閔俊杰,高 操,常志坤,張方敏,黃 進(jìn)

(1.國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司，江蘇 南京 210031；2.河北省滄州市氣象局，河北 滄州 061000；3.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京210044)

中國是世界第一油菜生產(chǎn)大國，油菜種植面積和總產(chǎn)量約占世界總值的33%，其平穩(wěn)發(fā)展對(duì)我國乃至全世界油料作物產(chǎn)業(yè)的有著重要影響[1]。油菜是一年生或越年生油料作物，可分為冬油菜和春油菜，其中冬油菜種植面積約占全國的90%，并且主要集中在長江流域各省[2]。江蘇是我國冬油菜的主產(chǎn)省和高產(chǎn)省之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)其種植面積占全國油菜種植面積的9%左右，產(chǎn)量達(dá)到全國總產(chǎn)量的13%左右，單產(chǎn)更是名列全國之首[3]。在長江中下游地區(qū)，春季(油菜開花期至成熟期)是影響冬油菜產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期，該生育期內(nèi)溫度、光照、特別是降水條件又是決定農(nóng)作物最終產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[4]。長江下游地區(qū)春季降水集中或持續(xù)時(shí)間過長會(huì)引發(fā)油菜澇漬氣象災(zāi)害，導(dǎo)致土壤水分飽和或過濕、甚至地表積水，進(jìn)而造成油菜根系長期缺氧、植株生長發(fā)育不良而嚴(yán)重減產(chǎn)[2,5]。此外，春季持續(xù)陰雨天氣，會(huì)引發(fā)光照不足，空氣濕度過大，進(jìn)而導(dǎo)致油菜開花結(jié)莢不良，單株角果數(shù)減少，菌核病等油菜病蟲害流行，從而影響油菜的正常生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成[6]。因此，探討江蘇省春季降水的時(shí)空變化及對(duì)冬油菜產(chǎn)量的可能影響，將會(huì)為氣候變化背景下油菜種植的防災(zāi)減災(zāi)提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 基本數(shù)據(jù)

江蘇省氣象局設(shè)置的52個(gè)固定觀測站1961～2012年的觀測資料為本研究提供了近50年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，這些站點(diǎn)的空間分布具體見圖1。為保證降水?dāng)?shù)據(jù)的科學(xué)有效，采用加拿大環(huán)境部氣候研究中心建立的RHtest方法對(duì)日降水資料的均一性進(jìn)行了檢驗(yàn)[7]，結(jié)果表明：這52個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)均通過了檢驗(yàn)。與此同時(shí)，依托江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒等資料，構(gòu)建了圖1中各站點(diǎn)所在的52個(gè)種植區(qū)1961～2012年冬油菜單位面積產(chǎn)量(單產(chǎn))的長時(shí)間序列。

圖1 江蘇省氣象站點(diǎn)的空間分布

1.2 降水指數(shù)定義

本研究參考了ETCCDI(氣候變化監(jiān)測、檢測和指數(shù)專家小組)推薦的核心降水指數(shù)體系以及我國24 h降水量等級(jí)劃分表[8]，定義了10種降水指數(shù)(PI)用來描述江蘇省近50年春季降水的變化情形。這10種指數(shù)分別為PI1(總降水量)、PI2(總降雨日數(shù))、PI3(降水強(qiáng)度，總降水量/總降雨天數(shù))、PI4(中雨日數(shù)，10 mm≤日降水量<25 mm的降水天數(shù))、PI5(大雨日數(shù)，25 mm≤日降水量<50 mm的降水天數(shù))、PI6(暴雨日數(shù)，日降水量≥50 mm的降水天數(shù))、PI7(最大1日降水量)、PI8(最大連續(xù)3日降水量)、PI9(最大連續(xù)7日降水量)、PI10(持續(xù)降水日的最長天數(shù))，其中降雨日的界定值為降水量1 mm，這樣可以剔除降水資料中微量降水?dāng)?shù)據(jù)給研究帶來的不確定性[9]?；诖?，提取并構(gòu)建了研究區(qū)春季(3～5月)52個(gè)站點(diǎn)不同類型降水指數(shù)的逐年序列(1961～2012年)。

