氣候變化背景下江蘇河蟹養(yǎng)殖高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

張旭暉 俞子閑 時(shí)冬頭 任義方 王敦糾 吳洪顏

(1 江蘇省氣候中心，南京 210041;2如東縣氣象局，江蘇 南通 226400; 3 高淳區(qū)氣象局，南京 211300;4 阜寧縣氣象局,江蘇 鹽城 224499;5 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210041 )

引 言

江蘇省湖泊眾多，水網(wǎng)密布，河蟹養(yǎng)殖條件得天獨(dú)厚。近年來(lái)，年均水產(chǎn)養(yǎng)殖面積2 620 km2，總產(chǎn)量達(dá)352 000噸，年產(chǎn)值過(guò)百億元，河蟹品牌知名度、市場(chǎng)認(rèn)可度和產(chǎn)業(yè)規(guī)模均位于全國(guó)前列。河蟹養(yǎng)殖是露天生產(chǎn)，氣象災(zāi)害直接影響河蟹產(chǎn)量和品質(zhì)。如2017年7月淮安市洪澤區(qū)因高溫造成減產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失約2 070萬(wàn)元，最嚴(yán)重的老子山鎮(zhèn)70%的蟹塘減產(chǎn)4成以上。高溫?zé)岷ψ鳛橹萍s河蟹養(yǎng)殖的主要?dú)庀鬄?zāi)害，一直受到生產(chǎn)者的高度重視。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)河蟹高溫?zé)岷ψ隽舜罅康难芯?。一些學(xué)者開(kāi)展了高溫期間河蟹生態(tài)環(huán)境因子變化規(guī)律研究，如戴恒鑫等[1]對(duì)河蟹生態(tài)養(yǎng)殖池塘不同水層溶解氧進(jìn)行晝夜監(jiān)測(cè)，分析了高溫季節(jié)各種天氣蟹塘內(nèi)因水草分布不同而導(dǎo)致的溶解氧的分布和變化的差異；蓋建軍等[2]通過(guò)對(duì)蘇南地區(qū)河蟹養(yǎng)殖池在不同氣象條件下的水體監(jiān)測(cè)，探討高溫天氣對(duì)溶解氧、pH值的影響。一些學(xué)者開(kāi)展了高溫?zé)岷Πl(fā)生時(shí)河蟹自身生理機(jī)能變化及氣象災(zāi)害防御對(duì)策研究[3-5]。張旭暉等[6]分析河蟹高溫?zé)岷Πl(fā)生規(guī)律，構(gòu)建災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警與評(píng)估模型。一些學(xué)者開(kāi)展了河蟹高溫?zé)岷ΡｋU(xiǎn)天氣指數(shù)的研究，如：劉瑞娜等[7]通過(guò)分析不同深度水溫與河蟹產(chǎn)量相關(guān)性，建立高溫?zé)岷Φ燃?jí)指標(biāo)，并初步設(shè)計(jì)池塘養(yǎng)殖河蟹高溫?zé)岷μ鞖庵笖?shù)保險(xiǎn)產(chǎn)品，以期為實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移提供有效途徑。

