湖南省寒露风发生特征及气象风险区划

2011-06-08黄晚华黄仁和袁晓华李忠辉

湖南农业科学 2011年15期

黄晚华，黄仁和，袁晓华，李忠辉

（1.湖南省气象科学研究所，湖南长沙 410007；2.湖南省气象局国有资产运营中心，湖南长沙 410007；3.吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062）

湖南是我国重要水稻产区，历来就有“湖广熟，天下足”的美誉。多年来湖南水稻种植面积和稻谷总产量稳居全国第一位，其中双季晚稻种植面积占水稻总面积的40%左右[1]。湖南省大部分地区属于中亚热带季风湿润气候,，影响湖南晚稻生产的主要农业气象灾害是干旱和寒露风[2]。

一般而言，进入初秋季节的9月份，冷空气活动开始活跃，常南侵湖南造成日平均气温低于20℃的低温天气，此时低温会对双季晚稻抽穗扬花造成影响，常出现包颈颖花不能正常开放，传粉受精发生障碍等现象，致使晚稻空壳率增加，影响产量的形成。寒露风发生严重的地区晚稻会普遍减产，如1997年9月中旬出现了有气象记录以来持续时间最长、危害最严重的寒露风天气，从9月中旬开始到月末，全省大部分地区持续了10～15 d的寒露风天气，导致当年的晚稻产量减产达5%～10%[2-4]。可见，寒露风是影响湖南晚稻产量的主要低温灾害。水稻生产经验也表明，抽穗扬花期的寒露风天气对晚稻生产丰歉起着决定性的作用。近30 a以来，在气候变暖背景下，寒露风呈现减弱的趋势，生产中对防御寒露风灾害有所轻视，但近几年极端天气事件增多，湖南5月低温、8月低温、寒露风等低温灾害又呈现增多的趋势[5]，如2010年9月下旬，湖南发生自1997年以来最严重的寒露风天气，对晚稻生产影响很大，使晚稻产量明显减产。因此，系统分析寒露风发生特征，评估其风险，并进行科学风险区划，对指导和安排晚稻生产，减轻寒露风带来的不利影响，保障粮食安全具有重要意义。

关于农作物的气象灾害特征分析及风险评估，已有不少研究[6－7]，但多针对水、旱灾害或典型低温区的冷害，如东北玉米冷害或华南寒害[8-11]。目前，对江南晚稻生产的寒露风灾害风险评估分析较少，已有关于寒露风的研究也多注重预报机理和影响分析，仅部分研究涉及到定量评估[12-14]。本文根据灾害风险评估原理和寒露风致灾特征，通过分析湖南各地不同强度寒露风出现的历史概率，进行双季晚稻寒露风风险评估分析，为双季晚稻生产提供气象科学保障依据。

1 资料和方法

1.1 资料来源和寒露风定义

资料来源：湖南省96个气象台站1961～2009年9月份日平均气温、日照时数等逐日气象资料。

寒露风定义：根据湖南省地方标准《气象灾害术语和等级》[3]，寒露风定义为9月份出现的日平均气温≤20℃且持续3 d或以上的低温天气过程[2－3]。根据寒露风持续时间长短或低温程度影响，该标准把寒露风分成如下不同等级。①轻度寒露风：日平均气温为18.5～20℃，持续3～5 d。②中度寒露风：日平均气温 17.0～18.4℃，持续 3～5 d；或日平均气温为18.5～20℃，持续6～8 d。③重度寒露风：日平均气温（过程平均温度）≤17℃，连续3 d或以上；或日平均气温≤20℃，持续9 d或以上；或日平均气温17.0～18.4℃，连续 6～8 d。

1.2 寒露风年次频率计算

仅发生1次轻度寒露风过程的年份为轻度寒露风年；仅发生1次中度寒露风过程，或发生2次轻度寒露风过程的年份为中度寒露风年；发生1次重度寒露风，或发生2次中度（或1次中度和1次轻度）寒露风，或发生3次轻度寒露风过程的年份为重度寒露风年。不同程度寒露风发生年次频率的计算方法为：不同程度寒露风发生年次数与统计资料总年数之比[15]。

1.3 寒露风气象风险指数

寒露风影响水稻生产的主要因素有低温降温幅度、过程最低气温、低温持续日数、低温过程平均温度、综合温度等。为了较好地反映寒露风对水稻生产的影响程度，参考其他冷害评估指标[16-17]，定义了寒露风低温气象风险指数（R），见式1。

式中，R 为寒露风的风险指数；f1、f2、f3分别为轻度、中度、重度寒露风发生频次；I1j、I2j、I3j分别为历史上出现轻度、中度、重度寒露风对应的发生强度；n1、n2、n3分别为轻度、中度、重度寒露风发生次数；n为统计年内总寒露风的次数。

