河北省玉米高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空特征及變化趨勢(shì)分析

代立芹，王 猛，董航宇，康西言，李春強(qiáng)

（1.河北省氣象科學(xué)研究所/河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050021；2.唐山市氣象局,河北 唐山 063000）

高溫?zé)岷κ怯衩咨L(zhǎng)期間常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。受氣候變暖的影響，高溫事件頻繁發(fā)生，對(duì)玉米生產(chǎn)的影響日益加重［1-4］。河北省既是玉米生產(chǎn)大省，也是高溫?zé)岷Χ喟l(fā)區(qū)域［5］。近年來，高溫?zé)岷︻l繁發(fā)生，如2013、2017、2018年均出現(xiàn)了高溫?zé)岷?，造成了玉米不同程度的減產(chǎn)，高溫?zé)岷χ饾u成為影響玉米生產(chǎn)的重要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。因此，科學(xué)地分析氣候變化背景下高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布特征及其變化規(guī)律，對(duì)防御和降低高溫?zé)岷λ斐傻牟焕绊懢哂兄匾饬x。

有部分學(xué)者對(duì)玉米高溫?zé)岷Φ姆植继卣骷捌渥兓?guī)律進(jìn)行了研究［6-9］，也有學(xué)者對(duì)未來氣候情景下溫度條件對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響［10-13］、高溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)［14］等進(jìn)行了分析，主要針對(duì)的是夏玉米花期高溫?zé)岷Γ狈?duì)玉米拔節(jié)期和灌漿期高溫?zé)岷Φ南嚓P(guān)研究。在分析高溫?zé)岷蜌庀笠刈兓厔?shì)時(shí)，多采用線性分析方法得到線性趨勢(shì)或線性傾向率，但由于氣候系統(tǒng)具有不連續(xù)性、階段性、跳躍性的特征，采用線性趨勢(shì)或氣候傾向率的方法無法預(yù)測(cè)未來的變化趨勢(shì)和轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

目前，關(guān)于河北省玉米高溫?zé)岷Φ难芯恐饕槍?duì)河北省中南部夏玉米花期的高溫?zé)岷ψ兓?guī)律［7-9］，缺乏對(duì)北部春玉米拔節(jié)期—灌漿期的高溫?zé)岷ρ芯?，同時(shí)存在時(shí)空尺度過大、缺乏未來變化趨勢(shì)的定量化分析等問題。河北省玉米拔節(jié)—灌漿期均為高溫?zé)岷Χ喟l(fā)期［5］，隨著氣候變暖，高溫致災(zāi)因子發(fā)生了顯著變化，因此了解高溫?zé)岷捌渲聻?zāi)因子的變化趨勢(shì)對(duì)我們科學(xué)地認(rèn)識(shí)高溫?zé)岷Φ难葑円?guī)律和合理安排玉米生產(chǎn)具有重要意義。因此，筆者利用河北省142個(gè)氣象站的逐日氣象資料和農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的玉米生育期觀測(cè)資料，采用線性分析、Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)、R/S分析和非周期循環(huán)分析等多種方法，全面地分析了河北省玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫?zé)岷捌渲聻?zāi)因子的時(shí)空分布特征、變化規(guī)律和未來變化趨勢(shì)，以期為適應(yīng)氣候變化、防御和減輕高溫危害提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河 北 省 位 于113°11′～119°45′E、36°05′～ 42°37′N之間，地處春玉米和夏玉米種植的交錯(cuò)帶。張家口和承德2市壩下、秦皇島北部、保定西北部地區(qū)是春玉米的主要種植區(qū)；秦皇島和唐山2市的中南部為春玉米和夏玉米種植的過渡區(qū)，近年來，以種植夏玉米為主；其他地區(qū)是夏玉米的主要種植區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取玉米種植區(qū)142個(gè)氣象站1971—2020年的逐日氣象資料(包括平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫等)；26個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1981—2020年的玉米生育期觀測(cè)資料。資料來源于河北省氣象局。

1.3 研究方法

1.3.1 高溫?zé)岷Φ脑u(píng)估指標(biāo)

1.3.1.1 高溫?zé)岷Φ燃?jí)與強(qiáng)度的計(jì)算依據(jù)代立芹等［5］關(guān)于玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫?zé)岷χ笜?biāo)(32 ℃以上日高溫時(shí)長(zhǎng)達(dá)4 h和5 h以上累積出現(xiàn)的天數(shù)和積溫、日最高氣溫33 ℃以上累積出現(xiàn)的天數(shù))進(jìn)行高溫?zé)岷Φ呐凶R(shí)及其強(qiáng)度和等級(jí)的計(jì)算。