隨著以變暖為主要特征的全球氣候變化導(dǎo)致極端天氣氣候事件頻發(fā)[8-10]，多數(shù)研究認(rèn)為，夏季氣溫呈上升趨勢(shì)，肖安等[11]基于超熱因子的熱浪指標(biāo)分析中國(guó)熱浪事件氣候變化，認(rèn)為華東地區(qū)熱浪最長(zhǎng)持續(xù)天數(shù)和熱浪總天數(shù)全國(guó)最多，且有顯著增加的趨勢(shì)；李東歡等[12]利用試驗(yàn)?zāi)M，認(rèn)為在RCP8.5排放情景下，21世紀(jì)中國(guó)區(qū)域夏季地表氣溫將持續(xù)升高，極端高溫事件也將持續(xù)增加。夏季高溫事件頻率、強(qiáng)度的提升，必將增加河蟹養(yǎng)殖高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)展氣候變化背景下河蟹氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究，對(duì)科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化，降低河蟹養(yǎng)殖高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)具有重大意義[13-14]。本文通過(guò)分析影響河蟹高溫?zé)岷Φ母邷貜?qiáng)度、降水、日照等主要?dú)庀笾笜?biāo)，構(gòu)建高溫?zé)岷C合指數(shù)，綜合高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率和河蟹因?yàn)?zāi)死亡率建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指數(shù)，結(jié)合河蟹養(yǎng)殖對(duì)地形和土壤的需求，根據(jù)該指數(shù)的空間分布將江蘇河蟹養(yǎng)殖高溫?zé)岷Ψ殖扇齻€(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)，研究各區(qū)域的年代際變化，成果可為河蟹高溫?zé)岷Ψ烙夹g(shù)研究、精細(xì)把握熱害風(fēng)險(xiǎn)空間布局、有效防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)為江蘇、山東、安徽和浙江省氣候中心提供的1961—2019年江蘇、山東、安徽和浙江省共85個(gè)氣象觀測(cè)站資料，要素包括逐日氣溫(單位:℃)、降水量(單位: mm)、日照時(shí)數(shù)(單位: h)。

河蟹生產(chǎn)信息為江蘇省漁業(yè)技術(shù)推廣中心和各地市區(qū)水產(chǎn)局提供2002—2018年江蘇河蟹生長(zhǎng)情況、傷亡率以及有關(guān)水體生態(tài)環(huán)境變化情況。

河蟹農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)信息為江蘇省統(tǒng)計(jì)局提供2002—2018年江蘇河蟹產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)地理信息為國(guó)家基礎(chǔ)信息中心提供的江蘇省1∶250 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；南京土壤研究所提供的1∶1 000 000土壤屬性數(shù)據(jù)。

1.2 養(yǎng)殖地理背景

河蟹養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境不僅與氣象條件有關(guān)，還與土壤、地形、水質(zhì)等環(huán)境條件密切相關(guān)，鑒于江蘇優(yōu)越的水資源條件，僅考慮地形和土壤的背景影響。首先按照壤土>黏土和沙土>鹽土進(jìn)行土壤類型初步分為三類：1(適宜)、2(較適宜)和3(不適宜)[15]；再根據(jù)1984年全國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)頒布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[16]，將基于DEM提取的坡度數(shù)據(jù)中0°～2°的坡度范圍作為適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖的區(qū)域。

1.3 構(gòu)建高溫?zé)岷C合指數(shù)

1.3.1 高溫?zé)岷我蜃又笖?shù)

引發(fā)河蟹高溫?zé)岷Φ闹饕獨(dú)庀笠蛩厥歉邷貜?qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間、降水和日照[6]，由這4個(gè)要素構(gòu)建河蟹高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，設(shè)逐日單因子高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是(i=1為最高氣溫；i=2為高溫持續(xù)天數(shù)；i=3為降水量；i=4為日照時(shí)數(shù))。各氣象因子的具體風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)用隸屬度模型構(gòu)建，可表示為：

(1)

式中：xdixmin和xdixmax為對(duì)應(yīng)氣象因子高溫?zé)岷Πl(fā)生和加重時(shí)的臨界值。

1.3.2 綜合高溫?zé)岷χ笖?shù)

讓我意料不到的是老陳居然打電話舉報(bào)我。那是在我那個(gè)朋友來(lái)過(guò)之后的第二天，兩個(gè)警察敲響了我的門(mén)。聽(tīng)到敲門(mén)聲，我還以為是老陳呢。誰(shuí)想開(kāi)門(mén)后卻發(fā)現(xiàn)站在門(mén)外的是兩個(gè)警察。只是出乎意外的是其中的一個(gè)警察我認(rèn)識(shí)，他也喜歡逛古玩市場(chǎng)。見(jiàn)開(kāi)門(mén)的是我，警察小徐說(shuō)，怎么是你？

常采用線性方程來(lái)綜合多因子分析[10]，逐日高溫?zé)岷C合指數(shù)(I)計(jì)算公式如下:

(2)

考慮高溫期間各氣象要素對(duì)河蟹的影響特點(diǎn)，利用層次分析法和專家打分法[17-19]給出影響權(quán)重a0=0、a1=0.50、a2=0.35、a3=0.10、a4=0.05。

