中国东北地区农业气候资源丰富，是中国重要的商品粮生产基地，同时也是玉米的最大产区，玉米产量占粮食总产量的40%左右(吕厚荃等，2011)。但是，由于纬度偏高，热量资源有限，且夏季气温不稳定，导致低温冷害的发生，易造成作物减产。进入21世纪以后，东北地区总体气候变化具有明显暖干化趋势，特别是夏天(孙凤华等，2005)，因此，在影响农作物产量的各类农业气象灾害中，干旱的危害逐渐显现，对干旱的防御引起了广泛关注。目前，在干旱和低温冷害方面，学者们已经进行了大量研究，并取得了较为丰硕的成果。但是，考虑某作物生育阶段多种农业气象灾害并发的研究尚少(张星等，2007；高晓容，2012)。在实际生产中，多种致灾因子同时或先后出现是很常见的，而其最终产量所体现的也是多种因素的共同影响，因此，将多种主要灾害综合起来考虑，分析其对农作物生长的影响，具有更加现实的意义。

灾害的危险性评价作为灾害风险评价中最重要的一部分，表征致灾因子自然因素的变异程度及其造成的影响(张继权等，2007)。但是，由于农业气象灾害的复杂性，目前，在风险认识上尚未达成共识，也未形成统一的评价模型。不少研究是以灾害发生可能性，或者以灾害发生的频率为基础，采用概率风险评价模式对灾害进行评价(王静爱等，2008；陈晓艺等，2008)；也有一些研究采用信息扩散理论等模糊不确定性评判方法，对风险进行度量和评估(王杰等，2012；庞西磊，2012；白海玲，2000; Liu et al，2013)；还有一些研究从自然灾害风险评价理论出发，对致灾因子的危险性进行分析和评价(Shahid，2011；He et al，2011)；此外，地理信息系统(GIS)技术也广泛运用到灾害危险性的分析评价中( Pandey et al，2012; Zareiee et al，2010)。

本研究以东北地区玉米为研究对象，综合分析不同生长阶段的干旱和冷害发生规律及影响程度，结合自然灾害风险理论和农业气象灾害风险形成机制，采用风险分析与典型灾害年灾情相结合的方式确定合理的权重，对不同生长阶段的干旱、冷害危险性进行评价，为当地农业气象灾害风险评价和预警提供理论依据。2 研究区概况与资料来源2.1 研究区概况

东北地区位于(38°—54°N，118.5°—135°E)，包括辽宁、吉林、黑龙江3省，面积辽阔，土壤肥沃，是中国重要的农业区。东北地区属于温带湿润、半湿润大陆性季风气候，其农业气候资源有着独特的特点：一是热量资源不足，且年际间变化较大，低温年常发生农作物冷害；二是水资源比较丰富，但降水量的地区分布、季节分配差异大，西部地区降水偏少，春旱频繁(李世奎等，1988)。2.2 资料及其来源

研究所用到的数据资料包括气象资料和作物资料。以东北地区有农业气象观测资料记录的测站为主，选取了35个测站参与研究(图 1)。气象资料采用了1961—2010年50年逐日气象资料。作物发育期资料包括所选测站1981—2010年历年玉米播种、出苗、三叶、七叶、拔节、抽雄、开花、吐丝、乳熟、成熟普遍期日期，以及所选测站所在县1961—2010年历年玉米产量数据。

图 1 研究区域与测站 Fig. 1 Sketch for the research area and the typical stations

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对各个站发育期资料进行处理，采用多年平均值表示该地的一般发育期。为了更加准确合理地进行灾害分析，使其不仅可以反映灾害的发生情况，同时还具有农学意义，考虑分阶段进行灾害的危险性分析和评估。将玉米整个生长季划分为前期和后期两个生育阶段，前期从出苗到拔节，以营养生长为主；后期从抽雄到成熟，以生殖生长为主。根据处理的各站一般发育期资料，得到各站生育前期和后期的具体时间范围。

