1961-2014年东北三省水稻生长季极端高温事件分析

王秀芬，王春艳，尤 飞

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

IPCC第5次评估报告用多源观测证明全球变暖是一个正在发生的客观事实。报告指出，最近的3个10年比1850年以来其他任何10年都更温暖；全球几乎所有地区都经历了升温过程，1880-2012年全球平均地表温度升高了0.85℃[0.65～1.06℃]，2003-2012年的平均温度比1850-1990年的平均温度升高了0.78[0.72～0.85][1]。在地表平均气温升高的背景下，其极端值也在发生着变化，极端天气和气候事件的频繁发生使得国内外众多学者越来越关注对极端气候的研究[2]。通过对极端气候相关研究文献的分析，发现前人对极端气温变化的研究多集中在全国或各省、市、区等不同地区全年或分季节极端高温和极端低温的平均变化及极端冷指数、极端暖指数等的时空分布特征，采用的分析指标更多的偏重于人们的体感方面，主要包括霜冻日数、结冰日数、暖夜日数、暖昼日数、冷夜日数、冷昼日数等[2-15]。而极端天气气候的变化除了对人们适宜性造成影响外，对农作物生产也造成了不同程度的影响。然而，对于与农作物生产相关的极端气温变化研究还较为缺乏。中国是世界上最大的水稻生产国，水稻种植面积和总产量分别占据世界的第二和第一位，而东北地区水稻种植面积占全国粳稻总面积的50%左右[16]。因此，本研究以水稻生长季为研究时段，结合水稻不同生育期的三基点温度指标，系统细致的分析东北地区水稻生长季内极端高温、指标的时空变化特征，揭示东北三省水稻生长季内极端气温的时空变异，为水稻更好适应未来气候变化，趋利避害，充分利用热量资源提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文所选取的气象资料来自于“中国气象科学数据共享服务网”中公布的黑龙江省、吉林省和辽宁省气象站点的逐日最高温度观测数据。为了保证1961-2014年54年数据资料的完整性，筛选出67个站点进行分析(图1)。

1.2 研究方法

1.2.1 东北地区水稻生育阶段划分

本研究水稻生育期数据来源于中国种植业信息网逐年水稻生育期调度数据，2011-2017年黑龙江、吉林和辽宁省6月上旬至8月下旬水稻生育期调度数据见表1。

表1 东北三省水稻生育期调度数据

注：1、2、3分别代表一个月中的上旬、中旬、下旬，如61表示6月上旬，62表示6月中旬，63表示6月下旬，以此类推。

图1 研究区域站点分布图

1.2.2 水稻不同生育阶段界限温度

在水稻高温热害的研究中，前人多采用连续 3 d日最高气温超过35 ℃作为水稻高温热害的指标，本研究沿用此指标[17-19]。根据有关文献的研究结果[20]，确定了水稻各生育期的高温危害指标(表2)。

表2 水稻不同生育时期三基点温度指标

1.2.3 研究指标确定

本研究采用高温日数、高温持续日数、高温出现频率、持续高温出现频率、高温积温和持续高温积温作为高温热害频率和强度指标，定量分析高温的时空变化特征。具体指标解释如下。

(1)高温日数(high temperature days,HTD)：连续3 d日最高气温超过35℃的累积天数。

(2)高温持续日数(continuous high temperature days,CHTD)：一次高温事件中，日最高气温超过35 ℃持续的日数。

(3)高温出现频率(high temperature occurrence frequency，HTOF)：统计年数内日最高气温超过35 ℃天气出现年数除以总的统计年数，用百分数来表示。

图2 日最高气温超过35℃出现天数和连续3 d日最高气温超过35℃出现天数

(4)持续高温出现频率(continuous high temperature occurrence frequency，CHTOF)：统计年数内连续3 d以上日最高气温超过35 ℃天气出现年数除以总的统计年数，用百分数来表示。

(5)高温积温(high temperature accumulated temperature，HTAT)：指单日最高气温超过35 ℃部分的和。

(1)

(2)

(6)持续高温积温(continuous high temperature accumulated temperatureCHTAT)：指连续3 d及以上日最高气温超过35 ℃部分的和，它不仅反应高温持续时间，也反应高温热害强度。

(3)

(4)

2 结果分析

2.1 极端高温天气时间变化趋势分析

从水稻不同生育阶段三基点温度来看，水稻在抽穗期之前能承受的最高温度为35℃。图2a为1961-2014年每年东北三省67个站点日最高气温超过35℃出现天数的累加。从图中可以看出，日最高气温超过35℃天气出现天数表现为增多的趋势。从日最高气温超过35℃天气出现天数累计超过100 d的发生频率来看，1995年以后，该频率明显提高，从1970年代、1980年代的约每10年一次提高到约每3年一次，且累计天数的最高值也表现为增加的趋势，累计天数最高的是2000年，达到了306 d，平均每个站点出现约5 d。进一步分析连续3 d日最高气温超过35℃天气出现天数，由图2b可知，东北三省在1990年代和2000年代两个年代连续3 d日最高气温超过35℃天气出现天数占到总发生天数的66.5%。而在2010年代的前4年67个站点中仅有1个站点出现过1次连续3 d日最高气温超过35℃的情况，也就是说2010年代的前4年东北三省基本没有发生水稻高温灾害。

