內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍發(fā)生的演變特征及氣候危險性風(fēng)險指數(shù)的構(gòu)建

王惠貞 唐紅艷 李丹

摘要：以1981—2010 年內(nèi)蒙古自治區(qū)119個氣象站日最低氣溫及初霜凍發(fā)生日期為基礎(chǔ)，以不同氣候生態(tài)區(qū)的80%保證率成熟日期作為界限日期，評定大豆[Glycine max （Linn.） Merr.]秋季霜凍災(zāi)害是否發(fā)生，并構(gòu)建霜凍災(zāi)害氣候危險性風(fēng)險指數(shù)指標體系，分析內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍發(fā)生的演變特征及空間分布特征。結(jié)果表明，在30年時間尺度內(nèi)，內(nèi)蒙古大豆不同等級秋季霜凍發(fā)生范圍雖有略變小的趨勢，但各等級的初霜凍日均呈提前趨勢;霜凍發(fā)生的區(qū)域特征明顯，輕霜凍發(fā)生范圍相對較廣且發(fā)生范圍的年際變化較大。不同等級秋季霜凍發(fā)生頻率大致呈東北高、西部和東南部低的空間分布規(guī)律，變異系數(shù)與強度頻率空間分布規(guī)律相對一致，變異性較大的地區(qū)主要分布在大興安嶺山脈和陰山山脈地區(qū)。通過氣候危險性風(fēng)險指數(shù)指標模型的構(gòu)建和等級劃分，內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍危險性存在較大的空間差異性，霜凍危險性高的區(qū)域集中在東北部地區(qū)，其中大興安嶺南麓農(nóng)區(qū)是內(nèi)蒙古大豆主產(chǎn)區(qū)之一，掌握霜凍變化規(guī)律，合理安排作物品種熟型，做好該地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)和氣象為農(nóng)服務(wù)工作是保證大豆豐產(chǎn)豐收的有利條件。

關(guān)鍵詞：大豆[Glycine max （Linn.） Merr.];秋霜凍;年際變化;危險性;氣候風(fēng)險指數(shù);內(nèi)蒙古自治區(qū)

中圖分類號：S565.1;S425 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）15-0066-05

Abstract： Based on the lowest daily temperature and the earliest frost occurrence date of 119 meteorological stations in Inner Mongolia Autonomous Region from 1981 to 2010， the maturity date of the 80% guarantee rate of different climate ecoregions was used as the boundary date to assess whether the soybean [Glycine max （Linn.） Merr.] frost disaster occurred. The climate hazard risk index system of frost disasters was constructed to analyze the evolution characteristics of Inner Mongolia soybean autumn frost and spatial distribution characteristics. The results showed that in the 30a time scale， different grade autumn frost of soybean occured in Inner Mongolia were slightly smaller trend， but the early frost days of different grades showed an early trend. The regional characteristics of frost occurrence were obvious， and the range of light frost occured in relatively large areas， and the interannual variation of light frost was obvious， and the date of occurrence was also significantly in advanced. The distribution law was that the frequency of autumn frost in different grades was generally high in the northeast， was low in west and southeast. The coefficient of variation and the spatial distribution of intensity and frequency were relatively consistent， and the regions with large variability were mainly distributed in the Daxinganling mountains and Yinshan mountains. Through the construction of climate hazard risk index model and classification of risk climate index， there was a large spatial difference for the risk of autumn frost in Inner Mongolia， the area with high risk of frost was concentrated in the northeast region. And among them， the south of Daxinganling was agricultural area that was one of the major soybean producing areas of Inner Mongolia. There is an advantageous condition for ensuring a high harvest of soybeans that mastering the change law of frost， rationally arranging crop varieties and familiarity， doing a good job in disaster prevention and mitigation and meteorological services for agriculture in the region.

Key words： soybean[Glycine max （Linn.） Merr.]; autumn frost; interannual variation; dangerous; climate hazard risk index; Inner Mongolia Autonomous Region

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告（2013）指出，1951—2012年全球地表平均溫度升高0.72 ℃，而中國在1961—2010年平均地表氣溫升高1.3 ℃，且北方地區(qū)較南方地區(qū)增溫幅度更為明顯，其中東北部和內(nèi)蒙古中東部地區(qū)增溫速率最大[1-3]。在氣候變暖的背景下，極端天氣事件頻發(fā)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物布局等必然產(chǎn)生重大影響[4，5]。

大豆[Glycine max （Linn.） Merr.]是世界上主要的糧油兼用作物。內(nèi)蒙古自治區(qū)作為中國大豆主產(chǎn)區(qū)之一，種植面積僅次于黑龍江，擁有豐富的品種資源[6，7]。內(nèi)蒙古地處中國最北部，屬于中高緯度地區(qū)，地形和氣候復(fù)雜多樣，也是與氣溫相關(guān)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害較多的地區(qū)，尤其是秋季霜凍災(zāi)害對該地區(qū)大豆生產(chǎn)影響較為嚴重[8]。近年來，有學(xué)者陸續(xù)對各地區(qū)不同作物的霜凍災(zāi)害的風(fēng)險性開展了相應(yīng)的研究，結(jié)果表明，霜凍危險性對霜凍發(fā)生風(fēng)險的大小起決定性作用，且掌握霜凍出現(xiàn)的時間規(guī)律尤為重要[9-13]。

