近60年來湖南省寒露風時空演變特征分析

王 德，金宇豪，張鑫臻，楊 娟，吳金水，許 航，肖 陽，劉次桃，劉 玲，鄭 鋮，吳厚雄，段美娟，施婉菊

（湖南農業大學農學院，長沙 410128）

寒露風是寒露節氣前后出現在長江以南地區的一種農業氣象災害，主要是指秋季冷空氣南下或臺風與冷空氣共同影響下出現的一種低溫、干燥（有時陰雨）天氣。長江中下游寒露風天氣一般出現在9月中下旬，華南地區常出現在10月，對農作物生產危害大。寒露風對雙季晚稻造成的危害主要是抑制和損害水稻正常生長和發育[1-2]，如在孕穗期遇到低溫，引起水稻抽穗延遲和花器官變異，如穎花退化、穗長縮短與雌雄蕊不育等，導致水稻減產甚至失收[3]。如在抽穗開花期遭遇寒露風，水稻抽穗速度減慢、抽穗時間延遲，嚴重時穎花無法正常開放，影響散粉、受精，致使空粒增加[4]。在水稻灌漿期遭遇寒露風，灌漿過程發生延緩甚至停止，導致結實率降低，稻米品質下降[5]。

湖南作為水稻生產大省，水稻種植面積和產量穩居全國第一，其中雙季晚稻種植面積約占全省水稻總面積40%[6-7]。寒露風是湖南省主要低溫氣象災害之一[8]，其發生正值湖南省雙季晚稻生殖生長關鍵時期，對湖南省晚稻安全生產構成極大威脅。例如，1997年9月出現重度寒露風侵襲，此次寒露風發生較早，持續時間長，導致全省晚稻產量減產5%~10%[9]；2010年9月下旬，抽穗揚花期的晚稻再一次遭遇罕見的寒露風天氣，導致大面積包頸與空殼現象，湖南省晚稻出現嚴重減產[10]。

目前，前人對湖南省寒露風已開展相關研究。彭莉莉等分析湖南省1951~2010年氣象數據發現，寒露風在九月上旬發生概率<5%，中旬發生概率<10%；黃晚華等分析1961~2009 年湖南省氣象數據發現，湘北、湘中和湘南等丘陵山區寒露風發生頻率低、強度低，被劃分為低風險區，資興、冷水江、武岡、桃源、桃江、安化、臨澧、澧縣及湘西等山區寒露風發生頻率和強度較高，被劃分為中風險區，桂陽、龍山和花垣等地寒露風發生頻率最高且強度最大，被劃分為高風險區[10-11]；羅伯良等分析湖南省1961~2013 年氣象數據，發現湖南省寒露風發生初日平均出現在9月下旬，利用均生函數構建具有高擬合度湖南寒露風初日預測模型，模型對湘北、湘中與湘南等地寒露風初日預測精度分別達到92%、92%與94%[12]。前人對湖南省寒露風的研究主要集中于寒露風發生初日、9月上中下旬發生頻率、不同區域發生頻率及發生初日預測模型構建，未見湖南省寒露風強度趨勢與周期性變化相關研究。近年來，湖南省極端氣候事件頻發[13]，嚴重影響水稻生產安全。本文利用湖南省1961~2020年氣象數據，以寒露風指標為判定依據，從時間上分析湖南省總體寒露風強度變化趨勢與強度變化周期，從空間上分析湖南省由湘北部（岳陽與常德）-湘中部（長沙與邵陽）-湘南部（衡陽與郴州）寒露風發生頻率規律及發生強度變化趨勢，研究結果可為湖南省晚稻防御寒露風及生產上防災減災提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源與參數設置

1.1.1 氣溫數據來源

研究采用的氣溫數據來源于湖南省氣象信息中心，包含岳陽、常德、長沙、邵陽、衡陽、郴州等6 個地區觀測站1961~2020 年逐日氣象資料（日平均氣溫、日最低氣溫）。

1.1.2 參數設置

1.1.2.1 湖南省寒露風定義

依據湖南省地方標準《氣象災害術語和等級》[14]，將湖南省寒露風定義為9月1日至9月30日期間連續3日及以上日平均氣溫≤22 ℃，具體可劃分為輕度、中度及重度3個等級（見表1）。

表1 寒露風定義Table 1 Autumn Low Temperature definition

1.1.2.2 氣溫與寒露風強度參數

通過6 個站點氣溫數據集成獲取3 個氣溫參數。月平均氣溫：1961~2020 年各年9 月平均氣溫；月平均最低氣溫：1961~2020 年各年9 月每日最低氣溫均值；月最低氣溫：1961~2020 年各年9 月最低氣溫。

