陳 斐， 楊沈斌，， 申雙和， 張 彌， 趙艷霞

(1.南京信息工程大學江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京210044;3.中國氣象科學研究院，北京 100081)

水稻是中國的主要糧食作物之一，其播種面積占糧食作物總面積的1/4，產(chǎn)量接近糧食總產(chǎn)的1/2［1-3］。水稻的安全生產(chǎn)關系到國家的穩(wěn)定和發(fā)展。然而，中國水稻種植分布廣、生長季長，水稻生產(chǎn)時常受到多種氣象災害的威脅和影響。其中，低溫冷害是造成水稻減產(chǎn)的重要災害之一［4］。

目前，已有大量研究集中在水稻低溫冷害致災機理、水稻低溫冷害指標和水稻低溫冷害監(jiān)測與評估等方面。王靜等［5］通過對灌漿期水稻進行低溫控制試驗，發(fā)現(xiàn)低溫使水稻的光合速率和葉綠素含量下降，進而影響水稻生理過程，導致水稻減產(chǎn)。王連喜［6］將遙感獲取的植被指數(shù)與寧夏地區(qū)1992年和1993年發(fā)生的水稻低溫冷害進行對比分析，在評估延遲型低溫冷害方面取得了較好的效果。Bouman等［7］在水稻生長模型 ORYZA2000中，通過建立穗生長階段冷積溫與敗育率的經(jīng)驗函數(shù)來模擬穗生長階段低溫對產(chǎn)量的影響。馬樹慶等［8］通過建立日冷積溫(時積溫)與水稻空殼率的關系模型，估算成熟前25 d逐日低溫導致的空殼率及減產(chǎn)率。

然而，水稻低溫冷害時空分布的研究大多針對中國的北方稻區(qū)。例如，李文亮等［9］對黑龍江省低溫冷害的發(fā)生規(guī)律進行了分析，并運用灰色分析模型對其未來發(fā)生情況進行了預測。王萍等［10］以黑龍江省79個氣象臺站1971～2006年5～9月平均溫度和作為低溫冷害指標，結合緯度和海拔高度資料，計算了一般低溫冷害指示值和嚴重低溫冷害指示值，從而分析了黑龍江省低溫冷害的分布特征。針對長江中下游和南方稻區(qū)水稻低溫冷害發(fā)生特點，韓榮青等［11］將中國南方早稻區(qū)劃分為四川盆地、長江中下游地區(qū)、華南南部和華南北部4個區(qū)域，分別研究了各區(qū)域早稻春播時段低溫冷害的時空變化規(guī)律。楊愛萍等［12］研究了處于長江中下游稻區(qū)的湖北省水稻盛夏低溫冷害變化特征。

從已有研究結果看出，長江中下游和南方稻區(qū)水稻低溫冷害的研究多針對個別省份或區(qū)域，分析的時間尺度多在30年左右，并缺乏對該區(qū)域低溫冷害時間周期波動特征的詳細分析。為此，本研究選用長江中下游雙季稻區(qū)47年76個觀測站的逐日氣象數(shù)據(jù)，依據(jù)春季水稻低溫冷害指標，結合氣候統(tǒng)計和小波分析方法，重點探討該區(qū)域春季水稻低溫冷害的時空分布和冷害的周期波動特征，為優(yōu)化該稻區(qū)春季水稻種植布局和農(nóng)事管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)中國水稻種植區(qū)劃［13］，本文選取長江中下游平原雙單季稻亞區(qū)、江南丘陵平原雙季稻亞區(qū)和黔東湘西高原山地單雙季稻亞區(qū)3個稻區(qū)作為研究區(qū)域(圖1)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，年平均氣溫19.0℃，最冷月平均氣溫5.5℃，最熱月平均氣溫28.0℃，無霜期210～270 d，≥10.0℃積溫4 500～6 500℃，年日照時數(shù)700～1 500 h，年降水量1 000～1 400 mm，降水主要集中于春、夏兩季。稻區(qū)內(nèi)早稻播種面積占全國早稻播種面積的比率超過53%，是該區(qū)域內(nèi)最主要的春播作物之一，因而，受到春季反復低溫冷害的威脅較大。

圖1 研究區(qū)水稻種植區(qū)劃圖Fig.1 Rice cultivation zoning map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)獲取了研究區(qū) 76 個氣象觀測站1961～2007年(共47年)的逐日氣溫觀測資料。資料包括最低溫度、最高溫度、日照時數(shù)、風速和降水量。采用常規(guī)氣候統(tǒng)計方法對氣象數(shù)據(jù)進行了缺測訂正和整理［14］。

