趙山山, 王志國(guó), 孫麗莉， 高 明

(1.黑河市氣象局， 黑龍江 黑河 164300； 2.五大連池市氣象局， 黑龍江 五大連池 164100； 3.黑龍江省氣象局， 黑龍江 哈爾濱 150001)

低溫冷害是指一個(gè)或多個(gè)天氣過(guò)程，使作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成遭受不良影響，導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)及品質(zhì)降低，是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活均產(chǎn)生重大影響[1]。因而低溫冷害問(wèn)題一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)低溫冷害研究較多，其內(nèi)容涉及評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)[2-9]、發(fā)生原因及分布規(guī)律[10-15]、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃[16-17]和氣候變化對(duì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生的影響[18-22]等，研究成果對(duì)低溫冷害的致災(zāi)規(guī)律認(rèn)識(shí)、預(yù)測(cè)和對(duì)策具有重要的參考作用。然而，受全球氣候變暖的影響，近45年來(lái)東北地區(qū)氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.38℃/10a，并且氣溫增幅隨著緯度的升高而增大，大興安嶺北部和小興安嶺地區(qū)是增溫最明顯的地區(qū)[21]。同時(shí)，近50年來(lái)東北地區(qū)作物生長(zhǎng)季低溫冷害出現(xiàn)頻次呈減少趨勢(shì)[15-16，22]。黑河地區(qū)位于我國(guó)黑龍江省北部的小興安嶺地區(qū)，境內(nèi)小興安嶺山脈自西北向東南貫穿，地勢(shì)呈現(xiàn)中部高、兩側(cè)低，北部高、南部低的特點(diǎn)，氣候受山地地形影響明顯。黑河地區(qū)是我國(guó)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)大豆的重要產(chǎn)區(qū)之一，受氣候變化的影響，當(dāng)?shù)刈魑锷L(zhǎng)期熱量條件得到明顯改善，但低溫冷害和霜凍等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大損失。1972年低溫冷害造成黑河地區(qū)五大連池市水稻絕產(chǎn)，2006年的最近一次低溫冷害造成黑河地區(qū)嫩江縣大豆減產(chǎn)約10%。然而受研究區(qū)域尺度、地形及局地氣象資料等方面的影響，目前對(duì)黑河地區(qū)低溫冷害時(shí)空分布規(guī)律及響應(yīng)因素還缺乏了解，未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。為此，利用黑河地區(qū)近55年(1960-2015年)的氣象資料，研究黑河地區(qū)低溫冷害的時(shí)空分布及其對(duì)ENSO事件的響應(yīng)，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

作物生長(zhǎng)季的氣溫等數(shù)據(jù)，來(lái)源于1960-2015年5-9月黑河地區(qū)的愛(ài)輝、孫吳、遜克、嫩江、五大連池和北安6個(gè)基準(zhǔn)氣象臺(tái)站。

1.2 方法

1.2.1 低溫冷害的判定 低溫冷害判定方法采用黑龍江省一般冷害和嚴(yán)重冷害臨界指標(biāo)判定方法[7]進(jìn)行判定(氣候標(biāo)準(zhǔn)值采用1981-2010年的平均值)：

CDY=△T5-9+7.5539-0.057×(X+0.405×Y+0.0151×H)

CDW=△T5-9+18.8847-0.1426×(X+0.405×Y+0.0151×H)

式中，X為緯度(°)，Y為經(jīng)度(°)，H為海拔高度(m)，△T5-9表示5-9月的月平均氣溫距平和，CDY和CDW分別表示一般低溫冷害和嚴(yán)重低溫冷害的臨界指標(biāo)值，當(dāng)CDY≤0而CDW>0時(shí)，判定為一般低溫冷害，當(dāng)CDY≤0，CDW≤0時(shí)，判定為嚴(yán)重低溫冷害。

1.2.2 5-9月平均氣溫變化趨勢(shì) 參照文獻(xiàn)[10]的方法，采用一元線性回歸模型進(jìn)行。

y=kx+b

式中，y為平均氣溫序列，x為時(shí)間序列，k為線性趨勢(shì)項(xiàng)，即10 k為氣溫每10 a的氣候傾向率，用于定量描述氣候要素變化線性趨勢(shì)。

1.2.3 突變檢測(cè) 采用累積距平分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)方法[20]對(duì)5-9月平均氣溫序列進(jìn)行氣候突變檢測(cè)，判斷其長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑河地區(qū)作物生長(zhǎng)季氣溫的變化趨勢(shì)與突變檢驗(yàn)

