內蒙古大豆秋季霜凍發生的演變特征及氣候危險性風險指數的構建

王惠貞 唐紅艷 李丹

摘要：以1981—2010 年內蒙古自治區119個氣象站日最低氣溫及初霜凍發生日期為基礎，以不同氣候生態區的80%保證率成熟日期作為界限日期，評定大豆[Glycine max （Linn.） Merr.]秋季霜凍災害是否發生，并構建霜凍災害氣候危險性風險指數指標體系，分析內蒙古大豆秋季霜凍發生的演變特征及空間分布特征。結果表明，在30年時間尺度內，內蒙古大豆不同等級秋季霜凍發生范圍雖有略變小的趨勢，但各等級的初霜凍日均呈提前趨勢;霜凍發生的區域特征明顯，輕霜凍發生范圍相對較廣且發生范圍的年際變化較大。不同等級秋季霜凍發生頻率大致呈東北高、西部和東南部低的空間分布規律，變異系數與強度頻率空間分布規律相對一致，變異性較大的地區主要分布在大興安嶺山脈和陰山山脈地區。通過氣候危險性風險指數指標模型的構建和等級劃分，內蒙古大豆秋季霜凍危險性存在較大的空間差異性，霜凍危險性高的區域集中在東北部地區，其中大興安嶺南麓農區是內蒙古大豆主產區之一，掌握霜凍變化規律，合理安排作物品種熟型，做好該地區的防災減災和氣象為農服務工作是保證大豆豐產豐收的有利條件。

關鍵詞：大豆[Glycine max （Linn.） Merr.];秋霜凍;年際變化;危險性;氣候風險指數;內蒙古自治區

中圖分類號：S565.1;S425 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）15-0066-05

Abstract： Based on the lowest daily temperature and the earliest frost occurrence date of 119 meteorological stations in Inner Mongolia Autonomous Region from 1981 to 2010， the maturity date of the 80% guarantee rate of different climate ecoregions was used as the boundary date to assess whether the soybean [Glycine max （Linn.） Merr.] frost disaster occurred. The climate hazard risk index system of frost disasters was constructed to analyze the evolution characteristics of Inner Mongolia soybean autumn frost and spatial distribution characteristics. The results showed that in the 30a time scale， different grade autumn frost of soybean occured in Inner Mongolia were slightly smaller trend， but the early frost days of different grades showed an early trend. The regional characteristics of frost occurrence were obvious， and the range of light frost occured in relatively large areas， and the interannual variation of light frost was obvious， and the date of occurrence was also significantly in advanced. The distribution law was that the frequency of autumn frost in different grades was generally high in the northeast， was low in west and southeast. The coefficient of variation and the spatial distribution of intensity and frequency were relatively consistent， and the regions with large variability were mainly distributed in the Daxinganling mountains and Yinshan mountains. Through the construction of climate hazard risk index model and classification of risk climate index， there was a large spatial difference for the risk of autumn frost in Inner Mongolia， the area with high risk of frost was concentrated in the northeast region. And among them， the south of Daxinganling was agricultural area that was one of the major soybean producing areas of Inner Mongolia. There is an advantageous condition for ensuring a high harvest of soybeans that mastering the change law of frost， rationally arranging crop varieties and familiarity， doing a good job in disaster prevention and mitigation and meteorological services for agriculture in the region.

Key words： soybean[Glycine max （Linn.） Merr.]; autumn frost; interannual variation; dangerous; climate hazard risk index; Inner Mongolia Autonomous Region

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告（2013）指出，1951—2012年全球地表平均溫度升高0.72 ℃，而中國在1961—2010年平均地表氣溫升高1.3 ℃，且北方地區較南方地區增溫幅度更為明顯，其中東北部和內蒙古中東部地區增溫速率最大[1-3]。在氣候變暖的背景下，極端天氣事件頻發，對農業生產和作物布局等必然產生重大影響[4，5]。

