1951—2013年丹东地区气象条件的变化及其与玉米产量的相关分析

邹旭东，杨洪斌，汪宏宇，张云海，刘玉彻

（中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166）

1951—2013年丹东地区气象条件的变化及其与玉米产量的相关分析

邹旭东，杨洪斌，汪宏宇，张云海，刘玉彻

（中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166）

为了解气象条件对农作物产量的作用，探讨气候变化背景下农作物产量受到的影响，利用1951—2013年丹东地区气温、0 cm地温、降水、相对湿度、日照、蒸发资料，分析丹东地区气象要素的变化趋势。利用2002—2012年丹东玉米年平均每667 m2产量和气象要素资料分析丹东玉米产量受气象条件的相关影响。结果表明，1951—2013年丹东地区气温、0 cm地温变化呈上升趋势，降水、相对湿度、日照、蒸发的变化呈下降趋势；相对湿度和丹东玉米产量的变化呈负相关，气温、0 cm地温、日照、降水、蒸发和丹东玉米产量的变化呈正相关，其中气温和丹东玉米产量的相关度最高。建立气温、0 cm地温、降水、相对湿度、日照、蒸发对丹东玉米产量的回归预测模型，预测模型对丹东玉米产量模拟值和实测值的相关度高达0.9496。

气象条件；玉米产量；相关分析；丹东地区

粮食生产关系国计民生、社会发展和稳定、国家与地区安全，一直受到世界各国政府和农业部门的高度重视。我国是全球最主要的粮食生产大国和消费大国，中国的粮食安全问题在全球起着举足轻重的作用。粮食生产对气候条件的依赖性非常大，气候的任何波动均将直接影响到粮食生产，还有可能导致世界性的粮食危机产生。气候变暖导致多种极端天气气候灾害频繁出现，靠天吃饭的农业首当其冲受到影响。气候变暖可能会导致某些极端天气气候事件变得频率更高、强度更大、范围更广、灾情更重，使农业生产布局和结构出现调整和变动，从而农业生产成本和投资需求将大幅度增加。气候变化对水资源、林业以及农业环境影响的综合结果可能进一步增大农业的脆弱性。

辽宁是我国粮食生产的主要省份之一，关于气象条件对辽宁农业的影响，一些学者已开展了研究。赵春雨等［1］对辽宁省1956—2005年农业气候条件的长期变化情况和空间分布特征进行分析，指出50年间辽宁省生长季日照时数明显减少，生长季降水量呈微弱的减少趋势，蒸发量明显减少。蒸发皿蒸发量和潜在蒸发量都呈明显减少趋势。孙凤华等［2］研究认为，近44年来，东北地区平均气温存在明显的变暖倾向，气候变暖趋势存在着季节性和地域性差异。冬季增温最强，秋季增温最弱。纪瑞鹏等［3］指出1971—2000年辽宁省增温趋势明显，热量资源更加丰富，降水量出现减少趋势，太阳辐射和日照时数一直呈下降趋势；辽宁省总体农业气候变化呈现以“气温显著升高，降水、日照减少”为主要特点的暖干化趋势。汪宏宇等［4］对东北地区生长季的降水做了研究，认为东北地区生长季降水存在减少趋势，旱灾略多于涝灾。金文岩［5］指出，气候变暖对辽宁农作物种植结构、土壤质量、农业水分资源、农作物病虫害、农作物生产能力、农田管理和农业经济产生影响。

气候与农业息息相关，气候变暖对农业和粮食保障的影响更是令人瞩目，但针对农业气候条件长期变化的研究还很少［6-8］。丹东地处黄海之滨、鸭绿江畔，位于辽宁省东南部，是一个以工业、商贸、物流、旅游为主的沿江沿海沿边城市。本研究通过分析近63年丹东温度、0 cm地温、降水、相对湿度、日照、蒸发的变化，阐明气象条件和农作物产量的相关性，探索气候变化背景下气象条件的变化对农作物产量产生的影响，为增进气候变化背景下农作物产量变化的认识提供参考。

1 材料与方法

气象和玉米产量资料来源于国家气象信息中心。玉米产量监测点的地理坐标为40.43°E、124.47°N，位于丹东境内（图1）。按季节统计丹东1951—2013年气温、0 cm地温、降水、相对湿度、日照、蒸发的年际变化和线性趋势。

