基于极值概率分布函数的中国早稻高温热害时空分布统计特征

揭示水稻高温热害风险特征对农业适应气候变化具有重要意义。本研究以中国早稻种植区为研究区域,基于早稻种植区214个气象站1971—2015年的数据,利用Mann-Kendall非参数趋势检验方法和极值概率分布理论,探究中国早稻高温热害的时空变化趋势和极值概率分布规律。研究发现:1)反映早稻高温热害的两个指标即高温热害累计天数(ADHS,accumulateddaysofheatstress)和热害有害积温(HDD,heatstressdegree days)的均值在湖南中南部、江西中部、浙江和福建中部较大,表明这些区域的早稻遭受高温热害的风险较大;从Mann-Kenall趋势检验看,两个指标在超过1/3的站点都呈显著增加的趋势,说明高温热害风险在这些站点显著增加,尤其20世纪90年代以后超过1/2的站点两个指标都呈显著增加的趋势。2)超过1/2以上的站点的高温热害累计天数和高温有害积温都满足极值概率函数分布。对于高温热害累计天数,56个站点满足耿贝尔分布(Gumbel),82个站点满足广义极值分布(GEV);对于热害有害积温,61个站点满足耿贝尔分布,58个站点满足广义极值分布。3)两个高温热害指标的10年、50年、100年重现期的空间分布规律和2个指标的均值空间分布类似,即均值较大的区域,其10年、50年、100年重现期对应的重现期水平(return level)也较大;重现期水平与经度、纬度和海拔无明显相关关系。研究结果有助提升对早稻高温热害时空趋势和概率分布规律的认识,可为农业适应气候变化和农业天气指数保险设计等方面提供理论参考。     

两湖地区水稻抽穗开花期高温热害时空分布

根据两湖地区(湖北省和湖南省)34个气象站1961-2017年逐日气象资料和早、中稻各28个农业气象站1981?2011年生育期观测资料,采用数理统计、线性回归法、ArcGIS的反距离权重（IDW）空间分析功能,对两湖地区各省早、中稻抽穗开花期高温热害的时空分布进行分析。结果表明：（1）湖北省、湖南省早稻高温热害日数和频次在21世纪00年代最多,20世纪60年代、2010?2017年次之,80年代最少;两省中稻高温热害日数和频次在70年代最多,60年代、21世纪00年代、2010-2017年次之,80年代最少。（2）早稻高温热害日数和频次高值区分布在鄂东南、湘南,低值区分布在鄂西南、湘西;中稻高温热害日数和频次的高值区分布在鄂东北、鄂东南、鄂西南、湘西、湘南,低值区分布在鄂西北、湘西。（3）各级别早、中稻高温热害在湖北、湖南两省的发生频数表现为轻度＞中度＞重度,且湖南省发生程度比湖北严重;两省均表现为中稻高温热害发生比早稻严重。     

基于信息扩散理论分析华北平原夏玉米花期高温热害的风险概率

利用1980−2019年华北平原40个站点的气象数据,将夏玉米花期日最高气温≥35℃持续3d及以上作为高温指标,综合考虑频次和持续时间,制定轻度、中度、重度高温热害等级;利用灾害发生次数和站次比分析夏玉米花期高温热害的变化规律;基于信息扩散理论评估高温热害风险概率,为科学应对夏玉米花期高温热害,保障夏玉米的高产稳产提供依据。结果表明：（1）2010−2019年是华北平原夏玉米受花期高温热害影响加重的阶段,呈现连年发生、范围明显扩大的特征,河南省表现明显。（2）夏玉米花期高温热害高风险区主要为山东西部和河南省,山东西部以轻度热害为主,风险概率在10a一遇以上（≥10%）。河南省受灾范围广、频次高、程度重,重度高温热害的风险概率在10a一遇以上（≥10%）的面积占比为66%,5a一遇以上（≥20%）的面积占比为18%。     