通過寒露風等級劃分標準，計算輕、中、重度寒露風發生天數，充分考慮不同等級寒露風影響程度[15]，構建各站點寒露風指數（Hj）：

式中，Hj為j站點寒露風指數；Ll、Lm、Lh分別為輕度、中度、重度寒露風等級，即對應1、2、3；Dl、Dm、Dh分別為輕度、中度、重度寒露風等級出現天數。通過對不同站點寒露風指數集成，構建省級寒露風指數（HP）：

式中，m為站點數；wj代表j站點權重，即j站點對應市晚稻種植面積占全省晚稻種植面積比例。

1.2 研究方法

1.2.1 時間序列變化特征分析

1.2.1.1 距平分析

利用Excel 2018對湖南省1961~2020 年各年9 月平均氣溫、月平均最低氣溫、月最低氣溫及寒露風指數進行距平分析，繪制各參數距平分析圖，可有效反映年代間氣溫與寒露風強度趨勢變化。

1.2.1.2 Manner－Kendall突變檢驗

利用Matlab R2018a 對湖南省1961~2020 年各年9 月的月平均氣溫、月平均最低氣溫、月最低氣溫及寒露風指數進行Manner-Kendall（MK）突變檢驗[16]，并繪制各參數突變檢驗圖。MK 突變檢驗不需要參數遵從一定分布，可排除少數異常值干擾。在分析結果中，若UF曲線值>0，則序列呈現上升態勢，反之序列呈現下降態勢；若UF曲線值>1.96或<-1.96（P<0.05），說明序列有顯著性上升或者下降趨勢；在置信區間內UF 曲線和UB 曲線交點對應年份即為突變開始時間。

1.2.1.3 Morlet小波分析

利用Matlab R2018a 對湖南省1961~2020 年各年9 月寒露風指數進行Morlet 小波分析，小波變換將寒露風指數時間序列的波動能量分解到時間頻率域內，得到寒露風指數周期變化動態，具體變換過程參照史風梅等方法[17]。

1.2.2 空間序列變化特征分析

1.2.2.1 Manner－Kendall趨勢檢驗

利用Matlab R2018a 對岳陽、常德、長沙、邵陽、衡陽、郴州等地區1961~2020 年各年9 月的月平均氣溫、月平均最低氣溫、月最低氣溫及寒露風指數進行Manner-Kendall（MK）趨勢檢驗。方法中主要評價指標為Z值，若Z值>0，則樣本序列呈上升趨勢，若Z值<0，則樣本序列呈下降趨勢，若Z值絕對值>1.96，則樣本序列呈顯著性變化趨勢。

1.2.2.2 寒露風發生頻次及總日數統計

利用Excel 2018 計算岳陽、常德、長沙、邵陽、衡陽、郴州等地區1961~2020 年寒露風發生頻次，并計算輕度、中度、重度寒露風發生占比及總日數。

2 結果與分析

2.1 氣溫與寒露風強度時間序列變化

2.1.1 氣溫與寒露風強度變化趨勢

總體而言，湖南省60年來9月的月平均氣溫、月平均最低氣溫及月最低氣溫隨著年際增加呈正負距平交替且升高趨勢（見圖1A~C），升高幅度分別為0.134、0.206與0.326 ℃·10a-1。

圖1 湖南省1961~2020 年9 月各氣溫參數與寒露風指數距平Fig.1 Anomalies between temperature parameters and HP in September from 1961 to 2020 in Hunan Province

如圖1D 所示，寒露風指數隨年際增加同樣呈升高趨勢，升幅為0.205 ℃·10a-1，但在60 年期間寒露風指數距平多數為負值；在少數正距平年份中，如1997、2010、2011、2012、2020 等5 個年份距平值明顯大于其他年份，受極端正距平影響，寒露風指數呈升高趨勢。

2.1.2 氣溫與寒露風強度突變

湖南省60 年來9 月的月平均氣溫、月平均最低氣溫、月最低氣溫及寒露風指數MK突變分析結果見圖2。

圖2 湖南省1961~2020 年9 月各氣溫參數與寒露風指數M-K 突變分析Fig.2 Analysis of M-K mutation of temperature parameters and HP in September from 1961 to 2020 in Hunan Province

由圖2A 可見，在1965~1994 年與1996~1997年的UF 曲線值<0，其余年份UF 曲線值>0，說明月平均氣溫在1965~1994 年與1996~1997 年呈下降趨勢，在其余年份呈上升趨勢；在60 年間出現3 個突變時間點，最后突變時間點是1997 年，為上升突變時間點；在2017~2020 年間的UF 曲線值>1.96，說明月平均氣溫在2017~2020 年顯著升高。

