近57年來河北省冬小麥干熱風時空分布及突變檢驗

劉宏舉 姚樹然 董航宇

摘要：選取河北省24個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1960—2016年逐日氣象資料，以日最高氣溫、14：00相對濕度和14：00風速等3個氣象因素作為分析依據(jù)，得到全省冬麥區(qū)近57年來干熱風發(fā)生日數(shù)，通過線性趨勢、Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法等方法，研究河北省冬小麥干熱風時空分布規(guī)律。結(jié)果表明，近57年來河北省干熱風發(fā)生整體呈下降趨勢，其中重度干熱風下降趨勢顯著;輕度干熱風和干熱風總次數(shù)在近57年來并沒有發(fā)生突變，而重度干熱風的發(fā)生在20世紀80年代中期出現(xiàn)了突變性下降;干熱風的空間分布呈東北部低、南部高的趨勢，河北省邯鄲市、邢臺市的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災(zāi)區(qū)。

關(guān)鍵詞：干熱風;河北省;冬小麥;M-K檢驗;時空分布;建議

中圖分類號： S429 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0242-04

干熱風是冬小麥生育后期出現(xiàn)的一種高溫低濕并伴有一定風力的綜合性農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。干熱風危害的實質(zhì)是高溫、低濕引起農(nóng)作物生理干旱，風加重了危害的程度。干熱風是河北省冬小麥生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害之一，主要出現(xiàn)在冬小麥的灌漿期，抑制小麥旗葉的光合蒸騰[1-2]，導(dǎo)致冬小麥灌漿速率不同程度下降[3]，千粒質(zhì)量下降[4]，一般年份可造成小麥減產(chǎn)1%～2%，偏重年份可減產(chǎn)3%以上[5]。干熱風主要有高溫低濕型、雨后熱枯型、旱風型等3種類型[6]，其中，高溫低濕型是河北麥區(qū)干熱風的主要類型，在小麥開花灌漿過程均可發(fā)生，其特點是高溫低濕，干熱風發(fā)生時溫度升高，空氣濕度劇降，風力在3～4 m/s以上;這類干熱風發(fā)生的區(qū)域廣，使小麥芒尖干枯炸芒，穎殼呈灰白色或青灰色，葉片卷曲凋萎，從而造成小麥大面積干枯逼熟死亡，對小麥產(chǎn)量威脅很大。

近年來，關(guān)于干熱風的研究較多，也取得了不少成果。喇永昌等利用1981—2014年寧夏灌區(qū)16個氣象站的氣象資料，分析了當?shù)卮盒←湼邷氐蜐裥透蔁犸L日數(shù)和天氣過程次數(shù)的時空分布特征[7];屈振江等分析了陜西省冬小麥主產(chǎn)區(qū)干熱風的年際變化規(guī)律和空間分布特點[8];成林等對河南省干熱風發(fā)生時氣象要素的變化、發(fā)生范圍、天數(shù)及頻率的變化進行了詳細分析[9-10];楊霏云等基于冬小麥干熱風發(fā)生指標，構(gòu)建了冬小麥干熱風的發(fā)生強度指標，反演了華北平原冬小麥主產(chǎn)區(qū)1961年以來干熱風的發(fā)生規(guī)律[11];鄔定榮等利用華北平原48個站點1961—2008年的逐日氣象資料，分析了近50年來各站點的干熱風日數(shù)及區(qū)域分異規(guī)律[12];趙俊芳等研究了過去黃淮海地區(qū)冬小麥干熱風發(fā)生的時空演變規(guī)律，并基于干熱風危害指數(shù)，對黃淮海地區(qū)冬小麥干熱風災(zāi)損進行了評估[13-15]。但在現(xiàn)有研究中，針對河北省內(nèi)干熱風分布的研究相對較少，且歷史較久遠，所采用的干熱風指標與后來統(tǒng)一的中華人民共和國氣象行業(yè)標準（QX/T 82—2007《小麥干熱風災(zāi)害等級》）也有一定差異[16]，不能完全反映出河北省干熱風發(fā)生的實際情況。

河北省作為全國的小麥生產(chǎn)大省之一，小麥生產(chǎn)的豐歉，不僅關(guān)系到農(nóng)村社會經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民的切身利益，還關(guān)系到全國糧食市場的供求平衡和糧食價格的穩(wěn)定;而河北省邯鄲市、邢臺市的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災(zāi)區(qū)。本研究以河北省24個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1960—2016年逐日日最高氣溫、14：00相對濕度和14：00風速等3個氣象因素作為分析依據(jù)，通過線性趨勢、Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法等方法，研究河北省冬小麥干熱風時空分布規(guī)律，以提高干熱風預(yù)警的準確性和可靠性，降低干熱風災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失，也為后期進一步建立冬小麥干熱風監(jiān)測預(yù)警模型提供一定的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

