馬治國，張春桂，李文勇，陳 惠，徐宗煥，陳家金

(1.福建省氣象科學研究所;2.福建省氣象服務中心，福建 福州350001)

在全球變暖的背景下，我國日平均氣溫、極端氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，升溫主要分布在冬季，以低溫的變化趨勢最為明顯［1－5］。氣候變化嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使作物和果樹生育期提前，并影響到產(chǎn)量和質(zhì)量［6－7］。近年，對烤煙低溫寒害的研究較少，且主要集中在對烤煙生育期、農(nóng)藝性狀等影響以及生態(tài)適應性等方面，對于低溫氣候變化的研究鮮有報道。招啟柏等［8］用人工氣候箱人為控制溫度研究低溫對烤煙成花的影響，認為6 葉期左右可能是烤煙對低溫較敏感的時期。沈少君等［9］研究了低溫脅迫對烤煙生長和產(chǎn)質(zhì)量的影響，得出煙苗受凍后剪除心葉處理各生育期比對照推遲，農(nóng)藝性狀較差，產(chǎn)量降低。金磊等［10］分析了花芽分化對苗期低溫的敏感性，認為經(jīng)低溫誘導的煙株生長進程被推遲。謝遠玉等［11］通過對贛南5 地點烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的觀測，結(jié)合當?shù)貙崪y氣象資料分析了氣候因子的影響效果，指出由于易受春寒影響，宜實施保護性栽培或選擇適宜的移栽期。

福建省烤煙主要分布在西北部的內(nèi)陸地區(qū)，是農(nóng)業(yè)收入的重要經(jīng)濟來源。該區(qū)2 －3月份是受低溫陰雨災害天氣影響最大、最頻繁的區(qū)域，幾乎每年都會對烤煙、蔬菜、早稻等作物的生長發(fā)育造成極大危害?？緹熞圃云诘牡蜏仡A警評估可以有效避開災害天氣，提高烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量，增加經(jīng)濟收入。本文分析烤煙移栽期的低溫氣候變化趨勢特征，以期為開展低溫寒害預警評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

氣象數(shù)據(jù)來源于1971 －2011年福建省南平、三明和龍巖3 個地區(qū)28 個氣象站的日平均氣溫值，數(shù)據(jù)經(jīng)過福建省氣象局質(zhì)量審核，并修正了異常數(shù)據(jù)，保證了其準確性。福建省烤煙主要移栽期為2月下旬到3月中旬，以旬為基本的時間尺度，分成2月下旬和3月上旬、中旬3 個時間段進行移栽期低溫變化趨勢特征分析。

1.2 研究方法

1.2.1 ＜13 ℃負積溫和低溫日數(shù)的計算 烤煙移栽期＜13 ℃的低溫積累到3 d 以上會產(chǎn)生早花等危害［12］，影響其產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，烤煙移栽期的低溫危害評估需要考慮低于臨界氣溫的大小及低溫的持續(xù)時間。本研究根據(jù)日平均氣溫分析了＜13 ℃負積溫和低溫日數(shù)2 個氣象變量?？緹熞圃云冢?3 ℃負積溫計算公式如下。

式中，D 為＜13 ℃負積溫/℃;i 為日平均氣溫/℃。

低溫日數(shù)是指日平均氣溫＜13 ℃的天數(shù)，每旬的低溫日數(shù)指此旬出現(xiàn)的低溫日數(shù)之和。

1.2.2 變化趨勢分析及檢驗 利用最小二乘法擬合一元線性方程:y=at+b。其中，a、b 為回歸系數(shù)，y 為分析變量，t 為時間。在引入氣候傾向率指標后，分析低溫變量的氣候變化趨勢。

式中，yi是低溫變量第i年的值，回歸系數(shù)a 表示該氣候變量每10年的變化。其中，a 值的正或負反映了上升或下降趨勢，其大小表示上升或下降的幅度。根據(jù)相關(guān)系數(shù)(R)對氣候變量進行顯著性檢驗。

1.2.3 多項式擬合方法 用Cubic 函數(shù)形式表示氣候要素與時間t 的非線性函數(shù)關(guān)系［13］。

式中，a、b、c、d 為經(jīng)驗常數(shù)，用最小二乘法利用實際資料計算得出。通過多項式函數(shù)擬合曲線可以很好地反映長時間尺度的氣候變化特征。根據(jù)Cubic 的階段性極值定性地分析要素變化的轉(zhuǎn)型特征，其中極小值為要素值由下降轉(zhuǎn)為上升的時間點，反之則由上升轉(zhuǎn)為下降的時間點。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)日平均氣溫，結(jié)合烤煙移栽期的生長發(fā)育臨界氣溫，分析低溫對烤煙移栽期的影響，并以代表低溫的負積溫和低溫日數(shù)為變量，進一步分析1971 －2011年福建省烤煙移栽期低溫氣候變化趨勢特征。

