基于極值概率分布的河南冬小麥晚霜凍時空分布特征

方文松，王紀(jì)軍，王秀萍

(1.中國氣象局/河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗室，河南鄭州 450003；2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南鄭州 450003；3.河南省氣候中心，河南鄭州 450003)

小麥?zhǔn)侵袊饕募Z食作物之一，其中冬小麥的生產(chǎn)主要集中在河南、山東等省份[1]。然而，在我國冬小麥主要種植區(qū)，晚霜凍是影響小麥高產(chǎn)的一種重要?dú)庀鬄?zāi)害[2-3]，晚霜凍害嚴(yán)重時冬小麥會絕收[4]。隨著氣候變暖，小麥生長季農(nóng)業(yè)氣象資源分布和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律也在發(fā)生著顯著的變化，如華北地區(qū)及淮河流域的無霜期明顯加長[5-6]，晚霜凍的發(fā)生呈現(xiàn)減弱的趨勢[2]，同時極端天氣氣候事件增多，春季回暖后氣溫波動加劇，終霜日變得更不穩(wěn)定[7]。Erlat等[8]、Zhong等[9]、Wypych等[10]發(fā)現(xiàn)，氣候變暖造成土耳其、美國和歐洲地區(qū)的終霜日提前，延長無霜期，但氣候變暖并不意味著霜凍害發(fā)生的潛在危險減弱[11]。河南省冬小麥晚霜凍害遍及全省，晚霜凍主要發(fā)生在3月下旬至4月下旬，正值小麥拔節(jié)孕穗期，此時的低溫霜凍不僅會影響小麥的植株形態(tài)[12]和光譜特征[13]，還會影響小麥花器官的正常發(fā)育，進(jìn)而造成穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量的顯著降低[3]。根據(jù)陳懷亮等[2]對晚霜凍災(zāi)害災(zāi)度函數(shù)的定義，晚霜凍發(fā)生越晚，災(zāi)度值越大，影響程度越嚴(yán)重。研究表明，低溫凍害屬于一種極端天氣現(xiàn)象[14]，類似于極端降水[15]、極端高溫[16]一樣，也可能滿足極值概率分布。基于此，終霜日的發(fā)生早晚也可能符合極值分布特征。為了揭示終霜日發(fā)生早晚的概率分布特征，進(jìn)一步認(rèn)識氣候變化背景下晚霜凍害的發(fā)生規(guī)律，本研究在總結(jié)其他學(xué)者關(guān)于小麥晚霜凍害和終霜日發(fā)生規(guī)律的基礎(chǔ)上，以河南省為例，分析了小麥拔節(jié)期的時空分布特征和終霜日的時空分布和時間趨勢特征，探討終霜日極值概率分布規(guī)律及其對小麥晚霜凍害發(fā)生的可能影響，以期為小麥生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化和農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究資料包括河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心提供的全省111個氣象觀測站1971-2019年1月1日-4月30日(河南省小麥拔節(jié)期最晚日期4月22日)逐日最低氣溫、平均氣溫數(shù)據(jù)和河南省農(nóng)氣中心提供的全省17個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981-2019年小麥發(fā)育期數(shù)據(jù)(部分站點(diǎn)開始觀測時間晚于1981年，但觀測年限在25年以上)。為方便計算，將所有日期轉(zhuǎn)換為年積日進(jìn)行表示。

1.2 方法

1.2.1 小麥拔節(jié)期的時空分布特征

統(tǒng)計各農(nóng)業(yè)氣象觀測站點(diǎn)小麥進(jìn)入拔節(jié)期的最早、最晚、平均時間和最早最晚進(jìn)入拔節(jié)期的相距日數(shù)，計算各站點(diǎn)小麥進(jìn)入拔節(jié)期日序的氣候傾向率和變異度。