河北省大部地區(qū)冬小麥在5月中下旬開始進入灌漿期，因而選取每年5月中旬至6月上旬（5月10日—6月10日）的逐日氣象資料，系統(tǒng)分析干熱風對冬小麥灌漿至成熟期的影響[4]。選取定州、藁城、南宮、黃驊、涿州等24個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1960—2016年逐日氣象資料，以日最高氣溫、14：00相對濕度、14：00風速等3個氣象因素作為分析依據(jù)，具體氣象站點空間分布見圖1。干熱風災(zāi)害氣象指標選用中華人民共和國氣象行業(yè)標準（QX/T 82—2007《小麥干熱風災(zāi)害等級》）規(guī)定的相應(yīng)等級，具體見表1。

采用非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗法和滑動t檢驗法檢測干熱風發(fā)生的突變性。Mann-Kendall檢驗中，UF、UB分別表示正向、反向統(tǒng)計量，并給出顯著性水平α=0.05的臨界線（±1.96）。如果UF>0，則表示序列呈上升趨勢，反之則表示序列呈下降趨勢;當超過±1.96時，表明上升或下降趨勢達到顯著水平。如果UF、UB等2條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對映的時刻便是突變開始的時間，當出現(xiàn)多個突變點時，使滑動t檢驗對突變點進一步確定[17]。

在ArcGIS軟件下通過反距離權(quán)重插值法（inverse distance weighted，簡稱IDW）定量分析河北省冬麥區(qū)輕度、重度干熱風災(zāi)害的時空變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 時間變化特征

2.1.1 年際變化特征 由圖2-a可知，河北省輕度干熱風發(fā)生最大值出現(xiàn)在1967年，發(fā)生次數(shù)為120站次;最小值出現(xiàn)在1963年，發(fā)生12站次;57年來輕度干熱風發(fā)生整體呈下降趨勢，但年際間波動幅度較大，無顯著差異（P>0.05）;在各時段發(fā)生趨勢也不盡相同，其中1960—2000年輕度干熱風發(fā)生站次整體呈波動中下降趨勢，2001年以后又呈現(xiàn)上升趨勢。重度干熱風（圖2-b）在1960—1985年是高發(fā)期，1985年后，除2001年出現(xiàn)1次極值和2014年1次相對高值外，其他年份發(fā)生均較少;其整體發(fā)生趨勢與輕度干熱風均呈下降趨勢，但下降趨勢更為明顯，有顯著差異（P<0.05）。干熱風總站次（圖2-c）發(fā)生趨勢與輕度干熱風的變化規(guī)律更為接近，同樣呈下降趨勢，無顯著差異（P>0.05）。近57年來，僅1968、1972、2014年等3年重度干熱風占比超過50%，其他年份均在50%以下（圖2-d），最低的2006年僅占干熱風總站次的1.3%;從整體上看，重度干熱風所占比重呈下降趨勢，但同樣無顯著差異（P>0.05）。

2.1.2 干熱風的突變分析 對所選站點近57年來干熱風發(fā)生站次變化進行M-K檢驗及滑動t檢驗，結(jié)果見圖3。由圖3-a可見，在1960—2000年，河北省輕度干熱風發(fā)生呈波動下降趨勢;其中，1960—1970年波動幅度較大，1971—1979年整體較平緩，1982年后開始迅速下降，2000年達到最低點，但沒有超過-1.96（P<0.05）的臨界值。2001年UF逐漸上升，說明2001年開始輕度干熱風加重發(fā)生，一直到2015年，但UF依然沒有超過1.96（P<0.05）的臨界值。因此，輕度干熱風的發(fā)生在近57年來并沒有發(fā)生突變。圖3-b為滑動t檢驗的曲線圖驗證了前面的觀點，輕度干熱風的下降或者上升均沒有達到顯著性水平。重度干熱風UF變化與輕度干熱風稍有差異（圖3-c），1972年開始，UF有明顯的下降趨勢，1985年后更為明顯，并在1997年超過-1.96（P<0.05）的臨界值，且UF、UB曲線相交于1985年，說明重度干熱風的發(fā)生在1985年出現(xiàn)了突變性下降。圖3-d也驗證了前面的觀點，滑動t值在1986年前后達到最大值，且超過了臨界值。2001年開始，干熱風發(fā)生出現(xiàn)加重趨勢，這與前人的研究結(jié)果[4]一致，但這種趨勢并不明顯，特別是在2016年，全省干熱風災(zāi)害發(fā)生較輕，重度干熱風僅出現(xiàn)1站次，發(fā)生總站次也屬于歷史較少年份。1996年開始這種減少趨勢，并通過95%的信度檢驗。UF與UB曲線相交于1985年，可以認為該年為干熱風出現(xiàn)站次發(fā)生突變的年份。干熱風發(fā)生總數(shù)M-K檢驗結(jié)果如圖3-e所示，UF、UB曲線相交于1976年，但在滑動t檢驗中，該時段滑動t值并沒有出現(xiàn)峰值（圖3-f），由此認為該點并不是真正的突變點，干熱風發(fā)生總數(shù)在近57年來沒有發(fā)生突變。

