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(Ⅱ):西北主要粮食作物干旱

基于中国西北地区1961-2010年149个气象站点逐日气象资料及春小麦、春玉米和夏玉米生育期资料,采用作物水分亏缺指数(CWDI)为作物干旱指标,明确了研究区域内3种作物干旱的空间分布特征和时间演变规律。研究结果表明:(1)3种作物生长季内及各生育阶段,干旱发生频繁,尤以特旱和重旱发生范围广、频率高,轻旱和中旱多发生在研究区域东部,甘肃南部和陕西南部等个别地区干旱发生频率相对较小。(2)春小麦生长季内干旱发生站次比为79.1%,春玉米生长季内干旱发生站次比为84.5%,夏玉米干旱发生站次比为77.4%;夏玉米生长季内站次比波动较小,春小麦和春玉米波动较大。总体而言,研究时段内春小麦生长期干旱发生站次比呈减小趋势,降幅为每10a减少0.55个百分点,春玉米和夏玉米干旱站次比呈增加趋势,增幅分别为每10a增加0.24个百分点和0.20个百分点。(3)研究区域东部春小麦和春玉米各生育阶段干旱强度呈增加趋势,西部呈下降趋势;夏玉米干旱强度在陕西北部、宁夏和河西走廊呈增加趋势,其它地区多为降低趋势。     

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。     

气候变化背景下中国农业干旱时空变化特征分析

基于1951−2018年各省（自治区）农作物播种面积、干旱受灾面积、干旱成灾面积等数据,构建了干旱影响强度和干旱成灾强度特征指标,并分析近70a各省（自治区）空间尺度的农业干旱灾害的分布、发生次数、变化趋势和气候变暖背景下的阶段性变化特点。研究表明：（1）内蒙古自治区、山西省和河北省等省（自治区）的干旱受灾面积、干旱成灾面积、干旱影响强度和干旱成灾强度的多年平均值均位于前列;（2）中度及以上干旱等级发生次数最多的前10位均为北方省份（自治区）,总次数均≥25次,其中内蒙古自治区、山西省和陕西省位居农业干旱发生次数最多前三位;（3）16省（自治区）的干旱受灾面积和干旱影响强度存在减小趋势,但大部分地区即23个省（自治区）的干旱成灾面积和27个省（自治区）的干旱成灾强度存在增加趋势;（4）受气候变化影响,各省（自治区）在气候较冷的I阶段（1951−1984年）农业干旱较轻,在气候增暖明显的II阶段（1985−1997年）农业干旱大幅加重,在气候增暖趋缓的III阶段（1998−2018年）农业干旱受灾面积、成灾面积和干旱影响强度普遍减小,但其成灾强度在加重。总之,农业干旱具有明显的南轻北重特征,且北方农业干旱更加频繁,因此北方地区仍需加强防御,减轻重大干旱对农业的影响。     

近30a陕西省气象干旱灾害时空分布特征

干旱灾害是陕西省主要的自然灾害之一,素有"十年九旱"之称,给人民生活和社会生产造成了不同程度的影响。因此,对干旱灾害进行科学分析及风险评估,为各级政府制定防灾减灾的措施具有重要意义。利用陕西省96个气象台站1981—2010年的降水量等气象资料,采用降水量距平百分率干旱指标,对陕西省干旱灾害的发生特征进行了详细分析。(1)陕西省的干旱灾害分布极不均匀,其总体特征是北多南少。(2)陕西省干旱灾害出现既有全省性的大范围干旱,也有区域性的局部干旱,陕北、关中发生区域性干旱频率高于陕南。(3)陕西省的干旱灾害发生季节在陕北、关中、陕南有显著差别,陕北干旱灾害季节性差异最大,关中次之,陕南最小。(4)持续性干旱灾害有的出现在同一季节,有的要跨2个季节。陕西省的干旱灾害总体上是春旱、秋旱、秋冬连旱或冬春连旱较多,陕南连续性干旱较少。     

