黃晚華，黃仁和，袁曉華，李忠輝

（1.湖南省氣象科學研究所，湖南 長沙 410007；2.湖南省氣象局國有資產(chǎn)運營中心，湖南 長沙 410007；3.吉林省氣象科學研究所，吉林 長春 130062）

湖南是我國重要水稻產(chǎn)區(qū)，歷來就有“湖廣熟，天下足”的美譽。多年來湖南水稻種植面積和稻谷總產(chǎn)量穩(wěn)居全國第一位，其中雙季晚稻種植面積占水稻總面積的40%左右[1]。湖南省大部分地區(qū)屬于中亞熱帶季風濕潤氣候,，影響湖南晚稻生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害是干旱和寒露風[2]。

一般而言，進入初秋季節(jié)的9月份，冷空氣活動開始活躍，常南侵湖南造成日平均氣溫低于20℃的低溫天氣，此時低溫會對雙季晚稻抽穗揚花造成影響，常出現(xiàn)包頸穎花不能正常開放，傳粉受精發(fā)生障礙等現(xiàn)象，致使晚稻空殼率增加，影響產(chǎn)量的形成。寒露風發(fā)生嚴重的地區(qū)晚稻會普遍減產(chǎn)，如1997年9月中旬出現(xiàn)了有氣象記錄以來持續(xù)時間最長、危害最嚴重的寒露風天氣，從9月中旬開始到月末，全省大部分地區(qū)持續(xù)了10～15 d的寒露風天氣，導致當年的晚稻產(chǎn)量減產(chǎn)達5%～10%[2-4]?？梢姡讹L是影響湖南晚稻產(chǎn)量的主要低溫災害。水稻生產(chǎn)經(jīng)驗也表明，抽穗揚花期的寒露風天氣對晚稻生產(chǎn)豐歉起著決定性的作用。近30 a以來，在氣候變暖背景下，寒露風呈現(xiàn)減弱的趨勢，生產(chǎn)中對防御寒露風災害有所輕視，但近幾年極端天氣事件增多，湖南5月低溫、8月低溫、寒露風等低溫災害又呈現(xiàn)增多的趨勢[5]，如2010年9月下旬，湖南發(fā)生自1997年以來最嚴重的寒露風天氣，對晚稻生產(chǎn)影響很大，使晚稻產(chǎn)量明顯減產(chǎn)。因此，系統(tǒng)分析寒露風發(fā)生特征，評估其風險，并進行科學風險區(qū)劃，對指導和安排晚稻生產(chǎn)，減輕寒露風帶來的不利影響，保障糧食安全具有重要意義。

關于農(nóng)作物的氣象災害特征分析及風險評估，已有不少研究[6－7]，但多針對水、旱災害或典型低溫區(qū)的冷害，如東北玉米冷害或華南寒害[8-11]。目前，對江南晚稻生產(chǎn)的寒露風災害風險評估分析較少，已有關于寒露風的研究也多注重預報機理和影響分析，僅部分研究涉及到定量評估[12-14]。本文根據(jù)災害風險評估原理和寒露風致災特征，通過分析湖南各地不同強度寒露風出現(xiàn)的歷史概率，進行雙季晚稻寒露風風險評估分析，為雙季晚稻生產(chǎn)提供氣象科學保障依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源和寒露風定義

資料來源：湖南省96個氣象臺站1961～2009年9月份日平均氣溫、日照時數(shù)等逐日氣象資料。

寒露風定義：根據(jù)湖南省地方標準《氣象災害術語和等級》[3]，寒露風定義為9月份出現(xiàn)的日平均氣溫≤20℃且持續(xù)3 d或以上的低溫天氣過程[2－3]。根據(jù)寒露風持續(xù)時間長短或低溫程度影響，該標準把寒露風分成如下不同等級。①輕度寒露風：日平均氣溫為18.5～20℃，持續(xù)3～5 d。②中度寒露風：日平均氣溫 17.0～18.4℃，持續(xù) 3～5 d；或日平均氣溫為18.5～20℃，持續(xù)6～8 d。③重度寒露風：日平均氣溫（過程平均溫度）≤17℃，連續(xù)3 d或以上；或日平均氣溫≤20℃，持續(xù)9 d或以上；或日平均氣溫17.0～18.4℃，連續(xù) 6～8 d。

1.2 寒露風年次頻率計算

僅發(fā)生1次輕度寒露風過程的年份為輕度寒露風年；僅發(fā)生1次中度寒露風過程，或發(fā)生2次輕度寒露風過程的年份為中度寒露風年；發(fā)生1次重度寒露風，或發(fā)生2次中度（或1次中度和1次輕度）寒露風，或發(fā)生3次輕度寒露風過程的年份為重度寒露風年。不同程度寒露風發(fā)生年次頻率的計算方法為：不同程度寒露風發(fā)生年次數(shù)與統(tǒng)計資料總年數(shù)之比[15]。