近56年來(lái)，黑河地區(qū)5-9月平均氣溫呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)，氣候傾向率為0.39℃/10a(圖1)。其中，增幅最大為孫吳縣，最小的為遜克縣和五大連池市。各縣(市)增溫幅度由大到小依次為孫吳(0.55℃/10a)、愛(ài)輝(0.37℃/10a)、嫩江(0.33℃/10a)、北安(0.33℃/10a)、遜克(0.32℃/10a)和五市(0.32℃/10a)，且各站均通過(guò)P<0.01的極顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。在空間分布上，黑河地區(qū)西北部山區(qū)作物生長(zhǎng)季的氣溫增幅較大，南部平緩地區(qū)增幅相對(duì)較小，與賀偉等[21]的研究結(jié)果相近。

從圖2看出，黑河地區(qū)5-9月平均氣溫累積距平呈先降后升趨勢(shì)，1960-1993年5-9月平均氣溫累積距平呈下降趨勢(shì)，1994年開(kāi)始累積距平呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明黑河地區(qū)氣溫在1993年開(kāi)始上升，氣溫突變點(diǎn)出現(xiàn)在1993年。從圖3看出，自1970年代以來(lái)，黑河地區(qū)5-9月平均氣溫有明顯的增暖趨勢(shì)。1980年代后期增暖趨勢(shì)大大超過(guò)顯著性水平(P<0.05)臨界線，氣溫的上升趨勢(shì)十分顯著。根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)位置可確定1990年代的升溫是突變現(xiàn)象，具體時(shí)間是1993年前后，與累積距平曲線走勢(shì)趨近。

2.2 黑河地區(qū)不同時(shí)期低溫冷害的發(fā)生狀況

1960-2015年黑河地區(qū)6個(gè)氣象臺(tái)站共發(fā)生低溫冷害152站次，56年間每個(gè)臺(tái)站平均發(fā)生25.3次，發(fā)生率為45.2%。其中，一般冷害77次，嚴(yán)重冷害75次；一般低溫冷害和嚴(yán)重低溫冷害每個(gè)臺(tái)站平均發(fā)生12.8次和12.5次，發(fā)生率分別為22.8%和22.3%；每年全市平均有2.7個(gè)臺(tái)站發(fā)生低溫冷害，其中每年有1.4個(gè)臺(tái)站發(fā)生一般低溫冷害，1.3個(gè)臺(tái)站發(fā)生嚴(yán)重低溫冷害。受氣候變暖的影響，1960-2015年，黑河地區(qū)在作物生長(zhǎng)季發(fā)生低溫冷害的次數(shù)在各年代間存在明顯差異，呈逐年代減少趨勢(shì)(圖4)。其中，1960年代出現(xiàn)次數(shù)最多，發(fā)生頻率為39%；1970年代和1980年代呈減少趨勢(shì)，發(fā)生頻率分別為23%和21%；1990年代和2000年代發(fā)生次數(shù)明顯減少，發(fā)生頻率分別為15%和2%；2010年以來(lái)，未發(fā)生低溫冷害事件。

2.3 黑河地區(qū)發(fā)生低溫冷害的空間分布特征

從表1可知，1960-2015年黑河地區(qū)一般冷害、嚴(yán)重冷害和總冷害發(fā)生的空間分布狀況。一般冷害：愛(ài)輝臺(tái)站發(fā)生次數(shù)最多，為16次，發(fā)生頻率為28.6%；嫩江和五大連池臺(tái)站其次，均為14次，發(fā)生頻率為25.0%；遜克臺(tái)站最少，為10次，發(fā)生頻率為17.9%。嚴(yán)重冷害：北安臺(tái)站最多，為15次，發(fā)生頻率為26.8%；五大連池臺(tái)站其次，為14次，發(fā)生頻率為25.0%；孫吳臺(tái)站最少，為9次，發(fā)生頻率為16.1%?？偫浜Γ簮?ài)輝和五大連池臺(tái)站最多，均為28次，發(fā)生頻率為50.0%；北安臺(tái)站其次，為27次，發(fā)生頻率為48.2%；孫吳臺(tái)站最少，為20次，發(fā)生頻率為35.7%。總體看，一般冷害發(fā)生頻率為西多東少，嚴(yán)重冷害發(fā)生頻率為北少南多。低溫冷害的頻率分布除受大氣環(huán)流因子影響外，還受地形和地勢(shì)的影響[21]，黑河地區(qū)1960-2015年6個(gè)臺(tái)站的低溫冷害發(fā)生頻率高于東北地區(qū)低溫冷害和黑龍江省低溫冷害發(fā)生頻率[9-10]。