由圖2B可知，在1965~1994年與1996~1997年UF曲線值<0，其余年份UF曲線值>0，說明月平均最低氣溫在1965~1994 年與1996~1997 年呈下降趨勢，其余年份呈上升趨勢；且置信區間內出現2 個突變時間點，最后一個突變時間點是1997 年，為上升突變時間點；且在2008~2020年UF曲線值>1.96，說明月平均最低氣溫在2008~2020 年顯著升高。

由圖2C可知，在1964~1975年與1981~1982年UF曲線值<0，其余年份UF曲線值>0，說明月最低氣溫在1964~1975 年與1981~1982 年呈現下降趨勢，其余年份呈現上升趨勢；在60 年間僅出現一個上升突變時間點，為1985年；自1985年突變時間點 后，1990~1992 年 與1993~2020 年UF 曲 線 值>1.96，說明年月最低氣溫在1990~1992 年與1993~2020年顯著升高。

由圖2D可知，在1961~1962年、1963~1965年與1967~1986 年UF 曲線值>0，其余年份UF 曲線值<0，說明寒露風強度在1961~1962 年、1963~1965年與1967~1986年呈上升趨勢，在其余年份呈下降趨勢；且在置信區間內寒露風強度發生8次突變，最后一個突變時間點為1978 年，為下降突變時間點；自1978 年突變時間點后，1987 年寒露風強度開始呈現下降趨勢，且1998~2011 年與2014~2020 年UF 曲線值<-1.96，說明寒露風強度在1998~2010年與2014~2020年顯著降低。

2.1.3 寒露風強度周期變化特征

當小波實部系數>0 時，寒露風強度偏高；當小波實部系數<0 時，寒露風強度偏低；中心值反映寒露風指數震蕩強度。

由圖3 可見，寒露風強度存在明顯年際變化，從下至上分析小波實部可看出在13 年尺度下，寒露風強度存在明顯周期性規律，經歷低-高-低-高-低-高-低-高-低-高等5 次循環交替，且在1997 年前小波系數實部變化相對平緩，1997 年后小波系數實部出現劇烈周期震蕩，說明1961~1996年間湖南省寒露風強度變化相對平緩，1997~2020年間湖南省寒露風強度變化劇烈，重度寒露風侵襲強度遠高于1961~1996年間（以1997和2010年發生的寒露風為代表），且極輕度或無寒露風侵襲的現象更為常見（以2005和2016年為代表）。

圖3 小波變換等值線圖Fig.3 Wavelet transform contour map

小波方差反映寒露風強度在時間尺度分布，可確定各時間尺度在時間序列中擾動相對強度，小波方差曲線波峰尺度稱為該時間序列的主要時間尺度。由圖4 可知，寒露風強度具有一定的震蕩，曲線具有2個完整波峰，13年尺度下曲線震蕩最強，其次為38 年尺度，說明寒露風強度變化主周期為13年，次周期為38年。

圖4 小波方差Fig.4 Wavelet square difference

2.2 氣溫與寒露風強度空間序列變化

2.2.1 不同地區氣溫與寒露風強度變化趨勢

MK 趨勢檢驗結果如表2 所示，60 年來6 個地區9 月的月平均氣溫、月平均最低氣溫與月最低氣溫Z值均>0，寒露風指數Z值均<0，說明總體而言6個地區9月的月平均氣溫、月平均最低氣溫與月最低氣溫呈上升趨勢，寒露風強度呈下降趨勢。

表2 各地區氣溫與寒露風強度變化趨勢Table 2 Variation trend of air temperature and Autumn Low Temperature intensity in different regions

由表2可知，其中岳陽、常德及長沙的月平均氣溫、月平均最低氣溫與月最低氣溫Z值均>1.96，說明這3 個地區總體氣溫參數均存在顯著升高趨勢，寒露風指數僅岳陽地區Z值<-1.96，說明僅岳陽地區寒露風強度存在顯著降低趨勢。

2.2.2 寒露風發生頻次及日數空間分布

由表3可知，60年來6個地區寒露風發生頻次范圍為2.83~6.33 次·10 a-1，發生頻次由高至低為常德>岳陽>邵陽>郴州>長沙>衡陽，說明湖南省寒露風發生頻次有從湘北-湘中-湘南地區降低趨勢；從不同寒露風程度百分比和發生總天數均可知，6個地區為輕度寒露風，重度寒露風次之，中度寒露風發生頻率相對較低。

表3 各地區寒露風發生頻次與總天數分布Table 3 Distribution of occurrence frequency and total days of Autumn Low Temperature in different regions

