2023年江苏省麦收期连阴雨天气特征及其对冬小麦的影响分析

徐忆菲, 徐 敏, 李 特, 谭 玲

(1.江苏省气候中心,南京 210018; 2.江苏省气象台,南京 210018; 3.南京农业大学,南京 210095)

引 言

江苏省四季分明,光温资源丰富,地处温带和亚热带的过渡地区,是我国冬小麦主要种植区域之一[1-2],近年来冬小麦种植面积维持在230万公顷左右。江苏省气象灾害种类多且发生频繁[3],干旱[4]、雨涝[5]、连阴雨[6-7]和冻害[8]等气象灾害是造成冬小麦产量波动的主要原因[9-11],其中,春季连阴雨灾害对小麦成熟、收获期有重要影响[12]。

连阴雨天气过程特点是日照少,空气湿度大,有时还伴有渍涝和病害发生。冬小麦灌浆成熟期对外界环境较为敏感[13],需要适宜的温湿度和光照,阴雨天气造成光照严重不足,不利于有机物合成积累,导致冬小麦粒重降低,影响冬小麦产量。尤其麦收期间田间高温高湿会造成小麦穗上发芽、籽粒霉变,易诱发赤霉病、锈病等病害,严重影响粮食品质[14]。历史统计结果表明,江苏省不同强度的春季连阴雨造成夏粮气象产量发生减产的概率达30%～60%[15]。

江苏省春季连阴主要集中在3、4月,5月发生连阴雨的频率相对较少[15-16]。然而,5月正值小麦成熟灌浆期,连阴雨天气对小麦产量有较大不利影响。例如,2002年5月下旬江苏省出现连阴雨天气,诱发三麦赤霉病大流行,导致夏粮大幅减产,单产降低8.2%[9]。因此,加强对麦收期连阴雨的监测预警是降低其对冬小麦产量影响的有效途径[17-18]。

2023年江苏省遭遇了夏粮播种以来持续时间最长的一次连阴雨天气,其间伴随强降水和阶段性高温,对作物生长和收获产生了不利影响。本文拟利用2023年麦收期间气象资料和ERA5再分析资料,结合2008-2022年冬小麦生育期数据,分析2023年江苏省麦收期间连阴雨天气过程、大尺度环流背景,并分析其对冬小麦生长的影响。为天气变化对江苏省作物生长影响分析和产量预报提供参考,同时也为农业气象不利条件的及时预报预警积累经验。

1 数据来源

所用的数据资料包括:(1)2023年5月26日-6月6日江苏省自动站逐小时观测资料,来源于中国气象局气象信息中心。(2)2022-2023年徐州市冬小麦产量结构三要素来源于徐州市农业气象站,2023年江苏省冬小麦收获进度资料来源于江苏省农业农村厅,1961-2023年江苏省降水日数、累计降水量、最高气温、日照时数观测资料、2008-2023年江苏省冬小麦生育期数据、2023年5月26-31日土壤墒情资料,来源于江苏省气象信息中心。(3)大气环流资料(500 hPa、750 hPa、800 hPa位势高度场、风场(m/s)、水汽通量(kg/(m·s))、散度(kg/(m2·s))来源于欧洲中期天气预报中心再分析数据(ECMWF Reanalysis v5, ERA5),网址:https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels?tab=overview,水平分辨率0.25°×0.25°,时间间隔1 h。

2 连阴雨天气特征概况

2023年江苏省冬小麦5月22日收获开始至6月15日麦收基本结束,其间共经历了两次连阴雨天气过程,分别为5月26-31日、6月4-6日。其中,5月26-31日的连阴雨是2023年夏粮生长过程中降水持续时间最长、范围最广的一次连阴雨过程。此次连阴雨天气过程期间,淮北大部、江淮之间南部、苏南大部分地区累计雨日达4～6天(图1a), 全省降水日数较常年同期偏多4成,16个站点雨日数突破1961年以来历史同期值,31个站点达历史同期前3位(占全省44%)。淮北大部、苏南局部地区降水量约为51～160 mm,其他地区的约为11～47 mm(图1b)。降水量与常年同期相比,淮北偏多3～4倍,苏南、江淮之间中部偏多2～3倍。尤其5月28-29日淮北地区出现强降水过程,局部暴雨,过程累计降水量超160 mm,并伴有短时强降水和雷暴大风等强对流天气过程。

图1 2023年江苏省5月26—31日降水日数(a)、降水量(b)、最高气温(c)及日照时数(d)分布图降水量单位:mm,气温单位:℃,日照时数单位:h

此次连阴雨期间还伴有明显高温天气出现。5月26-31日连阴雨期间,淮河以南地区极端最高气温为32～37 ℃(图1c),24个站点最高气温突破1961年以来历史同期值,42个站点达历史同期前3位(占全省60%)。连阴雨期间,全省日照时数普遍偏少,淮北、江淮之间地区日照时数不足10 h,苏南地区约20～29 h(图1d),与常年同期相比,淮北、江淮之间偏少50%～80%,苏南地区偏少20%～40%。可见5月下旬连阴雨过程有降水日数多,范围广,雨量大,短时强降水特征明显,伴有高温天气及日照偏少等特点。