1.3 寒露風氣象風險指數(shù)

寒露風影響水稻生產(chǎn)的主要因素有低溫降溫幅度、過程最低氣溫、低溫持續(xù)日數(shù)、低溫過程平均溫度、綜合溫度等。為了較好地反映寒露風對水稻生產(chǎn)的影響程度，參考其他冷害評估指標[16-17]，定義了寒露風低溫氣象風險指數(shù)（R），見式1。

式中，R 為寒露風的風險指數(shù)；f1、f2、f3分別為輕度、中度、重度寒露風發(fā)生頻次；I1j、I2j、I3j分別為歷史上出現(xiàn)輕度、中度、重度寒露風對應的發(fā)生強度；n1、n2、n3分別為輕度、中度、重度寒露風發(fā)生次數(shù)；n為統(tǒng)計年內(nèi)總寒露風的次數(shù)。

公式（1）的含義是通過不同程度的寒露風發(fā)生頻次和低溫強度進行加權，得到多年平均總的風險指數(shù)。這不難看出，風險指數(shù)越高，寒露風的風險就越大。

1.4 寒露風低溫強度和當量冷積溫計算

寒露風低溫強度，與低溫持續(xù)時間、低溫程度、過程氣溫及日照時數(shù)等相關。這里改進冷積溫定義，在冷積溫的基礎上創(chuàng)立當量冷積溫，把當量冷積溫定義為：

其中，T′為當量冷積溫，t為日平均氣溫。ak為時間訂正系數(shù)，由于不同時段發(fā)生的寒露風對晚稻抽穗影響不一樣，一般寒露風對湖南雙季晚稻危害主要集中在9月中旬前后，對晚稻抽穗揚花有明顯危害，且近似拋物線變化。一般在湖南晚稻集中9月中旬后期（第4候）前后抽穗揚花，因此寒露風對晚稻抽穗影響嚴重；之前水稻尚未大面積抽穗，對晚稻影響較??；之后晚稻抽穗完成，寒露風影響也減小。根據(jù)影響程度，這里將連續(xù)線性影響變化進行分段離散簡化近似處理，對應9月第1～6候時間訂正系數(shù)（ak）分別取值為 0.5、0.8、1.0、1.1、0.9、0.5。b1～b4為溫度影響訂正系數(shù)，不同低溫程度對水稻抽穗影響不同。根據(jù)以前的研究結果[2，18-20]，這里計算日平均氣溫低于20℃開始對水稻抽穗影響的冷積溫，溫度越低，低溫對水稻抽穗危害越大。因此，b1、b2、b3和 b4分別取 1.0、1.3、2.0、3.0。

當量冷積溫同時考慮低溫不同發(fā)生時段和不同低溫程度對作物危害累積，能更真實反映低溫對水稻的影響和危害，能很好反映低溫持續(xù)時間、低溫程度和冷積溫累積值。因此，定義低溫強度指數(shù)（Ij）如下：

其中，∑T′為累積當量冷積溫，D為寒露風持續(xù)日數(shù)，d為持續(xù)日數(shù)的權重，這里取d=0.3，c為當量冷積溫的權重，這里取c=0.7。Sj為低溫過程中累積日照時數(shù)，含義是相當2 h日照能補償冷積溫1℃·d。根據(jù)寒露風等級，當某次寒露風的強度指數(shù)（Ij）在0～5時為輕度寒露風，在5～10時為中度寒露風，Ij＞10為重度寒露風。當強度指數(shù)Ij＜0時，即使出現(xiàn)連續(xù)3天以上日平均氣溫≤20℃，認如發(fā)生寒露風，其危害也不嚴重，不納入計算統(tǒng)計。

按照上述定義，先計算等級強度要素，最后得到寒露風風險指數(shù)。

2 結果分析

2.1 寒露風氣象風險要素空間分布特征

2.1.1 發(fā)生頻率特征 圖1a為湖南寒露風發(fā)生年次頻率空間分布圖。由圖1a可見，湖南寒露風發(fā)生年次頻率為10.9%～60.8%，全省平均為36.1%，最低年次頻率出現(xiàn)在江永，最高年次頻率出現(xiàn)在鳳凰。湘南的永州中南部、郴州的宜章以及湘東部分地區(qū)寒露風年發(fā)生頻率在20%（5 a一遇）以下；湘東南其余大部分地區(qū)以及湘西瀘溪、辰溪、麻陽等山區(qū)盆地年發(fā)生頻率在33.3%（3 a一遇）以下。湘中以北及湘西大部分地區(qū)、湘東南部分山區(qū)年發(fā)生頻率為33.4%～50.0%（2～3 a一遇），其中湘北、湘西等地和湘南局部地區(qū)年發(fā)生頻率在50%（2年一遇）以上。