目前，對內(nèi)蒙古大豆霜凍災(zāi)害的風(fēng)險研究尚未見報道，且對不同程度霜凍出現(xiàn)的時間分布特征研究甚少。隨著社會的發(fā)展，資料時空精細化程度明顯提高。本研究利用1981—2010 年內(nèi)蒙古119個氣象站日最低氣溫及初霜凍發(fā)生日期分析了該地區(qū)大豆秋季霜凍發(fā)生時間的演變規(guī)律，并與地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)手段相結(jié)合，從大豆不同等級秋季霜凍在安全成熟前發(fā)生的頻率、強度和變異性等方面分析了該地區(qū)大豆不同等級秋霜凍發(fā)生的氣候危險性風(fēng)險指標及空間分布特征，以期指導(dǎo)生產(chǎn)者合理安排作物品種布局，提高秋季霜凍防御能力，減輕初霜凍造成大豆產(chǎn)量等方面的損失，保障大豆產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料為1981—2010 年內(nèi)蒙古自治區(qū) 119 個氣象站日最低氣溫及初霜凍發(fā)生日期，來源于內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心。大豆生育期觀測資料包括內(nèi)蒙古扎蘭屯農(nóng)業(yè)氣象觀測站歷年生育期數(shù)據(jù)（時間序列為1986—2012年）和內(nèi)蒙古大豆品種區(qū)域和生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)（時間序列為2009—2014年）[14]。地理信息資料包括經(jīng)度、緯度、海拔等基礎(chǔ)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，經(jīng)緯度數(shù)據(jù)采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶100萬內(nèi)蒙古基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)。

1.2 內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍災(zāi)害發(fā)生的評定指標

大豆生長的發(fā)育期及其日最低氣溫共同決定了霜凍災(zāi)害是否發(fā)生。結(jié)合農(nóng)業(yè)氣象觀測站的大豆生育期資料，統(tǒng)計各站點大豆的多年平均成熟日期，經(jīng)過80%保證率的耿貝爾檢驗得到的成熟日期作為發(fā)生霜凍災(zāi)害的界限日期，如日最低氣溫指標值出現(xiàn)在界限日期之前，則表示該地區(qū)發(fā)生霜凍災(zāi)害，沒有觀測站的地區(qū)，界限日期用臨近站點的界限日期代替。

根據(jù)不同區(qū)域氣象條件相近程度，基于聚類分析理論，利用全區(qū)3個大豆農(nóng)業(yè)氣象觀測站歷年生育期資料，結(jié)合內(nèi)蒙古大豆品種區(qū)域和生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)，同時借鑒內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)廳生態(tài)區(qū)劃分結(jié)果，將內(nèi)蒙古自治區(qū)劃分為8個氣候生態(tài)區(qū)（表1）。

考慮內(nèi)蒙古的氣候特點、霜凍害發(fā)生的溫度指標以及大豆種植結(jié)構(gòu)，參考中華人民共和國氣象行業(yè)標準[15]，將大豆秋季霜凍災(zāi)害劃分為輕、中、重3 級，以輕霜凍（日最低氣溫≤0.5 ℃）、中霜凍（日最低氣溫≤0 ℃）、重霜凍（日最低氣溫≤-1.0 ℃）為界限，通過初霜凍發(fā)生日期是否在80%保證率成熟界限日期之前來判斷霜凍災(zāi)害是否發(fā)生。

1.3 霜凍災(zāi)害氣候危險性風(fēng)險指數(shù)指標體系

1.3.1 霜凍發(fā)生強度頻率指標 將1981—2010年內(nèi)蒙古各旗（縣）出現(xiàn)霜凍災(zāi)害的年份數(shù)量按霜凍災(zāi)害發(fā)生強度等級分為3組，即輕、中、重霜凍，計算不同等級霜凍災(zāi)害的發(fā)生頻率。霜凍災(zāi)害頻率指標（Dj）計算公式如下：

[Dj=Di30] （1）

式中，Di表示各旗（縣）30年內(nèi)不同等級霜凍發(fā)生的次數(shù)，i=1，2，3，分別代表輕、中、重霜凍級別;Dj表示不同等級霜凍的發(fā)生頻率。

