1960—2019年海河平原地区夏玉米生长季高温特征分析

王 辉，陆鑫海，杜美芳，张 琪

（1启东市气象局，江苏 启东 226200；2南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044）

0 引言

气候变化背景下，全球增温趋势显著，特别是在北半球中高纬度地区对全球变暖响应更为剧烈[1]。平均气温升高的同时，极端高温发生的频率强度特征也发生着明显的改变[2]。极端高温不仅直接给工农业生产、生活带来影响，还会加剧干旱造成复合灾害。有较多研究关注极端高温，常采用绝对阈值或相对阈值的方法确定极端高温。气象上采用相对阈值，百分位法的研究较多[3]；在高温影响的研究中常根据作用对象的特点采用绝对阈值，例如李勇等[4]研究极端高温对水稻生长影响时将日最高气温35℃作为阈值，有研究将32～38℃作为玉米高温灾害阈值进行研究[5-7]。不同地区不同品种的作物在不同生育阶段对高温的敏感程度不同[8-9]，因此采用的绝对阈值多样。高温强度越大、持续时间越长，对作物的影响越严重。

玉米是中国主要的粮食作物、经济作物，华北地区是中国夏玉米主要产区，高温给该地区夏玉米生产带来极大的不稳定，引起了学者们的关注[5,10]。目前，有关高温对玉米影响的研究主要可分为2个方面，一种是在实验室环境下的高温胁迫对玉米生理代谢过程影响的机理性研究，如对花粉、花丝生理活动、活性的影响等[11]，相关研究结果丰富；另一种是在大田环境下，基于田间观测和历史统计数据研究高温胁迫对玉米的影响，例如研究玉米整个生长季或关键生育期如花期、高温日数对玉米产量的影响[6,12-13]。高温持续时间是影响玉米产量的重要方面之一，但当前研究中对高温持续时间以及高温在夏玉米生长季内分布情况关注较少。

针对玉米高温灾害研究中的不足，本研究从高温事件个数和持续天数、生长季内高温日数和高温度日4个方面分析海河平原地区夏玉米生长季高温年际和年内分布特征，以期丰富对海河平原夏玉米生长季高温的认识，为合理指导夏玉米农事活动布局、防灾减灾提供支持。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

海河平原（34.81°—41.06°N，112.56°—119.85°E）位于华北平原北部，东临渤海，西倚太行山，南界黄河，北接蒙古高原，包括北京市、天津市和河北省的平原部分以及河南省和山东省北部（图1）。大部分地区种植制度为夏玉米-冬小麦轮作，雨热同期，是中国主要的夏玉米种植区。

图1 研究区及气象站点分布

1.2 数据来源

收集海河平原26个气象站点1960—2019年逐日最高气温数据，数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn）。海河平原不同站点、不同年份间的夏玉米生长季存在差异，本研究采用站点多年平均生长季进行研究，主要参考已有文献中统计的各站点多年平均夏玉米播种日期和成熟日期[5]。播种日期主要在6月1—18日，一般在9月17日—10月4日之间成熟，生长季约持续104天。研究各站点夏玉米生长季内的高温发生规律。

1.3 夏玉米高温阈值及高温指标的确定

表1为部分文献中采用的夏玉米高温阈值[2,5-6,12-17]，采用35℃的绝对阈值较多。本研究中将对夏玉米可能造成影响的高温阈值确定为35℃。将夏玉米生长季内日最高温度≥35℃，持续1天及以上确定为一次高温事件，研究夏玉米生长季内高温事件发生次数和平均持续天数的时空分布特征。此外，还对夏玉米生长季内高温日数（生长季内日最高温度≥35℃的总日数）、高温度日（日最高气温超过35℃部分的累积）进行研究。

表1 已有研究中采用的夏玉米高温阈值

2 结果与分析

2.1 夏玉米生长季高温空间分布

分别计算1960—2019年海河平原各站点夏玉米生长季内4个高温指标（高温事件次数、高温事件平均持续天数、生长季高温日数、生长季高温度日）的多年平均值，如图2。研究区各站点夏玉米生长季内高温事件发生次数的多年平均值在0.94～7.18次，平均为4.1次（图2a）；不同站点高温事件的平均持续天数在1.41～2.18天之间，平均为1.82天（图2b）；各站点夏玉米生长季内总高温日数多年平均在1.3～14.85天，平均为7.77天（图2c）；各站点生长季高温度日在1.19～24.28℃之间，平均为18.85℃。上述夏玉米生长季的4个高温指标在空间上都呈现出由东北部沿海地区向西南内陆地区增高的趋势，西南部地区高温事件不仅年均发生次数多而且持续时间长，整个生长季遭受的高温日数和高温度日都非常高，给夏玉米生产带来较大的挑战。

图2 夏玉米生长季高温特征的空间分布

2.2 夏玉米生长季高温的年际变化特征

图3 a～d分别为1960—2019年研究区（全区26个站点的平均）夏玉米生长季4个高温指标的距平和累积距平的年际变化情况。由累积距平曲线可以看出，4个高温指标在1960—2019年间均存在1972和1996年2个明显的突变点。1972年之前累积距平曲线都呈上升趋势，这段时间高温的4个指标都以正距平为主，高于多年平均值，是高温较严重的时期；1972—1996年累积距平曲线均呈下降趋势，以负距平为主，是高温较弱的一个时期；1996年之后累积距平曲线有明显的波动，但仍以上升趋势为主，又过渡到高温较严重的一个时期。此外，夏玉米生长季4个高温指标在1960—1996年均呈现下降趋势，且都达到了0.01极显著水平，高温事件次数、高温事件平均持续天数、生长季高温日数、高温度日的下降趋势幅度分别为-0.55次/10 a、-0.14 天/10 a、-1.49 天/10 a、-3.11℃/10 a（ 图 3）。1997—2019年间4个高温指标都呈现出极显著的上升趋势。

