田寶星,于 敏,李浩然,殷世平,紀仰慧,李宇光
(1.黑龍江省氣象科學研究所,黑龍江哈爾濱150030;2.東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,黑龍江哈爾濱150030)
聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第4次評估報告[1]指出,氣候變化會增加農業(yè)生產的不穩(wěn)定性、改變種植布局和結構,并加劇局部地區(qū)農業(yè)氣象災害。黑龍江省是我國最大的商品糧生產基地,糧食產量居全國首位。黑龍江省的糧食產量對于保障全國糧食安全有著重要的意義[2],低溫冷害是主要農業(yè)氣象災害之一,低溫冷害的頻繁發(fā)生導致糧食產量不穩(wěn)定、年際波動大[3];黑龍江省也是我國受氣候變化影響最顯著的地區(qū)之一,1961年以來平均每10年氣溫上升 0.38 ℃,降水量增加 0.49%[4-5]。近年來,全球各類極端天氣事件頻繁發(fā)生,由氣候異常變化引起的農業(yè)損失事件時有發(fā)生[6]。21世紀以來,黑龍江省夏季低溫事件時有發(fā)生,夏季是作物生長的主要時期,氣候具有典型的年際尺度特征,表現(xiàn)為各種氣溫、降水異常及其時間和空間上的持續(xù)維持而造成的氣象災害或極端氣候時間等[7-8],夏季低溫事件影響作物快速生長,使作物生育延遲,并導致不能正常成熟。夏季溫度對糧食產量的影響尤其重要,夏季低溫是東北地區(qū)農業(yè)生產的主要災害性天氣氣候現(xiàn)象[9]。本研究利用黑龍江省1971—2014年80個臺站逐日最低溫度和平均溫度資料,分析該區(qū)近44年來夏季短時段劇烈降溫對糧食產量的影響,因地制宜采取防范措施,對黑龍江省糧食安全具有重要意義。
由圖 1可見,黑龍江省地處中高緯度(121°11'~135°05'E,43°26'~53°33'N),是地球環(huán)境變化速率最大的季風氣候區(qū)。黑龍江省大陸性氣候特征突出,受氣候變化影響明顯,氣溫由東南向西北逐漸降低,南北溫差大,變幅接近10℃。年平均氣溫為 -4.2~5.6℃,年降水量為382~645 mm,生長季降水量約占全年總降水量的80.00%;夏季(6—8月)平均氣溫高,降水量為268~410 mm;冬季(11月至翌年2月)嚴寒漫長,降水量為8~46 mm。地貌主要包括山地(占全省總面積的 25.70%)、丘陵(占全省總面積的35.80%)、平原(占全省總面積的37.00%)。黑龍江省是中國商品糧產量第一大省,耕地土壤主要為黑土、草甸土和黑鈣土,多呈中性或弱堿性,占全省耕地總面積的67.60%,主要農作物包括玉米、水稻、大豆[10-12]。
本研究使用黑龍江省80個臺站1971—2014年逐日氣象觀測數(shù)據,來源為黑龍江省氣象局整編資料。
1.3.1 低溫指數(shù) 低溫指數(shù)[13-14]定義為一年中(或某一時段)至少5 d最低溫度低于該日多年日最低溫度平均值5℃的總天數(shù)。
1.3.2 EOF分析 經驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function,簡稱 EOF)[15-16]是大氣科學研究中分析研究區(qū)某一變量時空變化特性的方法,由于EOF分析是科學研究中分析物理量時空變化特征的重要方法,經驗正交函數(shù)的應用很廣泛,如氣象、農業(yè)、地質、水文、醫(yī)學等領域。設研究區(qū)共有m個觀測點,每個點有n次觀測值,則觀測數(shù)據可寫成矩陣形式:
本研究中xij表示在第i個網格上的第j次觀測值。通過EOF展開,分解成正交的空間矩陣(V)與正交的時間矩陣(T)乘積之和:
其矩陣形式為X=VT
空間矩陣可由XXT的特征向量得出:
由于矩陣C為實對稱矩陣,一定有
矩陣V的列就是C的特征向量,Λ是C的特征值組成的對角矩陣。V求出后,即可得出時間矩陣
EOF分解用Matlab軟件編程計算得出,計算過程如下:(1)將原始觀測數(shù)據矩陣作距平處理,計算協(xié)方差矩陣C=XXT;(2)求矩陣C的特征值根λ1≥λ2≥…≥λm和對應的1列特征向量值;(3)計算時間系數(shù)T=VTX;(4)計算各特征向量的方差貢獻率ρk及前p各特征向量的累計方差貢獻率:
1.3.3 相關性分析 相關分析[17]是分析客觀事物之間關系的數(shù)量分析方法,用來度量定距型變量間的線性相關關系,它的數(shù)學定義見下式:
式中:n為樣本量;xi和yi分別為2個變量的變量值。
相關系數(shù)雖可以反映2個連續(xù)變量關聯(lián)性的強度大小,但相關系數(shù)是否具有統(tǒng)計上的意義,則必須通過統(tǒng)計檢驗來決定,其數(shù)學定義為
式中:t統(tǒng)計量服從n-2個自由度的t分布。
