基于多因子關(guān)聯(lián)的冬小麥晚霜凍害分析—以河南省為例*

朱虹暉，武永峰，宋吉青，杜克明

?

基于多因子關(guān)聯(lián)的冬小麥晚霜凍害分析—以河南省為例*

朱虹暉，武永峰**，宋吉青**，杜克明

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

為探究河南省冬小麥實(shí)際晚霜凍害發(fā)生的氣象條件，選取1964-2014年1-3月SPI和1月1日-霜凍日有效溫度之和的距平值為前期水分和熱量因子，氣溫日較差距平、日照時(shí)數(shù)距平、平均相對濕度距平、霜凍日與前一日最低氣溫差距平為凍害發(fā)生時(shí)氣象因子，將實(shí)際霜凍與氣象霜凍進(jìn)行比較，研究不同氣象因子間的相關(guān)性，并對不同程度凍害進(jìn)行K-mean聚類分析。結(jié)果表明，1964-2014年河南省氣象凍害發(fā)生頻率（0.64）高于實(shí)際凍害發(fā)生頻率（0.52）。氣溫日較差距平與日照時(shí)數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。凍害發(fā)生前期氣象因子聚類分析結(jié)果表明，輕度實(shí)際凍害發(fā)生前期水分條件較弱、熱量條件充足（占比83.33%）；重度實(shí)際凍害發(fā)生前期水分條件較弱、熱量條件較缺乏（占比64.3%）。凍害發(fā)生時(shí)氣象因子聚類分析結(jié)果表明，輕度實(shí)際凍害發(fā)生當(dāng)日干燥，霜凍日與前一日最低氣溫差較大、氣溫下降幅度大且日照時(shí)數(shù)偏長（占比61.11%）；重度實(shí)際凍害發(fā)生當(dāng)日偏濕潤、霜凍日與前一日最低氣溫差較大、氣溫下降幅度偏小且日照時(shí)數(shù)偏短（占比71.42%）。研究結(jié)果說明實(shí)際凍害與氣象凍害存在明顯差異，氣象因子間相互關(guān)聯(lián)共同影響凍害發(fā)生。實(shí)際凍害形成與前期水分條件不足有關(guān)；輕度實(shí)際凍害多為輻射型凍害，而重度實(shí)際凍害多為混合型凍害。

冬小麥；晚霜凍害；氣象因子；相關(guān)性分析；聚類分析

中國黃淮麥區(qū)氣候復(fù)雜多變，農(nóng)業(yè)災(zāi)害頻發(fā)，晚霜凍害是主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一[1]。冬小麥于春季進(jìn)入拔節(jié)期后，如果氣溫驟降使植株體溫降到結(jié)凍臨界溫度或以下，會造成植株葉片凍枯、幼穗凍死等癥狀[2]，稱之為晚霜凍害。晚霜凍害會危及冬小麥正常生長并導(dǎo)致產(chǎn)量嚴(yán)重下降。研究冬小麥晚霜凍害與氣象因子的關(guān)聯(lián)性，可為提高晚霜凍害預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性提供理論依據(jù)，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的。

冬小麥晚霜凍害嚴(yán)重地區(qū)可減產(chǎn)60%～70%，且其重發(fā)區(qū)和多發(fā)區(qū)主要分布在黃淮麥區(qū)[3]。河南省身處黃淮區(qū)域中心，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥。近年來冬小麥晚霜凍害發(fā)生頻率雖然有所降低，但受災(zāi)程度加深[4]。根據(jù)前人研究結(jié)果，冬小麥晚霜凍害主要受生育期影響[5]。冬小麥返青后，隨著發(fā)育期的推進(jìn)，其霜凍敏感性提高[6]，此時(shí)低溫異常將使晚霜凍害的發(fā)生概率大大增加。國內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，葉溫是最能準(zhǔn)確表征冬小麥晚霜凍害的指標(biāo)[7]。但農(nóng)田尺度下植株葉溫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)較難得到，因而無法應(yīng)用到農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中。由此，基于最低氣溫及最低葉面溫度的關(guān)系而制定的冬小麥晚霜凍害氣象指標(biāo)[8]應(yīng)用更加廣泛。實(shí)際上，晚霜凍害除了與最低氣溫有關(guān)，還與日照、空氣濕度等多種因子相關(guān)，是各種氣象因子綜合影響的結(jié)果[9]。此外，國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，晚霜凍害與小麥植株抗寒能力、植株在農(nóng)田中的位置、凍結(jié)溫度持續(xù)時(shí)長等因素也有密切關(guān)系[10]。

自然霜凍發(fā)生原因復(fù)雜，目前國內(nèi)外大部分學(xué)者在分析晚霜凍害影響因子時(shí)，多著眼于模式研究或某次典型晚霜凍害事件[11]，關(guān)注多年尺度下不同凍害程度與凍前、凍時(shí)氣象因子的關(guān)聯(lián)性及規(guī)律研究卻較為缺乏。本文選擇晚霜凍害頻發(fā)的河南省作為研究區(qū)域，以統(tǒng)計(jì)年鑒收錄的霜凍事件作為實(shí)際凍害的評判手段，從實(shí)際凍害與氣象指標(biāo)評估凍害的差異性出發(fā)，以探究不同氣象因子與晚霜凍害的關(guān)聯(lián)規(guī)律。以期厘清與不同凍害程度相關(guān)聯(lián)的氣象條件，為構(gòu)建更加客觀、準(zhǔn)確的氣象評估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)體系提供依據(jù)，從而使晚霜凍害評估結(jié)果更加符合農(nóng)田實(shí)際。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局，采用河南省17個(gè)氣象臺站1964-2014年逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時(shí)數(shù)等。其中，平均氣溫用于推算冬小麥生長發(fā)育期及有效溫度；最高氣溫和最低氣溫用于計(jì)算氣溫日較差以及評估氣象晚霜凍害；降水量用于計(jì)算SPI值。對于逐日氣象資料的少量缺測日，使用多年有效平均值代替。冬小麥生育期資料，來自與河南省氣象站對應(yīng)的13個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測站1992-2009年的觀測資料，其中缺測值用河南省冬小麥生育期多年平均日期代替。冬小麥晚霜凍害統(tǒng)計(jì)資料來源于《中國氣象災(zāi)害大典·河南卷》和《中國氣象災(zāi)害年鑒》。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象因子選取