2.1日平均氣溫對移栽期的影響

1971 －2011年福建省烤煙區(qū)移栽期平均氣溫見表1。由表1 可知，烤煙移栽期，南平、三明和龍巖3個地區(qū)的日平均氣溫從北到南呈逐漸上升的趨勢，這主要是受地理緯度的影響而出現(xiàn)的規(guī)律性變化。從氣溫指標來看，福建省烤煙的最佳移栽期從南向北逐漸推移，其中龍巖地區(qū)最早達到最佳移栽期，而南平最晚。從3 個地區(qū)的多年平均氣溫來看，僅龍巖地區(qū)整個移栽期都能滿足烤煙移栽的臨界氣溫條件，每旬的平均氣溫均＞13 ℃，從而進入最佳移栽期;而三明地區(qū)2月下旬的平均氣溫僅11.66 ℃，低于臨界氣溫，3月上旬后才達到臨界氣溫;南平地區(qū)2月下旬和3月上旬的平均氣溫僅11.00、11.70 ℃，均低于烤煙移栽的臨界水平，僅3月中旬能夠達到臨界氣溫。

表1 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)移栽期平均氣溫Table 1 Average air temperature of the flue-cured tobacco transplant period in Fujian area from 1971 to 2011 ℃

在烤煙移栽期，南平、三明和龍巖地區(qū)年平均氣溫各旬變化趨勢一致，氣溫從2月下旬開始逐步回升，代表適合煙苗生長發(fā)育的熱量條件也隨之變好(表1)。因而會造成2月下旬移栽的煙苗，盡管熱量條件不是很理想，但隨著時間推移，氣溫升高后，會安全渡過危險期的假象。其實，對氣象資料的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，3月上旬也會出現(xiàn)低溫寒害，尤其是經(jīng)過2月升溫后，再次劇烈降溫，對煙苗的影響更大。

北方冷空氣南下帶來的寒潮首先影響北部地區(qū)。因此，以處于福建省北部的南平地區(qū)為例，討論3月上旬氣溫比2月下旬更低的氣候特征。1971 －2011年南平地區(qū)部分年份2月下旬與3月上旬、中旬平均氣溫變化見表2，表中均為南平地區(qū)2月下旬光溫條件較好的年份。由表2 可知，2月下旬光溫條件適宜煙苗移栽和生長發(fā)育，但3月上旬遭遇最大5 －6 ℃的降溫災害天氣，使得氣溫迅速降低，低于烤煙生長臨界氣溫值，從而產(chǎn)生一段不利于煙苗生長的時間段，影響烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量。統(tǒng)計表明，發(fā)生這類降溫過程的年數(shù)占總數(shù)的41.5%，可見此類災害發(fā)生較頻繁，應該在氣象服務中引起關(guān)注。

表2 1971 －2011年南平地區(qū)部分年份2月下旬與3月上旬、中旬平均氣溫比較Table 2 Average air temperature in late February and early March in Nanping from 1971 to 2011 ℃

2.2 負積溫變化趨勢

福建省烤煙＜13 ℃負積溫變化趨勢見圖1。由圖1 可知，經(jīng)過6 次多項式擬合，2月下旬負積溫呈單谷變化趨勢。1991年左右，變化趨勢由下降轉(zhuǎn)為上升，表示熱量條件趨于變好。1971 －1991年，基本呈單邊下降趨勢，尤其是1977 －1990年下降趨勢更為明顯，其旬負積溫減少的線性趨勢為:y = －1.5689x －18.64，即趨勢系數(shù)每10年－15.68 ℃;R=0.48，通過了信度水平為0.10 的顯著性檢驗。1991年后，旬負積溫開始上升，其增加趨勢為:y=1.7212x－38.891，氣候趨勢系數(shù)每10年17.21 ℃;R=0.51，通過了信度水平為0.02 的顯著性檢驗。2月下旬多年負積溫平均值為－25.22 ℃，最大值出現(xiàn)在2002年，為－0.71℃，最小值出現(xiàn)在1996年，僅－74.17 ℃，最高和最低負積溫的極差值為73.46 ℃(表3)。

