气候变暖背景下黄淮海平原北部冬小麦生育期霜冻灾害发生规律

为探明气候变暖背景下黄淮海平原北部冬小麦生育期霜冻灾害发生规律,采用线性倾向估计、MannKendall法和R/S分析法,分析1960—2017年的黄淮海平原北部12个气象站点0cm地面最低温度数据。结果表明:1)年均气温表现出一致的上升趋势,北部升温速率高于南部。2)研究区初霜冻推迟,终霜冻提前,无霜期延长,初霜冻延后趋势的空间表现为北部区域比南部区域更明显,终霜冻提前趋势的空间表现为南部区域比北部区域更明显,无霜期延长趋势南部比北部区域更明显。3)初霜冻日期突变年份为2006年,终霜冻日期发生突变的年份为1992年,2007—2017年初霜冻推迟,1993—2017年终霜冻提前。冬小麦(Triticum aestivum)生育期在2004年发生突变,2005—2013年生育期缩短。4)冬小麦生育期间霜冻发生频次平均增加42%,霜冻发生频次显著增加。     

近30a河东地区极端气温时空变化

利用61个气象站1988—2017年逐日最高气温、最低气温和平均气温资料,采用线性倾向估计、Mann-Kendal检验、滑动t以及相关分析方法,对河东地区极端气温事件的时空变化特征进行研究,结果表明:①河东地区近30 a日最高气温的极大(小)值、日最低气温的极大(小)值、年平均最高(低)气温、夏日日数、热夜日数、暖昼(夜)日数、气温日较差、暖日持续日数、生物生长季呈现增大(加)趋势,霜冻日数、冰冻日数、冷昼(夜)日数、冷日持续日数呈现减小(少)趋势;②暖指数的变暖幅度大于冷指数,昼指数的变暖幅度大于夜指数,陇东高原地区变暖幅度最大,甘南高原地区变暖幅度最小;③多数指数的突变点在20世纪90年代中后期和21世纪初期;④多数极端气温指数与经度和海拔高度显著相关,河东地区极端气温指数的变化与区域性增暖有密切联系。     

淮河流域冬小麦晚霜冻时空演变分析

为掌握气候持续变暖背景下淮河流域晚霜冻害的变化规律,基于1960-2016年61个气象站点的逐日地面0cm最低气温数据,计算霜冻频次、强度和变异系数,构建霜冻害危险指数,分析了淮河流域冬小麦生长季晚霜冻时空变化。结果表明:(1)57年中晚霜冻出现在3月11日至4月15日,整体呈提前趋势,速率达到-2.49d·年-1(P<0.05),晚霜冻的提前结束使冬小麦灌浆停滞和籽粒发芽力丧失的风险降低。(2)在冬小麦生长季延长的背景下,57年中轻度、中度、重度晚霜冻的频次都呈现减少趋势,变化倾向率分别为-9.14次·年-1(P<0.01)、-1.17次·年-1(P>0.05)、-5.81次·年-1(P<0.01)。年代变化上,重霜冻在灌浆至成熟阶段的频次在1980s上升趋势最显著,倾向率为6.73次·年-1(P<0.05)。1961-1990年中霜冻在拔节期的频次增加趋势最显著,倾向率为1.80次·年-1(P<0.05);1981-2010年重霜冻在拔节期的频次减少趋势最显著,倾向率为-3.46次·年-1(P<0.01)。(3)冬小麦晚霜冻在不同的生长阶段空间分异较大,呈不同分布模式。以开始拔节的日期为起点,高风险区和较高风险区在拔节后(1～5d)所占面积百分比最大,分别达到0.63%、80.68%。中风险区在抽穗至开花阶段(12～15d)面积百分比最大(81.68%),较低风险区在灌浆至成熟阶段(16～57d)占比最大(57.49%)。不同程度的晚霜冻频次在不同的时间段减少速率不同,在不同的生长阶段空间分布差异较大。     

1960-2015年淮河流域初终霜日时空变化分析

基于淮河流域1960-2015年61个气象站点地面0cm日最低气温资料,采用线性倾向估计、反距离加权、Mann-Kendall突变检验、滑动T检验方法,分析近56a淮河流域初霜日、终霜日和无霜期的时空变化特征及突变年份。结果显示：（1）研究期内,淮河流域平均初霜日期 、终霜日期和无霜期分别以2.15、2.49、4.38d·10a-1的速率呈推迟、提前、延长的趋势（P＜0.01）,其中,在20世纪90年代的变化最为显著（P＜0.01）,速率分别为16.38、5.34、20.6d·10a-1。（2）平均初霜日期在空间上呈北早、南迟,山区早、平原迟的分布;86.9%的站点初霜日期呈显著推迟趋势（P＜0.05）。终霜日期呈西南早、东北迟,平原早、山区迟的分布;83.6%的站点通过0.05水平的显著性检验,以3.44～5.92d·10a-1的速率呈提早趋势。无霜期随纬度和海拔升高而缩短;93.4%的站点通过0.05水平的显著性检验,变化率为3.56～7.59d·10a-1,无霜期整体延长。（3）11月8日线、4月1日线、220d等值线位置较其它各气候基准期和各年代分别偏北约1个和2个纬距,在32°N和34°N附近的偏北趋势最为明显,佐证了该区初霜日期整体推迟、终霜日期整体提前、无霜期整体延长的趋势。（4）初霜日期、终霜日期和无霜期分别在2002年、1995年和1998年发生突变。     

