2023年江蘇省麥收期連陰雨天氣特征及其對冬小麥的影響分析

徐憶菲, 徐 敏, 李 特, 譚 玲

(1.江蘇省氣候中心,南京 210018; 2.江蘇省氣象臺,南京 210018; 3.南京農業大學,南京 210095)

引 言

江蘇省四季分明,光溫資源豐富,地處溫帶和亞熱帶的過渡地區,是我國冬小麥主要種植區域之一[1-2],近年來冬小麥種植面積維持在230萬公頃左右。江蘇省氣象災害種類多且發生頻繁[3],干旱[4]、雨澇[5]、連陰雨[6-7]和凍害[8]等氣象災害是造成冬小麥產量波動的主要原因[9-11],其中,春季連陰雨災害對小麥成熟、收獲期有重要影響[12]。

連陰雨天氣過程特點是日照少,空氣濕度大,有時還伴有漬澇和病害發生。冬小麥灌漿成熟期對外界環境較為敏感[13],需要適宜的溫濕度和光照,陰雨天氣造成光照嚴重不足,不利于有機物合成積累,導致冬小麥粒重降低,影響冬小麥產量。尤其麥收期間田間高溫高濕會造成小麥穗上發芽、籽粒霉變,易誘發赤霉病、銹病等病害,嚴重影響糧食品質[14]。歷史統計結果表明,江蘇省不同強度的春季連陰雨造成夏糧氣象產量發生減產的概率達30%～60%[15]。

江蘇省春季連陰主要集中在3、4月,5月發生連陰雨的頻率相對較少[15-16]。然而,5月正值小麥成熟灌漿期,連陰雨天氣對小麥產量有較大不利影響。例如,2002年5月下旬江蘇省出現連陰雨天氣,誘發三麥赤霉病大流行,導致夏糧大幅減產,單產降低8.2%[9]。因此,加強對麥收期連陰雨的監測預警是降低其對冬小麥產量影響的有效途徑[17-18]。

2023年江蘇省遭遇了夏糧播種以來持續時間最長的一次連陰雨天氣,其間伴隨強降水和階段性高溫,對作物生長和收獲產生了不利影響。本文擬利用2023年麥收期間氣象資料和ERA5再分析資料,結合2008-2022年冬小麥生育期數據,分析2023年江蘇省麥收期間連陰雨天氣過程、大尺度環流背景,并分析其對冬小麥生長的影響。為天氣變化對江蘇省作物生長影響分析和產量預報提供參考,同時也為農業氣象不利條件的及時預報預警積累經驗。

1 數據來源

所用的數據資料包括:(1)2023年5月26日-6月6日江蘇省自動站逐小時觀測資料,來源于中國氣象局氣象信息中心。(2)2022-2023年徐州市冬小麥產量結構三要素來源于徐州市農業氣象站,2023年江蘇省冬小麥收獲進度資料來源于江蘇省農業農村廳,1961-2023年江蘇省降水日數、累計降水量、最高氣溫、日照時數觀測資料、2008-2023年江蘇省冬小麥生育期數據、2023年5月26-31日土壤墑情資料,來源于江蘇省氣象信息中心。(3)大氣環流資料(500 hPa、750 hPa、800 hPa位勢高度場、風場(m/s)、水汽通量(kg/(m·s))、散度(kg/(m2·s))來源于歐洲中期天氣預報中心再分析數據(ECMWF Reanalysis v5, ERA5),網址:https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels?tab=overview,水平分辨率0.25°×0.25°,時間間隔1 h。

