農業氣候年景評估指數構建及在江漢平原的應用

秦鵬程 夏智宏 陳偉亮

（1 武漢區域氣候中心，武漢 430074；2 荊州市氣象局，荊州 434020；3 江漢平原生態氣象遙感監測技術協同創新中心, 荊州 434025）

0 引言

氣候年景評估是對一年（或一個生產周期）氣候要素異常程度及其對國民經濟影響利弊的綜合評價，是開展氣候以及氣候變化對敏感行業影響評估的基礎[1]。農業是一個高度依賴于天氣氣候條件的敏感性行業，農業氣候年景的評估是氣候評估業務的重要內容之一，而作物播種前開展的農業氣候年景預測和展望可為農業生產布局安排、資源配置和災害防御提供重要參考。

20世紀90年代以來，為了探索定量化的作物年景評價方法，相關學者相繼以作物產量豐歉、綜合氣象要素、氣象災害災情等為指標建立了評價模型和指標。如王建林等[2]綜合逐旬氣象要素建立了棉花年景評價方法，婁秀榮等[3]以各生育期氣象要素距平為指標建立了晚稻氣候年景評價方法，孫家民等[4]利用降水距平絕對值累計方法，從旱澇災害等級的角度開展了中國農業氣候年景評估研究，吳義城等[5]、劉敏等[6]先后對湖北省旱澇與中稻、早稻、棉花年景進行了系統分析，吳義城等[7]以作物生育期內的氣溫、積溫、日照及降水為指標，從氣候異常度角度建立了農作物氣候年型劃分方法，石磊等[1]、王勝等[8]分別以氣象災害和氣候適宜度指標構建了安徽省氣候年景和作物年景評估指標。上述研究為開展農業氣候年景評價提供了重要依據，但各類方法局限于單方面因子的年際變異描述，以產量豐歉為依據評價氣候年景，忽略了農業生產技術水平提高及防災救災措施對不利氣象條件的補償作用，可能低估氣候的不利影響；以氣象災害災情等級為基礎的農業氣候年景評價，考慮的災害類型尚不全面，且未反映光、溫、水等氣候資源的優劣。

綜合前人研究成果，農業氣候年景的內涵應至少包括農業氣候資源優劣和氣象災害發生程度兩個方面，為此，本文以光、溫、水氣候適宜度為指標，建立作物生長季農業氣候資源等級評價指標，以旱、澇、冷、熱等氣象災害指數為指標，建立農業氣象災害等級評價指標，并通過有效綜合建立農業氣候年景綜合指數。最后，以江漢平原為例，對農業氣候年景評估指數在氣候變化評估以及業務服務中的應用進行了案例分析。

1 農業氣候年景指數構建

1.1 農業氣候資源評價

1.1.1 氣候適宜度模型

根據農作物生長發育對氣候資源的需求和生理特點，可采用模糊數學理論中的隸屬函數對農作物氣候適宜度及氣候資源有效性進行量化，參考已有研究成果[8-12]，分別建立氣溫、降水和日照的氣候適宜度模型如下

式中，S(T)為作物生長發育的溫度適宜度，T為日平均氣溫，Ttop、Tbase、Topt分別為作物生長發育所需的上限溫度、下限溫度和最適溫度。B為形狀參數，計算公式為

式中，S(R)為作物生長發育的降水適宜度，R0為作物需水量的臨界值，Re為當前日有效降水量，是對前期降水量的加權累積值，計算公式為[13]

式中，n為距離當前的日數，Rn為當前日期前第n天的日降水量，wn為權重系數，可近似表示為為降水衰減參數，取值0.95。

式中，S(S)為作物生長發育的日照適宜度，S0為作物生長發育達到適宜狀態所需的臨界日照時數，b為形狀參數。

S(T)、S(R)、S(S)的形狀分布如圖1所示，其值域界于0～1，因此不同氣候要素的適宜度具有可比性。受作物三基點溫度生理特性的影響，當平均氣溫低于或高于最適溫度時，熱量條件的有效性下降，因此溫度適宜度曲線呈拋物線形式，降水和日照適宜度則呈現逐漸增加并趨于穩定的形式，當降水或日照低于最適需求量時其適宜度為小于1的數值，并逐漸升高，達到最適需求量以上時其適宜度為1。