公式（1）的含义是通过不同程度的寒露风发生频次和低温强度进行加权，得到多年平均总的风险指数。这不难看出，风险指数越高，寒露风的风险就越大。

1.4 寒露风低温强度和当量冷积温计算

寒露风低温强度，与低温持续时间、低温程度、过程气温及日照时数等相关。这里改进冷积温定义，在冷积温的基础上创立当量冷积温，把当量冷积温定义为：

其中，T′为当量冷积温，t为日平均气温。ak为时间订正系数，由于不同时段发生的寒露风对晚稻抽穗影响不一样，一般寒露风对湖南双季晚稻危害主要集中在9月中旬前后，对晚稻抽穗扬花有明显危害，且近似抛物线变化。一般在湖南晚稻集中9月中旬后期（第4候）前后抽穗扬花，因此寒露风对晚稻抽穗影响严重；之前水稻尚未大面积抽穗，对晚稻影响较小；之后晚稻抽穗完成，寒露风影响也减小。根据影响程度，这里将连续线性影响变化进行分段离散简化近似处理，对应9月第1～6候时间订正系数（ak）分别取值为 0.5、0.8、1.0、1.1、0.9、0.5。b1～b4为温度影响订正系数，不同低温程度对水稻抽穗影响不同。根据以前的研究结果[2，18-20]，这里计算日平均气温低于20℃开始对水稻抽穗影响的冷积温，温度越低，低温对水稻抽穗危害越大。因此，b1、b2、b3和 b4分别取 1.0、1.3、2.0、3.0。

当量冷积温同时考虑低温不同发生时段和不同低温程度对作物危害累积，能更真实反映低温对水稻的影响和危害，能很好反映低温持续时间、低温程度和冷积温累积值。因此，定义低温强度指数（Ij）如下：

其中，∑T′为累积当量冷积温，D为寒露风持续日数，d为持续日数的权重，这里取d=0.3，c为当量冷积温的权重，这里取c=0.7。Sj为低温过程中累积日照时数，含义是相当2 h日照能补偿冷积温1℃·d。根据寒露风等级，当某次寒露风的强度指数（Ij）在0～5时为轻度寒露风，在5～10时为中度寒露风，Ij＞10为重度寒露风。当强度指数Ij＜0时，即使出现连续3天以上日平均气温≤20℃，认如发生寒露风，其危害也不严重，不纳入计算统计。

按照上述定义，先计算等级强度要素，最后得到寒露风风险指数。

2 结果分析

2.1 寒露风气象风险要素空间分布特征

2.1.1 发生频率特征图1a为湖南寒露风发生年次频率空间分布图。由图1a可见，湖南寒露风发生年次频率为10.9%～60.8%，全省平均为36.1%，最低年次频率出现在江永，最高年次频率出现在凤凰。湘南的永州中南部、郴州的宜章以及湘东部分地区寒露风年发生频率在20%（5 a一遇）以下；湘东南其余大部分地区以及湘西泸溪、辰溪、麻阳等山区盆地年发生频率在33.3%（3 a一遇）以下。湘中以北及湘西大部分地区、湘东南部分山区年发生频率为33.4%～50.0%（2～3 a一遇），其中湘北、湘西等地和湘南局部地区年发生频率在50%（2年一遇）以上。

从图1b可知，中度以上寒露风发生年次频率为2.2%～34.8%，全省平均为16.6%。永州大部以及湘东局地中度以上寒露风发生年次频率在10%（10 a一遇）以下。其中，江永、江华、道县、宁远、新田、宜章、浏阳、平江等地寒露风发生年次频率为2.2%，近49年来，仅在1997年发生过1次中度以上寒露风。湘北、湘西部分以及湘南局部地区，中度以上寒露风发生年次频率在5 a一遇以上。其中，桂东和龙山最高，为34.8%，达到3 a一遇。其他大部分地区中度以上寒露风发生的年次频率都在5～10 a一遇之间，约占全省面积的一半。

图1 湖南省寒露风及中度以上寒露风发生年次频率

大部分双季稻区重度寒露风的年发生频率在10 a一遇以下。其中，湘中以南大部分区域在20 a一遇以下（图略）。

总体而言，我省双季晚稻区仅湘北等地寒露风发生频率较高，为2～3 a一遇；其他大部分地区寒露风发生频率为3 a一遇或以下，中度寒露风为5 a一遇或以下。空间频率分布以湘东南最低，湘中次之，湘北较高。

表1 不同程度强度寒露风的比例和强度、时段的分布

2.1.2 寒露风各强度分布和时段分布特征于湘北、湘中、湘南等典型双季稻区选取15个代表气象站，统计分析寒露风不同程度发生频次、占比及时段分布（表1）。由表1可见，湘北寒露风发生次数最多，各站平均达0.66次/a，湘中次之，湘南最少，仅0.26次/a。从发生强度看，各地均类似，都以轻度居多，中度较少，重度很少。其中，轻度寒露风占所有寒露风的60%左右，中度约占31%，约为轻度的一半，重度寒露风较少发生，比重不到10%。从不同发生程度的强度指数看，轻度寒露风的平均强度为3.0左右，中度寒露风平均强度为7.0，重度寒露风强度，湘北和湘南分别为12.1和11.6，湘中地区高达21.1。从寒露风发生时段看，多发生在9月中下旬。其中，9月上旬发生的不到5%，中旬发生的约占总数的1/3，下旬发生的接近2/3。

