江蘇省單季稻生育期內(nèi)降水分配格局的時空變化

徐陽　孫莉娟　黃進(jìn)

摘要：利用江蘇省52個氣象站1961-2012年逐日降水資料及單季稻產(chǎn)量逐年數(shù)據(jù)，計算了生育期5-10月的降水分配指數(shù)，探討了降水分配格局的時空變化及與產(chǎn)量的潛在聯(lián)系。結(jié)果表明，江蘇省單季稻生育期內(nèi)降水分配呈現(xiàn)出較強(qiáng)的不均勻性，雨量主要集中于50 mm以上日降水事件和夏季的7月，其中北部地區(qū)的降水集中性要明顯高于南部地區(qū)；近50年來單季稻生育期內(nèi)降水分配格局的不均勻性呈現(xiàn)加劇態(tài)勢，突出體現(xiàn)在南部地區(qū)50 mm以上降水和8月降水對雨量貢獻(xiàn)率的顯著增加；單季稻產(chǎn)量與降水分配格局存在著一定的相關(guān)性，降水集中性越高對產(chǎn)量越不利，降水分配指數(shù)中，以50 mm以上降水的雨量貢獻(xiàn)率對產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)最為顯著，且南部地區(qū)的單季稻產(chǎn)量對這一指標(biāo)的波動更為敏感。

關(guān)鍵詞：單季稻；降水分配指數(shù)；江蘇省

中圖分類號：P426.6；S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）03-0027-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.03.007

Abstract： Based on the data of daily precipitation and single-crop rice yield at 52 meteorological stations in Jiangsu province during 1961 to 2012，the precipitation distribution indices during growing periods from May to October were calculated，and the possible relationship between spatio-temporal variability of precipitation distribution pattern and rice yield was explored. The results showed that，the precipitation distribution during growing periods of single-crop rice in Jiangsu had strong ununiformity，precipitation was mainly concentrated in the daily rainfall events with amount above 50 mm and July of summer，and the precipitation concentration in north Jiangsu was higher than that of south Jiangsu. The precipitation distribution during growing periods of single-crop rice in Jiangsu was intensifying in recent 50 years，and contribution of the rainfall events with amount above 50 mm and the precipitation of August in south Jiangsu had significant increasing trends. There was a certain correlation between precipitation distribution pattern and single-crop rice yield，the higher precipitation concentration would bring the less yield. Among the precipitation distribution indices，the negative impacts of the contribution of rainfall events with amount above 50 mm to yield were more obvious，and single-crop rice yield in south Jiangsu was more sensitive to the variability of the precipitation indicator.

Key words： single-crop rice； precipitation distribution indices； Jiangsu province

在全球氣候不斷變暖和人類城市化進(jìn)程加劇的大背景下，區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)水氣循環(huán)發(fā)生變異， 強(qiáng)降水、洪澇、干旱等水文氣象極端事件頻發(fā)，對人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生直接或間接的影響[1]?；诖?，探討區(qū)域降水要素的變化及對水循環(huán)的影響得到了廣泛關(guān)注。區(qū)域的水旱災(zāi)害既與降雨量及強(qiáng)度有關(guān)，同時也與降水年內(nèi)分配的不均勻性關(guān)系密切[2]。近年來，采用不同定義類型的降水指數(shù)探討特定時段內(nèi)降水分配格局的時空變化已成為中國氣象、水文、農(nóng)業(yè)學(xué)者的重要研究方向。

江蘇省位于中國洪澇等極端氣象災(zāi)害多發(fā)的長江中下游，是中國水稻主產(chǎn)區(qū)之一，全省以種植單季稻為主，產(chǎn)量占全省糧食總產(chǎn)60%左右，約占全國水稻總產(chǎn)的10%，單產(chǎn)則常年穩(wěn)居全國各主產(chǎn)省份之首[3]。鑒于該省對中國糧食安全保障的重要作用，其單季稻生育期內(nèi)極端氣候事件的演變特征受到了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究主要集中在生育期內(nèi)高溫?zé)岷偷蜏乩浜Φ哪觌H變化[4-6]，而降水分配格局的時空變異則鮮有報道。因此，本研究重點(diǎn)探討了江蘇省單季稻生育期內(nèi)降水分配格局的時空演變及對產(chǎn)量的潛在影響，以期為揭示氣候變化背景下該地區(qū)降水變異特征以及水稻種植的防災(zāi)減災(zāi)起到重要參考作用。

