商丘市近60a冬季气温变化及其对冬小麦生长发育的影响

张云霞, 史桂芬，檀艳静，马美娟，熊 坤

(1.商丘市气象局，河南 商丘 476000；2.河南省气候中心，河南 郑州 450003； 3.周口市气象局，河南 周口 466000)

中国近百年冬季气温变化与全球变暖趋势大致相似，但地域特征明显[1～3]。商丘市位于豫东黄淮平原腹地，是河南粮食生产核心区，冬季气候变化对冬小麦越冬期影响较大。王春娟[4]、白晓英[5]等研究冬小麦生长发育对气候变暖的响应，提出越冬后冬小麦生育期普遍提前；何可杰等[6]、张向荣[7]分析了宝鸡市粮食产量与气候条件关系，发现气候变暖使农业产量波动变大。王凌[8]、陈峪[9]等对中国、林昕等[10]对福建、鲁佩等[11]对陕甘宁的暖冬特征进行研究。焦建丽[12]对河南冬季气温特征进行研究，1998年刘军臣等[13]对河南暖冬进行研究，余卫东等2008年研究河南极端温度事件变化中提出河南暖冬趋势显著[14]，张云霞[15]对商丘市冬季气温变暖进行研究。已开展的研究多是对暖冬特征的分析，对其影响研究甚少；有关商丘市暖冬对冬小麦生育期及产量影响的研究尚未开展，不利科学认知冬季气温变化对冬小麦的影响。利用商丘市8个气象观测站1961-2020年的冬季气温资料，利用气候倾向率方法、阈值确定、产量分析等方法，在更长时间尺度上对商丘市冬季气温变化、暖冬事件时空变化特征、及其对冬小麦生育期和产量的影响，做进一步深入研究，为合理利用气候资源和应对气候变化提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域及资料来源

选取商丘市所辖民权、睢县、宁陵、柘城、虞城、夏邑、商丘、永城8个气象观测站1960年12月至2020年2月的气温资料，常年值按照世界气象组织规定使用1981-2010年的平均值。冬季时段为上年12月至当年2月(如2020年冬季为2019年12月至2020年2月)。平均值指8个站点同一时间数据的平均值。冬季平均气温距平即冬季平均气温与其气候平均值之差。

1.2 研究方法

(一)气候要素的年际变化趋势采用气候倾向率方法[16]，通过显著性统计检验进行判断。

y=a0+a1t

(1)

式(1)中，y为气象要素的拟合值，t为时间(1961-2020年)，a0为常数项，a1为线性趋势项，把a1x10年称为每10 a的变化趋势。

(二)依据中国国家标准《暖冬等级》对暖冬事件进行定义和划分[17]。根据发生范围可分为单站暖冬和区域暖冬，单站暖冬即单站冬季平均气温距平(△T)大于或等于某一阈值；划分为强和弱两个等级，△T≥ 1.29σ为单站强暖冬， 0.43σ≤△T<1.29σ为单站弱暖冬。

(2)

(3)

区域范围内强暖冬站点数超过暖冬站点数的50%，定义为区域强暖冬，否则为区域弱暖冬。商丘市区域性暖冬定义：在区域暖冬年有4个站或以上出现强暖冬，则记为一个区域强暖冬事件；否则记为区域弱暖冬事件。

(三)一般农作物产量可分解为三个部分，即趋势产量、气象产量和随机产量，表达式如下：

Y=Yt+Yw+△Y

(4)

式(4)中，Y是实际产量，Yt和Yw分别是趋势产量和气象产量，△Y为随机产量，一般可忽略不计。

滑动平均法、柯布-道格拉斯生产函数、曲线多项式等模拟方法被用来分离趋势产量，笔者研究分别使用分段滑动平均法、五年滑动平均法和三次多项式拟合趋势产量。国内常采用五年滑动模拟法[18]，但该方法会损失样本序列数；分段滑动模拟法优势在于不需要提前判断产量历史演变的曲线类型，也不会损失样本序列数[19]。由滑动平均可得出历年趋势产量，则相对气象产量为：

(5)

笔者利用SPSS16.0统计软件进行相关分析，利用Matlab2014绘制相关要素的时间序列图，利用ArcGIS10.0的反距离权重法(IDW)进行空间差值绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 冬季各月平均气温、平均最高、最低气温特征

冬季各月平均气温均呈显著上升趋势，其中2月升温最快为0.568℃·10a-1(P<0.001)， 1月和12月升温速率分别为0.31℃·10a-1(P<0.001)和0.284℃·10a-1(P<0.01)。2月气温的上升对冬季变暖的贡献最大(图2)。冬季各月平均最低气温均呈现显著升温趋势，其气候倾向率排列顺序为2月(0.653℃·10a-1)>1月(0.438℃·10a-1)>12月(0.363℃·10a-1)；月平均最高气温2月以0.449℃·10a-1呈明显上升趋势(P<0.05)，12月和1月升温趋势不明显(表1)。

