华南龙眼寒害时空分布特征分析*
2015-03-10余会康郭建平赵俊芳
余会康,郭建平,赵俊芳
(1.福建省宁德市气象局,宁德 352100;2.中国气象科学研究院,北京 100081)
华南4省区 (福建、广东、广西、海南,以下简称华南地区)地属亚热带季风气候区[1],是我国亚热带水果的主要生产基地,其中龙眼种植面积与产量分别占全国的96.13%、98.22%,是中国龙眼的主产区[2-3]。华南地区具有丰富的热量资源与适宜的山地条件,为龙眼的创造良好适生环境,但受全球气候变化与季风气候影响,我国华南地区仍常受到冬春低温寒害的影响,导致龙眼等农业生产遭受危害,寒害已成为华南地区最主要的农业气象灾害,仅20世纪90年代的4次寒害给广东农业造成的经济损失就分别为18、41、46及108亿元[4-5],1999年的寒害给广西与福建造成的经济损失分别超过150与20亿元,其中,以香蕉、荔枝、龙眼的受害情况尤为严重[1,6]。深入研究气候变化下华南地区龙眼寒害发生的时空规律与风险区划,对防御或减轻寒害对龙眼生产的影响具有重要意义。
对华南龙眼寒害的研究文献较多,主要在受低温影响后生理与生化条件的变化,寒害影响的气候因子、寒害指标确定与风险评估模型等方面[1,6-10],但对龙眼主要寒害影响期 (11月至翌年3月)进行逐月寒害特征分析,以及月份寒害对年寒害作用影响研究还为少见,为此该文以华南地区龙眼主要寒害影响期,按月份与年两个时间尺度相结合进行分析,揭示华南地区龙眼寒害的时空特征与发生规律,为进一步细化龙眼寒害评估与风险区划借鉴,为地方政府部门调整种植结构、制订防灾减灾规划提供科学依据。
1 资料与方法
按照2012年中国气象局发布的《龙眼寒害等级标准》(气象行业标准QX/T168-2012)[11],该文选取了华南地区64个基本气象站1961~2012年11月至翌年3月的极端最低气温、日最低气温≤5.0℃持续日数、日最低气温≤5.0℃积寒、最大降温幅度等要素数据。采用主成分分析法 (PCA),将各致灾因子进行主成分分析,提取公因子后求和,计算各站点52年年寒害指数与11月至翌年3月逐月寒害指数 (Hi)。
对致灾因子的原始值进行数据标准化处理,标准化处理公式如下:
式中,Xi为某致灾因子第i年的标准化值,xi为致灾因子第i年原始值,x为相应致灾因子的年平均值,i为年份,n为总年数。将致灾因子的标准化值分别乘以影响系数后求和,作为寒害指数,计算公式如下:
式中,Hi为寒害指数,aj为相应致灾因子的影响系数,Xj为致灾因子,m为致灾因子数[11]。寒害致灾因子的影响系数计算采用主成分分析法。
主成分分析法主要是求解由寒害因子组成矩阵A的非零特征值λ与特征向量V,求出的特征值λ与所对应的特征向量vj,则aj=vj/λ.一般λ取最大特征值与所对应的向量[12]。
依据《龙眼寒害等级标准》中等级指标 (表1),确定寒害级别,采用统计方法,分别计算了各站点各等级寒害发生频率与年代寒害发生频率,运用Arcgis地理信息软件与空间插值方法展现区域分布。
表1 龙眼寒害等级指标
经验正交函数分解方法是将要素场 (矩阵)X自然正交展开,分解成时间与空间的函数,可以表示要素场的时间与空间要素分布特征,即X=V·Z,V为空间函数,Z为时间函数[12],则:
因此可以利用经验正交函数分解方法 (EOF)对华南64个站点52年的龙眼寒害指数 (Hi)矩阵与寒害主要影响期 (11月至翌年3月)寒害指数矩阵分别进行经验正交分解,得到寒害指数分解的空间特征向量与时间分量系数,结合相应的寒害发生频率进行相关分析 (SPSS软件),得出华南地区龙眼寒害发生的时空分布特征。
滑动平均是趋势拟合技术最基础的方法,可以用时间序列的平滑值来显示变化趋势。对样本量为n的序列x,其滑动平均序列表示为:
式中,k为滑动长度。该文对寒害指数采用3年滑动平均分析其变化趋势[13]。
年月寒害指数相关性分析利用SPSS软件选择Pearson相关系数进行分析。
由于积寒计算包含了平均气温、临界温度、最低气温以及过程持续日数等寒害主要信息,因此该文也将积寒作为一个气候指标,分析1961~2012年积寒年际变化特点,说明华南地区寒害变化趋势。
