近60年来湖南省寒露风时空演变特征分析

王 德，金宇豪，张鑫臻，杨 娟，吴金水，许 航，肖 阳，刘次桃，刘 玲，郑 铖，吴厚雄，段美娟，施婉菊

（湖南农业大学农学院，长沙 410128）

寒露风是寒露节气前后出现在长江以南地区的一种农业气象灾害，主要是指秋季冷空气南下或台风与冷空气共同影响下出现的一种低温、干燥（有时阴雨）天气。长江中下游寒露风天气一般出现在9月中下旬，华南地区常出现在10月，对农作物生产危害大。寒露风对双季晚稻造成的危害主要是抑制和损害水稻正常生长和发育[1-2]，如在孕穗期遇到低温，引起水稻抽穗延迟和花器官变异，如颖花退化、穗长缩短与雌雄蕊不育等，导致水稻减产甚至失收[3]。如在抽穗开花期遭遇寒露风，水稻抽穗速度减慢、抽穗时间延迟，严重时颖花无法正常开放，影响散粉、受精，致使空粒增加[4]。在水稻灌浆期遭遇寒露风，灌浆过程发生延缓甚至停止，导致结实率降低，稻米品质下降[5]。

湖南作为水稻生产大省，水稻种植面积和产量稳居全国第一，其中双季晚稻种植面积约占全省水稻总面积40%[6-7]。寒露风是湖南省主要低温气象灾害之一[8]，其发生正值湖南省双季晚稻生殖生长关键时期，对湖南省晚稻安全生产构成极大威胁。例如，1997年9月出现重度寒露风侵袭，此次寒露风发生较早，持续时间长，导致全省晚稻产量减产5%~10%[9]；2010年9月下旬，抽穗扬花期的晚稻再一次遭遇罕见的寒露风天气，导致大面积包颈与空壳现象，湖南省晚稻出现严重减产[10]。

目前，前人对湖南省寒露风已开展相关研究。彭莉莉等分析湖南省1951~2010年气象数据发现，寒露风在九月上旬发生概率<5%，中旬发生概率<10%；黄晚华等分析1961~2009 年湖南省气象数据发现，湘北、湘中和湘南等丘陵山区寒露风发生频率低、强度低，被划分为低风险区，资兴、冷水江、武冈、桃源、桃江、安化、临澧、澧县及湘西等山区寒露风发生频率和强度较高，被划分为中风险区，桂阳、龙山和花垣等地寒露风发生频率最高且强度最大，被划分为高风险区[10-11]；罗伯良等分析湖南省1961~2013 年气象数据，发现湖南省寒露风发生初日平均出现在9月下旬，利用均生函数构建具有高拟合度湖南寒露风初日预测模型，模型对湘北、湘中与湘南等地寒露风初日预测精度分别达到92%、92%与94%[12]。前人对湖南省寒露风的研究主要集中于寒露风发生初日、9月上中下旬发生频率、不同区域发生频率及发生初日预测模型构建，未见湖南省寒露风强度趋势与周期性变化相关研究。近年来，湖南省极端气候事件频发[13]，严重影响水稻生产安全。本文利用湖南省1961~2020年气象数据，以寒露风指标为判定依据，从时间上分析湖南省总体寒露风强度变化趋势与强度变化周期，从空间上分析湖南省由湘北部（岳阳与常德）-湘中部（长沙与邵阳）-湘南部（衡阳与郴州）寒露风发生频率规律及发生强度变化趋势，研究结果可为湖南省晚稻防御寒露风及生产上防灾减灾提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源与参数设置

1.1.1 气温数据来源

研究采用的气温数据来源于湖南省气象信息中心，包含岳阳、常德、长沙、邵阳、衡阳、郴州等6 个地区观测站1961~2020 年逐日气象资料（日平均气温、日最低气温）。

1.1.2 参数设置

1.1.2.1 湖南省寒露风定义

依据湖南省地方标准《气象灾害术语和等级》[14]，将湖南省寒露风定义为9月1日至9月30日期间连续3日及以上日平均气温≤22 ℃，具体可划分为轻度、中度及重度3个等级（见表1）。

表1 寒露风定义Table 1 Autumn Low Temperature definition

1.1.2.2 气温与寒露风强度参数

通过6 个站点气温数据集成获取3 个气温参数。月平均气温：1961~2020 年各年9 月平均气温；月平均最低气温：1961~2020 年各年9 月每日最低气温均值；月最低气温：1961~2020 年各年9 月最低气温。

