东北地区玉米冷害指数时空分析

崔一鸣 王禄禄 李晓婷 姜新 许馨月 李铭鉴 辛得

摘 要：选取东北地区气象观测站1966—2013年的气象资料以及玉米生育期资料，计算玉米4个生育阶段的冷害指数，并对冷害指数进行EOF时空分解，分析了东北地区玉米低温冷害的时空分布规律。

关键词：低温冷害;冷害指数;EOF分解

中图分类号 S513文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）09-0147-03

EOF分析方法最早是在1902年由英国统计学家Karl Pearson提出，在20世纪中期才由Lorenz初次引用至大气学科当中。20世纪70年代中后期以来，EOF分析方法随着计算机行业的迅猛发展，在大气科学学科中的应用变得更为简单顺畅。本文利用EOF分析方法，对东北地区玉米低温冷害进行研究，以期为当地玉米冻害防治提供参考。

1 资料来源

选取东北地区1966—2013年间36个气象站逐日平均温度及月平均温度以及东北地区36个气象台站1966—2013年玉米播种、出苗、三叶、七叶、拔节、抽雄、开花、吐丝、乳熟及成熟日期。

2 分析方法

2.1 冷害指数的计算[1] 计算公式如下：

式中：T为某日的日平均温度，T0为该日所在的生育期的适宜温度，T1为该日所在的生育期的下限温度，T2为该日所在的生育期的上限温度。

2.2 EOF分析方法的计算步骤 计算每个特征向量的方差贡献（贡献率）：

及前m个特征向量的累积方差贡献：

2 结果与分析

EOF分析特征向量的方差贡献率越大，说明该特征向量的空间分布越典型[2]。对东北地区所选36个站点1966—2013年4个发育阶段冷害指数矩阵分别进行EOF分析，得出特征向量及相应的特征值、时间系数。4个阶段的前3个模态的累积方差贡献率分别为81.51%、80.55%、80.24%、87.66%，都超过了80%，说明前3个模态足可以代表东北地区低温冷害的时空变化特征。东北玉米4个生育阶段第1模态的方差贡献率分别达到总方差的56.98%、61.09%、62.67%、77.01%，是方差贡献最大的1个模态，说明第1模态可以代表东北玉米发育阶段冷害最主要空间变化的模态，所以本文主要分析第1模态。

2.1 东北玉米4个阶段冷害指数第1模态分析 第1模态中，玉米4个发育阶段的特征向量符号一致，均为正值，说明东北玉米4个发育阶段冷害的空间变化是基本一致[3]，且4个生育阶段冷害的一致特征均占总方差的50%以上，表明东北地区冷害受大尺度天气系统的影响较为明显[4]。图1为1966—2013年东北玉米4个阶段冷害指数第1模态分布图，从图中可以看出：低于0.1的低值区从出苗七叶到出苗成熟，范围不断增加，出苗七叶阶段主要分布在辽宁南部、中西部地区，到出苗成熟阶段几乎整个辽宁都位于低值区，说明辽宁地区冷害程度发生较轻，且冷害主要发生在生育阶段的前期。0.1到0.2的中值区在出苗到七叶阶段几乎占据整个研究范围的2/3，然后开始逐渐减弱，出苗到成熟阶段只剩吉林西部、黑龙江小部分地区位于中值区。高于0.2的高值区随时间不断增加，出苗到七叶阶段仅在吉林地区有小范围的高值区，出苗到抽雄阶段扩展到整个吉林省东部地区，出苗到乳熟阶段开始明显向北延伸，从出苗到成熟阶段，几乎整个黑龙江省以及吉林的中部、东部地区都位于高值区。吉林东北部地区在玉米生长发育的4个阶段始终位于中高值区，说明吉林东北部对冷害最为敏感。

2.2 东北玉米4个阶段冷害指数时间系数分析 图2为东北玉米4个发育阶段第1特征向量所对应的时间系数变化曲线，代表东北玉米4个发育阶段冷害的年际变化。出苗到七叶、出苗到抽雄和出苗到乳熟3个阶段时间系数波动较小，表明这3个阶段东北全区玉米低温冷害时间分布较为一致;而出苗到成熟阶段时间系数的波动较大，波动较大的年份为1971年和1975年。由于4个生育阶段第1特征向量均为正值，根据EOF原理，若某年的时间系数为负，则该年的时间函数和空间函数的乘积也为负值，即冷害指数也为负值，则表明该年发生冷害，且值越小说明冷害越严重。从图中可以看出，第1模态4个阶段的时间系数均呈上升趋势，这表明了东北地区玉米各发育阶段冷害的强度呈减弱的趋势。

从时间系数图可以看出，出苗到七叶阶段，发生冷害的年份有1969年、1973年、1974年和1997年;出苗到抽雄阶段，发生冷害的年份有1969年、1972年、1973年、1974年、1983年、1987年、1992年和1995年;出苗到乳熟阶段，发生冷害的年份有1969年、1971年、1972年、1974年、1976年、1977年、1981、1983、1986、1987、1989、1992、1993、1995年;出苗到成熟阶段，发生冷害的年份有1966、1967、1968、1969、1971、1972、1974、1975、1976、1977、1981、1983、1987、1989、1990、1992、1995、1997、2009年。综合4个阶段发生冷害的年份并去掉重复的年份，共22年发生低温冷害，本文的研究范围为48年，因此，低温冷害基本上为2年一遇。由此可知：东北地区玉米出苗到七叶阶段发生冷害的次数较少，且大多发生在60年代和70年代;出苗到抽雄、出苗到乳熟2个阶段，70年代和80年代出现冷害的频率较大;时间系数的最小值出现在出苗到成熟阶段的1972年和1976年，而这2年前3个阶段的时间系数均为正值，表明这2年在玉米即将成熟阶段出现了较为严重的低温冷害。

3 结论

EOF分析结果表明：东北玉米4个发育阶段冷害的空间变化是基本一致。辽宁地区冷害程度发生较轻，且冷害主要发生在生育阶段的前期;吉林东北部地区对冷害最为敏感。当辽宁地区发生冷害时，黑龙江地区普遍偏暖。东北玉米第1模态时间系数表明：出苗到七叶、出苗到抽雄和出苗到乳熟3个阶段东北全区玉米低温冷害时间分布较为一致;而出苗到成熟阶段时间系數的波动较大，波动较大的年份为1972年和1976年，说明这2年在乳熟到成熟阶段发生了较为严重的冷害。低温冷害基本上为2～3年一遇。

参考文献

[1]崔一鸣，张明哲，王禄禄.1966～2013年东北地区玉米低温冷害指数分析[J].现代农业科技，2018，15：65～70

[2]高晓容，王春乙，张继权.东北玉米低温冷害时空分布与多时间尺度变化规律分析[J].灾害学，2012，27（4）：65～70

[3]贾燕.基于EOF分析辽宁省极端气温时空分布的研究.安徽农业科学[J]，2008，36（11）：4589-4590，4620

[4]张剑明，黄晴.近46年来湖南省气温变化的若干特点.干旱气象[J]，2012，30（3）：387-403

（责编：王慧晴）