2—5月我国许多地区易发生低温连阴雨, 而此时正值北方冬小麦拔节、孕穗, 南方早稻育秧期, 农作物幼苗对气温变化十分敏感, 气温骤降造成减产、绝产, 损失十分严重。如1996年2月下半月华南地区遭受严重低温冷害, 仅广东省经济损失就达46.86亿元^[1]; 2005年2月, 湖南、湖北和贵州3省出现严重的冰冻灾害, 直接经济损失达14.6亿元^[2]。因此, 研究我国低温连阴雨和低温冷害的发生特征将有利于进一步作好气象服务工作。

关于2—5月低温连阴雨时空特征的研究已有很多^[3-9], 归纳起来主要存在3个方面的不足:一是已有研究多局限于某一区域或某一省, 选取的代表站少, 时间序列短, 无法获得2—5月全国低温连阴雨发生的整体特点; 二是在全球变暖的背景下, 缺少低温连阴雨年代际变化特征分析; 三是低温连阴雨在不同研究工作中的定义不同, 缺少统一的、适用于全国的定义。本文基于以上3个方面开展工作, 运用经验正交函数分解方法 (EOF)、Morlet小波分析^[10]等方法, 给出2—5月全国低温连阴雨空间分布特征, 及1951年以来全国低温连阴雨的年际和年代际的时间变化特征。另外, 参考国家气候中心预测业务中华南、江南春播期低温冷害定义方法, 定义了我国南方早稻区 (包括四川盆地、长江中下游地区和华南南部、华南北部) 低温冷害指数, 给出了早稻区轻、重低温冷害的统一标准, 并分析了其时空变化特征。

若单个测站连续3 d或3 d以上降水量大于0 mm, 其中允许1 d无降水, 且降水期间日气温标准化值平均小于-0.5, 连续2 d无降水为过程结束标志, 则定义为该测站的1次低温连阴雨过程。其中标准化公式为

(1)

式 (1) 中, j为年份, i为日期, 和S_i分别为第i日温度的多年平均值和标准差。

使用我国546个测站1951—2007年2—5月的24h (20:00—次日20:00, 北京时, 下同) 降水量和日平均气温资料。546个测站的选取按照1951—2007年逐日24h降水量和日平均气温资料时间连续性较好, 且目前测站还在使用的原则。在计算过程中, 剔除了缺测日。

低温冷害的含义不同于低温连阴雨, 需要根据具体受害对象定义, 已有研究表明:冷害对南方早稻的影响很大^[11-13], 因此本文主要就对早稻的影响来判定是否受到冷害。2—5月正值我国双季稻区 (18°~33°N, 98°~122°E) 早稻的育秧期^[6], 日平均气温在12℃以上, 有连续3~5个晴日 (每天有3 h以上的日照) 而且降水适合的天气条件, 才有利于早稻育秧, 否则早稻会停止生长甚至烂秧。本文参考国家气候中心业务中低温冷害定义方法, 对早稻区冷害定义了统一的标准。早稻的春播时段, 华南南部为2月中旬到3月上旬, 华南北部为3月^[3], 四川盆地为3月中旬至下旬, 长江中下游地区为3月下旬至4月上旬^[6]。参考目前国家气候中心开展的春播期气候预测业务, 早稻区代表站选取如下:华南南部代表站包括南宁、阳江、广州、汕头; 华南北部代表站包括柳州、韶关、梅县、福州; 四川盆地代表站包括小金、雅安、遂宁、南充、梁平、沙坪坝; 长江中下游地区代表站包括汉口、长沙、芷江、南昌、吉安、合肥、安庆、南京、上海、杭州、衢县。

根据各站日平均气温、日照时数和20:00—次日20:00降水量共3个要素进行编码:①日平均气温:不高于9.0℃时, 编码为-2; 9.1~11.0℃时, 编码为-1; 11.1~12.0℃时, 编码为0; 12.1~14.9℃时, 编码为1;不低于15℃时, 编码为2。②日照时数:0~1.0 h时, 编码为-1; 1.1~2.9 h时, 编码为0;不低于3.0 h时, 编码为1。③24 h降水量:小于25.0 mm时, 编码为0;不小于25.0 mm时, 编码为-1。将单站3要素编码相加, 就得到该地区在春播时段的逐日总编码时间序列。

