江西省寒露風(fēng)的時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)

劉 丹,郭瑞鴿,楊 軍,蔡 哲*

(1.江西省氣象科學(xué)研究所,江西 南昌 330096;2.江西省農(nóng)業(yè)氣象中心,江西 南昌 330096)

0 引言

在秋季受北方冷空氣南下的影響下氣溫明顯下降，易使處在孕穗抽穗揚(yáng)花及灌漿階段的晚稻遭受低溫冷害,因時(shí)值寒露節(jié)氣前后,故稱為“寒露風(fēng)”。寒露風(fēng)作為南方雙季晚稻的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[1],長(zhǎng)期以來,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)寒露風(fēng)的時(shí)空分布特征、寒露風(fēng)對(duì)晚稻的影響、寒露風(fēng)的評(píng)估及預(yù)測(cè)等進(jìn)行了研究。在寒露風(fēng)的時(shí)空分布特征方面,黃珍珠等[2]分析了氣候變暖背景下廣東省寒露風(fēng)的變化特點(diǎn)；李艷蘭等[3]分析了廣西寒露風(fēng)的時(shí)空變化特征；王慶國(guó)等[4]統(tǒng)計(jì)分析了南寧市寒露風(fēng)的時(shí)空分布特征和演變趨勢(shì)；蘇榮瑞等[5]對(duì)江漢平原寒露風(fēng)的發(fā)生狀況和演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析。分析寒露風(fēng)的時(shí)空分布特征,對(duì)于晚稻生產(chǎn)的安排及寒露風(fēng)的防御有積極意義。

江西省作為雙季稻種植大省,是受寒露風(fēng)影響較大的省份。劉文英等[6]利用江西省81個(gè)代表站1959～2008年的氣象資料對(duì)江西省寒露風(fēng)的發(fā)生情況和演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析；邱在輝等[7]為了確定江西省適宜的水稻種植制度,也對(duì)寒露風(fēng)的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了分析。前人雖然對(duì)江西省的寒露風(fēng)的變化規(guī)律和演變趨勢(shì)進(jìn)行了一些研究,但這些研究一方面不能體現(xiàn)近10年的氣候特點(diǎn),另一方面缺少對(duì)寒露風(fēng)出現(xiàn)時(shí)段和周期變化,以及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究。因此本文以江西85個(gè)氣象站1961～2017年的日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ),以寒露風(fēng)的判定指標(biāo)為依據(jù),通過氣候傾向率分析、Manner-Kendall突變檢驗(yàn)、Morlet連續(xù)小波分析等方法,得出了江西省寒露風(fēng)的出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)日數(shù)、范圍等時(shí)空變化特征,并探究了寒露風(fēng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

1 資料與方法

1.1 資料來源及指標(biāo)

本研究使用的基礎(chǔ)資料為江西省85個(gè)氣象觀測(cè)站1961～2017年的逐日平均氣溫資料,數(shù)據(jù)來源于江西省氣象信息中心。

采用氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水稻冷害評(píng)估技術(shù)規(guī)范》中的南方地區(qū)秈稻指標(biāo)作為寒露風(fēng)災(zāi)害的判別依據(jù),統(tǒng)計(jì)江西全省各氣象站每年寒露風(fēng)出現(xiàn)的初日、持續(xù)日數(shù)、出現(xiàn)站次；若某臺(tái)站某年發(fā)生寒露風(fēng)事件,則記為1站次,若該站發(fā)生兩次寒露風(fēng)事件則記為2站次,依此計(jì)算出每個(gè)臺(tái)站每年發(fā)生的寒露風(fēng)事件的站次數(shù)[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率計(jì)算 用X表示樣本量為n的某一氣候要素,用t表示對(duì)應(yīng)的年序,擬合得到一元線性回歸方程[9-10]：X=at+b(t=1,2,3,…,n),式中a為回歸系數(shù),本文采用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行估算；以a的10倍作為氣象要素的氣候傾向率。

1.2.2 Manner-Kendall突變檢驗(yàn)和小波分析 Manner-Kendall突變檢驗(yàn)法[11]是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,適用于類型變量和順序變量。其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵循一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾[12]。通過構(gòu)造正序列(UF)和逆序列(UB)進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)正、逆序列統(tǒng)計(jì)量的曲線判斷寒露風(fēng)參數(shù)等的變化趨勢(shì)及突變特征。