1.2.2 小麥晚霜凍發(fā)生頻率的空間分布

由于農(nóng)業(yè)氣象觀測站點(diǎn)較少，為推算其他站點(diǎn)拔節(jié)期，參考張雪芬[17]的方法，通過五日滑動平均溫度指標(biāo)推算各站點(diǎn)的返青日期，根據(jù)返青-拔節(jié)期所需平均有效積溫推算拔節(jié)日期，對于沒有作物觀測的站點(diǎn)，返青-拔節(jié)期所需平均有效積溫采用臨近站點(diǎn)值。經(jīng)回代檢驗，全省17個站點(diǎn)的平均絕對誤差為4.6 d。參考張雪芬[17]對小麥晚霜凍凍害指數(shù)的定義，在分段函數(shù)中小麥拔節(jié)前最低氣溫高于1.5 ℃時記為無晚霜凍。為簡化分析，本研究根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)確定晚霜凍是否發(fā)生，統(tǒng)計各站發(fā)生晚霜凍的年次，計算發(fā)生晚霜凍的頻率。

1.2.3 河南小麥晚霜凍終日時空分布特征

依據(jù)上述小麥晚霜凍的溫度標(biāo)準(zhǔn)，提取春季各氣象站點(diǎn)逐年霜凍事件出現(xiàn)的最大年積日作為小麥晚霜凍終日(下文簡稱“終霜日”)。在此基礎(chǔ)上，提取各站終霜日的最大值、最小值，計算終霜日的變異度和氣候傾向率，采用Mann-Kendal(M-K)趨勢檢驗法分析終霜日的時間趨勢。前人的相關(guān)研究表明，河南省氣溫在1990年存在突變點(diǎn)[18]。為了探究終霜日不同時間段的趨勢，本研究對1971-2019年的全時間段和1971-1990年、1990-2019年2個時段分別進(jìn)行趨勢檢驗。

1.2.4 河南終霜日的極值概率分布選擇與重現(xiàn)期估算

采用R語言[19]Trend package[20]的mk.test函數(shù)對終霜日進(jìn)行M-K時間趨勢分析。選用國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的廣義極值分布(generalized extreme value, GEV)[21]擬合終霜日序列，采用R語言extRemes package[22]fevd函數(shù)對GEV分布函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行估算，并利用Kolmogorov-Smirnov(KS)檢驗法對模擬擬合優(yōu)度進(jìn)行檢驗。采用extRemes package[22]return.level函數(shù)計算10年、50年、100年的重現(xiàn)期水平。分別利用ggplot2包[23]、raster包[24]和tmap包[25]進(jìn)行空間插值和分布圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥拔節(jié)期的時空分布

河南省大部分地區(qū)小麥拔節(jié)期最早出現(xiàn)時間在2月22日至3月1日，商丘、安陽、焦作和南陽部分地區(qū)拔節(jié)期出現(xiàn)在3月9日至3月17日，其余地區(qū)拔節(jié)期出現(xiàn)在2月22日至3月1日(圖1a)。河南省小麥拔節(jié)期常年出現(xiàn)在3月13日至3月31日，其中多數(shù)地區(qū)拔節(jié)期處在3月19日至3月25日，商丘、濮陽、焦作和南陽部分地區(qū)拔節(jié)期出現(xiàn)在3月25日至3月31日，其余地區(qū)拔節(jié)期出現(xiàn)在3月13日至3月19日(圖1b)。河南省小麥拔節(jié)期最晚出現(xiàn)時間在3月27日至4月17日，其中多數(shù)地區(qū)拔節(jié)期最晚出現(xiàn)時間在4

月3日至4月10日，商丘、濮陽和南陽部分地區(qū)拔節(jié)期最晚出現(xiàn)時間出現(xiàn)在4月10日至4月17日，其余地區(qū)拔節(jié)期最晚出現(xiàn)時間出現(xiàn)在3月27日至4月3日(圖1c)。河南省小麥拔節(jié)期最早-最晚出現(xiàn)時間跨度為23～44 d，其中大部分地區(qū)為30～37 d，豫西南邊界和濮陽、安陽部分地區(qū)跨度較大，豫東南邊界和三門峽西南部地區(qū)的跨度較小(圖1d)。

隨著氣候變暖，河南全省小麥拔節(jié)期大部分呈現(xiàn)提前趨勢，其中豫中南大部分地區(qū)小麥拔節(jié)期以2～4 d·10年-1的速率提前，而豫西大部、豫北及豫北至豫西的邊界地區(qū)則以0～2 d·10年-1的速率推遲(圖2)。河南小麥拔節(jié)期的變異度為7%～13%，其中以豫南及南陽西部地區(qū)的變異度最大，為11%～13%，其余大部分地區(qū)拔節(jié)期的變異度為7%～11%(圖3)。以上結(jié)果提示，年際間河南省小麥拔節(jié)期的波動較大。

