南方五省（区）芒果花期高温热害气候风险评估.pdf

基于云南、广西、广东、海南和福建南方五省(区)内 390 个气象站 19612019 年的逐日气象数据,结合芒果生育期数据、高温热害历史灾情数据,利用主成分分析方法,构建主栽芒果品种花期高温热害综合指数,在Kolmogorov-Smirnov(K-S)分布拟合检验的基础上,通过概率分析确定轻、中、较重、重度 4 种不同等级热害临界值,然后基于历史热害综合指数序列,得到芒果花期不同等级高温热害的发生概率,构建热害综合气候风险指数,对南方五省(区)芒果花期高温热害综合气候风险进行评估与区划。结果表明:各等级热害风险概率的高值区主要分布在云南南部和东部至广西西部和中部,该区域也是热害综合气候风险的高值区,热害综合气候风险高值区还包括云南北部金沙江干热河谷的部分地区、东北部的部分地区,以及广东东北部、福建西北部的部分地区,占研究区总面积比例为 45.4%;热害综合气候风险低值区主要分布在云南西北部山区和海南东南沿海的部分地区,占研究区总面积比例为 11.1%。关键词:南方五省(区);芒果;花期;高温热害;风险评估中图分类号:P49文献标志码:B文章编号:1673-7148(2023)05-0033-08引言 芒果是世界五大水果之一。我国芒果种植面积占世界芒果种植总面积的 17%,居世界第二位,主要分布在云南、广西、广东、海南和福建五省(区)。截至 2018 年我国芒果种植面积约为 27.8 万 hm2,收获面积为 15.5 万 hm2,产量为 219.3 万 t。芒果花期是决定产量的关键期1-2,也是芒果对气象条件要求最为严格的时期。花期若遇到高温,会加剧芒果花蒸腾,短时间内失水干枯,引起花粉发育不良或花粉萌发受阻,不能顺利完成授粉受精,造成开花多、结果少,无胚果增多,严重影响产量和果实品质3。在气候变暖背景下,芒果花期更容易遭受高温危害。果树高温热害指标研究针对苹果、梨、猕猴桃和柑橘等水果的比较多。魏丽欣等4分析了河北省苹果膨大期高温热害指数和气候适宜指数时间变化特征。李艳莉等5提出了陕西果树高温热害气象服务预报预警等级和温度指标。刘璐等6利用日最高气温、高温持续日数和日平均相对湿度对这一指标进行了修订。王景红等7综合高温强度、高温持续时间、分析时段内降水量建立了陕南猕猴桃和柑橘高温干旱灾害指标。刘云鹏8利用柑橘花期日平均气温、日最高气温连续 2 天及以上的平均值,划分了长江中下游柑橘的高温热害等级。此外,金志凤9、陈才发10、蒋际谋11和郑永宁12等分别分析了高温对蜜桔、龙眼、荔枝等的品质和产量的影响。已有研究表明,以高温或高温为主的综合气象灾害对不同果树均有影响,但高温热害指标研究相对薄弱,特定发育期高温热害的指标较少,关于芒果花期高温热害指标的研究也鲜见报道。芒果花气象与环境科学第 46 卷期高温热害的研究13,从攀枝花市高温天气出现的概率对当地芒果花期遭遇高温天气致灾危险水平进行了研究,未能给出芒果花期遭受高温热害的具体指标。农业气象灾害风险评估与区划,是基于自然灾害风险理论,选择致灾因子、承灾体、孕灾环境和防灾减灾能力中的几个或全部因子,采用风险概率、指标体系、情景模拟等方法开展的研究14-15,已经取得了丰硕的成果16-20,高温热害风险的研究多聚焦于水稻21-23,而芒果高温热害风险的分析还鲜见报道。在气候变暖背景下,开展芒果花期高温热害风险评估研究,对芒果生产具有重要意义。本文基于自然灾害风险理论和农业气象灾害风险评估方法,以我国南方五省(区)芒果种植区主栽品种花期高温热害为研究对象,构建芒果花期高温热害综合指数,确定热害致灾临界值,并在热害等级划分的基础上,计算各站点热害风险概率,建立热害风险评估指数,评估芒果花期高温热害风险,以期为芒果花期高温热害防御、优化芒果生产布局提供支撑。1资料与方法1.1资料来源与处理 使用资料为云南、广西、广东、福建和海南五省的(区)390 个气象站 1961(或建站年)2019 年的逐日气象数据,包括平均气温、最高气温、风速、降水量、相对湿度等,来源于国家气象信息中心;县级尺度的农业生产数据,包括芒果种植面积、收获面积、产量等,来源于统计年鉴和各省农业部门;灾情资料包括芒果花期高温热害发生的时间、地点和受害程度等,来源于灾情调研、县志、中国气象灾害大典和中国气象灾害年鉴等。1.2芒果花期高温热害指数构建 我国芒果栽培有 40 多个品种,不同品种芒果的开花期不同,从当年 11 月至第二年 5 月均有开花。即使同一种植区,花期持续时间也可能长达 5 个多月。由于气候条件的影响和主栽品种的限制,各种植区芒果花期都有相对集中的时间段。