小波分析[13]是一種常用的分析時(shí)間序列的變化尺度和變化趨勢(shì)的方法,它可以研究不同尺度隨時(shí)間的演變,具有多分辨率分析和對(duì)信號(hào)自適應(yīng)性的特征。因要素的周期變換特征復(fù)雜且同一時(shí)段又包含各種時(shí)間尺度的周期變化,故會(huì)表現(xiàn)出多時(shí)間尺度周期的特征，因此本文利用小波分析來研究寒露風(fēng)的周期性變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候平均態(tài)特征

為了能夠了解寒露風(fēng)在空間上的發(fā)生狀況,本文選擇寒露風(fēng)初日、總?cè)諗?shù)、頻率這3個(gè)要素對(duì)其空間上的平均特征進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1所示。圖1a顯示江西省寒露風(fēng)多年平均初日呈現(xiàn)出西北部早、南部遲的特點(diǎn)，其中贛西北部的九江市、宜春市西部、萍鄉(xiāng)市和撫州市的中部區(qū)域的平均初日在9月15～23日,贛北東部和贛中大部的平均初日在9月24～26日,贛南大部的平均初日在9月27～30日。圖1b顯示寒露風(fēng)多年總?cè)諗?shù)大體呈現(xiàn)出西部多、東部少的趨勢(shì),總?cè)諗?shù)在320 d以上的區(qū)域主要集中在九江市西南部、宜春市西北部和萍鄉(xiāng)市,總?cè)諗?shù)在300 d以下的主要集中在九江市的東北部、上饒市東部、鷹潭市、撫州市東部和贛州市大部;贛州市西部和南部的部分縣市的寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)為300～320 d,高于贛州市其它地區(qū),可能由當(dāng)?shù)睾０胃叨绕咚隆?duì)比圖1a和圖1b可以看出,寒露風(fēng)平均初日和寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)的分布特點(diǎn)大體一致,在寒露風(fēng)出現(xiàn)早的區(qū)域,寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)也多。從圖1c可見，寒露風(fēng)的頻率呈現(xiàn)出北部和南部低、中部高的趨勢(shì)，其中吉安、撫州、環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)域和九江市的修水、瑞昌的寒露風(fēng)頻率超過了75%,其中吉安市中部的泰和、吉安、吉水、峽江、新干區(qū)域的寒露風(fēng)頻率較高,達(dá)到了80%；寒露風(fēng)頻率低于70%的區(qū)域位于九江市東北角、上饒市東北的上饒縣和贛州市的贛州、于都、信豐區(qū)域；全省其他區(qū)域的寒露風(fēng)頻率在70%～75%。寒露風(fēng)的頻率分布與寒露風(fēng)的平均初日、總?cè)諗?shù)的分布不完全重合,表明寒露風(fēng)發(fā)生頻繁的區(qū)域,寒露風(fēng)的總?cè)諗?shù)不一定多,發(fā)生程度不一定重。

圖1 江西省寒露風(fēng)平均初日(a)、總?cè)諗?shù)(b)和頻率(c)的空間分布

2.2 空間變化特征

在計(jì)算1961～2017年每個(gè)站點(diǎn)的寒露風(fēng)初日、日數(shù)的氣候傾向率的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)分析寒露風(fēng)初日、寒露風(fēng)日數(shù)的空間變化特征,結(jié)果如圖2所示。圖2a顯示近57年江西省大部寒露風(fēng)平均初日呈推遲的趨勢(shì)，其中武寧、南昌縣、上饒縣三個(gè)縣市的推遲趨勢(shì)最明顯,每10年推遲2 d以上;九江市南部、宜春市北部、南昌市南部、撫州市大部、鷹潭市南部和上饒市東部寒露風(fēng)初日的氣候傾向率為1～2 d/10a,即每10年推遲1～2 d;上饒市西北、九江市東部、吉安市大部和贛州市大部寒露風(fēng)初日的氣候傾向率為0～1 d/10a；全省只有永新、上猶、贛州、南康、大余五個(gè)站點(diǎn)附近寒露風(fēng)初日的氣候傾向率小于0,即寒露風(fēng)初日呈提前的趨勢(shì)。圖2b顯示贛北南部、贛中大部、贛南大部區(qū)域的寒露風(fēng)日數(shù)呈增多趨勢(shì),贛北北部區(qū)域呈減少趨勢(shì)。具體來說，贛北的九江市、宜春市北部、上饒市東北角、撫州市的中部區(qū)域和贛州于都、會(huì)昌、龍南、定南四個(gè)站點(diǎn)區(qū)域寒露風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率小于0;余干、鷹潭、鉛山、上饒縣、進(jìn)賢、臨川、高安、樟樹、新余、吉水、吉安、泰和、南豐、廣昌、遂川、興國(guó)、石城、上猶、安遠(yuǎn)和全南這些站點(diǎn)寒露風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率較大,為0.5～1.0 d/10a;其他區(qū)域的寒露風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率在0～0.5 d/10a。 綜上可知,在氣候變化背景下,江西全省大部的寒露風(fēng)平均初日呈推遲趨勢(shì),寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)呈緩慢增加的趨勢(shì)。