3 討 論

3.1 氣溫與寒露風強度時間序列變化特征

在距平分析結果中，湖南省1961~2020 年9 月的月平均氣溫、月平均最低氣溫與月最低氣溫均隨年份增加呈上升趨勢，與黃晚華等研究一致[10]。因寒露風指數在1997、2010、2011、2012、2020等年份出現極端值，導致寒露風強度在60 年間總體變化趨勢出現偏差，呈上升趨勢。MK 突變分析，可有效剔除異常值對于總體參數變化趨勢影響，在MK突變分析結果中自1997年后湖南省9月的月平均氣溫、月平均最低氣溫與月最低氣溫均呈上升趨勢，寒露風指數呈下降趨勢，說明在一般情況下氣溫變化與寒露風強度變化具有一致性，即湖南省總體氣溫升高導致寒露風發生強度降低。

MK 突變分析結果表明寒露風強度在1998~2010年與2014~2020年顯著降低，寒露風強度周期變化分析結果表明1997 年后重度寒露風侵襲的強度遠高于1997年前，且1997年后極輕度或無寒露風侵襲的現象更為常見。湖南省1997 年后9 月總體氣溫的升高導致極輕度或無寒露風侵襲現象發生，該現象致使寒露風強度在1998~2010 年與2014~2020 年顯著降低；伴隨全球氣候變化加劇，極端天氣氣候事件頻發，湖南省在1997、2010、2011 及2013 年9 月均受冷空氣影響出現長時間連續性低溫氣候，使1997~2020年間重度寒露風侵襲強度遠高于1961~1996年間，說明二者結果存在潛在聯系[10]。寒露風強度周期變化分析結果表明寒露風強度變化的主周期為13 年，根據周期性變化規律，未來湖南省晚稻種植應重點防范重度寒露風可能發生年度，避免更嚴重危害。

3.2 氣溫與寒露風強度空間序列變化特征

MK 趨勢檢驗發現岳陽、常德及長沙9 月總體氣溫參數均存在顯著升高趨勢，僅岳陽地區寒露風強度存在顯著降低趨勢。此現象可能與水體對氣候的調節有關，湖南省境內存在中國第二大淡水湖泊洞庭湖，熱容量極大，可有效調節氣溫并緩和溫度極端變化，黃菊梅等研究發現洞庭湖區在1952~2010 年間增溫顯著[18]，秋季增溫為0.22 ℃·10a-1，洞庭湖水域系統涉及范圍包括岳陽、常德與長沙，3 個地區9 月氣溫參數顯著升高，很大程度受洞庭湖秋季增溫影響，3個地區中岳陽擁有的洞庭湖水域面積最大，對當地氣候影響也最大，1977 年1 月湖南發生一次強寒潮侵襲，全省各地最低氣溫普降至-10 ℃以下，鄰近洞庭湖區的山地及丘陵區域，如桃源、桃江、臨漕等地，最低氣溫降至低于-15 ℃，但岳陽最低溫度僅降至-9.4 ℃[19]，與洞庭湖儲熱中和減緩寒潮帶來的低溫有關，同理近60 年岳陽寒露風的侵襲受洞庭湖儲熱調和，秋季洞庭湖單位熱容量隨年際溫度升高而增加，對寒露風抵御能力也增強，所以岳陽近60 年來寒露風強度表現顯著降低趨勢。由此可見，洞庭湖水域有利于抵御極端氣候發生，間接保護糧食安全，須重視洞庭湖水域面積不斷縮減問題。

6 個地區寒露風發生頻次由高至低為常德>岳陽>邵陽>郴州>長沙>衡陽，說明湖南省寒露風發生有從湘北-湘中-湘南地區降低趨勢，可能與地形有密切相關。湖南省地貌整體呈不對稱馬蹄形，被東、南、西面的羅霄山脈、南嶺山脈、雪峰山脈圍繞，湖泊平原整體位于北偏東方向，朝東北方向開口，導致北方冷空氣沿湘北、湘中及湘東南平原南侵，冷空氣累積并難以流通，發展為湖南省的寒露風多發區[20]；湘西、湘南地區被山脈圍繞，北方冷空氣難以侵襲，形成湖南少寒露風區域?？傮w來說各地區不同寒露風強度發生頻率與總日數相關，均為輕度>重度>中度，主要是受到全球氣候變暖引起的極端氣候事件多發影響[21-22]，各地區寒露風強度呈降低趨勢，1997年后重度寒露風發生次數仍較多。各地區（尤其是湘北地區）應做好重度寒露風侵襲事件發生的應變準備，以減少災害帶來的損失。

3.3 建議

寒露風對水稻生產的影響不容忽視。目前湖南省寒露風發生強度呈降低趨勢，但近年來極端氣候事件多發背景下，重度寒露風帶來的不利影響仍不可輕視。本文就如何抵御寒露風對晚稻侵害提出以下幾點建議：第一，加強選育抗低溫品種，在寒露風多發地區加以推廣種植；第二，建立低溫冷害檢測預警系統，實現精準、快捷的冷害預測并及時防控；第三，建設與維修相關設施，做好增溫防護；第四，加強對低溫冷害農藝栽培措施研究等。