基于灰色模型的黑龙江省水稻生育期热量指数分析及预测

选择黑龙江省11个水稻农气观测站点为研究对象,利用1971-2016年逐旬气温资料和水稻发育期资料,将黑龙江省划分为东、西、南三个区域,使用微分方程动态建模方法建立3个区域5、6、7、8月热量指数的灰色预测模型,在此基础上滚动预报水稻生育期的总热量指数,以期开展黑龙江省水稻低温冷害的预测服务。结果表明热量指数能够很好地反映水稻生育期热量条件,且与低温冷害年有很好的对应关系。黑龙江省不同水稻产区热量指数灰色模型模拟结果与原序列关联度均达到0.88以上,通过了关联度检验和残差检验,1971-2010年拟合平均准确率为94.6%～97.6%,且7、8月的预报准确率普遍高于5、6月;2011-2016年的试报准确率均在97%以上,说明各模型的模拟效果很好。利用灰色模型预测黑龙江省水稻生长季热量指数是可行的,可以满足水稻生长发育过程中延迟性冷害的实时评估需求。     

内蒙古地区玉米低温冷害动态监测指标的建立

利用内蒙古主要玉米种植区36个站点1981-2010年的气象和玉米产量资料,10个农业气象观测站的发育期资料及玉米品比试验资料,分析了5种熟性玉米品种正常年份的热量需求,确定各品种主要发育期平均出现日期和标准活动积温下限.采用相对活动积温距平（TXJ）计算方法,统计了近30a各站主要发育期的TXJ,以TXJ负值和减产率的关联性为基础,确定各品种一般低温冷害和严重低温冷害的TXJ阈值监测指标. 36个站近30a的回代检验和24个典型年分析表明：冷害发生与减产的吻合率随生育进程呈增加的趋势,在吐丝-乳熟期最高,达到69％,乳熟-成熟期次之,为67.1％;晚熟品种吻合率高于偏早熟品种,严重冷害（76.6％）高于一般冷害（57.2％）;典型年判断准确率平均为95.8％,吐丝期以后达到100％;吐丝-乳熟期是冷害发生最敏感的时期.该指标综合反映了生长季各阶段低温累积效应和高温补偿效益,农学和生物学意义明确,可在内蒙古低温冷害监测业务中推广应用.     

气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征[Ⅰ]:东北春玉米延迟型冷害

基于东北三省春玉米潜在种植区内65个气象站点1961-2010年逐日气象数据,以气象行业标准5-9月逐月平均气温之和与其多年平均值的距平作为春玉米冷害等级判断指标,分析东北三省春玉米生育期冷害发生概率的空间分布和年代际演变特征,并利用每月逐日平均气温与其多年平均值的距平值明确了春玉米生长时段内低温事件发生风险较大的月份。结果表明:(1)近50a(1961-2010年)东北三省春玉米冷害发生区域范围大小表现为重度轻度中度,其中轻度冷害的高发区位于吉林省西部,低发区位于辽宁省南部地区;中度冷害主要发生于黑龙江和吉林省部分地区,辽宁省发生较少;重度冷害高发区位于黑龙江省北部、东南部以及吉林省东部地区,发生频率在25%以上,低发区位于辽宁省中西部,发生频率低于5%。各等级冷害发生频率年际间总体呈下降趋势,近20a(1991-2010年),各等级冷害的发生范围明显缩小。(2)东北三省春玉米各等级冷害低温事件主要发生在5月和6月,生产实际中需关注5月和6月的温度变化及冷害发生。     

气候变化下东北水稻冷害时空分布变化

东北水稻生产对我国粮食安全保障具有重要的作用和意义,加强气候变化下灾害的研究有利于趋利避害。本文通过对1961—2010年各年代东北水稻生长季节(5—9月)的月平均气温、月平均气温之和以及近30年(1981—2010年)月平均气温之和距平3个指标变化的分析,研究了气候变化背景下,东北地区水稻生长季热量资源及冷害发生的变化规律。采用1961—2010年中国地面气温0.5o×0.5o格点数据,提取东北三省359个格点的年代气温数值,根据东北水稻延迟低温冷害气象行业标准(QX/T182—2013),运用Arcgis地理信息技术和概率统计学方法,对1981—2010年东北水稻冷害年代际时空分布及发生概率进行区划,并结合1981—2010年中国气象灾害大典和时事报道中有关东北冷害记载进行对照分析。研究结果表明:1960s—2000s东北水稻生长季5—9月年代际平均气温(T5—9)明显升高,平均气温之和(∑T5—9)明显增加,T5—9≥15℃、≥20℃和∑T5—9≥83℃的区域面积扩大显著。平均气温之和距平(ΔT5—9)随年代由负值转为正值,说明气候增温效应显著,水稻冷害发生也随年代由多到少。受气候变暖影响,东北水稻轻度、中度和严重冷害发生年份、分布区域和发生频率随年代发展都呈现显著减少趋势,到2000s,冷害集中到黑龙江北部、东南部局部地区和吉林东南部局部地区,年频率也降低到0.1~0.2;冷害发生年份和区域能够与历史冷害记载大体相符;冷害的显著减少为东北近10年来的水稻丰产增收创造了十分有利条件,但也需进一步提高对局部地区冷害防御的关注。     