1.2.2 春季水稻低溫冷害指標 1961～2007年長江中下游稻區(qū)春季(3～5月)是受北方冷空氣頻繁侵擾的活躍期。根據(jù)水稻生長對溫度的要求，當溫度低于12℃時就會對水稻生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。為此，結合長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害發(fā)生特點和早稻生產(chǎn)農(nóng)事活動，將研究時段設為早稻營養(yǎng)生長階段，即發(fā)芽——幼穗分化期(3月下旬至4月底)。同時，參考《中國災害性天氣氣候圖集》中的低溫冷害定義方法，將該階段連續(xù)3 d或以上日平均氣溫≤12.0℃記為1次低溫冷害過程［15］。根據(jù)低溫冷害過程的持續(xù)日數(shù)，將冷害強度分為輕度、中度、重度3個等級，等級劃分標準為:3～4 d為輕度，5～6 d為中度，≥7 d為重度［16］。另外，定義各站每年總冷害頻次為該年3個等級冷害頻次的總和。

1.2.3 方法 統(tǒng)計1961～2007年3月21日至4月30日不同等級冷害出現(xiàn)的頻次，采用線性趨勢分析法，分析了低溫冷害頻次的時間變化趨勢，并進行顯著性檢驗。趨勢變化分析用一次線性方程表示［17］:

另外，選用Morlet連續(xù)小波分析方法，分析研究區(qū)47年春季水稻不同等級低溫冷害頻次的周期特性。通過將低溫冷害頻次時間序列分解到時間頻率域內(nèi)，得出各周期信號的振幅以及這些振幅隨時間變換的信息，繪制小波系數(shù)圖和小波方差譜圖。小波系數(shù)圖能反映時間序列在不同時間尺度上的周期變化及其在時間域上的分布，圖中等值線中心為低溫冷害多發(fā)或少發(fā)中心，中心值的大小可以反映出波動的振動強度;小波方差譜圖反映了時間序列的波動能量隨尺度的分布情況，可用來確定低溫冷害波動的主周期［18-20］。對小波方差譜，可利用 α=0.05紅噪聲標準譜作為背景譜來進行顯著性檢驗。當檢驗線低于小波方差曲線時，說明該區(qū)段對應的周期特征通過了0.05顯著性水平檢驗。

2 結果

2.1 研究區(qū)春季水稻低溫冷害空間變化特征

圖2顯示了長江中下游雙季稻區(qū)47年春季水稻低溫冷害平均發(fā)生頻次的空間分布。從圖中可以看出:1)總冷害發(fā)生頻次為 0.40～2.70次/年，空間分布緯向差異明顯，多發(fā)區(qū)位于東北部的江蘇，依次向西向南遞減，在江西達到最少，兩省平均相差1.10次/年(圖2A)。2)從不同冷害等級來看(圖2B～圖2C)，輕度和中度冷害空間差異較小，全區(qū)輕度冷害普遍偏多(均在0.30次/年以上)，中度冷害普遍偏少(最多僅0.54次/年)。重度冷害空間差異較大，呈東北-西南分布，處于高值區(qū)的江蘇發(fā)生頻次最多可比低值區(qū)的江西多7倍。從各省不同等級冷害的發(fā)生比例來看，江蘇的重度冷害發(fā)生最頻繁，所占比例最大(43.9%)，故冷害程度最重;江西、湖南輕度冷害比例最大(50.0%以上)，重度比例最小，故冷害程度最輕。3)處于研究區(qū)域東北部地區(qū)春季低溫冷害發(fā)生頻率高、程度重，主要由于其緯度相對偏高，溫度相對偏低，且地處沿海，因此春季回溫較內(nèi)陸稍慢。另外，這些地區(qū)春季多連陰雨天氣，也是其低溫發(fā)生較多的一個重要原因。

圖2 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的空間分布Fig.2 Spatial distribution of spring cold damage to rice production in the study area

2.2 研究區(qū)春季水稻低溫冷害時間變化特征

2.2.1 年際變化特征 對整個研究區(qū)域不同等級春季水稻低溫冷害的發(fā)生頻次進行平均處理，得到其年際分布情況(圖3)。由圖3可以看出，總冷害在研究時段內(nèi)年際波動較大，發(fā)生次數(shù)最多的年份是1969年，單站平均2.66次/站，最少的是2001年，單站平均0.29次/站，兩者相差近10倍。47年均頻次為1.57次/站，2000年以后的發(fā)生頻次均低于平均線。從低溫冷害的發(fā)生等級來看，輕度冷害1992年發(fā)生次數(shù)最少，為 0.07次/站，1969年最多，為 2.03次/站;中度冷害發(fā)生次數(shù)最少、最多的年份分別是1983年和1967年，分別為0.01次/站和1.07次/站;重度冷害發(fā)生次數(shù)最多的年份是1996年，為1.34次/站。輕度、中度和重度低溫冷害對應的47年平均頻次分別為0.74次/站、0.35次/站和0.48次/站，說明全區(qū)以輕度冷害為主，重度次之，中度最少。

