商丘市近60a冬季氣溫變化及其對冬小麥生長發(fā)育的影響

張?jiān)葡? 史桂芬，檀艷靜，馬美娟，熊 坤

(1.商丘市氣象局，河南 商丘 476000；2.河南省氣候中心，河南 鄭州 450003； 3.周口市氣象局，河南 周口 466000)

中國近百年冬季氣溫變化與全球變暖趨勢大致相似，但地域特征明顯[1～3]。商丘市位于豫東黃淮平原腹地，是河南糧食生產(chǎn)核心區(qū)，冬季氣候變化對冬小麥越冬期影響較大。王春娟[4]、白曉英[5]等研究冬小麥生長發(fā)育對氣候變暖的響應(yīng)，提出越冬后冬小麥生育期普遍提前；何可杰等[6]、張向榮[7]分析了寶雞市糧食產(chǎn)量與氣候條件關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣候變暖使農(nóng)業(yè)產(chǎn)量波動變大。王凌[8]、陳峪[9]等對中國、林昕等[10]對福建、魯佩等[11]對陜甘寧的暖冬特征進(jìn)行研究。焦建麗[12]對河南冬季氣溫特征進(jìn)行研究，1998年劉軍臣等[13]對河南暖冬進(jìn)行研究，余衛(wèi)東等2008年研究河南極端溫度事件變化中提出河南暖冬趨勢顯著[14]，張?jiān)葡糩15]對商丘市冬季氣溫變暖進(jìn)行研究。已開展的研究多是對暖冬特征的分析，對其影響研究甚少；有關(guān)商丘市暖冬對冬小麥生育期及產(chǎn)量影響的研究尚未開展，不利科學(xué)認(rèn)知冬季氣溫變化對冬小麥的影響。利用商丘市8個(gè)氣象觀測站1961-2020年的冬季氣溫資料，利用氣候傾向率方法、閾值確定、產(chǎn)量分析等方法，在更長時(shí)間尺度上對商丘市冬季氣溫變化、暖冬事件時(shí)空變化特征、及其對冬小麥生育期和產(chǎn)量的影響，做進(jìn)一步深入研究，為合理利用氣候資源和應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及資料來源

選取商丘市所轄民權(quán)、睢縣、寧陵、柘城、虞城、夏邑、商丘、永城8個(gè)氣象觀測站1960年12月至2020年2月的氣溫資料，常年值按照世界氣象組織規(guī)定使用1981-2010年的平均值。冬季時(shí)段為上年12月至當(dāng)年2月(如2020年冬季為2019年12月至2020年2月)。平均值指8個(gè)站點(diǎn)同一時(shí)間數(shù)據(jù)的平均值。冬季平均氣溫距平即冬季平均氣溫與其氣候平均值之差。

1.2 研究方法

(一)氣候要素的年際變化趨勢采用氣候傾向率方法[16]，通過顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)進(jìn)行判斷。

y=a0+a1t

(1)

式(1)中，y為氣象要素的擬合值，t為時(shí)間(1961-2020年)，a0為常數(shù)項(xiàng)，a1為線性趨勢項(xiàng)，把a(bǔ)1x10年稱為每10 a的變化趨勢。

(二)依據(jù)中國國家標(biāo)準(zhǔn)《暖冬等級》對暖冬事件進(jìn)行定義和劃分[17]。根據(jù)發(fā)生范圍可分為單站暖冬和區(qū)域暖冬，單站暖冬即單站冬季平均氣溫距平(△T)大于或等于某一閾值；劃分為強(qiáng)和弱兩個(gè)等級，△T≥ 1.29σ為單站強(qiáng)暖冬， 0.43σ≤△T<1.29σ為單站弱暖冬。

(2)

(3)

區(qū)域范圍內(nèi)強(qiáng)暖冬站點(diǎn)數(shù)超過暖冬站點(diǎn)數(shù)的50%，定義為區(qū)域強(qiáng)暖冬，否則為區(qū)域弱暖冬。商丘市區(qū)域性暖冬定義：在區(qū)域暖冬年有4個(gè)站或以上出現(xiàn)強(qiáng)暖冬，則記為一個(gè)區(qū)域強(qiáng)暖冬事件；否則記為區(qū)域弱暖冬事件。

(三)一般農(nóng)作物產(chǎn)量可分解為三個(gè)部分，即趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)產(chǎn)量，表達(dá)式如下：

Y=Yt+Yw+△Y

(4)

