近57年來河北省冬小麥干熱風時空分布及突變檢驗

劉宏舉 姚樹然 董航宇

摘要：選取河北省24個農業氣象觀測站1960—2016年逐日氣象資料，以日最高氣溫、14：00相對濕度和14：00風速等3個氣象因素作為分析依據，得到全省冬麥區近57年來干熱風發生日數，通過線性趨勢、Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法等方法，研究河北省冬小麥干熱風時空分布規律。結果表明，近57年來河北省干熱風發生整體呈下降趨勢，其中重度干熱風下降趨勢顯著;輕度干熱風和干熱風總次數在近57年來并沒有發生突變，而重度干熱風的發生在20世紀80年代中期出現了突變性下降;干熱風的空間分布呈東北部低、南部高的趨勢，河北省邯鄲市、邢臺市的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災區。

關鍵詞：干熱風;河北省;冬小麥;M-K檢驗;時空分布;建議

中圖分類號： S429 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0242-04

干熱風是冬小麥生育后期出現的一種高溫低濕并伴有一定風力的綜合性農業氣象災害。干熱風危害的實質是高溫、低濕引起農作物生理干旱，風加重了危害的程度。干熱風是河北省冬小麥生產的主要氣象災害之一，主要出現在冬小麥的灌漿期，抑制小麥旗葉的光合蒸騰[1-2]，導致冬小麥灌漿速率不同程度下降[3]，千粒質量下降[4]，一般年份可造成小麥減產1%～2%，偏重年份可減產3%以上[5]。干熱風主要有高溫低濕型、雨后熱枯型、旱風型等3種類型[6]，其中，高溫低濕型是河北麥區干熱風的主要類型，在小麥開花灌漿過程均可發生，其特點是高溫低濕，干熱風發生時溫度升高，空氣濕度劇降，風力在3～4 m/s以上;這類干熱風發生的區域廣，使小麥芒尖干枯炸芒，穎殼呈灰白色或青灰色，葉片卷曲凋萎，從而造成小麥大面積干枯逼熟死亡，對小麥產量威脅很大。

近年來，關于干熱風的研究較多，也取得了不少成果。喇永昌等利用1981—2014年寧夏灌區16個氣象站的氣象資料，分析了當地春小麥高溫低濕型干熱風日數和天氣過程次數的時空分布特征[7];屈振江等分析了陜西省冬小麥主產區干熱風的年際變化規律和空間分布特點[8];成林等對河南省干熱風發生時氣象要素的變化、發生范圍、天數及頻率的變化進行了詳細分析[9-10];楊霏云等基于冬小麥干熱風發生指標，構建了冬小麥干熱風的發生強度指標，反演了華北平原冬小麥主產區1961年以來干熱風的發生規律[11];鄔定榮等利用華北平原48個站點1961—2008年的逐日氣象資料，分析了近50年來各站點的干熱風日數及區域分異規律[12];趙俊芳等研究了過去黃淮海地區冬小麥干熱風發生的時空演變規律，并基于干熱風危害指數，對黃淮海地區冬小麥干熱風災損進行了評估[13-15]。但在現有研究中，針對河北省內干熱風分布的研究相對較少，且歷史較久遠，所采用的干熱風指標與后來統一的中華人民共和國氣象行業標準（QX/T 82—2007《小麥干熱風災害等級》）也有一定差異[16]，不能完全反映出河北省干熱風發生的實際情況。

河北省作為全國的小麥生產大省之一，小麥生產的豐歉，不僅關系到農村社會經濟發展和農民的切身利益，還關系到全國糧食市場的供求平衡和糧食價格的穩定;而河北省邯鄲市、邢臺市的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災區。本研究以河北省24個農業氣象觀測站1960—2016年逐日日最高氣溫、14：00相對濕度和14：00風速等3個氣象因素作為分析依據，通過線性趨勢、Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法等方法，研究河北省冬小麥干熱風時空分布規律，以提高干熱風預警的準確性和可靠性，降低干熱風災害造成的經濟損失，也為后期進一步建立冬小麥干熱風監測預警模型提供一定的理論和應用基礎。