基于遥感的东北地区水稻延迟型冷害动态监测

水稻延迟型冷害大范围准确的同步跟踪监测,可为提高稻米品质和产量提供帮助。在明确东北地区水稻种植区域和水稻低温冷害年的基础上,基于MODIS MOD13A2数据产品划分了东北地区水稻各发育普遍期植被指数判识指标的参考范围,构建了基于地理信息的水稻发育期模型,在此基础上制作了水稻静态发育期空间分布图,并以2009年5月24日和8月7日为例开展了东北地区水稻延迟型冷害动态监测的应用研究。结果表明:东北三省发生较大范围水稻延迟型冷害的年份有2002年、2003年、2008年和2009年,其中黑龙江省是水稻延迟型冷害的重灾区;EVI在水稻发育期判识中较NDVI更具优势;利用经度、纬度和海拔高度与日序的相关关系构建水稻发育期模型,推算无观测地区的发育期具有一定的可行性;在同一时间东北三省各地的水稻发育期分布推算结果的基础上,实现了2009年5月24日和8月7日东北地区水稻延迟型冷害动态监测,所得监测结果与2009年农业气象观测记录在时间和空间上有很好的一致性,监测结果正确。     

黑龙江省水稻主栽品种热量指标鉴定及适宜种植区划

根据分期播种试验资料，利用最小二乘法计算了黑龙江省主栽水稻品种各生育期所需有效积温和生育期下限温度等热量指标；利用1971—2000年全省81站逐日气象资料，在50km×50km网格上内插得到水稻生育期活动积温和可能生育期日数的空间分布，与各主栽品种全生育期活动积温、生育期Et数的实测值对比，结合黑龙江省水稻低温冷害的分布特征，将黑龙江省水稻适宜栽培区初步划分为五类，得到各水稻主栽品种的适宜分布区域，结果可为充分利用当地气候资源、指导水稻生产提供参考。     

孕穗抽穗期低温处理对黑龙江省主栽水稻品种结实率的影响

选取黑龙江省4个耐冷性不同的水稻品种,应用人工气候室在水稻孕穗抽穗期进行不同低温强度、不同持续时间(2008年)、不同昼夜变温(2009年)处理的低温试验,通过观测比较水稻结实率,分析主栽品种的耐冷性差异,探索障碍型冷害的温度指标及不同昼夜低温形式对水稻结实率的影响。结果表明,品种间对低温表现出不同的耐冷性,在15℃低温下处理8d,空育131的结实率为87%,表现的耐冷性最强,龙稻3和龙稻7次之,而垦稻12的结实率为61.5%,耐冷性最弱;在4～8d的低温处理下,空育131孕穗抽穗期障碍型冷害发生的温度为15℃,龙稻3和龙稻7为16℃,垦稻12为17℃左右;在日积温(15℃)相同的低温处理下,昼、夜持续15℃低温,即水稻始终处于受害温度下的结实率均值低至74.3%,发生了严重的障碍型冷害;昼夜有温差变化,即部分时段水稻处于非受害温度下的结实率均值在79.5%～82.4%,障碍型冷害程度显著下降。     

黑龙江水稻孕穗期障碍型冷害及其对产量的影响

以连续3d以上日均气温≤18℃为指标判定障碍型冷害,利用黑龙江省稻作区1961—2006年每年7月中-下旬逐日平均气温和水稻产量资料,采用气候统计方法分析水稻孕穗期障碍型冷害的发生特征,在此基础上利用多元线性回归方法分析水稻实际单产与孕穗期障碍型冷害期间平均温度和低温持续时间的关系。结果表明：1961—2006年,黑龙江省稻作区水稻孕穗期障碍型冷害呈现不规律的时间变化特征,共有17a发生,发生范围大、持续时间长、平均气温低的年份有1964、1971、1990和2006年,20世纪80年代发生最多,为7a,20世纪90年代发生最少,为1a。研究期间,孕穗期障碍型冷害的发生频率在地域上呈现由北向南、由东向西减少的趋势,北部最多,西部最少;在同一冷害年内,孕穗期障碍型冷害的发生具有明显的区域差异,冷害的发生程度在区域上表现为东部重于西部,北部重于南部。水稻实际单产与孕穗期障碍型冷害期间平均温度和低温持续时间具有极显著的相关关系（P〈0．01）,孕穗期障碍型冷害期间平均温度每下降1℃,水稻单产降低1234．177kg／hm^2,孕穗期障碍型冷害持续时间每延长1d,水稻单产下降104．208kg／hm^2。     