四川省水稻高温热害风险及灾损评估

高温热害是四川省最主要的农业气象灾害之一,研究高温热害对水稻的影响对于四川省农业可持续发展、保障水稻的安全生产具有重要意义。本文以1981—2015年四川省84个气象台站的逐日气象资料、农业气象观测站水稻生育期资料和县级水稻产量资料为基础,利用水稻高温热害指数,构建四川省水稻关键生育期和全生育期综合高温热害风险模型;分离水稻气象产量,建立高温热害影响下水稻气象产量与高温热害指数间的统计模型,开展1981—2015年四川省水稻高温热害风险和灾损评估。研究结果表明：四川省水稻抽穗扬花期,高温热害较高风险区和高风险区主要集中在盆地东北大部和盆地南部的个别地区,其中达州、广安和泸州的部分地区为高风险区。而低风险区主要分布在盆地西部、南部和川西南的大部地区。灌浆结实期,水稻高温热害较高风险区和高风险区主要集中在盆地东北和盆地南部的大部分地区,其中泸州大部、南充和宜宾的个别地区为高风险区。而低风险区主要分布在盆地北部、西部和川西南的大部地区。水稻全生育阶段高温热害较高风险区和高风险区主要集中在盆地东北和盆地南部的大部分地区,其中泸州、南充和达州的部分地区为高风险区。而低风险区主要分布在盆地北部、西部和川西南的大部地区。构建的水稻高温热害灾损评估模型简单实用,验证结果表明高温热害年水稻统计产量与模拟产量间的相对误差绝对值都小于1.5%,建立的模型能反映四川省高温热害对水稻产量的影响,同时能够较好地评估高温热害下四川省水稻的产量损失。进一步的灾损评估结果表明,高温热害危害下代表站点水稻的减产率为5.6%~10.2%。     

湖北省茶树气象灾害模糊综合评价及区划

气象灾害是制约茶叶生产并影响茶叶品质的主要因素,为综合评价湖北省茶树气象灾害的空间分布特征及其与气象要素的关系,以专用气象插值软件ANUSPLIN为依托,根据湖北省气象资料,选取出茶树越冬期冻害和 7－8月旱热害致灾因子并划分受灾等级,运用模糊数学中的综合评价模型,重点分析了湖北省茶树气象灾害的空间分布特征。结果表明：湖北省茶树气象灾害的空间分布差异较为明显：湖北省茶树越冬期冻害等级由南向北逐渐增加;7－8月湖北中部地区为茶树重度旱热害区,位于其东西两侧附近区域为茶树轻度旱热害区,湖北东部的大部分地区和湖北西北部的局部区域为茶树中度旱热害区。茶树气象灾害模糊综合评价研究可为湖北省应对茶树气象灾害,调整茶叶生产布局提供理论依据。     

江汉平原四湖流域近50年高温热害及热涝相随特征

利用江汉平原四湖流域荆州、潜江、监利、石首和洪湖5站点1960-2010年逐日气象资料,运用常规统计手段和Mann-Kendal突变检测方法,对四湖流域高温热害过程年际变化趋势,高温热害过程在7-8月内各旬发生频次,高温热害发生密集度,热、涝相随灾害发生特征等进行初步探讨.结果表明:(1)四湖流域1960-2010年年高温热害天数以3～ 19d为主,20世纪60年代初-80年代中期缓慢下降,80年代中期以后呈上升趋势,且5站点均有突变点出现,但出现的时期有所不同;(2)四湖流域高温热害以轻度热害为主,且集中在7月中旬、下旬和8月上旬这3个时段(即7月10日-8月10日),同时存在两次高温热害相连发生的现实,其中以间隔1～3d相连发生的次数最高,发生周期为3a,就热害形式来说,轻度高温热害与其它高温热害相连发生的次数最多,51a共发生39次,周期为1.31a;(3)四湖流域发生次数最多的热、涝相随灾害形式为轻度热害、偏涝相随型灾害,51a各站点平均发生了15次,占热、涝相随灾害发生总次数的44.12％,且大部热、涝相随灾害中两种灾害的间隔期在1～5d内.     

江西省双季早稻灌浆乳熟期高温热害影响评估

依据江西省14个农业气象观测站2000-2013年农业气象观测资料、6月下旬-7月中旬逐日最高气温资料,探讨早稻高温热害的主要影响因子,建立江西省双季早稻灌浆乳熟期高温热害影响评估模型,并利用2000-2012年早稻产量、灾害调查资料和2012-2013年早稻分期播种试验资料进行验证。结果表明,过程最大升温幅度、过程极端最高气温和高温持续日数,为早稻高温热害的主要影响因子。在此基础上,结合主成分分析法构建灌浆乳熟期高温热害评估和指数计算模型,其历史回代和分期播种试验检验的准确率均比较高,可以用来定量评价江西省早稻灌浆乳熟期高温热害发生程度。据此确定的高温热害评价指标为：高温热害指数（HTDI）≥0.60时为重度高温热害,早稻减产率＞10%;HTDI在0.30～0.60时,发生中度高温热害,早稻减产5%～10%;HTDI在0.10～0.30时,发生轻度高温热害,早稻减产小于5%。     

