井立軍 井立紅 高婧 周斌 毛榮
摘 要:利用新疆塔城地區(qū)南部沙灣、烏蘇氣象觀測站地面氣象實(shí)測數(shù)據(jù)及同期棉花生育期觀測資料,建立以旬為單位的模糊隸屬度函數(shù)以計算熱量指數(shù),進(jìn)而開發(fā)基于CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的棉花熱量條件監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng),結(jié)合熱量條件、棉田觀測等情況對棉花低溫冷害進(jìn)行綜合判識,實(shí)現(xiàn)對棉花冷害的動態(tài)監(jiān)測和及時預(yù)警服務(wù),最大程度減輕低溫冷害對棉花生產(chǎn)的影響。
關(guān)鍵詞:低溫冷害;監(jiān)測預(yù)警指標(biāo);熱量指數(shù)
中圖分類號:S161文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20191030060
引言
塔城地區(qū)南部的沙灣、烏蘇兩縣(市)位于新疆天山北麓,準(zhǔn)葛爾盆地西南緣,有著優(yōu)越的水土、光熱等自然條件,20世紀(jì)90年代以來棉花生產(chǎn)得以迅速發(fā)展,已經(jīng)成為優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)基地,兩縣(市)棉花種植面積超過20萬hm2,從事棉花生產(chǎn)的農(nóng)民總數(shù)達(dá)到20余萬人,棉花成為當(dāng)?shù)刈畲笞诘霓r(nóng)產(chǎn)品,更是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的主要途徑。近年來以高效節(jié)水,標(biāo)準(zhǔn)化種植,全程機(jī)械化栽培、種植技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式已形成,當(dāng)今正是繼續(xù)向智慧農(nóng)業(yè)推進(jìn)的重要關(guān)鍵時期,開展棉花災(zāi)害的動態(tài)監(jiān)測與預(yù)警工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時隨著棉花高效節(jié)水技術(shù)、全程機(jī)械化種植進(jìn)程的加快以及現(xiàn)代栽培管理技術(shù)的引入,棉花生產(chǎn)的單位面積投入逐年增大,投入產(chǎn)出比有明顯提高,但棉花生產(chǎn)抵御氣象災(zāi)害能力薄弱的短板卻日益凸顯,天氣氣候變化和農(nóng)產(chǎn)品價值市場的波動成為影響棉花生產(chǎn)、棉農(nóng)增收最主要的不確定性因素,氣象災(zāi)害對棉花生產(chǎn)造成的損失呈逐年增大的趨勢,農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)水平尚不能與當(dāng)前棉花種植技術(shù)的快速發(fā)展相適應(yīng),急需開展棉花生產(chǎn)氣象服務(wù)指標(biāo)研究,建立棉花熱量條件專項(xiàng)監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)。
新疆氣象局鄭維[1]、李新建[2]等學(xué)者通過研究認(rèn)為熱量條件是影響新疆棉花生產(chǎn)最為關(guān)鍵的氣象因子,對棉花產(chǎn)量、品質(zhì)有重大影響,并對新疆棉花冷害做了深入的研究,得出了低溫冷害是新疆棉花生產(chǎn)第一災(zāi)害的科學(xué)結(jié)論;李新建[3]等人對1961—1997年阿克蘇、喀什、石河子棉區(qū)的棉花趨勢產(chǎn)量與相關(guān)氣象要素進(jìn)行擬合,確定各棉區(qū)嚴(yán)重氣候減產(chǎn)年均為嚴(yán)重的延遲型低溫冷害年份,每年代逢3,9的年份為棉花氣候減產(chǎn)關(guān)鍵年;陳玥熤[4]利用1961—2005年逐日平均溫度資料和國家氣候中心74項(xiàng)大氣環(huán)流特征量資料,計算了新疆主要棉區(qū)的棉花熱量指數(shù),建立了各棉區(qū)熱量指數(shù)的逐步回歸模型,以達(dá)到逐月滾動預(yù)報的目的。