本文從凍害發(fā)生前期和發(fā)生時(shí)兩個(gè)時(shí)段的氣象條件入手，在選取降水、氣溫、相對濕度和日照時(shí)數(shù)等基本氣象要素的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建1月1日-霜凍日有效溫度之和距平、1-3月SPI、氣溫日較差距平、日照時(shí)數(shù)距平、日均相對濕度距平，以及霜凍日與前一日最低氣溫差距平作為影響晚霜凍害及其程度的待選氣象因子。其中，（1）1月1日-霜凍日有效溫度之和距平（EATA）代表當(dāng)年霜凍發(fā)生前的熱量條件，作為前期熱量因子；（2）1-3月SPI值（SPI），代表當(dāng)年霜凍發(fā)生前的水分條件，作為前期水分因子；（3）氣溫日較差距平（DRA），反映霜凍發(fā)生當(dāng)日氣溫下降幅度；（4）日照時(shí)數(shù)距平（SDA），反映霜凍發(fā)生當(dāng)日天氣晴朗狀況；（5）平均相對濕度距平（AHA），反映當(dāng)天空氣干燥或濕潤程度；（6）霜凍當(dāng)日與前一日最低氣溫差距平（MTDA），反映兩日天氣背景變化的劇烈程度。

1.2.2 氣象因子計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）為中國氣象局推薦的干旱分析指標(biāo)[12]，該方法基于月尺度以上降水量，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率劃分干旱等級[13]。SPI假設(shè)月降水量符合Γ分布，后將符合Γ分布的降水量進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理[14]，其計(jì)算式為[15]

式中，c0、c1、c2和d1、d2、d3為Γ分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為累積頻率簡化近似求解公式的參數(shù)[16]，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

H(x)為降水的累積概率，即

式中，q為無降水的概率；0＜H(x)≤0.5表示干旱，0.5＜H(x)＜1表示濕潤。Γ函數(shù)的密度積分G(x)為

氣溫日較差為日最高氣溫與日最低氣溫的差值。霜凍當(dāng)日與前一日最低氣溫差，為霜凍發(fā)生前一日的最低氣溫與霜凍發(fā)生當(dāng)日最低氣溫的差值。冬小麥生長發(fā)育有效溫度之和的計(jì)算見式（5）和式（6）。本研究對有效溫度之和、氣溫日較差、日照時(shí)數(shù)、平均相對濕度、霜凍日與前一日最低氣溫差進(jìn)行距平處理，即當(dāng)日值與對應(yīng)日期50a均值之差。

1.2.3 冬小麥生長發(fā)育期的推算

河南省內(nèi)17個(gè)氣象站中有4個(gè)站點(diǎn)由于無對應(yīng)的農(nóng)業(yè)氣象站，缺少冬小麥生長發(fā)育期起止日期數(shù)據(jù)，其余14個(gè)氣象站缺少1964-1991年、2010-2014年的冬小麥生長發(fā)育起止日期數(shù)據(jù)。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，參考前人根據(jù)積溫學(xué)說的理論推算冬小麥生長發(fā)育期的方法[17]，對缺少生長發(fā)育期起止日期的站點(diǎn)及年份進(jìn)行推算。參考文獻(xiàn)[18]，首先根據(jù)已知的河南省13個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站1992-2009年冬小麥生育期的觀測資料，提取各站點(diǎn)每年各生育期起始、結(jié)束日期，并統(tǒng)計(jì)各站每年冬小麥生長發(fā)育各個(gè)時(shí)期所需有效溫度之和。日有效溫度Ai的計(jì)算式為[19]

式中，Td是日平均氣溫；Th是植物生長的上限溫度，取30℃；T0是植物生長的下限溫度，取2.5℃[20]。某個(gè)階段有效溫度之和A為

式中，N1為階段起始日期，N2為階段終止日期。

冬小麥返青期計(jì)算，則根據(jù)返青氣象指標(biāo)，5日滑動平均氣溫通過0℃的初日為冬小麥的返青日期。

1.2.4 基于現(xiàn)行氣象標(biāo)準(zhǔn)的晚霜凍害評估

氣象凍害參照河南省小麥高穩(wěn)優(yōu)低研究推廣協(xié)作組制定的《冬小麥拔節(jié)期的霜凍指標(biāo)》[18]，基于最低氣溫對晚霜凍害及其程度進(jìn)行評估，具體見表1。

表1 冬小麥拔節(jié)期霜凍害的氣象指標(biāo)

1.2.5 實(shí)際晚霜凍害統(tǒng)計(jì)

