貴港市近60年寒露風特征及對晚稻生長的影響

劉 軍，莫申萍，蒙小寒，梁 柳，黃展聰

（1.貴港市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣西壯族自治區(qū) 貴港 537100；2.貴港市氣象局，廣西壯族自治區(qū) 貴港 537100；3.貴港市港南區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟經(jīng)營管理指導站，廣西壯族自治區(qū) 貴港 537100）

寒露風是我國南方雙季晚稻的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，由于發(fā)生頻率較高、發(fā)生時段恰逢晚稻抽穗揚花和灌漿階段，因此，對晚稻生長影響較大，常常導致空秕谷率增加，甚至出現(xiàn)“啞巴災(zāi)”[1]。寒露風災(zāi)害一般可使晚稻結(jié)實率下降20%左右，嚴重時可造成晚稻大幅度減產(chǎn)[2]。隨著全球氣候的不斷變暖，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生頻率有減有增，而寒露風帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失并沒有減弱，甚至有加重趨勢[3]。1966年，閩北廣大地區(qū)遭遇三次強降溫影響，晚稻遭遇寒露風，晚稻空殼率明顯增加，造成產(chǎn)量損失，局部地區(qū)甚至絕收；2018年，廣西全州縣部分晚稻受寒露風危害，減產(chǎn)50%左右[4]。根據(jù)2022 年廣西統(tǒng)計年鑒[5]顯示，貴港市稻谷種植面積位居廣西前列，研究寒露風災(zāi)害發(fā)生規(guī)律和特征、輕重程度等對晚稻可持續(xù)性生產(chǎn)和晚稻種植防災(zāi)減災(zāi)有著重大意義。有關(guān)專家學者對寒露風的時空分布特征進行了各種研究[6-8]，文章對貴港市寒露風天氣過程的研究主要基于日平均氣溫、降雨情況等資料，通過綜合統(tǒng)計、線性回歸、累積距平分析、Morlet小波等方法，分析貴港市寒露風過程特征，評估寒露風對晚稻抽穗揚花和灌漿乳熟期的影響，為今后的晚稻種植趨利避害、合理開展生產(chǎn)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

氣象數(shù)據(jù)來源于貴港市3 個國家級地面氣象觀測站（貴港、桂平、平南）1961年—2020年逐日平均氣溫、降雨量，貴港市播種以及晚稻抽穗揚花期等，晚稻生產(chǎn)資料來源于貴港市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局。根據(jù)貴港市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局記載的相關(guān)資料，綜合考慮歷年寒露風的影響程度，文章所研究的寒露風對晚稻影響時段主要是晚稻抽穗揚花和灌漿乳熟期，即分析時間選擇為9月10日—10月25日。

1.2 分析方法

運用統(tǒng)計分析法、一元線性回歸、滑動平均、Morlet 小波等方法對影響晚稻抽穗揚花期和灌漿乳熟期（以下簡稱晚稻敏感階段）的寒露風進行研究[9]。

Morlet復(fù)數(shù)小波分析主要是周期變化的主要分析方法之一[10-12]，其理論及在各周期分析中的應(yīng)用已經(jīng)相當成熟。Morlet小波是比較常用的非正交小波，一般數(shù)學形式為：

式中：w0為小波中心頻率，其小波不存在尺度函數(shù)。

Morlet 小波系數(shù)的閉合實部表現(xiàn)不同時間尺度特征信號，在相異時間上的概率趨勢和位相兩方面的信息，正值小波系數(shù)體現(xiàn)出分析對象在該時間段為偏多期，負值時體現(xiàn)為偏少期，零值對應(yīng)著突變點[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 寒露風天氣概況與出現(xiàn)的年代特征

在全球氣候變暖的大背景下，貴港市1961 年—2020 年晚稻敏感階段平均氣溫呈現(xiàn)振蕩上升的趨勢，從圖1可看出，平均氣溫增溫傾向率為0.018 9℃/年，增溫趨勢通過了a=0.05 顯著性檢驗，20 世紀90 年代末到2016 年是較為明顯的增暖期。在這樣的氣候背景下，貴港市晚稻敏感階段發(fā)生寒露風的總體趨勢為下降趨勢，年發(fā)生次數(shù)以平均0.01 次/a 的速度減少，發(fā)生天數(shù)以平均0.04 d/a的速度減少，均通過了a=0.05顯著性檢驗。