同時，找出霜凍災(zāi)害發(fā)生時日最低氣溫的中間值，結(jié)合發(fā)生頻率，計算霜凍災(zāi)害強度頻率（Ih）。

[Ih=i=13Djn×Gj] ? （2）

式中，n為統(tǒng)計的年數(shù);Gj為日最低氣溫中間值。

1.3.2 霜凍發(fā)生的變異性 由于同一地區(qū)霜凍災(zāi)害的發(fā)生日期不穩(wěn)定，年際間差異較大，直接影響該地區(qū)霜凍災(zāi)害危險性的大小，因此將霜凍災(zāi)害發(fā)生日期的變異性作為反映致災(zāi)因子危險性大小的另一個指標，公式為：

[Dv=σD] （3）

式中，Dv為霜凍災(zāi)害發(fā)生日期的變異系數(shù);σ為日序的標準差;D為日序的數(shù)學(xué)期望。

1.3.3 氣候危險性風(fēng)險指數(shù) 致災(zāi)危險性是風(fēng)險產(chǎn)生和存在與否的必要條件，主要是由災(zāi)害強度、發(fā)生頻率及發(fā)生的不穩(wěn)定性共同決定的。上述2個指標分別從霜凍災(zāi)害的發(fā)生強度頻率和初霜凍日變異性角度反映了霜凍災(zāi)害危險性的大小，結(jié)合內(nèi)蒙古種植大豆的實際情況，運用專家經(jīng)驗賦值法確定的霜凍災(zāi)害強度頻率指標和霜凍災(zāi)害發(fā)生日期的變異系數(shù)對氣候危險性風(fēng)險指標的權(quán)重分別為0.75 和0.25，將二者進行加權(quán)求和，即可得到各旗（縣）的氣候危險性風(fēng)險指數(shù)（W） 。

[W=Ih×0.75+Dv×0.25] （4）

1.4 數(shù)據(jù)處理及專題圖制作

1.4.1 資料標準化處理 在構(gòu)建危險性指數(shù)時，為了使數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一量綱之間，對霜凍發(fā)生強度、頻率、變異系數(shù)等因子均進行了極差標準化處理，其表達式為：

3 小結(jié)與討論

內(nèi)蒙古大豆秋季發(fā)生輕霜凍的區(qū)域特征明顯，發(fā)生范圍相對較廣，而從年際變化特征來看，30年間霜凍年際變化較中霜凍和重霜凍略大。不同等級的初霜凍日均呈提前趨勢，不同等級霜凍可能發(fā)生范圍均波動較大，總體呈持平略減小趨勢，各等級的初霜凍日基本都在8月中旬以后出現(xiàn)，從20世紀90年代中后期開始初霜凍日有所提前，尤其是輕霜凍出現(xiàn)日期明顯提前。秋霜凍的發(fā)生正值大豆進入鼓粒階段，大豆耐寒能力較弱，一旦遭受凍害就無法挽回，因此秋霜凍出現(xiàn)越早，大豆生產(chǎn)損失越大。在氣候變暖背景下，對內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍的預(yù)測及防御問題仍需重視。

各等級秋季霜凍發(fā)生頻率大致均呈東北地區(qū)高、西部和東南部地區(qū)低的空間分布規(guī)律，發(fā)生輕霜凍概率大的地方，發(fā)生中霜凍和重霜凍的概率也相對較大，但發(fā)生輕霜凍頻率較高的地區(qū)范圍較中霜凍和重霜凍地區(qū)廣。結(jié)合低溫強度來看，呼倫貝爾大部分地區(qū)和興安盟阿爾山地區(qū)強度頻率指數(shù)最高，西部和東南部大部分地區(qū)發(fā)生霜凍的強度頻率指數(shù)相對較低。內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍發(fā)生的變異系數(shù)與強度頻率空間分布規(guī)律相對一致，變異性較大的地區(qū)主要分布在大興安嶺山脈和陰山山脈地區(qū)。

總體來看，內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍災(zāi)害發(fā)生的危險性受緯度和地形的影響較明顯，自北向南隨緯度的減小危險性有所降低，隨海拔高度的增加危險性也有所增高，危險性最高的地區(qū)主要分布在大興安嶺地區(qū)，大興安嶺北麓林區(qū)和南麓農(nóng)區(qū)氣候危險性風(fēng)險指數(shù)略高。其中，大興安嶺南麓農(nóng)區(qū)是內(nèi)蒙古大豆主產(chǎn)區(qū)之一，掌握霜凍變化規(guī)律，合理安排作物品種熟型，控制作物的播種期和成熟期，做好該地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)及氣象為農(nóng)服務(wù)工作是保證大豆豐產(chǎn)豐收的有利條件。影響內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍危險性的因子比較復(fù)雜，主要與地形、天氣氣候條件和種植品種等因素有關(guān)[16]，但基于數(shù)據(jù)的可獲取性以及研究時間所限，本研究綜合考慮霜凍強度、頻率及發(fā)生時間的變異性所構(gòu)建的危險性氣候評價指標和模型作為一個初步方法，結(jié)合地形、品種結(jié)構(gòu)特征可預(yù)測霜凍災(zāi)害危險性發(fā)生等級。

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