本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前塔城地區(qū)南部棉區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及熱量條件變化等展開分析,得出適合該區(qū)域生產(chǎn)實(shí)際的棉花冷害預(yù)警指標(biāo),開展區(qū)域棉花生產(chǎn)熱量條件實(shí)時動態(tài)監(jiān)測,開發(fā)適合本地棉花生產(chǎn)服務(wù)需求的棉花冷害預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺,業(yè)務(wù)運(yùn)行效果良好,為棉花生產(chǎn)提供準(zhǔn)確及時的氣象服務(wù)信息。
1 資料與研究方法
塔城地區(qū)行政區(qū)域內(nèi)的沙灣、烏蘇地面、農(nóng)業(yè)氣象觀測站,具有完整序列的地面氣象實(shí)測資料和棉花生育期觀測資料及大田調(diào)查實(shí)地基礎(chǔ)資料。
利用一元線性回歸,統(tǒng)計分析1997—2018年不同界限溫度的氣候傾向率,棉花各生育期變化趨勢。為了更有利于反映棉花生長過程中的熱量狀況,建立以旬為單位的模糊隸屬度函數(shù)以計算熱量指數(shù)。重建1997—2018年熱量指數(shù),結(jié)合生育期觀測資料確定低溫冷害對棉花單產(chǎn)影響。結(jié)合塔城地區(qū)南部棉區(qū)實(shí)際,確定預(yù)警指標(biāo),進(jìn)而開發(fā)基于CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的棉花熱量條件動態(tài)監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)。
2 結(jié)果分析
2.1 氣候背景分析
圖1顯示,1961—2018年塔城地區(qū)南部烏蘇、沙灣兩站氣溫分別以0.29℃/10a、0.40℃/10a 的線性氣候傾向率顯著增暖,降水分別以14.03mm/10a、10.91mm/10a 的速率顯著增多,增暖增濕的氣候背景對棉花的生長發(fā)育是較為有利的。對比棉花同期觀測數(shù)據(jù)(圖2),兩站氣溫變化趨勢表現(xiàn)出微弱的遞減趨勢,降水增多趨勢卻更加明顯。這與一些研究指出的氣溫增暖減緩或停滯結(jié)論一致。1997年之前烏蘇年平均氣溫比沙灣偏高幅度在0.2~0.5℃之間,之后兩站氣溫差異縮小,且在1997年出現(xiàn)峰值后,兩站氣溫變化趨勢減緩,綜合考慮1997年之后棉花生產(chǎn)的灌溉條件、種植模式、栽培管理方式、作物品系、機(jī)械化水平程度不斷改進(jìn)和提高,氣溫增暖減緩、降水增多總體上對棉花生長發(fā)育的影響不顯著,但階段性低溫出現(xiàn)的概率是否有所增加,棉花受低溫冷害的影響是否加劇,還有待于進(jìn)一步的分析和探討。
2.2 熱量條件分析
孫蘭東[5]等人對西北地區(qū)熱量資源對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行分析顯示,>0 ℃、>10 ℃積溫呈增加趨勢。通過分析塔城地區(qū)南部1961—2018年各界限溫度的變化趨勢顯示,0~25℃各界限積溫的總體變化趨勢基本表現(xiàn)出增多趨勢,特別是≥0℃和≥5℃積溫接近重合且年際振蕩相對較小,≥20℃和≥25℃有效積溫變化趨勢接近且年際振蕩明顯,顯著偏少年份易發(fā)生低溫冷害事件?!?~25℃的積溫氣候傾向率分別為70.93℃· d/10a、72.80℃·d/10a、 81.00℃·d/10a、80.16℃·d/10a、72.46℃·d/10a、71.44℃·d/10a。其中≥10℃有效積溫增多速率最大。與劉少華等人研究指出的我國≥10℃有效積溫整體呈上升趨勢且整體北移顯著[6]的結(jié)論相一致。塔城地區(qū)南部20世紀(jì)90年代之前主要作物為小麥、玉米,受氣候條件、經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素的影響,20世紀(jì)90年代之后棉花的種植面積不斷擴(kuò)大,成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的支柱產(chǎn)業(yè),占耕地面積的70%左右。