气候变化背景下华北平原夏玉米各生育期水热时空变化特征

气候变化背景下,华北平原气候资源也发生了相应变化。研究作物生长季各生育期的水热时空变化特征,对适应气候变化技术与政策的制定有重要意义。本文基于华北平原49个气象站点的逐日气象数据和27个农业气象试验站的物候期数据,分析了1961—2010年在夏玉米营养生长期、并进期、生殖生长期和全生育期的生长度日(GDD)、高温度日(HDD)、降水量及气候倾向率的时空分布。结果显示,华北平原夏玉米各生育期GDD、HDD均呈东北-西南走向的递增趋势,降水量呈东南-西北递减趋势。华北平原夏玉米在全生育期GDD倾向率、HDD倾向率、降水量倾向率分别为8.14℃·d·10a-1、-2.45℃·d·10a-1、-10.75 mm·10a-1。华北北部GDD在营养生长期呈递减趋势,在并进期、生殖生长期以及全生育期呈递增趋势,而华北南部GDD变化趋势与之相反;HDD在各生育期均呈现北部递增,南部递减趋势。降水量在各生育期均表现为北部降低,南部增加趋势。因此,河北省北部、北京市和天津市等华北北部地区夏玉米生产高温风险与干旱风险呈增加趋势,而河南省大部、山东省南部等华北南部地区高温风险与干旱风险呈降低趋势。     

华北平原夏玉米干旱灾害的时空变化特征及危险性评估

气候变化背景下,农业气象灾害呈面积逐年扩大、发生频率增加的趋势,且旱灾较其他灾害对农业的影响范围更广、历时更长,为了科学应对夏玉米干旱,保障夏玉米高产稳产,利用1980—2019年华北平原43个站点的气象数据,基于水分亏缺指数作为干旱指标,采用频次和站次比阐明了夏玉米主要生育阶段干旱灾害变化规律;利用信息扩散理论和层次分析法评估了夏玉米干旱危险性。结果表明：(1)华北平原夏玉米干旱以轻旱为主,阶段性差异明显,抽雄—乳熟阶段受旱严重,40年间平均各站点发生28次干旱,干旱站次比平均值为69.5%。(2) 2010—2019年是夏玉米受旱影响加重阶段,呈现干旱连年发生、范围明显扩大的特征。(3)夏玉米干旱的危险性整体呈西高东低趋势,河南大部及河北南部是干旱危险性高值区和次高值区,面积占比分别为12.1%,23.4%。综上,华北平原夏玉米干旱有加重和扩散趋势,抽雄—乳熟阶段受旱可能性较大,河南大部及河北南部干旱危险性较高,需加强对干旱的预报、监测及风险防控工作。     

东北地区作物生长季干旱时空分布特征及其环流背景

依据东北地区71个气象台站1961-2009年5-9月气温、降水资料,对帕默尔干旱指数(PDSI)评价实际干旱的能力进行验证,并对PDSI距平场展开经验正交函数(EOF)分析,同时利用NCEP/NCAR再分析资料对干旱年的环流背景做了初步探讨.结果表明,(1) PDSI对东北地区农作物生长季的实际干旱具有较高评估能力,但在个别年份容易高估干旱程度;(2)EOF前3个特征向量的累积方差贡献率达74.9％.其中,第1特征向量是主要的分布格局,为全区一致型,第2特征向量为南北相反型,第3特征向量为东西相反型;(3)近49a东北地区农作物生长季干旱以9a和23a的变化周期为主,未来几年内干旱趋势仍将持续增强;(4)在干旱年(PDSI≤-1),500hPa高度场上副高偏弱,东北地区处于槽后脊前,同时该地区为位势高度距平的正中心,受高压控制降水偏少.850hPa水汽通量场上,输送到东北地区的西南及东南暖气流的水汽明显较少,同时该地区不仅存在反气旋环流,而且其水汽通量散度大于0,不利于降水.     