大豆[Glycine max （Linn.） Merr.]是世界上主要的糧油兼用作物。內蒙古自治區作為中國大豆主產區之一，種植面積僅次于黑龍江，擁有豐富的品種資源[6，7]。內蒙古地處中國最北部，屬于中高緯度地區，地形和氣候復雜多樣，也是與氣溫相關的農業氣象災害較多的地區，尤其是秋季霜凍災害對該地區大豆生產影響較為嚴重[8]。近年來，有學者陸續對各地區不同作物的霜凍災害的風險性開展了相應的研究，結果表明，霜凍危險性對霜凍發生風險的大小起決定性作用，且掌握霜凍出現的時間規律尤為重要[9-13]。

目前，對內蒙古大豆霜凍災害的風險研究尚未見報道，且對不同程度霜凍出現的時間分布特征研究甚少。隨著社會的發展，資料時空精細化程度明顯提高。本研究利用1981—2010 年內蒙古119個氣象站日最低氣溫及初霜凍發生日期分析了該地區大豆秋季霜凍發生時間的演變規律，并與地理信息系統等現代技術手段相結合，從大豆不同等級秋季霜凍在安全成熟前發生的頻率、強度和變異性等方面分析了該地區大豆不同等級秋霜凍發生的氣候危險性風險指標及空間分布特征，以期指導生產者合理安排作物品種布局，提高秋季霜凍防御能力，減輕初霜凍造成大豆產量等方面的損失，保障大豆產業健康發展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料為1981—2010 年內蒙古自治區 119 個氣象站日最低氣溫及初霜凍發生日期，來源于內蒙古生態與農業氣象中心。大豆生育期觀測資料包括內蒙古扎蘭屯農業氣象觀測站歷年生育期數據（時間序列為1986—2012年）和內蒙古大豆品種區域和生產試驗數據（時間序列為2009—2014年）[14]。地理信息資料包括經度、緯度、海拔等基礎因子柵格數據，經緯度數據采用國家基礎地理信息中心提供的1∶100萬內蒙古基礎地理背景數據。

1.2 內蒙古大豆秋季霜凍災害發生的評定指標

大豆生長的發育期及其日最低氣溫共同決定了霜凍災害是否發生。結合農業氣象觀測站的大豆生育期資料，統計各站點大豆的多年平均成熟日期，經過80%保證率的耿貝爾檢驗得到的成熟日期作為發生霜凍災害的界限日期，如日最低氣溫指標值出現在界限日期之前，則表示該地區發生霜凍災害，沒有觀測站的地區，界限日期用臨近站點的界限日期代替。

根據不同區域氣象條件相近程度，基于聚類分析理論，利用全區3個大豆農業氣象觀測站歷年生育期資料，結合內蒙古大豆品種區域和生產試驗數據，同時借鑒內蒙古農牧業廳生態區劃分結果，將內蒙古自治區劃分為8個氣候生態區（表1）。

考慮內蒙古的氣候特點、霜凍害發生的溫度指標以及大豆種植結構，參考中華人民共和國氣象行業標準[15]，將大豆秋季霜凍災害劃分為輕、中、重3 級，以輕霜凍（日最低氣溫≤0.5 ℃）、中霜凍（日最低氣溫≤0 ℃）、重霜凍（日最低氣溫≤-1.0 ℃）為界限，通過初霜凍發生日期是否在80%保證率成熟界限日期之前來判斷霜凍災害是否發生。

1.3 霜凍災害氣候危險性風險指數指標體系

1.3.1 霜凍發生強度頻率指標 將1981—2010年內蒙古各旗（縣）出現霜凍災害的年份數量按霜凍災害發生強度等級分為3組，即輕、中、重霜凍，計算不同等級霜凍災害的發生頻率。霜凍災害頻率指標（Dj）計算公式如下：

