田寶星，于 敏，李浩然，殷世平，紀(jì)仰慧，李宇光

(1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第4次評(píng)估報(bào)告［1］指出，氣候變化會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性、改變種植布局和結(jié)構(gòu)，并加劇局部地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。黑龍江省是我國最大的商品糧生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量居全國首位。黑龍江省的糧食產(chǎn)量對(duì)于保障全國糧食安全有著重要的意義［2］，低溫冷害是主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，低溫冷害的頻繁發(fā)生導(dǎo)致糧食產(chǎn)量不穩(wěn)定、年際波動(dòng)大［3］;黑龍江省也是我國受氣候變化影響最顯著的地區(qū)之一，1961年以來平均每10年氣溫上升 0.38 ℃，降水量增加 0.49%［4－5］。近年來，全球各類極端天氣事件頻繁發(fā)生，由氣候異常變化引起的農(nóng)業(yè)損失事件時(shí)有發(fā)生［6］。21世紀(jì)以來，黑龍江省夏季低溫事件時(shí)有發(fā)生，夏季是作物生長的主要時(shí)期，氣候具有典型的年際尺度特征，表現(xiàn)為各種氣溫、降水異常及其時(shí)間和空間上的持續(xù)維持而造成的氣象災(zāi)害或極端氣候時(shí)間等［7－8］，夏季低溫事件影響作物快速生長，使作物生育延遲，并導(dǎo)致不能正常成熟。夏季溫度對(duì)糧食產(chǎn)量的影響尤其重要，夏季低溫是東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害性天氣氣候現(xiàn)象［9］。本研究利用黑龍江省1971—2014年80個(gè)臺(tái)站逐日最低溫度和平均溫度資料，分析該區(qū)近44年來夏季短時(shí)段劇烈降溫對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，因地制宜采取防范措施，對(duì)黑龍江省糧食安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

由圖 1可見，黑龍江省地處中高緯度(121°11'～135°05'E，43°26'～53°33'N)，是地球環(huán)境變化速率最大的季風(fēng)氣候區(qū)。黑龍江省大陸性氣候特征突出，受氣候變化影響明顯，氣溫由東南向西北逐漸降低，南北溫差大，變幅接近10℃。年平均氣溫為 －4.2～5.6℃，年降水量為382～645 mm，生長季降水量約占全年總降水量的80.00%;夏季(6—8月)平均氣溫高，降水量為268～410 mm;冬季(11月至翌年2月)嚴(yán)寒漫長，降水量為8～46 mm。地貌主要包括山地(占全省總面積的 25.70%)、丘陵(占全省總面積的35.80%)、平原(占全省總面積的37.00%)。黑龍江省是中國商品糧產(chǎn)量第一大省，耕地土壤主要為黑土、草甸土和黑鈣土，多呈中性或弱堿性，占全省耕地總面積的67.60%，主要農(nóng)作物包括玉米、水稻、大豆［10－12］。

1.2 材料來源

本研究使用黑龍江省80個(gè)臺(tái)站1971—2014年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，來源為黑龍江省氣象局整編資料。

1.3 研究方法

1.3.1 低溫指數(shù) 低溫指數(shù)［13－14］定義為一年中(或某一時(shí)段)至少5 d最低溫度低于該日多年日最低溫度平均值5℃的總天數(shù)。

1.3.2 EOF分析 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function，簡稱 EOF)［15－16］是大氣科學(xué)研究中分析研究區(qū)某一變量時(shí)空變化特性的方法，由于EOF分析是科學(xué)研究中分析物理量時(shí)空變化特征的重要方法，經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)的應(yīng)用很廣泛，如氣象、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、水文、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。設(shè)研究區(qū)共有m個(gè)觀測點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)有n次觀測值，則觀測數(shù)據(jù)可寫成矩陣形式:

本研究中xij表示在第i個(gè)網(wǎng)格上的第j次觀測值。通過EOF展開，分解成正交的空間矩陣(V)與正交的時(shí)間矩陣(T)乘積之和:

其矩陣形式為X=VT

空間矩陣可由XXT的特征向量得出:

由于矩陣C為實(shí)對(duì)稱矩陣，一定有

矩陣V的列就是C的特征向量，Λ是C的特征值組成的對(duì)角矩陣。V求出后，即可得出時(shí)間矩陣

EOF分解用Matlab軟件編程計(jì)算得出，計(jì)算過程如下:(1)將原始觀測數(shù)據(jù)矩陣作距平處理，計(jì)算協(xié)方差矩陣C=XXT;(2)求矩陣C的特征值根λ1≥λ2≥…≥λm和對(duì)應(yīng)的1列特征向量值;(3)計(jì)算時(shí)間系數(shù)T=VTX;(4)計(jì)算各特征向量的方差貢獻(xiàn)率ρk及前p各特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率:

1.3.3 相關(guān)性分析 相關(guān)分析［17］是分析客觀事物之間關(guān)系的數(shù)量分析方法，用來度量定距型變量間的線性相關(guān)關(guān)系，它的數(shù)學(xué)定義見下式:

式中:n為樣本量;xi和yi分別為2個(gè)變量的變量值。

相關(guān)系數(shù)雖可以反映2個(gè)連續(xù)變量關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)度大小，但相關(guān)系數(shù)是否具有統(tǒng)計(jì)上的意義，則必須通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)來決定，其數(shù)學(xué)定義為

式中:t統(tǒng)計(jì)量服從n－2個(gè)自由度的t分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季低溫指數(shù)時(shí)間變化特征

從圖2可以看出，研究區(qū)域1971—2014年夏季平均低溫指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，從趨勢線來看，夏季低溫指數(shù)每10年降低0.86 d。近44年來夏季平均低溫指數(shù)為2 d，最大值出現(xiàn)在1972年，為10 d;最小值出現(xiàn)在1998年、2010年，為1 d，最大值和最小值間差值明顯，年際變化較大。王秀芬等在相關(guān)研究中得出，春季氣溫增加速率較夏季高，夏季氣溫高而且變化較小，以至夏季低溫指數(shù)偏低且較春季變化幅度明顯減少［18－19］。該區(qū)夏季低溫指數(shù)年代際變化表現(xiàn)明顯，從20世紀(jì)80年代以來氣溫增加明顯［20］，夏季低溫指數(shù)從20世紀(jì)70年代以來明顯降低，21世紀(jì)10年代夏季低溫指數(shù)最低，與平均氣溫的升高呈負(fù)相關(guān)。

2.2 夏季低溫指數(shù)EOF變化特征

利用80個(gè)觀測站1971—2014年氣象資料分析黑龍江省夏季低溫指數(shù)空間變化特征，利用EOF分析得出研究區(qū)域夏季低溫指數(shù)主要空間分布特點(diǎn)及其區(qū)域共同變化特征，前10個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率見表1。第1特征向量的方差貢獻(xiàn)率最大，可以解釋44.4%的夏季低溫指數(shù)的變化。前3個(gè)特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到58.0%，其方差貢獻(xiàn)率均在6%以上。通過North檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)EOF的前3個(gè)特征向量通過了顯著性水平檢驗(yàn)。

第1特征向量方差貢獻(xiàn)率為44.4%，體現(xiàn)區(qū)域夏季低溫指數(shù)變化的主要空間分布狀態(tài)。夏季低溫指數(shù)第1特征向量分布見圖3－a，可見絕大部分區(qū)域?yàn)檎?，僅在漠河縣有很小的負(fù)值，表現(xiàn)出全區(qū)一致的變化趨勢，區(qū)內(nèi)高值中心在依安附近;低值中心在漠河附近，地理差異明顯。等值線密集(稀疏)的區(qū)域，低溫指數(shù)變化較快(較慢)。圖3－b代表的是研究區(qū)域時(shí)間序列夏季低溫指數(shù)年際趨勢變化，可以看出，第1特征向量的時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值最大，在0～100之間，絕對(duì)值越大，則代表這一時(shí)刻的分布型式越典型。

表1 EOF分析的前10個(gè)模態(tài)對(duì)總方差的貢獻(xiàn)和累積貢獻(xiàn)

