山西省冬小麦种植区霜冻气候指标的时空特征分析

山西省冬小麦种植区霜冻气候指标的时空特征分析 1 1 2,,李 娜张建新李 芬 ( 1. 030006; 2. ,,山西省气象决策服务中心太原 山西省气象影视中心太原 030002) 80 1961 ) 2010 0cm : ,摘要利用山西省冬小麦种植区 个站点 年地面 日温度资料和冬小麦霜冻灾情资料以地面 0cm ,, 日最低温度界定霜冻过程以霜冻过程为尺度构建霜冻的气候指标即过程积霜分析该气候指标的年际变 。,。化及空间分布结果表明用年历次霜冻过程积霜和的相对值区分霜冻可能年份与其它年份有较好的效果 、、。,轻中重霜冻以及全部霜冻过程积霜和多年均值具有良好的空间一致性对于同一区域重霜冻积霜和多年 ,,。0cm ,均值最大中霜冻次之轻霜冻最小根据地面 温度构建的霜冻气候指标是进行霜冻实时评估和霜冻风 。险区划的基础 : ; ; ; 关键词冬小麦霜冻灾害过程积霜气候指标 : S162A: 中图分类号 文献标识码 Temporal and Spatial Feature of Frost Index in Winter Wheat Planting Area in Shanxi Province 1 1 2 LI Na,ZHANG Jian-xin,LI Fen ( 1. Shanxi Meteorological Service Center foDr ecision-making,Taiyuan 030006,China; 2. Shanxi Meteorological TV Center,Taiyuan 030002) Abstract: Based on ground surface temperature 80 da mtae teofor ological stations and frost damageloss es data ofw inter wheat from1961 to 2010 in winter wheat lpanting area in Shanxi province,authors defined the frost ropcesses with minimum ground surface tempera,and ture constructed tchelim atic index with frost proce,sands then an alyzed the annual variation and spatial distribution of climatic index. The results showed that theo sspible frost yearsco uld be identified by relative accumulated frost. The meanv alue distribution of accumulated frost ofmil d frost damage,moderate frost damag,seevere frost damage aandll fro st rpocesses were similar. The meanv alue of accumulated frost wasin sequence of severe frost da,mmage odera te frost dam,agemil d frost damagein samer egion. The climatic index for frost damage construcbyted ground surface temperature was the reosuearchndation fof making real )t ime evaluation and risk zonation for frost admage. Key words: Winter wheat; Frost damage; Accumulated frost; Climatic index ,5-12,,9, ,,进行了研究冯玉香等利用人工霜箱控制试验 霜冻是农业生产的重大灾害之一对许多作物生 ,1-2,。、; 山西省地处温带暖 温 带 气 建立了冬 小麦拔节后霜冻害与叶 温 的 关 系钟 秀 丽 长都造成严重 危 害 ,8,10-11,,,、、、候区地形复杂多样境内有山地丘陵高原盆地和 等针对黄淮麦区小麦拔节后霜冻温度出现的规 ,12, ,1000 ) ; 台地等多种 地 貌 类 型大 部 地 区 海 拔 律以及霜冻风险评估和区划进行了分析林晓梅等2000m, ,,,属山地型高原地区既有纬度地带性气候又 构建了基于作物生育阶段的气象指标对全国冬小麦 ,。