圖1 農作物溫度、降水、日照氣候適宜度曲線Fig.1 The climatic suitability curves of crop for temperature, precipitation, and sunshine duration

1.1.2 氣候資源評價

為了綜合評價光、溫、水氣候資源及其匹配程度，采用幾何平均法對各氣候要素單因子適宜度求取平均值構建綜合氣候適宜度模型[11]，計算公式為

為了綜合評價某地一年氣候資源總體狀況，根據該地區農業種植結構，選擇主要農作物及其生長發育時段，分作物分別計算各作物每日溫度、降水、日照適宜度及其綜合氣候適宜度，然后以作物種植面積比例為權重，計算該地每日的氣候適宜度，最后將一年內各日氣候適宜度平均值作為該年度的氣候適宜度。

通過對歷年氣候適宜度進行排序，采用百分位法建立氣候資源等級劃分依據，分別按照25%和75%百分位數對應的適宜度值，將氣候資源年景劃分為偏差、一般、偏好年景。

1.2 農業氣象災害年景評價

綜合考慮作物生長季內影響生長發育、產量形成以及農事活動開展的旱、澇、冷、熱等氣象災害類型，利用相關農業氣象災害指標或模型建立主要農業氣象災害發生程度的量化表達指數（表1），統計歷年各類氣象災害過程強度（年內多次過程取各過程強度之和），通過經驗累積頻率轉換或離差標準化將其歸一化為0～1的無量綱指標，以歷年實際災情統計資料為基礎，根據農作物受災面積確定不同災害的權重系數，最后將歸一化后的各災害指數進行加權平均，構建農業氣象災害年景指數。采用百分位法建立農業氣象災害年景等級劃分依據，分別按照25%、75%百分位數將氣象災害年景劃分為偏輕、一般和偏重年景。

表1 主要農業氣象災害及氣象指標Table 1 Main agrometeorological disasters and meteorological indices

1.3 農業氣候年景綜合評價

對農業氣候資源年景和氣象災害年景等級分別進行打分：一般年景為0，偏好或偏輕年景為1，偏差或偏重年景為－1，將兩類年景得分累積，若累積得分等于2，則認定該年度農業氣候年景等級為較好年景，累積得分等于1為一般偏好年景，累積得分等于0為一般年景，累積得分等于－1為一般偏差年景，否則為偏差年景。

2 江漢平原農業氣候年景評估應用

江漢平原地處長江中游，由長江及其支流漢江沖積而成，土壤肥沃，水源充足，氣候溫和，農業生產自然條件優越，是我國重要的糧、棉、油、魚生產基地，素有“魚米之鄉”之稱。同時，因受季風氣候以及地形、地理位置制約，雨季降水集中、洪澇災害多發，盛夏在副熱帶高壓控制下，常出現持續晴熱高溫天氣，造成農作物高溫熱害，春、秋季易受冷空氣南下影響，常發生陰雨濕漬災害，農業年景因氣候資源和氣象災害的程度不同而呈現較大的年際變異，是制約糧食生產穩定性的主要限制因子之一。

根據江漢平原分縣作物種植面積及產量統計資料，選擇油菜、小麥、早稻、中稻、晚稻、玉米、棉花等主要農作物為農業氣候年景評估對象，利用區域內農業氣象觀測站作物發育期觀測資料確定各作物的平均發育期，結合《大宗作物氣象服務手冊》[19]、《湖北省公共氣象服務手冊》[17]以及前人相關研究成果[8-11]，確定各作物氣候適宜度模型的參數以及相關災害指標，利用區域內16個氣象臺站1961—2017年逐日氣象觀測資料，分別計算歷年氣候資源和氣象災害年景指數，在此基礎上通過區域平均和等級劃分建立江漢平原農業氣候年景序列。