通过寒露风等级划分标准，计算轻、中、重度寒露风发生天数，充分考虑不同等级寒露风影响程度[15]，构建各站点寒露风指数（Hj）：

式中，Hj为j站点寒露风指数；Ll、Lm、Lh分别为轻度、中度、重度寒露风等级，即对应1、2、3；Dl、Dm、Dh分别为轻度、中度、重度寒露风等级出现天数。通过对不同站点寒露风指数集成，构建省级寒露风指数（HP）：

式中，m为站点数；wj代表j站点权重，即j站点对应市晚稻种植面积占全省晚稻种植面积比例。

1.2 研究方法

1.2.1 时间序列变化特征分析

1.2.1.1 距平分析

利用Excel 2018对湖南省1961~2020 年各年9 月平均气温、月平均最低气温、月最低气温及寒露风指数进行距平分析，绘制各参数距平分析图，可有效反映年代间气温与寒露风强度趋势变化。

1.2.1.2 Manner－Kendall突变检验

利用Matlab R2018a 对湖南省1961~2020 年各年9 月的月平均气温、月平均最低气温、月最低气温及寒露风指数进行Manner-Kendall（MK）突变检验[16]，并绘制各参数突变检验图。MK 突变检验不需要参数遵从一定分布，可排除少数异常值干扰。在分析结果中，若UF曲线值>0，则序列呈现上升态势，反之序列呈现下降态势；若UF曲线值>1.96或<-1.96（P<0.05），说明序列有显著性上升或者下降趋势；在置信区间内UF 曲线和UB 曲线交点对应年份即为突变开始时间。

1.2.1.3 Morlet小波分析

利用Matlab R2018a 对湖南省1961~2020 年各年9 月寒露风指数进行Morlet 小波分析，小波变换将寒露风指数时间序列的波动能量分解到时间频率域内，得到寒露风指数周期变化动态，具体变换过程参照史风梅等方法[17]。

1.2.2 空间序列变化特征分析

1.2.2.1 Manner－Kendall趋势检验

利用Matlab R2018a 对岳阳、常德、长沙、邵阳、衡阳、郴州等地区1961~2020 年各年9 月的月平均气温、月平均最低气温、月最低气温及寒露风指数进行Manner-Kendall（MK）趋势检验。方法中主要评价指标为Z值，若Z值>0，则样本序列呈上升趋势，若Z值<0，则样本序列呈下降趋势，若Z值绝对值>1.96，则样本序列呈显著性变化趋势。

1.2.2.2 寒露风发生频次及总日数统计

利用Excel 2018 计算岳阳、常德、长沙、邵阳、衡阳、郴州等地区1961~2020 年寒露风发生频次，并计算轻度、中度、重度寒露风发生占比及总日数。

2 结果与分析

2.1 气温与寒露风强度时间序列变化

2.1.1 气温与寒露风强度变化趋势

总体而言，湖南省60年来9月的月平均气温、月平均最低气温及月最低气温随着年际增加呈正负距平交替且升高趋势（见图1A~C），升高幅度分别为0.134、0.206与0.326 ℃·10a-1。

图1 湖南省1961~2020 年9 月各气温参数与寒露风指数距平Fig.1 Anomalies between temperature parameters and HP in September from 1961 to 2020 in Hunan Province

如图1D 所示，寒露风指数随年际增加同样呈升高趋势，升幅为0.205 ℃·10a-1，但在60 年期间寒露风指数距平多数为负值；在少数正距平年份中，如1997、2010、2011、2012、2020 等5 个年份距平值明显大于其他年份，受极端正距平影响，寒露风指数呈升高趋势。

2.1.2 气温与寒露风强度突变

湖南省60 年来9 月的月平均气温、月平均最低气温、月最低气温及寒露风指数MK突变分析结果见图2。

图2 湖南省1961~2020 年9 月各气温参数与寒露风指数M-K 突变分析Fig.2 Analysis of M-K mutation of temperature parameters and HP in September from 1961 to 2020 in Hunan Province

由图2A 可见，在1965~1994 年与1996~1997年的UF 曲线值<0，其余年份UF 曲线值>0，说明月平均气温在1965~1994 年与1996~1997 年呈下降趋势，在其余年份呈上升趋势；在60 年间出现3 个突变时间点，最后突变时间点是1997 年，为上升突变时间点；在2017~2020 年间的UF 曲线值>1.96，说明月平均气温在2017~2020 年显著升高。

