黑河地區低溫冷害時空分布及其對ENSO事件的響應

趙山山, 王志國, 孫麗莉， 高 明

(1.黑河市氣象局， 黑龍江 黑河 164300； 2.五大連池市氣象局， 黑龍江 五大連池 164100； 3.黑龍江省氣象局， 黑龍江 哈爾濱 150001)

低溫冷害是指一個或多個天氣過程，使作物生長發育和產量形成遭受不良影響，導致嚴重減產及品質降低，是我國農業生產上的主要氣象災害之一，對工農業生產和人民生活均產生重大影響[1]。因而低溫冷害問題一直受到眾多學者的關注。目前，國內對低溫冷害研究較多，其內容涉及評價方法與指標[2-9]、發生原因及分布規律[10-15]、風險評估及區劃[16-17]和氣候變化對生產生活產生的影響[18-22]等，研究成果對低溫冷害的致災規律認識、預測和對策具有重要的參考作用。然而，受全球氣候變暖的影響，近45年來東北地區氣溫呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.38℃/10a，并且氣溫增幅隨著緯度的升高而增大，大興安嶺北部和小興安嶺地區是增溫最明顯的地區[21]。同時，近50年來東北地區作物生長季低溫冷害出現頻次呈減少趨勢[15-16，22]。黑河地區位于我國黑龍江省北部的小興安嶺地區，境內小興安嶺山脈自西北向東南貫穿，地勢呈現中部高、兩側低，北部高、南部低的特點，氣候受山地地形影響明顯。黑河地區是我國優質高產大豆的重要產區之一，受氣候變化的影響，當地作物生長期熱量條件得到明顯改善，但低溫冷害和霜凍等農業氣象災害頻發，對當地農業生產造成重大損失。1972年低溫冷害造成黑河地區五大連池市水稻絕產，2006年的最近一次低溫冷害造成黑河地區嫩江縣大豆減產約10%。然而受研究區域尺度、地形及局地氣象資料等方面的影響，目前對黑河地區低溫冷害時空分布規律及響應因素還缺乏了解，未見相關研究報道。為此，利用黑河地區近55年(1960-2015年)的氣象資料，研究黑河地區低溫冷害的時空分布及其對ENSO事件的響應，以期為當地農業生產防災減災提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

作物生長季的氣溫等數據，來源于1960-2015年5-9月黑河地區的愛輝、孫吳、遜克、嫩江、五大連池和北安6個基準氣象臺站。

1.2 方法

1.2.1 低溫冷害的判定 低溫冷害判定方法采用黑龍江省一般冷害和嚴重冷害臨界指標判定方法[7]進行判定(氣候標準值采用1981-2010年的平均值)：

CDY=△T5-9+7.5539-0.057×(X+0.405×Y+0.0151×H)

CDW=△T5-9+18.8847-0.1426×(X+0.405×Y+0.0151×H)

式中，X為緯度(°)，Y為經度(°)，H為海拔高度(m)，△T5-9表示5-9月的月平均氣溫距平和，CDY和CDW分別表示一般低溫冷害和嚴重低溫冷害的臨界指標值，當CDY≤0而CDW>0時，判定為一般低溫冷害，當CDY≤0，CDW≤0時，判定為嚴重低溫冷害。

1.2.2 5-9月平均氣溫變化趨勢 參照文獻[10]的方法，采用一元線性回歸模型進行。

y=kx+b

式中，y為平均氣溫序列，x為時間序列，k為線性趨勢項，即10 k為氣溫每10 a的氣候傾向率，用于定量描述氣候要素變化線性趨勢。

1.2.3 突變檢測 采用累積距平分析和Mann-Kendall檢驗方法[20]對5-9月平均氣溫序列進行氣候突變檢測，判斷其長期顯著的演變趨勢及持續變化特征。

2 結果與分析

2.1 黑河地區作物生長季氣溫的變化趨勢與突變檢驗

近56年來，黑河地區5-9月平均氣溫呈極顯著上升趨勢(P<0.01)，氣候傾向率為0.39℃/10a(圖1)。其中，增幅最大為孫吳縣，最小的為遜克縣和五大連池市。各縣(市)增溫幅度由大到小依次為孫吳(0.55℃/10a)、愛輝(0.37℃/10a)、嫩江(0.33℃/10a)、北安(0.33℃/10a)、遜克(0.32℃/10a)和五市(0.32℃/10a)，且各站均通過P<0.01的極顯著性統計檢驗。在空間分布上，黑河地區西北部山區作物生長季的氣溫增幅較大，南部平緩地區增幅相對較小，與賀偉等[21]的研究結果相近。

從圖2看出，黑河地區5-9月平均氣溫累積距平呈先降后升趨勢，1960-1993年5-9月平均氣溫累積距平呈下降趨勢，1994年開始累積距平呈上升趨勢，說明黑河地區氣溫在1993年開始上升，氣溫突變點出現在1993年。從圖3看出，自1970年代以來，黑河地區5-9月平均氣溫有明顯的增暖趨勢。1980年代后期增暖趨勢大大超過顯著性水平(P<0.05)臨界線，氣溫的上升趨勢十分顯著。根據UF和UB曲線的交點位置可確定1990年代的升溫是突變現象，具體時間是1993年前后，與累積距平曲線走勢趨近。