表1 1960-2015年黑河各地發(fā)生低溫冷害的空間分布

2 2.4 黑河地區(qū)低溫冷害年對(duì)ENSO事件的響應(yīng) 厄爾尼諾年或其前后年發(fā)生冷夏的概率較大[15,17]。在黑河出現(xiàn)低溫冷害的年份中，將3個(gè)站以上(含3個(gè))均出現(xiàn)一般冷害或嚴(yán)重冷害的年份記為1個(gè)低溫冷害年份。20世紀(jì)60-90年代發(fā)生低溫冷害的年份共計(jì)26 a，各年代冷害年份數(shù)分別為10 a、6 a、6 a和4 a，且均發(fā)生在2000年以前。冷害年份暖事件總占比為57.6%，冷事件總占比為34.6%，一般年份總占比26.9%，暖事件對(duì)低溫冷害的影響顯著高于冷事件，而冷事件又高于一般年份，即ENSO事件年份發(fā)生低溫冷害的概率明顯高于一般年份。

1960-2015年共發(fā)生17次暖事件和12次冷事件，即發(fā)生ENSO事件共計(jì)29次，所涉及的年份共計(jì)48 a，發(fā)生ENSO事件年份發(fā)生低溫冷害的概率為54.2%。其中，在1960-1990年，ENSO事件涉及年份共計(jì)25 a，期間發(fā)生低溫冷害17次，即20世紀(jì)90年代以前在ENSO事件中低溫冷害的發(fā)生率為68%；1991-2015年，ENSO事件涉及的年份共計(jì)23 a，期間發(fā)生低溫冷害4次，且全部發(fā)生在2000年前，發(fā)生率為17.4%，即在20世紀(jì)90年代后ENSO事件年低溫冷害的發(fā)生率較小。可見(jiàn)，20世紀(jì)90年代以前ENSO事件年是黑河市低溫冷害的多發(fā)年份，20世紀(jì)90年代以后，受ENSO事件影響的低溫冷害發(fā)生率減小。表明，黑河地區(qū)在氣候變暖顯著背景下，低溫冷害發(fā)生率對(duì)ENSO事件響應(yīng)減弱。

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明，在氣候變暖背景下，小興安嶺黑河地區(qū)氣候變暖尤為顯著，1960-2015年黑河地區(qū)在作物生長(zhǎng)季發(fā)生低溫冷害的次數(shù)在不同年代間存在明顯差異，呈逐年代減小趨勢(shì)，與李文亮等[15-16,21]的研究結(jié)論一致。李文亮等[15]研究指出，黑龍江省一般低溫冷害表現(xiàn)為中部及西南部地區(qū)較高，嚴(yán)重低溫冷害呈北部大于南部趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，一般冷害發(fā)生頻率表現(xiàn)為西多東少，嚴(yán)重冷害發(fā)生頻率是北少南多，因此，一般冷害發(fā)生頻率的空間分布趨勢(shì)結(jié)果一致，但嚴(yán)重低溫冷害空間分布趨勢(shì)結(jié)果相反，差異的原因可能是兩者分析的區(qū)域和尺度不同所致。

黑龍江省作物生長(zhǎng)季低溫冷害的發(fā)生與ENSO事件的相關(guān)性很大，ENSO事件年及其前后年為低溫冷害的多發(fā)年[15]。研究結(jié)果表明，低溫冷害發(fā)生與ENSO事件的相關(guān)性受氣候變化背景的影響，在20世紀(jì)90年代后，黑河地區(qū)在氣候變暖顯著背景下，低溫冷害發(fā)生概率對(duì)ENSO事件響應(yīng)減弱，與李文亮等[15]的研究結(jié)果存在差異。

1960-2015年黑河地區(qū)氣候變暖尤為顯著，作物生長(zhǎng)季發(fā)生低溫冷害的次數(shù)在各年代間存在明顯差異，呈逐年代減小趨勢(shì)，其中20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的次數(shù)最多，2010年以來(lái)未發(fā)生低溫冷害事件。低溫冷害空間分布上，一般冷害發(fā)生頻率為西多東少，嚴(yán)重冷害發(fā)生頻率為北少南多，其空間分布規(guī)律主要受大氣環(huán)流因子和地形與地勢(shì)因子的綜合影響。黑河地區(qū)低溫冷害發(fā)生與ENSO事件的相關(guān)性受氣候變化背景的影響，20世紀(jì)90年代前，氣候變化影響較弱，低溫冷害發(fā)生對(duì)ENSO事件的響應(yīng)很高，ENSO事件中低溫冷害的發(fā)生率為68%；20世紀(jì)90年代后，黑河地區(qū)在氣候變暖顯著背景下，低溫冷害的發(fā)生率對(duì)ENSO事件響應(yīng)減弱。