由图2B可知，在1965~1994年与1996~1997年UF曲线值<0，其余年份UF曲线值>0，说明月平均最低气温在1965~1994 年与1996~1997 年呈下降趋势，其余年份呈上升趋势；且置信区间内出现2 个突变时间点，最后一个突变时间点是1997 年，为上升突变时间点；且在2008~2020年UF曲线值>1.96，说明月平均最低气温在2008~2020 年显著升高。

由图2C可知，在1964~1975年与1981~1982年UF曲线值<0，其余年份UF曲线值>0，说明月最低气温在1964~1975 年与1981~1982 年呈现下降趋势，其余年份呈现上升趋势；在60 年间仅出现一个上升突变时间点，为1985年；自1985年突变时间点 后，1990~1992 年 与1993~2020 年UF 曲 线 值>1.96，说明年月最低气温在1990~1992 年与1993~2020年显著升高。

由图2D可知，在1961~1962年、1963~1965年与1967~1986 年UF 曲线值>0，其余年份UF 曲线值<0，说明寒露风强度在1961~1962 年、1963~1965年与1967~1986年呈上升趋势，在其余年份呈下降趋势；且在置信区间内寒露风强度发生8次突变，最后一个突变时间点为1978 年，为下降突变时间点；自1978 年突变时间点后，1987 年寒露风强度开始呈现下降趋势，且1998~2011 年与2014~2020 年UF 曲线值<-1.96，说明寒露风强度在1998~2010年与2014~2020年显著降低。

2.1.3 寒露风强度周期变化特征

当小波实部系数>0 时，寒露风强度偏高；当小波实部系数<0 时，寒露风强度偏低；中心值反映寒露风指数震荡强度。

由图3 可见，寒露风强度存在明显年际变化，从下至上分析小波实部可看出在13 年尺度下，寒露风强度存在明显周期性规律，经历低-高-低-高-低-高-低-高-低-高等5 次循环交替，且在1997 年前小波系数实部变化相对平缓，1997 年后小波系数实部出现剧烈周期震荡，说明1961~1996年间湖南省寒露风强度变化相对平缓，1997~2020年间湖南省寒露风强度变化剧烈，重度寒露风侵袭强度远高于1961~1996年间（以1997和2010年发生的寒露风为代表），且极轻度或无寒露风侵袭的现象更为常见（以2005和2016年为代表）。

图3 小波变换等值线图Fig.3 Wavelet transform contour map

小波方差反映寒露风强度在时间尺度分布，可确定各时间尺度在时间序列中扰动相对强度，小波方差曲线波峰尺度称为该时间序列的主要时间尺度。由图4 可知，寒露风强度具有一定的震荡，曲线具有2个完整波峰，13年尺度下曲线震荡最强，其次为38 年尺度，说明寒露风强度变化主周期为13年，次周期为38年。

图4 小波方差Fig.4 Wavelet square difference

2.2 气温与寒露风强度空间序列变化

2.2.1 不同地区气温与寒露风强度变化趋势

MK 趋势检验结果如表2 所示，60 年来6 个地区9 月的月平均气温、月平均最低气温与月最低气温Z值均>0，寒露风指数Z值均<0，说明总体而言6个地区9月的月平均气温、月平均最低气温与月最低气温呈上升趋势，寒露风强度呈下降趋势。

表2 各地区气温与寒露风强度变化趋势Table 2 Variation trend of air temperature and Autumn Low Temperature intensity in different regions

由表2可知，其中岳阳、常德及长沙的月平均气温、月平均最低气温与月最低气温Z值均>1.96，说明这3 个地区总体气温参数均存在显著升高趋势，寒露风指数仅岳阳地区Z值<-1.96，说明仅岳阳地区寒露风强度存在显著降低趋势。

2.2.2 寒露风发生频次及日数空间分布

由表3可知，60年来6个地区寒露风发生频次范围为2.83~6.33 次·10 a-1，发生频次由高至低为常德>岳阳>邵阳>郴州>长沙>衡阳，说明湖南省寒露风发生频次有从湘北-湘中-湘南地区降低趋势；从不同寒露风程度百分比和发生总天数均可知，6个地区为轻度寒露风，重度寒露风次之，中度寒露风发生频率相对较低。

表3 各地区寒露风发生频次与总天数分布Table 3 Distribution of occurrence frequency and total days of Autumn Low Temperature in different regions