3 环流形势与天气过程

2023年5月下旬连阴雨天气期间500 hPa位势高度场上,贝加尔湖附近存在低涡系统,低压槽延伸至我国华北地区,槽后偏北气流引导冷空气南下,从而影响江苏北部地区(图2)。同时,随着台风“玛娃”北上,25-30日副热带高压边缘5880位势高度线由25°N逐渐北抬至30°N附近,江苏地区位于副热带高压边缘,暖湿空气沿副热带高压外围西南气流北上,冷暖空气在华北和江苏省淮北地区上空交汇,为连阴雨过程提供了稳定环流形势。

图2 2023年5月25-30日(a-f)逐日08时500 hPa环流形式场等值线为位势高度(单位:gpm),箭头表示风场

850 hPa环流形势场上,副热带高压边缘的西南气流与台风系统为华北和江苏地区提供了较好的水汽输送条件。25-26日受副热带高压边缘西南暖湿气流控制,我国西南地区有一东北-西南向较强水汽通量带影响江苏地区(图3a、b),水汽通量最大值为20 g/(s·hPa·cm)。27-29日该水汽通量大值区北抬,但受台风影响,来自海洋的暖湿气流又为江苏地区补充了水汽,为本次连阴雨过程提供了有利的水汽条件。此外,27-28日贝加尔湖以东地区的低涡引导冷空气南下,副热带高压外围西南暖湿气流在华北东部和江苏淮北地区产生明显东北-西南向切变线,使连阴雨期间有强降水过程(图3c、d)。

图3 2023年5月25-30日(a-f)逐日08时850 hPa环流形式场等值线为位势高度(单位:gpm),箭头表示风场,彩色阴影为水汽通量(单位:g/(s·hPa·cm))

在本次连阴雨过程中,江苏省位于副热带高压边缘和东北冷涡延伸出的槽底位置,主要受低层的切变影响。26日在苏南地区850 hPa有切变生成,叠加大尺度环流场的水汽输送,使该过程期间苏南地区产生降水,长江以南地区24 h累计降水量在20～55 mm(图4a)。27日苏南地区切变系统减弱,雨势渐止,同时江苏北部地区有低层切变线南压,全省地面空气相对湿度在80%以上(图5b)。伴随27-30日江苏北部切变缓慢南移,江苏省自北向南出现降水过程,淮河以北地区24 h雨量普遍在50 mm以上(图4b-d)。本次降水过程后,5月31日-6月1日江苏省受副高控制,气温迅速达到30 ℃以上,省内大部分地区相对湿度大于70%(图5f),苏南地区在6月2日出现35 ℃以上高温。

图4 2023年5月26日-6月1日(a-f)逐日24 h累计降水量单位:mm

图5 2023年5月26日-6月1日(a-f)逐日24 h平均地面相对湿度量单位:%

与历史同期平均态相比,此次连阴雨过程中乌拉尔山脉附近高压脊较强,贝加尔湖附近低槽强度较大,均相较历史同期偏强约40～60 gpm(图6)。同时,此次天气过程中副热带高压偏强,500 hPa副高边缘位置偏北约5个纬度,偏西约10个经度。上述天气系统强度与位置差异为江苏地区麦收期间创造良好的水汽条件,伴随台风系统的北上,环流系统有利于降水维持,从而导致了这次持续较长时间的连阴雨过程。先前研究表明,连阴雨与贝加尔湖低槽强度大、副高偏北有较好相关性[19]。因此,在小麦收获期应重点关注以上天气环流形势,提前预警连阴雨天气对于麦收的不利影响。

图6 2008-2022年5月25-31日500 hPa位势高度平均态(a)与2023年同期(b)对比图彩色阴影表示2023年5月25-31日500 hPa位势高度较2008-2022年同期距平

4 连阴雨对江苏省冬小麦影响及讨论

图7为基于卫星遥感提取的江苏省冬小麦种植分布图。从图7可以看出,江苏省小麦主要种植区集中在淮北、江淮之间地区,与本次连阴雨期间主要降水区域相吻合(图4)。5月下旬江苏小麦处于灌浆至成熟收获期,持续阴雨寡照不利于冬小麦光合作用进行,影响有机物积累,不利于籽粒灌浆成熟。徐州市冬小麦产量结构三要素数据表明,2023年冬小麦千粒重较2022年的减少3.94g。此外,分期播种试验结果表明,播期越迟的地块冬小麦千粒重越低。结合农业部门调查数据和生育期统计数据分析发现,受此次连阴雨过程影响,淮北部分地区小麦成熟期偏晚,靠近安徽、河南的江苏西北部个别田块穗芽麦在20%～30%,其他地区小麦质量基本正常。可以看出,淮北地区冬小麦因为在连阴雨前后完成蜡熟而未收割导致小麦穗发芽,还处在乳熟后期的小麦基本没有穗发芽情况出现。同时,淮北地区多种植白皮半冬性品种小麦,具有分蘖期长、幼穗分化期长、灌浆期短、不抗穗发芽的特性,在连阴雨天气的影响下,易发生“烂麦场”“穗发芽”等现象,而苏南地区多种植红皮春性品种,抗穗发芽能力相对较强。因此,淮北地区冬小麦质量受到连阴雨天气影响更大。