其中,海南芒果种植区主栽品种为早熟品种,花期主要集中于1 2月24;广东主栽早中熟品种,花期主要集中于2 3月25;广西、云南主栽中晚熟品种,花期主要集中于3 4月1,26;福建主栽晚熟品种,花期主要集中于4 5月27。历史灾情记录表明,芒果的始花、盛花和末花 3 个阶段均可能发生高温热害28。芒果花期高温热害的主要时段:海南为12月,广东为2 3月,广西、云南、福建为3 4月。一般认为,芒果花期最适气温为 22 28 ,当日最高气温30 时,会抑制雌花发育,小花会遭受日灼,本研究取芒果花期高温热害的临界气温30 。气象资料分析发现,芒果发生花期高温热害时,不仅日最高气温 30 ,日平均相对湿度也70%,且气温越高、持续时间越长,相对湿度越小,灾情越重。因此,选择极端最高气温、日最高气温30 的持续日数、有害积温、日最高气温30 期间日平均相对湿度70%的持续日数 4 个因子作为芒果花期高温热害的致灾因子。其中,有害积温定义为TS=ni=1(Tmaxi-30)(1)式中,TS为有害积温(),Tmaxi为第 i 日的日最高气温(),n 为热害过程持续天数(d)。当日最高气温 30 时,热 害 过 程 开 始,当 日 最 高 气 温30 时,热害过程结束,即当日最高气温 0 的起始值所对应的总体样本累积概率反函数值,作为芒果花期高温热害致灾判识的临界值,即只有热害指数值达到该致灾临界值时,才有可43第 5 期张明洁等:南方五省(区)芒果花期高温热害气候风险评估能发生芒果花期高温热害事件。灾害样本覆盖率 R的计算方法如下式所示:R=mM (2)式中,R 为芒果的灾害样本覆盖率,m 为达到19612019年总体样本某一累积概率的历史灾害样本数,M 为芒果历史灾害样本总数。1.3.2高温热害分级临界值的划分 对所有历史灾害样本的热害指数进行累积概率拟合,达到累积概率 25%、50%、75%的反函数值作为热害轻、中、较重、重等级的临界值。1.4高温热害综合指数合理性检验 选取芒果种植历史悠久且芒果花期高温热害灾情记录相对详实的站点,将其19612019年高温热害综合指数值序列作为灾害判识序列,根据历史灾情记录中记载的芒果花期高温热害发生年份及受灾程度,对照检验基于高温热害综合指数计算的热害判识结果,验证其与历史记录是否一致。1.5高温热害风险概率计算及高温热害气候风险指数构建 利用各站不同等级历史高温热害综合指数及其出现的风险概率,构建芒果花期高温热害气候风险指数模型:Q=ti=1Hi Pi(3)式中,Q 为芒果花期高温热害气候风险指数,Hi为第i 个热害等级的热害综合指数,Pi为第 i 个热害等级出现的风险概率值,t 为热害等级总数,本研究中 t=4。2结果与分析2.1芒果花期高温热害综合指数 以位于广西芒果典型种植区的百色站为例,统计百色站历年芒果花期(34月)的 4 个致灾因子:极端最高气温、日最高气温30 持续日数、有害积温、日最高气温30 期间日平均相对湿度70%的持续日数的历史序列,并计算两两因子间的相关系数(表 1)。结果发现,致灾因子间的相关系数通过了 0.05 的显著性水平检验,表明致灾因子间并不独立,是互相影响的。表 1各因子间的相关系数因子X1X2X3X4X11.0000.5040.6950.601X20.5041.0000.8660.818X30.6950.8661.0000.825X40.6010.8180.8251.000注:X1为极端最高气温,X2为日最高气温30 持续日数,X3为有害积温,X4为日最高气温30 期间日平均相对湿度70%的持续日数。因此,在对致灾因子的历史序列进行标准化后,采用主成分分析方法对 4 个致灾因子进行简化,构建综合指标,使构建的综合指数既能有效地反映原来指数的主要信息量,又相对独立30。分析发现(图 1),第一主成分的方差已占总方差的 79%,且特征根大于 2,可以用第一主成分作为原来 4 个致灾因子的综合指标,即图 1主成分分析结果高温热害综合指数 H=0.4329X1+0.5087X2+0.5373X3+0.5154X4(4)式中,X1、X2、X3、X4分别为极端最高气温 X1、日最高气温30 持续日数 X2、有害积温 X3、日最高气温30 期间日平均相对湿度70%的持续日数 X4的归一化值。不难看出,极端最高气温 X1越高,日最高气温30 的持续时间 X2越长,有害积温 X3越大,日平均相对湿度70%的持续时间 X4越长,对综合指标H 的贡献均越大。它们对综合指标的贡献分别为0.4329、0.5087、0.5373 和 0.5154。日最高气温30 的持续时间、有害积温、日最高气温30 期间日平均相对湿度70%的持续时间对综合指标的贡献相当,都高于极端最高气温的贡献,这与部分历史灾情记录相吻合,即极端最高气温并未达到 35 或更高,但持续时间长、相对湿度小,同样会致灾。