2.1.3 寒露风的风险强度要素特征寒露风对双季稻风险影响不仅与发生频率有关，还与寒露风过程发生时的当量冷积温、低温持续天数、日照多寡有关。下面分别分析低温过程发生时的当量冷积温、低温持续天数和过程日照时数等特征。

（1）当量冷积温。寒露风发生时，湘东大部分地方当量冷积温最少，发生年冷积温多在9℃以下，其他大部分双季稻区冷积温也在12℃以下，这些地方约占全省70%的区域。湘西和湘东南山区冷积温较高，在12℃以上。其中，桂东、龙山等少数山区冷积温在15℃以上（图2a）。

全省寒露风发生过程中低温持续天数为3.9～10.4 d（图2b）。临武持续天数最少，仅为3.9 d，湘东和湘南大部分地区持续天数为4～5 d。其他双季稻区持续天数为5～6 d。超过6 d的地区主要分布在湘西北和湘东南等山区的非双季稻区，其中桂东持续天数最长，为10.4 d。

一般发生寒露风时，多为持续阴雨寡照天气，日照很少或基本无日照。如出现日照，则能使温度回升，特别是最高气温可上升到20℃以上，即使日平均气温仍在20℃以下，一天中有几小时气温在20℃以上，水稻就能完成开花授粉，对抽穗扬花有利。因此，日照多寡也是评价寒露风严重程度的重要指标。湖南省寒露风过程中日照时数为1.4～33 h（图2c）。其中湘南中南部过程日照时数不足3h，湘南其他地区日照也多在5 h以下。湘中、湘东北等地大部分日照为5～7 h，洞庭湖区一带日照为7～9 h，局地可达 12 h。

从各风险强度要素特征看，每次寒露风过程，大部分双季稻区持续时间为4～6 d；过程冷积温多为7～12℃，折合冷积温约为2℃/d以内，也就是说，低温过程平均气温多在18℃以上；过程日照平均仅1～2 h/d。

图2 湖南省寒露风发生过程当量冷积温、持续低温天数和过程日照时数分布

表2 湖南省寒露风综合风险等级区划

2.2 寒露风综合气象风险区划

根据寒露风发生各风险频率和强度要素，由式（1）计算得到寒露风综合风险指数，根据综合风险指数数值范围按等值区间划分5级（表2）。在此基础上，利用GIS技术得到湖南省寒露风综合气象风险区划（图3）。

图3 湖南省寒露风综合风险区划

由图3可见，湘南、湘东等大部分地区寒露风综合风险指数在2.0以下，有41站，占全省双季稻区一半以上，为轻微风险区，寒露风发生频率低，强度轻，寒露风对双季晚稻风险小。其中，浏阳、平江、炎陵、江永、道县、宁远、新田、江华、宜章等站综合风险指数在1.0以下，为寒露风轻微风险区，基本无寒露风风险。浏阳的寒露风指数仅为0.45，为全省寒露风风险最小的地方。

湘中、湘北和湘南的郴州等丘陵山区双季稻区大部分风险指数在2.0～3.0之间，为寒露风低风险区，寒露风发生频率低，强度也轻，但对双季晚稻有一定的风险，在寒露风发生较重时，对双季晚稻生产会有一定影响。

双季稻区的资兴、冷水江、临澧、澧县、桃源、桃江、安化、武冈等地，以及湘西山区等一季稻区的综合风险指数为3.0～4.0，是寒露风中度风险区，寒露风发生频率较高，强度也较重，对双季晚稻风险较大，要特别注意防范寒露风带来的不利影响。

综合风险指数4.0～5.0的地区可划分为寒露风高风险区，绝大部分在非双季稻区，仅桂阳（风险指数达4.6）为双季稻区。综合风险指数在5.0以上的，仅为一季稻区的花垣和龙山，为寒露风特高风险区，这些地区的寒露风发生频率高，强度大。

3 结论和讨论

根据湖南省1961～2009年气温、日照等气象资料进行寒露风灾害风险分析，得到结果如下。（1）湖南双季晚稻区仅湘北等地寒露风发生频率较高，其他大部分地区寒露风发生频率在2～3 a一遇或以下，其中中度寒露风发生频率在5 a一遇以下。其空间频率分布以湘东南最低，湘中次之，湘北较高。（2）湘北寒露风发生次数最多，各站平均达0.66次/a，湘中次之，湘南最少。且寒露风多发生在9月中下旬，约占95%。（3）双季稻寒露风风险以湘南、湘东等平原和山区盆地最低，湘中丘陵地区次低，湘北部分平原地区和湘南局地丘陵山区较高。

由于寒露风多发生在9月中下旬，因此对中度风险区和高风险区应多考虑种植早熟品种，尽量使晚稻在9月中旬以前齐穗，以避免寒露风的风险[21]。

鉴于低温风险影响水稻减产定损可操作性差，目前也无规范的受灾面积和减产损失的资料，以上风险评估仅从气象角度考虑，未考虑具体受灾对象分布，评估结果有一定局限性。近年来低温冷害发生几率有增大的趋势，有待从气候变化角度研究寒露风的变化趋势和周期性。

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