1 材料與方法

1.1 材料來源

河北省大部地區冬小麥在5月中下旬開始進入灌漿期，因而選取每年5月中旬至6月上旬（5月10日—6月10日）的逐日氣象資料，系統分析干熱風對冬小麥灌漿至成熟期的影響[4]。選取定州、藁城、南宮、黃驊、涿州等24個農業氣象觀測站1960—2016年逐日氣象資料，以日最高氣溫、14：00相對濕度、14：00風速等3個氣象因素作為分析依據，具體氣象站點空間分布見圖1。干熱風災害氣象指標選用中華人民共和國氣象行業標準（QX/T 82—2007《小麥干熱風災害等級》）規定的相應等級，具體見表1。

采用非參數Mann-Kendall突變檢驗法和滑動t檢驗法檢測干熱風發生的突變性。Mann-Kendall檢驗中，UF、UB分別表示正向、反向統計量，并給出顯著性水平α=0.05的臨界線（±1.96）。如果UF>0，則表示序列呈上升趨勢，反之則表示序列呈下降趨勢;當超過±1.96時，表明上升或下降趨勢達到顯著水平。如果UF、UB等2條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對映的時刻便是突變開始的時間，當出現多個突變點時，使滑動t檢驗對突變點進一步確定[17]。

在ArcGIS軟件下通過反距離權重插值法（inverse distance weighted，簡稱IDW）定量分析河北省冬麥區輕度、重度干熱風災害的時空變化特征。

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

2.1.1 年際變化特征 由圖2-a可知，河北省輕度干熱風發生最大值出現在1967年，發生次數為120站次;最小值出現在1963年，發生12站次;57年來輕度干熱風發生整體呈下降趨勢，但年際間波動幅度較大，無顯著差異（P>0.05）;在各時段發生趨勢也不盡相同，其中1960—2000年輕度干熱風發生站次整體呈波動中下降趨勢，2001年以后又呈現上升趨勢。重度干熱風（圖2-b）在1960—1985年是高發期，1985年后，除2001年出現1次極值和2014年1次相對高值外，其他年份發生均較少;其整體發生趨勢與輕度干熱風均呈下降趨勢，但下降趨勢更為明顯，有顯著差異（P<0.05）。干熱風總站次（圖2-c）發生趨勢與輕度干熱風的變化規律更為接近，同樣呈下降趨勢，無顯著差異（P>0.05）。近57年來，僅1968、1972、2014年等3年重度干熱風占比超過50%，其他年份均在50%以下（圖2-d），最低的2006年僅占干熱風總站次的1.3%;從整體上看，重度干熱風所占比重呈下降趨勢，但同樣無顯著差異（P>0.05）。

2.1.2 干熱風的突變分析 對所選站點近57年來干熱風發生站次變化進行M-K檢驗及滑動t檢驗，結果見圖3。由圖3-a可見，在1960—2000年，河北省輕度干熱風發生呈波動下降趨勢;其中，1960—1970年波動幅度較大，1971—1979年整體較平緩，1982年后開始迅速下降，2000年達到最低點，但沒有超過-1.96（P<0.05）的臨界值。2001年UF逐漸上升，說明2001年開始輕度干熱風加重發生，一直到2015年，但UF依然沒有超過1.96（P<0.05）的臨界值。因此，輕度干熱風的發生在近57年來并沒有發生突變。圖3-b為滑動t檢驗的曲線圖驗證了前面的觀點，輕度干熱風的下降或者上升均沒有達到顯著性水平。重度干熱風UF變化與輕度干熱風稍有差異（圖3-c），1972年開始，UF有明顯的下降趨勢，1985年后更為明顯，并在1997年超過-1.96（P<0.05）的臨界值，且UF、UB曲線相交于1985年，說明重度干熱風的發生在1985年出現了突變性下降。圖3-d也驗證了前面的觀點，滑動t值在1986年前后達到最大值，且超過了臨界值。2001年開始，干熱風發生出現加重趨勢，這與前人的研究結果[4]一致，但這種趨勢并不明顯，特別是在2016年，全省干熱風災害發生較輕，重度干熱風僅出現1站次，發生總站次也屬于歷史較少年份。1996年開始這種減少趨勢，并通過95%的信度檢驗。UF與UB曲線相交于1985年，可以認為該年為干熱風出現站次發生突變的年份。干熱風發生總數M-K檢驗結果如圖3-e所示，UF、UB曲線相交于1976年，但在滑動t檢驗中，該時段滑動t值并沒有出現峰值（圖3-f），由此認為該點并不是真正的突變點，干熱風發生總數在近57年來沒有發生突變。