图1 玉米产量监测点站点位置

统计丹东玉米1999—2013年平均每667 m2产量的逐年变化。将丹东农作物产量的变化趋势和气温、0 cm地温、降水、相对湿度、日照、蒸发变化趋势进行对比，分析农作物产量和各气象要素的相关程度。利用多元线性回归方法，建立各气象要素对农作物产量的多元线性回归模拟模型，并对模型模拟结果进行了检验。气象要素资料和农作物产量资料均来自国家气象信息中心。

多元线性回归模型为：

式中，ε为随机误差，φi( u )，i = 1，2，m为已知变量，根据n组y和φi( u )，i = 1，2，m的观测值用最小二乘估计法确定线性回归系数β1，β2，βm和ε。

2 结果与分析

2.1 气象条件变化

2.1.1 气温 温度对农作物生长发育及产量有重要影响。近百年来，全球气候变暖并日趋加剧已是公认的事实［9］。1951—2013年丹东气温均呈上升趋势，其中气温上升最明显的是冬季和春季，趋势倾向率分别是0.0288、0.0248，然后是夏季和秋季，趋势倾向率分别是0.0134、0.0190。1952年冬季平均气温为-9.2℃，2006年冬季平均气温达到-2.5℃，冬季气温年际变化幅度最大，1953、1980、1981、2001、2006、2013年冬季平均气温较上一年的变化值超过3℃，其中，1953、1981年变化值超过了4℃（图2）。

图2 1951—2013年丹东季节平均气温年际变化

2.1.2 地表地温 地温对大气环流和气候变化有重要影响，在气候变化背景下，地温变化研究已成为热点［10］。浅层地温直接影响大田，但由于距离地表近，受太阳辐射、土壤湿度、土壤性质等多种因子影响［11］。由于人类活动和气候变化，引起了近地表温度发生变化，改变了原有的地温变化规律，影响了地下及地面生态系统对作物生长的正常作用［12］。1954—2013年丹东一年四季地温有明显上升趋势，其中冬季平均地温上升趋势最明显，趋势倾向率为0.0409，然后是秋季、春季、夏季，趋势倾向率分别是0.0213、0.0151、0.0094。1956年冬季平均地温为-9.4℃，2006年冬季平均地温为-2.3℃。冬季平均地温的年际变化幅度最大，1956、1957、1980、1981、1986、2001、2006年冬季平均地温较上一年的变化值超过3℃（图3）。

图3 1954—2013年丹东季节平均0cm地温年际变化

图4 1951—2013年丹东季节降水量年际变化

2.1.3 降水量 降水是一个地区气候变化最直接、最敏感的因素，降水量变化直接影响当地的农业生产［13］。丹东地区年平均雨量多为800～1 200 mm，是我国北方雨量最多的地区，降水2/3集中于夏季［14］。1951—2013年丹东一年四季降水变化趋势分别是：春季降水是上升趋势，趋势倾向率为1.0089；夏季、秋季、冬季降水呈下降趋势，趋势倾向率分别是-1.8397、-0.2463、-0.0420，夏季降水下降趋势最明显。1951—1970年夏季降水量超过800 mm有9年，1994—2013年夏季降水量超过800 mm仅有3年（图4）。夏季降水量的年际变化值最大，然后是秋季、春季，冬季降水量年际变化值最小，1952—2013年中夏季降水量年际变化超过300 mm有14年。

2.1.4 相对湿度 相对湿度是空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比，表征大气中水汽的饱和程度。相对湿度能反映出气温、降水等要素的综合影响及气候变化对区域水循环的影响。相对湿度是影响地表水分、能量收支、气溶胶、雾霾形成、生态系统动植物生长及人类舒适度等的重要因素［15］。1951—2013年丹东四季平均相对湿度的逐年变化均呈下降趋势，趋势倾向率分别是，冬季-0.0863、秋季-0.0657、春季-0.0486、夏季-0.0250，其中冬季下降趋势最明显（图5）。1951—1960年冬季平均湿度超过60%的有9年，其中1958年冬季平均湿度超过63%。2004—2013年冬季平均湿度超过60%的有3年，其中2011年冬季平均湿度不到50%。季节平均湿度年际变化值最大的也是冬季，1951—2013年年际变化值超过10%的有7年。