2.2 极端高温天气发生时段分析

高温天气发生在水稻的不同生育阶段，其对作物的影响也是不同的。从表3可以看出，连续3 d日最高气温超过35℃天气主要出现在6月中下旬和7月上中旬，占到总发生次数的72%。与表1中东北三省水稻生育期对照得知，6月中下旬正处于东北水稻的返青-分蘖期，黑龙江和吉林有些年份进入拔节期；7月中下旬东北三个省的水稻生育期阶段略有差别，黑龙江省和吉林省水稻处于分蘖-拔节-孕穗期；辽宁省水稻处于分蘖拔节期，还未进入孕穗期。

表3 连续3 d日最高气温超过35℃天气出现次数统计(次)

2.3 高温持续日数(CHTD)分析

从图3可以看出，日最高气温超过35℃天气以持续3 d出现次数为最多，占到总次数的62.4%；其次是持续4 d，出现次数占到总次数的23.9%，出现5～7 d的次数较少。

图3 CHID出现次数分布

图4 1961-2014年HTOF和CHTOF空间分布图

2.4 高温发生频率分析

图4a为1961-2014年各站点HTOF，即各站点1961-2014年内出现日最高气温超过35℃天气的年数除以总年数(54年)。从图中可以看出，日最高气温超过35℃天气在东南部地区出现的频率较低，普遍小于20%，而在吉林、辽宁西部地区则较高，普遍在40%以上。图4b为1961-2014年各站点CHTOF，即各站点1961-2014年内连续3 d日最高气温超过35℃天气出现的年数除以总年数(54年)。从图4中可以看出，总体来说，CHTOF较低，共有18个站点未出现过连续3 d日最高气温超过35℃的天气，占到站点总数的29.9%，主要分布在辽宁省的南部和吉林省的西南部；有24个站点的出现频率小于4%，主要分布在黑龙江省大部，有12个站点的出现频率位于4%～8%之间，有11个站点的出现频率大于8%，出现频率相对较高的站点主要集中分布在辽宁省的西部和吉林省的西北部，其中出现频率最高的站点为辽宁省朝阳市，其连续3 d日最高气温超过35℃天气的频率为27.78%。

从HTOF年代际变化来看(图5)，首先，从发生区域来看，1960年代到2000年代，日最高气温超过35℃天气出现的区域表现为从西部到东部不断扩大的趋势，到1990年代，仅有两个站点未出现日最高气温超过35℃的天气，到1990年代和2000年代分别仅有3个和5个站点未出现日最高气温超过35℃的天气。因2010年代仅统计了2011-2014年4年的数据，因此，不与前5个年代进行对比。4年间有30个站点未出现日最高气温超过35℃天气，占到站点总数的45%；21个站点4年中有1年出现日最高气温超过35℃的天气，即出现频率为25%，占到站点总数的31%；有14个站点4年中有2年出现日最高气温超过35℃的天气，即出现频率为50%；仅有2个站点4年中有3年出现了日最高气温超过35℃的天气。其次，从发生程度来看，HTOF大于40%的站点总体上表现为增加的趋势(1980年代除外)，到2000年代，有58%的站点HTOF大于40%；从空间分布来看，HTOF较大的站点集中分布在吉林和辽宁省的西部地区。

2.5 高温积温分析

图6a为各站点1961-2014年日最高气温超过35℃时超过35℃部分的累积和，即HTAT。从图6a中可以看出，67个站点中有52个站点(77.6%)的HTAT都小于50℃，其中有25个站点的HTAT不到20℃；HTAT大于100℃的站点集中分布在在吉林和辽宁的西部，占到站点总数的10%。图6b为各站点1961-2014年连续3 d日最高气温超过35℃时超过35℃部分的累积和，即CHTAT。从图中可以看出，67个站点中有52个站点(77.6%)的CHTAT都小于20℃，其中有18个站点未出现连续3 d日最高气温超过35℃的天气；CHTAT大于50℃的站点有6个，同样集中分布在吉林和辽宁的西部。

从HTAT的年代际变化来看(图7)，从1960年代到2000年代(1980年代除外)表现为增加的趋势，到2000年代，黑龙江、吉林和辽宁省西部站点的HTAT大部分都达到了10℃以上。2010年代仅统计了前4年的数据，因此日最高气温超过35℃未出现站点较多，但也有5个站点的HTAT超过了10℃。

3 结论和讨论

文中利用东北三省67个地面观测站的逐日最高气温资料，分析了1961-2014年东北三省水稻生长季节的极端温度变化特征，得到主要结论：

(1)1961-2014年，东北地区日最高气温超过35℃天气出现天数表现为增加趋势，连续3 d日最高气温超过35℃天气出现次数也表现为增加趋势，且在1990年代和2000年代出现次数最多。

(2)东北地区连续3 d日最高气温超过35℃天气主要集中出现在6月中旬到7月中旬，即水稻的分蘖-拔节-孕穗期。

图7 HTAT年代际变化

(3)东北地区日最高气温超过35℃天气持续日数以3 d出现次数为最多，占到总数的62.4%；持续日数达到4 d的出现次数占到总数的23.9%。

(4)从发生频率来看，东北地区日最高气温超过35℃天气和连续3 d日最高气温超过35℃天气的发生频率在空间上总体均呈从西向东递减的趋势；从年代变化来看，日最高气温超过35℃天气发生频率从1960年代到2000年代(1980年代除外)普遍表现为增加的趋势；从空间上来看，发生频率较高的站点集中分布在辽宁和吉林的西部。

(5)从高温积温来看，HTAT和CHTAT在空间分布上也表现为西高东低的分布格局，发生频率较高的区域其积温也相对较高。即总体来看，东北三省西部地区水稻发生高温热害的频率较高、发生程度也较高。