黑龍江省夏季低溫指數時空分布特征及對糧食產量的影響

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.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱150030)

聯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生產的不穩定性、改變種植布局和結構，并加劇局部地區農業氣象災害。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氣象災害之一，低溫冷害的頻繁發生導致糧食產量不穩定、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生，由氣候異常變化引起的農業損失事件時有發生［6］。21世紀以來，黑龍江省夏季低溫事件時有發生，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，表現為各種氣溫、降水異常及其時間和空間上的持續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農業生產的主要災害性天氣氣候現象［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。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

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)，是地球環境變化速率最大的季風氣候區。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］。

1.2 材料來源

本研究使用黑龍江省80個臺站1971—2014年逐日氣象觀測數據，來源為黑龍江省氣象局整編資料。

1.3 研究方法

1.3.1 低溫指數 低溫指數［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。

1.3.2 EOF分析 經驗正交函數(empirical orthogonal function，簡稱 EOF)［15－16］是大氣科學研究中分析研究區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，經驗正交函數的應用很廣泛，如氣象、農業、地質、水文、醫學等領域。設研究區共有m個觀測點，每個點有n次觀測值，則觀測數據可寫成矩陣形式:

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)將原始觀測數據矩陣作距平處理，計算協方差矩陣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。

相關系數雖可以反映2個連續變量關聯性的強度大小，但相關系數是否具有統計上的意義，則必須通過統計檢驗來決定，其數學定義為

式中:t統計量服從n－2個自由度的t分布。

2 結果與分析

2.1 夏季低溫指數時間變化特征

從圖2可以看出，研究區域1971—2014年夏季平均低溫指數呈現下降趨勢，從趨勢線來看，夏季低溫指數每10年降低0.86 d。近44年來夏季平均低溫指數為2 d，最大值出現在1972年，為10 d;最小值出現在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，以至夏季低溫指數偏低且較春季變化幅度明顯減少［18－19］。該區夏季低溫指數年代際變化表現明顯，從20世紀80年代以來氣溫增加明顯［20］，夏季低溫指數從20世紀70年代以來明顯降低，21世紀10年代夏季低溫指數最低，與平均氣溫的升高呈負相關。

2.2 夏季低溫指數EOF變化特征

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空間變化特征，利用EOF分析得出研究區域夏季低溫指數主要空間分布特點及其區域共同變化特征，前10個模態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，發現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%，體現區域夏季低溫指數變化的主要空間分布狀態。夏季低溫指數第1特征向量分布見圖3－a，可見絕大部分區域為正值，僅在漠河縣有很小的負值，表現出全區一致的變化趨勢，區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)的區域，低溫指數變化較快(較慢)。圖3－b代表的是研究區域時間序列夏季低溫指數年際趨勢變化，可以看出，第1特征向量的時間系數絕對值最大，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個模態對總方差的貢獻和累積貢獻

第2特征向量也是區域夏季低溫指數一種較為明顯的空間分布狀態。夏季低溫指數第2特征向量分布見圖4－a，表現出全區正、負相間的變化趨勢，區內高值中心在雙鴨山附近，低值中心在塔河附近。第2特征向量研究區域高緯度、西部及東南部部分區域為負值，其他為正值，說明夏季低溫指數呈相反的分布型式。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，說明該區域夏季低溫指數具有較明顯的增加趨勢。

第3特征向量對區域夏季低溫指數空間分布具有一定意義。夏季低溫指數第3特征向量分布見圖5－a，表現出全區正、負相間的變化趨勢，區內高值中心在孫吳附近;低值中心在樺川附近。第3特征向量研究區域中西部地區及東南部部分地區等區域為正值，其他為負值，說明夏季低溫指數呈相反的分布型式。從圖5－b可以看出，第3特征向量時間系數絕對值最小，在0～25之間。第3特征向量的時間系數在2006年以后以正值為主，表明該區夏季低溫指數具有較明顯的減少趨勢。在時間系數為正值(負值)的年份里，特征向量為正值的區域夏季低溫指數增加(減少)，而特征向量為負值的區域夏季低溫指數減少(增加)。

2.3 夏季低溫指數對區域溫暖化的響應

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，不同季節平均氣溫的變化趨勢差異明顯。研究區域夏季低溫指數呈下降趨勢(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(低溫指數變化不顯著。研究區域夏季低溫指數在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(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數值差距很大，為避免由于數量級的原因而導致評價低溫指數年際變化時出現誤差，評價低溫指數年際變化時采用變異系數(無量綱)進行。分別計算各個時期各站的變異系數。從表2可以看出，夏季低溫指數在1971—1979年最高、2010—2014年最低，1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年夏季低溫指數逐漸增加，2010—2014年較2000—2009年有所降低。夏季低溫指數的變異系數在1971—1979年最低，1980—1989年最高，1980—1989年以后變異系數逐漸降低。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年代變化

為了研究夏季低溫指數對夏季平均氣溫的響應，分析低溫指數與氣溫的相關關系，從而確定氣溫對低溫指數的影響程度。從圖7可以看出，黑龍江省逐年夏季低溫指數與夏季平均氣溫的變化趨勢相反，計算得出相關系數為－0.572，通過0.01的信檢驗度。夏季低溫指數和夏季平均氣溫定量負相關顯示，夏季平均氣溫每升高1℃，夏季低溫指數減少1.7 d。

2.4 夏季低溫指數對區域糧食產量的影響

為了分析氣象因子對糧食產量的影響，研究低溫指數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與玉米、水稻的相關系數分別為－0.39、－0.50。夏季低溫指數增加均可引起玉米和水稻產量下降，夏季低溫指數每增加1 d，玉米、水稻產量分別下降311.48、411.94 kg/hm2，分別約占當地玉米、水稻平均單產的6.88%、8.36%，表明極端低溫事件的發生將會造成作物單產的下降，同時夏季發生低溫事件的危害比春季嚴重。

3 結論

(1)黑龍江省1971—2014年夏季平均低溫指數呈現下降趨勢，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，低溫指數偏低且較春季明顯減少。黑龍江省夏季低溫指數自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，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，其他地區為正值的變化趨勢，其時間系數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域為負值，其他為正值，其時間系數次之，在2000年以后以負值為主，該區域低溫指數有增加趨勢。第3特征向量在中西部地區及東南部部分地區等區域為正值，其他為負值，其時間系數在2006年以后以正值為主，該區域低溫指數有減少趨勢。等值線密集(稀疏)的區域，低溫指數變化較快(較慢)。在時間系數為正值(負值)的年份里，特征向量為正值的區域夏季低溫指數增加(減少)，而特征向量為負值的區域夏季低溫指數減少(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呈極顯著、顯著和不顯著下降趨勢，夏季低溫指數自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℃，夏季低溫指數減少1.7 d。黑龍江省夏季低溫指數與玉米、水稻單產呈定量負相關，夏季低溫指數每增加1 d，玉米、水稻產量分別下降 311.48、411.94 kg/hm2，分別占當地玉米、水稻平均單產的6.88%、8.36%，表明極端低溫事件的發生將會造成作物單產的下降，同時夏季發生低溫事件的危害比春季嚴重。