图5 1951—2013年丹东季节平均相对湿度年际变化

2.1.5日照时数 日照是气候形成的重要因素，是太阳辐射最直观的表现，也是农作物生长发育不可缺少的条件。研究日照的变化趋势，对合理布局农业生产和调整农业结构有重要作用［16-17］。1951—2013年丹东四季平均日照都是呈下降趋势，趋势倾向率分别是，春季-0.0159、夏季-0.0174、秋季-0.0126、冬季-0.0083，其中夏季平均日照下降最明显（图6）。1958年夏季平均日照最长，为8.4 h，1952、 1955、1957—1958、1962—1963、1965、1968年夏季平均日照都超过7 h，2005年夏季平均日照最短、为3.7 h，1985、1990、1993—1996、1998、2004—2013年夏季平均日照均不足6 h。夏季平均日照年际变化幅度最大。

图6 1951—2013年丹东季节平均日照时数年际变化

2.1.6 蒸发量 蒸散在水分运动过程中占有重要地位，是水量平衡和能量平衡的重要组成部分。蒸散过程涉及土壤、植被和大气等与大气、气候密切相关的多种过程，是地表水量平衡计算、干旱监测及作物产量模拟中的一个关键变量，更是水资源管理的重要参数。东北地区处于北半球中高纬度地区，是气候变暖的强增温区域，暖干化趋势明显，干旱趋势严重，水资源短缺的局面难以改变，在这种气候背景下，研究参考蒸散量变化及气象要素变化对它们的影响，对深入了解气候变化对水资源和农业生产的影响有重要意义。1951—2013年丹东夏季、冬季平均日蒸发量呈上升趋势，春季、秋季平均日蒸发量是下降趋势，因为近10年夏季的资料缺失，所以总体上平均日蒸发量是下降趋势。趋势倾向率分别是，春季-0.0026、秋季-0.0095、夏季0.0185、冬季0.0039。其中，秋季平均日蒸发量下降最明显（图7）。秋季平均日蒸发量最大值出现在1988年、为4.1 mm，1961—2001年秋季平均日蒸发量都超过3 mm。2002—2013年秋季平均日蒸发量明显下降，2002年出现秋季平均日蒸发量最小值、为1.7 mm，2009、2010、2012、2013年秋季平均日蒸发量都不到2 mm。值得注意的是，2000年后春季和秋季的平均日蒸发量都处于明显的低值。

图7 1951—2013年丹东季节平均日蒸发量年际变化

相关研究结果表明，近几十年辽宁的气温处于上升趋势［18］，地温升温明显［19］，辽宁南部地区降水明显减少［20］，相对湿度呈显著下降趋势［21］，日照时数变化有下降趋势［22-23］，大部分地区蒸发量也呈下降趋势［24］。经分析表明，丹东地区气象条件变化和辽宁保持一致。1951—2013年丹东气温、地温变化趋势是明显上升，降水变化趋势明显下降，相对湿度变化趋势也是明显下降，日照、蒸发呈下降趋势。因此，温度升高和降水减少造成了丹东的气候变化有暖干化趋势。

2.2 气象条件变化与玉米产量的关系

统计2002—2012年丹东地温、日照、蒸发、相对湿度、降水、气温和玉米产量的变化趋势以及各种气象条件和玉米产量的相关系数。2002—2012年丹东玉米年平均每667 m2产量总体呈下降趋势，趋势倾向率为-5.8091。2003年平均每667 m2产量最高、为590 kg，2008—2012年平均每667 m2产量都不到510 kg。在相同时段内，降水、日照变化是上升趋势，趋势倾向率分别是降水11.6236、日照0.0200。气温、0 cm地温、蒸发、湿度变化是下降趋势，趋势倾向率分别是气温-0.0845、0 cm地温-0.0527、蒸发-0.0364、湿度-0.0318。相对湿度和玉米年平均每667 m2产量变化是负相关，相关系数为-0.0681。气温、0 cm地温、日照、降水、蒸发和玉米年平均每667 m2产量变化是正相关，相关系数分别是气温0.6108、0 cm地温0.5047、日照0.2758、降水0.0619、蒸发0.2228，其中气温和玉米年平均每667 m2产量的相关度最高（图8）。

图8 2002—2012年丹东玉米产量和各气象要素的逐年变化及相关系数

因为丹东玉米产量和相对湿度的变化是负相关，和气温、0 cm地温、日照、降水、蒸发的变化是正相关。由前面分析结果可知，1951—2013年丹东地区气温、0 cm地温的变化呈上升趋势，降水、相对湿度、日照时数、蒸发量的变化是下降趋势。所以，丹东地区气温、0 cm地温、相对湿度的变化趋势对丹东玉米产量增加是有利的，降水、日照、蒸发的变化趋势对丹东玉米产量增加是不利的。气候变暖导致东北地区气象条件有暖干化趋势，但是丹东地区因其处于长白山脉向西南延伸的支脉，南临黄海，有利于形成降水，降水减少并不明显，水资源相对丰富，总体上气象条件变化有利于玉米产量增加。