2 结果与分析
2.1 龙眼生长与气候条件
龙眼原产于我国的南部与越南北部,是典型的南亚热带果树,喜温忌寒冻,适宜温暖多雨、阳光充足、冬季与初春适当低温的地方生长,具有一定的耐瘠、耐旱、耐酸能力,在一般平地与低丘山地栽培生长较好。在诸多外界环境条件中,气候条件对龙眼的生长发育影响最大,是限制龙眼地理分布范围的主要因子。一般年平均气温在18~24℃地区可以栽培,最适宜的年平均气温在20~22℃。在年平均气温18℃以下或极端最低气温-5.0℃以下地区的龙眼分布很少。一般来看,0℃时幼苗易受冻害,-2.0℃时大树中等程度受害,-3.0℃时大树老叶受冻枯萎,<-4℃时大树主干受冻死亡。因此在最低气温低于-4.0℃的地区不适宜种植龙眼。同时龙眼属热区水果的中、迟熟品种,花芽分化前需要一段时间的低温诱导,以抑制营养生长,提高细胞液浓度,才能正常进入花芽分化,冬季温度高会导致成花诱导失败。因此温度是决定龙眼地理分布的主要因子,也是影响产量的重要因素[14-15]。
我国的栽培区域西起东经100°44'的四川盐边县,东至东经122°的台湾省南部,南起北纬18°的海南省南端,北至北纬31°16'的四川奉节县。主要分布在福建、广东、广西、海南、台湾等地,其次在四川、重庆、云南、贵州。浙江平阳等地也有栽培。近年来,华南地区各省都在大力发展龙眼生产,种植面积逐年扩大[14-15]。
2.2 气候变化与龙眼寒害趋势
受全球气候变暖影响,华南地区年际气温也呈现上升趋势,根据2012年华南区域气候变化评估报告与华东区域气候变化评估报告,1961~2008年,海南、广东、广西平均气温升温速率约为0.16℃/10年,福建为0.19℃/10年,低于全国同期平均 (0.22℃/10年),高于全球近50年升温速率 (0.13℃/10年),20世纪70年代气温偏低,20世纪90年代中期以后气温呈明显上升趋势,冬季变暖更为显著[13-14]。华南地区气温随年代升高,尤其是冬季气温升高,热量条件增加,减少了龙眼寒害发生,为龙眼生产创造了有利气候条件。
为进一步说明华南地区冬春寒害变化趋势,该文选取了寒害指数主要因子—积寒,代表影响龙眼寒害的气候指标,分析其年际变化特点与寒害演变趋势。图1为1961~2012年华南4省逐年积寒变化趋势,最大积寒取自每年四省最大值,线柱高度也代表了积寒变化幅度,平均积寒取每年4省平均值。由图1可知,积寒随年代波动明显,振幅在20世纪60~80年代较大,20世纪90年代以后减小,平均积寒总体随年代呈减少趋势;但在个别年份还出现较大值,如1996年、2000年、2008年等,这几年也是寒害发生较重的年份,说明受气候变暖影响,华南地区积寒呈减少趋势,但出现较大积寒年份还存在,寒害发生还存在不确定性,还有可能发生较重寒害的年份与地区,不能忽视寒害的危害,应加强寒害的监测预测与预警。
图1 1961~2012年华南地区积寒年际变化
2.3 龙眼寒害地域分布特征
2.3.1 分布基本特征
对华南地区52年中度以上寒害发生频率进行统计,其地域分布如图2所示,分布具有两个基本特征,其一是寒害发生频率呈现纬向分布,即由南到北发生频率逐渐增大;其二是寒害频率呈现东北-西南状分布,即由沿海到内陆地区发生频率逐渐递增,说明华南地区寒害与所处纬度、地理位置关系密切,纬度越低,越靠近沿海,龙眼寒害发生频率就越低,相反,纬度越高,远离沿海,寒害发生频率就越高,同时也说明了海洋对龙眼寒害影响作用明显,沿海种植区相对于内陆种植区寒害少。闽东北沿海可以发展晚熟龙眼种植,而其内陆山区无法发展龙眼生产,1999年宁德市遭受严重龙眼寒害,调查表明,沿海地带寒害相对内陆轻,说明冬季沿海海汽交换作用,可以减缓或减轻寒害危害与影响,也充分说明越靠近沿海地区发展龙眼生产具有区位优势。另外,海南岛四面临海,地理位置处最南纬度带,因此受寒害影响最小,基本无寒害发生。
图2 1961~2012年华南地区龙眼寒害发生频率区域分布
2.3.2 年月分布特征