有 明 显 的垂直变化这种地形特点决定了山西省成为霜冻害致灾因子的危险度进行了评价气象上对霜冻 ,3-0? ( 0? ) ,的定义是以地面最低温度降到 以下含 为指 霜冻灾 害的多发区且霜冻灾害的年际变 率 较 大 4,,3,5-13,。,,,霜 冻 灾害对山西农业生产危害很大是仅次于干旱 标以往研究主要是选取日最低气温作为指标,2,。和冰雹 灾害的一种气象灾害许多学者对冬小麦0cm 。较 少 采 用 地 面 日最低温度进行分析韩 荣 青 霜冻害 2011 ) 11 ) 14: * 收稿日期 : ( CMAGJ2011M10)基金项目中国气象局气象关键技术集成与应用项目 : ( 1985 )) ,,,,,。作者简介李娜女山西长治人硕士助理工程师主要从事气象灾害风险评估与区划技术研究 E-mail: nali85@ 163, com ,14, 1. 20cm ,等最新研究表明在北方地区用地面 日最低 冬小麦霜冻害分级指标 2007 《 根据中国气象局 年 实 施 的气 象 灾 害 预 警温度定义的初霜冻日期普遍要比百叶箱观测的更接 ,15,》,信号及防御指南中霜冻预警信号的分级方法将 ; 2007 近于实际观测日期中国气象局 年开始实施的 ,15,3 : ( ) 0cm 霜冻灾害分为 个等级一级轻霜冻为地面 日 《》 气象灾害预警信号及防御指南中霜冻预警信号 ) 3 : 0? ,( ) ) 5 : 3)? ,最低温度在 二级中霜冻为 三 ,0cm 。 的发布也是利用地面 日最低温度进行分级的 ( ) )5 ? 。: 级重霜冻为 对霜冻过程的界定为当地?0cm ,选取地面 日最低温度进行分析可为霜冻灾害的 0cm 0、) 3、( 面 日最低温度 ? 某霜冻等级临界值 如 定量分析以及结合气象台发布的霜冻预警信号建立 ) 5? ) ,; 0cm 等时表示霜冻过程开始当地面 日最低 。霜冻实时评估模型提 供 参 考 依 据本文拟根据地面 , 0、) 3、) 5? ) ,( 温度 某霜冻等级临界值如 等时表 0cm ,日最低温度界定霜冻过程以霜冻过程为尺度构 ,0cm 示霜冻过程结束地面 日最低温度持续低于此临 ,建霜冻的气候指标分析气候指标的年际变化及空间 ,界值的过程为一个霜冻过程各个站点每年有若干个 ,分布旨在为进一步研究冬小麦的风险评估区划以及 ,,霜冻过程如霜冻过程多且持续时间长则 在 实 际 生 、冬小麦霜冻害的防灾减灾选择冬小麦适种区域等提 。 产中就可能表现为较严重的霜冻灾情。供科学依据 1. 3 过程积霜和的计算1 资料和方法,16-17, 参考霍治国等 在寒害研究中过程积寒的计 1. 1 数据来源与处理方法 ,,算方法构建过程积霜 的 概 念对山西省冬小麦霜冻 ,气象数据来源于山西省气象信息中心利用山西 ,灾情资料 统 计 表 明霜冻可能出现 时段主要分布在 80 ( 1 ) 1961 )2010 省中南部冬小麦种植区 个站点图 4 ) 5 ,80 月故计算山西省中南部冬小麦种植区 个县 0cm 0cm 年逐日地面 日最低温度和地面 日平均温度 ( ) 4 ) 5 、、 市历年 月气象条件为一级二级三级霜冻过。, 数据进行分析对于个别站点个别日期无观测值的 。程时的积霜值过程积霜是指霜冻过程中逐时低于 。采用该因子前后两天的平均值代替 ( 0、) 3、) 5? ) ,临界受害温度如 等的温度累积量则 MATLAB 、采用 编程进行因子筛选过程积霜和等 X( ? ?d) 一日内的积霜 为 日 ,MapInfo 。的计算采用 绘制霜冻气候指标等值线图 t2Tc)( Tt ( 1) X= ( Tc )T t) dt? 日 ? t1 ,Tc ( 式中为承灾体遭受霜冻灾害的临界温度如 0、) 3、) 5? ) ; Tt ( ? ) ,t1、t2 等为逐时温度分别为一 、; dt t 。日起始终止时刻表示对时间 求积分由于大多 ,数气象台站没有逐时资料因此一日内低于某一界限 ,。温度的过程积霜可采用近似求得假设地温的 ,( 1) ,日变化具有周期性则将式离散化经过求阴影三 ,17,、,角形面积积分变量转换后过程积霜可表示为 N 24 = ( Tc )T t) dtdnX 过程?? n = 1 t = 0 2N 6( Tc )T min) = dn? n = 1 24( Tm )T min) N 12 =( Tc )T min) / ( Tm )T min) ? 