3 讨 论

3.1 气温与寒露风强度时间序列变化特征

在距平分析结果中，湖南省1961~2020 年9 月的月平均气温、月平均最低气温与月最低气温均随年份增加呈上升趋势，与黄晚华等研究一致[10]。因寒露风指数在1997、2010、2011、2012、2020等年份出现极端值，导致寒露风强度在60 年间总体变化趋势出现偏差，呈上升趋势。MK 突变分析，可有效剔除异常值对于总体参数变化趋势影响，在MK突变分析结果中自1997年后湖南省9月的月平均气温、月平均最低气温与月最低气温均呈上升趋势，寒露风指数呈下降趋势，说明在一般情况下气温变化与寒露风强度变化具有一致性，即湖南省总体气温升高导致寒露风发生强度降低。

MK 突变分析结果表明寒露风强度在1998~2010年与2014~2020年显著降低，寒露风强度周期变化分析结果表明1997 年后重度寒露风侵袭的强度远高于1997年前，且1997年后极轻度或无寒露风侵袭的现象更为常见。湖南省1997 年后9 月总体气温的升高导致极轻度或无寒露风侵袭现象发生，该现象致使寒露风强度在1998~2010 年与2014~2020 年显著降低；伴随全球气候变化加剧，极端天气气候事件频发，湖南省在1997、2010、2011 及2013 年9 月均受冷空气影响出现长时间连续性低温气候，使1997~2020年间重度寒露风侵袭强度远高于1961~1996年间，说明二者结果存在潜在联系[10]。寒露风强度周期变化分析结果表明寒露风强度变化的主周期为13 年，根据周期性变化规律，未来湖南省晚稻种植应重点防范重度寒露风可能发生年度，避免更严重危害。

3.2 气温与寒露风强度空间序列变化特征

MK 趋势检验发现岳阳、常德及长沙9 月总体气温参数均存在显著升高趋势，仅岳阳地区寒露风强度存在显著降低趋势。此现象可能与水体对气候的调节有关，湖南省境内存在中国第二大淡水湖泊洞庭湖，热容量极大，可有效调节气温并缓和温度极端变化，黄菊梅等研究发现洞庭湖区在1952~2010 年间增温显著[18]，秋季增温为0.22 ℃·10a-1，洞庭湖水域系统涉及范围包括岳阳、常德与长沙，3 个地区9 月气温参数显著升高，很大程度受洞庭湖秋季增温影响，3个地区中岳阳拥有的洞庭湖水域面积最大，对当地气候影响也最大，1977 年1 月湖南发生一次强寒潮侵袭，全省各地最低气温普降至-10 ℃以下，邻近洞庭湖区的山地及丘陵区域，如桃源、桃江、临漕等地，最低气温降至低于-15 ℃，但岳阳最低温度仅降至-9.4 ℃[19]，与洞庭湖储热中和减缓寒潮带来的低温有关，同理近60 年岳阳寒露风的侵袭受洞庭湖储热调和，秋季洞庭湖单位热容量随年际温度升高而增加，对寒露风抵御能力也增强，所以岳阳近60 年来寒露风强度表现显著降低趋势。由此可见，洞庭湖水域有利于抵御极端气候发生，间接保护粮食安全，须重视洞庭湖水域面积不断缩减问题。

6 个地区寒露风发生频次由高至低为常德>岳阳>邵阳>郴州>长沙>衡阳，说明湖南省寒露风发生有从湘北-湘中-湘南地区降低趋势，可能与地形有密切相关。湖南省地貌整体呈不对称马蹄形，被东、南、西面的罗霄山脉、南岭山脉、雪峰山脉围绕，湖泊平原整体位于北偏东方向，朝东北方向开口，导致北方冷空气沿湘北、湘中及湘东南平原南侵，冷空气累积并难以流通，发展为湖南省的寒露风多发区[20]；湘西、湘南地区被山脉围绕，北方冷空气难以侵袭，形成湖南少寒露风区域。总体来说各地区不同寒露风强度发生频率与总日数相关，均为轻度>重度>中度，主要是受到全球气候变暖引起的极端气候事件多发影响[21-22]，各地区寒露风强度呈降低趋势，1997年后重度寒露风发生次数仍较多。各地区（尤其是湘北地区）应做好重度寒露风侵袭事件发生的应变准备，以减少灾害带来的损失。

3.3 建议

寒露风对水稻生产的影响不容忽视。目前湖南省寒露风发生强度呈降低趋势，但近年来极端气候事件多发背景下，重度寒露风带来的不利影响仍不可轻视。本文就如何抵御寒露风对晚稻侵害提出以下几点建议：第一，加强选育抗低温品种，在寒露风多发地区加以推广种植；第二，建立低温冷害检测预警系统，实现精准、快捷的冷害预测并及时防控；第三，建设与维修相关设施，做好增温防护；第四，加强对低温冷害农艺栽培措施研究等。