從圖2可以看出,研究區(qū)域1971—2014年夏季平均低溫指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢,從趨勢線來看,夏季低溫指數(shù)每10年降低0.86 d。近44年來夏季平均低溫指數(shù)為2 d,最大值出現(xiàn)在1972年,為10 d;最小值出現(xiàn)在1998年、2010年,為1 d,最大值和最小值間差值明顯,年際變化較大。王秀芬等在相關研究中得出,春季氣溫增加速率較夏季高,夏季氣溫高而且變化較小,以至夏季低溫指數(shù)偏低且較春季變化幅度明顯減少[18-19]。該區(qū)夏季低溫指數(shù)年代際變化表現(xiàn)明顯,從20世紀80年代以來氣溫增加明顯[20],夏季低溫指數(shù)從20世紀70年代以來明顯降低,21世紀10年代夏季低溫指數(shù)最低,與平均氣溫的升高呈負相關。
利用80個觀測站1971—2014年氣象資料分析黑龍江省夏季低溫指數(shù)空間變化特征,利用EOF分析得出研究區(qū)域夏季低溫指數(shù)主要空間分布特點及其區(qū)域共同變化特征,前10個模態(tài)的方差貢獻率和累計方差貢獻率見表1。第1特征向量的方差貢獻率最大,可以解釋44.4%的夏季低溫指數(shù)的變化。前3個特征向量的累計方差貢獻率達到58.0%,其方差貢獻率均在6%以上。通過North檢驗,發(fā)現(xiàn)EOF的前3個特征向量通過了顯著性水平檢驗。
第1特征向量方差貢獻率為44.4%,體現(xiàn)區(qū)域夏季低溫指數(shù)變化的主要空間分布狀態(tài)。夏季低溫指數(shù)第1特征向量分布見圖3-a,可見絕大部分區(qū)域為正值,僅在漠河縣有很小的負值,表現(xiàn)出全區(qū)一致的變化趨勢,區(qū)內高值中心在依安附近;低值中心在漠河附近,地理差異明顯。等值線密集(稀疏)的區(qū)域,低溫指數(shù)變化較快(較慢)。圖3-b代表的是研究區(qū)域時間序列夏季低溫指數(shù)年際趨勢變化,可以看出,第1特征向量的時間系數(shù)絕對值最大,在0~100之間,絕對值越大,則代表這一時刻的分布型式越典型。
表1 EOF分析的前10個模態(tài)對總方差的貢獻和累積貢獻
第2特征向量也是區(qū)域夏季低溫指數(shù)一種較為明顯的空間分布狀態(tài)。夏季低溫指數(shù)第2特征向量分布見圖4-a,表現(xiàn)出全區(qū)正、負相間的變化趨勢,區(qū)內高值中心在雙鴨山附近,低值中心在塔河附近。第2特征向量研究區(qū)域高緯度、西部及東南部部分區(qū)域為負值,其他為正值,說明夏季低溫指數(shù)呈相反的分布型式。從圖4-b可以看出,第2特征向量時間系數(shù)絕對值低于第1特征向量,在0~35之間。第2特征向量的時間系數(shù)在近44年的前30年正、負相間,而在2000年以后以負值為主,說明該區(qū)域夏季低溫指數(shù)具有較明顯的增加趨勢。
第3特征向量對區(qū)域夏季低溫指數(shù)空間分布具有一定意義。夏季低溫指數(shù)第3特征向量分布見圖5-a,表現(xiàn)出全區(qū)正、負相間的變化趨勢,區(qū)內高值中心在孫吳附近;低值中心在樺川附近。第3特征向量研究區(qū)域中西部地區(qū)及東南部部分地區(qū)等區(qū)域為正值,其他為負值,說明夏季低溫指數(shù)呈相反的分布型式。從圖5-b可以看出,第3特征向量時間系數(shù)絕對值最小,在0~25之間。第3特征向量的時間系數(shù)在2006年以后以正值為主,表明該區(qū)夏季低溫指數(shù)具有較明顯的減少趨勢。在時間系數(shù)為正值(負值)的年份里,特征向量為正值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)增加(減少),而特征向量為負值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)減少(增加)。
近44年來,黑龍江省各站點夏季平均氣溫呈顯著或不顯著升高趨勢(圖6-a),研究區(qū)域各站氣候傾向率為0.07~0.70℃/10年,夏季升溫顯著的站點只有1個,其他站點均為升溫不顯著,不同季節(jié)平均氣溫的變化趨勢差異明顯。研究區(qū)域夏季低溫指數(shù)呈下降趨勢(圖6-b),有4個站點通過了極顯著檢驗,有12個站點通過了顯著性檢驗;有61個站點夏季(低溫指數(shù)變化不顯著。研究區(qū)域夏季低溫指數(shù)在20世紀70年代平均為4.56 d,至21世紀10年代逐漸下降至0.49 d。