根據(jù)河蟹養(yǎng)殖資料和對(duì)應(yīng)的同期高溫?zé)岷C合指數(shù)(I)統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，將高溫?zé)岷Ψ殖?個(gè)等級(jí)，詳見(jiàn)表1。

表1 河蟹高溫?zé)岷Φ燃?jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Rating standard of high temperature damage in river crab-farming

江蘇省于每年2月中旬至3月上旬放養(yǎng)蟹種，4—8月脫殼成蟹，9月底開(kāi)始收獲，11月底基本收完。其中，6—8月是河蟹養(yǎng)殖的關(guān)鍵階段，也是高溫?zé)岷Φ某０l(fā)期[20]， 故將6—8月設(shè)定為河蟹高溫?zé)岷ΡO(jiān)測(cè)期。以式(2)計(jì)算該期逐日高溫?zé)岷χ笖?shù)(I)，6—8月逐日累積量定義為當(dāng)年綜合高溫?zé)岷χ笖?shù)(IZ)，

(3)

式中：Ii為逐日高溫?zé)岷χ笖?shù)，m=92。

1.4 構(gòu)建災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指數(shù)

致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析是指給定地理區(qū)域內(nèi)一定時(shí)段內(nèi)各種強(qiáng)度致災(zāi)因子發(fā)生的可能性，即研究給定區(qū)域內(nèi)各種強(qiáng)度的自然災(zāi)害的發(fā)生概率或重現(xiàn)期[21]。根據(jù)高溫?zé)岷Φ牡燃?jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)反演各等級(jí)高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率，將對(duì)應(yīng)河蟹死亡率作為災(zāi)害損失率(表1)，構(gòu)建河蟹高溫?zé)岷C合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指數(shù)(X):

X=P1D1+P2D2+P3D3，

(4)

式中：P1、P2和P3分別為輕度、中度和重度高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生頻率；D1、D2和D3為對(duì)應(yīng)的死亡率。

2 結(jié)果分析

2.1 關(guān)鍵氣象要素時(shí)空分布

圖1 1961—2019年夏季高溫日數(shù)空間分布Fig.1 The days of high temperature in Summer from 1961 to 2019

圖2 1961—2019年夏季高溫日數(shù)年代際變化Fig.2 Decadal variation of high temperature days in summer from 1961 to 2019

江蘇夏季降水量(圖略)占全年降水的40%～60%，其中東部沿海和江淮之間大部分地區(qū)降水較多，平均降水量超過(guò)520 mm，個(gè)別極端年份超過(guò)1 000 mm(如1991年、2003年)；西北部和東南部降水較少，降水量小于500 mm。從年際趨勢(shì)看，蘇南地區(qū)夏季降水有顯著增加趨勢(shì)，氣候傾向率為34.6 mm/(10 a)，其余地區(qū)夏季降水年際增減趨勢(shì)并不明顯。

江蘇夏季平均日照時(shí)數(shù)(圖3)在550 ～ 655 h，不同地區(qū)空間差異(圖略)并不明顯，其中淮北、東部沿海和蘇南南部地區(qū)略高于沿江和江淮之間西部地區(qū)。與氣溫和降水的變化不同，1961年以來(lái)，江蘇夏季日照時(shí)數(shù)持續(xù)減少，平均氣候傾向率大于30 h/(10 a)，以淮北地區(qū)最為顯著，R=0.636 8，通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)(P=0.414)。

圖3 1961—2019年夏季日照時(shí)數(shù)年代際變化Fig.3 Decadal variation of sunshine hours in summer from 1961 to 2019