基于作物水分亏缺指数分析北方旱作地区春玉米干旱时空变化

采用1961-2018年北方旱作区156个气象站日值气候数据和1991−2013年春玉米生育期资料,依据干燥度指数将北方旱作地区划分为4个亚区。基于作物水分亏缺指数（CWDI）,通过分析各亚区水分供需状况、CWDI年际变化、干旱站次比和频率,揭示了中国北方旱作区春玉米干旱时空变化特征。结果表明：（1）Ⅰ区（湿润地区）和Ⅱ区（半湿润地区）水分供需平衡,Ⅲ区（半干旱地区）和Ⅳ区（干旱地区）水分供需不平衡。Ⅰ区降水量均方差达到70mm,CWDI年际间变化幅度最大,20世纪70年代CWDI在播种−出苗期和出苗−拔节期均为剧烈波动期;Ⅱ区CWDI在20世纪80年代春玉米乳熟−成熟期波动幅度较大;Ⅲ区在抽雄−乳熟期CWDI以1.06个百分点10a⁻¹（P<0.05）速率增加,年际间干旱有扩大趋势;Ⅳ区年际间CWDI变化不大。（2）1961−2018年抽雄−乳熟期干旱站次比以2.58个百分点10a⁻¹（P<0.05）的速率显著递增,其中发生特旱的平均站次比为14.95%,其余4个生育阶段无显著变化。抽雄−乳熟期发生旱级最重且干旱范围有显著扩大趋势。（3）在空间分布上,干旱等级和频率均呈现明显的东西向分布。黑龙江东部和西南部、吉林辽宁西部（Ⅰ区和Ⅱ区）发生轻旱频率达到3a两遇以上;张承地区（Ⅲ区）在播种−出苗期中旱频率5a一遇以上;毛乌素沙地（Ⅳ区）在拔节−抽雄期特旱频率达到3a两遇,以特旱威胁拔节−抽雄期为主。     

1982—2015年中国北方生长季NDVI变化及其对气温极值的响应

基于GIMMS NDVI 3g v1.0数据集和日值气象数据，结合极端气温指数，辅以极点对称模态分解、趋势分析、Mann-Kendall趋势检验、相关分析等方法，探讨中国北方生长季植被覆盖及极端气温的变化特征，研究植被覆盖对气温极值的响应状况。结果表明：① 1982—2015年中国北方生长季NDVI以0.002·（10a）^-1的速率上升（P<0.05），ESMD（极点对称模态分解方法）显示生长季NDVI波动上升；针叶林、灌丛、荒漠植被、草地以及栽培植被呈增长趋势，栽培植被增速最快，针阔混交林、落叶阔叶林和高山植被呈不显著减少趋势。② 空间上，NDVI显著增加区域超过全区的33%，主要分布在天山、塔里木盆地北部、祁连山、陇南山区、黄土高原、河套平原、吕梁山和太行山、大别山以及辽西丘陵地区；显著下降区域仅占12%，主要分布在大兴安岭、小兴安岭和长白山区。③ 极端气温指数中，除TNmean（日最低气温平均值）和TNn（日最低气温极低值）呈上升趋势外，其余冷极值指数均呈下降趋势；所有暖极值指数均呈上升趋势；其他指数中，DTR（气温日较差）呈减小趋势，GSL（生长季日数）呈增加趋势。④ 中国北方NDVI与极端气温指数的相关性表明，冷极值指数中NDVI与FD0（霜冻日数）、TN10p（冷夜日数）、TX10p（冷昼日数）呈显著负相关（P＜0.05），与TNmean呈显著正相关（P＜0.01）；NDVI与所有暖极值指数呈正相关，与TR20（热夜日数）、TXmean（日最高气温平均值）、TX90p（暖昼日数）以及TN90p（暖夜日数）存在显著相关性（P＜0.05）；NDVI与GSL呈显著正相关（P＜0.05）。⑤ 天山、塔里木盆地北缘、祁连山区、河套平原、黄土高原、太行山和吕梁山区等NDVI显著增加区域对极端气温指数的响应强烈。NDVI显著增加区主要对FD0、TNmean、TN90p、GSL等指数响应较强。NDVI显著减少区域对指数的响应各异，主要与SU25（夏季日数）呈显著负相关（P＜0.05）。     