1 材料與方法

1.1 基本數(shù)據(jù)

所用氣象數(shù)據(jù)來源于江蘇省氣象局提供的本省52個氣象觀測站1961-2012年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，這52個站點(diǎn)的空間分布具體見圖1。為保證日降水?dāng)?shù)據(jù)的科學(xué)有效，采用加拿大氣象研究中心研發(fā)的RClimDex軟件對各站點(diǎn)的降水資料進(jìn)行質(zhì)量控制和均一性檢驗(yàn)，結(jié)果表明這52個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)均通過了檢驗(yàn)。與此同時，本研究以江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒為依托，收集、篩查、匹配、整理了圖1中各站點(diǎn)所在的52個單季稻種植區(qū)1961-2012年產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

1.2 降水分配指數(shù)的計算

降水貢獻(xiàn)率（Contribution for precipitation amount，簡稱為CP）是衡量降水分配格局的最常用指標(biāo)，其表示為某一分類情況下的降水量占總降水量的比值[7]。降水分配格局不僅表現(xiàn)在雨量如何分配在不同強(qiáng)度的日降水事件，還體現(xiàn)在雨量如何分配在不同月份[8]。鑒于江蘇省單季稻全生育期大致為5-10月這6個月[9]，本研究定義了兩類降水分配指數(shù)（Precipitation distribution index，簡稱為PDI），一類為日降水分配指數(shù)，具體為<10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm、>50 mm這6個強(qiáng)度降水事件對生育期總降水量的貢獻(xiàn)率，依次記作CP_<10 mm、CP_10～20 mm、CP_20～30 mm、CP_30～40 mm、CP_40～50 mm、CP_>50 mm；另一類為月降水分配指數(shù)，具體為5、6、7、8、9、10月這6個月降水對生育期總降水量的貢獻(xiàn)率，依次記作CP_May、CP_Jun、CP_Jul、CP_Aug、CP_Sep、CP_Oct。在此基礎(chǔ)上，提取計算了各站點(diǎn)生育期內(nèi)不同類型降水分配指數(shù)的逐年序列（1961-2012年），并采用世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用于診斷氣溫、降水、徑流等水文現(xiàn)象的非參數(shù)檢驗(yàn)法——Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)（M-K檢驗(yàn)）來探求PDI的變化趨勢[10]。

1.3 單季稻產(chǎn)量與PDI的相關(guān)分析

為了規(guī)避非氣象因素對產(chǎn)量的影響，僅考慮氣象因素與作物產(chǎn)量的相關(guān)性，對單季稻產(chǎn)量（y）和某個降水分配指數(shù)（x）的逐年序列先進(jìn)行一階差分預(yù)處理[11]，即：△yt=yt-yt-1；△xt=xt-xt-1。式中，△yt為產(chǎn)量差，△xt為PDI差，t為年份。此后，通過計算△yt與不同月份的△xt之間的Person相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而探討研究區(qū)產(chǎn)量與PDI的可能聯(lián)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水分配格局的基本特征

各站點(diǎn)單季稻生育期內(nèi)日、月降水分配指數(shù)多年均值的統(tǒng)計結(jié)果見圖2。由圖2可知，就日降水分配而言，不同強(qiáng)度降水事件的雨量貢獻(xiàn)率差別較大，對生育期降水量貢獻(xiàn)率最大的為50 mm以上的日降水事件，占總降水量的30.1%；就月降水分配而言，不同月份的降水貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)單峰性分布，對生育期降水量貢獻(xiàn)率最大的月份為7月，占總降水量的28.4%?？傮w而言，江蘇省降水分配格局呈現(xiàn)出較強(qiáng)的不均勻性，單季稻生育期內(nèi)的降雨量多集中于暴雨事件和7月。