当日总编码小于0时, 定义该日为春播不利日; 当日总编码大于0时, 定义该日为春播有利日。将春播不利日视为作物易发生低温冷害日。表 1是我国4个早稻区低温冷害的定义, 轻度低温冷害按照公式, 且来统一定义, 严重低温冷害按照公式来统一定义, 其中N表示某一地区春播时段总日数, d表示某一地区春播时段内不利日数, d_c表示最长连续不利日数。

表 1

表 1 我国早稻区低温冷害定义 Table 1 Cold damage definitions in spring rice regions of China

表 1 我国早稻区低温冷害定义 Table 1 Cold damage definitions in spring rice regions of China

按照前面低温连阴雨标准, 将1951—2007年2—5月我国546个站低温连阴雨日数标准化后做经验正交函数 (EOF) 分解, 得到其第1特征向量 (EOF1) 及其时间系数 (图略)。结果表明:低温连阴雨日数, 长江以南地区较多, 主要包括江南、华南和西南地区东部; 其次为长江与黄河之间区域, 其中以四川盆地居多。从EOF的第1特征向量的时间系数看, 上述地区2—5月在1960—1996年期间低温连阴雨日数较多, 在有些年份的春季, 会出现全国大范围低温阴雨天气^[14], 对春季农作物造成严重危害, 但1997年后的低温连阴雨日数明显减少。与上述地区相反, 西藏中部到青海西部、云南中部以及内蒙古东北部到东北西部的地区, 2—5月低温连阴雨日数在1960—1996年期间较少, 自1997年以来略有增加。

图 1给出了1951—2007年平均的2—5月我国低温连阴雨日数的空间分布。

图 1

图 1. 1951—2007年平均的2—5月我国低温连阴雨发生日数空间分布 (单位: d) Fig 1. Spatial distribution of average continuous cold rainy days from 1951 to 2007 in China during February to May (unit: d)

2月, 我国低温连阴雨日数平均在0~4 d的范围内。低温连阴雨日数大于3 d的区域主要分布在长江中下游以南地区, 其中低温连阴雨日数达4 d的地区有四川盆地东部、贵州北部、湖南。

与2月相比, 3月低温连阴雨日数为3 d的等值线明显向北扩展, 达到江淮地区西部、江汉流域以及西北地区东南部; 低温连阴雨日数达5 d以上的地区包括四川盆地、贵州、湖南、江西西部和华南西南部, 其中贵州西部低温连阴雨日数最多, 达6 d。

与3月相比, 4月低温连阴雨日数大于4 d的地区向北向西扩大, 其中西藏东部、云南大部、东北地区低温连阴雨日数明显增多。相反, 华南大部地区低温连阴雨日数较3月明显减少, 一般为3~4 d。

5月, 低温连阴雨日数为3~5 d的地区较4月明显向北扩展、范围增大。青海东部、西北地区东南部、黄淮南部、江淮流域出现了3~5 d的低温连阴雨, 西藏东部至四川西部低温连阴雨日数明显增多至4~5 d, 黑龙江中东部、吉林及辽宁北部也出现了4~5 d的低温连阴雨。云南大部、四川盆地东部、贵州西北部以及湖南大部、江南局部地区低温连阴雨日数增多至4~6 d, 其中湖南中部的低温连阴雨日数最多, 达到6 d。

1951—2007年2—5月我国低温连阴雨日数的标准差分布表明 (图略), 2—5月低温连阴雨日数年际变化的空间分布与低温连阴雨日数57年平均的空间分布相似, 低温连阴雨日数的月际变化和年际变化特征都十分明显。

将1951—2007年2—5月低温连阴雨发生日数分别标准化后进行EOF分解, 得到第1特征向量及其时间系数 (图 2), 其中2—5月EOF第1特征向量方差贡献率分别为:20%, 17%, 14%, 14%。可以看出, 2—5月EOF的第1特征向量都较为相似, 对于每个月, 西北地区东部、西南地区东部、江汉流域、黄淮流域、江淮流域、长江中下游、江南以及华南地区的低温连阴雨日数均呈一致的年际变化特征, 这些区域是我国低温连阴雨多发区 (以下简称主区域)。4月, 与主区域EOF第1特征向量符号相反的地区主要为西藏中北部和南疆地区; 5月, 则是云南北部、辽宁大部及黑龙江东南部地区。