表1 商丘市1961—2020年冬季各月气温气候倾向率及相关系数

2.2 冬季平均气温变化年际和年代际特征

商丘市1961-2020年冬季平均气温气候倾向率为0.38℃·10a-1(P<0.001)，增温趋势显著，高于全省平均0.32℃·10a-1(1961-2019年)[20]。从年代上来看，冬季平均气温呈明显上升趋势。20世纪90年代前，冬季平均气温多低于气候平均值，90年代后，冬季平均气温多高于气候平均值，尤其是21世纪10年代。从60年代最低0.6℃，上升到70年代1.1℃，70年代与80年代相近，90年代之后气温大幅度上升，之后缓慢上升，年代际最低与最高相差1.9℃(图3)。冬季平均最高气温、平均最低气温均呈上升趋势，其中平均最高气温增加趋势较平缓、其气候倾向率为0.20℃·10 a-1；平均最低气温升温趋势极为显著，气候倾向率为0.48℃·10a-1(P<0.001)(图4)。由此可知商丘市冬季变暖主要表现为冬季最低气温的升高。

从空间上来看，各站点冬季平均气温气候倾向率在0.30～0.53℃·10a-1，东南部永城升温趋势最显著，其气候倾向率为0.53℃·10a-1；中部虞城升温速率最小，其气候倾向率为0.30℃·10a-1；其他地区升温趋势居中(图5)。

2.3 暖冬事件特征

2.3.1 单站暖冬特征 商丘市1961-2020年单站暖冬出现总站次气候倾向率为0.93站次·10 a-1，呈极显著上升趋势(图6)。平均每年出现2.2站次，最多年出现8站次。单站暖冬共发生21 a，发生频率为35%，各站累计134站次，主要发生在1991年以后，占总次数的86%。单站强暖冬共发生11年，发生频率为18%。各站累计65年次，发生频率为14%，全部发生在1999年之后)。

暖冬发生频率空间为各站出现暖冬的年份睢县、虞城、宁陵、柘城较多，各发生18 a，永城最少14 a，出现频率为23%～30%。单站强暖冬以民权、宁陵、永城最多，各发生9 a，夏邑最少发生6 a，发生频率为10%～15%。

2.3.2 区域暖冬特征 商丘市1961-2020年区域暖冬事件出现年数以0.11次·10a-1呈上升趋势。区域暖冬共出现18年，占暖冬发生年的86%，主要在1991年后，占总次数的83%。区域暖冬发生年中，单站暖冬出现4～5站的有2 a，占区域暖冬发生年的11%，6～7站的有7 a占区域暖冬发生年的39%，8站全部出现的有9 a占区域暖冬发生年的50%。在区域暖冬发生年中，单站暖冬出现年数以睢县、民权、宁陵、柘城最多各17 a，虞城16 a，商丘、夏邑各14 a，永城最少13 a。区域暖冬年代变化为2011-2020年最多(出现6 a)，2001-2010年次多(出现5 a)，90年代出现4 a，70年代出现1 a，60年代出现2 a。

区域强暖冬共出现9 a，占区域暖冬年的50%。在区域强暖冬发生年中，民权、宁陵都出现了单站强暖冬；夏邑最少，出现6年。2004、2017、2020年强暖冬出现范围最广，8站点均达到单站强暖冬指标；2020年冬季平均气温最高，达3.9℃，较常年值偏高2.3℃，为建站以来最暖的冬季。

2.4 冬季气温对冬小麦生长发育的影响

商丘市1961-2020年冬小麦越冬期呈推迟趋势，尤其是1995年以后推迟趋势明显，每10 a推迟2.4 d，且年际变化较大；返青期呈推迟趋势，变化趋势不明显(图7)。12月份气温与越冬期相关性较大，尤其是月平均最低气温、月平均气温，相关性分别为0.405、0.428(P<0.01)。返青期与2月平均最高气温、平均最低气温、平均气温均显著负相关，相关系数分别为-0.545、-0.469、-0.560(P<0.01)。2月平均最高气温、平均最高气温、平均气温与越冬-返青期负相关，相关系数为-0.325、-0.332、-0.380(P<0.05)。2月平均最高气温与相对气象产量正相关(P<0.05)，12月与相对气象产量负相关，但相关不明显(表2)。

表2 商丘冬季各月气温与冬小麦冬季发育期、理论产量相关关系

3 结论与讨论

(1)商丘市1961-2020年冬季平均气温以0.38℃·10 a-1呈显著增加趋势；2月份气温的上升趋势最明显，对冬季变暖的贡献最大；冬季变暖主要表现为最低气温的升高；2020年冬季平均气温最高为建站以来最暖的冬季。

(2)商丘市1991年以后，暖冬事件明显增多，是全球变暖和极端气候事件频发的表现之一。以区域暖冬为主，8站全部出现的占区域暖冬发生年的50%，6～7站占39%，4～5站占11%，其原因是商丘市地处豫东平原，气流畅通。区域暖冬以0.11次·10 a-1呈上升趋势。暖冬气温偏高使部分冬小麦在冬季未停止生长，抗寒能力降低，易受春季“倒春寒”的危害。农业上应适应气候变化，减轻冬季变暖的不利影响。

(3)商丘市1961-2020年冬小麦越冬期和返青期呈推迟趋势，越冬期推迟趋势明显；这与冬季气温升高和暖冬事件有一定联系。越冬期主要受12月平均最高气温和最低气温影响。2月气温是影响越冬-返青期历时的主要因素，其次是12月气温。2月平均最高气温对冬小麦相对气象产量影响最明显。