2 連陰雨天氣特征概況

2023年江蘇省冬小麥5月22日收獲開始至6月15日麥收基本結束,其間共經歷了兩次連陰雨天氣過程,分別為5月26-31日、6月4-6日。其中,5月26-31日的連陰雨是2023年夏糧生長過程中降水持續時間最長、范圍最廣的一次連陰雨過程。此次連陰雨天氣過程期間,淮北大部、江淮之間南部、蘇南大部分地區累計雨日達4～6天(圖1a), 全省降水日數較常年同期偏多4成,16個站點雨日數突破1961年以來歷史同期值,31個站點達歷史同期前3位(占全省44%)?；幢贝蟛?、蘇南局部地區降水量約為51～160 mm,其他地區的約為11～47 mm(圖1b)。降水量與常年同期相比,淮北偏多3～4倍,蘇南、江淮之間中部偏多2～3倍。尤其5月28-29日淮北地區出現強降水過程,局部暴雨,過程累計降水量超160 mm,并伴有短時強降水和雷暴大風等強對流天氣過程。

圖1 2023年江蘇省5月26—31日降水日數(a)、降水量(b)、最高氣溫(c)及日照時數(d)分布圖降水量單位:mm,氣溫單位:℃,日照時數單位:h

此次連陰雨期間還伴有明顯高溫天氣出現。5月26-31日連陰雨期間,淮河以南地區極端最高氣溫為32～37 ℃(圖1c),24個站點最高氣溫突破1961年以來歷史同期值,42個站點達歷史同期前3位(占全省60%)。連陰雨期間,全省日照時數普遍偏少,淮北、江淮之間地區日照時數不足10 h,蘇南地區約20～29 h(圖1d),與常年同期相比,淮北、江淮之間偏少50%～80%,蘇南地區偏少20%～40%?？梢?月下旬連陰雨過程有降水日數多,范圍廣,雨量大,短時強降水特征明顯,伴有高溫天氣及日照偏少等特點。

3 環流形勢與天氣過程

2023年5月下旬連陰雨天氣期間500 hPa位勢高度場上,貝加爾湖附近存在低渦系統,低壓槽延伸至我國華北地區,槽后偏北氣流引導冷空氣南下,從而影響江蘇北部地區(圖2)。同時,隨著臺風“瑪娃”北上,25-30日副熱帶高壓邊緣5880位勢高度線由25°N逐漸北抬至30°N附近,江蘇地區位于副熱帶高壓邊緣,暖濕空氣沿副熱帶高壓外圍西南氣流北上,冷暖空氣在華北和江蘇省淮北地區上空交匯,為連陰雨過程提供了穩定環流形勢。

圖2 2023年5月25-30日(a-f)逐日08時500 hPa環流形式場等值線為位勢高度(單位:gpm),箭頭表示風場

850 hPa環流形勢場上,副熱帶高壓邊緣的西南氣流與臺風系統為華北和江蘇地區提供了較好的水汽輸送條件。25-26日受副熱帶高壓邊緣西南暖濕氣流控制,我國西南地區有一東北-西南向較強水汽通量帶影響江蘇地區(圖3a、b),水汽通量最大值為20 g/(s·hPa·cm)。27-29日該水汽通量大值區北抬,但受臺風影響,來自海洋的暖濕氣流又為江蘇地區補充了水汽,為本次連陰雨過程提供了有利的水汽條件。此外,27-28日貝加爾湖以東地區的低渦引導冷空氣南下,副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流在華北東部和江蘇淮北地區產生明顯東北-西南向切變線,使連陰雨期間有強降水過程(圖3c、d)。

圖3 2023年5月25-30日(a-f)逐日08時850 hPa環流形式場等值線為位勢高度(單位:gpm),箭頭表示風場,彩色陰影為水汽通量(單位:g/(s·hPa·cm))

在本次連陰雨過程中,江蘇省位于副熱帶高壓邊緣和東北冷渦延伸出的槽底位置,主要受低層的切變影響。26日在蘇南地區850 hPa有切變生成,疊加大尺度環流場的水汽輸送,使該過程期間蘇南地區產生降水,長江以南地區24 h累計降水量在20～55 mm(圖4a)。27日蘇南地區切變系統減弱,雨勢漸止,同時江蘇北部地區有低層切變線南壓,全省地面空氣相對濕度在80%以上(圖5b)。伴隨27-30日江蘇北部切變緩慢南移,江蘇省自北向南出現降水過程,淮河以北地區24 h雨量普遍在50 mm以上(圖4b-d)。本次降水過程后,5月31日-6月1日江蘇省受副高控制,氣溫迅速達到30 ℃以上,省內大部分地區相對濕度大于70%(圖5f),蘇南地區在6月2日出現35 ℃以上高溫。