3月上旬的負積溫變化趨勢較為復雜，主要分成4 個階段，形成雙峰變化趨勢(圖1)。1971 －1975年(上升階段)—1976 －1988年(下降階段)—1989 －2002年(上升階段)—2003 －2011年(下降階段)。其線性趨勢分別為:y=4.249x－31.95，y= －2.203x－11.531，y=1.5502x－31.172，y= －0.025x －29.257，氣候趨勢系數(shù)分別為:每10年42.49、－22.03、15.50 和－0.25 ℃，顯著性檢驗水平分別為:0.10、0.05、0.01和未通過?？梢姡?月上旬負積溫以1989 －2002年的上升階段最為顯著，其次是1976 －1988年的下降階段。3月上旬多年負積溫平均值為－24.01 ℃，最大值出現(xiàn)在1980年，為－2.72 ℃，最小值出現(xiàn)在1988年，僅－62.87 ℃，極差值為60.15 ℃(表3)。

圖1 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)＜13 ℃負積溫變化趨勢Fig.1 Change trend of negative accumulated temperature ＜13 ℃in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011

由圖1 得知，隨著氣溫的逐漸升高，3月下旬福建煙區(qū)氣溫進入了平穩(wěn)發(fā)展期，旬負積溫以震蕩為主，經(jīng)過線性趨勢分析:y=0.0954x－16.371，呈現(xiàn)略微升高的趨勢，但未通過顯著性水平檢驗。3月下旬多年負積溫平均值為－14.37 ℃，最大值出現(xiàn)在1980年，為－0.00 ℃，最小值出現(xiàn)在1988年，僅－52.13 ℃，極值差相對于前兩旬較小，為52.13 ℃(表3)。

表3 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)＜13 ℃負積溫極值差Table 3 Extreme value of negative accumulated temperature ＜13 ℃in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011 ℃

烤煙移栽期的負積溫受3月上旬的影響最大，與其變化趨勢幾乎一致，40年來呈現(xiàn)出升—降—升—降的雙峰變化規(guī)律。時間段分別為1971 －1976年、1977 －1988年、1989 －2002年、2003 －2011年。其氣候趨勢系數(shù)分別為:每10年12.89、－54.31、40.90 和－13.58 ℃，顯著性檢驗水平分別為:未通過、0.05、0.20和0.50?？梢?，3月上旬的旬負積溫變化趨勢以1977 －1988年的下降過程最為顯著?？緹熞圃云诙嗄曦摲e溫平均值為－63.60 ℃，最大值出現(xiàn)在1980年，為－10.51 ℃，最小值出現(xiàn)在1988年，為－138.99℃，極值差相對于前兩旬也較小，為128.48 ℃(表3)。

2.3 低溫日數(shù)變化趨勢

福建省烤煙區(qū)2月下旬、3月上旬和中旬及移栽期＜13 ℃低溫日數(shù)變化趨勢見圖2。由圖2 可知，2月下旬＜13 ℃低溫日數(shù)呈單峰趨勢，與旬負積溫相反，但發(fā)生轉(zhuǎn)折的時間點略有不同。1971 －1988年，旬低溫日數(shù)單邊上升，線性趨勢為:y= 0.2125x+4.309，氣候趨勢系數(shù)每10年2.23 d;R=0.58，通過0.01 顯著性水平檢驗，且非常顯著。1989 －2011年，旬低溫日數(shù)逐漸減少，這與20 世紀80年代后全球變暖的大趨勢相一致［1］，線性趨勢為:y= －0.1742x+7.056，趨勢系數(shù)每10年－1.74 d;R =0.48，通過0.02 顯著性水平檢驗。2月下旬多年低溫日數(shù)平均值為5.56 d，最大值出現(xiàn)在1996年，為9.00 d，最小值出現(xiàn)在2002年，為0.70 d，極值差為8.30 d(表4)。

由圖2 可知，3月上旬＜13 ℃低溫日數(shù)變化分為4 個階段，呈現(xiàn)雙谷變化趨勢，與旬負積溫相反，但發(fā)生轉(zhuǎn)折的時間點略有不同，分別為下降階段(1971 －1977年)、上升階段(1978 －1990年)、下降階段(1991 －1999年)、上升階段(2000 －2011年)。其線性回歸方程分別為:y = －0.1929x +6.0143，y =0.2407x+5.0879，y = －0.3927x +8.8439，y =0.2657x +4.1343，氣候趨勢系數(shù)分別為:每10年－1.93、2.41、－3.93、2.66 d;分別通過0.50、0.10、0.02 和0.05 顯著性水平檢驗。3月上旬低溫日數(shù)在1991 －1999年下降趨勢最顯著，其次是2000 －2011年的上升階段。3月上旬多年低溫日數(shù)平均值為6.34 d，最大值出現(xiàn)在1988年，為10.00 d，最小值出現(xiàn)在1980年，為2.30 d，極值差為7.70 d(表4)。

