气候变化背景下江苏河蟹养殖高温热害风险评估

张旭晖 俞子闲 时冬头 任义方 王敦纠 吴洪颜

(1 江苏省气候中心，南京 210041;2如东县气象局，江苏 南通 226400; 3 高淳区气象局，南京 211300;4 阜宁县气象局,江苏 盐城 224499;5 江苏省气象台，南京 210041 )

引 言

江苏省湖泊众多，水网密布，河蟹养殖条件得天独厚。近年来，年均水产养殖面积2 620 km2，总产量达352 000吨，年产值过百亿元，河蟹品牌知名度、市场认可度和产业规模均位于全国前列。河蟹养殖是露天生产，气象灾害直接影响河蟹产量和品质。如2017年7月淮安市洪泽区因高温造成减产，直接经济损失约2 070万元，最严重的老子山镇70%的蟹塘减产4成以上。高温热害作为制约河蟹养殖的主要气象灾害，一直受到生产者的高度重视。

国内外学者针对河蟹高温热害做了大量的研究。一些学者开展了高温期间河蟹生态环境因子变化规律研究，如戴恒鑫等[1]对河蟹生态养殖池塘不同水层溶解氧进行昼夜监测，分析了高温季节各种天气蟹塘内因水草分布不同而导致的溶解氧的分布和变化的差异；盖建军等[2]通过对苏南地区河蟹养殖池在不同气象条件下的水体监测，探讨高温天气对溶解氧、pH值的影响。一些学者开展了高温热害发生时河蟹自身生理机能变化及气象灾害防御对策研究[3-5]。张旭晖等[6]分析河蟹高温热害发生规律，构建灾害监测、预警与评估模型。一些学者开展了河蟹高温热害保险天气指数的研究，如：刘瑞娜等[7]通过分析不同深度水温与河蟹产量相关性，建立高温热害等级指标，并初步设计池塘养殖河蟹高温热害天气指数保险产品，以期为实现水产养殖高温热害风险转移提供有效途径。

随着以变暖为主要特征的全球气候变化导致极端天气气候事件频发[8-10]，多数研究认为，夏季气温呈上升趋势，肖安等[11]基于超热因子的热浪指标分析中国热浪事件气候变化，认为华东地区热浪最长持续天数和热浪总天数全国最多，且有显著增加的趋势；李东欢等[12]利用试验模拟，认为在RCP8.5排放情景下，21世纪中国区域夏季地表气温将持续升高，极端高温事件也将持续增加。夏季高温事件频率、强度的提升，必将增加河蟹养殖高温热害的风险，开展气候变化背景下河蟹气象灾害风险区划的研究，对科学应对气候变化，降低河蟹养殖高温热害的风险具有重大意义[13-14]。本文通过分析影响河蟹高温热害的高温强度、降水、日照等主要气象指标，构建高温热害综合指数，综合高温热害发生频率和河蟹因灾死亡率建立风险评估指数，结合河蟹养殖对地形和土壤的需求，根据该指数的空间分布将江苏河蟹养殖高温热害分成三个风险等级区，研究各区域的年代际变化，成果可为河蟹高温热害防御技术研究、精细把握热害风险空间布局、有效防灾减灾提供科学依据。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

气象数据为江苏、山东、安徽和浙江省气候中心提供的1961—2019年江苏、山东、安徽和浙江省共85个气象观测站资料，要素包括逐日气温(单位:℃)、降水量(单位: mm)、日照时数(单位: h)。

河蟹生产信息为江苏省渔业技术推广中心和各地市区水产局提供2002—2018年江苏河蟹生长情况、伤亡率以及有关水体生态环境变化情况。

河蟹农业统计信息为江苏省统计局提供2002—2018年江苏河蟹产量和经济效益数据。

基础地理信息为国家基础信息中心提供的江苏省1∶250 000基础地理信息数据；南京土壤研究所提供的1∶1 000 000土壤属性数据。

1.2 养殖地理背景

河蟹养殖生态环境不仅与气象条件有关，还与土壤、地形、水质等环境条件密切相关，鉴于江苏优越的水资源条件，仅考虑地形和土壤的背景影响。首先按照壤土>黏土和沙土>盐土进行土壤类型初步分为三类：1(适宜)、2(较适宜)和3(不适宜)[15]；再根据1984年全国农业区划委员会颁布的《土地利用现状调查技术规程》[16]，将基于DEM提取的坡度数据中0°～2°的坡度范围作为适宜水产养殖的区域。

1.3 构建高温热害综合指数

1.3.1 高温热害单因子指数

引发河蟹高温热害的主要气象因素是高温强度及其持续时间、降水和日照[6]，由这4个要素构建河蟹高温热害风险指标，设逐日单因子高温热害风险指数是(i=1为最高气温；i=2为高温持续天数；i=3为降水量；i=4为日照时数)。各气象因子的具体风险指数用隶属度模型构建，可表示为：

(1)