2.3 线性拟合模拟及检验

用多元线性回归的方法建立湿度、气温、0 cm地温、日照、降水、蒸发对丹东玉米产量的多元线性回归预测模型：

式中，y为农作物每667 m2产量，x1为湿度，x2为气温，x3为0 cm地温，x4为日照，x5为降水，x6为蒸发。

将线性回归模拟值和实测值相对比（图9），丹东玉米年产量的模拟值和实测值的相关度较高，r值为0.9496。由于玉米产量资料有限，只有11年的统计数据，而且除了气象条件之外农作物产量变化还受人工管理、施肥等多种因素的影响，所以农作物产量模拟值和实际值会不可避免地出现偏差。

图9 丹东玉米平均每667 m2产量线性回归模拟值和实测值（kg）

3 结论

1951—2013年丹东气温、0 cm地温变化呈上升趋势，降水、湿度、日照、蒸发的变化是下降趋势；2002—2012年丹东玉米平均每667 m2产量是下降趋势。在各气象要素对玉米产量的相关影响中，气温对玉米产量的相关影响最大。

（1）近63年丹东气象条件的变化分别为：季节平均气温均呈上升趋势，其中冬、春季的上升趋势更为明显；季节平均0 cm地温的变化都是呈上升趋势，其中冬季上升趋势最明显；降水量是下降趋势，其中春季降水有上升趋势，夏、秋、冬季降水是下降趋势，夏季降水下降趋势最明显；各季节平均相对湿度都是下降趋势，其中冬季下降趋势最明显；各季节平均日照时数都是下降趋势，其中夏季下降趋势最明显；平均日蒸发量是下降趋势，其中夏、冬季平均日蒸发量是上升趋势，春、秋季平均日蒸发量是下降趋势，秋季下降趋势最明显。

（2）在各气象条件和玉米产量的相关分析中，相对湿度和玉米产量的变化呈负相关；气温、0 cm地温、日照、降水、蒸发和玉米产量的变化呈正相关。其中气温和玉米产量的相关程度最高，相关系数达到0.6108。建立湿度、气温、0 cm地温、日照、降水、蒸发对丹东玉米产量的多元线性回归预测模型。检验得出，预测模型对丹东玉米产量的模拟值和实测值的相关度高达0.9496。

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（责任编辑 白雪娜）

Changes of meteorological conditions in Dandong area during 1951—2013 and its correlation with corn yield

ZOU Xu-dong，YANG Hong-bin，WANG Hong-yu，ZHANG Yun-hai，LIU Yu-che
（Institute of Atmospheric Environment，China Meteorological Administration，Shenyang 110166，China）

In order to understand the effects of meteorological conditions on the yield of crops，and to discuss the impact on crop yield under climate change，based on the temperature，ground temperature，precipitation，relative humidity，sunshine and evaporation data of Dandong area in 1951-2013，the changing trend of meteorological factors in Dandong area was analyzed，and the effects of meteorological conditions on the yield of maize in Dandong based on the data of annual average yield per 667 m2and meteorological conditions in 2002-2012 were analyzed. The results showed that the changes of temperature and ground temperature showed an upward trend in Dandong area during 1951-2013，precipitation，relative humidity，sunshine，evaporation showed a downward trend，the change of relative humidity was negatively correlated with corn yield in Dandong area，temperature，ground temperature，sunshine，precipitation，evaporation had positive correlation with corn yield，in while the correlation of temperature and corn yield in Dandong area was the highest. The regression forecasting model of corn production in Dandong area was established with temperature，ground temperature，precipitation，relative humidity，sunshine and evaporation. The correlation degree between simulation and measured value of corn yield in Dandong area was 0.9496.

meteorological conditions；corn yield；correlation analysis；Dandong area

S513.047

A

1004-874X（2016）11-0007-07

2016-08-11

国家自然科学基金（41240034）；中国气象局山洪地质灾害项目（2015）；辽宁省气象局项目（2015）

邹旭东（1979-），男，硕士，助理研究员，E-mail: zouxd_163.com@163.com

邹旭东，杨洪斌，汪宏宇，等. 1951—2013年丹东地区气象条件的变化及其与玉米产量的相关分析［J］.广东农业科学，2016，43（11）：7-13.