從圖1b可知，中度以上寒露風發(fā)生年次頻率為2.2%～34.8%，全省平均為16.6%。永州大部以及湘東局地中度以上寒露風發(fā)生年次頻率在10%（10 a一遇）以下。其中，江永、江華、道縣、寧遠、新田、宜章、瀏陽、平江等地寒露風發(fā)生年次頻率為2.2%，近49年來，僅在1997年發(fā)生過1次中度以上寒露風。湘北、湘西部分以及湘南局部地區(qū)，中度以上寒露風發(fā)生年次頻率在5 a一遇以上。其中，桂東和龍山最高，為34.8%，達到3 a一遇。其他大部分地區(qū)中度以上寒露風發(fā)生的年次頻率都在5～10 a一遇之間，約占全省面積的一半。

圖1 湖南省寒露風及中度以上寒露風發(fā)生年次頻率

大部分雙季稻區(qū)重度寒露風的年發(fā)生頻率在10 a一遇以下。其中，湘中以南大部分區(qū)域在20 a一遇以下（圖略）。

總體而言，我省雙季晚稻區(qū)僅湘北等地寒露風發(fā)生頻率較高，為2～3 a一遇；其他大部分地區(qū)寒露風發(fā)生頻率為3 a一遇或以下，中度寒露風為5 a一遇或以下。空間頻率分布以湘東南最低，湘中次之，湘北較高。

表1 不同程度強度寒露風的比例和強度、時段的分布

2.1.2 寒露風各強度分布和時段分布特征 于湘北、湘中、湘南等典型雙季稻區(qū)選取15個代表氣象站，統(tǒng)計分析寒露風不同程度發(fā)生頻次、占比及時段分布（表1）。由表1可見，湘北寒露風發(fā)生次數(shù)最多，各站平均達0.66次/a，湘中次之，湘南最少，僅0.26次/a。從發(fā)生強度看，各地均類似，都以輕度居多，中度較少，重度很少。其中，輕度寒露風占所有寒露風的60%左右，中度約占31%，約為輕度的一半，重度寒露風較少發(fā)生，比重不到10%。從不同發(fā)生程度的強度指數(shù)看，輕度寒露風的平均強度為3.0左右，中度寒露風平均強度為7.0，重度寒露風強度，湘北和湘南分別為12.1和11.6，湘中地區(qū)高達21.1。從寒露風發(fā)生時段看，多發(fā)生在9月中下旬。其中，9月上旬發(fā)生的不到5%，中旬發(fā)生的約占總數(shù)的1/3，下旬發(fā)生的接近2/3。

2.1.3 寒露風的風險強度要素特征 寒露風對雙季稻風險影響不僅與發(fā)生頻率有關，還與寒露風過程發(fā)生時的當量冷積溫、低溫持續(xù)天數(shù)、日照多寡有關。下面分別分析低溫過程發(fā)生時的當量冷積溫、低溫持續(xù)天數(shù)和過程日照時數(shù)等特征。

（1）當量冷積溫。寒露風發(fā)生時，湘東大部分地方當量冷積溫最少，發(fā)生年冷積溫多在9℃以下，其他大部分雙季稻區(qū)冷積溫也在12℃以下，這些地方約占全省70%的區(qū)域。湘西和湘東南山區(qū)冷積溫較高，在12℃以上。其中，桂東、龍山等少數(shù)山區(qū)冷積溫在15℃以上（圖2a）。

全省寒露風發(fā)生過程中低溫持續(xù)天數(shù)為3.9～10.4 d（圖2b）。臨武持續(xù)天數(shù)最少，僅為3.9 d，湘東和湘南大部分地區(qū)持續(xù)天數(shù)為4～5 d。其他雙季稻區(qū)持續(xù)天數(shù)為5～6 d。超過6 d的地區(qū)主要分布在湘西北和湘東南等山區(qū)的非雙季稻區(qū)，其中桂東持續(xù)天數(shù)最長，為10.4 d。

一般發(fā)生寒露風時，多為持續(xù)陰雨寡照天氣，日照很少或基本無日照。如出現(xiàn)日照，則能使溫度回升，特別是最高氣溫可上升到20℃以上，即使日平均氣溫仍在20℃以下，一天中有幾小時氣溫在20℃以上，水稻就能完成開花授粉，對抽穗揚花有利。因此，日照多寡也是評價寒露風嚴重程度的重要指標。湖南省寒露風過程中日照時數(shù)為1.4～33 h（圖2c）。其中湘南中南部過程日照時數(shù)不足3h，湘南其他地區(qū)日照也多在5 h以下。湘中、湘東北等地大部分日照為5～7 h，洞庭湖區(qū)一帶日照為7～9 h，局地可達 12 h。