圖2 寒露風(fēng)初日(a)和寒露風(fēng)日數(shù)(b)的氣候傾向率的空間分布

2.3 時(shí)間變化特征

2.3.1 逐年變化 通過線性擬合,得到了寒露風(fēng)初日、日數(shù)、站次的時(shí)間變化趨勢(shì)。如圖3a所示，1961～2017年寒露風(fēng)初日呈現(xiàn)推后趨勢(shì),推遲速率為0.5 d/10a,但顯著性較差,只通過了0.5水平的顯著性檢驗(yàn)。寒露風(fēng)平均初日最早出現(xiàn)在2006年,為9月8日；最晚出現(xiàn)在2009年,為10月9日；最早和最晚出現(xiàn)的日期相差31 d。從圖3b可以看出，1961～2017年寒露風(fēng)日數(shù)呈增加趨勢(shì),增加速率為22 d/10a,但只通過了0.5水平的顯著性檢驗(yàn)；總?cè)諗?shù)最多的年份為2012年,總?cè)諗?shù)最少的年份為1970年。圖3c顯示1961～2017年寒露風(fēng)站次呈增加的趨勢(shì),增加速率為3站次/10a,但只通過了0.5水平的顯著性檢驗(yàn)；站次最多的年份出現(xiàn)在2012年，最少的出現(xiàn)在1969和1970年；寒露風(fēng)站次的最多和最少年份與寒露風(fēng)日數(shù)的最多和最少年份保持一致。由圖3d可見，1961～2017年輕度寒露風(fēng)站次呈增加的趨勢(shì),增加的速率為1.5站次/10a,小于總站次的增加速率,但同樣只通過了0.5水平的顯著性檢驗(yàn)；輕度站次最多的年份是1973和1978年,最少的年份是2012年(0站次)。圖3e顯示1961～2017年中度寒露風(fēng)站次呈減少的趨勢(shì),減少速率為0.6站次/10a,且未通過0.5水平的顯著性檢驗(yàn)；中度寒露風(fēng)站次最多的年份為2008年,最少的年份為1970年。如圖3f所示，1961～2017年重度寒露風(fēng)站次呈增加趨勢(shì),增加的速率為2.8站次/10a,且通過了0.5水平的顯著性檢驗(yàn)；重度寒露風(fēng)站次最多的年份是2012年,最少的年份是1962年。綜上可知,1961～2017年寒露風(fēng)的初日呈推遲狀態(tài),日數(shù)、總站次、輕度站次和重度站次呈增加的趨勢(shì),且通過了0.5水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖3 1961～2017年寒露風(fēng)初日、日數(shù)、站次的變化趨勢(shì)

2.3.2 年代際變化 從表1中可知,寒露風(fēng)初日出現(xiàn)最早的年代是20世紀(jì)80年代(1981～1990年),為9月20日；最晚的是21世紀(jì)10年代(2011～2017年),為9月25日,比最早初日晚了3 d;1971～1989年和1991～2010年的初日日期相同,為9月22日,早于1961～1970年的9月24日。寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)最多的年代是1981～1990年,為563 d；最少的是1961～1970年,為332 d；1971～1980年、1991～2010年和2011～2017年的寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)分別為438 d、436 d和432 d。寒露風(fēng)總站次出現(xiàn)最多的年代是1981～1990年,為117站次；最少的是1961～1970年,為74站次;1971～1980年、1991～2010年和2011～2017年的寒露風(fēng)總站次分別為102、93和96站次,總站次的年代變化規(guī)律與總?cè)諗?shù)的保持一致。寒露風(fēng)輕度站次最多的年代是1971～1980年,為48站次；最少的出現(xiàn)在1961～1970年,為27站次;2011～2017年的寒露風(fēng)站次僅次于最多站次,達(dá)到45站次；1981～1990年和1991～2010年的寒露風(fēng)站次分別為40和37站次。中度寒露風(fēng)站次出現(xiàn)最多的年代是1971～1980年和1981～1990年,都為26站次；而站次最少的年代是2011～2017年,為15站次；1961～1970年和1991～2010年的中度寒露風(fēng)站次分別為23和20站次。重度寒露風(fēng)站次出現(xiàn)最多的年代是1981～1990年,為51站次；而最少的年代是1961～1970年；1961～1970年重度寒露風(fēng)站次比1971～1980年多4站次,為28站次；此外，1991～2010年和2011～2017年的重度寒露風(fēng)站次相近,分別為36和35站次。寒露風(fēng)初日最早在1981～1990年,寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)最多和寒露風(fēng)總站次、輕度站次、中度站次、重度站次的最多也在1981～1990年,表明寒露風(fēng)最嚴(yán)重的年代出現(xiàn)在1981～1990年。寒露風(fēng)初日最晚和中度寒露風(fēng)站次最少在2011～2017年,而寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)最少和寒露風(fēng)總站次、輕度站次、重度站次最少出現(xiàn)在1961～1970年,表明寒露風(fēng)最少的年代是1961～1970年。