利用式(4)及历年的致灾因子值即可计算出百色站芒果花期历年高温热害综合指数值。以此计算方法可分别统计各站历年的 4 个致灾因子值,利用主成分分析法构建其高温热害综合指数,从而得到历年的高温热害综合指数值。2.2高温热害致灾临界值的确定及高温热害等级的划分2.2.1高温热害致灾临界值 采用 K-S 法对各站19612019年高温热害综合指数的历史序列进行分布型检验,分析得到 127 个53气象与环境科学第 46 卷站点的数据符合正态分布。对不符合正态分布的站点,将其高温热害指数值序列采用倒数、开立方、双曲正切、双曲正割等变换后,使其数据符合正态分布。由此得到19612019年高温热害综合指数累积概率及历史灾 害样本的 高温热 害 综 合 指 数 分 布(图 2)。图 21961 2019年芒果花期高温热害综合指数累积概率及历史灾害样本热害综合指数分布以19612019年高温热害综合指数序列的 5%累积概率为步长,逐步计算不同累积概率下的灾害样本覆盖率 R(图 3)。随着高温热害综合指数累积概率的增加,高温热害综合指数(H)逐渐增大,灾害样本覆盖率(R)逐渐增大。花期高温热害的历史灾害样本高温热害指数均分布于19612019年高温热害指数序列的 70%累积概率以上,高温热害指数80%、85%和 90%累积概率下的 R 值分别为 20%、25%和 100%,即 当 芒 果 高 温 热 害 综 合 指 数 达 到1961 2019年高温热害综合指数序列的 80%反函数值时,20%的历史灾害样本高温热害指数值小于该临界值,不能被判识;当芒果高温热害综合指数达到1961 2019年高温热害综合指数序列的 85%反函数值时,25%的历史灾害样本高温热害指数值小于该临界值,不能被判识;当达到 90%反函数值时,全部历史灾害样本的高温热害综合指数值在该判识临界值以下,均无法通过该临界值得到判识。以 5%累积概率为步长,判断 R0 的起始值为1961 2019年热害综合指数的 75%累积概率,全部历史灾害样本热害综合指数值均大于该临界值,均可得到判识。以 75%累积概率反函数值作为芒果花期高温热害的致灾判识临界值,判定19612019年高温热害综合指数序列的 70%累积概率反函数值 1.0 作为芒果花期高温热害的致灾判识临界值。只有高温热害综合指数达到 1.0 时,花期高温热害才可能发生。图 31961 2019年芒果花期高温热害综合指数累积概率下历史灾害样本覆盖率变化2.2.2不同高温热害等级临界值 对历史灾害样本的高温热害综合指数值序列进行双 曲 正 切 变 换 后,K-S 检 验 双 侧 显 著 性 值 为0.958,远大于 0.1,故认为历史灾害样本的高温热害综合指数值序列符合正态分布。由概率分布密度函数得出所有历史灾害记录样本的高温热害综合指数的累积概率,达到累积概率 25%、50%、75%的反函数值 1.5、1.8、2.6 作为高温热害等级的分界值(表 2)。表 2高温热害等级划分标准等级高温热害综合指数轻度1.0H1.5中度1.5H1.8较重度1.8H20%的高值区包括广西中部、西部、东北部的部分地区,云南东部南部及北部金沙江干热河谷和东北部的部分地区,以及福建西北部的小部分地区;风险概率15%)与轻度高温热害的高值区的分布大致相同,主要位于广西中部西部和云南东部南部;风险概率的低值区(风险概率10%)除了包括轻度高温热害高值区的分布区域外,还包括福建西北大部、广东东部和中部的部分区域;风险概率的低值区(风险概率8%)位于广西中部和西部的部分地区、云南南部东部的部分地区和北部金沙江干热河谷的小部分地区,较轻度、中度高温热害的风险概率高值区范围有所缩小;风险概率的低值区(风险概率0.9)3 个等级。高温热害气候风险指数值越高,表明发生热害的可能性越大,发生的热害也越严重。高温热害综合气候风险的高值区主要包括云南南部东部至广西西部和中部,云南北部金沙江干热河谷的部分地区、东北部的部分地区,广东东北部、福建西北部的部分地区,占研究区面积比例为 45.4%;低值区包括云南西北部山区和海南东南沿海的部分地区,占研究区面积比例为 11.1%;其余地区为热害中风险区,面积占73气象与环境科学第 46 卷比为 43.8%。在高温热害风险的高值区,大规模发展芒果种植需根据当地小地形选择耐高温耐旱的品种,在低值 区发生热 害 的 可 能 性 小、程 度 轻(图 6)。图 5南方五省(区)芒果花期轻度(a),中度(b),较重(c),重度(d)等级高温热害的风险概率图 6南方五省(区)芒果高温热害综合气候风险区划图3结论与讨论 (1)芒果花期高温热害的致灾因子包括极端最高气温、日最高气温30 的持续日数、有害积温、日最高气温30 期间日平均相对湿度70%的持续日数,4 个因子对利用主成分分析建立的综合指数的贡献相当。