由圖3a和3b可以發(fā)現(xiàn)，江蘇省CP_>50 mm和CP_Jul的空間分布特征極為明顯，均呈現(xiàn)出由南往北遞增的梯度變化。江蘇省北部的某些地區(qū)CP_>50 mm超了35%，而西北部的CP_Jul大都超過了32%。這表明相對南部地區(qū)，北部地區(qū)單季稻生育期內(nèi)的降水集中性更高，旱澇風(fēng)險更大，這與Wang等[12]利用降水集中性指數(shù)（PCI）和降水集中度（PCD）計算的結(jié)果相一致。該省特有的地理位置可能是造成降水分配格局南北差異的主要原因。一方面，隨著春夏季節(jié)過渡，副高逐漸北抬加強(qiáng)與江淮梅雨鋒系共同作用，以及東北沿海地區(qū)登陸的臺風(fēng)，造成江蘇省北部地區(qū)暴雨發(fā)生幾率較高，使得雨量多集中于少數(shù)強(qiáng)降水事件[13]；另一方面，江蘇省南部地區(qū)位于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，其雨季較長；而北部地區(qū)位于南溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，其雨季較短，這使得江蘇省北部降水更集中于某些月份[14]。

2.2 降水分配格局的變化趨勢

對52個站點(diǎn)降水分配指數(shù)的年際變化序列進(jìn)行M-K趨勢檢驗(yàn)分析，具體結(jié)果見圖4。由圖4a可以發(fā)現(xiàn)，在超過70%的站點(diǎn)上，CP_<10 mm、CP_10～20 mm、CP_20～30 mm、CP_30～40 mm均呈現(xiàn)減少趨勢，而近75%站點(diǎn)的CP_>50 mm呈現(xiàn)出增加趨勢。這些結(jié)果表明江蘇省大部分地區(qū)單季稻生育期內(nèi)的降水越來越集中于少數(shù)強(qiáng)降水事件。由圖4b可以發(fā)現(xiàn)，在超過60%的站點(diǎn)上，CP_Jun、CP_Jul、CP_Aug均呈現(xiàn)增加趨勢；反觀CP_May、CP_Sep、CP_Oct，其絕大多數(shù)站點(diǎn)呈現(xiàn)出減少趨勢，特別是所有站點(diǎn)的CP_Sep和CP_Oct均呈現(xiàn)出減少趨勢，其中近50%站點(diǎn)的CP_Sep的減少趨勢通過了顯著性檢驗(yàn)。這些結(jié)果表明江蘇省單季稻生育期內(nèi)月降水分配格局變化顯著，降水越來越集中于夏季的某些月份。

對圖4中呈現(xiàn)顯著增加趨勢的站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)CP_>50 mm和CP_Aug的變化尤為突出。超過20%站點(diǎn)的CP_>50 mm和CP_Aug呈現(xiàn)出顯著增加趨勢，其中CP_Aug呈現(xiàn)顯著增加趨勢的站點(diǎn)比例更是達(dá)到了38%。圖5 給出了江蘇省近52年CP_>50 mm和CP_Aug變化趨勢的空間分布情形，可以發(fā)現(xiàn)這兩個指數(shù)呈顯著增加趨勢的站點(diǎn)大都分布在江蘇省南部。由此可見，江蘇省單季稻生育期內(nèi)降水分配格局變化明顯，尤其是南部地區(qū)暴雨事件和8月降水對雨量的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出顯著增加的態(tài)勢，這與東亞夏季風(fēng)的年際變化以及江蘇省的城市化效應(yīng)關(guān)系密切。近30年來，熱帶中、東太平洋海溫的年代際異常導(dǎo)致夏季風(fēng)減弱、西太平洋副熱帶高壓偏南、偏西，進(jìn)而使得季風(fēng)北上受阻，其所攜帶的大量水氣在長江下游特別是淮河以南廣大地區(qū)穩(wěn)定滯留和輻合，因而導(dǎo)致南部地區(qū)暴雨事件及8月降水增加顯著[15]。此外，江蘇省南部地區(qū)較高的城市化水平誘發(fā)了更為強(qiáng)烈的熱島效應(yīng)、大氣污染以及下墊面阻礙效應(yīng)，使得對流天氣更易產(chǎn)生、成雨凝結(jié)核較多、降水滯留時間更長，進(jìn)而導(dǎo)致南部地區(qū)降水分配格局的變化更為顯著[16]。