圖4 2023年5月26日-6月1日(a-f)逐日24 h累計降水量單位:mm

圖5 2023年5月26日-6月1日(a-f)逐日24 h平均地面相對濕度量單位:%

與歷史同期平均態相比,此次連陰雨過程中烏拉爾山脈附近高壓脊較強,貝加爾湖附近低槽強度較大,均相較歷史同期偏強約40～60 gpm(圖6)。同時,此次天氣過程中副熱帶高壓偏強,500 hPa副高邊緣位置偏北約5個緯度,偏西約10個經度。上述天氣系統強度與位置差異為江蘇地區麥收期間創造良好的水汽條件,伴隨臺風系統的北上,環流系統有利于降水維持,從而導致了這次持續較長時間的連陰雨過程。先前研究表明,連陰雨與貝加爾湖低槽強度大、副高偏北有較好相關性[19]。因此,在小麥收獲期應重點關注以上天氣環流形勢,提前預警連陰雨天氣對于麥收的不利影響。

圖6 2008-2022年5月25-31日500 hPa位勢高度平均態(a)與2023年同期(b)對比圖彩色陰影表示2023年5月25-31日500 hPa位勢高度較2008-2022年同期距平

4 連陰雨對江蘇省冬小麥影響及討論

圖7為基于衛星遙感提取的江蘇省冬小麥種植分布圖。從圖7可以看出,江蘇省小麥主要種植區集中在淮北、江淮之間地區,與本次連陰雨期間主要降水區域相吻合(圖4)。5月下旬江蘇小麥處于灌漿至成熟收獲期,持續陰雨寡照不利于冬小麥光合作用進行,影響有機物積累,不利于籽粒灌漿成熟。徐州市冬小麥產量結構三要素數據表明,2023年冬小麥千粒重較2022年的減少3.94g。此外,分期播種試驗結果表明,播期越遲的地塊冬小麥千粒重越低。結合農業部門調查數據和生育期統計數據分析發現,受此次連陰雨過程影響,淮北部分地區小麥成熟期偏晚,靠近安徽、河南的江蘇西北部個別田塊穗芽麥在20%～30%,其他地區小麥質量基本正常?？梢钥闯?淮北地區冬小麥因為在連陰雨前后完成蠟熟而未收割導致小麥穗發芽,還處在乳熟后期的小麥基本沒有穗發芽情況出現。同時,淮北地區多種植白皮半冬性品種小麥,具有分蘗期長、幼穗分化期長、灌漿期短、不抗穗發芽的特性,在連陰雨天氣的影響下,易發生“爛麥場”“穗發芽”等現象,而蘇南地區多種植紅皮春性品種,抗穗發芽能力相對較強。因此,淮北地區冬小麥質量受到連陰雨天氣影響更大。

圖7 2023年江蘇省基于衛星遙感提取的冬小麥種植分布圖

同時,持續陰雨天氣導致土壤過濕。據統計,此次連陰雨期間全省大部分地區土壤濕度偏大,尤其5月30-31日,約39個站點10 cm深度土壤相對濕度超過85%(占全省49%),淮北和東部沿海部分地區10 cm深度土壤相對濕度超90%以上,基本達到飽和,不利于收割機械下田作業,影響小麥收獲進度。表1為2023年冬小麥收獲進度和2008-2023年近16年的對比情況。由表1可看出,2023年淮北冬小麥收獲期較歷史平均收獲期推遲3天,蘇中、蘇南小麥收獲期推遲2天,小麥收獲進度約推遲1～2天,淮北地區冬小麥收獲進度受到的影響大于蘇南地區受到的影響。通過對比2008-2023年麥收期天氣情況及其對冬小麥后期生長的影響,發現江蘇省受連陰雨影響的年份有2010、2013、2016、2019和2023年,表明近16年來江蘇省麥收平均受連陰雨影響的頻次為3.2年/次。從影響結果來看,除2016年和2023年淮北局部地區有穗發芽現象外,其他年份連陰雨天氣對冬小麥的影響主要表現為小麥成熟收獲進度延遲。