1.3.1.2 高溫?zé)岷Πl(fā)生概率的計(jì)算采用偏度系數(shù)、峰度系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，對(duì)不遵從正態(tài)分布的序列進(jìn)行偏態(tài)分布正態(tài)化處理［15-16］后，以新的均值和方差進(jìn)行概率估算。

1.3.2 高溫?zé)岷Φ淖兓厔?shì)分析

1.3.2.1 M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變分析M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)屬非參數(shù)檢驗(yàn)法，適用于類型變量和順序變量，其標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z值的正、負(fù)反映了要素上升或下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)顯著性水平為0.1、0.05、0.01時(shí)，Z1-α/2分別為1.28、1.64、2.32；通過分析要素順序，統(tǒng)計(jì)曲線UF、逆序統(tǒng)計(jì)曲線UB和要素累積距平值的變化情況，可找到要素序列的突變點(diǎn)［17］。

1.3.2.2 R/S分析和非周期循環(huán)分析R/S分析又稱重標(biāo)極差分析，其Hurst指數(shù)H值能反映未來變化的總體趨勢(shì)與過去的變化趨勢(shì)之間的關(guān)系。H=0.50表示序列是完全獨(dú)立的隨機(jī)過程，未來與過去沒有關(guān)系；H=1.00表示序列具有較強(qiáng)的自相似性，是一條直線；0.50＜H＜1.00表示未來的變化趨勢(shì)與過去的變化趨勢(shì)一致；0.50＜H≤0.55、0.55＜H≤0.65、0.65＜H≤0.75、0.75＜H≤0.80、0.80＜H＜1.00則分別表示趨勢(shì)的持續(xù)性很弱、較弱、較強(qiáng)、強(qiáng)、很強(qiáng)；0＜H＜0.50表示未來變化趨勢(shì)與過去相反，0.45≤H＜0.50、0.35≤H＜0.45、0.25≤H＜0.35、0.20≤H＜0.25、0＜H＜0.20則分別表示反持續(xù)性很弱、較弱、較強(qiáng)、強(qiáng)、很強(qiáng)。通過檢驗(yàn)R/S穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)量V可以判斷序列是否有非周期性循環(huán)，并能測(cè)定出其平均循環(huán)長(zhǎng)度，即過去趨勢(shì)對(duì)未來趨勢(shì)影響的時(shí)間長(zhǎng)度［18］。

2 結(jié)果與分析

筆者依據(jù)玉米各生育期的平均起止日期［19］，統(tǒng)計(jì)并分析了142個(gè)氣象站1971—2020年玉米拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷Φ恼敬巍?qiáng)度以及災(zāi)情的等級(jí)和發(fā)生概率。

2.1 高溫?zé)岷Φ臅r(shí)間演變特征

1971—2020年玉米拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷Φ恼敬魏蛷?qiáng)度的分析結(jié)果顯示，春玉米區(qū)以抽雄期高溫的站次和強(qiáng)度最大，拔節(jié)期次之，灌漿期最小；夏玉米區(qū)以拔節(jié)期高溫的站次和強(qiáng)度最大，抽雄期次之，灌漿期最小，這與玉米生長(zhǎng)期間高溫?zé)岷χ聻?zāi)因子的時(shí)間分布特征一致。

由圖1可知：春玉米區(qū)7月中下旬為致災(zāi)因子的高值期，此時(shí)正值玉米的抽雄開花期；6月下旬—7月上旬為致災(zāi)因子的次高值期，此時(shí)正值玉米的拔節(jié)期；6月上中旬為致災(zāi)因子的中值期，此時(shí)正值玉米苗期；其他時(shí)段的致災(zāi)因子值相對(duì)較低。夏玉米區(qū)6月中旬—7月上旬為致災(zāi)因子高值期，此時(shí)正值玉米苗期；7月中下旬為致災(zāi)因子的次高值期（受汛期降水較多影響，極端高溫天氣減少），此時(shí)為玉米的拔節(jié)—抽雄初期；6月上旬和8月上中旬為致災(zāi)因子的中值期，分別為玉米的播種初期和抽雄開花—灌漿初期；其他時(shí)段的致災(zāi)因子值相對(duì)較低。玉米的生殖生長(zhǎng)階段［20］對(duì)高溫?zé)岷Ρ容^敏感，苗期受致災(zāi)因子的影響較小，因此春玉米區(qū)、夏玉米區(qū)高溫?zé)岷Φ闹饕：r(shí)段分別為6月下旬—7月下旬、7月中旬—8月上旬。