4 n = 1 ( TminTc)? ( 2) ,X? ?d) ,N ( 式中为过程积霜为过程持续日 过程 ( d) ,Tmin 0cm ? ) ,Tm ( 数为 地 面 日 最 低 温 度 为 地0cm ? ) 。 ( 面 日平均温度 ( 2 ) 、、 利用式可 分别得到每个站点历年轻中重 ,霜冻过程的积霜值历次霜冻过程的积霜求和得到各 1 图 山西省冬小麦种植区气象站点分布图 Fig. 1 Geographical distribution of meteorological stations 。,站点历年过程积霜和对于同一站点过程积霜和越 in winter wheat cultivating area in Shanxi,; 大的年份霜冻发生的 可 能 性 越 大对于同一年份不 ,。。积霜和则此年份以此等级霜冻灾害为主 冻发生的可能性越大 1. 42过程积霜和相对值的计算 结果与分析 气候指标的时间变化 2. 1,50a 对山西气象观测资料分析表明近 来山西气 2. 1.1 过程积霜和 ,。温变化趋势与全国及 全 球 一 致但增暖的趋势更强 考虑不同区域和种植冬小麦的气候环境的代表 50a 1. 65? ,全省平均气温上升了 呈明显的变暖趋 近 ,( ) ( 性选取晋中市太谷县山西中部和运城盐湖区山西 ,0. 33?/ 10a,20 80 势增温速率 达 到 尤 其 是 从 世 纪 ,18-1,9) ,南部作为冬小麦种植区的典型站点分析太谷县和盐 。年代后期开始上升趋势 较 明 显气 候 变 暖 使 小 。湖区历年不同等级霜冻灾害的过程积霜和的变化 ,,,麦拔节提早抗寒力降低一旦遇到倒春寒天气很容 1 ,1961 )197 8、1993) 200 5 ,从表 可以看出年太 ; ,,易发生霜冻害同时气候变暖导致种植边界北移原 ,谷县冬小麦同一年份不同等级霜冻积霜值中重霜冻 ,来种植的一些品种不再适宜继续种植如华北地区推 2005 、; ,年之后 积霜值均高于轻霜冻中霜冻的积霜值,广的强冬性冬小麦品种因冬季无法经历足够的寒冷 0,冬小麦重霜冻积霜值均为 这之后太谷县冬小麦无重 ,、 期以满足春化作用对 低 温 的 要 求已被其它半冬性 。2 ,1963 霜冻由表 可见盐湖区冬小麦重霜冻积霜值在 ,、 甚至弱春性小麦品种 所 取 代致使种植品种春性化 ,5,20,0,1971 0,年之后均为 冬小麦中霜冻在 年之后均为 表明 。,抗霜力降低在构建霜冻气候指标时为了剔除 40a 。近 来盐湖区冬小麦的霜冻灾害以轻霜冻为主 农业政策的调整和种植的改变等社会经济因素 、、、将太谷县盐湖区冬小麦历年轻中重霜冻过程 ,Yt,的影响构建了各站历年过程积霜和的相对值 即 ,的积霜值求和得到 两 地 区 历 年 所有霜冻过程的积 Yi ) Ys × 100%( 3) = Yt Ys,2 。,霜和见图 由图可见太谷县和盐湖区历年霜冻 ,Yi ( ? d) ,Ys ?式中为实际过程积霜和为过程 ,。过程积霜和均呈波动下降趋势且年际间差异较大 1 表 太谷县历年冬小麦各级霜冻的积霜值 Table 1 Annual accumulated frost of each grade frost damagein Taigu( ??d) 年份 轻霜冻 中霜冻 重霜冻年份 轻霜冻 中霜冻 重霜冻 Year Mild frost damag eModerate frost damage Severe froamsta gdeYear Mild frost damag eModerate frost damage Severe froamsta gde 1961 0. 15 0. 72 7. 800. 03 0. 44 0. 471986 1962 0. 49 0. 77 9. 63 1987 0. 66 0. 46 0. 82 1963 0. 81 1. 83 1. 59 1988 0. 18 1. 19 0. 94 1964 0. 21 0. 22 0. 73 1989 0. 13 0. 28 0. 67 1965 0. 39 0. 22 0. 63 1990 0. 51 0. 83 0. 38 1966 0. 06 0. 84 1. 34 1991 0. 07 0. 45 0. 62 1967 0. 13 0. 20 27. 97 1992 0. 53 0. 13 0. 