2.3 單季稻產(chǎn)量與降水分配指數(shù)的相關(guān)性分析

在一階差分預(yù)處理的基礎(chǔ)上，計算了各站點(diǎn)單季稻產(chǎn)量與降水分配指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，用來探求生育期降水分配格局變化對單季稻產(chǎn)量的可能影響。由圖6a可以發(fā)現(xiàn)，超過60%的站點(diǎn)的CP_<10 mm、CP_10～20 mm、CP_20～30 mm、CP_30～40 mm這4個指數(shù)均和單季稻產(chǎn)量呈正相關(guān)，近75%站點(diǎn)的CP_>50 mm與單季稻產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，這表明生育期內(nèi)降水集中于少數(shù)強(qiáng)降水事件會制約單季稻產(chǎn)量的形成。由圖6b可以發(fā)現(xiàn)，超過75%站點(diǎn)的CP_May、CP_Jun與單季稻產(chǎn)量呈正相關(guān)，而超過65%站點(diǎn)的CP_Jul、CP_Aug與單季稻產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。反觀CP_Sep和CP_Oct，呈現(xiàn)正負(fù)相關(guān)性的站點(diǎn)比例差異相對較小。7月和8月是江蘇省降水貢獻(xiàn)最大的兩個月份，圖6b的結(jié)果表明生育期內(nèi)降水集中于少數(shù)月份會對單季稻產(chǎn)量的形成帶來一定的負(fù)效應(yīng)。綜合圖6a和圖6b可以得出，生育期內(nèi)降水分配呈現(xiàn)較高集中性將不利于江蘇省單季稻產(chǎn)量的形成，降水分配指數(shù)的年際變化對產(chǎn)量波動有一定指示作用。值得一提的是，諸多不同類型的降水分配指數(shù)中，CP_>50 mm對單季稻產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)最為明顯，近35%站點(diǎn)的CP_>50 mm與單季稻產(chǎn)量呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性，而這些站點(diǎn)多數(shù)分布在江蘇省南部地區(qū)（圖7）。由此可知，江蘇省單季稻產(chǎn)量與CP_>50 mm的相關(guān)性有著明顯的地域差異，南部地區(qū)的單季稻種植對強(qiáng)降水的年際波動更為敏感?；诖耍訌?qiáng)對50 mm以上強(qiáng)降水事件的監(jiān)測預(yù)報，不僅有助于評估降水導(dǎo)致的水稻產(chǎn)量損失，還將為研究區(qū)水稻雨澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論

52個站點(diǎn)降水分配指數(shù)多年均值的統(tǒng)計結(jié)果表明，江蘇省單季稻生育期內(nèi)降水分配格局呈現(xiàn)出較強(qiáng)的集中性，其中50 mm以上日降水事件和7月降水對總雨量貢獻(xiàn)最高。各站點(diǎn)50 mm以上降水和7月降水對生育期總降水量的貢獻(xiàn)率均呈現(xiàn)出明顯的空間梯度變化，其中江蘇省北部地區(qū)的降水分配更不均勻，降水集中性更高。

52個站點(diǎn)降水分配指數(shù)的M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明，江蘇省單季稻生育期內(nèi)降水分配格局變化明顯，降水越來越集中于少數(shù)強(qiáng)降水事件和夏季某些月份。諸多降水指數(shù)中，50 mm以上降水和8月降水對生育期總降水量的貢獻(xiàn)率的增加趨勢最為顯著，這兩個指數(shù)變化趨勢的空間分布圖表明江蘇省南部降水分配格局的變化更為強(qiáng)烈。

各站點(diǎn)單季稻產(chǎn)量與生育期內(nèi)降水分配指數(shù)的相關(guān)性分析表明，降水分配格局的時空變化對產(chǎn)量有著一定的影響。總體而言，生育期內(nèi)降水越集中于少數(shù)降水事件和某些月份，則對單季稻產(chǎn)量越為不利。諸多降水指數(shù)中，CP_>50 mm的負(fù)效應(yīng)尤為突出，應(yīng)作為指示單季稻產(chǎn)量波動的關(guān)鍵指標(biāo)加以重視。產(chǎn)量與CP_>50 mm相關(guān)性的空間分布表明，江蘇省南部地區(qū)的單季稻種植對強(qiáng)降水事件的負(fù)效應(yīng)更為敏感。

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