2.1 農業氣候資源評價

圖2為江漢平原1961—2017年逐年溫度、降水、日照適宜度序列，從圖中可以看出，適宜度指數的年際間具有明顯波動，能夠反映氣候資源優劣的年際差異，其中溫度適宜度數值介于0.58～0.7，降水適宜度介于0.6～0.9，日照適宜度介于0.45～0.65，三者中以降水適宜度的變化幅度最大，這是由于降水的年際變異大，且降水資源不足引起水分虧缺通常會持續一定的時間，日照和溫度適宜度年際變化相對較小，表明本地區熱量和光照資源相對穩定。從圖中還可以看出，溫度和日照適宜度在近60年中呈現明顯的趨勢性變化，這與近百年全球氣候變化的背景有關，研究表明近60年來江漢平原氣溫呈顯著上升趨勢，與此同時熱量資源有所改善，但地表總輻射呈顯著下降趨勢，導致光照資源有減少趨勢。綜合光、溫、水及其匹配狀況的氣候適宜度指數序列（如圖3a所示），并基于百分位數劃分農業氣候年景等級（圖3b），統計表明1961—2017年農業氣候資源共計有偏好年景16年，偏差年景15年，一般年景26年，不同年代間20世紀70年代和21世紀以來，以偏差或一般年景為主，20世紀90年代以偏好年景為主，20世紀80年代氣候資源變化幅度最大。可見，在氣候變暖背景下，盡管江漢平原熱量資源有所增加，但由于光照資源的下降以及降水資源的年際變異，導致農業氣候資源總量及其匹配協調的有效性下降，表明氣候變化對江漢平原農業氣候資源的影響總體以不利為主。

圖2 1961—2017年江漢平原農作物溫度、降水、日照適宜度變化Fig.2 Temporal changes in climatic suitability of temperature, precipitation, and sunshine for the Jianghan Plain from 1961 to 2017

圖3 1961—2017年江漢平原（a）農業氣候資源綜合指數時間演變及（b）年景等級劃分Fig.3 Temporal change of (a) comprehensive index of agroclimate resources and (b) classification of patterns by year for the Jianghan Plain from 1961 to 2017

2.2 農業氣象災害年景

圖4是基于表1農業氣象災害指標和模型反演的1961—2017年江漢平原主要農業氣象災害時間序列，從圖中可以看出，江漢平原地區發生頻率較高的農業氣象災害主要有暴雨洪澇、干旱、濕漬害、連陰雨、高溫熱害、倒春寒等，幾乎每年均有發生，五月寒、寒露風、盛夏低溫及低溫凍害發生頻率相對較低。近幾十年來在氣候變暖背景下，低溫冷害、凍害的發生頻率明顯減少，高溫熱害的頻率和強度有所增加，春、秋季連陰雨和濕漬害的強度在21世紀以來有所減弱，暴雨洪澇和干旱的發生頻率和強度沒有明顯的趨勢性變化。圖5為農業氣象災害綜合指數的時間序列及其年景等級，從圖中可以看出，20世紀60年代至70年代前期，氣象災害年景以一般和偏差年景為主，期間寒露風、低溫凍害和連陰雨災害較重，20世紀70年代后期至90年代前期，氣象災害年景的年際變幅較大，期間出現了1961年以來最嚴重的暴雨洪澇（1983年）和濕漬害（1991年），21世紀以來農業氣象災害年景以一般或偏好年景為主，這與低溫冷害、凍害及濕漬害、連陰雨的強度減弱有關，但部分年份（如2016年）由于個別氣象災害異常偏重，氣象災害年景總體偏差，且強度居歷史前列。

2.3 農業氣候年景綜合評價

圖4 1961—2017年江漢平原主要農業氣象災害時間演變Fig.4 Temporal changes of main agrometeorological disasters

圖5 1961—2017年（a）江漢平原農業氣象災害綜合指數時間演變及（b）年景等級劃分Fig.5 Temporal change of (a) comprehensive index of agrometeorological disasters and (b) classification of patterns by year for the Jianghan Plain from 1961 to 2017

