東北地區玉米冷害指數時空分析

崔一鳴 王祿祿 李曉婷 姜新 許馨月 李銘鑒 辛得

摘 要：選取東北地區氣象觀測站1966—2013年的氣象資料以及玉米生育期資料，計算玉米4個生育階段的冷害指數，并對冷害指數進行EOF時空分解，分析了東北地區玉米低溫冷害的時空分布規律。

關鍵詞：低溫冷害;冷害指數;EOF分解

中圖分類號 S513文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）09-0147-03

EOF分析方法最早是在1902年由英國統計學家Karl Pearson提出，在20世紀中期才由Lorenz初次引用至大氣學科當中。20世紀70年代中后期以來，EOF分析方法隨著計算機行業的迅猛發展，在大氣科學學科中的應用變得更為簡單順暢。本文利用EOF分析方法，對東北地區玉米低溫冷害進行研究，以期為當地玉米凍害防治提供參考。

1 資料來源

選取東北地區1966—2013年間36個氣象站逐日平均溫度及月平均溫度以及東北地區36個氣象臺站1966—2013年玉米播種、出苗、三葉、七葉、拔節、抽雄、開花、吐絲、乳熟及成熟日期。

2 分析方法

2.1 冷害指數的計算[1] 計算公式如下：

式中：T為某日的日平均溫度，T0為該日所在的生育期的適宜溫度，T1為該日所在的生育期的下限溫度，T2為該日所在的生育期的上限溫度。

2.2 EOF分析方法的計算步驟 計算每個特征向量的方差貢獻（貢獻率）：

及前m個特征向量的累積方差貢獻：

2 結果與分析

EOF分析特征向量的方差貢獻率越大，說明該特征向量的空間分布越典型[2]。對東北地區所選36個站點1966—2013年4個發育階段冷害指數矩陣分別進行EOF分析，得出特征向量及相應的特征值、時間系數。4個階段的前3個模態的累積方差貢獻率分別為81.51%、80.55%、80.24%、87.66%，都超過了80%，說明前3個模態足可以代表東北地區低溫冷害的時空變化特征。東北玉米4個生育階段第1模態的方差貢獻率分別達到總方差的56.98%、61.09%、62.67%、77.01%，是方差貢獻最大的1個模態，說明第1模態可以代表東北玉米發育階段冷害最主要空間變化的模態，所以本文主要分析第1模態。

2.1 東北玉米4個階段冷害指數第1模態分析 第1模態中，玉米4個發育階段的特征向量符號一致，均為正值，說明東北玉米4個發育階段冷害的空間變化是基本一致[3]，且4個生育階段冷害的一致特征均占總方差的50%以上，表明東北地區冷害受大尺度天氣系統的影響較為明顯[4]。圖1為1966—2013年東北玉米4個階段冷害指數第1模態分布圖，從圖中可以看出：低于0.1的低值區從出苗七葉到出苗成熟，范圍不斷增加，出苗七葉階段主要分布在遼寧南部、中西部地區，到出苗成熟階段幾乎整個遼寧都位于低值區，說明遼寧地區冷害程度發生較輕，且冷害主要發生在生育階段的前期。0.1到0.2的中值區在出苗到七葉階段幾乎占據整個研究范圍的2/3，然后開始逐漸減弱，出苗到成熟階段只剩吉林西部、黑龍江小部分地區位于中值區。高于0.2的高值區隨時間不斷增加，出苗到七葉階段僅在吉林地區有小范圍的高值區，出苗到抽雄階段擴展到整個吉林省東部地區，出苗到乳熟階段開始明顯向北延伸，從出苗到成熟階段，幾乎整個黑龍江省以及吉林的中部、東部地區都位于高值區。吉林東北部地區在玉米生長發育的4個階段始終位于中高值區，說明吉林東北部對冷害最為敏感。

2.2 東北玉米4個階段冷害指數時間系數分析 圖2為東北玉米4個發育階段第1特征向量所對應的時間系數變化曲線，代表東北玉米4個發育階段冷害的年際變化。出苗到七葉、出苗到抽雄和出苗到乳熟3個階段時間系數波動較小，表明這3個階段東北全區玉米低溫冷害時間分布較為一致;而出苗到成熟階段時間系數的波動較大，波動較大的年份為1971年和1975年。由于4個生育階段第1特征向量均為正值，根據EOF原理，若某年的時間系數為負，則該年的時間函數和空間函數的乘積也為負值，即冷害指數也為負值，則表明該年發生冷害，且值越小說明冷害越嚴重。從圖中可以看出，第1模態4個階段的時間系數均呈上升趨勢，這表明了東北地區玉米各發育階段冷害的強度呈減弱的趨勢。

從時間系數圖可以看出，出苗到七葉階段，發生冷害的年份有1969年、1973年、1974年和1997年;出苗到抽雄階段，發生冷害的年份有1969年、1972年、1973年、1974年、1983年、1987年、1992年和1995年;出苗到乳熟階段，發生冷害的年份有1969年、1971年、1972年、1974年、1976年、1977年、1981、1983、1986、1987、1989、1992、1993、1995年;出苗到成熟階段，發生冷害的年份有1966、1967、1968、1969、1971、1972、1974、1975、1976、1977、1981、1983、1987、1989、1990、1992、1995、1997、2009年。綜合4個階段發生冷害的年份并去掉重復的年份，共22年發生低溫冷害，本文的研究范圍為48年，因此，低溫冷害基本上為2年一遇。由此可知：東北地區玉米出苗到七葉階段發生冷害的次數較少，且大多發生在60年代和70年代;出苗到抽雄、出苗到乳熟2個階段，70年代和80年代出現冷害的頻率較大;時間系數的最小值出現在出苗到成熟階段的1972年和1976年，而這2年前3個階段的時間系數均為正值，表明這2年在玉米即將成熟階段出現了較為嚴重的低溫冷害。

3 結論

EOF分析結果表明：東北玉米4個發育階段冷害的空間變化是基本一致。遼寧地區冷害程度發生較輕，且冷害主要發生在生育階段的前期;吉林東北部地區對冷害最為敏感。當遼寧地區發生冷害時，黑龍江地區普遍偏暖。東北玉米第1模態時間系數表明：出苗到七葉、出苗到抽雄和出苗到乳熟3個階段東北全區玉米低溫冷害時間分布較為一致;而出苗到成熟階段時間系數的波動較大，波動較大的年份為1972年和1976年，說明這2年在乳熟到成熟階段發生了較為嚴重的冷害。低溫冷害基本上為2～3年一遇。

參考文獻

[1]崔一鳴，張明哲，王祿祿.1966～2013年東北地區玉米低溫冷害指數分析[J].現代農業科技，2018，15：65～70

[2]高曉容，王春乙，張繼權.東北玉米低溫冷害時空分布與多時間尺度變化規律分析[J].災害學，2012，27（4）：65～70

[3]賈燕.基于EOF分析遼寧省極端氣溫時空分布的研究.安徽農業科學[J]，2008，36（11）：4589-4590，4620

[4]張劍明，黃晴.近46年來湖南省氣溫變化的若干特點.干旱氣象[J]，2012，30（3）：387-403

（責編：王慧晴）