综合华南地区52年寒害频率分布 (图2a),寒害区域面积大,发生频率较高。高频率的地区主要在福建北部与中西部,广东与广西的北部,以及广东与广西局部地方,发生频率超过0.4。华南大部地区包括福建东南部、广东与广西的中部及南部地区,发生频率在0.3~0.4。四省沿海局部地方与雷州半岛频率<0.2,海南岛与雷州半岛南部频率最低 (<0.1)。
寒害影响主要月份11月至翌年3月逐月的寒害频率分布 (11月至翌年3月分别为图2中b~f)进行对比分析,可以明显发现,11月、3月寒害发生频率低,面积小,频率较大的地区主要在福建西北部、广东北部、广西北部与西部,其中福建西北部可达0.3~0.4,广东与广西北部可达0.2~0.3,广西西部可达0.1~0.2,局部超过0.2。说明在气温由高至低的11月与由低至高的3月份,寒害在这些地区仍有较大的发生频率,特别是闽西北、粤北及桂北在秋季末11月与春季初3月寒害风险仍较大。
12月与翌年1月、2月是龙眼寒害发生频率高、区域分布广的主要时段,其中又以1月份寒害分布区域范围最大 (图2d),寒害高频率区主要在北纬N23°以北地区,包括福建大部地区、广东广西北部与中部地区,发生频率可达0.3~0.4,此范围地区只有局部地区由于地形影响作用,寒害频率相对低些 (0.2~0.3)。广东广西的南部地区,主要沿海地区,寒害频率一般在0.2~0.3。局部地区,包括广东西南部雷州半岛、广西沿海中部寒害频率<0.2。海南大部地区与雷州半岛南端寒害频率最低,都在0.1以下,海南岛中部可能由于地形影响作用,局部寒害频率为0.1~0.2。
12月与翌年2月也是寒害多发的时段,发生频率0.3以上区域面积仅次于1月,其中福建西部与广东的北部部分地区,寒害发生频率甚至可达0.4~0.5,也是龙眼寒害的高风险区。与2月相比较,12月寒害发生频率≥0.3的区域面积更大,主要在福建大部地区 (除闽东南沿海地区)、广东中部、广西北部与中部局部地区。闽东南沿海地区、广东南部、广西中部与南部地区发生频率<0.3,广东广西部分沿海地区<0.2,其中雷州半岛南部与海南岛<0.1。2月寒害发生频率>0.3的地区主要在福建大部分地区、广东中东部、广西北部与西北部地区。闽东南局部地区、广东南部与西部、广西中部与南部地区寒害发生频率0.2~0.3,广东西南部、广西南部的局部地区<0.2,其中雷州半岛南部与海南岛<0.1。
综合上述,通过主要月份11月至翌年3月寒害发生频率区域分布分析,寒害发生频率基本成纬向分布,频率大小随纬度由南到北递增;纬度偏北的福建寒害频率高,发生区域面积最大,广东、广西次之,广东雷州半岛南部及海南岛最小。寒害发生频率还与地理位置有关,同纬度的沿海地区一般比内陆小,南部沿海地区比北部沿海地区小,说明海洋对减少寒害发生具有重要影响作用[15-17]。寒害发生频率还与月份有关,1月份寒害发生频率及区域面积最大,12月与翌年2月次之,11月与翌年3月最小。
表2 第一、二时间分量与各类寒害的相关性及方差贡献
2.4 龙眼寒害时间分布特征
2.4.1 时间分量与寒害关系
将华南地区64个站点52年寒害指数矩阵进行经验正交分解,得到的反映寒害时间特征的时间分量,对第一、二时间分量与寒害发生频率进行相关分析 (表2)。
由表2可知,寒害指数的第一时间分量 (f1)方差贡献均大于50%,且明显超过第二时间分量 (f2),与极重寒害发生频率呈显著正相关,与轻度寒害呈显著负相关,两者都通过0.01检验,且相关系数大。除3月外,寒害指数的第一时间分量还与年、11月至翌年2月的重度寒害也呈显著相关,个别还与中度寒害频率相关。比较分析第一、二时间分量方差贡献与各级别寒害的相关性,说明第一时间分量能够反映寒害主要特征,时间分量值越大,寒害频率就越高,寒害级别就越重,相反,寒害就越轻。
2.4.2 年际寒害分布特征