3.2 指标的选取与量化3.2.1 干旱指标的确定

作物水分亏缺指数作为一种表征农业干旱的指数，一直以来受到研究者的关注(张艳红等，2008)。本研究以玉米生育阶段内潜在蒸散量作为需水指标，以同一阶段有效降水量作为供水指标，采用水分亏缺指数确定干旱指标，反映不同发育阶段作物的水分供需平衡。

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图 2 作物系数变化(Allen et al，1998) Fig. 2 Kc curve(Allen et al，1998)

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在农业干旱等级国家标准(审定稿)^①中虽然有关于作物水分亏缺指数的农业干旱等级，但是，该等级划分方式没有针对特定地区和特定作物，是一种通用型等级标准。在进行区域农业气象灾害研究时，为了更好地反映灾害的发生情况，需要对常用的干旱等级标准进行调整和修正。因此，本研究采用聚类分析法，将各站各年的水分亏缺指数进行聚类分析，分成无旱、轻旱、中旱、重旱等4类，参考农业干旱等级标准，并与各站产量丰歉及历史资料的干旱年作对比，进行调整和验证，最终确定干旱指标(表 1)。
①GB/Txxx-2009，农业干旱等级[S](审定稿)。

为检验指标的准确性，随机选取泰来、白城和朝阳3个代表站，将这3个站50年来用干旱指标判别得到的干旱年，与《中国气象灾害大典》黑龙江卷、吉林卷和辽宁卷(中国气象灾害大典编委会，2007)中所记载的历史灾情进行对比，除了个别年份无记载或者记载十分简略者外，本方法判定的灾害结果与历史记载基本吻合。3.2.2 冷害指标的确定

热量指数结合作物的生长发育特性，考虑作物不同发育阶段的适宜温度、下限温度和上限温度，反映农作物对环境热量状况的响应(王春乙等，1999)

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由于东北地区幅员辽阔，热量指数分布会受到纬度、地形地势等众多因素的影响，因此，本研究采用热量指数距平百分率作为冷害指数(吕厚荃等，2011)，判断分析不同发育阶段冷害的发生情况

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采用聚类分析将各站各年的冷害指数分成3类，并与各站产量丰歉及历史资料的冷害年作对比，进行调整和验证，确定冷害指标(表 2)。

为检验指标的准确性，随机从东北三省35个代表站中各省选取一个站，将判别结果与行业标准的判别结果进行比对，结果表明，行业标准能判断出来发生冷害的年份，本研究所用的冷害指标均能够判别出来；行业标准不能判断出的冷害过程，本研究也能判别出来，除了个别年份灾害大典上缺少相关记载外，冷害指标判别出来的发生冷害的年份，绝大多数都是合理的。由此可见，冷害指标的选取是合理的。3.3 评价模型的建立3.3.1 作物产量的分离

一般农作物实际产量Y可以分离为3个部分：随社会生产水平提高的趋势产量(Y_t)、随历史气象条件波动的气候产量(Y_w)及一般忽略不计的随机“噪声”(ε)

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本研究采用直线滑动平均模拟趋势产量(薛昌颖等，2003)。为了消除短周期波动的影响，滑动步长取11，最终得到35个县的趋势产量(Y_t)。然后将模拟趋势产量从各年产量中剔除，即可获得气象产量；相对气象产量为

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相对气象产量将气象产量变成一种不受历史时期、不同农业技术水平差异影响的相对比值，具有可比性(邓国等，1999a)。它表明了实际单产偏离趋势产量的波动幅值，实际单产低于当时趋势产量的百分率称为“减产率”(相对气象产量百分率为负值)(邓国等，1999b)，即Y_r<0表示减产率。3.3.2 危险性评价模型