圖6 1961—2017年江漢平原農業氣候年景等級Fig.6 Agroclimatic patterns by year for the Jianghan Plain from 1961 to 2017

綜合農業氣候資源和農業氣象災害年景建立農業氣候年景等級（如圖6所示），江漢平原1961—2017年較好年景有3年（1965，1975，1993年），上述年份農業氣候資源總量和匹配程度較好，農業氣象災害發生程度總體偏輕，較差年份有3年（1988，1991，2003年），上述年份農業氣候資源總量和匹配程度較差，且農業氣象災害發生程度偏重，一般偏好和一般偏差年景各有15年，一般年景有21年。以2017年為例，綜合圖2～6可以看出，該年度溫度適宜度處于歷史較高水平，熱量條件較好，降水適宜度為一般偏好等級，基本滿足農業用水需求，但日照適宜度接近歷史最低水平，日照條件異常偏差，農業氣候資源總體屬一般年景，年內高溫熱害和連陰雨災害較為突出，部分時段還出現了暴雨洪澇、濕漬害、干旱、倒春寒、五月寒、寒露風和盛夏低溫災害，但發生程度相對較輕，農業氣象災害年景總體屬一般年景，綜合農業氣候資源狀況和氣象災害發生程度，2017年江漢平原農業氣候年景為一般年景。

3 結論與討論

本文從農業氣候資源優劣和農業氣象災害發生程度兩個方面，基于氣候適宜度和氣象災害指標分別構建指標體系，并采用百分位數進行等級劃分，建立了農業氣候年景評估指標體系和綜合指數。該指數綜合反映了農業生產的氣候資源總量和匹配程度，以及不利氣象災害的影響程度，物理意義清晰、易于擴展和應用，可作為農業氣象及生態氣象業務服務指標。

以江漢平原為例，利用農業氣候年景評估指標體系對1961—2017年江漢平原農業氣候資源、農業氣象災害以及農業氣候綜合年景的時間演變特征分析表明，江漢平原農業氣候資源、氣象災害發生程度具有明顯的年際和年代際變化，在氣候變暖背景下，江漢平原熱量資源有所增加，降水資源變化不明顯，但光照資源明顯減少，農業氣候資源總量及其匹配協調的有效性下降；隨著氣候變暖，江漢平原倒春寒、五月寒、寒露風、盛夏低溫及低溫凍害等農業氣象災害發生頻率明顯減少，高溫熱害的頻率和強度有所增加；由于氣候變化對農業氣候資源和氣象災害影響的復雜性，近60年來江漢平原農業氣候綜合年景雖有波動，但未呈現明顯的趨勢性變化。以2017年為例，對開展任意年份農業氣候年景評估示例，該年度熱量條件較好，降水資源一般，光照資源偏差，農業氣候資源屬一般年景，年內出現嚴重的高溫熱害和連陰雨災害，但暴雨洪澇、濕漬害、干旱等其他災害發生程度較輕，農業氣象災害總體為一般年景，綜合農業氣候資源狀況和氣象災害發生程度，2017年江漢平原農業氣候年景為一般年景。

如何界定農業氣候年景的優劣尚沒有統一的標準[4,20-21]。以往研究通常以產量豐歉作為年景劃分的依據[21-22]，但糧食產量是氣候條件與農業生產管理多方因素綜合的結果，因此農業氣候年景不等同于農業年景，此外，不同農作物產量水平和經濟價值存在差異，當用于評價某地某年氣候年景的總體狀況時，如何確定不同作物的權重是年景劃分的難點，也是影響年景評價結果科學性和公眾理解、接受程度的關鍵。本文從農業氣候年景的內涵出發，基于氣象指標建立了年景評估和劃分方法，是對農業氣候年景評估技術體系的有效補充，由于缺乏必要的驗證，其應用效果尚需要在業務應用和實踐中逐步檢驗。本文提出的指標體系不僅適用于年度氣候影響評價，同時可應用于單作物的氣候年景評價和產量預報，在不同地區應用時根據需要可進一步對指標體系進行細化和完善。