44 1968 0. 28 1. 00 2. 79 1993 0. 10 0. 37 6. 16 1969 0. 26 1. 90 4. 06 1994 0. 29 0. 21 0. 61 1970 0. 04 0. 79 16. 34 1995 0. 41 0. 36 2. 42 1971 0. 39 0. 29 9. 49 1996 0. 37 0. 84 4. 77 1972 0. 15 0. 27 5. 91 1997 0. 22 0. 32 0. 37 1973 1998 0. 21 0. 18 0. 85 0. 03 0. 13 0. 55 1974 0. 09 0. 21 1. 59 1999 0. 04 0. 13 0. 98 1975 0. 03 0. 31 2. 88 2000 0. 15 0. 56 0. 92 1976 2001 0. 39 0. 13 0. 45 0. 54 0. 17 0. 69 1977 0. 18 0. 48 1. 15 2002 0. 47 0. 14 0. 69 1978 0. 21 0. 48 1. 13 2003 0. 02 0. 22 0. 50 1979 0. 51 1. 69 0. 46 2004 0. 25 0. 24 0. 36 1980 2005 0. 58 0. 61 0. 34 0. 19 0. 21 0. 57 1981 0. 41 0. 17 0. 63 2006 0. 15 0. 15 0. 00 1982 0. 43 0. 75 0. 50 2007 0. 11 0. 28 0. 00 1983 0. 09 1. 10 0. 59 2008 0. 15 0. 15 0. 00 1984 0. 17 0. 40 0. 29 2009 0. 21 0. 78 0. 00 1985 0. 48 0. 55 0. 37 2010 0. 28 0. 22 0. 00 2 表 盐湖区历年冬小麦各级霜冻的积霜值 Annual accumulated frost of each grade frost damage in Yanhu( ?d)?Table 2 年份 轻霜冻 中霜冻 重霜冻年份 轻霜冻 中霜冻 重霜冻 Year Mild frost damag eModerate frost damage Severe afmroasgte dYear Mild frost damag eModerate frost damage Severe afmroasgte d 1961 0. 03 0. 00 0. 690. 01 0. 00 0. 001986 1962 0. 05 0. 48 1. 32 1987 0. 14 0. 00 0. 00 1963 0. 02 0. 23 0. 40 1988 0. 04 0. 00 0. 00 1964 0. 01 0. 24 0. 00 1989 0. 04 0. 00 0. 00 1965 0. 04 0. 22 0. 00 1990 0. 10 0. 00 0. 00 1966 0. 02 0. 30 0. 00 1991 0. 00 0. 00 0. 00 1967 0. 01 0. 32 0. 00 1992 0. 00 0. 00 0. 00 1968 1993 0. 13 0. 25 0. 00 0. 01 0. 00 0. 00 1969 0. 22 0. 18 0. 00 1994 0. 00 0. 00 0. 00 1970 0. 04 0. 16 0. 00 1995 0. 07 0. 00 0. 00 1971 0. 07 0. 37 0. 00 1996 0. 08 0. 00 0. 00 1972 0. 23 0. 00 0. 00 1997 0. 05 0. 00 0. 00 1973 1998 0. 02 0. 00 0. 00 0. 02 0. 00 0. 00 1974 0. 00 0. 00 0. 00 1999 0. 00 0. 00 0. 00 1975 0. 02 0. 00 0. 00 2000 0. 05 0. 00 0. 00 1976 0. 00 0. 00 0. 00 2001 0. 07 0. 00 0. 00 1977 0. 00 0. 00 0. 00 2002 0. 03 0. 00 0. 00 1978 0. 07 0. 00 0. 00 2003 0. 00 0. 00 0. 