表1 寒露風(fēng)初日、日數(shù)、站次的年代際變化

2.3.3 寒露風(fēng)的突變特征 采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)1961～2017年寒露風(fēng)的初日、日數(shù)、站次做長(zhǎng)期變化趨勢(shì)檢測(cè)。如圖4a所示：1961～2017年寒露風(fēng)初日的UF值以正值為主,表明寒露風(fēng)初日序列整體呈上升的趨勢(shì)；20世紀(jì)90年代中期和21世紀(jì)初UF值有下降-上升的波動(dòng),UF和UB在1999年相交；在1999年以后,UF整體呈上升趨勢(shì),在2005～2007年超過了信度線,說明江西省寒露風(fēng)初日在1999年發(fā)生了上升的突變,且在2005～2007年這種上升突變達(dá)到了0.05顯著性水平。圖4b、圖4c、圖4d和圖4e顯示,寒露風(fēng)日數(shù)、寒露風(fēng)總站次、輕度站次、重度站次的UF和UB多次相交,無法確定突變點(diǎn)；再經(jīng)過滑動(dòng)t檢驗(yàn),確定其突變點(diǎn)在1992年。從圖4f可以看出，中度寒露風(fēng)站次的UF和UB無相交,表明中度寒露風(fēng)站次無突變點(diǎn)。綜上所述,寒露風(fēng)初日的突變?cè)?999年,寒露風(fēng)日數(shù)、總站次、輕度站次和重度站次的突變?cè)?992年,而中度站次則無突變。

圖4 1961～2017年寒露風(fēng)初日、日數(shù)、站次的MK檢驗(yàn)結(jié)果

2.3.4 寒露風(fēng)的周期變化特征 本文對(duì)寒露風(fēng)初日、日數(shù)、站次、輕度站次、中度站次和重度站次的周期性變化進(jìn)行了分析。圖5a～圖5f分別是江西省寒露風(fēng)初日、總?cè)諗?shù)、總站次、輕度站次、中度站次和重度站次的時(shí)間序列小波變換實(shí)部時(shí)頻分布圖。

由圖5a～圖5f可知,寒露風(fēng)初日的周期尺度為19年和32年,在19年尺度中20世紀(jì)60～70年代初期、80年代中期～90年代中期、21世紀(jì)初～至今為高值區(qū),70年代初期～80年代中期、90年代中期～21世紀(jì)初為低值區(qū)；在32年尺度中，20世紀(jì)60年代～70年代和21世紀(jì)初～至今為高值區(qū),20世紀(jì)80年代～90年代為低值區(qū)。寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)的周期尺度為4年、10年、20年和29年，在29年尺度中，20世紀(jì)60年代～80年代初、21世紀(jì)初～至今為高值區(qū),20世紀(jì)80年代初～21世紀(jì)初為低值區(qū)。寒露風(fēng)總站次的周期尺度為4年、11年、20年和29年,其中輕度站次的周期尺度為4年、10年和30年,中度站次的周期尺度為4年、18年和29年,重度站次的周期尺度為5年和20年。在重度寒露風(fēng)站次的20年尺度中，20世紀(jì)60年代前期、70年代末期～90年代初期、21世紀(jì)初～至今為高值區(qū),20世紀(jì)60年代后期～70年代末期、20世紀(jì)90年代初～21世紀(jì)初為低值區(qū)。由上述可見，寒露風(fēng)初日、總?cè)諗?shù)、總站次、輕度站次、中度站次和重度站次的周期性不完全一致。