基于作物水分亏缺指数的黄淮海平原夏玉米全生育期干旱分布特征

黄淮海地区是夏玉米主产区,又是受旱最严重的地区之一,明确该区域干旱发生规律,采取相应防灾减灾措施对粮食保产具有重要意义。利用黄淮海地区1981−2015年76个气象站点数据,以作物水分亏缺指数（CWDI）作为干旱指标,根据《北方夏玉米干旱等级》标准对各区域进行干旱等级划分,并计算干旱发生频率和影响范围,通过ArcGIS实现站点数据的空间插值,分析该区域夏玉米干旱时空演变规律。结果表明：（1）1981−2015年夏玉米各生育期内CWDI总体表现为先下降后上升的趋势,播种−出苗期和抽雄−乳熟期干旱发生频率最高,2011−2015年夏玉米干旱有加重趋势,其中河北南部、河南北部及山东夏玉米生育期内CWDI值最高;（2）黄淮海地区夏玉米生长季以轻旱为主,其次是中旱,重旱和特旱发生频率较低,研究区域干旱发生频率北部高于南部,西部高于东部,河南、河北、山东大部、安徽和江苏受干旱影响较大。（3）播种−出苗期特旱站次比最高,其余生育阶段均为轻旱站次比最高。     

近30年中国主要农业气象灾害典型场时空格局分异特征

在全球气候变暖,气象灾害频发重发的背景下,农业生产受到日益严重的气象灾害影响。研究中国农业气象灾害的时空格局对于降低灾害风险、减轻灾害损失十分重要。本文利用1978—2013年主要省、直辖市及自治区的农业灾害受灾、成灾面积和播种面积资料,以受灾率和成灾率作为指标,利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)等统计分析,对影响我国农业生产的主要农业气象灾害(干旱灾害、洪涝灾害、低温冻害和风雹灾害)的时空变化进行分析并得到典型场。结果表明,近几年除洪涝灾害没有明显的升降趋势以外,干旱、风雹和低温冻害受灾率成灾率均呈下降趋势。干旱受灾率和成灾率典型场较为相似,北方因灾损失情况明显重于南方;全国大部分地区均有轻微的因风雹灾害造成损失的情况,西部和西北部容易受到风雹灾害的影响;洪涝灾害受灾率和成灾率典型场存在差异,全国普遍受到洪涝灾害轻微影响,但长江流域和东北三省情况较重。低温冻害受灾、成灾率的典型场不明显,北方因灾损失程度重于南方。另外,干旱和洪涝灾害不会持续影响东北地区;风雹灾害在我国西北部容易造成持续且严重的影响。总之,各灾害的受灾、成灾率时间变化也不是完全同步的,空间分布也不相同,二者并不是完全匹配的。     

黑龙港流域夏玉米生育期降水、需水和干旱时空分布特征

黑龙港流域地下水超采导致水分极度匮乏,提高降水利用效率成为该区夏玉米生产的关键。该文利用黑龙港流域18个地面气象观测站1966—2015年逐日气象数据,对玉米全生育期及各生育阶段的有效降水量、需水量、作物水分亏缺指数、干旱发生频率的时空分布特征等进行了分析。结果表明,夏玉米全生育期有效降水量292.89～361.56 mm,呈"东北高、西南低"的趋势;需水量362.82～444.04 mm,呈"南部高,北部低"的趋势;近50年总有效降水量和需水量均呈下降趋势,且需水量的变化与平均日照时数、平均风速呈高度正相关;全区干旱发生频率为48.30%,其中南部超33.3%,中部及北部超66.6%;黑龙港中部和北部在成粒和灌浆阶段出现干旱的几率较大,南部在成粒阶段出现干旱的几率较大。该研究为黑龙港夏玉米降水资源的高效利用提供了理论依据。     