2.1.3 發生時段分布 干熱風發生時段對冬小麥灌漿的影響也各不相同[18]，張志紅等發現，干熱風對冬小麥生理機能的危害程度表現為灌漿中期>灌漿前期[2]。5月中旬、5月下旬、6月上旬分別對應河北省冬小麥的灌漿前期、中期和后期。因此，從旬尺度分析研究區域內干熱風發生時段分布，對綜合評估干熱風發生對冬小麥灌漿的影響有重要意義。由圖4可見，隨著時間的推遲，輕、重干熱風的發生均呈上升趨勢，重度干熱風上升趨勢更為明顯。5月下旬輕、重干熱風發生次數均最少，分別占總站次的18.9%、11.8%;5月中旬輕、重干熱風發生次數分別占總站次的40.2%、32.3%;6月上旬輕、重干熱風發生站次均為時段內最高，分別占總站次的40.9%、55.9%。超過50%的重度干熱風發生在冬小麥的灌漿后期，灌漿中期次之，灌漿前期不管是輕度干熱風還是重度干熱風，發生的概率均最小。

2.2 空間分布

根據表1中干熱風氣象行業標準（QX/T 82—2007《小麥干熱風災害等級》）計算出各站點年均干熱風日數，結果見表2。輕、重干熱風的分布具有比較高的一致性，最大值均出現在南宮市，年均輕、重干熱風發生次數分別為3.5、2.2次，同區域的肥鄉、內丘、涉縣等地也是干熱風發生的重災區。東北部為干熱風發生較少區域，其中唐海輕、重干熱風年均發生次數僅為0.5、0.1次，同區域的昌黎、青龍等干熱風發生也均較少。

根據各站點的計算結果，按其站點所在的經緯度，在ArcGIS中以反距離權重法進行插值，得到所選區域的年均干熱風日數[圖5（承德、張家口為非種植區）]。河北省冬麥區年均輕度（圖5-a）、重度（圖5-b）干熱風日數分布一致，大體呈東北部低、南部高的趨勢。河北省邯鄲、邢臺的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災區，東北部的唐山、秦皇島地區為低值區;南宮、肥鄉、黃驊一帶是干熱風的高發區域。本研究所選24個農業氣象觀測站點57年來總計發生輕度干熱風2 992站次，平均每年每站2.18次;總計發生重度干熱風1 399站次，平均每年每站1.02次。

3 結論與討論

近57年來，河北省干熱風發生整體呈下降趨勢，重度干熱風的下降趨勢更為明顯，通過了顯著性檢驗（P<0.05）。輕度干熱風和干熱風總次數的下降并沒有通過顯著性檢驗（P>0.05）。從年際尺度上看，河北省1960—1990前期是干熱風的高發時期，80年代中后期到90年代末，干熱風發生較少，2001年出現歷史極大值，發生干熱風共231站次，這次干熱風災害發生突然性強，波及范圍廣。此后，干熱風的發生進入一個短暫的低谷期，之后又呈緩慢上升的趨勢。

根據M-K檢驗及滑動t檢驗結果，輕度干熱風和干熱風總數在近57年來并沒有發生突變，而重度干熱風的發生在20世紀80年代中期出現了突變性下降。

從區域上看，河北省麥區各站點的年均輕度、重度干熱風

日數分布一致，大體呈東北部低、南部高的趨勢。河北省邯鄲、邢臺的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災區，東北部的唐山、秦皇島地區為低值區;南宮、肥鄉、黃驊一帶是干熱風的高發區域。

氣象指標雖然可以作為判別干熱風發生的依據，但其危害程度卻不僅僅是由氣象指標決定的。還與土壤墑情、小麥發育期、品種、干熱風持續時間、農田小氣候等有密切聯系[19-21]。在小麥籽粒中積累的干物質中，有70%～80%來自于開花期至灌漿成熟期間的生育后期[22]，通過對河北省冬小麥干熱風時空分布規律的研究，可以提高干熱風預警的準確性和可靠性，對于冬小麥干熱風災害的防災減災有著重要的現實意義。

參考文獻：

[1]趙風華，居 輝，歐陽竹. 干熱風對灌漿期冬小麥旗葉光合蒸騰的影響[J]. 華北農學報，2013，28（5）：144-148.

[2]張志紅，成 林，李書嶺，等. 干熱風天氣對冬小麥的生理影響[J]. 生態學雜志，2015，34（3）：712-717.

[3]成 林，張志紅，方文松. 干熱風對冬小麥灌漿速率和千粒重的影響[J]. 麥類作物學報，2014（2）：248-254.