3月中旬由于氣溫升高，穩(wěn)定性強，故而旬低溫日數(shù)沒有出現(xiàn)明顯的變化，但仍受全球變暖大背景的影響，40年來呈現(xiàn)略有降低的趨勢(圖2)。3月中旬多年低溫日數(shù)平均值為5.12 d，最大值出現(xiàn)在1985年，為10.00 d，最小值出現(xiàn)在2002年，為1.00 d，極值差為9.00 d(表4)。

由圖2 可知，移栽期的低溫日數(shù)變化趨勢受2月下旬走勢的影響，呈單峰變化，但后期受3月上旬的影響，低溫日數(shù)有所回升。整個變化趨勢可分為上升階段(1971 －1988年)、下降階段(1989 －2002年)和上升階段(2003 －2011年)3 個時期，其線性回歸方程分別為:y =0.3773x +14.52，y = －0.4641x +22.92，y=0.7212x+10.55，氣候趨勢系數(shù)分別為:每10年3.77、－4.64、7.21 d;分別通過0.05、0.02 和0.20 顯著水平檢測。移栽期低溫日數(shù)變化趨勢在1971 －1988年上升階段最為顯著，其次是1989 －2002年的下降階段。移栽期年低溫日數(shù)平均值為17.03 d，最大值出現(xiàn)在1985年，為25.50 d，最小值出現(xiàn)在2002年，為5.20 d，極值差為20.30 d(表4)。

圖2 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)＜13 ℃低溫日數(shù)變化趨勢Fig.2 The change trend of cold days ＜13 ℃in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011

表4 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)移栽期＜13 ℃低溫日數(shù)極值差Table 4 Extreme value of cold days ＜13 ℃in transplanting period in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011 d

3 小結(jié)與討論

通過對1971 －2011年日平均氣溫、＜13 ℃負積溫和低溫日數(shù)的分析，得出福建省烤煙區(qū)移栽期的低溫變化特征:(1)日平均氣溫?？緹熞圃云?，烤煙區(qū)日平均氣溫分布呈現(xiàn)從北到南逐漸上升，年平均氣溫從2月下旬開始逐步上升。但3月上旬仍會出現(xiàn)低溫寒害，尤其是經(jīng)過2月升溫后，再次劇烈降溫，對煙苗產(chǎn)生更大影響。(2)＜13 ℃負積溫。2月下旬呈單谷變化趨勢，3月上旬呈雙峰變化趨勢，3月下旬以震蕩為主，并呈現(xiàn)略微升高的趨勢;烤煙移栽期的負積溫受3月上旬負積溫的影響最大，與其變化趨勢幾乎一致，40年來呈現(xiàn)升—降—升—降的雙峰變化規(guī)律。(3)＜13 ℃低溫日數(shù)。2月下旬低溫日數(shù)呈單峰趨勢，3月上旬呈雙谷趨勢，3月中旬沒有明顯的變化趨勢，但略有降低;移栽期的低溫日數(shù)變化趨勢受2月下旬走勢的影響，形成單峰走勢結(jié)構(gòu)，但后期受3月上旬的影響，低溫日數(shù)有所回升。(4)對稱性。＜13℃旬負積溫和旬低溫日數(shù)2 個變量之間在2月下旬、3月上旬及整個移栽期都呈現(xiàn)出對稱性，負積溫與低溫日數(shù)的變化趨勢成反比相對應，只是發(fā)生轉(zhuǎn)折的時間點略有不同。

影響烤煙生長的環(huán)境因素中，氣象條件是重要因子之一［14－17］。對福建省烤煙的氣象條件研究，應收集烤煙的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，建立低溫寒害與烤煙減產(chǎn)率之間的關(guān)系，劃分低溫災害等級，進一步分析低溫寒害對烤煙的影響，如有條件可通過實驗數(shù)據(jù)，研究低溫對烤煙品質(zhì)形成的影響。本文僅利用氣象站的氣溫數(shù)據(jù)，從時間角度分析了近40年來的氣候變化特征。福建省內(nèi)陸山區(qū)地形復雜，可利用遙感(RS)和地理信息(GIS)等技術(shù)建立低溫與經(jīng)緯度、海拔高度等地理因素的模型研究低溫的空間分布規(guī)律等，達到烤煙移栽期低溫的空間精細化預警的要求。

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