實(shí)際凍害參照《中國氣象災(zāi)害大典》和《中國氣象災(zāi)害年鑒》中記載的資料，基于實(shí)際災(zāi)情統(tǒng)計(jì)資料對晚霜凍害發(fā)生日期、地點(diǎn)及其輕重等級進(jìn)行歸納記錄。

1.2.6 相關(guān)分析及聚類分析

使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算不同因子與實(shí)際凍害最低氣溫之間的Pearson相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，使用SPSS軟件K-means聚類法，以氣象因子作為聚類因子，對實(shí)際凍害樣本進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)際凍害發(fā)生次數(shù)與氣象凍害發(fā)生次數(shù)的比較

根據(jù)推算結(jié)果，河南省冬小麥進(jìn)入返青與拔節(jié)的平均日期分別為2月14日和3月25日，對應(yīng)的多年平均有效溫度之和分別為252.1℃和347.0℃。在確定各年所有站點(diǎn)冬小麥拔節(jié)開始日期的基礎(chǔ)上，參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，利用最低氣溫對每個(gè)站點(diǎn)的晚霜凍害進(jìn)行評估。如果單站點(diǎn)一日或連續(xù)一日以上出現(xiàn)霜凍害，則作為一個(gè)氣象霜凍事件，由此統(tǒng)計(jì)出1964-2014年河南省17站共有248個(gè)氣象霜凍事件；同時(shí)根據(jù)年鑒記錄的河南省各地霜凍日期、地點(diǎn)、受災(zāi)程度以及持續(xù)時(shí)間，收集、整理所對應(yīng)的氣象站點(diǎn)的實(shí)際凍害情況，統(tǒng)計(jì)得出82個(gè)實(shí)際凍害事件。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)河南全省50a間的霜凍發(fā)生次數(shù)。如果同一年多站點(diǎn)在同一時(shí)期均出現(xiàn)霜凍害，則認(rèn)為該年這些站點(diǎn)間只發(fā)生1次霜凍。據(jù)此比較1964-2014年河南全省氣象霜凍與實(shí)際霜凍次數(shù)（圖1）。由圖1可以看出，冬小麥拔節(jié)期氣象霜凍發(fā)生次數(shù)與同期實(shí)際霜凍發(fā)生次數(shù)存在明顯差異。總體上，50a間發(fā)生氣象晚霜凍年份有32個(gè)，占比為64.0%；而實(shí)際霜凍年份共有26個(gè)，占比為52.0%。可見，發(fā)生氣象霜凍的頻率高于實(shí)際霜凍頻率。在兩個(gè)系列中，“有凍害”或“無凍害”完全一致的年份共29個(gè)，占58.0%；年份吻合但霜凍發(fā)生具體日期或者地點(diǎn)不吻合的情況占實(shí)際災(zāi)情總樣本量的56.3%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氣象霜凍與實(shí)際霜凍不吻合的情況在20世紀(jì)80年代前較為突出，80年代后吻合度有所提高。1964-1980年發(fā)生氣象霜凍的年份有13個(gè)（占比76.5%），而實(shí)際霜凍年份僅4個(gè)（占比23.5%），氣象霜凍頻率明顯高于實(shí)際霜凍頻率；兩個(gè)系列“有凍害”或“無凍害”完全一致的年份僅3個(gè)（占比17.6%），吻合度較低。1981-2014年兩個(gè)系列“有凍害”或“無凍害”完全一致的年份有25個(gè)（占比75.8%），可見，1981年后二者吻合度明顯提高。但兩個(gè)系列在具體年份的霜凍次數(shù)均一致的年份僅15個(gè)（占比45.5%），說明80年代后氣象霜凍與實(shí)際霜凍的年內(nèi)差異性仍然較為明顯。

圖1 河南全省范圍歷年實(shí)際統(tǒng)計(jì)的晚霜凍害次數(shù)和由氣象指標(biāo)推算的晚霜凍次數(shù)的變化（1964-2014年）

注：氣象霜凍是指由冬小麥拔節(jié)期霜凍害的氣象指標(biāo)評估所得，實(shí)際霜凍是由歷史資料記錄并統(tǒng)計(jì)所得

Note：Meteorology frost represents the frost events judged by frost index. The actual frost is recorded and collected by historical records

50a間氣象霜凍和實(shí)際霜凍累積發(fā)生次數(shù)空間分布圖（圖2）表明，河南省大部分站點(diǎn)發(fā)生氣象霜凍次數(shù)多于實(shí)際霜凍次數(shù)，說明發(fā)生氣象霜凍并不一定會形成實(shí)際霜凍，而且站點(diǎn)間存在明顯的空間差異。氣象霜凍相對高發(fā)區(qū)為豫西、豫中地區(qū)，盧氏與寶豐兩站氣象霜凍50a累積發(fā)生次數(shù)甚至高達(dá)26次（圖2a）；實(shí)際霜凍相對高發(fā)區(qū)為豫東和豫北地區(qū)，其中商丘50a間發(fā)生實(shí)際霜凍次數(shù)最多，有15次。

圖2 各站1964-2014年氣象霜凍事件（a）和實(shí)際霜凍事件（b）累計(jì)次數(shù)