為了進(jìn)一步描述氣候條件對棉花生長發(fā)育的影響,將1997—2018年各界限溫度的變化趨勢進(jìn)行擬合(圖4),≥0℃和≥15℃有效積溫在1997年達(dá)到最大值,≥20℃和≥25℃有效積溫達(dá)到次大值;之后減少至平均水平附近,振幅有所減小,增加或減少趨勢不明顯。其中烏蘇≥0℃、≥5℃、≥10℃有效積溫每10a減少8~10℃·d之間,≥15℃有效積溫每10a增加10℃·d左右;沙灣≥0℃到≥15℃有效積溫呈現(xiàn)弱的增多趨勢,尤其是≥10℃有效積溫以23.5℃·d/10a的速率增多,這與烏蘇的變化趨勢相反;而≥20℃和≥25℃有效積溫兩站則表現(xiàn)出一致的減少趨勢,且年際變幅較大。烏蘇、沙灣站≥20℃積溫減少速率58.1℃·d/10a、37.0℃·d/10a, ≥25℃積溫減少速率分別為44.5℃·d/10a、19.3℃·d/10a。綜合來看,烏蘇積溫遞減速度大于沙灣,且≥20℃有效積溫減少趨勢表現(xiàn)最突出。這從側(cè)面說明棉花生長發(fā)育中后期熱量條件不穩(wěn)定性增加,出現(xiàn)低溫冷害的風(fēng)險也有所增大。
2.3 生育期變化特征
由表1可見,塔城地區(qū)南部棉區(qū)烏蘇、沙灣棉花生長發(fā)育狀況十分接近,棉花生育期平均在175~178d之間。1997—2018年塔城地區(qū)南部棉區(qū)各生育期年際變化曲線(圖略)可以看出,塔城地區(qū)南部棉區(qū)棉花播種期、出苗略有提前趨勢,現(xiàn)蕾到吐絮期波動平緩,沒有表現(xiàn)出明顯的提前或推后趨勢,而停止生長期有所提前,這與近些年來種埴品種為早熟品種,棉花采摘采用大型機(jī)械作業(yè),為集中采收而大量噴施落葉劑等促早熟措施息息相關(guān)。兩站比對發(fā)現(xiàn),
現(xiàn)蕾到吐絮期沙灣棉區(qū)較烏蘇棉區(qū)偏早3~5d,其余生長發(fā)育期基本一致,4月中旬中后期是大面積播種的適宜期,通過對4月中強(qiáng)以上天氣個例的反查顯示,4月17—19日、22—23日為重大災(zāi)害性天氣關(guān)鍵日,每3~5a出現(xiàn)中強(qiáng)以上天氣的可能性較大,甚至?xí)霈F(xiàn)雨夾雪或雪,造成苗期冷害發(fā)生,致使部分棉田重播。
2.4 熱量指數(shù)計算
建立以旬為單位的模糊隸屬度函數(shù)以計算熱量指數(shù),選取播種—出苗、出苗—現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾—開花、開花—裂鈴、裂鈴—停止生長5個生長階段。公式中i(i=1,2,3……,72)表示候序列數(shù),Ti表示棉花某生長階段的旬平均氣溫,T1表示棉花某生長階段的下限溫度,T2表示棉花某生長階段的適宜溫度,F(xiàn)i(T)表示每1旬的熱量指數(shù),熱量指數(shù)F(T)是無量綱數(shù),值為0~100之間,F(xiàn)(T)數(shù)值越大說明熱量條件越好,能夠滿足該階段棉花生長的需要。由于在此主要考慮棉花各生育期的低溫冷害事件, 所以計算熱量指數(shù)時僅考慮棉花各生長階段的下限溫度和適宜溫度, 在借鑒文獻(xiàn)[3,4]基礎(chǔ)上,構(gòu)造了模糊隸屬度函數(shù)來計算熱量指數(shù),這樣更有利于反映棉花生長過程中熱量不足的狀況。計算公式如下:
Ti Fi(T)= 100(1- (T2 - Ti[DD(X]100[DD)])2/[KG-*8](T2 - T1)2) T1≤Ti T2≤Ti 2.5 基于CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的棉花熱量條件動態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng) 使用VB6.0開發(fā)了基于新疆氣象局CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的塔城地區(qū)棉花冷害監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng),并經(jīng)過試運(yùn)行檢驗(yàn),用于指導(dǎo)業(yè)務(wù)、服務(wù)工作。 2.5.1 作物生育期的查詢 該模塊通過選取農(nóng)業(yè)氣象觀測站點(diǎn),查詢CIMISS數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)對選取站點(diǎn)棉花生育期觀測數(shù)據(jù)的查詢、顯示。 