近30年河南省夏玉米的气象年景波动对大气环流的响应

田宏伟 邢开成 黄进 张方敏

摘要：依托河南省17个地级市1988-2017年夏玉米产量数据及15种大尺度大气环流指数（LACI）资料，运用气候产量指数（CDYI）评估了研究区夏玉米气象年景对大气环流异常的响应，主要结果如下：（1） 与其他拟合方法相比，HP滤波法更适用于研究区夏玉米气候产量的提取;（2） 基于主成分分析结果，河南省可以划分为4个呈现不同夏玉米CDYI演变情形的子区域，分别为东南部、北部、中南部、西部，且2003年后各分区CDYI的波动趋于缓和;（3） 与其他分区相比， 河南省东南部地区CDYI与大尺度大气环流指数的线性关系最为显著，特别是1月份较高数值的东太平洋/北太平洋涛动指数（EP/NP）是表征该区域夏玉米减产的重要前兆性信号; （4） 夏玉米气象年景波动对环流信号的响应存在不稳定性和阶段性。

关键词：河南省;夏玉米;气象年景;气候产量指数;大气环流

中图分类号：S162.5+3文献标识码：A文章编号：1000-4440（2020）06-1437-07

Abstract：The climate-driven yield index （CDYI） was used to evaluate the responses of annual meteorological harvest of summer maize to atmospheric circulation anomalies in the study area， based on the yield data of summer maize from 1988 to 2017 in 17 prefecture-level cities of Henan province and the data of 15 large-scale atmospheric circulation indices （LACI）. The main results are as follows： firstly， HP filter method was more suitable for extracting the climate-driven yield of summer maize in the study area compared with other fitting methods. Secondly， Henan province could be divided into four sub-regions with different temporal variations of CDYI for summer maize such as southeast region， north region， central south region and west region， based on the results of principal component analysis， and the CDYI fluctuations in each sub-regions tended to be moderate after 2003. Thirdly， the linear relationship between CDYI and LACI in southeast region of Henan province was the most significant compared with other sub-regions， the oscillation index （EP/NP） of East Pacific/North Pacific with a relatively higher value was the key precursory signal for yield reduction of summer maize in this region especially in January. Fourthly， there were instabilities and stage features in the response process of annual meteorological harvest fluctuations of summer maize to circulation signals.

Key words：Henan province;summer maize;annual meteorological harvest;climate-driven yield index;large-scale atmospheric circulation

中国既是粮食生产消费大国也是全球主要的气候脆弱区之一[1]。伴随气候变化，主要产粮区的温、光、水、风等主要农业气候资源要素正发生着显著变化，此外极端气候事件的加剧造成了农业气象灾害频发，这些都给区域甚至国家的粮食安全带来了极大的风险和挑战[2-3]。鉴于此，主要粮食作物的气候资源及气象年景已成为相关学科关注的重要研究对象[4]。相对气候产量表征的农业气象年景综合反映了作物生长发育和产量形成期间气象要素组合对作物产量的最终影响，科学、准确地预估作物气象年景可以为农业生产的防灾减灾、作物结构调整、应对气候变化提供重要的数据支撑[5-6]。

大气环流异常是引发灾害天气、气候异常的主要原因，其通过影响农业气象要素的变化进而影响气象年景的丰歉[7]。結合海洋及大气相关信息的大尺度环流指数可以提供区域气候年际变化的前兆信号，大量研究结果表明区域气候要素与环流指数之间存在着显著的时滞相关性[8]。因此，构建区域作物气候产量与不同类型大尺度环流指数的线性关系，对气象年景有前兆性指示作用，能够实现较长前置期的产量预测。但目前相关的研究还较少，仅有少数学者针对江苏、辽宁粮食作物气候产量与环流指数的线性关系进行了一定的探索[1，7]。

由图4可知，CDYI小波分析结果进一步刻画了夏玉米气象年景波动的年际差异。研究区东南部（区域I）的CDYI主要在1988-2008年间呈现出显著的2～8年周期性振荡;北部（区域II）的CDYI主要在1988-2009年间呈现出显著的2～8年周期性振荡;中南部（区域III）的CDYI主要在1988-2006年呈现出显著的2～8年周期性振荡;西部（区域IV）的CDYI在1988-2003年呈现出显著的2～8年周期性振荡;总体而言，2003年后河南省夏玉米气象年景进入了波动相对平缓的阶段。