气象灾害的危险性，是指气象灾害的异常程度，主要由气象危险因子活动规模(强度)和活动频次(概率)所决定(张继权等，2007)。一般气象危险因子强度越大，频次越高，气象灾害所造成的损失越严重，气象灾害的风险也越大。针对单一灾种，危险性评价可以仅用危险因子的变异强度和灾害的发生频次表示；但是，当同时考虑多种灾害时，仅靠变异强度和频次就不能完全反映危险因子引发的风险所造成的影响程度，因为不同灾害本身对承灾体的影响程度就存在差异，如果忽略危险因子本身的差异，仅用变异强度和频次来描述危险性，势必会平滑掉危险因子本身的特点，在刻画综合灾害危险性时将产生偏差。因此，本研究引入权重的概念，将某一灾害自身危害程度赋予相应的权重，从而在进行东北地区玉米干旱、冷害危险性评价时，危险性的高低表示为

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当有多种灾害发生时，权重系数要反映不同灾害的相对严重程度。本研究定义权重系数为灾害发生频率和单一灾害造成的灾损的函数。以用本研究定义的干旱指标和冷害指标判定的50年来35个代表站干旱和冷害发生的情况为基础，结合中国气象灾害大典(中国气象灾害大典编委会，2007)中各代表站历年灾情资料，提取出所有单独发生干旱、冷害的年份，得到前期、后期、全发育期单独发生轻旱(中旱、重旱)、一般冷害(严重冷害)造成的平均减产，建立灾害等级与减产率的关系；再用某一等级灾害发生的频率乘以对应的减产率，得到某站在某一阶段发生某种单一灾害可能造成的总减产；最后根据同一阶段干旱、冷害两种灾害造成的总减产之比确定权重系数

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同理，对于整个生长阶段，提取出所有单独生长前期、后期发生灾害的年份(包括单一灾害和复合灾害)，得到只有生长前期或者后期发生灾害时造成的平均减产，确定生长前期和生长后期对整个生长阶段危险性贡献的权重系数

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根据干旱等级的划分，对35个代表站1961—2010年逐步进行灾害发生情况判别(图 3)，可以看出，在玉米生长前期，水分亏缺指数为0.2—0.35的轻旱发生百分率为11.55%；水分亏缺指数为0.35—0.6的中旱发生百分率为10.05%；而水分亏缺指数大于0.6的重旱发生百分率为2.69%。在玉米生长后期，水分亏缺指数为0.2—0.35的轻旱发生百分率为12.34%；水分亏缺指数为0.35—0.6的中旱发生百分率为21.03%；而水分亏缺指数大于0.6的重旱发生百分率为13.14%。由此可见，玉米生长后期，干旱发生的频率和强度均大于玉米生长前期。

图 3 玉米生长前期(a)和后期(b)的干旱指标 Fig. 3 Histogram analysis of the drought in earlier(a) and latter(b)growth periods of the maize

图选项

根据冷害等级划分标准，对35个代表站1961—2010年逐步进行冷害判别(图 4)，可以看出，在玉米生长前期，冷害指数为-2%—-5%的一般冷害发生的百分率为16.63%；冷害指数小于-5%的严重冷害发生的百分率为18.11%。在玉米生长后期，冷害指数为-2%—-5%的一般冷害发生的百分率为14.8%；冷害指数小于-5%的严重冷害发生的百分率为15.89%。由此可见，在玉米生长前期和后期，冷害发生的频率和强度大致相当，前期冷害频率略大于后期，冷害是玉米整个生长期都很常见的农业气象灾害。

图 4 玉米生长前期(a)和后期(b)冷害指标 Fig. 4 Histogram analysis of the chilling injury in earlier(a) and latter(b)growth periods of the maize

图选项

根据判别结果，分别统计20世纪60、70、80、90年代和21世纪最初10年干旱和冷害在玉米生长前期和后期所发生的频次(图 5)。由干旱、冷害发生的频次分布图便可以看出，在近50年来东北地区干旱和冷害的时空演变规律。