1.3 降水指數(shù)的時(shí)間序列分析

為詳細(xì)探討研究區(qū)春季降水的年際變化特征，本文運(yùn)用了WMO推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)法“Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)”(M-K檢驗(yàn))以及線性趨勢檢驗(yàn)法探求各降水指數(shù)區(qū)域尺度和站點(diǎn)尺度下的變化趨勢及幅度。由于氣象站點(diǎn)數(shù)量豐富且分布比較均勻，因此選取了算術(shù)平均法進(jìn)行全省尺度降水指數(shù)年際序列的計(jì)算[10]。與此同時(shí)，采用Pettitt檢驗(yàn)法和Hurst指數(shù)法，探求區(qū)域尺度春季降水指數(shù)的突變性和持續(xù)性。Pettitt檢驗(yàn)核心是通過檢驗(yàn)時(shí)間序列要素均值變化的確切時(shí)間，進(jìn)而來確定突變發(fā)生的確切時(shí)間，其優(yōu)點(diǎn)在于避免了異常值的干擾及數(shù)據(jù)分布特征的影響[11]。Hurst指數(shù)(H)的R/S分析又稱為重新標(biāo)度的極差分析，通常用于分析時(shí)間序列的分形特征和長期記憶過程，當(dāng)H=0.5，時(shí)間序列完全獨(dú)立，認(rèn)為該過程隨機(jī)變化；當(dāng)0.5

1.4 降水指數(shù)對(duì)冬油菜產(chǎn)量的影響分析

為了剔除技術(shù)進(jìn)步及管理等非氣候因素對(duì)作物產(chǎn)量的影響，僅考慮氣候要素對(duì)產(chǎn)量的影響，本文采用產(chǎn)量與氣候變量的一階差分法(即當(dāng)年與前一年的差值)對(duì)氣候要素及產(chǎn)量序列進(jìn)行預(yù)處理[14]。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算降水指數(shù)與冬油菜產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)，并采用一元線性回歸量化春季降水指數(shù)年際變化對(duì)冬油菜產(chǎn)量的影響，其計(jì)算公式如下：

ΔYield=a×ΔPI+b

式中ΔYield為冬油菜單產(chǎn)的一階差分，ΔPI為某個(gè)春季降水指數(shù)的一階差分。對(duì)某個(gè)站點(diǎn)而言，冬油菜產(chǎn)量對(duì)某個(gè)降水指數(shù)的敏感性(SE)定義為其變化1 mm或1 d時(shí)產(chǎn)量的變化幅度，由公式中的回歸系數(shù)a除以該站點(diǎn)1961～2012年間油菜平均單產(chǎn)得到，結(jié)果以百分?jǐn)?shù)的形式表示。那么春季降水指數(shù)的年際變化對(duì)油菜產(chǎn)量的總體影響則由1961～2012年間PI的線性趨勢與敏感性SE相乘得到，其結(jié)果也由百分?jǐn)?shù)形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省近50年春季降水的變化特征

首先，對(duì)全省尺度春季降水指數(shù)的年際變化序列進(jìn)行M-K趨勢檢驗(yàn)分析。由圖2a可以發(fā)現(xiàn)，除降水強(qiáng)度(PI3)和中雨日數(shù)(PI4)外，其他8個(gè)降水指數(shù)的M-K檢驗(yàn)Z值均小于0，但都沒有達(dá)到顯著性水平的閾值-1.96，這表明江蘇省春季的降雨量、降雨天數(shù)、強(qiáng)降水事件場次、連續(xù)降水的強(qiáng)度及持續(xù)性均呈現(xiàn)出非顯著的減弱趨勢。圖2b中站點(diǎn)尺度降水指數(shù)M-K檢驗(yàn)結(jié)果與圖2a基本吻合。在超過60%的站點(diǎn)上，除PI3和PI4外的其他8個(gè)降水指數(shù)均呈現(xiàn)出減少趨勢，但其中呈現(xiàn)顯著增加趨勢的站點(diǎn)不超過3個(gè)。反觀PI3與PI4，其呈現(xiàn)出非顯著增加趨勢的站點(diǎn)數(shù)分別達(dá)到了38%和58%。與此同時(shí)，表1中Pettitt檢驗(yàn)的診斷結(jié)果進(jìn)一步刻畫了研究區(qū)春季降水指數(shù)的變化特征，其中PI1、PI2、PI7、PI8、PI9在1998～1999年發(fā)生了突變，此后各指數(shù)的多年均值發(fā)生下降；而PI5的突變年發(fā)生較早，為1977年，此后PI5的多年均值也發(fā)生了下降；PI3和PI4分別在1987和1986年發(fā)生了突變，此后這兩個(gè)指數(shù)的多年均值發(fā)生上升。此外，表1中Hurst檢驗(yàn)提供了各降水指數(shù)變化持續(xù)性的差異，其中PI4、PI9、PI10的H值均高于0.5，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的持續(xù)性，未來可能延續(xù)過去的變化趨勢，有著較高的可預(yù)報(bào)性；而PI1、PI2、PI3、PI5、PI6、PI7的H值均低于0.5，呈現(xiàn)出較弱的持續(xù)性，未來可能呈現(xiàn)相反的變化趨勢。