2.2 小麥晚霜凍的發(fā)生頻率

河南省小麥晚霜凍的發(fā)生頻率為0.5～4.7次·10年-1。其中，南陽、信陽大部、駐馬店南部、周口東部、商丘西部部分地區(qū)的發(fā)生頻率最高，為3.3～4.7次·10年-1；濮陽、洛陽西南和三門峽交匯處的晚霜凍發(fā)生頻率最低，為0.5～1.9次·10年-1；其余大部分地區(qū)為1.9～3.3 次·10年-1(圖4)。

2.3 終霜日期時空分布

1971-2019年河南省終霜日最晚出現(xiàn)在1991年4月25日，其次為2013年4月20日。河南省終霜日最早出現(xiàn)時間在2月26日至3月6日，具體分布呈現(xiàn)豫南、豫東較早，豫西南和豫中南居中，豫北和豫西地區(qū)的終霜日最晚。河南省終霜日平均出現(xiàn)時間在3月20日至4月4日，最晚出現(xiàn)時間在4月18日至4月27日，二者的空間分布較為一致，均表現(xiàn)為豫西南、豫南和豫東地區(qū)的出現(xiàn)時間最早，豫北、豫西大部分地區(qū)的出現(xiàn)時間最晚，南北之間存在一個中間過渡帶(圖5)。終霜日相距日數(shù)跨度為47～55 d，具體表現(xiàn)為豫南和豫東跨度最大，其次為豫北和豫西地區(qū)，豫中和豫西南地區(qū)的時間跨度 最小。

近50年來，除修武的終霜日呈現(xiàn)顯著推遲外，河南省50.4%的站點(diǎn)終霜日發(fā)生時間呈現(xiàn)顯著提前，48.7%的站點(diǎn)終霜日發(fā)生時間無明顯變化(圖6a)。1971-1990年間，除淇縣、正陽和光山的終霜日顯著推遲外，其余站點(diǎn)的終霜日均無顯著變化(圖6b)。1990-2019年間，60.9%的站點(diǎn)終霜日無顯著變化，39.1%的站點(diǎn)終霜日顯著提前(圖6c)。

近50年來，河南省終霜日的氣候傾向率在-8～1 d·10年-1，平均值為-3.1 d·10年-1，其中大部分地區(qū)的終霜日以每10年2～5 d的速率提前(圖7a)。分階段分析結(jié)果顯示，1971-1990年間，河南省終霜日以每10年0～6 d的速率推遲(圖7b)；1990-2019年間，河南省大部分地區(qū)終霜日以每10年0～6 d的速率提前(圖7c)。河南省終霜日的變異度為11%～23%，其中大部分地區(qū)的終霜日變異度為15%～19%(圖7d)。分階段分析結(jié)果向顯示，1971-1990年間，河南省終霜日的變異度大部分為11%～15%(圖7e)；1990-2019年間，河南省大部分地區(qū)終霜日的變異度為15%～19%(圖7f)。

2.4 終霜日期最優(yōu)分布和重現(xiàn)期

終霜日期89.7%符合GEV分布，3.4%符合Gumbel分布，6.9%不符合極值分布模型(圖8a)。不同重現(xiàn)期水平下終霜日早晚的空間分布雖然不完全一致，但整體趨勢一致(圖8b、8c、8d)。南陽、信陽和駐馬店南部地區(qū)終霜日出現(xiàn)較早，豫西、豫北和豫中東地區(qū)終霜日出現(xiàn)較晚。經(jīng)對終霜日出現(xiàn)時間的10年、50年和100年重現(xiàn)期水平與經(jīng)度、緯度和海拔進(jìn)行回歸分析，終霜日重現(xiàn)期水平與緯度呈極顯著正相關(guān)，10年重現(xiàn)期水平與海拔呈顯著正相關(guān)，50年、100年重現(xiàn)期水平與海拔、重現(xiàn)期水平與經(jīng)度相關(guān)均不顯著(圖9)。