(2)云南南部东部至广西西部和中部是各等级高温热害风险概率的高值区,也是高温热害综合气候风险的高值区,高温热害综合气候风险高值区还包括云南北部金沙江干热河谷的部分地区、东北部的部分地区,广东东北部、福建西北部的部分地区,占研究区面积比例为 45.4%。高温热害综合气候风险低值区包括云南西北部山区和海南东南沿海的部分地区,占研究区面积比例为 11.1%。其余地区为中值区。(3)我国种植的芒果品种有 40 多种,不同品种花期时间不同,再加上考虑成熟上市时间等经济原因的人为调控,使各种植区芒果花期、同一种植区的芒果花期都存在差异。本文通过查阅文献、实地调查和咨询相关农业专家、种植户等方式,最终确定的花期时间段,五省(区)主栽品种或者说主要的花期已在此时间范围内,但可能并未完全包括所有品种很完整的花期时间跨度,与实际生产仍有一定的出入。在对构建的热害综合气候风险指数进行验证时,未收集到达到重度等级的灾情,因此未能给出相应的样例站点,还需在今后的研究和实践中不断地收集完善和验证。此外,芒果花期高温热害的形成是天气气候条件、芒果抗高温能力、地形地貌和人类活动等多种因素共同作用的结果,本文侧重于气象条件的研究,并没有考虑其他条件,可能还需改进和完善。参考文献1陈用,杜国冬.广西热作所芒果产量与气象因素的关系J.热带83第 5 期张明洁等:南方五省(区)芒果花期高温热害气候风险评估作物研究,1994,15(4):36-42.2黎启仁,文振德.气象因子对芒果产量的影响 J.中国农业气象,1995,16(1):13-15.3李朝琴,濮蝶天.影响华坪县芒果生长的农业气象灾害及防御对策J.云南农业科技,2018,47(5):52-55.4魏丽欣,张良玉,赵春雷,等.河北省苹果膨大期高温热害和气候适宜性分析J.气象与环境科学,2019,42(4):10-15.5 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disaster in different light,medium,slightly heavy and heavy grades were calculated by probability analysis.Based on the historical sequence of heat damage index,the probability of heat disaster of different grades in mango flowering phase was obtained,and the heat disaster risk index was constructed,by which the risk of heat disaster in mango flowering phase in five provinces of south China was evaluated and zoned.Results show that high risk areas of each level of heat disaster covering 45.4%of research areas are mainly distributed from the eastern and southern of Yunnan to the western and cen-tral of Guangxi,where are also the high value area of the comprehensive climate risk,including some ar-eas of the Jinsha river dry-hot valley in northern Yunnan,some areas of northeast Yunnan,northeast Guangdong and northwest Fujian.The lower risk zone is primarily distributed in mountainous areas in northwest Yunnan and some areas of the southeast coast of Hainan,covering 11.1%of the total research area.Key words:five provinces in southern China;mango;flowering phase;heat disaster;risk assess-ment04