圖2 區(qū)域尺度(a)和站點(diǎn)尺度(b)不同類型降水指數(shù)的M-K檢驗(yàn)結(jié)果

項(xiàng)目PI1/mmPI2/dPI3/(mm/d)PI4/dPI5/dPI6/dPI7/mmPI8/mmPI9/mmPI10/d突變年1999199919871986197719841998199819981998顯著性水平0.4610.2270.4510.5000.2220.8190.4090.2220.3030.091突變前多年均值215.0221.059.874.911.710.3242.8656.7969.853.59突變后多年均值183.8918.3710.245.371.390.3237.1947.4157.702.94變異系數(shù)/%31.6521.1217.8528.7650.2782.9026.5228.4628.7224.26Hurst index (H)0.4220.4200.4990.5030.4860.4470.4770.4950.5260.546

2.2 冬油菜產(chǎn)量與春季降水指數(shù)的相關(guān)性分析

在一階差分預(yù)處理的基礎(chǔ)上，計(jì)算了全省尺度和站點(diǎn)尺度上冬油菜單產(chǎn)與春季不同類型降水指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，以此來探求春季降水變化與油菜產(chǎn)量波動(dòng)的可能聯(lián)系。由圖3a可以發(fā)現(xiàn)，全省尺度下所有降水指數(shù)(除PI10外)均與油菜產(chǎn)量呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性，其中PI1(總降水量)與油菜產(chǎn)量負(fù)相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到了-0.39，明顯強(qiáng)于其他降水指數(shù)。圖3b中站點(diǎn)尺度降水指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)分析結(jié)果與圖3a基本一致。在超過60%的站點(diǎn)上，10種降水指數(shù)均與油菜產(chǎn)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。這些結(jié)果進(jìn)一步佐證了春季降水過多是江蘇省各地區(qū)冬油菜生育期內(nèi)較為普遍的一種災(zāi)害性氣象條件。此外，對(duì)圖3b中呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性的站點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)PI1(總降水量)、PI2(總降水日數(shù))、PI4(中雨日數(shù))這3個(gè)指數(shù)對(duì)油菜產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)最為顯著。在超過10個(gè)站點(diǎn)上，油菜產(chǎn)量與春季PI1、PI2、PI4呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性(圖4c)。特別是在近37%的站點(diǎn)上，春季PI1與油菜產(chǎn)量的負(fù)相關(guān)性顯著。這進(jìn)一步驗(yàn)證了圖3a的結(jié)果，表明春季總降水量可以作為指示產(chǎn)量波動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo)。這與浙江、湖南、安徽等地的相關(guān)研究結(jié)果相吻合，發(fā)現(xiàn)春季降水量這一指標(biāo)在判別油菜澇漬災(zāi)害環(huán)節(jié)有著較高的準(zhǔn)確性[4-6]。鑒于此，加強(qiáng)江蘇省春季降水總量的監(jiān)測及預(yù)報(bào)，不僅有助于評(píng)估雨澇災(zāi)害導(dǎo)致的油菜產(chǎn)量損失，還將為研究區(qū)冬油菜氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃提供有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