图 2

图 2. 1951—2007年2—5月我国标准化低温连阴雨日数EOF分解第1特征向量 (左图) 及其时间系数 (右图, 粗曲线为9年滑动平均) Fig 2. The first EOF mode (left) and its time coefficients (right, thick curves are running mean of 9 years) of China continuous cold rainy days from Feb to May during 1951—2007

由EOF分解第1特征向量的时间系数变化可以看出 (图 2曲线部分), 2月, 主区域低温连阴雨日数明显存在4个不同的年代际变化阶段, 1951—1963年正常略偏少, 1964—1974年明显偏多, 1975—1989年正常略偏多, 1990—2007年明显减少, 尤其是1997年以来低温连阴雨日数显著减少。3月, 主区域低温连阴雨日数在1951—1962年明显偏少, 在1963—1978年属正常, 在1979—1996年明显偏多, 1997—2007年明显偏少。4月, 主区域低温连阴雨日数在1951—1959年偏少, 在1960—1976年明显偏多, 在1977—1996年接近正常, 1997—2007年明显偏少, 而与主区域EOF第1特征向量符号相反的区域, 即西藏中北部和南疆地区的低温连阴雨日数表现为相反的年代际变化特征, 这两个地区近几年4月低温连阴雨日数增多。5月, 主区域低温连阴雨日数在1951—1955年明显偏少, 1956—1964年明显偏多, 1965—1974年明显偏少, 1975—1996年偏多, 在1997—2007年明显减少, 而云南北部、辽宁大部、黑龙江东南部年代际变化特征与主区域相反, 这些区域在近几年5月的低温连阴雨日数呈现增多趋势。

表 2概括了2—5月我国低温连阴雨日数EOF分解的第1特征向量的时间变化, 可以看出, 2—5月我国低温连阴雨日数有2个显著偏少时段, 即20世纪50年代和1997—2007年。此外, 在1963—1996年, 各月低温连阴雨日数的年代际变化呈现出奇数月 (3月、5月) 低温连阴雨偏多 (少), 偶数月 (2月、4月) 偏少 (多) 的月际反相变化规律, 具有较明显的年代际振荡和季节内振荡叠加的特征。

表 2

表 2 全国低温连阴雨日数的年代际特征 Table 2 Decadal changes of China continuous cold rainy days

表 2 全国低温连阴雨日数的年代际特征 Table 2 Decadal changes of China continuous cold rainy days

根据1.3节对低温冷害的定义, 得到了南方4个早稻区春播时段逐年气候条件类型统计 (表 3), 其中气候条件类型分为无冷害、轻度冷害和严重冷害3种。表 3表明, 1951年以来, 四川盆地和长江中下游地区发生低温冷害次数略偏多 (分别为38和39次), 平均约1.5年发生1次, 而华南南部和北部 (均为23次) 平均约2.5年发生1次, 其中四川盆地和长江中下游地区严重低温冷害发生次数 (分别为25和21次) 明显较多。主要原因是四川盆地和江南春播期较华南春播期短, 它们达到低温冷害不利日数的标准也较华南冷害的标准偏低。此外, 华南春播期主要在低温连阴雨日数较短的2月和3月, 而四川盆地和江南春播期主要在低温连阴雨日数较长的3月和4月, 从而造成四川盆地和江南地区低温连阴雨条件容易达到冷害标准, 并且严重冷害较多。

表 3

表 3 1995-2007年我国早稻区低温冷害统计 Table 3 Cold damage statistics of spring rice regions in China during 1951-2007

表 3 1995-2007年我国早稻区低温冷害统计 Table 3 Cold damage statistics of spring rice regions in China during 1951-2007

分析1951—2007年低温冷害级别的时间序列演变 (图略), 发现华南南部早稻期低温冷害在1951—1970年出现次数较多, 在1985—2000年低温冷害出现次数最多, 尤其是严重低温冷害频次增加; 1971—1984年低温冷害出现次数较少, 尤其严重低温冷害出现较少; 2000年之后, 低温冷害显著减少。华南北部低温冷害在1969—1992年出现频次明显较多^[15], 其余时段出现频次较少, 尤其是1997年至今, 低温冷害很少发生。四川盆地春季低温冷害发生次数明显较华南地区频繁, 其9年滑动曲线呈现出3个波峰和3个波谷, 其中低温冷害在1983—1999年出现频繁、影响严重; 3个波谷时段依次是1964—1970年、1980—1984年和2000年至今。四川盆地近几年的低温冷害略有增多的趋势 (表 3), 这与近期区域低温冷害的研究结果一致^[16]。在长江中下游地区, 早稻期低温冷害有两个偏多时段, 一个是20世纪60年代中期至70年代初, 另一个是1980—1999年, 而在20世纪50年代末至60年代初、70年代中期以及2000年之后3个时段偏少。