图 5 玉米生长前期和后期干旱、冷害发生频次的时空演变 (a1—a5/b1—b5/c1—c5/d1—d5．20世纪60、70、80、90年代、21世纪最初10年玉米前期干旱/后期干旱/前期冷害/后期冷害发生频次) Fig. 5 Decadal change of the drought and chilling injury frequency in earlier and latter growth and development periods of the maize (Panels from a1 to a5 represent the spatial and temporal variations in the 1960s，1970s，1980s，1990s and 2000s of the drought frequencies of the maize in earlier growth periods. Panels from b1 to b5 represent the spatial and temporal variations from the 1960s to 2000s of the drought frequencies of the maize in latter growth periods.Panels from c1 to c5 represent the spatial and temporal variations from the 1960s to 2000s of the chilling damage frequencies of the maize in earlier growth periods. Panels from d1 to d5 represent the spatial and temporal variations from the 1960s to 2000s of the chilling damage frequencies of the maize in latter growth periods. The darker the colour is，the higher the frequencies are)

图选项

在玉米生长前期(图 5a₁—a₅)，干旱发生的频次大多为每10年2—6次，除20世纪70年代黑龙江东北部发生了比较频繁的春旱外，春旱在东北地区并不是特别严重。但是，从50年的演变规律来看，每10年6—8次干旱的区域在慢慢扩大；从空间分布上来看，东北地区西部和北部发生干旱的频率要高于东北地区东部和南部。这些说明，在东北地区西部，春旱发生的风险有增大的趋势。

在玉米生长后期(图 5b₁—b₅)，干旱频次明显增多，但分布规律和玉米生长前期类似，主要集中在黑龙江西部、吉林西部和辽宁西南部。由年代际演变规律可以看出，20世纪70年代和21世纪最初10年干旱的发生最为频繁，呈现频次高、范围广的特点，而且，从50年的变化情况来看，干旱范围是逐步扩大的，特别是进入21世纪以来，黑龙江西部、吉林西部、辽宁西部的干旱几乎可达到十年九遇。

冷害在东北地区的发生常常是全区域性的(图 5c₁—c₅、d₁—d₅)，黑龙江北部、吉林西部和东部长白山麓、辽宁西部和东北部为冷害发生非常频繁的地区。有研究表明，东北地区冷害的空间分布特点可分为全区型、北部型、南部型和局地型，东北地区全区域发生冷害的概率较高，其分布特点应该是从年际上总结的，然后划分类型，而从年代际上，其空间分布规律并不明显。但是从50年的变化情况来看，冷害的时间变化规律却十分明显，整个东北地区冷害呈频次下降的趋势，且下降趋势十分明显。由图 5c₅、d₅可以看出，21世纪以来，东北大部分地区，冷害发生的频次都不超过4次，而在往年，就算是冷害最轻的地区，每10年发生冷害的次数也几乎都在4次以上。

由此可见，50年来东北地区的主要气象灾害，正逐渐从冷害向干旱变迁，冷害发生的频次逐渐减少，而干旱发生的频次快速增多，影响的范围也迅速增大。干旱对于玉米生长的影响变得越来越不可忽视。虽然在抽雄—乳熟的水分临界期内，玉米对水分的需求是最大的，但是，可以通过灌溉等防灾措施，减小风险可能带来的影响，而在苗期，如果遇到严重的春旱，则会导致出苗不齐、出苗率低，由此带来的损失则是无法弥补的。因此，在风险评价中，不仅要关注后期干旱对玉米造成的大范围、高强度的影响，对于前期干旱，也需特别注意。所以，在进行风险评价过程中，对研究区域多年平均状况进行分析时，也需要对其演变规律进行探索和认识，那样才可以更加全面、正确地认识灾害的演变规律和风险存在的位置。4.1.4 不同灾种、不同生长阶段对东北地区玉米风险的贡献

由前面介绍的权重确定方法，可以得到生长前期和生长后期单独发生干旱、冷害或者并发灾害所造成的平均减产率分别为13.8658%和26.0556%，由此确定，生长前期和生长后期对整个生长阶段危险性的贡献权重分别为0.3473和0.6527。