2.2 氣象因子指標(biāo)間的總體相關(guān)分析

將研究區(qū)1964-2014年248個(gè)氣象霜凍事件與82個(gè)實(shí)際霜凍事件逐一進(jìn)行對比，選取實(shí)際霜凍事件和氣象霜凍事件日期和持續(xù)時(shí)間相同、空間分布和受害程度一致的樣本作為實(shí)際凍害樣本，共32個(gè)?；趯?shí)際凍害樣本，對最低氣溫和其它氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析，如表2所示。由表可見，輕度實(shí)際凍害的最低氣溫與平均相對濕度距平（AHA）、氣溫日較差距平（DRA）和日照時(shí)數(shù)距平（SDA）的相關(guān)系數(shù)均通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。最低氣溫越低，AHA越小，DRA和SDA越大。而重度實(shí)際霜凍日的最低氣溫與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)皆未通過顯著性檢驗(yàn)，可能是因?yàn)橛绊懼囟葍龊Φ臍庀笠蜃幼兓鼮閺?fù)雜，除最低氣溫外，其它因子的影響權(quán)重明顯提高，因而僅僅依靠最低氣溫來評判重度凍害的準(zhǔn)確性會降低。因此，有必要對凍害發(fā)生前和發(fā)生時(shí)的氣象因子關(guān)聯(lián)性作進(jìn)一步深入分析與探討。

基于不同等級的實(shí)際凍害樣本，對不同氣象因子之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。由表可見，輕度實(shí)際凍害的凍時(shí)氣象因子DRA與EATA呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.51），DRA與AHA呈負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)-0.57），DRA與1月1日-霜凍日有效溫度之和距平（EATA）呈負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)-0.57，P＜0.05）；SDA與DRA呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.63，P＜0.01）。重度實(shí)際凍害的凍時(shí)氣象因子AHA與EATA呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.55，P＜0.05）；SDA與DRA呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.80，P＜0.01）?？梢?，DRA與SDA關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，兩者共同影響實(shí)際凍害的發(fā)生。重度凍害發(fā)生時(shí)，前期氣象因子EATA越大則凍時(shí)氣象因子AHA越大。輕度實(shí)際凍害發(fā)生時(shí)，前期氣象因子EATA越大則DRA越大，DRA越大則AHA越大，DRA越大則MTDA越大。

表2 不同等級實(shí)際凍害樣本中最低氣溫與其它氣象因子的相關(guān)系數(shù)

注：SPI為1-3月SPI值，EATA為1月1日-霜凍日有效溫度之和距平，AHA為平均相對濕度距平，MTDA為霜凍當(dāng)日與前一日最低氣溫差距平，DRA為氣溫日較差距平，SDA為日照時(shí)數(shù)距平。*、**分別表示相關(guān)系數(shù)通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。下同。

Note：The SPI value is calculated by datum from January to March. EATA is the sum effective accumulated temperature anomaly from 1st January to frost day. AHA is average relative humidity anomaly. MTDA is the difference minimum temperature of the frost day and its last day. DRA is daily range anomaly. SDA is sunshine duration anomaly.*is P＜0.05,**is P＜0.01. The same as below.

表3 不同等級實(shí)際凍害樣本中各氣象因子間的相關(guān)系數(shù)

2.3 晚霜凍害發(fā)生前氣象因子的關(guān)聯(lián)分析

統(tǒng)計(jì)不同等級實(shí)際凍害樣本對應(yīng)的1-3月SPI值（標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)）和EATA（1月1日-霜凍日有效溫度之和距平），繪制相應(yīng)的散點(diǎn)圖，結(jié)果見圖3。圖中第Ⅰ象限表示EATA和1-3月SPI值均為正數(shù)，代表霜凍發(fā)生前期熱量條件與水分條件皆充足；第Ⅱ象限表示EATA為正數(shù)，1-3月SPI值為負(fù)數(shù)，即霜凍發(fā)生前期水分條件欠缺但熱量條件充足；第Ⅲ象限表示EATA和1-3月SPI值均為負(fù)數(shù)，即霜凍發(fā)生前期熱量條件與水分條件均欠缺；第Ⅳ象限表示EATA為負(fù)數(shù)，1-3月SPI值為正數(shù)，即霜凍發(fā)生前期水分條件充足但熱量條件欠缺。

圖3 不同級別實(shí)際凍害樣本對應(yīng)的EATA（1月1日-霜凍日有效溫度之和距平）與1-3月SPI值間的關(guān)系

由圖可以看出，實(shí)際凍害樣本在第Ⅱ象限的落點(diǎn)最多，且輕度實(shí)際凍害樣本落點(diǎn)分布形態(tài)與重度實(shí)際凍害不同。輕度實(shí)際凍害樣本在第Ⅲ、Ⅳ象限的落點(diǎn)較少，絕大部分落點(diǎn)在EATA正值區(qū)域，對應(yīng)的SPI值則無明顯分布規(guī)律，推測輕度實(shí)際凍害主要受前期熱量條件影響，水分條件的變化對輕度實(shí)際晚霜凍害的影響不大。重度實(shí)際凍害樣本則大部分分布在SPI值為-1.0～0的負(fù)值區(qū)，僅個(gè)別重度實(shí)際凍害樣本落點(diǎn)在SPI的正值區(qū)域，對應(yīng)的EATA值無明顯分布趨勢，推斷重度實(shí)際凍害主要受前期干旱氣象條件影響，而對熱量條件變化不敏感?？梢?，1-3月SPI與EATA對輕度實(shí)際凍害和重度實(shí)際凍害的影響存在明顯差異。