2.1.3 發(fā)生時段分布 干熱風發(fā)生時段對冬小麥灌漿的影響也各不相同[18]，張志紅等發(fā)現(xiàn)，干熱風對冬小麥生理機能的危害程度表現(xiàn)為灌漿中期>灌漿前期[2]。5月中旬、5月下旬、6月上旬分別對應(yīng)河北省冬小麥的灌漿前期、中期和后期。因此，從旬尺度分析研究區(qū)域內(nèi)干熱風發(fā)生時段分布，對綜合評估干熱風發(fā)生對冬小麥灌漿的影響有重要意義。由圖4可見，隨著時間的推遲，輕、重干熱風的發(fā)生均呈上升趨勢，重度干熱風上升趨勢更為明顯。5月下旬輕、重干熱風發(fā)生次數(shù)均最少，分別占總站次的18.9%、11.8%;5月中旬輕、重干熱風發(fā)生次數(shù)分別占總站次的40.2%、32.3%;6月上旬輕、重干熱風發(fā)生站次均為時段內(nèi)最高，分別占總站次的40.9%、55.9%。超過50%的重度干熱風發(fā)生在冬小麥的灌漿后期，灌漿中期次之，灌漿前期不管是輕度干熱風還是重度干熱風，發(fā)生的概率均最小。

2.2 空間分布

根據(jù)表1中干熱風氣象行業(yè)標準（QX/T 82—2007《小麥干熱風災(zāi)害等級》）計算出各站點年均干熱風日數(shù)，結(jié)果見表2。輕、重干熱風的分布具有比較高的一致性，最大值均出現(xiàn)在南宮市，年均輕、重干熱風發(fā)生次數(shù)分別為3.5、2.2次，同區(qū)域的肥鄉(xiāng)、內(nèi)丘、涉縣等地也是干熱風發(fā)生的重災(zāi)區(qū)。東北部為干熱風發(fā)生較少區(qū)域，其中唐海輕、重干熱風年均發(fā)生次數(shù)僅為0.5、0.1次，同區(qū)域的昌黎、青龍等干熱風發(fā)生也均較少。

根據(jù)各站點的計算結(jié)果，按其站點所在的經(jīng)緯度，在ArcGIS中以反距離權(quán)重法進行插值，得到所選區(qū)域的年均干熱風日數(shù)[圖5（承德、張家口為非種植區(qū)）]。河北省冬麥區(qū)年均輕度（圖5-a）、重度（圖5-b）干熱風日數(shù)分布一致，大體呈東北部低、南部高的趨勢。河北省邯鄲、邢臺的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災(zāi)區(qū)，東北部的唐山、秦皇島地區(qū)為低值區(qū);南宮、肥鄉(xiāng)、黃驊一帶是干熱風的高發(fā)區(qū)域。本研究所選24個農(nóng)業(yè)氣象觀測站點57年來總計發(fā)生輕度干熱風2 992站次，平均每年每站2.18次;總計發(fā)生重度干熱風1 399站次，平均每年每站1.02次。

3 結(jié)論與討論

近57年來，河北省干熱風發(fā)生整體呈下降趨勢，重度干熱風的下降趨勢更為明顯，通過了顯著性檢驗（P<0.05）。輕度干熱風和干熱風總次數(shù)的下降并沒有通過顯著性檢驗（P>0.05）。從年際尺度上看，河北省1960—1990前期是干熱風的高發(fā)時期，80年代中后期到90年代末，干熱風發(fā)生較少，2001年出現(xiàn)歷史極大值，發(fā)生干熱風共231站次，這次干熱風災(zāi)害發(fā)生突然性強，波及范圍廣。此后，干熱風的發(fā)生進入一個短暫的低谷期，之后又呈緩慢上升的趨勢。

根據(jù)M-K檢驗及滑動t檢驗結(jié)果，輕度干熱風和干熱風總數(shù)在近57年來并沒有發(fā)生突變，而重度干熱風的發(fā)生在20世紀80年代中期出現(xiàn)了突變性下降。

從區(qū)域上看，河北省麥區(qū)各站點的年均輕度、重度干熱風

日數(shù)分布一致，大體呈東北部低、南部高的趨勢。河北省邯鄲、邢臺的太行山山前地帶以及黑龍港流域的中西部為干熱風的重災(zāi)區(qū)，東北部的唐山、秦皇島地區(qū)為低值區(qū);南宮、肥鄉(xiāng)、黃驊一帶是干熱風的高發(fā)區(qū)域。

氣象指標雖然可以作為判別干熱風發(fā)生的依據(jù)，但其危害程度卻不僅僅是由氣象指標決定的。還與土壤墑情、小麥發(fā)育期、品種、干熱風持續(xù)時間、農(nóng)田小氣候等有密切聯(lián)系[19-21]。在小麥籽粒中積累的干物質(zhì)中，有70%～80%來自于開花期至灌漿成熟期間的生育后期[22]，通過對河北省冬小麥干熱風時空分布規(guī)律的研究，可以提高干熱風預(yù)警的準確性和可靠性，對于冬小麥干熱風災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)有著重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]趙風華，居 輝，歐陽竹. 干熱風對灌漿期冬小麥旗葉光合蒸騰的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報，2013，28（5）：144-148.

[2]張志紅，成 林，李書嶺，等. 干熱風天氣對冬小麥的生理影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2015，34（3）：712-717.

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