2.4各分区CDYI对大气环流指数的敏感性分析

鉴于河南省夏玉米的生育期大致为6月至9月，依托各分区CDYI的逐年序列、1月至9月（共计9个月）期间各月份LACI（共计15种）的逐年序列，计算得到了CDYI与夏玉米播种前及生育期期间不同月份LACI的相关系数。由表2可以发现，就生育期期间而言，各分区相关系数的绝对值在0.243至0.539浮动，与CDYI相关性较显著的环流指数主要为WP、TSA和NINO4;就播种前而言，各分区相关系数的绝对值在在0.222至0.600浮动，与CDYI相关性较显著的环流指数主要有EP/NP、NINO3、TSA和SOI。总体而言，无论是夏玉米生育期期间还是播种前的环流指数对夏玉米气象年景均有较强的指示作用。此外，由表2还可以发现研究区CDYI与LACI间的相关性存在显著的区域差异。4个气候分区中，东南部地区（区域I）的CDYI波动对LACI的响应更为敏感，特别是CDYI与1月份EP/NP指数的相关系数达到了-0.600。与区域I相比，中南部（区域III）和西部（区域IV）地区的CDYI与LACI的相关性略弱，其相关系数绝对值的最大值分别为0.539、0.515。反观北部地区（区域II），CDYI与LACI的相关性最弱，其相关系数的绝对值均不超过0.450。

表2中采用多元逐步回归来简化CDYI与LACI间的线性关系，进而得到各分区CDYI对关键月份环流指数的敏感性。1月份的EP/NP指数（EP/NP_1）、5月份的NINO3指数（NINO3_5）、6月份的TSA指数（TSA_6）、5月份的SOI指数（SOI_5）分别为区域I、区域II、区域III、区域IV夏玉米气象年景的关键环流信号。其中，区域I 的CDYI与EP/NP_1线性方程的R2超过了0.3，这进一步说明了前期环流信号对东南部夏玉米单产波动有着更好的指示作用。由表2中的方程可知，EP/NP_1每增加1个单位，会导致东南部CDYI减少6.65%，而NINO3_5、TSA_6、SOI_5每增加1个单位，分别会导致北部、中南部、西部CDYI增加3.68%、11.30%、6.61%。

图5中CDYI与关键环流指数的10年滑动相关分析结果表明，夏玉米气象年景波动对环流信号的响应存在不稳定性和阶段性。就东南部地区（区域I）而言，CDYI与EP/NP_1始终呈现出负相关性，其中2008-2017年负相关性的显著性较高，部分滑动相关系数的绝对值超过了0.8。与东南部地区截然不同，北部地区（区域II）、中南部地区（区域III）、西部地区（区域IV）CDYI与关键环流指数间的相关性呈现出阶段性递减的态势，特别是2013-2017年的滑动相关系数大多在-0.4至0.4浮动。

3讨论

基于HP滤波法提取了河南省17个市近30年夏玉米气候产量指数，主成分分析结果指出，研究区可以划分成东南部、北部、中南部、西部这4个呈现不同气象年景演变特征的子区域。这与基于河南省降水年际波动的气候分区结果相似，研究区内自南向北由亚热带向暖温带气候过渡，自东向西由平原向丘陵山地过渡的2种典型过渡性是造成相关气候指数年际变化区域差异的主要原因[17]。

小波分析的结果表明各分区夏玉米气象年景均呈现出2～8年的周期性振荡，且这种周期性振荡在2003年之前较为显著。这与研究区农业气象灾害强度的年代际变化规律高度一致，其1988-2003年为第一阶段，受灾面积波动较大;2003年以后为第二阶段，受灾面积波动较平缓[18]。

河南省夏玉米CDYI与EP/NP、NINO3、TSA和SOI等环流指数存在着显著的相关性，其相关系数在-0.600至0.539间浮动。现有研究中河南省夏玉米CDYI与生育期中降水、气温等气象要素的相关系数在-0.487至0.389间浮动[16，19]，相较而言，大尺度环流指数对夏玉米气象年景波动有着更好更快捷的指示作用，特别是1月份EP/NP對东南部夏玉米产量波动的指示作用尤为显著。华北汛期降水的年代际变化与太平洋海温异常存在着时滞期为半年左右的遥相关性，前期太平洋涛动指数偏高往往是华北汛期降水偏多的重要信号[20-25]。此外，东南部地区是连续降水、强降水等导致夏玉米减产的雨涝灾害高风险区。因此，1月份较高的EP/NP成为东南部夏玉米气象欠产年景的关键前兆信号。

夏玉米气象年景波动对环流信号的响应存在年际变化，特别是NINO3、TSA和SOI对CDYI的影响在2004年后减弱。这与ENSO（厄尔尼诺-南方涛动） 对中国夏季降水年际变化影响的不稳定性特征相吻合，特别是ENSO相关的环流指数与降水的线性关系在2000年后减弱[25-26]。因此在今后的研究中运用人工神经网络、支持向量机、机器学习等手段优化环流信号对作物气象年景的指示作用是值得尝试的。

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（责任编辑：陈海霞）