基于气象模型分析东北三省近50年水稻孕穗期障碍型低温冷害时空变化特征

采用水稻生长发育和产量形成气象影响模式计算出的东北三省1961-2010年水稻空壳率作为判定障碍型冷害的基础资料,利用累积距平曲线和小波分析等方法分析近50a东北三省水稻孕穗期障碍型冷害空间分布特征及时间变化规律,以期为预测水稻孕穗期障碍型冷害提供依据。结果表明,东北三省水稻孕穗期障碍型冷害主要发生在吉林东北部和黑龙江东南部。吉林冷害的阶段性变化表现为1972年以前多发,1973-1981年少发,1982-1985年转入多发,1986-2001年少发,2002年开始转入一个新的多发阶段;黑龙江省冷害的阶段性变化与吉林省较相似;辽宁省冷害的阶段性变化不明显。黑龙江和吉林的冷害分别存在24a、16a和24a、8a左右的准周期变化,辽宁无显著的准周期。进入21世纪后,东北三省水稻孕穗期障碍型冷害明显增多。综合各时间尺度周期外推结果,黑龙江和吉林水稻孕穗期障碍型冷害目前的多发趋势将维持到2016年前后,辽宁的趋势不明显。     

新疆棉花低温冷害逐步回归预测模型

为及时采取防御措施和减轻低温冷害对新疆棉花生产的严重影响,利用1961-2005年逐日平均温度资料、棉花多年产量和发育期资料,计算了新疆主要棉区棉花的热量指数,确定了低温冷害的热量指数指标,可以较好地判断预报年新疆主要棉区的冷害发生情况及灾害程度.在此基础上以74类大气环流特征量为预测因子,从棉花的播种期开始到停止生长,逐月滚动建立了各个棉区热量指数的逐步回归模型.各月模型的预测准确率达到90%以上,能较好地预测该区棉花生长季内的热量状况;且可以看出,预报月前期的高纬度极涡环流系统的特征对新疆棉花生长的热量条件有着重要影响.从研究结果可知,通过运用滚动预报的方法,可以有效地提高预测棉花生长季内热量指数的准确率,从而更准确地预测冷害发生年,为棉花生产布局和及时采取防冻措施提供参考.     

三江平原水稻低温冷害类型研究

通过气象资料分析，进一步弄清该地区低温发生规律及对水稻产量的影响，为尽快开发三江平原，提高水稻产量，减轻冷害损失提供科学依据。     

2013年黑龙江省春季低温特征及对主要农作物播种期的影响

利用黑龙江省28个农业气象观测站1971-2016年春季地面气象观测资料,引入日平均气温、最低气温、最高气温3个温度因子,采用数理统计方法,研究2013年春季气温三因子的低温特征,并构建其与大豆、玉米、水稻播种期的相关关系。结果表明：（1）研究区2013年春季气温与1971-2016年毎年同期比较总体以偏低为主,三因子差值（ΔT）＜0℃的年份密集分布于20世纪90年代初期以后,ΔT＜0℃的年数以最高气温最多,最低气温最少。（2）分析期1971-2016年内,ΔT随时间推进均呈下降趋势,以最低气温下降最显著,振荡最强,而最高气温下降趋势最弱,表征2013年春季最低气温和最高气温的不对称性偏低特征。（3）研究区2013年春季逐日气温3个因子与常年同期比较（ΔTD）总体呈偏低趋势,累计低温时间长,3个因子偏低日数均超过整个春季日数的50%,最长连续偏低日数占春季总日数的20%以上,其中以逐日最高气温最多,61%的站点达35d以上,低温持续1个月以上。（4）2013年大豆、玉米、水稻的播期与历史各年比较其差值（ΔD）多为正值,表明该年播期以延后为主。53%的站点2013年春季气温ΔT与作物播种期ΔD存在显著或极显著的负相关关系,说明随着春季气温降低,作物播种期存在推迟趋势。ΔT每降低1℃,ΔD增加0.9～6.3d,其中以最低气温影响最显著。（5）内涝与低温叠加更易造成作物迟播。     