3 討 論

3.1 小麥拔節(jié)期與終霜日的時空分布

隨著氣候變暖，河南全省小麥拔節(jié)期和終霜日均呈現(xiàn)提前的趨勢，且終霜日的提前速率要大于拔節(jié)期的提前速率。其中終霜日以3.1 d·10年-1的速率提前，較Yan等[26]對1961-2013年的研究結(jié)果平均終霜日以2.4 d·10年-1的速率提前增大0.7 d·10年-1，提示近年來的終霜日較歷史時期有著更大幅度的提前。馬尚謙等[6]對淮河流域初終霜日的時空演變的分析結(jié)果也表明終霜凍日整體呈提前趨勢。本研究中，小麥拔節(jié)期的提前速率較終霜日的提前速率偏小，終霜日較拔節(jié)期提前速率偏大可以在一定程度上降低晚霜凍的發(fā)生頻率，這與馬尚謙[27]對淮河流域小麥晚霜凍發(fā)生頻次呈現(xiàn)減少趨勢相一致，提示隨著氣候變暖小麥晚霜凍的發(fā)生概率在降低。我們同時注意到，雖然在氣候變暖背景下，終霜日整體上明顯前移，但也存在個別年份發(fā)生時間較晚，如繼1991年終霜日發(fā)生在4月25日，2013年河南省終霜日發(fā)生在4月20日，為1971年以來的第二晚終霜日。對終霜日分時段的變異度分析結(jié)果也顯示，1990-2019年終霜日的變異度較1971-1990年間明顯增大，提示氣候變暖可能會造成晚霜凍害的潛在危害加劇。

已有的采用分段函數(shù)來判定小麥晚霜凍害等級對小麥生長發(fā)育連續(xù)性的考慮不足，本研究對冬小麥晚霜凍發(fā)生頻率的統(tǒng)計僅與是否發(fā)生為標(biāo)準(zhǔn)，未進(jìn)行災(zāi)害等級劃分。晚霜凍害的成災(zāi)等級受小麥發(fā)育時期、低溫程度[28]、低溫持續(xù)時長以及土壤墑情[29]狀況的共同作用，綜合考慮上述因素是需要進(jìn)一步研究的方向。

3.2 終霜日極值概率分布

利用極值概率分布函數(shù)對111個站點(diǎn)的終霜日擬合結(jié)果表明, 89.7%和3.4%的站點(diǎn)可以用GEV和Gumbel分布來描述終霜日的分布規(guī)律。這說明終霜日與氣溫極值[17，30]、降水極值[31]一樣, 基本滿足極值概率分布規(guī)律。終霜日回歸周期水平的早晚在一定程度上可以反映是否發(fā)生晚霜凍害和凍害的嚴(yán)重程度。本研究結(jié)果表明, 無論是10年、50年、100年一遇的回歸周期在空間分布上具有相似性，與歷史平均狀態(tài)在南北分布上相一致，但在具體的空間分布上與歷史平均狀態(tài)存在一定的差異，這與不同站點(diǎn)終霜日的變異度差異較大有關(guān)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，終霜日重現(xiàn)期水平與緯度呈極顯著的正相關(guān)，10年重現(xiàn)期水平與海拔呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，也從側(cè)面反映出終霜日回歸周期具有較為明顯的地帶性分布。

4 結(jié) 論

(1)河南冬小麥晚霜凍發(fā)生頻率均值在南陽、信陽大部、駐馬店南部、周口東部、商丘西部部分地區(qū)的發(fā)生頻率最高，表明這些區(qū)域冬小麥晚霜凍風(fēng)險較大；從終霜日的趨勢檢驗來看，近50年來河南省50.4%的站點(diǎn)終霜日發(fā)生時間呈現(xiàn)顯著提前，且終霜日提前速率大于小麥拔節(jié)期的提前速率，但1990-2019年終霜日的變異度較1971-1990年間明顯增大，說明總體而言氣候變暖背景下小麥晚霜凍害概率呈下降趨勢，但晚霜凍害發(fā)生嚴(yán)重程度可能會加劇。(2)93.1%的站點(diǎn)終霜日都滿足極值概率函數(shù)分布，終霜日的10年、50年、100年重現(xiàn)期的空間分布規(guī)律類似, 但與歷史均值存在一定的差異; 終霜日重現(xiàn)期水平與緯度、海拔有顯著的正相關(guān)關(guān)系，呈現(xiàn)出較為明顯的地帶性分布。