第2特征向量也是區(qū)域夏季低溫指數(shù)一種較為明顯的空間分布狀態(tài)。夏季低溫指數(shù)第2特征向量分布見圖4－a，表現(xiàn)出全區(qū)正、負(fù)相間的變化趨勢，區(qū)內(nèi)高值中心在雙鴨山附近，低值中心在塔河附近。第2特征向量研究區(qū)域高緯度、西部及東南部部分區(qū)域?yàn)樨?fù)值，其他為正值，說明夏季低溫指數(shù)呈相反的分布型式。從圖4－b可以看出，第2特征向量時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值低于第1特征向量，在0～35之間。第2特征向量的時(shí)間系數(shù)在近44年的前30年正、負(fù)相間，而在2000年以后以負(fù)值為主，說明該區(qū)域夏季低溫指數(shù)具有較明顯的增加趨勢。

第3特征向量對(duì)區(qū)域夏季低溫指數(shù)空間分布具有一定意義。夏季低溫指數(shù)第3特征向量分布見圖5－a，表現(xiàn)出全區(qū)正、負(fù)相間的變化趨勢，區(qū)內(nèi)高值中心在孫吳附近;低值中心在樺川附近。第3特征向量研究區(qū)域中西部地區(qū)及東南部部分地區(qū)等區(qū)域?yàn)檎?，其他為?fù)值，說明夏季低溫指數(shù)呈相反的分布型式。從圖5－b可以看出，第3特征向量時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值最小，在0～25之間。第3特征向量的時(shí)間系數(shù)在2006年以后以正值為主，表明該區(qū)夏季低溫指數(shù)具有較明顯的減少趨勢。在時(shí)間系數(shù)為正值(負(fù)值)的年份里，特征向量為正值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)增加(減少)，而特征向量為負(fù)值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)減少(增加)。

2.3 夏季低溫指數(shù)對(duì)區(qū)域溫暖化的響應(yīng)

近44年來，黑龍江省各站點(diǎn)夏季平均氣溫呈顯著或不顯著升高趨勢(圖6－a)，研究區(qū)域各站氣候傾向率為0.07～0.70℃/10年，夏季升溫顯著的站點(diǎn)只有1個(gè)，其他站點(diǎn)均為升溫不顯著，不同季節(jié)平均氣溫的變化趨勢差異明顯。研究區(qū)域夏季低溫指數(shù)呈下降趨勢(圖6－b)，有4個(gè)站點(diǎn)通過了極顯著檢驗(yàn)，有12個(gè)站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn);有61個(gè)站點(diǎn)夏季(低溫指數(shù)變化不顯著。研究區(qū)域夏季低溫指數(shù)在20世紀(jì)70年代平均為4.56 d，至21世紀(jì)10年代逐漸下降至0.49 d。

將資料分為1971—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2014年5個(gè)時(shí)期分別計(jì)算各個(gè)時(shí)期平均氣溫和低溫指數(shù)(表2)，夏季平均氣溫呈依次升高的趨勢，其年代際變化呈波動(dòng)的特點(diǎn)，以2010—2014年最小，2000—2009年最大。與平均氣溫不同的是低溫指數(shù)數(shù)值差距很大，為避免由于數(shù)量級(jí)的原因而導(dǎo)致評(píng)價(jià)低溫指數(shù)年際變化時(shí)出現(xiàn)誤差，評(píng)價(jià)低溫指數(shù)年際變化時(shí)采用變異系數(shù)(無量綱)進(jìn)行。分別計(jì)算各個(gè)時(shí)期各站的變異系數(shù)。從表2可以看出，夏季低溫指數(shù)在1971—1979年最高、2010—2014年最低，1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年夏季低溫指數(shù)逐漸增加，2010—2014年較2000—2009年有所降低。夏季低溫指數(shù)的變異系數(shù)在1971—1979年最低，1980—1989年最高，1980—1989年以后變異系數(shù)逐漸降低。分析結(jié)果表明，進(jìn)入21世紀(jì)10年代以來夏季氣溫升高、年際波動(dòng)減少為主要特征。

表2 1971—2014年黑龍江省夏季氣溫和低溫指數(shù)年代變化

為了研究夏季低溫指數(shù)對(duì)夏季平均氣溫的響應(yīng)，分析低溫指數(shù)與氣溫的相關(guān)關(guān)系，從而確定氣溫對(duì)低溫指數(shù)的影響程度。從圖7可以看出，黑龍江省逐年夏季低溫指數(shù)與夏季平均氣溫的變化趨勢相反，計(jì)算得出相關(guān)系數(shù)為－0.572，通過0.01的信檢驗(yàn)度。夏季低溫指數(shù)和夏季平均氣溫定量負(fù)相關(guān)顯示，夏季平均氣溫每升高1℃，夏季低溫指數(shù)減少1.7 d。