式(4)中，Y是實(shí)際產(chǎn)量，Yt和Yw分別是趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，△Y為隨機(jī)產(chǎn)量，一般可忽略不計(jì)。

滑動平均法、柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)、曲線多項(xiàng)式等模擬方法被用來分離趨勢產(chǎn)量，筆者研究分別使用分段滑動平均法、五年滑動平均法和三次多項(xiàng)式擬合趨勢產(chǎn)量。國內(nèi)常采用五年滑動模擬法[18]，但該方法會損失樣本序列數(shù)；分段滑動模擬法優(yōu)勢在于不需要提前判斷產(chǎn)量歷史演變的曲線類型，也不會損失樣本序列數(shù)[19]。由滑動平均可得出歷年趨勢產(chǎn)量，則相對氣象產(chǎn)量為：

(5)

筆者利用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)分析，利用Matlab2014繪制相關(guān)要素的時(shí)間序列圖，利用ArcGIS10.0的反距離權(quán)重法(IDW)進(jìn)行空間差值繪制空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季各月平均氣溫、平均最高、最低氣溫特征

冬季各月平均氣溫均呈顯著上升趨勢，其中2月升溫最快為0.568℃·10a-1(P<0.001)， 1月和12月升溫速率分別為0.31℃·10a-1(P<0.001)和0.284℃·10a-1(P<0.01)。2月氣溫的上升對冬季變暖的貢獻(xiàn)最大(圖2)。冬季各月平均最低氣溫均呈現(xiàn)顯著升溫趨勢，其氣候傾向率排列順序?yàn)?月(0.653℃·10a-1)>1月(0.438℃·10a-1)>12月(0.363℃·10a-1)；月平均最高氣溫2月以0.449℃·10a-1呈明顯上升趨勢(P<0.05)，12月和1月升溫趨勢不明顯(表1)。

表1 商丘市1961—2020年冬季各月氣溫氣候傾向率及相關(guān)系數(shù)

2.2 冬季平均氣溫變化年際和年代際特征

商丘市1961-2020年冬季平均氣溫氣候傾向率為0.38℃·10a-1(P<0.001)，增溫趨勢顯著，高于全省平均0.32℃·10a-1(1961-2019年)[20]。從年代上來看，冬季平均氣溫呈明顯上升趨勢。20世紀(jì)90年代前，冬季平均氣溫多低于氣候平均值，90年代后，冬季平均氣溫多高于氣候平均值，尤其是21世紀(jì)10年代。從60年代最低0.6℃，上升到70年代1.1℃，70年代與80年代相近，90年代之后氣溫大幅度上升，之后緩慢上升，年代際最低與最高相差1.9℃(圖3)。冬季平均最高氣溫、平均最低氣溫均呈上升趨勢，其中平均最高氣溫增加趨勢較平緩、其氣候傾向率為0.20℃·10 a-1；平均最低氣溫升溫趨勢極為顯著，氣候傾向率為0.48℃·10a-1(P<0.001)(圖4)。由此可知商丘市冬季變暖主要表現(xiàn)為冬季最低氣溫的升高。

從空間上來看，各站點(diǎn)冬季平均氣溫氣候傾向率在0.30～0.53℃·10a-1，東南部永城升溫趨勢最顯著，其氣候傾向率為0.53℃·10a-1；中部虞城升溫速率最小，其氣候傾向率為0.30℃·10a-1；其他地區(qū)升溫趨勢居中(圖5)。

2.3 暖冬事件特征

2.3.1 單站暖冬特征 商丘市1961-2020年單站暖冬出現(xiàn)總站次氣候傾向率為0.93站次·10 a-1，呈極顯著上升趨勢(圖6)。平均每年出現(xiàn)2.2站次，最多年出現(xiàn)8站次。單站暖冬共發(fā)生21 a，發(fā)生頻率為35%，各站累計(jì)134站次，主要發(fā)生在1991年以后，占總次數(shù)的86%。單站強(qiáng)暖冬共發(fā)生11年，發(fā)生頻率為18%。各站累計(jì)65年次，發(fā)生頻率為14%，全部發(fā)生在1999年之后)。

暖冬發(fā)生頻率空間為各站出現(xiàn)暖冬的年份睢縣、虞城、寧陵、柘城較多，各發(fā)生18 a，永城最少14 a，出現(xiàn)頻率為23%～30%。單站強(qiáng)暖冬以民權(quán)、寧陵、永城最多，各發(fā)生9 a，夏邑最少發(fā)生6 a，發(fā)生頻率為10%～15%。

