積溫最少，發生年冷積溫多在9℃以下，其他大部分雙季稻區冷積溫也在12℃以下，這些地方約占全省70%的區域。湘西和湘東南山區冷積溫較高，在12℃以上。其中，桂東、龍山等少數山區冷積溫在15℃以上（圖2a）。

全省寒露風發生過程中低溫持續天數為3.9～10.4 d（圖2b）。臨武持續天數最少，僅為3.9 d，湘東和湘南大部分地區持續天數為4～5 d。其他雙季稻區持續天數為5～6 d。超過6 d的地區主要分布在湘西北和湘東南等山區的非雙季稻區，其中桂東持續天數最長，為10.4 d。

一般發生寒露風時，多為持續陰雨寡照天氣，日照很少或基本無日照。如出現日照，則能使溫度回升，特別是最高氣溫可上升到20℃以上，即使日平均氣溫仍在20℃以下，一天中有幾小時氣溫在20℃以上，水稻就能完成開花授粉，對抽穗揚花有利。因此，日照多寡也是評價寒露風嚴重程度的重要指標。湖南省寒露風過程中日照時數為1.4～33 h（圖2c）。其中湘南中南部過程日照時數不足3h，湘南其他地區日照也多在5 h以下。湘中、湘東北等地大部分日照為5～7 h，洞庭湖區一帶日照為7～9 h，局地可達 12 h。

從各風險強度要素特征看，每次寒露風過程，大部分雙季稻區持續時間為4～6 d；過程冷積溫多為7～12℃，折合冷積溫約為2℃/d以內，也就是說，低溫過程平均氣溫多在18℃以上；過程日照平均僅1～2 h/d。

圖2 湖南省寒露風發生過程當量冷積溫、持續低溫天數和過程日照時數分布

表2 湖南省寒露風綜合風險等級區劃

2.2 寒露風綜合氣象風險區劃

根據寒露風發生各風險頻率和強度要素，由式（1）計算得到寒露風綜合風險指數，根據綜合風險指數數值范圍按等值區間劃分5級（表2）。在此基礎上，利用GIS技術得到湖南省寒露風綜合氣象風險區劃（圖3）。

圖3 湖南省寒露風綜合風險區劃

由圖3可見，湘南、湘東等大部分地區寒露風綜合風險指數在2.0以下，有41站，占全省雙季稻區一半以上，為輕微風險區，寒露風發生頻率低，強度輕，寒露風對雙季晚稻風險小。其中，瀏陽、平江、炎陵、江永、道縣、寧遠、新田、江華、宜章等站綜合風險指數在1.0以下，為寒露風輕微風險區，基本無寒露風風險。瀏陽的寒露風指數僅為0.45，為全省寒露風風險最小的地方。

湘中、湘北和湘南的郴州等丘陵山區雙季稻區大部分風險指數在2.0～3.0之間，為寒露風低風險區，寒露風發生頻率低，強度也輕，但對雙季晚稻有一定的風險，在寒露風發生較重時，對雙季晚稻生產會有一定影響。

雙季稻區的資興、冷水江、臨澧、澧縣、桃源、桃江、安化、武岡等地，以及湘西山區等一季稻區的綜合風險指數為3.0～4.0，是寒露風中度風險區，寒露風發生頻率較高，強度也較重，對雙季晚稻風險較大，要特別注意防范寒露風帶來的不利影響。

綜合風險指數4.0～5.0的地區可劃分為寒露風高風險區，絕大部分在非雙季稻區，僅桂陽（風險指數達4.6）為雙季稻區。綜合風險指數在5.0以上的，僅為一季稻區的花垣和龍山，為寒露風特高風險區，這些地區的寒露風發生頻率高，強度大。

3 結論和討論

根據湖南省1961～2009年氣溫、日照等氣象資料進行寒露風災害風險分析，得到結果如下。（1）湖南雙季晚稻區僅湘北等地寒露風發生頻率較高，其他大部分地區寒露風發生頻率在2～3 a一遇或以下，其中中度寒露風發生頻率在5 a一遇以下。其空間頻率分布以湘東南最低，湘中次之，湘北較高。（2）湘北寒露風發生次數最多，各站平均達0.66次/a，湘中次之，湘南最少。且寒露風多發生在9月中下旬，約占95%。（3）雙季稻寒露風風險以湘南、湘東等平原和山區盆地最低，湘中丘陵地區次低，湘北部分平原地區和湘南局地丘陵山區較高。

由于寒露風多發生在9月中下旬，因此對中度風險區和高風險區應多考慮種植早熟品種，盡量使晚稻在9月中旬以前齊穗，以避免寒露風的風險[21]。

鑒于低溫風險影響水稻減產定損可操作性差，目前也無規范的受災面積和減產損失的資料，以上風險評估僅從氣象角度考慮，未考慮具體受災對象分布，評估結果有一定局限性。近年來低溫冷害發生幾率有增大的趨勢，有待從氣候變化角度研究寒露風的變化趨勢和周期性。

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