表1 2023年江蘇省冬小麥收獲期與2008-2022年平均收獲日期對比

總體來說,麥收期間連陰雨天氣對江蘇省小麥的影響主要和生育期、作物品種、連陰雨強度有關。隨著全球變暖溫度升高[20-22],未來極端降水強度和頻次都有增加趨勢[23-24],麥收期降水給冬小麥帶來的負面影響可能會越來越大,持續時間長的降水還會造成冬小麥澇害[14, 25],造成小麥千粒重下降。因此,在育種方面,除了要培育高產、優質的小麥品種外,可以突出培育早熟或抗穗發芽的品種[26-27],適時早播或在收獲期適時提前收割,以盡量避免連陰雨災害影響,減少或避免糧食損失。在農業氣象服務方面,針對麥收期間連陰雨應提升災害風險預警的時間提前量和空間精準度。在農業生產方面,提前加強冬小麥后期田間管理和合理肥水調控,改善田間通透條件,避免連陰雨前冬小麥灌漿期澆水量過大[23, 28]及肥料施用時間過遲、施用量過多等[29],造成作物貪青晚熟。同時,不斷提高減災抗災能力[11, 30],降低麥收期間連陰雨天氣對小麥產量和質量帶來的不利影響。

5 結 論

本文針對2023年江蘇省麥收期間的連陰雨過程,從天氣形勢、小麥生長期和連陰雨對麥收影響等方面進行分析,為未來提前預報預警連陰雨對小麥造成的不利影響積累經驗,主要結論如下。

(1)2023年5月下旬的連陰雨是2023年江蘇省夏糧播種以來降水持續時間最長、范圍最廣的一次連陰雨過程。本次連陰雨期間全省31個站點(占全省44%)降水日數、42個站點(占全省60%)極端最高氣溫達1961年以來歷史同期前3位,具有降水日數多、范圍廣、雨量大、短時強降水特征明顯、伴有高溫天氣出現及日照時數少等特點。連陰雨過程造成淮北地區個別田塊穗芽麥在20%～30%。徐州市農氣站大田冬小麥產量結構三要素結果表明,2023年冬小麥千粒重較2022年的減少3.94 g?；幢倍←準斋@期較2008-2022年的推遲3天,蘇中、蘇南小麥收獲期推遲2天,小麥收獲進度約推遲1～2天?；幢钡貐^冬小麥質量和收獲期受到的影響大于蘇南地區受到的影響。

(2)此次連陰雨過程中500 hPa位勢高度場上,烏拉爾山脈附近高壓和貝加爾湖附近低槽強度偏強40～60 gpm,副熱帶高壓偏北約5個緯度,為連陰雨過程提供了穩定環流形勢;850 hPa環流場上,副熱帶高壓邊緣的西南氣流與臺風“瑪娃”系統為江蘇地區提供了有利的水汽輸送條件,多系統共同作用下形成了這次較長時間的連陰雨過程。小麥收獲期應重點關注貝加爾湖低槽和副高等天氣環流形勢,提前預報預警連陰雨天氣對于麥收的不利影響。

(3)麥收期間連陰雨天氣對江蘇省小麥的影響主要與生育期、作物品種、連陰雨強度有關。近16年來江蘇省麥收平均受連陰雨影響的頻次為3.2年/次,在播種方面應推廣早熟或抗穗發芽的小麥品種,適時早播或在成熟收獲期可以適時提前收割,可以避免麥收期間連陰雨災害影響,減少或避免糧食損失。