2.4 夏季低溫指數(shù)對(duì)區(qū)域糧食產(chǎn)量的影響

為了分析氣象因子對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，研究低溫指數(shù)與糧食單產(chǎn)的定量關(guān)系，擬合最好的回歸方程:

黑龍江省夏季低溫指數(shù)與玉米、水稻的相關(guān)系數(shù)分別為－0.39、－0.50。夏季低溫指數(shù)增加均可引起玉米和水稻產(chǎn)量下降，夏季低溫指數(shù)每增加1 d，玉米、水稻產(chǎn)量分別下降311.48、411.94 kg/hm2，分別約占當(dāng)?shù)赜衩?、水稻平均單產(chǎn)的6.88%、8.36%，表明極端低溫事件的發(fā)生將會(huì)造成作物單產(chǎn)的下降，同時(shí)夏季發(fā)生低溫事件的危害比春季嚴(yán)重。

3 結(jié)論

(1)黑龍江省1971—2014年夏季平均低溫指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，從趨勢線來看每10年降低0.86 d。夏季氣溫增加速率低于春季，氣溫高而且幅度較小，低溫指數(shù)偏低且較春季明顯減少。黑龍江省夏季低溫指數(shù)自20世紀(jì)70年代以來明顯減少，與平均氣溫的升高相一致。(2)基于EOF分析黑龍江省夏季低溫指數(shù)，前3個(gè)特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到58%，并通過了顯著性水平檢驗(yàn)。第1特征向量僅在漠河附近有很小的負(fù)值，其他地區(qū)為正值的變化趨勢，其時(shí)間系數(shù)則代表這一時(shí)刻分布型式典型。第2特征向量在高緯度、西部及東南部部分區(qū)域?yàn)樨?fù)值，其他為正值，其時(shí)間系數(shù)次之，在2000年以后以負(fù)值為主，該區(qū)域低溫指數(shù)有增加趨勢。第3特征向量在中西部地區(qū)及東南部部分地區(qū)等區(qū)域?yàn)檎?，其他為?fù)值，其時(shí)間系數(shù)在2006年以后以正值為主，該區(qū)域低溫指數(shù)有減少趨勢。等值線密集(稀疏)的區(qū)域，低溫指數(shù)變化較快(較慢)。在時(shí)間系數(shù)為正值(負(fù)值)的年份里，特征向量為正值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)增加(減少)，而特征向量為負(fù)值的區(qū)域夏季低溫指數(shù)減少(增加)。(3)黑龍江省各站點(diǎn)夏季平均氣溫呈顯著或不顯著升高趨勢，升溫顯著的站點(diǎn)只有1個(gè)，其他站點(diǎn)均為升溫不顯著，夏季平均氣溫自20世紀(jì)70年代以來在各年代呈升高的趨勢，其年際變率呈波動(dòng)變化的特點(diǎn)，21世紀(jì)10年代夏季平均氣溫最高、年際波動(dòng)最小。(4)黑龍江省各站點(diǎn)夏季低溫指數(shù)呈極顯著、顯著和不顯著下降趨勢，夏季低溫指數(shù)自20世紀(jì)70年代以來有所減少，其年際變率呈波動(dòng)變化的特點(diǎn)，20世紀(jì)80年代以來夏季氣溫升高、年際波動(dòng)減少為主要特征。(5)黑龍江省夏季低溫指數(shù)與氣溫呈定量負(fù)相關(guān)，夏季平均氣溫每升高1℃，夏季低溫指數(shù)減少1.7 d。黑龍江省夏季低溫指數(shù)與玉米、水稻單產(chǎn)呈定量負(fù)相關(guān)，夏季低溫指數(shù)每增加1 d，玉米、水稻產(chǎn)量分別下降 311.48、411.94 kg/hm2，分別占當(dāng)?shù)赜衩?、水稻平均單產(chǎn)的6.88%、8.36%，表明極端低溫事件的發(fā)生將會(huì)造成作物單產(chǎn)的下降，同時(shí)夏季發(fā)生低溫事件的危害比春季嚴(yán)重。