2.4 晚霜凍害發(fā)生時(shí)氣象因子的關(guān)聯(lián)分析

圖4是不同等級實(shí)際凍害樣本的凍時(shí)氣象因子散點(diǎn)圖，由圖4a可知，輕度實(shí)際凍害樣本大部分對應(yīng)的DRA為正值，說明當(dāng)日最高氣溫與最低氣溫差異常偏大與輕度實(shí)際凍害的形成密切相關(guān)。14個(gè)重度實(shí)際凍害樣本中有9個(gè)對應(yīng)的DRA為負(fù)值（占比64.3%），5個(gè)為正值（35.7%），推測重度實(shí)際凍害受日最高氣溫與最低氣溫差異常偏小的影響更大。在圖4b中，輕度實(shí)際凍害樣本大部分對應(yīng)的SDA為正值，說明當(dāng)日日照時(shí)數(shù)異常偏大與輕度實(shí)際凍害形成有密切關(guān)聯(lián)性。SDA為負(fù)值的重度實(shí)際凍害樣本中有9個(gè)對應(yīng)的DRA為負(fù)值（占比64.3%），有5個(gè)為正值（占比35.7%），推測重度實(shí)際凍害受日照時(shí)數(shù)異常偏小的影響更大。對比圖4a和圖4b發(fā)現(xiàn)，實(shí)際凍害樣本的SDA與DRA散點(diǎn)圖極為相似。絕大部分DRA正值點(diǎn)都對應(yīng)SDA正值點(diǎn)，負(fù)值DRA與負(fù)值SDA對應(yīng)，表明DRA與SDA兩個(gè)凍時(shí)氣象因子間在影響晚霜凍害時(shí)的高度一致性。由圖4c可以看出，大部分輕度實(shí)際凍害樣本的AHA為負(fù)值，說明輕度實(shí)際凍害主要受當(dāng)日平均相對濕度異常偏小的影響。重度實(shí)際凍害樣本則有76.9%的AHA落點(diǎn)為正值，推斷重度實(shí)際凍害與平均相對濕度偏大更為相關(guān)。圖4d表明，無論是輕度還是重度凍害，幾乎所有實(shí)際凍害樣本的MTDA都為正值，表明實(shí)際凍害明顯受MTDA異常偏大的影響，不同凍害等級均與MTDA保持了一致的關(guān)聯(lián)性。

Sq：商丘Shangqiu；xc：許昌Xuchang；xh：西華Xihua；lz：欒州Luanzhou；mj：孟津Mengjin；ny：南陽Nanyang；xy：信陽Xinyang；ls：盧氏Lushi；zmd：駐馬店Zhumadian；xx：新鄉(xiāng)Xinxiang；bf：寶豐Baofeng；zz：鄭州Zhengzhou；-80-414：1980-04-14，其余日期格式同The same as other dates

注：各圖左側(cè)白色區(qū)表示輕度霜凍發(fā)生，右側(cè)陰影區(qū)表示重度發(fā)生

Note：The left side of the map means mild frosts, the shadow area in right side means severe frosts

綜合以上分析可以看出，在輕度凍害條件下，幾乎所有樣本的DRA、SDA和MTDA均為正值，而AHA為負(fù)值，據(jù)此推斷輕度凍害發(fā)生時(shí)天氣晴好，空氣干燥，夜間出現(xiàn)降溫過程，這符合輻射性霜凍的特征；在重度凍害條件下，大部分樣本的DRA、SDA為負(fù)值，大部分樣本的AHA和幾乎所有樣本的MTDA為正值，推斷重度凍害發(fā)生前出現(xiàn)了劇烈的天氣變化，并伴隨有云、雨或大風(fēng)過程，凍害當(dāng)晚天氣變好并出現(xiàn)明顯降溫現(xiàn)象，這符合混合型霜凍的特征。

2.5 氣象因子聚類分析

分析推測表明，輕度實(shí)際凍害與重度實(shí)際凍害對應(yīng)的氣象條件有所差異，因此，分別對輕度實(shí)際凍害樣本、重度實(shí)際凍害樣本的凍時(shí)氣象因子及前期氣象因子進(jìn)行K-mean聚類，設(shè)置聚類類別數(shù)為2，聚類結(jié)果如表4所示。

從前期氣象因子參與聚類情況來看，輕度實(shí)際凍害樣本的聚類中心第一類為SPI正值、EATA負(fù)值（占比16.67%），第二類為SPI負(fù)值、EATA為正值（占比83.33%）。說明輕度實(shí)際凍害形成與前期水分條件及熱量條件關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。輕度實(shí)際凍害的前期氣象條件多為輕旱及熱量條件較正常年份充足。重度實(shí)際凍害樣本的聚類中心第一類為SPI負(fù)值、EATA負(fù)值（占比64.3%），第二類為SPI負(fù)值、EATA為正值（占比35.7%）。即100%的重度實(shí)際凍害樣本聚類結(jié)果為SPI負(fù)值。說明重度實(shí)際凍害主要受前期水分條件影響，前期干旱形成重度實(shí)際凍害可能性較大。重度實(shí)際凍害發(fā)生在前期熱量條件較不充足年份的可能性較大，但仍有一定幾率發(fā)生在熱量較充足的年份。

從凍時(shí)氣象因子參與聚類結(jié)果來看，100%的輕度實(shí)際凍害樣本聚類中心顯示MTDA，說明無論輕度實(shí)際凍害還是重度實(shí)際凍害的發(fā)生均與MTDA關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，實(shí)際凍害的發(fā)生受天氣背景變化劇烈影響。輕度實(shí)際凍害樣本第一類（占比61.11%）聚類中心顯示AHA為負(fù)值，SDA和DRA皆為正值。重度實(shí)際凍害樣本第二類（占比71.42%）聚類中心顯示AHA為正值，SDA和DRA皆為負(fù)值。說明AHA、SDA和DRA對輕、重度實(shí)際凍害的影響有差異。輕度實(shí)際凍害的凍時(shí)氣象條件多數(shù)為天氣干燥、氣溫日較差偏大、日照時(shí)數(shù)偏大。重度實(shí)際凍害的凍時(shí)氣象條件多為天氣偏濕潤、氣溫日較差偏小、日照時(shí)數(shù)偏小。