式中：xdixmin和xdixmax为对应气象因子高温热害发生和加重时的临界值。

1.3.2 综合高温热害指数

让我意料不到的是老陈居然打电话举报我。那是在我那个朋友来过之后的第二天，两个警察敲响了我的门。听到敲门声，我还以为是老陈呢。谁想开门后却发现站在门外的是两个警察。只是出乎意外的是其中的一个警察我认识，他也喜欢逛古玩市场。见开门的是我，警察小徐说，怎么是你？

常采用线性方程来综合多因子分析[10]，逐日高温热害综合指数(I)计算公式如下:

(2)

考虑高温期间各气象要素对河蟹的影响特点，利用层次分析法和专家打分法[17-19]给出影响权重a0=0、a1=0.50、a2=0.35、a3=0.10、a4=0.05。

根据河蟹养殖资料和对应的同期高温热害综合指数(I)统计分析，并结合生产实际，将高温热害分成3个等级，详见表1。

表1 河蟹高温热害等级划分标准Table 1 Rating standard of high temperature damage in river crab-farming

江苏省于每年2月中旬至3月上旬放养蟹种，4—8月脱壳成蟹，9月底开始收获，11月底基本收完。其中，6—8月是河蟹养殖的关键阶段，也是高温热害的常发期[20]， 故将6—8月设定为河蟹高温热害监测期。以式(2)计算该期逐日高温热害指数(I)，6—8月逐日累积量定义为当年综合高温热害指数(IZ)，

(3)

式中：Ii为逐日高温热害指数，m=92。

1.4 构建灾害风险评估指数

致灾风险分析是指给定地理区域内一定时段内各种强度致灾因子发生的可能性，即研究给定区域内各种强度的自然灾害的发生概率或重现期[21]。根据高温热害的等级划分标准反演各等级高温热害发生频率，将对应河蟹死亡率作为灾害损失率(表1)，构建河蟹高温热害综合风险评估指数(X):

X=P1D1+P2D2+P3D3，

(4)

式中：P1、P2和P3分别为轻度、中度和重度高温热害的发生频率；D1、D2和D3为对应的死亡率。

2 结果分析

2.1 关键气象要素时空分布

图1 1961—2019年夏季高温日数空间分布Fig.1 The days of high temperature in Summer from 1961 to 2019

图2 1961—2019年夏季高温日数年代际变化Fig.2 Decadal variation of high temperature days in summer from 1961 to 2019

江苏夏季降水量(图略)占全年降水的40%～60%，其中东部沿海和江淮之间大部分地区降水较多，平均降水量超过520 mm，个别极端年份超过1 000 mm(如1991年、2003年)；西北部和东南部降水较少，降水量小于500 mm。从年际趋势看，苏南地区夏季降水有显著增加趋势，气候倾向率为34.6 mm/(10 a)，其余地区夏季降水年际增减趋势并不明显。

江苏夏季平均日照时数(图3)在550 ～ 655 h，不同地区空间差异(图略)并不明显，其中淮北、东部沿海和苏南南部地区略高于沿江和江淮之间西部地区。与气温和降水的变化不同，1961年以来，江苏夏季日照时数持续减少，平均气候倾向率大于30 h/(10 a)，以淮北地区最为显著，R=0.636 8，通过α=0.01的显著性检验(P=0.414)。

图3 1961—2019年夏季日照时数年代际变化Fig.3 Decadal variation of sunshine hours in summer from 1961 to 2019

2.2 高温热害气象指数特征

计算全省1961—2019年6—8月逐日高温影响指数μ1(x)、高温持续天数影响指数μ2(x)、降水影响指数μ3(x)和日照影响指数μ4(x)，以各参数指数逐年累计值分析各要素时空分布和气候变化特征(图略)。其中，高温影响指数呈西南高、东北低的分布态势，年平均值在2.4～19.8。高值区主要分布在沿江苏南地区，固城湖地区其值最高达19.8；其次是溧阳和南京，高温影响指数分别为15.4和14.9，长荡湖和阳澄湖周边地区、洪泽湖西部地区其值均在10.0以上；淮北地区受高温影响程度最轻，平均值在6.0以下，赣榆、响水等地高温影响指数值仅为4.2。高温持续天数影响指数的空间分布(图略)与高温影响指数分布在变化趋势上相一致，均呈现为由西南向东北递减。降水影响指数(图略)则是淮北西部、江淮之间北部、东南部沿海地区高于其它地区。日照影响指数没有明显的区域差异。