a中深灰色表示相關(guān)性通過了1%顯著性水平；淺灰色表示相關(guān)性通過了5%顯著性水平；白色表示相關(guān)性未通過顯著性檢驗(yàn)。

2.3 春季關(guān)鍵降水指標(biāo)PI1的時(shí)空變化及對(duì)油菜產(chǎn)量的影響

鑒于PI1對(duì)冬油菜產(chǎn)量顯著的負(fù)效應(yīng)，圖4基于ArcGIS 10平臺(tái)的反距離權(quán)(Inverse Distance Weighted，IDW)插值法重點(diǎn)探討了江蘇春季總降水量多年均值及變化幅度的空間分布。由圖4a可以發(fā)現(xiàn)，江蘇省春季降雨量呈現(xiàn)出極為顯著的由南向北遞減的梯度變化。特別是江蘇南部的大部分地區(qū)PI1的多年均值超過了220 mm，部分最南端的地區(qū)甚至達(dá)到了300 mm，這表明該區(qū)域春季降水極為較為豐沛，這給冬油菜的種植帶來了較大的澇漬風(fēng)險(xiǎn)。江蘇省南北走向的地帶特征和江南春雨雨帶遷移是造成這一顯著空間差異的原因。春季，高能高濕帶從我國華南一帶自西南向東北方向輸送，連陰雨期間江蘇省南部地區(qū)位于高能高濕等值線密集區(qū)邊緣，因而澇漬災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度明顯高于北部地區(qū)[15]。圖4b給出了江蘇省春季降水總量變化趨勢的空間分布，可以發(fā)現(xiàn)全省大部分地區(qū)PI呈現(xiàn)減少趨勢，特別是江蘇南部地區(qū)PI減少的幅度較高。我國東部春季降水異常與兩類El Nio事件關(guān)系密切，當(dāng)El Nio Modoki發(fā)生時(shí)，長江以南地區(qū)的降水較氣候平均態(tài)偏少，而1980年以來El Nio Modoki的頻次增加，是造成江蘇省春季降水減弱的重要原因[16]。

圖4 春季PI1多年均值(a)及線性趨勢(b)的空間分布

依托公式及各站點(diǎn)冬油菜多年產(chǎn)量的平均值，圖5a基于ArcGIS 10平臺(tái)的反距離權(quán)插值法展示了冬油菜產(chǎn)量波動(dòng)對(duì)PI1變化敏感性的空間差異。對(duì)除最北端外的江蘇省大部分地區(qū)而言，春季PI1每增加1 mm，冬油菜單產(chǎn)隨之減少的幅度在0～0.16%間浮動(dòng)。由圖5a可以發(fā)現(xiàn)油菜產(chǎn)量對(duì)PI1年際變化的敏感性大致呈現(xiàn)出由南到北遞減的梯度變化，其中江蘇北部部分地區(qū)還出現(xiàn)了PI1對(duì)產(chǎn)量的正效應(yīng)。造成這一空間差異的主要原因可能有2個(gè)方面：一方面江蘇南部地區(qū)春季降水更為豐沛，連陰雨事件較多，相對(duì)于北部地區(qū)其澇漬災(zāi)害的頻次和強(qiáng)度更高；另一方面，江蘇南部地區(qū)水網(wǎng)密集、丘陵較多、土壤排水性能較差，相對(duì)于北部地區(qū)其澇漬災(zāi)害的脆弱性更高。與此同時(shí)，圖5b量化了江蘇省PI1變化趨勢對(duì)冬油菜產(chǎn)量波動(dòng)影響的空間分布，可以發(fā)現(xiàn)近50年江蘇省大部分地區(qū)PI1的減少導(dǎo)致了冬油菜的增產(chǎn)，特別是江蘇最南端的部分地區(qū)受PI較強(qiáng)減少趨勢的影響增產(chǎn)可達(dá)1.0%～1.5%?？傮w而言，江蘇省春季降水的年際變化對(duì)冬油菜種植是有利的。

圖5 各站點(diǎn)冬油菜產(chǎn)量對(duì)春季PI1的敏感性(a)以及PI1多年變化對(duì)產(chǎn)量的影響(b)

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)52個(gè)站點(diǎn)不同類型降水指數(shù)的M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明近50年江蘇省大部分地區(qū)春季的降雨量、降雨天數(shù)、強(qiáng)降水事件場次、連續(xù)降水的強(qiáng)度及持續(xù)性均呈現(xiàn)出減少趨勢，但呈現(xiàn)顯著減少趨勢的站點(diǎn)較少。

(2)冬油菜產(chǎn)量與春季降水指數(shù)的相關(guān)分析表明：研究區(qū)春季降水異常與產(chǎn)量波動(dòng)間存在著緊密聯(lián)系，春季降水越多，則對(duì)該省大部分地區(qū)的產(chǎn)量越不利。不同類型降水指數(shù)中，春季總降水量這一指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)最為突出，應(yīng)作為關(guān)鍵的冬油菜氣象災(zāi)害指標(biāo)加以重視。

(3)各站點(diǎn)冬油菜產(chǎn)量與春季總降水量的線性關(guān)系指出產(chǎn)量對(duì)降水的敏感性呈現(xiàn)出由南至北遞減梯度，特別是在江蘇最南部，春季總降水量每增加1 mm，冬油菜單產(chǎn)隨之減少0.16%。值得一提的是江蘇大部分地區(qū)近50年春季總降水的減少給冬油菜產(chǎn)量帶來了一定的增產(chǎn)。