通过对64个站点52年寒害指数矩阵的经验正交分解,得到的反映寒害时间特征的第一时间分量(f1)年际变化 (图3a),时间分量值越大,寒害就越重,相反就越轻,经过对比分析,时间分量值较大的年有1962年、1966年、1968年、1973年、1975年、1976年、1983年、1991年、1995年、1999年等,寒害指数大,都达到重度以上寒害等级。从年代际变化趋势分析,20世纪60年代平均量值大,年际波动振荡剧烈、不稳定,说明寒害发生频繁,寒害等级高。20世纪80年代,量值明显减小,振荡幅度也减小,寒害频率也相应减小,寒害级别降低;2000年以后,平均量值进一步减小,大部分年份为负值,寒害频率达到最小。时间分量值3年平均趋势可以明显看出寒害指数呈下降趋势,说明随气候变暖影响,华南地区年代际寒害指数减小显著,寒害减少,等级降低的变化趋势,这与华南地区年代际平均气温与积寒的变化趋势相一致。尽管寒害发生频率呈下降趋势,但还是会出现寒害年份,如2010年等。
2.4.3 月份寒害分布特征
对64个站点52年11月至翌年3月逐月寒害指数矩阵的经验正交分解,得到的反映月份寒害特征的第一时间分量年际变化 (图3b-f),11月至翌年3月分别为图3中b-f。
通过11月至翌年3月逐月寒害指数第一时间分量对比分析,1月、2月年际振幅变化最大,年际间振荡剧烈,寒害指数变化最不稳定,量值大的年份多,说明华南地区在这两个月发生寒害年份多,寒害频率大,寒害级别高。年代际主要表现20世纪60年代第一时间分量量值变化幅度大,高值年份多,寒害发生频繁,20世纪80年代,时间分量值明显降低,变化振幅减小,发生频繁降低,寒害级别降低,但个别年份仍然有发生较重的寒害,如1992年1月,1995年2月,许多站点都达到极重寒害等级。21世纪00年代平均时间分量值进一步降低,负值年份增多,说明寒显著减少,但也有个别年份还有寒害出现,如2008年1月、2007年1~2月,部分站点达到极重寒害。1月、2月尽管为寒害发生频率最高的月份,但也随年代呈现明显减少趋势。1月、2月第一时间分量年际分布趋势与年际寒害分布趋势相似,也体现年际寒害分布的主要特征,充分说明1~2月是年寒害发生的最主要时段,寒害发生等级也高,往往可达到重度以上的寒害,造成的危害也是最大的。
11、12月及翌年3月时间分量除个别年份外,量值小,主要在0值附近波动,振幅变化小,反映年际寒害指数表现比较稳定,说明寒害发生频率小,等级低。但同时又反映出个别年份量值极大,如1975年、1979年、2007年的11月,1975年、1982年、1991年、1999年、2010年的12月,1985年的3月,出现较为明显的寒害,许多站点达到重度以上等级寒害,其中1975年、1985年、1999年还出现极重等级的寒害。结果表明,11月、12月及翌年3月不是年寒害发生的主要时段,发生频率低,但仍有可能出现寒害,个别年份还可能达到重度等级以上的寒害。
2.5 龙眼寒害历史对照分析
2.5.1 主要寒害年份对比分析
通过以上龙眼寒害时间分布分析,1961~2012年华南地区出现的主要年份有:1962年、1966年、1968年、1973年、1975年、1976年、1983年、1991年、1995年、1999年,经过统计,这些年达到重度等级以上寒害发生率 (发生站/总站点)分别达:82.8%、92.2%、67.2%、87.5%、93.8%、81.3%、67.2%、59.4%、73.4%、50.0%,也是历史上寒害较重的年份 (时间分量值大)。根据中国气象灾害大典 (福建、广东、广西、海南卷)中1961~2000年有关寒害记载,这些年份都有明确的寒害影响及灾情记录,主要受寒潮、降雪、霜冻、低温阴雨等气象灾害影响,为害程度较重,低温寒害或冻害持续时间长,影响范围广,造成了巨大灾害损失。例如1962年冬季,广西霜日总数达1 039天 (站次);广东遭受寒潮入侵,影响到南部沿海,粤北低温-1~4℃,南部普遍2~3℃;福建受强冷空气入侵,47县降雪,寒冻害严重;海南受较强冷空气影响,低温冷害持续时间长,影响程度严重。1966年冬季,广东广西受强寒潮天气影响,降雪、低温阴雨波及粤东沿海与雷州半岛北部,福建也遭受降温过程,范围广,其危害程度为1949年来少见。1975年、1976年冬季遭受寒潮、霜降天气影响,寒冻害时间长,4个省份都受到严重影响,其中1976年广西龙眼减产达69%。1999~2000年冬受强冷空气南下影响,寒冻害与辐射降温也使4个省龙眼等作物遭受严重影响,其中广西龙眼受灾面积14万hm2(占总面积59.3%),冻死2.07万hm2,减产50%,广东、福建龙眼寒冻害也十分严重,海南农作物寒害受灾7 600hm2,成灾2 900hm2,绝收 200hm2[21-24]。