2.3.2 區(qū)域暖冬特征 商丘市1961-2020年區(qū)域暖冬事件出現(xiàn)年數(shù)以0.11次·10a-1呈上升趨勢。區(qū)域暖冬共出現(xiàn)18年，占暖冬發(fā)生年的86%，主要在1991年后，占總次數(shù)的83%。區(qū)域暖冬發(fā)生年中，單站暖冬出現(xiàn)4～5站的有2 a，占區(qū)域暖冬發(fā)生年的11%，6～7站的有7 a占區(qū)域暖冬發(fā)生年的39%，8站全部出現(xiàn)的有9 a占區(qū)域暖冬發(fā)生年的50%。在區(qū)域暖冬發(fā)生年中，單站暖冬出現(xiàn)年數(shù)以睢縣、民權(quán)、寧陵、柘城最多各17 a，虞城16 a，商丘、夏邑各14 a，永城最少13 a。區(qū)域暖冬年代變化為2011-2020年最多(出現(xiàn)6 a)，2001-2010年次多(出現(xiàn)5 a)，90年代出現(xiàn)4 a，70年代出現(xiàn)1 a，60年代出現(xiàn)2 a。

區(qū)域強(qiáng)暖冬共出現(xiàn)9 a，占區(qū)域暖冬年的50%。在區(qū)域強(qiáng)暖冬發(fā)生年中，民權(quán)、寧陵都出現(xiàn)了單站強(qiáng)暖冬；夏邑最少，出現(xiàn)6年。2004、2017、2020年強(qiáng)暖冬出現(xiàn)范圍最廣，8站點(diǎn)均達(dá)到單站強(qiáng)暖冬指標(biāo)；2020年冬季平均氣溫最高，達(dá)3.9℃，較常年值偏高2.3℃，為建站以來最暖的冬季。

2.4 冬季氣溫對冬小麥生長發(fā)育的影響

商丘市1961-2020年冬小麥越冬期呈推遲趨勢，尤其是1995年以后推遲趨勢明顯，每10 a推遲2.4 d，且年際變化較大；返青期呈推遲趨勢，變化趨勢不明顯(圖7)。12月份氣溫與越冬期相關(guān)性較大，尤其是月平均最低氣溫、月平均氣溫，相關(guān)性分別為0.405、0.428(P<0.01)。返青期與2月平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫均顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.545、-0.469、-0.560(P<0.01)。2月平均最高氣溫、平均最高氣溫、平均氣溫與越冬-返青期負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.325、-0.332、-0.380(P<0.05)。2月平均最高氣溫與相對氣象產(chǎn)量正相關(guān)(P<0.05)，12月與相對氣象產(chǎn)量負(fù)相關(guān)，但相關(guān)不明顯(表2)。

表2 商丘冬季各月氣溫與冬小麥冬季發(fā)育期、理論產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

(1)商丘市1961-2020年冬季平均氣溫以0.38℃·10 a-1呈顯著增加趨勢；2月份氣溫的上升趨勢最明顯，對冬季變暖的貢獻(xiàn)最大；冬季變暖主要表現(xiàn)為最低氣溫的升高；2020年冬季平均氣溫最高為建站以來最暖的冬季。

(2)商丘市1991年以后，暖冬事件明顯增多，是全球變暖和極端氣候事件頻發(fā)的表現(xiàn)之一。以區(qū)域暖冬為主，8站全部出現(xiàn)的占區(qū)域暖冬發(fā)生年的50%，6～7站占39%，4～5站占11%，其原因是商丘市地處豫東平原，氣流暢通。區(qū)域暖冬以0.11次·10 a-1呈上升趨勢。暖冬氣溫偏高使部分冬小麥在冬季未停止生長，抗寒能力降低，易受春季“倒春寒”的危害。農(nóng)業(yè)上應(yīng)適應(yīng)氣候變化，減輕冬季變暖的不利影響。

(3)商丘市1961-2020年冬小麥越冬期和返青期呈推遲趨勢，越冬期推遲趨勢明顯；這與冬季氣溫升高和暖冬事件有一定聯(lián)系。越冬期主要受12月平均最高氣溫和最低氣溫影響。2月氣溫是影響越冬-返青期歷時(shí)的主要因素，其次是12月氣溫。2月平均最高氣溫對冬小麥相對氣象產(chǎn)量影響最明顯。