长沙市冷暖冬气候特征及其成因分析

为了减少暖冬对农业生产的不利影响,更有效地利用冬季气候资源,采用统计诊断学的方法对长沙站1971—2007年的气象资料进行分析。结果表明,从20世纪90年代开始,长沙市冬季气温的上升趋势明显增强,暖冬的出现越来越频繁;冬季平均最低气温的显著升高减少了冻害,改变了种植布局,但是极端最低气温的变异性仍然较大,在遇到强降温或寒潮时要采取防冻措施;近6a的1月份平均气温已接近70年代2月份的平均气温,这有利于反错季节蔬菜等喜温作物的生产。暖冬年常伴着干冬,因此,播种时要进行积极有效的杀虫处理和及时灌溉,以保持土壤墒情;暖冬年的次年3、4月的气温往往偏高,为早稻和棉花的播种提供了有利条件。最后,分析发现某些冬季环流特征指数对于是否出现暖冬有一定的指示作用。     

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%。     

黑龙江省活动积温时空变化特征及其对水稻单产的影响

利用Berkeley Earth提供的高精度陆地表面日平均气温格点资料,计算1951-2012年黑龙江省≥10℃年活动积温,用自然正交分解（EOF）法对积温年代际和年际变化的时空特征,以及积温变化对全省水稻单产的影响进行分析。结果表明：研究期积温年代际变化可分成平稳期Ⅰ（1951-1993年）,转换期（1993-2000年）和平稳期Ⅱ（2000-2012年）,3个阶段的平均气温均呈递增趋势。平稳期Ⅱ与平稳期Ⅰ相比,平均积温全省大部普遍升高200℃·d以上,升高幅度最大的区域在该省西南部,达240～320℃·d。在平稳期Ⅱ,2100℃·d积温线已北移通过黑河地区到达大兴安岭,说明水稻种植北界可以达到北部较寒冷的黑河地区。黑龙江省水稻生长季年活动积温和水稻单产均存在准2a周期为主的短期年际变化。相关分析表明,在哈尔滨、齐齐哈尔、大庆、绥化、伊春以及佳木斯市,积温的短期年际变化对水稻产量的影响较大,而在南部的尚志、牡丹江和鸡西,其影响则不大。     

黑龙江省积温时空变化及积温带的重新划分

根据黑龙江省1981-2012年78个气象站点的逐日平均气温资料,运用5日滑动平均法计算≥10℃积温,并对其进行Kiring空间插值分析,研究气候变暖后黑龙江省≥10℃积温的时空变化,选取80％保证率计算黑龙江省各地区积温并对全省积温带进行重新划分.结果表明：（1）黑龙江省1981-2012年年平均气温为3.18℃,呈显著上升趋势（P＜0.05）,气候倾向率为0.21℃/10a;（2）时间分布上,20世纪80年代以来,黑龙江省≥10℃积温呈增加趋势,线性拟合增长率为83.95℃·d/10a（P ＜0.05）,1981-2012年积温均值为2645.39℃·d;（3）空间上,黑龙江省≥10℃积温年代际变化呈显著增加趋势,各积温带北移东扩现象显著;1981-2012年全省大部地区80％保证率下≥10℃积温高于2300℃·d,各积温带大致向北移、东扩了一个积温带.研究结果对黑龙江省农作物的种植区划具有指导作用.     

基于信息扩散理论的南方双季早稻气象灾害风险评估

小满寒（GBC）和高温热害（HTD）是影响南方双季早稻生长发育及产量形成最主要的农业气象灾害。为了提高双季早稻气象灾害的预测预报能力,利用双季稻区142个站点1960-2012年常规气象观测数据,根据前人研究的关于小满寒和高温热害临界气象指标,统计分析各站点历年发生小满寒和高温热害次数,运用信息扩散理论对双季早稻种植区各站点进行精细化风险评估。结果表明：（1）双季早稻小满寒及高温热害年平均发生次数空间分布差异显著,小满寒发生次数由南向北大致呈逐级递增趋势,呈明显的带状分布,高温热害频发区主要集中在湖南衡阳、双峰、郴州一带,江西大部分地区以及浙江金华、衢州、丽水附近,湖北甲鱼、武汉、黄石以及安徽安庆部分地区。（2）小满寒和高温热害至少发生1次及以上的概率值空间分布特征较为相似,大部分地区均表现为明显的高概率区,重现期较短,再现率较高;小满寒及高温热害超越概率值低概率区随着年发生次数的增加而逐渐减小。（3）随着年发生次数的明显增加,早稻小满寒及高温热害重现期短的站点数减少,重现期长的站点数相应增加。