從各風險強度要素特征看，每次寒露風過程，大部分雙季稻區(qū)持續(xù)時間為4～6 d；過程冷積溫多為7～12℃，折合冷積溫約為2℃/d以內(nèi)，也就是說，低溫過程平均氣溫多在18℃以上；過程日照平均僅1～2 h/d。

圖2 湖南省寒露風發(fā)生過程當量冷積溫、持續(xù)低溫天數(shù)和過程日照時數(shù)分布

表2 湖南省寒露風綜合風險等級區(qū)劃

2.2 寒露風綜合氣象風險區(qū)劃

根據(jù)寒露風發(fā)生各風險頻率和強度要素，由式（1）計算得到寒露風綜合風險指數(shù)，根據(jù)綜合風險指數(shù)數(shù)值范圍按等值區(qū)間劃分5級（表2）。在此基礎上，利用GIS技術得到湖南省寒露風綜合氣象風險區(qū)劃（圖3）。

圖3 湖南省寒露風綜合風險區(qū)劃

由圖3可見，湘南、湘東等大部分地區(qū)寒露風綜合風險指數(shù)在2.0以下，有41站，占全省雙季稻區(qū)一半以上，為輕微風險區(qū)，寒露風發(fā)生頻率低，強度輕，寒露風對雙季晚稻風險小。其中，瀏陽、平江、炎陵、江永、道縣、寧遠、新田、江華、宜章等站綜合風險指數(shù)在1.0以下，為寒露風輕微風險區(qū)，基本無寒露風風險。瀏陽的寒露風指數(shù)僅為0.45，為全省寒露風風險最小的地方。

湘中、湘北和湘南的郴州等丘陵山區(qū)雙季稻區(qū)大部分風險指數(shù)在2.0～3.0之間，為寒露風低風險區(qū)，寒露風發(fā)生頻率低，強度也輕，但對雙季晚稻有一定的風險，在寒露風發(fā)生較重時，對雙季晚稻生產(chǎn)會有一定影響。

雙季稻區(qū)的資興、冷水江、臨澧、澧縣、桃源、桃江、安化、武岡等地，以及湘西山區(qū)等一季稻區(qū)的綜合風險指數(shù)為3.0～4.0，是寒露風中度風險區(qū)，寒露風發(fā)生頻率較高，強度也較重，對雙季晚稻風險較大，要特別注意防范寒露風帶來的不利影響。

綜合風險指數(shù)4.0～5.0的地區(qū)可劃分為寒露風高風險區(qū)，絕大部分在非雙季稻區(qū)，僅桂陽（風險指數(shù)達4.6）為雙季稻區(qū)。綜合風險指數(shù)在5.0以上的，僅為一季稻區(qū)的花垣和龍山，為寒露風特高風險區(qū)，這些地區(qū)的寒露風發(fā)生頻率高，強度大。

3 結論和討論

根據(jù)湖南省1961～2009年氣溫、日照等氣象資料進行寒露風災害風險分析，得到結果如下。（1）湖南雙季晚稻區(qū)僅湘北等地寒露風發(fā)生頻率較高，其他大部分地區(qū)寒露風發(fā)生頻率在2～3 a一遇或以下，其中中度寒露風發(fā)生頻率在5 a一遇以下。其空間頻率分布以湘東南最低，湘中次之，湘北較高。（2）湘北寒露風發(fā)生次數(shù)最多，各站平均達0.66次/a，湘中次之，湘南最少。且寒露風多發(fā)生在9月中下旬，約占95%。（3）雙季稻寒露風風險以湘南、湘東等平原和山區(qū)盆地最低，湘中丘陵地區(qū)次低，湘北部分平原地區(qū)和湘南局地丘陵山區(qū)較高。

由于寒露風多發(fā)生在9月中下旬，因此對中度風險區(qū)和高風險區(qū)應多考慮種植早熟品種，盡量使晚稻在9月中旬以前齊穗，以避免寒露風的風險[21]。

鑒于低溫風險影響水稻減產(chǎn)定損可操作性差，目前也無規(guī)范的受災面積和減產(chǎn)損失的資料，以上風險評估僅從氣象角度考慮，未考慮具體受災對象分布，評估結果有一定局限性。近年來低溫冷害發(fā)生幾率有增大的趨勢，有待從氣候變化角度研究寒露風的變化趨勢和周期性。

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