圖1 玉米生長(zhǎng)期的逐旬高溫?zé)岷Φ臅r(shí)間演變特征

對(duì)不同年代的高溫?zé)岷Φ恼敬魏蛷?qiáng)度分析顯示（圖2），春玉米區(qū)1971—1990年的高溫站次較少；1991—2000年的高溫站次明顯增多。從逐年變化情況來看，1999年開始顯著增多，以抽雄期增幅最大，拔節(jié)期次之，灌漿期最小；2001—2010、2011—2020年的高溫站次基本一致，均少于1991—2000年的，但明顯多于1971—1990年的；高溫強(qiáng)度以拔節(jié)期上升較為明顯，抽雄和灌漿期無明顯變化。夏玉米區(qū)1971—1990年的高溫站次相對(duì)較少；1991—2000年的高溫站次明顯增多，從逐年變化情況看，1997年開始顯著增多。以拔節(jié)期增幅最大，抽雄期次之，灌漿期最??；2001—2010年的高溫站次有所減少，2011—2020年又有所增加，其中2011—2020年與1991—2000年的高溫站次相當(dāng)；高溫強(qiáng)度以灌漿期上升最明顯，拔節(jié)和抽雄期無明顯變化。

圖2 玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫站次和強(qiáng)度的年代變化特征

M-K、R/S和非周期循環(huán)分析顯示(表1)，拔節(jié)—灌漿期的高溫?zé)岷φ敬魏蛷?qiáng)度均隨年代的變化而呈上升趨勢(shì)，以夏玉米的高溫站次上升最明顯。各階段高溫?zé)岷φ敬魏蛷?qiáng)度的H值均≥0.65，未來變化趨勢(shì)與過去變化趨勢(shì)一致，即呈上升趨勢(shì)，且趨勢(shì)持續(xù)性強(qiáng)或很強(qiáng)。高溫站次和強(qiáng)度的平均循環(huán)長(zhǎng)度相同，春玉米拔節(jié)、抽雄和灌漿期的平均循環(huán)長(zhǎng)度分別為10、11、12 a，即未來上升趨勢(shì)將持續(xù)10～12 a；夏玉米拔節(jié)、抽雄和灌漿期的平均循環(huán)長(zhǎng)度分別為8、10、10 a，即未來上升趨勢(shì)將持續(xù)8～10 a。

表1 玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫站次和強(qiáng)度的年代變化趨勢(shì)

2.2 高溫?zé)岷Φ目臻g演變特征

不同年代高溫?zé)岷Φ姆植紖^(qū)域分析顯示（圖3），1971—1980年高溫?zé)岷H出現(xiàn)在邯鄲、邢臺(tái)2市的局部地區(qū)；1981—1990、1991—2000年主要出現(xiàn)在承德局部地區(qū)、廊坊南部、保定東南部及其以南地區(qū)；2001—2010年則主要出現(xiàn)在邯鄲、邢臺(tái)、衡水3市的大部地區(qū)，石家莊東部地區(qū)，保定和張家口局部地區(qū)；2011—2020年出現(xiàn)在廊坊中南部、保定東南部及以南地區(qū)?？傮w上，以邯鄲和邢臺(tái)2市的中東部、衡水西部和南部、石家莊東南部地區(qū)為高溫?zé)岷Χ喟l(fā)區(qū)。

圖3 不同年代玉米拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷傉敬蔚目臻g分布特征

對(duì)玉米不同生育階段各區(qū)域高溫?zé)岷Πl(fā)生的概率和強(qiáng)度分析顯示，春玉米拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷χ饕l(fā)生在張家口、承德2市中部的懷來、涿鹿、宣化、承德縣、灤平等地，概率多在6%以下，以輕度熱害為主。夏玉米拔節(jié)期高溫?zé)岷σ院惡托吓_(tái)2市的中東部、衡水、石家莊東部、保定東南部、滄州西部的發(fā)生概率較大，為6%～19%；抽雄期以邢臺(tái)和邯鄲2市的中東部、衡水南部、石家莊東部的發(fā)生概率較大，為6%～12%；灌漿期以石家莊、邢臺(tái)、邯鄲地區(qū)的發(fā)生概率較大，為4%～8%，上述區(qū)域也是中度以上熱害的主要發(fā)生區(qū)域；其他區(qū)域的發(fā)生概率較低，以輕度熱害為主。