將資料分為1971—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2014年5個時期分別計算各個時期平均氣溫和低溫指數(shù)(表2),夏季平均氣溫呈依次升高的趨勢,其年代際變化呈波動的特點,以2010—2014年最小,2000—2009年最大。與平均氣溫不同的是低溫指數(shù)數(shù)值差距很大,為避免由于數(shù)量級的原因而導致評價低溫指數(shù)年際變化時出現(xiàn)誤差,評價低溫指數(shù)年際變化時采用變異系數(shù)(無量綱)進行。分別計算各個時期各站的變異系數(shù)。從表2可以看出,夏季低溫指數(shù)在1971—1979年最高、2010—2014年最低,1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年夏季低溫指數(shù)逐漸增加,2010—2014年較2000—2009年有所降低。夏季低溫指數(shù)的變異系數(shù)在1971—1979年最低,1980—1989年最高,1980—1989年以后變異系數(shù)逐漸降低。分析結果表明,進入21世紀10年代以來夏季氣溫升高、年際波動減少為主要特征。
表2 1971—2014年黑龍江省夏季氣溫和低溫指數(shù)年代變化
為了研究夏季低溫指數(shù)對夏季平均氣溫的響應,分析低溫指數(shù)與氣溫的相關關系,從而確定氣溫對低溫指數(shù)的影響程度。從圖7可以看出,黑龍江省逐年夏季低溫指數(shù)與夏季平均氣溫的變化趨勢相反,計算得出相關系數(shù)為-0.572,通過0.01的信檢驗度。夏季低溫指數(shù)和夏季平均氣溫定量負相關顯示,夏季平均氣溫每升高1℃,夏季低溫指數(shù)減少1.7 d。
為了分析氣象因子對糧食產量的影響,研究低溫指數(shù)與糧食單產的定量關系,擬合最好的回歸方程:
黑龍江省夏季低溫指數(shù)與玉米、水稻的相關系數(shù)分別為-0.39、-0.50。夏季低溫指數(shù)增加均可引起玉米和水稻產量下降,夏季低溫指數(shù)每增加1 d,玉米、水稻產量分別下降311.48、411.94 kg/hm2,分別約占當?shù)赜衩住⑺酒骄鶈萎a的6.88%、8.36%,表明極端低溫事件的發(fā)生將會造成作物單產的下降,同時夏季發(fā)生低溫事件的危害比春季嚴重。
(1)黑龍江省1971—2014年夏季平均低溫指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢,從趨勢線來看每10年降低0.86 d。夏季氣溫增加速率低于春季,氣溫高而且幅度較小,低溫指數(shù)偏低且較春季明顯減少。黑龍江省夏季低溫指數(shù)自20世紀70年代以來明顯減少,與平均氣溫的升高相一致。(2)基于EOF分析黑龍江省夏季低溫指數(shù),前3個特征向量的累計方差貢獻率達到58%,并通過了顯著性水平檢驗。第1特征向量僅在漠河附近有很小的負值,其他地區(qū)為正值的變化趨勢,其時間系數(shù)則代表這一時刻分布型式典型。第2特征向量在高緯度、西部及東南部部分區(qū)域為負值,其他為正值,其時間系數(shù)次之,在2000年以后以負值為主,該區(qū)域低溫指數(shù)有增加趨勢。第3特征向量在中西部地區(qū)及東南部部分地區(qū)等區(qū)域為正值,其他為負值,其時間系數(shù)在2006年以后以正值為主,該區(qū)域低溫指數(shù)有減少趨勢。等值線密集(稀疏)的區(qū)域,低溫指數(shù)變化較快(較慢)。在時間系數(shù)為正值(負值)的年份里,特征向量為正值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)增加(減少),而特征向量為負值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)減少(增加)。(3)黑龍江省各站點夏季平均氣溫呈顯著或不顯著升高趨勢,升溫顯著的站點只有1個,其他站點均為升溫不顯著,夏季平均氣溫自20世紀70年代以來在各年代呈升高的趨勢,其年際變率呈波動變化的特點,21世紀10年代夏季平均氣溫最高、年際波動最小。(4)黑龍江省各站點夏季低溫指數(shù)呈極顯著、顯著和不顯著下降趨勢,夏季低溫指數(shù)自20世紀70年代以來有所減少,其年際變率呈波動變化的特點,20世紀80年代以來夏季氣溫升高、年際波動減少為主要特征。(5)黑龍江省夏季低溫指數(shù)與氣溫呈定量負相關,夏季平均氣溫每升高1℃,夏季低溫指數(shù)減少1.7 d。黑龍江省夏季低溫指數(shù)與玉米、水稻單產呈定量負相關,夏季低溫指數(shù)每增加1 d,玉米、水稻產量分別下降 311.48、411.94 kg/hm2,分別占當?shù)赜衩?、水稻平均單產的6.88%、8.36%,表明極端低溫事件的發(fā)生將會造成作物單產的下降,同時夏季發(fā)生低溫事件的危害比春季嚴重。