2.3 高温热害综合风险区划

利用公式(1)—(4)反演1961—2019年全省各站气象资料，求得各等级高温热害发生频率，与相应死亡率加权得到河蟹高温热害综合风险值。再采用自然断点法将全省划分为高、中、低三个风险等级，依托ArcGIS的栅格分析模块与土壤和地形的适宜养殖分类数据叠加分析，最终得到江苏河蟹养殖高温热害风险区划(图4)。其中高风险区主要包括南京、常州、无锡和苏州西部地区，河蟹养殖规模较大的太湖、高淳湖、滆湖、长荡湖区域均处其中，夏季高温强度和高温持续时间居全省首位，河蟹生长过程极易遭受高温影响。中度风险区在全省的范围最大，包含淮北西部、江淮之间大部以及苏南东部地区，阳澄湖、高邮湖、洪泽湖及以兴化为代表的里下河养殖区均位于其中，该区南部夏季高温强度和高温持续时间明显低于苏南西南部地区，降水量适宜，高温热害影响不及苏南西南部地区，而淮北西部地区高温强度和高温持续时间在相对较弱，但降水偏少、日照充足，增加了高温危害。低风险区包括连云港、淮安和盐城的北部，该区属淮河以北地区，东部临海，夏季高温日少，高温强度全省最低，降水也相对充足，总体来说，高温热害风险是全省最低的。

图4 江苏省河蟹高温热害风险区划图(1961—2019年)Fig.4 Risk zoning map of high temperature damage of river crab in Jiangsu (1961-2019)

2.4 高温热害风险的年代际分析

图5 江苏省河蟹高温热害风险区划:(a) 1961—1990年; (b) 1971—2000年; (c) 1981—2010年; (d) 1991—2019年Fig.5 Risk zoning map of high temperature damage of river crab in Jiangsu: (a) 1961-1990; (b) 1971-2000; (c) 1981-2010; (d) 1991-2019

为进一步了解气候变化背景下河蟹高温热害风险的分布特征，选取1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2019年4个时段计算高温热害风险值(图5)。其中，1961—1990年全省高温热害风险以中值区为主，高值区分散在西部地区，向北延伸到徐州，包括南京和镇江等地、盱眙和泗洪大部分地区以及徐州和泰兴周边地区；风险低值区域小，分散在江淮之间中北部及连云港部分地区，为4个时段中面积最小，其他各地皆为中值区，中值区面积为4个时段之最。1971—2000年高温热害风险高值区为4个时段最小，回落至苏南西部；低值区范围明显扩大，南部一直延伸至高邮等地，淮北中东部全部降至低值区。1981—2010年高温热害风险高值区仍以苏南西部为主，向东延伸，面积也所加大，低值区范围继续向东南扩大，成为四个时段中低值区范围最大的。1991—2019年高温热害风险高值区在四个时段中最大，包括沿江—苏南地区(除南通、吕泗外)、盱眙和泗洪大部分地区，低值区面积明显减少，分散在淮北地区东部、江淮之间中北部部分地区，中值区也相应减少，成为4个时期范围最小。结果表明研究区内河蟹高温热害风险呈先减弱后明显增强趋势，1991—2019年高温热害风险达到历史最高，主要表现为高值区范围明显扩大和低风险区非同步的先扩大后缩小改变，主要是由于高温强度和持续日数的空间差异所造成，日照的减少也有一定影响。

3 结论

河蟹的高温热害是淮河以南地区常见的气象灾害，不仅受高温强度及持续时间影响，而且与日照和降水也密切相关。本文利用了高温、日照和降水的综合影响来评估河蟹高温热害风险的时空分布特征及对气候变化的响应。结论如下：(1) 江苏夏季高温日数呈西南多、东北少的空间分布特征，以1980s为转折，高温日数总体呈先降后升趋势，苏南地区增温幅度最大，其次是江淮之间，淮北地区最不明显；夏季降水量则是东部沿海和江淮之间大部分地区较多，淮北西部、东南部沿海等地较少，夏季降水除苏南地区有显著增加外，其它地区年际变化趋势并不明显；夏季日照时数没有明显的空间差异，全省持续减少，淮北地区最显著。(2) 江苏河蟹高温热害发生风险自西南—东北逐渐降低。高风险区包括南京、常州、无锡和苏州西部地区，太湖、高淳湖、滆湖、长荡湖均处其中，河蟹生长过程极易遭受高温影响；中度风险区的范围最大，包含淮北西部、江淮之间大部以及苏南东部地区，阳澄湖、高邮湖、洪泽湖及以兴化为代表的里下河养殖区位于其中；低风险区则包括连云港、淮安和盐城的北部，该区属淮河以北地区，东部临海，夏季高温日少，高温热害风险最低。(3) 通过年代际分析发现1961年以来全省高温日数呈先降后升的趋势，总体呈上升趋势，1980s为转折点，之后逐渐增加，2010年以后达到最高。而30 a尺度下的高温热害风险分区也有所响应，特征明显。各等级风险区的面积变化直接反映了河蟹高温热害风险先减弱后明显增强的趋势，并在1991—2019年高温热害综合风险达到历史最高。(4) 河蟹高温热害虽然与高温、降水及日照都有一定关系，但分析中也发现，高温强度和持续时间影响最大，其次是降水，日照在高温热害风险空间分布和年际变化中作用并不显著，这可能与日照的年际趋势一致性有关。此外，还发现高温强度和持续时间的非同步变化直接影响着成灾风险区的年际特征，并在一定程度上削弱灾害影响，需进一步展开研究。