2.3 高溫?zé)岷Φ臍夂蛑聻?zāi)因子分析

高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)因子突變分析顯示，不同玉米的生長(zhǎng)發(fā)育階段的致災(zāi)因子突變特征有所差異，但拔節(jié)—灌漿期的致災(zāi)因子累積值突變規(guī)律基本一致，以32 ℃以上高溫時(shí)長(zhǎng)為例(圖4)，各因子均在1971—1995年出現(xiàn)多次弱的突變，低值期與高值期交替，并以低值期為主；在1996年出現(xiàn)明顯的突變，之后各因子進(jìn)入高值期，這是春玉米區(qū)1999年、夏玉米區(qū)1997年開始出現(xiàn)高溫?zé)岷φ敬蚊黠@增多的原因。

圖4 高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)因子M-K突變及其累積距平分析

分析顯示，1971—2020年玉米生長(zhǎng)期間的逐旬高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)因子均隨年代的變化而呈上升的趨勢(shì)，且H值均大于0.5，其中，春玉米區(qū)6月下旬—7月上旬、7月下旬—9月上旬，以及夏玉米區(qū)7月上旬、7月下旬—9月上旬均顯著上升且H值大于0.65，春玉米區(qū)和夏玉米區(qū)致災(zāi)因子的平均循環(huán)長(zhǎng)度分別為8～13、7～12 a?？梢?，6月下旬—9月上旬大部分時(shí)段的致災(zāi)因子顯著上升，且未來10 a 左右仍呈上升趨勢(shì)。受此影響，玉米拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)因子、站次和強(qiáng)度在過去50 a和未來10 a左右呈上升趨勢(shì)(表2)，并以夏玉米區(qū)的上升趨勢(shì)較為明顯；春玉米區(qū)由于氣候原因，其致災(zāi)因子的基數(shù)較低，雖然致災(zāi)因子的上升趨勢(shì)明顯，但是大部分地區(qū)尚未達(dá)到高溫?zé)岷χ笜?biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，因此，高溫站次和強(qiáng)度的上升趨勢(shì)未達(dá)顯著水平。

表2 拔節(jié)—灌漿期的高溫?zé)岷χ聻?zāi)因子的年代變化趨勢(shì)

3 小結(jié)與討論

（1）春玉米區(qū)位于河北北部熱量相對(duì)較低的區(qū)域，高溫?zé)岷Φ母怕省⒄敬魏蛷?qiáng)度均低于位于中南部熱量相對(duì)較高的夏玉米區(qū)。春玉米區(qū)6月下旬—7月下旬為高溫?zé)岷Φ闹饕：r(shí)段，以抽雄期高溫?zé)岷Φ母怕屎蛷?qiáng)度最大，拔節(jié)期次之，灌漿期最小，張家口、承德2市的中部為高溫?zé)岷Φ亩喟l(fā)區(qū)域。夏玉米區(qū)7月中旬—8月中旬為高溫?zé)岷Φ闹饕：r(shí)段，以拔節(jié)期高溫?zé)岷Φ母怕屎蛷?qiáng)度最大，抽雄期次之，灌漿期最小，邯鄲和邢臺(tái)2市的中東部、衡水西部和南部、石家莊東南部地區(qū)為高溫?zé)岷Φ亩喟l(fā)區(qū)域，這與玉米生長(zhǎng)期間的熱量時(shí)空分布特征［21］基本一致。

（2）受氣候變暖影響，在過去的50 a，河北省玉米生長(zhǎng)期間6月下旬—9月上旬大部分時(shí)段的高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)因子隨年代的變化而顯著上升，導(dǎo)致玉米拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷χ聻?zāi)因子顯著上升，高溫?zé)岷φ敬魏蛷?qiáng)度也呈上升趨勢(shì)，以夏玉米區(qū)上升較為明顯，這與劉哲等［7-8］的研究結(jié)論一致。

（3）拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)因子累積值在1996年出現(xiàn)了明顯的突變，之后各致災(zāi)因子進(jìn)入高值期，受其影響，拔節(jié)—灌漿期的高溫?zé)岷傉敬卧?996年之后出現(xiàn)了明顯的增加。

（4）6月下旬—9月上旬大部分時(shí)段的高溫?zé)岷χ聻?zāi)因子在未來10 a左右呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，導(dǎo)致拔節(jié)—灌漿期高溫?zé)岷χ聻?zāi)因子、站次和強(qiáng)度在未來10 a左右呈現(xiàn)較強(qiáng)的上升趨勢(shì)，高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)增加，這體現(xiàn)了未來氣候變暖對(duì)玉米生產(chǎn)帶來的不利影響，與張勇等［11-14］得出的未來高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)增加的研究結(jié)論一致。