圖5 寒露風(fēng)初日、總?cè)諗?shù)和站次的時(shí)間序列小波變換實(shí)部時(shí)頻分布

2.4 與氣候變化的關(guān)系

IPCC第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告指出,在1880～2012年期間全球平均地表氣溫升高了0.85 ℃,尤其是從20世紀(jì)后半葉開始,氣溫升高的趨勢(shì)更加明顯[14-15]。在全球氣候變暖的背景下,江西省年平均氣溫也呈現(xiàn)出了上升趨勢(shì)[16-17]。江西省9月份平均氣溫的增加速率為0.07 ℃/10a。相關(guān)分析結(jié)果顯示,寒露風(fēng)初日、寒露風(fēng)日數(shù)、寒露風(fēng)總站次、輕度站次、中度站次和重度站次與9月份平均氣溫的相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)分別為0.70、-0.39、-0.40、-0.32、-0.23、-0.32,其中寒露風(fēng)初日、日數(shù)、總站次通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn),輕度寒露風(fēng)站次和重度寒露風(fēng)站次通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn),中度寒露風(fēng)站次通過了0.10水平的顯著性檢驗(yàn)。表明寒露風(fēng)初日與9月平均氣溫具有明顯的正位相變化趨勢(shì),9月平均氣溫越高,寒露風(fēng)初日越遲;而寒露風(fēng)日數(shù)、總站次、輕度站次、中度站次和重度站次與9月平均氣溫呈明顯的反位相變化趨勢(shì),9月平均氣溫越高,寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)、總站次、輕度站次、中度站次和重度站次越少。

利用表2中的相關(guān)方程可以估算氣溫變化對(duì)寒露風(fēng)初日、寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)、總站次、輕度站次、中度站次和重度站次的影響程度。江西省9月平均氣溫每升高1 ℃,寒露風(fēng)初日約推遲4 d,寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)約減少89 d,總站次和輕度站次都是約減少17站次,中度站次約減少2站次,重度站次約減少8站次。

3 結(jié)論和討論

江西省寒露風(fēng)初日呈現(xiàn)西北部早、南部遲的特點(diǎn),多年平均總?cè)諗?shù)呈現(xiàn)西邊多、東邊少的趨勢(shì),而寒露風(fēng)頻率呈現(xiàn)北部和南部低、中部高的趨勢(shì)。寒露風(fēng)頻率、平均初日、總?cè)諗?shù)的空間分布不完全重合,寒露風(fēng)發(fā)生頻繁的區(qū)域,出現(xiàn)的總?cè)諗?shù)不一定多,程度不一定重。

表2 寒露風(fēng)初日、總?cè)諗?shù)和站次與9月平均氣溫間的相關(guān)方程

在氣候變化背景下,寒露風(fēng)初日呈現(xiàn)推遲狀態(tài),日數(shù)、總站次、輕度站次和重度站次呈增加的趨勢(shì),通過了0.50水平的顯著性檢驗(yàn)。

寒露風(fēng)初日突變出現(xiàn)在1999年,寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)、總站次、輕度站次和重度站次的突變出現(xiàn)在1992年,而中度站次則無突變。寒露風(fēng)初日的周期尺度為19、32年,總?cè)諗?shù)與總站次的周期尺度接近,大約為4、11、20、29年;輕度站次的周期尺度為4、10、30年,中度站次的周期尺度為4、18、29年；重度站次的周期尺度為5、20年。

寒露風(fēng)初日、寒露風(fēng)日數(shù)、寒露風(fēng)總站次、輕度站次、中度站次和重度站次與9月份平均氣溫有較高的相關(guān)性,其中寒露風(fēng)初日與9月平均氣溫具有明顯的正位相變化趨勢(shì),寒露風(fēng)總?cè)諗?shù)、總站次、輕度站次、中度站次和重度站次有明顯的反位相變化趨勢(shì)。

寒露風(fēng)的時(shí)空變化特征對(duì)于江西省糧食生產(chǎn)布局調(diào)整、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)有重要意義,但本文在研究過程中忽略了江西省雙季晚稻生育期在地域上存在的差異性；另外采用的氣象數(shù)據(jù)不是作物冠層的氣溫,存在一定的代表性差異。今后擬將農(nóng)田小氣候的氣象數(shù)據(jù)作為資料來源,并結(jié)合江西省南北水稻種植生育期的差別進(jìn)一步研究寒露風(fēng)對(duì)江西省水稻生產(chǎn)的影響。