分析表明,该文得出的重大寒害年份与历史寒害灾情时间能够相符,分析提取的重大寒害年份正确。
2.5.2 月份寒害对比分析
通过对中国气象灾害大典 (福建、广东、广西、海南卷)中1961~2000年有关寒害记载查证,华南地区寒害多出现在12月与翌年1~2月份,其中尤以1~2月居多,主要因为这期间冷空气势力强,寒潮、降雪、霜冻等多发,低温持续时间长,降温幅度大,影响范围广,发生频率高,寒害影响严重;3月主要是低温阴雨影响,11月寒害记载较少,这与该文分析的1~2月寒害多发,寒害等级程度高,12月次之,11月、3月最少的结果相符。寒害严重的年份,往往是几个月份都有寒害发生,造成寒害叠加,造成严重后果。如1975年12月至1976年2月,是广西有气象记录以来,霜日最多的一个冬季,总天数 (站日)1 507天,结冰883天,其中1975年12月就达1 064天,结冰776天,成为该省12月历史之最,因此1975年、1976年作物遭受严重寒冻害,减产损失极其严重;1976年广东、福建也是寒冻害影响时间长 (12月至翌年2月),灾害严重。通过对月份寒害分析,可以更清楚当年寒害影响的主要月份。例如1975年11月、12月及1985年3月是寒害突出月份 (图3b、c、f),对照历史灾情,广东1975年11月共有70个县发生霜降风过程,作物减产严重。1975年12月,华南4省也都有严重寒冻害灾情记载;1985年3月,广东遭受严重低温阴雨期,福建出现历史上严重的倒春寒影响[21-24]。说明月份寒害能反映出历史灾害时间点,寒害主要月份 (11月至翌年3月)分析对年份寒害能起补充说明作用,两者结合可以进一步明确寒害时间分布最主要的特征。
图3 第一时间分量年际变化
3 总结与讨论
受气候变暖影响,华南地区年代际平均气温呈增加趋势[25],而积寒随年代呈减少趋势,热量增加,冬季趋暖,有利于寒害减少,为龙眼生产创造了有利条件,主要表明20世纪90年代后寒害总体发生频率与等级降低,但仍有寒害发生,个别年份还较强,寒害还存在发生的不确定性,还需加强监测与预测服务,减少寒害所造成的损失。
华南地区龙眼寒害发生频率空间分布特征表明,寒害分布区域广,发生频率空间分布呈明显的纬向分布,由南至北递增;发生频率还与地理位置有关,沿海地区低于内陆地区,福建中部与北部、广东与广西北部发生频率高,寒害风险大;广东雷州半岛与海南岛寒害频率最低。从龙眼寒害调查表明,沿海地带龙眼寒害等级强度要弱于内陆地区,海洋及海汽在减弱与减缓寒害明显影响,可能海陆间温度与水汽交换起重要作用[18-20]。
通过52年年月寒害指数分析,华南地区龙眼寒害时间分布特征表明,寒害随年代呈现明显减少趋势。20世纪60年代寒害发生频繁,寒害等级高20世纪80年代寒害发生频率明显减少,寒害级别降低,2000年以后寒害频率与等级进一步降低。1月、2月是寒害发生频率最高的月份与主要发生时段,其分布趋势与年际寒害分布趋势相似,体现年际寒害分布的主要特征。11、12及翌年3月不是年寒害发生的主要时段,发生频率低,但仍有可能出现寒害,个别年份寒害还较重。
尽管华南地区寒害随年代呈现明显减少趋势,但个别年份或个别月份仍然发生较重的寒害[26],有的寒害强度等级较高,给龙眼生产带来很大的危害与损失。气候变暖,容易引发极端气候事件,重度与极重寒害仍然可能发生,影响的区域范围扩大,应加强极端寒害与冻害天气的预测预报能力与服务。
以往多注重年际寒害的分布特点与规律,而寒害年份又与寒害主要影响月份 (11月至翌年3月)发生情况密切相关,通过寒害年份与月份相结合,可以认识寒害主要发生时段与时间特点。较重寒害年份有的是连续月份寒害叠加的结果 (如1975年、1976年等);有的年份寒害表现不明显,而月份寒害表现突出 (如1995年2月、1985年3月等)。两者结合可以进一步明确寒害时间分布最主要的特征。
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