安徽省水稻高温热害保险天气指数模型设计

利用安徽省南陵县1991-2011年逐日气象数据,通过调查区域水稻生长期的主要农业气象灾害类型,选择易对授粉产生影响并导致减产的中稻孕穗-灌浆期高温热害作为保险设计的气象灾害类型;定义7月21日-8月15日连续3d日最高气温在35℃（含35℃）以上为一个高温过程,计算日有效高温差累计值,作为水稻高温热害保险天气指数（ST）;以10℃作为赔付触发值,并按照灾害程度越大赔付标准越高的思路确定不同灾害程度下的具体赔付标准（即启动赔付系数）;通过对南陵县1991-2011年水稻产量的分离和去趋势化处理,计算历年由于气象条件变化造成的产量和货币损失,对比历史天气指数发生概率与历史产量损失率,确定指数保险赔付的触发值及赔付标准,建立高温热害天气指数模型;与实际灾害情况相结合,通过设定参数值详细给出了模型在安徽省南陵县应用的计算过程。该天气指数保险产品操作性强,可为同类地区高温热害保险提供参考,以便在灾害发生后客观、快捷地为保户提供经济补偿。     

安徽省中季稻生育期高温热害发生规律分析

根据安徽省1961-2013年常规气象资料和1980-2011年中稻产量资料,采用数理统计、Morlet小波分析和ArcGIS的空间分析功能,对安徽省各等级高温热害发生时间分布、年际变化、周期性及空间分布规律进行分析。结果表明：（1）1961-2013年,安徽省中季稻生育期高温热害发生频次较高的时段主要集中在7月中、下旬和8月上旬,尤以8月上旬最高,轻、中、重级高温热害平均2.15a、3.81a、4.69a发生1次,且轻度热害发生次数最多;（2）53a来安徽中稻生育期内各级别高温热害发生频次均呈先减少后增加的趋势,其中80年代发生频次最少;（3）各级别高温热害发生次数均有显著的周期性震荡规律,存在48a、28a、12a的变化周期;（4）各级别高温热害发生频次空间分布总体呈南部偏多,并由西南部向周围递减的趋势,尤以安庆最为严重;（5）安徽中稻产量与高温热害频次的相关性并不显著。     

四川单季稻抽穗扬花期和灌浆结实期高温热害时空特征

利用四川省84个气象观测站1961-2014年逐日平均气温、最高气温和日平均相对湿度等气象资料以及1981-2014年水稻空壳率数据,通过线性回归法、多项式回归法、Morlet小波分析等方法,分析水稻抽穗扬花期和灌浆结实期高温热害的时空变化规律。结果表明： 1961-2014年高温热害总次数呈上升趋势,不同等级热害发生次数的年际变化特点与总次数一致,尤以2000年后增幅显著,其中抽穗扬花期轻度热害和灌浆结实期重度热害的增幅最显著,这与气候变暖背景下,1990年以来水稻高温热害区域增多的趋势基本一致;不同生育期内各等级高温热害发生次数均有显著的周期震荡规律,方差值在16a、12a、4a时间尺度上均出现峰值,依据周期变化推测,2015年后高温热害将持续偏多。依据高温热害“山区少、盆地多”的分布特征,可将盆中浅丘区及盆南丘陵区划分为热害频发区,盆东岭谷区为热害偶发区,川西南山地为热害少发区。在气候变暖背景下,1990年以来不同等级高温热害均呈现发生频率增多,范围扩大,高发中心从平原向山地扩大的趋势。本研究实现了水稻高温热害监测产品由定性向定量化的转变,融合常规高温指标的动态监测,提高了空间分布的精细度,延长了研究的时效性,更具针对性和指导性。     

浙江省高温热害发生规律及其对早稻产量的影响

在前人研究基础上,提出浙江省早稻高温热害的气象指标是日平均气温≥30℃和日最高气温≥35℃连续出现3d及以上。根据该指标和全省68个气象站高温数据,分析了浙江省早稻高温热害发生规律及其对产量的影响。结果表明：除东部沿海和浙南部分山区外,其余大部地区高温热害均有发生,高温中心出现在金华地区;1988年之后高温热害呈现加重趋势;高温热害持续天数与空壳率、秕谷率之间呈显著的正相关关系,与结实率、千粒重以及早稻产量之间呈显著的负相关关系,并建立了模拟方程。此结果可为水稻高温热害监测预警和影响评估提供参考。     