图3 夏玉米生长季高温年际变化特征

此外，由图3还可以发现，夏玉米生长季高温指标的正距平的极差要明显大于负距平的极差。例如图3c，负距平都在-5.57天以内，而正距平超过5.57天的年份多达10年。图4为1960—2019年生长季高温日数的概率分布图，具有明显的重右尾分布特征，极端异常严重的高温年发生的次数较多。

2.3 高温日数及高温度日的逐旬空间分布特征

研究区夏玉米生长季在不同站点、不同年份之间存在差异，但基本分布在6—9月。图5展示了1960—2019年6—9月逐旬高温日数和高温度日的空间分布情况。可以看出各旬的高温日数在空间上都呈现出由东北部沿海地区向西南部地区增加的趋势，且在6月中旬—7月下旬空间变化幅度最大。各旬之间高温发生日数差异较大，6月中旬—7月上旬的3旬高温日数最多，占12旬总数的69.8%，这3旬研究区平均发生高温日数1.6天/旬，且40%以上的站点超过2天/旬。6月上旬、7月中旬和7月下旬的3旬高温发生日数次之，研究区平均1.12天/旬；进入8月高温发生日数显著减少，特别是9月以后很少有高温发生。高温度日逐旬空间分布规律与高温日数一致。由此可见，6月中旬—7月下旬高温最为频繁，特别是在研究区的西南部地区，可用于指导夏玉米生产，合理规避高温影响。

图5 研究区6—9月逐旬高温日数和高温度日的空间分布

2.4 各旬与整个生长季的高温日数年际变化的关系

分析研究区1960—2019年各旬发生的高温日数的年际变化情况，发现只有6月下旬—7月下旬的4旬的高温日数累积距平曲线（图6）与整个生长季的高温日数累积距平曲线（图3c）较为一致，具有较清晰的2个突变点，分别在1972、1996年附近。此外，对逐年各旬的高温日数与整个生长季高温日数进行相关分析，同样6月下旬—7月下旬这4旬的相关系数最高，特别是7月上旬与整个生长季高温日数的相关系数为0.732，达到0.01极显著水平。由此可见，6月下旬—7月这段时间的高温年际变化对夏玉米生长季高温年际变化贡献最大。

图6 各旬高温日数距平及累积距平年际变化情况

3 结论

本研究从海河平原1960—2019年间夏玉米生长季内高温事件发生次数、平均持续天数、生长季高温日数和高温度日4个角度展开，研究夏玉米生长季高温年际、年内分布规律。在空间上，夏玉米生长季内上述4个高温指标都呈现出由东北部沿海地区向西南内陆地区增高的趋势，且高温日数在6月中旬—7月下旬的空间变化幅度最大；1960—2019年间，夏玉米生长季的4个高温指标年际变化都存在1972、1996年2个明显的突变点，分割成高温严重、高温较弱和高温严重3个时期，虽然高温指标在1960—2019年间不存在显著的线性变化趋势，但在1996年之前存在极显著的下降趋势，1972年之后存在极显著的上升趋势；6月中旬—7月上旬的3旬高温发生日数最多，占6—9月高温日数总数的69.8%，而6月下旬—7月下旬各旬的高温日数年际变化与生长季高温年际变化情况最接近，特别是7月上旬与整个生长季高温日数的相关系数为0.732，达到极显著水平，是影响生长季高温年际变化的主要时期。掌握高温在夏玉米生长季内的分布，对于合理安排和调整夏玉米农事活动、降低高温带来的影响具有一定意义。

4 讨论

本研究显示，1960—2019年海河平原夏玉米生长季高温以1972、1996年为界呈现出较强—较弱—较强3个时期，与任永健等[19]研究湖北地区的高温事件年际变化结果相吻合[18]。高温事件频发普遍认为是对全球变暖的响应，但本研究结果显示，气候存在长期周期性变化而当前正处于高温较强的时期，这也是高温频发不可忽视的一方面原因。此外，以往研究往往忽视气候的长时间周期波动，直接对整个研究时段进行气候倾向率的分析，忽视了周期性变化的影响，导致线性趋势不显著[3,13]。本研究显示，1960—2019年有明显的突变点，虽然整个1960—2019年的线性趋势不显著，但1996年之前的下降趋势和1972年之后的上升趋势都达到了极显著。Kang和Eltahir[20]认为灌溉是造成华北平原高温热浪频发的除全球变暖外的另一个主要因素，在海河平原西部农田灌溉面积比例最高，与本研究的极端高温空间分布规律一致。

夏玉米花期是对高温最敏感的时期，一旦遭遇高温天气往往会给夏玉米产量带来极大的影响。本研究结果中高温的旬分布特征对于指导夏玉米生产具有一定意义。由于海河平原地区夏玉米-冬小麦轮作，需要考虑冬小麦生长周期所需积温，选择合适的品种适当提前或延后播种[17]，在可调整范围内尽量使夏玉米关键花期避开8月上旬前的高温频发时段。研究区高温主要在夏玉米营养生长阶段，在培育良种和品种选择时可关注营养生长阶段的耐高温性状。