圖1 貴港市晚稻敏感階段寒露風平均氣溫趨勢Fig.1 Average temperature trend of cold dew wind in sensitive stage of late rice in Guigang City

圖2 滑動平均曲線顯示，在所研究的60 年里，貴港市晚稻敏感階段寒露風發(fā)生大致經(jīng)歷了三個階段性年際變化，20世紀60 年代初—70 年代末為震蕩向下的階段，80 年代初—90年代末為震蕩向上的階段，21世紀以來晚稻敏感階段寒露風的發(fā)生概率明顯降低，且發(fā)生的持續(xù)日數(shù)變化幅度較小，但2018 年和2020 年晚稻敏感階段寒露風又出現(xiàn)了高發(fā)勢態(tài)。以21 世紀為節(jié)點，21 世紀前40 年平均每年晚稻敏感階段寒露風日數(shù)日比21 世紀后的20 年多，且出現(xiàn)的概率高，也就是說，平均晚稻敏感階段寒露風日數(shù)體現(xiàn)了由多變少的過程，晚稻敏感階段平均氣溫出現(xiàn)了從冷變暖的趨勢。

圖2 晚稻敏感階段寒露風年平均發(fā)生情況Fig.2 Annual average occurrence of cold dew wind in sensitive stage of late rice

2.2 寒露風出現(xiàn)日期特征

從單個年份來看，最早出現(xiàn)寒露風是在1976 年，由于貴港北部山脈和3 個站點的地形分布原因，寒露風出現(xiàn)普遍從桂平開始，其次是貴港，最后是平南。

表1 貴港市1961年—2020年晚稻敏感階段首次出現(xiàn)寒露風日期特征Tab.1 The date feature of cold dew wind appeared for the first time in the sensitive stage of late rice in Guigang City from 1961 to 2020

2.3 寒露風不同等級特征

寒露風按冷空氣影響的持續(xù)時間分為輕度、中度、重度3種級別，具體劃分標準見表2。從表3 可以看出，貴港市1961年—2020年晚稻敏感階段各站點累計出現(xiàn)寒露風次數(shù)為：貴港＞桂平＞平南，3站點均以輕度型寒露風為主，且輕度寒露風發(fā)生日數(shù)較為接近，但貴港中度和重度型寒露風在3 站中較為突出，兩種類型在寒露風年份中出現(xiàn)的頻率為44%，幾乎接近一半的年份出現(xiàn)了中度和重度型的寒露風。結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，輕度型寒露風平南1984 年、2000 年發(fā)生日數(shù)相對偏多，中度型寒露風貴港1984 年、2000 年發(fā)生日數(shù)相對偏多，重度寒露風貴港2000 年、2018 年和桂平2018 年發(fā)生日數(shù)相對偏多，出現(xiàn)重度寒露風10 d及10 d以上的站點有貴港（為2個年份）、桂平（為1 個年份），平南沒有出現(xiàn)。貴港中度寒露風出現(xiàn)的日數(shù)是桂平的1.6 倍，是平南的2.7 倍，說明3 站點中，貴港側(cè)重發(fā)生中度型寒露風。平南無出現(xiàn)寒露風年份有25 年，出現(xiàn)寒露風的頻率為58%，輕度和重度寒露風出現(xiàn)的頻率僅為28%，比貴港少16%?？傮w來看，3 個站點中，平南受輕、中、重3種等級寒露風影響相對較小，桂平居中。

表2 寒露風農(nóng)業(yè)氣象指標Tab.2 Cold dew wind agrometeorological index

表3 貴港市1961年—2020年晚稻敏感階段不同等級寒露風出現(xiàn)的日數(shù)和頻次Tab.3 The number and frequency of cold dew wind in different grades during the sensitive stage of late rice in Guigang City from 1961 to 2020單位：%

表4 貴港市晚稻敏感階段不同類型寒露風年發(fā)生情況Tab.4 Occurrence of different types of cold dew wind in sensitive stage of late rice in Guigang City