基于EEMD的华北平原1901-2015年旱涝灾害分析

采用一种适用于非线性、非平稳序列的信号提取方法 -EEMD,基于1901-2015华北平原的266个格点的标准化降水蒸散指数,确定了旱涝灾害等级序列,分析了旱涝灾害演变的周期规律及旱涝等级频率的空间分布。结果表明:1)SPEI-12表征的旱涝灾害等级序列在1940年出现了突变,干旱灾害集中在1940年之前,洪涝灾害集中在1940年之后,年际尺度上存在平均周期为4年和8年的波动周期,年代际尺度上存在着13年、29年、46年的平均波动周期。2)极端干旱和极端洪涝分别发生556次和655次,分别占旱涝发生总次数的1. 76%和2. 08%,但总体干旱频率(19. 46%)明显高于洪涝频率(16. 43%),气候整体偏干。3) SPEI-3表征的旱涝灾害等级序列经EEMD分解后,春季1994年以后洪涝灾害等级逐渐增高。夏季旱涝灾害等级处在4以下且在1982年后干旱灾害开始加重。秋季1993年以后由干旱灾害转为洪涝灾害。冬季干旱灾害有逐年加强趋势。4)不同旱涝灾害等级的频率季节差异显著,旱涝灾害主要发生在夏季。空间上,干旱灾害主要分布在河南西部和北部、山东西部和南部、河北北部。洪涝灾害主要集中在河南北部和中部,山东西部和南部、河北西北部以及北京、天津市。本研究能为该区农业健康发展提供参考。     

1982—2015年中国北方生长季NDVI变化及其对气温极值的响应

基于GIMMS NDVI 3g v1. 0数据集和日值气象数据,结合极端气温指数,辅以极点对称模态分解、趋势分析、Mann-Kendall趋势检验、相关分析等方法,探讨中国北方生长季植被覆盖及极端气温的变化特征,研究植被覆盖对气温极值的响应状况。结果表明:①1982-2015年中国北方生长季NDVI以0. 002·(10a)^-1的速率上升(P <0. 05),ESMD(极点对称模态分解方法)显示生长季NDVI波动上升;针叶林、灌丛、荒漠植被、草地以及栽培植被呈增长趋势,栽培植被增速最快,针阔混交林、落叶阔叶林和高山植被呈不显著减少趋势。②空间上,NDVI显著增加区域超过全区的33%,主要分布在天山、塔里木盆地北部、祁连山、陇南山区、黄土高原、河套平原、吕梁山和太行山、大别山以及辽西丘陵地区;显著下降区域仅占12%,主要分布在大兴安岭、小兴安岭和长白山区。③极端气温指数中,除TNmean(日最低气温平均值)和TNn(日最低气温极低值)呈上升趋势外,其余冷极值指数均呈下降趋势;所有暖极值指数均呈上升趋势;其他指数中,DTR(气温日较差)呈减小趋势,GSL(生长季日数)呈增加趋势。④中国北方NDVI与极端气温指数的相关性表明,冷极值指数中NDVI与FD0(霜冻日数)、TN10p(冷夜日数)、TX10p(冷昼日数)呈显著负相关(P <0.05),与TNmean呈显著正相关(P <0.01);NDVI与所有暖极值指数呈正相关,与TR20(热夜日数)、TXmean(日最高气温平均值)、TX90p(暖昼日数)以及TN90p(暖夜日数)存在显著相关性(P <0. 05);NDVI与GSL呈显著正相关(P <0.05)。⑤天山、塔里木盆地北缘、祁连山区、河套平原、黄土高原、太行山和吕梁山区等NDVI显著增加区域对极端气温指数的响应强烈。NDVI显著增加区主要对FD0、TNmean、TN90p、GSL等指数响应较强。NDVI显著减少区域对指数的响应各异,主要与SU25(夏季日数)呈显著负相关(P <0.05)。     

甘肃省河东地区春玉米干旱演变特征及灾损风险区划

甘肃河东地区为全省春玉米主要种植区,同时也是易发生干旱的地区,基于FAO推荐的Penman-Montith模型以及其提供的作物系数计算了甘肃省河东地区春玉米作物水分亏缺距平指数(CWDI_a),采用甘肃省河东地区54个气象站1961—2017年逐日气象数据以及河东各县(区)春玉米多年产量资料,从干旱的年际变化趋势、干旱空间分布特征以及春玉米干旱灾损风险区划三方面对近57年来河东地区春玉米各生育期干旱演变特征及其灾损风险区划进行了分析。结果表明:受降水的影响,河东地区春玉米生长期各旬需水量、CWDI_a值均呈先增大后减少的趋势,全区CWDI_a值15,表明该区虽为雨养农业区但仍需通过灌溉补给保证作物生长期所需水分。生长季内春玉米水分亏缺的变化幅度:抽雄～开花期拔节期乳熟～成熟期出苗～七叶期。出苗～七叶期水分亏缺程度由南向北呈递减趋势,其他三期水分亏缺程度由南向北呈递增趋势。河东地区春玉米干旱风险具有明显的区域性和差异性,低风险区主要在陇东南部地区,陇南中部、北部、南部地区,甘南高原东北部地区;中风险区主要在陇东中部地区,陇南东南部地区,陇西黄土高原中部地区;较高风险区主要在环县,渭北地区;高风险区主要在黄河以南地区至靖远-榆中区。总体来看,河东春玉米干旱灾损风险区由南向北呈纬向分布,且受积温影响,海拔高于2 500 m的高山区不适于种植春玉米。