表4 實(shí)際晚霜凍害不同氣象因子聚類信息

（1）氣象霜凍事件與實(shí)際霜凍事件比對后發(fā)現(xiàn)，兩者時(shí)空分布差異性較大。50a間，河南省發(fā)生氣象評估霜凍頻率高于實(shí)際災(zāi)情發(fā)生頻率。河南省1964-2014年氣象凍害高發(fā)地區(qū)與實(shí)際凍害高發(fā)地區(qū)也存在明顯差異，氣象凍害高發(fā)區(qū)集中于河南省中西部地區(qū)，而實(shí)際凍害高發(fā)區(qū)集中于西部和北部地區(qū)。二者存在明顯差異，說明盡管冬小麥拔節(jié)期及最低氣溫達(dá)到氣象晚霜凍標(biāo)準(zhǔn)，但不一定會造成農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[21]，僅憑最低氣溫的單一指標(biāo)準(zhǔn)確性不高，需要多氣象因子引入形成多元?dú)庀笏獌鲋笜?biāo)。

（2）實(shí)際凍害樣本的最低氣溫與不同氣象因子之間的相關(guān)系數(shù)顯示，輕度實(shí)際凍害日最低氣溫主要受凍時(shí)氣象因子影響，霜凍日相對濕度越低、日照時(shí)數(shù)越多、氣溫日較差越大則最低氣溫越低。而重度實(shí)際凍害的最低氣溫受各氣象因子影響較小。說明影響重度凍害的氣象因子變化更為復(fù)雜，除最低氣溫外，其它因子可能會直接影響實(shí)際凍害的形成，因而僅依靠最低氣溫來評判重度凍害的準(zhǔn)確性會降低。

（3）前期氣象因子EATA（1月1日-霜凍日有效溫度之和的距平）會在一定程度上影響凍時(shí)氣象因子，但對輕度實(shí)際凍害和重度實(shí)際凍害的影響情況不同。輕度實(shí)際凍害發(fā)生時(shí)，前期熱量條件越充足，凍時(shí)氣溫日較差越大；重度實(shí)際凍害發(fā)生時(shí)，前期熱量條件越充足，日均相對濕度越大。輕度實(shí)際凍害發(fā)生時(shí)，多個(gè)凍時(shí)氣象因子受DRA（氣溫日較差距平）影響，氣溫日較差越大，日照時(shí)數(shù)越多，日均相對濕度越低，與前一日最低氣溫差越小。重度實(shí)際凍害發(fā)生時(shí)，僅DRA與SDA（日照時(shí)數(shù)距平）相互影響，氣溫日較差越大則日照時(shí)數(shù)越多。氣象因子間的相關(guān)性說明，不同氣象因子對實(shí)際凍害的影響不是簡單的線性關(guān)系，因子間會相互影響進(jìn)而共同影響實(shí)際凍害的形成。

（4）前人研究結(jié)果表明，越冬后溫度偏高會加快冬小麥的生長發(fā)育進(jìn)程，使其提前進(jìn)入拔節(jié)期從而增加晚霜凍害的發(fā)生幾率。同時(shí)季節(jié)尺度、年際尺度的降水和溫度的改變與霜凍發(fā)生頻率及強(qiáng)度有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[22]。因此本研究選取1-3月SPI和EATA作為霜凍發(fā)生的前期氣象因子，研究其與實(shí)際凍害形成的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)聚類分析結(jié)果，前期水分條件（1-3月SPI）與實(shí)際凍害的關(guān)聯(lián)性最明顯。前期水分條件較缺乏的年份，在最低氣溫達(dá)到氣象霜凍指標(biāo)時(shí)，有極大可能形成實(shí)際冬小麥晚霜凍害。若根據(jù)氣象指標(biāo)預(yù)報(bào)有冬小麥晚霜凍害發(fā)生，但該年1-3月水分條件偏充足，則很可能不會發(fā)生實(shí)際凍害。

國外建模研究發(fā)現(xiàn)，澳大利亞偏溫暖的氣候會加速冬小麥的生長，導(dǎo)致春季小麥發(fā)育進(jìn)程提前，增加春季降溫引發(fā)晚霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)[23]。本文通過聚類分析得出，前期熱量條件（EATA）主要影響輕度實(shí)際凍害的形成，前期熱量充足輕度實(shí)際凍害發(fā)生的可能性較大。熱量條件充足對重度實(shí)際凍害形成影響較弱，可能由于重度晚霜凍害主要受凍時(shí)氣象條件影響為主。

（5）聚類結(jié)果表明，輕度實(shí)際凍害多在干燥、當(dāng)日降溫幅度劇烈、日照時(shí)數(shù)偏大、與前一日天氣背景變化劇烈的天氣條件發(fā)生。而日均相對濕度較正常偏低，氣溫日較差、日照時(shí)數(shù)皆偏高時(shí)，多是無云晴朗的天氣。根據(jù)前人研究結(jié)果，輻射型霜凍發(fā)生時(shí)，天氣晴朗，相對濕度低，則氣溫的下降可快速引起小麥植株溫度下降[24]，從而導(dǎo)致霜凍發(fā)生。因此，推測輕度實(shí)際凍害形成多為輻射型晚霜凍害。