00 1979 0. 04 0. 00 0. 00 2004 0. 06 0. 00 0. 00 1980 0. 12 0. 00 0. 00 2005 0. 00 0. 00 0. 00 1981 0. 01 0. 00 0. 00 2006 0. 00 0. 00 0. 00 1982 0. 01 0. 00 0. 00 2007 0. 00 0. 00 0. 00 1983 0. 08 0. 00 0. 00 2008 0. 00 0. 00 0. 00 1984 0. 01 0. 00 0. 00 2009 0. 00 0. 00 0. 00 1985 0. 00 0. 00 0. 00 2010 0. 00 0. 00 0. 00 )70 1967、1970、1993、1995、1996、2004、2005、2006 20 60 太谷县霜冻过程 的 积 霜 和 在 世 纪 年 代 波 年 布在 ,90 ; 动性较大年代次之盐湖区霜冻过程的积霜和仅 2007) 2010 。负值主要分布在 年从盐湖区历年过程积 ( 3b) 50a ,,60、70 ,。霜和的相对值变化图图 可以看出近 来盐湖 在 年代初波动性较大其余年份差异较小可 1961 ) 1975 ,,以看出年各典型站点的过程积霜和对 20 60 、80 区过程积霜和的相对值在 世纪 年代前期年 ,,,1975 代后期波动较大其余年份变化较小正 值 高 值 区 主 于区分霜冻可能年份与其余年份有较好的效果 1962、1987、1988、1989 ,。。,年之后区分度不强 要分布在 年可以看出各典 2. 1.2 过程积霜和相对值 型站点过程积霜和的相对值能更好地区分霜冻可能 ( 3a) ,。太谷县历 年过程积霜和的相对值显示 图 年份与其余年份计算冬小麦种植区其余站点历年 1961 ,1961) 1975、1990) 2010 ,年以来相对值在 年为波 过程积霜和的相对值得出过程积霜和的相对值在区 1976 ) 1989 ,,动期年为相对平稳期正值高值区主要分 。分霜冻可能年份与其它年份时普遍具有较好的效果 2 ( a) 、( b) 图 太谷县盐湖区历年霜冻过程积霜和的变化曲线 Fig. 2 Change curve of annual accumulated frost in Taigu( a) and Yanhu( b) 3 ( a) 、( b) 图 太谷县盐湖区历年积霜和相对值的变化曲线 Fig. 3 Changec urve of annual relative accumulated frost in Taigu( a) and Yanhu( b) 2. 2,4 、、量分析霜冻害空间分布状况图 给出了轻中重 霜 气候指标空间分布 , 。 通过构建的霜冻气候指标从致灾因子的角度定冻以及全部霜冻过程积霜和多年平均值的分布由 c) 4 ( a) 、( b) 、( ( d) 图 山西省冬小麦种植区轻霜冻中霜冻重霜冻和总霜冻过程积霜和多年平均值的等值线 Fig. 4 Isoline of mean accumulated frost of mild frost damage( a) ,moderate frost damage( b) ,severe frost damage( c) and all frost processes( d) in winter wheat cultivating area in Shanxi ,3,,,. 李艳丽王迎春孙忠富 山西省霜冻灾害现状及其防御 4a 80% ,图 可以看出冬小麦种植区 以上区域轻霜冻 ,J,. ,2006,27( 1) : 57-59.对策分析中国农业资源与区划 0. 12 : 0. 33?d,?积霜和多年均值在 在空间上大致表 ,4,. J,. ,朱骊 山西省农业自然灾害系统灾情形成机制研究“、、现为南低北高自西南部向中东部西部山区逐渐增 ( ) ,1995,9( 3) : 422-426. 北京师范大学学报自然科学版”,。大的变化趋势界线十分明显积霜和多年均 值 在 ,5,,,,. 李茂松王道龙钟秀丽等 冬小麦霜冻害研究现状与展 、、晋城市长治市晋中市等东部地区表现为显著的纬 线,J,. 2005,14( 4) : 72-78.,望自然灾害学报 ,,0. 33?d ?变异性均 值 的 区 域 主要分布在吕梁 市,6,,,,. 陈怀亮邓伟张雪芬等 河南小麦生产农业气象灾害风 、,,,的岚县交口临 汾 市 的 隰 县长治市丘陵山区晋 中,J,. 