主要气象灾害对福建粮食生产影响的灰色关联分析

利用1980-2004年福建省气象灾害统计资料,采用灰色关联分析方法分析了4种气象灾害包括旱灾、水灾、风雹灾和低温冻害对福建粮食生产的危害性。结果表明,影响福建早稻生产的主要气象灾害是风雹灾,影响晚稻、单季稻和甘薯的主要气象灾害为旱灾。通过对1995年前后福建粮食总产与4种灾害受灾面积关联分析发现,总体上看,旱灾和寒害一直是影响福建粮食生产的主要气象因子,1995年以后,旱灾和水灾的影响有所增加。     

基于障碍型冷害损失评估模型推算东北水稻无障碍型冷害终日

利用东北地区35个气象站1981-2012年逐日气象资料和水稻生育期数据,借助水稻障碍型冷害损失评估模型,模拟不同耐寒性粳稻幼穗分化期后逐日空壳率的变化,并以空壳率在80%保证率下不超过生理空壳率(7.62%)的终日作为无障碍型冷害终日(NSCI)。结果显示,东北地区粳稻NSCI大体呈纬向分布规律,随纬度增加而提前;黑龙江省耐寒性较弱、耐寒性较强和耐寒性强3种类型水稻的NSCI分别为7月14、17和22日,吉林省分别为7月18、21和25日,辽宁省分别为7月28日、8月4日和8月10日;近30a东北地区水稻NSCI年际波动较大,1981-2000年,NSCI没有明显变化趋势,以年际波动为主;2001-2012年,部分地区NSCI呈现显著延迟的趋势;NSCI前后30d及实际抽穗期前后30d低温冷害发生次数和强度的对比分析表明,参考模型推算的NSCI安排水稻生产,可以有效减轻水稻孕穗-灌浆结实期低温冷害的影响,说明由模型推算的不同耐寒性水稻安全齐穗期对保障东北水稻安全生产具有一定的参考价值。     

基于ORYZA2000模型的湘赣双季稻气候生产潜力

应用湘赣地区1961-2006年25个气象观测站的逐日气象资料以及31个农业气象观测站1981-2006年双季稻发育期、生物量观测等资料,对水稻生长模型ORYZA2000进行参数调试和验证。以双季稻发育速率参数为主,结合地形、气候、水稻熟性分布和当地生产实际,将湘赣双季稻区划分为7个区域,实现了ORYZA2000在湘赣双季稻地区的应用。利用本地化后的ORYZA2000模型模拟湘赣地区早、晚稻的逐日生长过程,分析了湘赣地区1961-2006年双季稻气候生产潜力的时空演变规律。分析表明,赣东、赣中、湘中一带双季稻气候生产潜力较高,湘北、湘南、赣南、赣东北双季稻气候生产潜力较低,其空间分布与实际生产情况相符。从历史演变看,25个站中有18个站的双季稻气候生产潜力呈下降趋势,每年下降22-86kg/hm^2不等。初步分析表明,湘赣地区双季稻气候生产潜力下降是由于生育期天数减少、生育期内辐射（日照时数）减少和（或）积温上升3个因素的共同影响。辐射减少导致光合作用产物减少,积温上升意味着生育期内温度升高,或产生高温胁迫,或引发生育期缩短,均对水稻生长不利。     

湖南一季超级稻种植气候区划

根据湖南省各站1961-2003年共43a历史气象资料和2002-2003年田间试验结果,针对一季超级稻播种育秧期的连阴雨及抽穗扬花期的高温热害两种主要气象灾害指标,从气象条件出发,利用GIS手段,研究了湖南省一季超级稻适宜种植区域。     