（6）聚類結(jié)果顯示，重度實(shí)際凍害多發(fā)生在日均相對濕度較正常年份偏高，氣溫日較差和日照時(shí)數(shù)皆偏低，霜凍日與前一日最低氣溫差較正常年份偏高的凍時(shí)天氣條件下。說明重度實(shí)際凍害發(fā)生在陰天多云天氣的可能性較大。歷史數(shù)據(jù)表明，重霜凍發(fā)生當(dāng)日或前一日有降水的情況較多，這可能是霜凍日較濕潤、日照時(shí)數(shù)較少、降溫幅度不劇烈的原因。根據(jù)前人研究結(jié)果，凍害發(fā)生前氣溫低云量多或低溫連陰雨天氣，而夜間陰轉(zhuǎn)晴輻射散熱強(qiáng)烈導(dǎo)致氣溫繼續(xù)下降，則會形成嚴(yán)重凍害，為混合型晚霜[25]。結(jié)合本文研究結(jié)果可推測，混合型霜凍形成重度實(shí)際凍害的可能性較大。

[1]胡新,任德超,倪永靜,等.冬小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素隨晚霜凍害變化規(guī)律研究[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(5):575-580.

Hu X,Ren D C,Ni Y J,et al.Impacts of late frost on grain yield and its components of winter wheat[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(5):575-580.(in Chinese)

[2]魯坦.1971-2011年河南省冬小麥晚霜凍的特征分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,47(4):393-399.

Lu T.Analysis of the characteristics of the late frost on winter wheat in Henan Province in 1971-2011[J].Journal of Henan Agricultural University,2013,47(4):393-399.(in Chinese)

[3]馮玉香,何維勛,孫忠富,等.我國冬小麥霜凍害的氣候分析[J].作物學(xué)報(bào),1999,25(3):335-340.

Feng Y X,He W X,Sun Z F.et al.Relationship between frost damage and leaf temperature with winter wheat after jointing stage[J].Acta Agronomica Sinica,1999,25(3):335- 340. (in Chinese)

[4]羅新蘭,張彥,孫忠富,等.黃淮平原冬小麥霜凍害時(shí)空分布特點(diǎn)的研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27(18):45-50.

Luo X L,Zhang Y,Sun Z F,et al.Spatial and temporal distribution of winter wheat frost injury in Huanghuai plain[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin,2011,27(18): 45-50.(in Chinese)

[5]楊虎,胡玉萍.霜凍災(zāi)害的研究[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究,2012, 2(1):54-61.

Yang H,Hu Y P.Research on frost disaster[J].Research on Frost Disaster,2012,2(1):54-61.(in Chinese)

[6]Zheng B,Chapman S C,Christopher J T,et al.Frost trends and their estimated impact on yield in the Australian wheatbelt[J]. Journal of Experimental Botany,2015,29(12):171-172.

[7]馮玉香,何維勛.梨花霜害程度與低溫強(qiáng)度的關(guān)系[J].園藝學(xué)報(bào),1998,25(1):23-26.

Feng Y X,He W X.The Relationship between frost injury to pear blossoms and low temperature[J].Acta Horticulturae Sinica,1998,25(1):23-26.(in Chinese)

[8]陶祖文,琚克德.冬小麥霜凍氣象指標(biāo)的探討[J].氣象學(xué)報(bào), 1962(3):23-31.

Tao Z W,Ju K D.Discussion on meteorological index of winter wheat frost[J].Journal of Meteorology,1962(3):23-31. (in Chinese)

[9]錢永蘭,王建林,鄭昌玲,等.近50年華北地區(qū)冬小麥低溫災(zāi)害的時(shí)空演變特征[J].生態(tài)學(xué)雜志,2014,33(12):3245-3253.

Qian Y L,Wang J L,Zheng C L,et a1.Spatial-temporal change of low temperature disaster of winter wheat in North China in last 50 years[J].Chinese Journal of Ecology,2014,33(12): 3245-3253.(in Chinese)

[10]Armoniene? R,Liatukas Z,Brazauskas G.Evaluation of freezing tolerance of winter wheat(L.) under controlled conditions and in the field[J]. Zemdirbyste- agriculture,2013,100(100):417-424.

[11]Barlow K M,Christy B P,O’Leary G J,et al.Simulating the impact of extreme heat and frost events on wheat crop production:a review[J].Field Crops Research,2015,171:109- 119.

[12]中國氣象局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20481-2006 氣象干旱等級[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

China Meteorological Administration.National Standard of People’s Republic of China GB/T 20481-2006:the grade of meteorological drought[S].Beijing:China Standard Press, 2006. (in Chinese)

[13]陳靜,劉洪濱,王艷君,等.華北平原干旱事件特征及農(nóng)業(yè)用地暴露度演變分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(5):587-598.

Chen J,Liu H B,Wang Y J,et a1.Variation of drought characteristics and its agricultural exposure in North China Plain[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(5): 587-598.(in Chinese)

[14]黃晚華,楊曉光,李茂松,等.基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的中國南方季節(jié)性干旱近58a演變特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010, 26(7):50-59.

Huang W H,Yang X G,Li M S,et a1.Evolution characteristics of seasonal drought in the south of China during the past 58 years based on standardized precipitation index[J].Transactions of the CSAE,2010,26(7):50-59.(in Chinese)

[15]Lloyd-Hughes B,Saunders M A.A drought climatology for Europe[J].International Journal of Climatology,2002,22(13): 1571-1592.