对于不同生长阶段内的灾害，定义旱冷比为∑a_ijm_ij/∑b_ijn_ij，旱冷比越大，表示干旱造成的影响越大，反之亦然。旱冷比反映干旱和冷害在不同生长阶段对灾害危险性的贡献(图 6)，可以看出，玉米生长前期(图 6a)在辽宁东部、吉林东部以及黑龙江中部和东南部，均以冷害为主，仅在吉林西北部、辽宁西北部有小片区域春旱明显。而在后期(图 6b)冷害比例急剧缩减，仅在辽宁东北部和吉林东南部地势

较高的地区以冷害为主，整个东北地区趋势变化明显，西部和北部均以干旱为主，尤其是吉林西北部和辽宁西部，干旱发生程度远远大于冷害发生程度。纵观整个生育期(图 6c)，东北地区干旱、冷害的趋势变化明显，西部和北部以干旱为主，东部和南部以冷害为主，而中部地区两种灾害影响程度相当。

图 6 不同生长阶段干旱和冷害对东北地区玉米风险的贡献 (a．生长前期，b．生长后期，c．整个生育期) Fig. 6 Contributions of the different disasters at the different growth periods to the maize in northeast China (Contributions of drought and chilling injury in earlier(a)，latter(b) and the whole growth and development periods(c))

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由此可见，在不同时期不同区域，不同灾害所造成的影响程度是不同的，而权重系数可以较好地表现这种时空变化，更加细致地刻画灾害的动态影响。4.2 东北地区玉米不同生长阶段干旱、冷害危险性评价

利用干旱指标和危险性评价模型，得到不同生长阶段玉米干旱的发生情况(图 7)。根据与东北地区灾害历史资料的统计及多年干旱灾害发生的实际情况比对，可以说明干旱指标能够较好地反映东北地区干旱的发生情况。从时空分布上看，在玉米生长前期(图 7a)，干旱主要发生在辽宁西北部、吉林西北部和黑龙江西南部，黑龙江东北部绥滨一带也有干旱发生；而在后期(图 7b)，辽宁西北部干旱有所减弱，吉林西部干旱迅速发展。从干旱程度上看，后期干旱危险性远远大于前期，前期危险性最大值为0.15，而后期可以超过0.4，这与玉米的生长发育机理是契合的，玉米生长后期，特别是抽雄到乳熟阶段是水分临界期，对水分需求较多，如果出现水分供应不足，则干旱的危险性便会加大；整个生长阶段(图 7c)干旱分布与玉米生长后期相似，主要集中在吉林西北部和辽宁西部，而在东北地区东南部，干旱危险性较小。

图 7 东北地区玉米不同生长阶段干旱危险性 (a．生长前期，b．生长后期，c．整个生育期) Fig. 7 Hazard assessment of drought in different growth stages of the maize in northeast China (Hazard assessment of drought in earlier(a)，latter(b) and the whole growth and development periods(c))

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通过冷害指数和危险性评价模型，可以对东北地区冷害发生情况进行描述(图 8)。基于热量指数的冷害指标，可以较好地反映东北地区玉米冷害的发生情况。表明东北地区玉米冷害危险性以辽宁东北部和吉林东部为高值中心，向西逐渐扩散减弱，黑龙江大部为中低危险性区域，吉林、辽宁西部冷害危险性较高，东部危险性较低。从时空分布上来看，玉米生长前期(图 8a)与后期(图 8b)冷害危险性的范围变化不大，后期与前期相比，中高危险性区域有所缩减，而中低危险性范围有所增加；冷害程度也有所降低。整个生长阶段(图 8c)冷害分布与分阶段考虑时趋势相同，冷害危险性高值区主要集中在东北地区东南部，吉林西北部和辽宁西部冷害危险性较小。

图 8 东北地区玉米不同生长阶段冷害危险性 (a．生长前期，b．生长后期，c．整个生育期) Fig. 8 Hazard assessment of chilling injury in different growth stages of the maize in northeast China (Hazard assessment of chilling injury in earlier(a)，latter(b) and the whole growth and development periods(c))