黄河故道砀山酥梨花期低温冷害风险的评估方法初探

低温冷害为砀山酥梨花期的主要气象灾害之一,其风险评估具有重要意义。运用数理统计方法研究分析1983-2006年砀山酥梨物候资料和同期气象资料,从酥梨始花期和整个花期的日最低气温的概率分布入手,建立了酥梨花期低温冷害风险评估模型。结果表明：（1）砀山酥梨花期内遭受某一级别的低温冷害的风险,可由始花期出现的概率与花期内逐日出现某一级别低温冷害的概率之和的乘积来表示,一般是酥梨始花期越早、花期历时越长,遇到某一级别低温冷害的风险越大。所得风险评估方程,可用于风险评估。（2）砀山酥梨开花始期具有正态分布特征,即始花期早和迟的出现频率较小,处于历年始花期均值附近的频率较大。（3）砀山酥梨花期遭受低温冷害的指标可分为花期内出现日最低气温≤7℃、≤5℃、≤3℃三个级别。（4）酥梨始花后到某一日遭受某一级别低温冷害的累积概率,除始花日出现≤3℃低温冷害的概率与始花期早晚呈线性关系外,其他日期的累计概率均与始花期的早晚呈指数关系。     

江西气温稳定通过10℃初日变化及其对双季早稻物候期的影响

利用江西82个气象站1959-2009年日平均气温和14个农业气象观测站1981-2008年的双季早稻物候期资料,分析了气温稳定通过10℃初日的变化及其对双季早稻物候期的影响。结果表明,10℃初日在51a间年际变化十分明显,极差达36d;年代际变化在20世纪80、90年代最为剧烈,2000-2009年次之,60、70年代较为稳定;整个分析期内线性变化趋势不明显,但1991-2009年呈明显提前的趋势。51a间全省10℃初日的区域分布变化明显,3月20日、3月10日分界线从20世纪60-90年代逐步南压,2000年以来大幅度北收;赣南变化幅度大于赣北赣中。10℃初日与双季早稻营养生长期物候期呈正相关,与生殖生长期物候期相关性不明显。典型早年与典型迟年比,双季早稻营养生长期的物候期普遍提前,全省平均提前3.7~9.1d;而在生殖生长期,部分站的物候期转为推迟,总体上早迟年物候期差异在±4d以内;全生育期平均延长3.0d。研究结果可为当地水稻生产布局调整和农事安排提供参考。     

四川省水稻综合气象灾害风险区划

本文利用1981—2012年四川省82县的水稻单产资料,采用HP滤波法,进行水稻气象产量分离,分歉收年和成灾年两个年型,研究四川省水稻单产平均减产率、减产率变异系数和不同等级减产率风险概率的空间分布特征,并基于成灾年风险区划指标,开展四川省水稻综合气象灾害风险区划。结果表明:HP滤波法可用于四川省水稻气象产量分离,四川省水稻气象产量具有显著的准4 a、7 a周期振荡特征。平均减产率从西南向东北方向呈现"高–低–高"分布特征,80%以上县歉收年平均减产率介于2%～7%,成灾年平均减产率介于6%～15%。各县歉收年减产率变异系数介于0.6～2.2,成灾年减产率变异系数介于0～1.2;减产率变异系数相对高值区位于西南山地西部、盆地南部和盆地北部山地。各级减产率风险概率大值区主要集中于广元和巴中地区,还包括盐亭、古蔺、盐源、越西等县。四川省水稻综合气象灾害高风险区主要分布于盆地北部、盆地南部和西南山地西部等山区,中等风险区主要分布于盆地丘陵区及盆周低山区,低风险区主要分布于盆地平原、浅丘区和凉山州中东部。风险区划结果与四川省气象灾害分布和水稻农业气象灾害分布的研究成果相吻合,可为四川省水稻防灾减灾提供科学依据和重要参考。     

影响湖南早稻生产的五月低温的风险评估

五月低温是影响湖南双季早稻的一种常见的低温冷害。近年来,五月低温发生频率较大,影响早稻生产,对粮食安全生产造成威胁。本文根据湖南省96个气象站1961-2009年5月逐日气象资料和湖南省《气象灾害术语和分级》地方标准,系统分析了五月低温的地域分布特征和发生时段的分布规律。并根据低温对水稻影响的原理,综合考虑低温发生的不同时段和低温程度对冷积温的意义,改进了冷积温计算方法,创建了当量冷积温。同时利用五月低温强度指数,结合湖南早稻种植实际情况,定量评估了基于早稻种植现状的五月低温的生产风险。结果表明：湘北和湘中地区发生五月低温的气象风险较高,且是早稻种植主产区,早稻生产的低温风险较大,是防范重点区域;湘南等地早稻五月低温气象风险小,仅在五月低温发生较重的年份须注意防范;湘西虽是五月低温气象风险的高发区,但由于该区域双季早稻种植面积小,低温对早稻生产影响不大。最后提出了各区域双季早稻生产安排防灾避灾的建议。