[16]周揚(yáng),李寧,吉中會,等.基于SPI指數(shù)的1981-2010年內(nèi)蒙古地區(qū)干旱時(shí)空分布特征[J].自然資源學(xué)報(bào),2013,28(10): 1694-1706.

Zhou Y,Li N,Ji Z H,et a1.Temporal and spatial patterns of droughts based on standard precipitation index(SPI) in Inner Mongolia during 1981-2010[J].Journal of Natural Resource, 2013,28(10):1694-1706.(in Chinese)

[17]張雪芬,鄭有飛,王春乙,等.冬小麥晚霜凍害時(shí)空分布與多時(shí)間尺度變化規(guī)律分析[J].氣象學(xué)報(bào),2009,67(2):321-330.

Zhang X F,Zheng Y F,Wang C Y,et a1.Spatial-temporal distribution and multiple-temporal scale variation analyses of winter wheat late freezing injury[J].Acta Meteorological Sinica,2009,67(2):321-330.(in Chinese)

[18]王馥棠.農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)概論[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1991.

Wang F T.An introduction to agricultural meteorological forecast[M].Beijing:Agricultural Press,1991.(in Chinese)

[19]吳玉潔,葉彩華,姜會飛,等.不同積溫計(jì)算方法作物發(fā)育期模擬效果比較[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,21(10):117-126.

Wu Y J,Ye C H,Jiang H F,et a1.Comparison of the simulation effect of different growing degree-days calculating methods on crop development processes[J].Journal of China Agricultural University,2016,21(10):117-126.(in Chinese)

[20]孫忠富.霜凍災(zāi)害與防御技術(shù)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2001.

Sun Z F.Frost disaster and defense technology[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2001.(in Chinese)

[21]夏權(quán),孫喆,吳芳蓉,等.隴中地區(qū)玉米春霜凍害等級指標(biāo)研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2016,32(31):167-171.

Xia Q,Sun Z,Wu F R,et al.Level indexes of spring frost disasters to corn in central Gansu Province[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2016,32(31):167-171.(in Chinese)

[22]Crimp S,Bakar K S,Kokic P,et al.Bayesian space-time model to analyze frost risk for agriculture in Southeast Australia[J]. International Journal of Climatology,2015,35(8):2092-2108.

[23]Fuller M P,Fuller A M,Kaniouras S,et al.The freezing characteristics of wheat at ear emergence[J].European Journal of Agronomy,2007,26(4):435-441.

[24]Frederiks T M,Christopher J T,Sutherland M W,et al. Post-head-emergence frost in wheat and barley: defining the problem, assessing the damage,and identifying resistance[J]. Journal of Experimental Botany,2015,66(12):3487-3498.

[25]陶云,段旭,任菊章,等.云南極端霜凍氣候事件的氣候特征及環(huán)流背景分析[J].災(zāi)害學(xué),2012,27(2):43-48.

Tao Y,Duan X,Ren J Z,et al.Climatic characteristics of the extreme frostbite climate events over Yunnan and analysis on its circulation background[J].Journal of Catastrophology, 2011,27(2):43-48.(in Chinese)

Analysis to Late Frost Damage for Winter Wheat Based on Meteorological Factors ——Taking Henan Province as an Example

ZHU Hong-hui, WU Yong-feng, SONG Ji-qing, DU Ke-ming

（Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China）

To clarify the meteorological conditions of winter wheat damaged by late frost in Henan Province, SPI and the effective accumulated temperature anomaly were taken as early water and heat factors, and the anomaly value of daily range, mean relative humidity, sunshine duration and the difference minimum temperature of the last and frost day were selected as meteorological factors when freezing. Then comparing actual late frost and index frost, K-means cluster analysis was taken and the correlation coefficients between any of two meteorological factors in different actual frost level was analyzed. The results showed that the frequency of late frost (0.64) by meteorological indices was higher than the frequency of real happened frost (0.52) in Henan province during 1964-2014. There was positive correlation between sunshine duration anomaly and daily range anomaly. The cluster analysis results with meteorological factors in early stage showed 83.3% mild actual frost correspond the weak water condition and the sufficient heat condition, 64.3% severe actual frost corresponded the weak water condition and insufficient heat condition. The cluster analysis also showed that 61.11% of mild frosts happened under dry, greater daily range of temperature, greater sunshine hours and larger difference minimum temperature between last and frost day, while 71.42% of severe frosts happened under wet, less daily range of temperature, less sunshine hours and larger difference minimum temperature between last and frost day. The results indicated that the actual frost damage was obviously different from the meteorological damage, and the correlation between meteorological factors affects the freezing injury. The actual frost was related to the insufficient water condition in the early stage, and mild frosts were more possible to be radiation frost, and most of severe frosts were mixed frost.

Winter wheat; Late frost damage; Meteorological factors; Correlation analysis; Cluster analysis

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.01.007

朱虹暉,武永峰,宋吉青,等.基于多因子關(guān)聯(lián)的冬小麥晚霜凍害分析:以河南省為例[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(1):59-68

2017-05-04

。E-mail：wuyongfeng@caas.cn；songjiqing@caas.cn

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題（2016YFD0300606-3）“基于感知設(shè)備的農(nóng)田傳感網(wǎng)系統(tǒng)”；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（31401280）“基于點(diǎn)面融合的小麥苗情分析方法研究”

朱虹暉（1992-），女，碩士，主要從事冬小麥晚霜凍害研究。E-mail：zhuhh186@126.com