2.2 黑河地區不同時期低溫冷害的發生狀況

1960-2015年黑河地區6個氣象臺站共發生低溫冷害152站次，56年間每個臺站平均發生25.3次，發生率為45.2%。其中，一般冷害77次，嚴重冷害75次；一般低溫冷害和嚴重低溫冷害每個臺站平均發生12.8次和12.5次，發生率分別為22.8%和22.3%；每年全市平均有2.7個臺站發生低溫冷害，其中每年有1.4個臺站發生一般低溫冷害，1.3個臺站發生嚴重低溫冷害。受氣候變暖的影響，1960-2015年，黑河地區在作物生長季發生低溫冷害的次數在各年代間存在明顯差異，呈逐年代減少趨勢(圖4)。其中，1960年代出現次數最多，發生頻率為39%；1970年代和1980年代呈減少趨勢，發生頻率分別為23%和21%；1990年代和2000年代發生次數明顯減少，發生頻率分別為15%和2%；2010年以來，未發生低溫冷害事件。

2.3 黑河地區發生低溫冷害的空間分布特征

從表1可知，1960-2015年黑河地區一般冷害、嚴重冷害和總冷害發生的空間分布狀況。一般冷害：愛輝臺站發生次數最多，為16次，發生頻率為28.6%；嫩江和五大連池臺站其次，均為14次，發生頻率為25.0%；遜克臺站最少，為10次，發生頻率為17.9%。嚴重冷害：北安臺站最多，為15次，發生頻率為26.8%；五大連池臺站其次，為14次，發生頻率為25.0%；孫吳臺站最少，為9次，發生頻率為16.1%。總冷害：愛輝和五大連池臺站最多，均為28次，發生頻率為50.0%；北安臺站其次，為27次，發生頻率為48.2%；孫吳臺站最少，為20次，發生頻率為35.7%。總體看，一般冷害發生頻率為西多東少，嚴重冷害發生頻率為北少南多。低溫冷害的頻率分布除受大氣環流因子影響外，還受地形和地勢的影響[21]，黑河地區1960-2015年6個臺站的低溫冷害發生頻率高于東北地區低溫冷害和黑龍江省低溫冷害發生頻率[9-10]。

表1 1960-2015年黑河各地發生低溫冷害的空間分布

2 2.4 黑河地區低溫冷害年對ENSO事件的響應 厄爾尼諾年或其前后年發生冷夏的概率較大[15,17]。在黑河出現低溫冷害的年份中，將3個站以上(含3個)均出現一般冷害或嚴重冷害的年份記為1個低溫冷害年份。20世紀60-90年代發生低溫冷害的年份共計26 a，各年代冷害年份數分別為10 a、6 a、6 a和4 a，且均發生在2000年以前。冷害年份暖事件總占比為57.6%，冷事件總占比為34.6%，一般年份總占比26.9%，暖事件對低溫冷害的影響顯著高于冷事件，而冷事件又高于一般年份，即ENSO事件年份發生低溫冷害的概率明顯高于一般年份。

1960-2015年共發生17次暖事件和12次冷事件，即發生ENSO事件共計29次，所涉及的年份共計48 a，發生ENSO事件年份發生低溫冷害的概率為54.2%。其中，在1960-1990年，ENSO事件涉及年份共計25 a，期間發生低溫冷害17次，即20世紀90年代以前在ENSO事件中低溫冷害的發生率為68%；1991-2015年，ENSO事件涉及的年份共計23 a，期間發生低溫冷害4次，且全部發生在2000年前，發生率為17.4%，即在20世紀90年代后ENSO事件年低溫冷害的發生率較小。可見，20世紀90年代以前ENSO事件年是黑河市低溫冷害的多發年份，20世紀90年代以后，受ENSO事件影響的低溫冷害發生率減小。表明，黑河地區在氣候變暖顯著背景下，低溫冷害發生率對ENSO事件響應減弱。

3 討論與結論

研究結果表明，在氣候變暖背景下，小興安嶺黑河地區氣候變暖尤為顯著，1960-2015年黑河地區在作物生長季發生低溫冷害的次數在不同年代間存在明顯差異，呈逐年代減小趨勢，與李文亮等[15-16,21]的研究結論一致。李文亮等[15]研究指出，黑龍江省一般低溫冷害表現為中部及西南部地區較高，嚴重低溫冷害呈北部大于南部趨勢。研究結果表明，一般冷害發生頻率表現為西多東少，嚴重冷害發生頻率是北少南多，因此，一般冷害發生頻率的空間分布趨勢結果一致，但嚴重低溫冷害空間分布趨勢結果相反，差異的原因可能是兩者分析的區域和尺度不同所致。

黑龍江省作物生長季低溫冷害的發生與ENSO事件的相關性很大，ENSO事件年及其前后年為低溫冷害的多發年[15]。研究結果表明，低溫冷害發生與ENSO事件的相關性受氣候變化背景的影響，在20世紀90年代后，黑河地區在氣候變暖顯著背景下，低溫冷害發生概率對ENSO事件響應減弱，與李文亮等[15]的研究結果存在差異。

1960-2015年黑河地區氣候變暖尤為顯著，作物生長季發生低溫冷害的次數在各年代間存在明顯差異，呈逐年代減小趨勢，其中20世紀60年代出現的次數最多，2010年以來未發生低溫冷害事件。低溫冷害空間分布上，一般冷害發生頻率為西多東少，嚴重冷害發生頻率為北少南多，其空間分布規律主要受大氣環流因子和地形與地勢因子的綜合影響。黑河地區低溫冷害發生與ENSO事件的相關性受氣候變化背景的影響，20世紀90年代前，氣候變化影響較弱，低溫冷害發生對ENSO事件的響應很高，ENSO事件中低溫冷害的發生率為68%；20世紀90年代后，黑河地區在氣候變暖顯著背景下，低溫冷害的發生率對ENSO事件響應減弱。