1976-2015年中国主要农业气象灾害的变化特征

根据1976-2015年受灾、成灾和绝收面积等统计数据,计算中国主要农业气象灾害包括洪涝、干旱、风雹和低温灾害的受灾率、成灾率、绝收率和损失率,并对其变化趋势、灾害损失和灾害等级的变化特征进行分析.结果表明:(1)总体上,1976-2015年中国主要农业气象灾害的受灾率呈显著减小的趋势,而成灾率和绝收率变化趋势则不显著.干旱与农业气象灾害总体变化趋势相一致;洪涝受灾率、成灾率和绝收率存在阶段性的变化特征,1986-2005年各项均值最大;风雹灾害下降趋势显著,受灾率、成灾率均显著减小;而低温灾害各项指标的年代均值逐渐增加.(2)研究期内四大灾害总体损失率的上下限呈先增加后减小的趋势,平均灾害损失率为7.1％～15.7％.洪涝和干旱灾害损失率的上下限变化趋势与农业气象灾害总体一致,其平均损失率分别为2.0％～4.2％、3.8％～8.6％;而风雹灾害损失率的上下限呈减小的趋势,平均损失率为0.8％～1.7％;低温灾害损失率的上下限呈增加趋势,平均损失率为0.5％～1.1％.(3)研究期间洪涝重灾发生次数最多,为突发性灾害;干旱、风雹中灾和重灾发生次数之和最多,为常态性灾害.     

气候变化背景下华北平原夏玉米花期高温热害特征及适宜播期分析

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1981-2017年逐日地面观测资料,以日最高气温≥35℃持续3、4、5d,且相对湿度≤70%为一次轻、中、重度高温热害,从年代际尺度、年尺度、旬尺度分析37a来华北平原不同播期下夏玉米花期高温热害的时空变化特征;以开花期避开中度高温热害为标准,推算夏玉米花期规避高温的适宜播期。结果表明:6月上旬播种,夏玉米花期遭遇高温热害的频率最大,河南省南部的信阳、固始等地区遭遇高温热害频率超过20%;6月中旬播种,夏玉米花期遭受高温热害频率为9%～12%。2011年以来华北平原夏玉米花期高温热害加重,发生频率高于P1-P3时段(1981-2010年)。华北平原早熟玉米平均适宜播种期在6月15日-7月5日,中熟玉米平均适宜播种期在6月15-27日,晚熟玉米平均适宜播种期在6月15-20日。在各适宜播种期范围内,华北平原南部应适当晚播,北部则应适当早播。     

中国东北春玉米区干旱时空分布特征及其对产量的影响

为了研究东北地区春玉米不同生育阶段干旱时空分布规律及其对产量的影响,基于研究区域1961—2012年69个气象站点逐日气象资料和春玉米生育时期及产量资料,采用Penman-Monteit法计算潜在蒸散量,在此基础上利用农业干旱指标标准化降水蒸散指数(SPEIPM)划分干旱等级-最后利用干旱等级权重及发生概率评分等级计算每个站点的干旱危险指数(DHI);利用Mann-Kendall检验法计算5个生育阶段的SPEI变化趋势,利用回归分析进行SPEI与玉米气候产量的关系分析。结果表明,吉林省西部和辽宁省西部在玉米生长季内始终为干旱高风险区,吉林省东部和辽宁省东部则为干旱低风险区,黑龙江省东部干旱风险随生育进程增大;近52 a玉米苗期干旱强度和范围有减小趋势,而生育后期在增加;1991—2012年辽宁省西部玉米气候产量与SPEIPM3-7(5—7月份的SPEIPM)以及吉林省西部、吉林省东部和松嫩平原气候产量与SPEIPM3-8(6—8月份的SPEIPM)的关系达极显著(P0.01),吉林省中部气候产量与SPEIPM3-8(6—8月份的SPEIPM)关系达显著水平(P0.05)。春旱严重地区如松嫩平原、吉林省西部、辽宁省西部和南部的干旱强度和范围正在减小,而东北干旱程度在玉米生育后期整体呈增强趋势,其中东部最明显。在降水充沛的吉林省东部,气候产量与干旱指数的回归方程对称轴在0附近,表明正常降水情况下即能保证高产和稳产。降水较少的地区如辽宁省西部和吉林省西部等地,回归方程对称轴在1附近,提高玉米产量需增加灌溉和提高水分利用效率。