2.4 寒露風分型特征

寒露風類型的劃分以影響雨日為基礎(chǔ)，劃分為干冷型、濕冷型兩大類，劃分標準為是否出現(xiàn)雨日（日雨量＞1.0 mm），出現(xiàn)降雨為濕冷型寒露風天氣，無降雨則為干冷型寒露風天氣[14]。從表3 可以看出，貴港市晚稻敏感階段寒露風以濕冷型居多，3 站點中濕冷型寒露風發(fā)生日數(shù)為：貴港＞平南＞桂平，平南所出現(xiàn)的41次寒露風中，濕冷型占68%，濕冷型寒露風出現(xiàn)的日數(shù)是干冷型寒露風出現(xiàn)日數(shù)的2.3 倍，而貴港所出現(xiàn)的53次寒露風中，濕冷型寒露風占57%，比平南少11%。濕冷型寒露風發(fā)生過程中平均降雨量為8.1 mm/d，3 個站點中每個站點均有兩次單過程降雨量超過100.0 mm，但不同年份發(fā)生過程有所不同。1976 年9 月21 日—9 月23 日：貴港為105.8 mm、桂平為109.9 mm；1981 年10 月22 日—10 月25 日：平南為100.7 mm；2000 年10 月13 日—10 月22 日：貴港為130.0 mm；2011 年10 月4 日—10 月7 日：桂平為111.9 mm、平南為106.0 mm。

2.5 Morle小波分析貴港市寒露風日數(shù)周期性特征

選用Morlet 小波分析貴港市1961 年—2020 年晚稻敏感期寒露風發(fā)生日數(shù)序列和頻率域，可以更清楚了解貴港市近60 年寒露風日數(shù)的振動變化周期。小波系數(shù)為零時正好是突變點，小波系數(shù)為負值說明寒露風發(fā)生日數(shù)越偏小，小波系數(shù)為正值說明寒露風發(fā)生日數(shù)越偏大，因研究需要，小波系數(shù)區(qū)域隨著正值加大，其區(qū)域的顏色則逐漸加深顯示。

從圖4 可知，8 年特征時間尺度在20 世紀80 年代中期、90 年中期以及2002 年前后的寒露風日數(shù)序列中比較明顯。32 年特征時間尺度在20 世紀60 年代后期、90 年中期以及2020年前后的寒露風日數(shù)序列中比較明顯。目前，深灰顯的實部等值線中正的等值中心還未閉合，表明2022 年—2023年貴港市晚稻敏感期發(fā)生寒露風的可能性仍然較大，且發(fā)生日數(shù)偏多。

圖4 貴港市晚稻敏感階段輕度（a）、中度（b）和重度（c）寒露風年發(fā)生天數(shù)Fig.4 The occurrence days of mild(a),moderate(b)and severe(c)cold dew wind in sensitive stage of late rice in Guigang City

3 結(jié)論

在晚稻敏感階段，21 世紀前40 年出現(xiàn)寒露風的平均日數(shù)比21 世紀后20 年多，且出現(xiàn)的概率更高，其日數(shù)體現(xiàn)了由多變少的特征，晚稻敏感階段平均氣溫出現(xiàn)了從高到低的趨勢。由于貴港北部山脈海拔差異和3 個站點的地形分布原因，寒露風出現(xiàn)有其特殊的特征，最早出現(xiàn)寒露風的平均日期在10 月中旬，寒露風普遍首先從桂平開始出現(xiàn)，然后在貴港出現(xiàn)，最后在平南出現(xiàn)。貴港市3 站點均以輕度型寒露風為主，貴港側(cè)重發(fā)生中度型寒露風，總體而言，平南受輕、中、重3 種等級寒露風影響相對較小，桂平居中。貴港市晚稻敏感階段寒露風以濕冷型居多，3 站點中濕冷型寒露風發(fā)生日數(shù)依次為：貴港＞平南＞桂平，平南出現(xiàn)濕冷型寒露風頻率為68%，在3 站點中所占的比重最大。貴港市3 站點的晚稻敏感期寒露風加強發(fā)生的周期基本相似，其日數(shù)序列存在相同的時間特征尺度：10 年、30 年。其中30 年的振蕩周期相對偏強，8 年的振蕩周期偏弱。結(jié)合分析圖，2022 年—2023 年貴港市晚稻敏感期發(fā)生寒露風發(fā)生的可能性仍然較大，且發(fā)生日數(shù)偏多。