圖4為研究區(qū)域1961～2007年不同等級春季水稻低溫冷害的發(fā)生臺站數(shù)占研究區(qū)總站數(shù)的百分比，即各冷害的發(fā)生范圍。結果表明，輕度冷害發(fā)生范圍最大的是1969年，最小的是1992年，分別占研究區(qū)域的97.0%和7.0%，平均發(fā)生范圍為54.0%。中度冷害1982年發(fā)生范圍最大(72.0%)，1974年、1983年和1988年均最小(1.0%)，平均發(fā)生范圍為30.0%。1992年和1996年重度冷害的發(fā)生范圍達99.0%，為47年最大;2000年、2003年和2007年全區(qū)無重度冷害，為47年最小，重度冷害平均發(fā)生范圍為41%。各等級冷害的發(fā)生范圍都呈減少趨勢，其中輕度和中度冷害減少趨勢顯著(P＜0.05)?？偫浜Πl(fā)生范圍2001年最小，僅占研究區(qū)域的16.0%;1973年、1975年、2000年、2001年發(fā)生范圍為16.0%～46.0%，其余43年(占總年數(shù)91.0%)總冷害發(fā)生范圍都超過50.0%，其中有17年的發(fā)生范圍達100.0%。

綜合圖3和圖4可知，長江中下游雙季稻區(qū)春季水稻低溫冷害最頻繁且發(fā)生范圍廣的是1969年和1987年，冷害最少且發(fā)生范圍小的是2000年、2001年;研究區(qū)域輕度冷害頻繁、發(fā)生范圍廣，中度冷害少、發(fā)生范圍小，重度冷害居于兩者之間。

圖3 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的年際變化Fig.3 Inter-annual variations of spring cold damage to rice production in the study area

圖4 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的發(fā)生范圍Fig.4 Incidence of spring cold damage in the study area

從長江中下游雙季稻區(qū)春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的年代統(tǒng)計結果(表1)來看，輕度低溫冷害在20世紀60～80年代均較多，中度在60年代較多，重度則在80和90年代較多，本世紀初各等級低溫冷害都相對較少，重度尤為突出。總冷害大致呈現(xiàn)出多-少-多-少-少的波動特征，即60年代發(fā)生次數(shù)最多，70年代略有減少，80年代又增多，90代開始減少，本世紀初再次大幅減少，并且其發(fā)生頻次不足前幾個年代的1/2。由此可見，春季低溫冷害呈現(xiàn)明顯減少和減輕的態(tài)勢。

表1 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害年代際變化Table 1 Decadal changes of spring cold damage to rice production in the study area

以上分析為研究區(qū)域平均狀況，為了解時間變化趨勢的空間特征，逐站計算并繪制了研究區(qū)域47年不同等級春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的變化趨勢分布圖(圖5)。由圖5A可見，全區(qū)有54站(占該地區(qū)總臺站數(shù)的71.0%)總冷害的減少趨勢通過了α=0.05顯著性水平檢驗(圖5中藍圈)，各個省份均有分布，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.48～0.17次，平均0.27次，最低值0.48次出現(xiàn)在浙江東部;全區(qū)沒有呈顯著增加趨勢的臺站;冷害變化趨勢不顯著的臺站占29.0%。由圖5B～圖5D可見，輕度冷害有12站呈顯著減少趨勢，主要分布在安徽、江蘇、浙江、湖南，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.28～0.16次，顯著增加的僅1站(圖5中紅圈);中度冷害顯著減少的有21站，分布于長江中下游各省，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.21～0.10次;重度冷害僅3站顯著減少，位于江蘇地區(qū)，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.21～0.12次。以上分析說明，研究區(qū)近47年來各省春季水稻低溫冷害都呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢，不同等級冷害減少的頻次大體相當，減少范圍最廣的是中度冷害。

圖5 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的變化趨勢Fig.5 Frequency of spring cold damage to rice production in the study area

2.2.2 周期特征 圖6為長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫總冷害發(fā)生頻次的小波系數(shù)與方差分布圖。由圖6a可知，總冷害存在3年、5年、8年的年際和15年、25年以上的年代際周期振蕩特征，除1990年以后出現(xiàn)的5年尺度的周期信號表現(xiàn)為時域局部化特征外，其余4個尺度都具有全域性。3年小尺度周期信號在1993年以后振蕩強度明顯增強，8年尺度周期信號的振蕩中心發(fā)生了2次偏移，振蕩尺度先從6年逐漸增大到8年，2000年后又回落至5年，振蕩能量也在此后開始減弱;15年和25年以上大尺度上，周期振蕩穩(wěn)定且能量較強，25年以上尺度上存在多-少-多-少的2次循環(huán)交替振蕩，分別對應著20世紀60和80年代的冷害多發(fā)期與70、90年代及2000年以后的冷害少發(fā)期。此外，等值線基本閉合說明在未來一段時間又將進入春季低溫總冷害多發(fā)期。由圖6b可以看出，25年以上尺度在全時域上的平均振蕩能量最強，3年尺度的高頻振蕩能量最弱，幾個主要振蕩周期尺度中，僅3年尺度的周期信號通過顯著性檢驗。