图7 2023年江苏省基于卫星遥感提取的冬小麦种植分布图

同时,持续阴雨天气导致土壤过湿。据统计,此次连阴雨期间全省大部分地区土壤湿度偏大,尤其5月30-31日,约39个站点10 cm深度土壤相对湿度超过85%(占全省49%),淮北和东部沿海部分地区10 cm深度土壤相对湿度超90%以上,基本达到饱和,不利于收割机械下田作业,影响小麦收获进度。表1为2023年冬小麦收获进度和2008-2023年近16年的对比情况。由表1可看出,2023年淮北冬小麦收获期较历史平均收获期推迟3天,苏中、苏南小麦收获期推迟2天,小麦收获进度约推迟1～2天,淮北地区冬小麦收获进度受到的影响大于苏南地区受到的影响。通过对比2008-2023年麦收期天气情况及其对冬小麦后期生长的影响,发现江苏省受连阴雨影响的年份有2010、2013、2016、2019和2023年,表明近16年来江苏省麦收平均受连阴雨影响的频次为3.2年/次。从影响结果来看,除2016年和2023年淮北局部地区有穗发芽现象外,其他年份连阴雨天气对冬小麦的影响主要表现为小麦成熟收获进度延迟。

表1 2023年江苏省冬小麦收获期与2008-2022年平均收获日期对比

总体来说,麦收期间连阴雨天气对江苏省小麦的影响主要和生育期、作物品种、连阴雨强度有关。随着全球变暖温度升高[20-22],未来极端降水强度和频次都有增加趋势[23-24],麦收期降水给冬小麦带来的负面影响可能会越来越大,持续时间长的降水还会造成冬小麦涝害[14, 25],造成小麦千粒重下降。因此,在育种方面,除了要培育高产、优质的小麦品种外,可以突出培育早熟或抗穗发芽的品种[26-27],适时早播或在收获期适时提前收割,以尽量避免连阴雨灾害影响,减少或避免粮食损失。在农业气象服务方面,针对麦收期间连阴雨应提升灾害风险预警的时间提前量和空间精准度。在农业生产方面,提前加强冬小麦后期田间管理和合理肥水调控,改善田间通透条件,避免连阴雨前冬小麦灌浆期浇水量过大[23, 28]及肥料施用时间过迟、施用量过多等[29],造成作物贪青晚熟。同时,不断提高减灾抗灾能力[11, 30],降低麦收期间连阴雨天气对小麦产量和质量带来的不利影响。

5 结 论

本文针对2023年江苏省麦收期间的连阴雨过程,从天气形势、小麦生长期和连阴雨对麦收影响等方面进行分析,为未来提前预报预警连阴雨对小麦造成的不利影响积累经验,主要结论如下。

(1)2023年5月下旬的连阴雨是2023年江苏省夏粮播种以来降水持续时间最长、范围最广的一次连阴雨过程。本次连阴雨期间全省31个站点(占全省44%)降水日数、42个站点(占全省60%)极端最高气温达1961年以来历史同期前3位,具有降水日数多、范围广、雨量大、短时强降水特征明显、伴有高温天气出现及日照时数少等特点。连阴雨过程造成淮北地区个别田块穗芽麦在20%～30%。徐州市农气站大田冬小麦产量结构三要素结果表明,2023年冬小麦千粒重较2022年的减少3.94 g。淮北冬小麦收获期较2008-2022年的推迟3天,苏中、苏南小麦收获期推迟2天,小麦收获进度约推迟1～2天。淮北地区冬小麦质量和收获期受到的影响大于苏南地区受到的影响。

(2)此次连阴雨过程中500 hPa位势高度场上,乌拉尔山脉附近高压和贝加尔湖附近低槽强度偏强40～60 gpm,副热带高压偏北约5个纬度,为连阴雨过程提供了稳定环流形势;850 hPa环流场上,副热带高压边缘的西南气流与台风“玛娃”系统为江苏地区提供了有利的水汽输送条件,多系统共同作用下形成了这次较长时间的连阴雨过程。小麦收获期应重点关注贝加尔湖低槽和副高等天气环流形势,提前预报预警连阴雨天气对于麦收的不利影响。

(3)麦收期间连阴雨天气对江苏省小麦的影响主要与生育期、作物品种、连阴雨强度有关。近16年来江苏省麦收平均受连阴雨影响的频次为3.2年/次,在播种方面应推广早熟或抗穗发芽的小麦品种,适时早播或在成熟收获期可以适时提前收割,可以避免麦收期间连阴雨灾害影响,减少或避免粮食损失。