[Dj=Di30] （1）

式中，Di表示各旗（縣）30年內不同等級霜凍發生的次數，i=1，2，3，分別代表輕、中、重霜凍級別;Dj表示不同等級霜凍的發生頻率。

同時，找出霜凍災害發生時日最低氣溫的中間值，結合發生頻率，計算霜凍災害強度頻率（Ih）。

[Ih=i=13Djn×Gj] ? （2）

式中，n為統計的年數;Gj為日最低氣溫中間值。

1.3.2 霜凍發生的變異性 由于同一地區霜凍災害的發生日期不穩定，年際間差異較大，直接影響該地區霜凍災害危險性的大小，因此將霜凍災害發生日期的變異性作為反映致災因子危險性大小的另一個指標，公式為：

[Dv=σD] （3）

式中，Dv為霜凍災害發生日期的變異系數;σ為日序的標準差;D為日序的數學期望。

1.3.3 氣候危險性風險指數 致災危險性是風險產生和存在與否的必要條件，主要是由災害強度、發生頻率及發生的不穩定性共同決定的。上述2個指標分別從霜凍災害的發生強度頻率和初霜凍日變異性角度反映了霜凍災害危險性的大小，結合內蒙古種植大豆的實際情況，運用專家經驗賦值法確定的霜凍災害強度頻率指標和霜凍災害發生日期的變異系數對氣候危險性風險指標的權重分別為0.75 和0.25，將二者進行加權求和，即可得到各旗（縣）的氣候危險性風險指數（W） 。

[W=Ih×0.75+Dv×0.25] （4）

1.4 數據處理及專題圖制作

1.4.1 資料標準化處理 在構建危險性指數時，為了使數據處于統一量綱之間，對霜凍發生強度、頻率、變異系數等因子均進行了極差標準化處理，其表達式為：

3 小結與討論

內蒙古大豆秋季發生輕霜凍的區域特征明顯，發生范圍相對較廣，而從年際變化特征來看，30年間霜凍年際變化較中霜凍和重霜凍略大。不同等級的初霜凍日均呈提前趨勢，不同等級霜凍可能發生范圍均波動較大，總體呈持平略減小趨勢，各等級的初霜凍日基本都在8月中旬以后出現，從20世紀90年代中后期開始初霜凍日有所提前，尤其是輕霜凍出現日期明顯提前。秋霜凍的發生正值大豆進入鼓粒階段，大豆耐寒能力較弱，一旦遭受凍害就無法挽回，因此秋霜凍出現越早，大豆生產損失越大。在氣候變暖背景下，對內蒙古大豆秋季霜凍的預測及防御問題仍需重視。

各等級秋季霜凍發生頻率大致均呈東北地區高、西部和東南部地區低的空間分布規律，發生輕霜凍概率大的地方，發生中霜凍和重霜凍的概率也相對較大，但發生輕霜凍頻率較高的地區范圍較中霜凍和重霜凍地區廣。結合低溫強度來看，呼倫貝爾大部分地區和興安盟阿爾山地區強度頻率指數最高，西部和東南部大部分地區發生霜凍的強度頻率指數相對較低。內蒙古大豆秋季霜凍發生的變異系數與強度頻率空間分布規律相對一致，變異性較大的地區主要分布在大興安嶺山脈和陰山山脈地區。

總體來看，內蒙古大豆秋季霜凍災害發生的危險性受緯度和地形的影響較明顯，自北向南隨緯度的減小危險性有所降低，隨海拔高度的增加危險性也有所增高，危險性最高的地區主要分布在大興安嶺地區，大興安嶺北麓林區和南麓農區氣候危險性風險指數略高。其中，大興安嶺南麓農區是內蒙古大豆主產區之一，掌握霜凍變化規律，合理安排作物品種熟型，控制作物的播種期和成熟期，做好該地區的防災減災及氣象為農服務工作是保證大豆豐產豐收的有利條件。影響內蒙古大豆秋季霜凍危險性的因子比較復雜，主要與地形、天氣氣候條件和種植品種等因素有關[16]，但基于數據的可獲取性以及研究時間所限，本研究綜合考慮霜凍強度、頻率及發生時間的變異性所構建的危險性氣候評價指標和模型作為一個初步方法，結合地形、品種結構特征可預測霜凍災害危險性發生等級。

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