圖6 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的小波變換系數(shù)和方差Fig.6 Wavelet transform coefficients and variances of spring cold damage frequency in the study area

從不同等級冷害來看(如圖6c～圖6h)，春季輕度低溫冷害具有3年、8年的年際和14年的年代際振蕩周期。其中，3年尺度上的振蕩在2000年以后開始表現(xiàn)的比較明顯，8年尺度的周期信號最強，分布于整個時域，2000年以后強度有所減弱，14年尺度的周期變化在1992年以前振蕩明顯，全時域平均狀況下通過顯著性檢驗的為3年小尺度。中度低溫冷害存在4個分布于整個研究時段的周期尺度振蕩，年際尺度變化主要表現(xiàn)在3～5年、8年尺度的周期振蕩，3～5年尺度的振蕩中心由1985年以前的5年尺度逐漸減小為3年，8年尺度的振蕩中心也發(fā)生了8年-10年-8年的偏移，其周期信號表現(xiàn)最強;年代際尺度變化主要表現(xiàn)在16年、25年以上尺度的周期振蕩，16年尺度振蕩強度僅次于8年尺度，振蕩中心未發(fā)生偏移，25年以上尺度與前述中度低溫冷害的年代波動情況吻合，因而可預測未來發(fā)生趨勢，由于其等值線尚未完全閉合，說明此后中度低溫冷害仍將保持短時間的少發(fā)期。另外，全時域平均僅3～5年尺度比較顯著;重度低溫冷害在4～5年的年際和10年、16年、25年以上的年代際尺度上振蕩明顯，4～5年尺度的顯著周期信號具有全域性，1995年以后振蕩尺度由4年偏移至5年，10年尺度的周期信號在1995年以前比較明顯，16年尺度全時域分布，但振蕩能量很弱，25年以上尺度振蕩能量最強，全時域分布，共出現(xiàn)2次完整的交替振蕩，可以預測，未來重度低溫冷害將會會進入多發(fā)期。

3 討論

本研究認為研究區(qū)春季水稻低溫冷害20世紀70年代和90年代較少、80年代較多，這與劉傳鳳等［21］對南方地區(qū)的研究一致，但劉傳鳳等認為60年代冷害較少，說明長江中下游與南方地區(qū)春季低溫冷害年代發(fā)生情況基本一致但又存在差異。另外，韓榮青等［11］研究認為，長江中下游1980～1999年是早稻(3月下旬～4月上旬)低溫冷害的偏多時期，與本研究結論不同，這可能是由于研究時段不同所導致，因此，針對低溫冷害，還可進一步細化為月或旬來進行冷害發(fā)生時段的研究。

溫度僅是導致低溫冷害的一個氣象因子，陰雨、寡照等也會在一定程度上加重低溫對早稻生長的不利影響，因此，要使研究結果能夠指導實際生產(chǎn)，還需要綜合考慮其他因子的作用。此外，長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害是春季東亞乃至北半球大氣環(huán)流的作用結果，受到亞洲中高緯度環(huán)流、西太平洋副熱帶環(huán)流和太平洋熱帶環(huán)流的影響，特別是與亞洲極渦、經(jīng)向環(huán)流指數(shù)、副高北界位置及太平洋暖池的海表面溫度等因子關系密切［21］，其成因及其影響系統(tǒng)極其復雜，要深入探究南方春季水稻低溫冷害的發(fā)生規(guī)律，還需要進一步深入研究。

本研究根據(jù)現(xiàn)有的中國水稻種植區(qū)劃，選擇單雙季稻和雙季稻區(qū)作為研究區(qū)域，排除了長江中下游部分單季稻區(qū)，使分析結果更具有參考價值。但值得提出的是，研究區(qū)域內(nèi)一些省份或地區(qū)的雙季稻面積呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，有的省份(如江蘇)在近年來已經(jīng)不種植早稻。因此，在后續(xù)的研究中將進一步調(diào)整研究區(qū)域。另外，本文所用的冷害強度是以天數(shù)為指標，未考慮溫度指標以及其他因素的影響，為此，將在后續(xù)研究中進一步完善。

致謝: 感謝江蘇省氣象局氣象服務中心高蘋研究員在本研究中提供的幫助!

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