2009,15( 1) : 135-143.,险分析及区划自然灾害学报 ,市东山区和平川区北部这些地区积霜和受地形因 素,7,,,,. 张雪芬郑有飞王春乙等 冬小麦晚霜冻害时空分布与 。4b、c、d ,的影响较为 明 显由 图 可 以 看 出冬 小 麦 中,J,. ,2009,67 ( 2 ) :多时间尺度变化规律分 析气 象 学 报 321-330. 、霜冻重霜冻和全部霜冻过程积霜和多年均值都表 现 ,8,,,,. 钟秀丽王道龙赵鹏等 黄淮麦区小麦拔节后霜冻的农 ,出空间差异性且其等值线图均与轻霜冻积霜和多 年 ,J,. ,2008,16( 1) : 11-15.业气候区划中国农业生态学报 。, 均值等值线图具有良好的空间一致性总体而言对 ,9,,,,. 冯玉香何维勋饶敏杰等 冬小麦拔节后霜冻害与叶温 ,,于同一区域重霜冻积霜和多年均值最大中 霜 冻 次,J,. 2000,26( 6) : 707-712.,的关系作物学报 ,。之轻霜冻最小 ,10,,,,. 钟秀丽王道龙赵 鹏等 黄淮麦区冬小麦拔节后霜冻 3结论与讨论 J,. ,2007,15,温度出 现 规 律 研 究中国生态农业学报 , 本文研究认为过程积霜和相对值对于区分霜冻 ( 5) : 17-20. 。可能年份与其余年份有较好的效果山 西 省 冬 小 麦 ,11,,,,. 钟秀丽王道龙李 玉 中等 黄淮麦区小麦拔节后霜冻 、、种植区轻中重以及全部霜冻过程积霜和多年平均 ,J,. 2007,18( 1) : 102-107.,的风险评估应用气象学报 “、值的空间变化规律均表现为南低北高自西南部,12,,,. 林晓梅岳耀杰苏筠 我国冬小麦霜冻灾害致灾因子危 : ,J,. ,、险度评价基于作物生育阶段气象指 标灾 害 学 ”,向 中东部西部山区逐渐增大的变化趋势界线十 2009,24( 4) : 45-50. 。,分明 显对于同一区 域重霜冻积霜和多年均值最 ,13,,,. 钱锦霞王振华郝玉峰 山西省春季气候变化及其对农 ,,。大中 霜冻次之轻霜冻最小 ,J,. 2008,25( 1) : 64-69.,业生产的影响干旱区研究 ,从灾害分析的角度本文分析了致灾因子的变化 ,14,,,,. 韩荣青李维京艾婉秀等 中国北方初霜冻 日 期 变 化 ,,规律即构建的气候指标的空间变化规律但 未 分 析 ,J,. 2010,65 ( 5 ) :,及其 对 农 业 的 影 响 地 理 学 报 ,,承灾体的脆弱性即霜 冻 发 生 时冬小麦所处的发育 525-532.。,期对霜冻的敏感性等在实际生产中北方冬麦区越 ,15,. OL,,,中国气象局 气象灾害预警信号发布与传播 ,往南则发育越早研究发现黄河流域小麦霜冻灾害的 http: / / www.s xsqxj. gov. cn / show. asp? x id = 33731,cid =,8,11,。发生要重于 华 北 北 部这说明在研究山西省冬 33,2007. ,小麦霜冻灾害气候规律时需同时考虑冬小麦所处的 ,16,,,,. QX / T80-2007 、霍治国杜 尧 东姜 燕等 香 蕉荔 枝 寒 害 ,S,. : ,2007.、。等级北京气象出版社 发育期所种植冬小麦的品种等因子这些需在以后 ,17,,,. 、杜尧东李春梅毛 慧 琴 广 东 省 香 蕉荔枝寒害致灾因 。0cm 进一步深入研究本文根据地面 日最低温度构 ,J,. ,2006,25 ( 2 ) :子和综合气候指 标 研 究生 态 学 杂 志 ,建的霜冻气候指标为结合各地气象台发布的霜冻预 225-230. 、警信息进行霜冻灾前评估灾中评估和灾后评估等实 ,18,,,,. 20 王雁阎世明孙鸿娉等 世纪后半叶山西省气温和 。时评估以及研究霜冻风险区划提供了很好的基础 ,J,. ,2004,( 4) : 16-18.降水变化分析山西气象 ,19,,,,. 杜顺义王志伟郭 慕 萍等 气候变暖对山西农业生产 :参考文献 J,. ,2009,30 ( ) :,中 国 农 业 气 象增 及粮食安 全 的 影 响,1,,,,. . ,M,霍治国王石立郭建 平等 农业和生物气象灾 害29-32. : ,2009: 30-41. 北京气象出版社 ,20,,,,. 冯玉香何维勋孙 忠 富等 我国冬小麦霜冻害的气候 ,2,,,,. ? 刘庆桐郭幕平王永远等 中国气象灾害大典山西卷 ,J,. 1999,25( 3) : 336-340.,分析作物学报 ,M,. : ,2005: 690-735. 北京气象出版社