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根据对危险性评价模型的定义，利用水分亏缺指数和冷害指数进行风险分析，采用风险分析结果和典型年份灾情资料统计、计算出各代表站发生干旱、冷害发生的权重，进行干旱、冷害危险性评价(图 9)。玉米生长前期(图 9a)，气象灾害危险性高值区主要分布在辽宁东北部、吉林东部和黑龙江东南部，并且向西、向北逐渐减小，结合前文分析可知，此阶段主要受低温冷害影响；后期(图 9b)则发生明显变化，危险性高值区集中在吉林西部、黑龙江西南部和辽宁西部，除了辽宁东北部有小片危险性中值区外，东北地区广大中东部地区气象灾害危险性都处于中低值，这说明，后期干旱对作物生长影响明显，是此阶段的主要气象灾害危险源。就整个生长阶段来看(图 9c)，东北地区干旱、冷害危险性呈现东南部(包括辽宁东北部和吉林东部)和东北地区西部(主要指辽宁西部和吉林西部)两个高值中心，危险性指数均在0.48以上；而低值区位于辽宁南部和辽东半岛，危险性指数为0.35左右。

图 9 东北地区玉米不同生长阶段干旱、冷害危险性 (a．生长前期，b．生长后期，c．整个生育期) Fig. 9 Hazard assessment of drought and chilling injury in different growth stages of the maize in northeast China (Hazard assessment of drought and chilling injury in earlier(a)，latter(b) and the whole growth and development periods(c))

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东北地区东南部玉米生长主要受冷害影响，且前期发生范围大于后期，而东北地区西部主要受干旱影响，主要发生在生长阶段后期。由4.1.4 节结论可知，前期灾害的危险性对整个生长阶段危险性的贡献值小于生长后期，但是，对整个生长阶段灾害危险性的研究结果表明，东北地区东南部和东北地区西部的灾害危险性都较高，即前期东北地区东南部的冷害虽然在整个生长阶段危险性评价中的贡献比例较小，但是，贡献值却很大，因此，可以推测，就玉米整个生长发育阶段来看，冷害造成的影响还是略大于干旱的影响。 5 结论与讨论

通过选取合理的灾害监测指标，对东北地区干旱、冷害进行了初步风险分析。基于水分亏缺指数的干旱指标，在农业干旱等级标准基础上进行了改进，采用各站点实际的发育期资料，对作物系数进行了逐日订正，并重新划定了适合当地的等级标准。基于热量指数的冷害指标，结合作物的生长发育特性，考虑作物不同发育阶段的适宜温度、下限温度和上限温度，反映了农作物对环境热量状况的响应，而利用热量指数距平百分率则避免了地区间差异给冷害指标判别带来的影响。

在危险性模型的构建上，引入权重系数，考虑在复合灾害中，单灾种因素对作物的影响，从而可以更加细致地描述危险性的构成因素。在权重的确定上，采用指标判别与灾情资料结合的方法，利用典型年份的灾害发生情况和减产率资料，得出某一生长阶段单一灾种各个等级所造成的平均减产，从而体现两种灾害对作物影响的自身特点；再引入某种灾害不同等级的发生频率，从而可以清晰刻画不同生长阶段、不同灾害的影响差异，更加准确地描述综合灾害的危险性。这种权重确定方式具有创新性和较好的适用性，为以后同领域的研究开辟了一条新思路。

东北地区干旱、冷害危险性在前期主要集中在东北地区东南部，以辽宁东北部和吉林东部为中心，向西、向北逐步减弱；而在后期，风险高值区转移到西部，以吉林西部、黑龙江西南部为中心。这说明在前期东北地区主要气象灾害以冷害为主，而后期在吉林西部、辽宁西北部的干旱灾害变得明显，使得东北地区西部的灾害危险性迅速增大。从50年灾害演变情况来看，东北地区的主要气象灾害，正逐渐从冷害向干旱变迁，冷害发生的频次逐渐减少，而干旱发生的频次快速增多，影响的范围也迅速增大。干旱对于玉米生长的影响变得越来越不可忽视。而这一变化趋势尤以21世纪以来体现得最为突出。