2.2 高溫?zé)岷庀笾笖?shù)特征

計(jì)算全省1961—2019年6—8月逐日高溫影響指數(shù)μ1(x)、高溫持續(xù)天數(shù)影響指數(shù)μ2(x)、降水影響指數(shù)μ3(x)和日照影響指數(shù)μ4(x)，以各參數(shù)指數(shù)逐年累計(jì)值分析各要素時(shí)空分布和氣候變化特征(圖略)。其中，高溫影響指數(shù)呈西南高、東北低的分布態(tài)勢(shì)，年平均值在2.4～19.8。高值區(qū)主要分布在沿江蘇南地區(qū)，固城湖地區(qū)其值最高達(dá)19.8；其次是溧陽(yáng)和南京，高溫影響指數(shù)分別為15.4和14.9，長(zhǎng)蕩湖和陽(yáng)澄湖周邊地區(qū)、洪澤湖西部地區(qū)其值均在10.0以上；淮北地區(qū)受高溫影響程度最輕，平均值在6.0以下，贛榆、響水等地高溫影響指數(shù)值僅為4.2。高溫持續(xù)天數(shù)影響指數(shù)的空間分布(圖略)與高溫影響指數(shù)分布在變化趨勢(shì)上相一致，均呈現(xiàn)為由西南向東北遞減。降水影響指數(shù)(圖略)則是淮北西部、江淮之間北部、東南部沿海地區(qū)高于其它地區(qū)。日照影響指數(shù)沒(méi)有明顯的區(qū)域差異。

2.3 高溫?zé)岷C合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

利用公式(1)—(4)反演1961—2019年全省各站氣象資料，求得各等級(jí)高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率，與相應(yīng)死亡率加權(quán)得到河蟹高溫?zé)岷C合風(fēng)險(xiǎn)值。再采用自然斷點(diǎn)法將全省劃分為高、中、低三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，依托ArcGIS的柵格分析模塊與土壤和地形的適宜養(yǎng)殖分類數(shù)據(jù)疊加分析，最終得到江蘇河蟹養(yǎng)殖高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃(圖4)。其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要包括南京、常州、無(wú)錫和蘇州西部地區(qū)，河蟹養(yǎng)殖規(guī)模較大的太湖、高淳湖、滆湖、長(zhǎng)蕩湖區(qū)域均處其中，夏季高溫強(qiáng)度和高溫持續(xù)時(shí)間居全省首位，河蟹生長(zhǎng)過(guò)程極易遭受高溫影響。中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在全省的范圍最大，包含淮北西部、江淮之間大部以及蘇南東部地區(qū)，陽(yáng)澄湖、高郵湖、洪澤湖及以興化為代表的里下河養(yǎng)殖區(qū)均位于其中，該區(qū)南部夏季高溫強(qiáng)度和高溫持續(xù)時(shí)間明顯低于蘇南西南部地區(qū)，降水量適宜，高溫?zé)岷τ绊懖患疤K南西南部地區(qū)，而淮北西部地區(qū)高溫強(qiáng)度和高溫持續(xù)時(shí)間在相對(duì)較弱，但降水偏少、日照充足，增加了高溫危害。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)包括連云港、淮安和鹽城的北部，該區(qū)屬淮河以北地區(qū)，東部臨海，夏季高溫日少，高溫強(qiáng)度全省最低，降水也相對(duì)充足，總體來(lái)說(shuō)，高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)是全省最低的。

圖4 江蘇省河蟹高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖(1961—2019年)Fig.4 Risk zoning map of high temperature damage of river crab in Jiangsu (1961-2019)

2.4 高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)的年代際分析

圖5 江蘇省河蟹高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃:(a) 1961—1990年; (b) 1971—2000年; (c) 1981—2010年; (d) 1991—2019年Fig.5 Risk zoning map of high temperature damage of river crab in Jiangsu: (a) 1961-1990; (b) 1971-2000; (c) 1981-2010; (d) 1991-2019