2.5.2 歷年0~25℃的積溫的統(tǒng)計查詢 該模塊實(shí)現(xiàn)對選取站點(diǎn)指定時段內(nèi)0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃活動積溫的查詢,并統(tǒng)計查詢時段內(nèi)的多年平均值,點(diǎn)擊積溫表頭可進(jìn)行正向排序,便于掌握指定時段內(nèi)0~25℃活動積溫數(shù)據(jù)和多年平均值,便于比較相近區(qū)域各站積溫的空間分布情況。 2.5.3 生育期內(nèi)或指定時段內(nèi)的熱量指數(shù)的統(tǒng)計查詢 該模塊中,選取需要查詢的站點(diǎn),并人工輸入播種、出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮、停止生長日期(普期),顯示出指定階段的熱量指數(shù),為冷害監(jiān)測預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。通過塔城地區(qū)南部棉花熱量指數(shù)的重建分析,總結(jié)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)指標(biāo)。 2.5.4 土壤濕度資料的查詢 該模塊實(shí)現(xiàn)對選取的土壤濕度站點(diǎn)10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、80cm、100cm各層次體積含水量、相對濕度、重量含水率等監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢顯示,及時了解和掌握棉田濕度狀況。 6 結(jié)論 通過對塔城地區(qū)南部棉區(qū)氣溫、降水、積溫等氣象要素的變化特征進(jìn)行分析,探討棉區(qū)出現(xiàn)低溫冷害事件的風(fēng)險性。 新疆北疆棉區(qū)的主要災(zāi)害之一是低溫冷害。“塔城地區(qū)棉花冷害監(jiān)測預(yù)警”業(yè)務(wù)系統(tǒng)以CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境為基礎(chǔ)通過對棉花生育期數(shù)據(jù)、自動氣象站數(shù)據(jù)(含區(qū)域自動氣象站)進(jìn)行統(tǒng)計,進(jìn)而求取棉花生長發(fā)育期間的熱量指數(shù),同時結(jié)合積溫數(shù)據(jù)對當(dāng)年棉花熱量條件給出綜合而客觀的量化評價(表2),為棉花冷害早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、及早采取有效措施提供了重要的手段和方法。 參考文獻(xiàn) [1] 鄭維,林修碧.新疆棉花生產(chǎn)與氣象[M].烏魯木齊:新疆科技衛(wèi)生出版社,1992. [2]李新建,何清,袁玉江,等.新疆棉花嚴(yán)重氣候減產(chǎn)年的熱量特征分析[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,23(4):27-36. [3]李新建,毛煒嶧,楊舉芳,等.以熱量指數(shù)表示北疆棉花延遲型冷害指標(biāo)的研究[J],棉花學(xué)報,2005, 17(2):88-93. [4]陳玥熤,郭建平.新疆棉花低溫冷害逐步回歸預(yù)測模型[C].中國氣象學(xué)會2007年年會生態(tài)氣象業(yè)務(wù)建設(shè)與農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警分會場論文集,2007. [5]孫蘭東,劉德祥.西北地區(qū)熱量資源對氣候變化的響應(yīng)特征[J].干旱氣象,2008,26(1):8-12. [6] 劉少華,嚴(yán)登華, 翁白莎,等.近 50 a 中國≥10 ℃有效積溫時空演變[J].干旱區(qū)研究,2013,30(4):689-696. 作者簡介: 井立軍(1973-),男,副研級高級工程師。研究方向:氣候變化及農(nóng)業(yè)氣象服務(wù); 井立紅(1971-),女,副研級高級工程師。研究方向:氣候變化及中短期天氣預(yù)報與服務(wù)。