总之, 4个地区在2000年后的低温冷害频次呈年代际偏少特征, 但除华南北部外, 其余各地区在20世纪90年代低温冷害都偏多、偏重。

用Morlet小波分析了1951—2007年2—5月低温冷害级别的功率谱周期 (图 3)。可以看出, 各地区低温冷害在不同的时期具有不同的年际和年代际振荡周期。在华南南部, 20世纪50年代以来早稻期低温冷害就存在显著的2~5年周期, 在1960—1970年, 还具有10年左右的显著周期; 华南北部在1951—1995年分别存在显著的2~4年、5年和8年周期, 这与以往的研究一致^[8];四川盆地低温冷害在20世纪70—90年代存在显著的3~4年振荡, 1980年以来存在非常显著的9~10年振荡周期; 长江中下游地区在20世纪50年代末至60年代初存在显著的4~5年振荡周期, 在20世纪80年代和90年代末分别存在显著的2~3年和3~4年振荡周期, 在20世纪60—70年代还存在约12~15年显著周期。其中, 四川盆地从1980年以来的早稻期低温冷害年代际周期振荡显著。本文还利用以Fourier变换为主要数学手段的功率谱分析对低温冷害编码进行了分析 (图略), 结果基本与小波分析一致。

图 3

图 3. 我国早稻区低温冷害的Morlet小波功率谱 (阴影部分通过90%信度白噪声检验, 虚线覆盖区受边际效应影响功率谱减小) (a)华南南部, (b)华南北部, (c)四川盆地, (d)长江中下游 Fig 3. Morlet wavelet power spectrum of cold damage for spring rice regions in China (shaded areas mean greater than 90% confidence level using white-noise test; regions covered with dashed lines on either end of the figure indicate the cone of influence, where edge effects become important) (a) the south part of South China, (b) the north part of South China, (c) Sichuan Basin, (d) mid-lower Reaches of the Yangtze

本文分析了全国低温连阴雨和南方早稻播种区低温冷害的时空特征, 得到如下结论:

1) 2—5月, 我国西北地区东部、西南地区东部、江汉流域、黄淮流域, 江淮流域、长江中下游、江南以及华南地区是低温连阴雨多发地区。我国1951—2007年2—5月低温连阴雨平均日数以四川盆地、贵州地区最长, 每月约达4~6 d; 江南、华南次之, 每月约3~6 d。

2) 低温连阴雨日数有显著的季节内变化, 每年2—5月逐渐由长江以南向黄河流域北扩, 3月及以后, 西北地区东南部和西藏地区开始出现平均每月3~5 d的低温连阴雨天气。东北地区在5月开始出现显著的低温连阴雨天气, 长度约达3~6 d, 相反华南地区5月低温连阴雨天气显著偏少。

3) 2—5月, 我国各地区低温连阴雨日数的年际变化幅度都很大。2—5月, 低温连阴雨日数在20世纪50年代较少, 但随时间有逐渐增多的趋势, 直到90年代中期以后又都偏少且呈逐渐减少的趋势。

4) EOF分析表明, 我国2—5月低温连阴雨多发地区的低温连阴雨日数在1963—1996年有显著的年代际振荡特征, 并且表现为奇偶月反相变化的季节内振荡特征。

5) 四川盆地和长江中下游流域低温冷害较华南略多, 1951—2007年平均约每1.5年发生1次, 华南南部和北部平均约2.5年发生1次。其中四川盆地和长江中下游地区严重低温冷害发生次数较多。我国南方早稻区低温冷害存在显著的年际和年代际振荡规律。除华南北部外, 我国其余早稻区在20世纪90年代低温冷害都偏多、偏重; 在2000年后, 早稻区低温冷害都偏少。