為進(jìn)一步了解氣候變化背景下河蟹高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)的分布特征，選取1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2019年4個(gè)時(shí)段計(jì)算高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)值(圖5)。其中，1961—1990年全省高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)以中值區(qū)為主，高值區(qū)分散在西部地區(qū)，向北延伸到徐州，包括南京和鎮(zhèn)江等地、盱眙和泗洪大部分地區(qū)以及徐州和泰興周邊地區(qū)；風(fēng)險(xiǎn)低值區(qū)域小，分散在江淮之間中北部及連云港部分地區(qū)，為4個(gè)時(shí)段中面積最小，其他各地皆為中值區(qū)，中值區(qū)面積為4個(gè)時(shí)段之最。1971—2000年高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)為4個(gè)時(shí)段最小，回落至蘇南西部；低值區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，南部一直延伸至高郵等地，淮北中東部全部降至低值區(qū)。1981—2010年高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)仍以蘇南西部為主，向東延伸，面積也所加大，低值區(qū)范圍繼續(xù)向東南擴(kuò)大，成為四個(gè)時(shí)段中低值區(qū)范圍最大的。1991—2019年高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)在四個(gè)時(shí)段中最大，包括沿江—蘇南地區(qū)(除南通、呂泗外)、盱眙和泗洪大部分地區(qū)，低值區(qū)面積明顯減少，分散在淮北地區(qū)東部、江淮之間中北部部分地區(qū)，中值區(qū)也相應(yīng)減少，成為4個(gè)時(shí)期范圍最小。結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)河蟹高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)呈先減弱后明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，1991—2019年高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)達(dá)到歷史最高，主要表現(xiàn)為高值區(qū)范圍明顯擴(kuò)大和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)非同步的先擴(kuò)大后縮小改變，主要是由于高溫強(qiáng)度和持續(xù)日數(shù)的空間差異所造成，日照的減少也有一定影響。

3 結(jié)論

河蟹的高溫?zé)岷κ腔春右阅系貐^(qū)常見(jiàn)的氣象災(zāi)害，不僅受高溫強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間影響，而且與日照和降水也密切相關(guān)。本文利用了高溫、日照和降水的綜合影響來(lái)評(píng)估河蟹高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布特征及對(duì)氣候變化的響應(yīng)。結(jié)論如下：(1) 江蘇夏季高溫日數(shù)呈西南多、東北少的空間分布特征，以1980s為轉(zhuǎn)折，高溫日數(shù)總體呈先降后升趨勢(shì)，蘇南地區(qū)增溫幅度最大，其次是江淮之間，淮北地區(qū)最不明顯；夏季降水量則是東部沿海和江淮之間大部分地區(qū)較多，淮北西部、東南部沿海等地較少，夏季降水除蘇南地區(qū)有顯著增加外，其它地區(qū)年際變化趨勢(shì)并不明顯；夏季日照時(shí)數(shù)沒(méi)有明顯的空間差異，全省持續(xù)減少，淮北地區(qū)最顯著。(2) 江蘇河蟹高溫?zé)岷Πl(fā)生風(fēng)險(xiǎn)自西南—東北逐漸降低。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)包括南京、常州、無(wú)錫和蘇州西部地區(qū)，太湖、高淳湖、滆湖、長(zhǎng)蕩湖均處其中，河蟹生長(zhǎng)過(guò)程極易遭受高溫影響；中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的范圍最大，包含淮北西部、江淮之間大部以及蘇南東部地區(qū)，陽(yáng)澄湖、高郵湖、洪澤湖及以興化為代表的里下河養(yǎng)殖區(qū)位于其中；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)則包括連云港、淮安和鹽城的北部，該區(qū)屬淮河以北地區(qū)，東部臨海，夏季高溫日少，高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)最低。(3) 通過(guò)年代際分析發(fā)現(xiàn)1961年以來(lái)全省高溫日數(shù)呈先降后升的趨勢(shì)，總體呈上升趨勢(shì)，1980s為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，之后逐漸增加，2010年以后達(dá)到最高。而30 a尺度下的高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)分區(qū)也有所響應(yīng)，特征明顯。各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積變化直接反映了河蟹高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)先減弱后明顯增強(qiáng)的趨勢(shì)，并在1991—2019年高溫?zé)岷C合風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到歷史最高。(4) 河蟹高溫?zé)岷﹄m然與高溫、降水及日照都有一定關(guān)系，但分析中也發(fā)現(xiàn)，高溫強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間影響最大，其次是降水，日照在高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)空間分布和年際變化中作用并不顯著，這可能與日照的年際趨勢(shì)一致性有關(guān)。此外，還發(fā)現(xiàn)高溫強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的非同步變化直接影響著成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的年際特征，并在一定程度上削弱災(zāi)害影響，需進(jìn)一步展開(kāi)研究。