气候变化情景下黄淮海冬麦区降水量及其适宜度变化分析

气候变化情景下黄淮海冬麦区降水量及其适宜度变化分析申双和;褚荣浩;吕厚荃;李萌;邵立瑛
【摘要】The daily 0.25 × 0.25 degree gridded meteorological data under A1B climate scenario (1951-2100) extracted from the regional climate model RegCM3 was interpolated to station location by bilinear interpolation, daily meteorological data of 83 stations from 1971 to 2000 in Huang-Huai-Hai winter wheat region was used to correct scenario data, which was divided into five periods (1951-1980, 1981-2010, 2011-2040, 2041-2070, 2071-2100) to calculate precipitation suitability for winter wheat in different growth periods and to analyze its spatial and temporal variations. The results showed that under warm and humid climate scenarios, the mean precipitation and precipitation suitability of main growth periods was better in the south than that of in the north. The precipitation was insufficient from turning green to jointing stage and ample from heading to maturity stage, the precipitation suitability was higher from turning green to jointing stage and from heading to maturity stage and lower from jointing to heading stage. Both precipitation and precipitation suitability fluctuated in positive phase with time, the precipitation suitability increased with the precipitation increasing. Both precipitation and precipitation suitability showed an increasing trend in the north while decreasing in the south from turning green to jointing stage, a fluctuating trend of decreasing-increasing-decreasing-increasing from jointing to heading stage, a relative steady trend after decreasing from
heading to maturity stage. Winter wheat planting area should be expanded slightly in the northern Huang-Huai-Hai winter wheat region and keep the current state or be reduced slightly in the southern Huang-Huai-Hai winter wheat region in the future considering the impact of global warming.%采用双线性插值法将RegCM3模式模拟的A1B情景下该区域1951-2100年0.25°×0.25°的格点数据插值到各站点位置，然后利用黄淮海冬麦区1971-2000年83个站点逐日气象资料对其进行误差订正，再将情景数据分为1951-1980年、1981-2010年、2011-2040年、2041-2070年和2071-2100年共5个阶段，计算各阶段冬小麦主要生育期降水量及其适宜度，并分析相应的时空变化特点。

结果表明：黄淮海冬麦区在暖湿化的气候情景下，冬小麦各主要生育期降水量和降水适宜度总体上呈现南方多北方少的分布特点，返青-拔节期降水量最少，抽穗-成熟期降水量最多，相应各主要生育期的降水适宜度表现为返青-拔节期和抽穗-成熟期较高、拔节-抽穗期较低的特点。

分时段分析结果显示，随着时间推延，各主要生育期内降水适宜度与降水量基本呈正相位的变化关系，即降水量越大，适宜度也相应增大。

返青-拔节期的降水量和降水适宜度均呈现北部增加、南部明显减少的趋势，拔节-抽穗期降水量和降水适宜度均呈减少-增加-减少-增加的波动变化趋势，抽穗-成熟期降水量和降水适宜度均呈先减少后相对稳定的变化趋势，全生育期内降水量和降水适宜度均呈先减少后增加的趋势。

未来全球气候变暖情景下，黄淮海冬麦区北部可以考虑根据实际情况小幅扩大种植规模；南部可以考虑保持现有种植规模或小幅减小种植规模。

【期刊名称】《中国农业气象》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】11页(P454-464)
【关键词】黄淮海冬麦区;冬小麦;RegCM3;降水;降水适宜度
【作者】申双和;褚荣浩;吕厚荃;李萌;邵立瑛
【作者单位】南京信息工程大学气象灾害预警预报与评估协同创新中心，南京210044;南京信息工程大学应用气象学院，南京210044;中国气象局国家气象中心，北京 100081;南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044;南京信息工程大学
应用气象学院，南京 210044
【正文语种】中文
黄淮海冬麦区是重要的小麦生产基地，全国55%的小麦来源于此，对国家粮食安
全起着至关重要的作用[1]。

近年来，全球气候变化已成为人们关注的热点问题，
据IPCC第五次评估报告(AR5)第一工作组(WGI)报告[2]指出，未来全球气候变暖
仍将持续，21世纪末全球平均地表温度在1986-2005年的基础上将升高0.3～
4.8℃。

随着气候变化，农业气候资源也随着发生相应变化[3-4]，其中降水量丰沛与冬小麦生长的不匹配问题也愈发严重[5]，进而对冬小麦生长发育[6-8]、适宜种植范围[9]和产量[10]带来重要影响。

目前，针对作物适宜度的研究越来越多，代立芹等[11]采用逐日气象要素和统计方法，建立了河北省冬小麦各生育期气候适宜度评价模型，并分析了1981-2010年逐年冬小麦各生育期气温、降水、日照和气候适宜度的时空变化特征；李秀芬等[12]利用东北地区1981-2007年164个气象站逐日气象资料、玉米产量资料和
30个农业气象试验站的玉米生育期资料，建立东北地区玉米生长发育期气象条件
适宜程度诊断模型，计算玉米主要发育阶段(播种-出苗、出苗-拔节、拔节-开花、开花-乳熟、乳熟-成熟)的综合气象适宜度指数；李树岩等[13]利用河南省19个农气站 1981-2006年夏玉米发育期观测资料和地面气象观测资料，建立综合温度、
降水、日照三要素的气候适宜度评价模型，构建基于气候适宜度的夏玉米发育期预报生理指标及预报模型；黄淑娥等[14]通过对江西省双季水稻生长季温、光、水的需求及当地气候条件进行分析，建立了双季水稻各生育期光、温、水及气候适宜度评价模型。

但以往研究大都存在研究方法过于集中、时间序列短，且多建立在历史资料基础上、单方面因素分析不够透彻和区域较局限等问题，本研究以黄淮海冬麦区83个站点1971-2000年逐日气象资料为基准，通过结合区域气候模式（RegCM3）在未来气候变化A1B情景下输出的气象数据，对 1951-2100年黄
淮海冬麦区冬小麦各主要生育期降水量及其适宜度变化进行时空分析，以期为研究该区域冬小麦降水适宜度演变、充分利用气候资源、合理调整农业布局及指导黄淮海区域冬小麦生产提供科学依据。

1.1 研究区概况
黄淮海冬麦区位于29°24′-42°36′N，11°21′-122°42′E，包括河北（除张家口和
承德）、京津、河南、山东、安徽和江苏5个省和地区（图1）。

总面积约
5.0×107hm2，农田面积约2.6×106hm2，每年小麦产量约占全国的55.5%。

该区域属暖温带季风性气候，四季变化明显，春季干旱少雨，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，全年≥0℃积温4200～5000℃·d，无霜期170～220d，降水多集中在每年7-9月，年平均降水量500～800mm[15]。

1.2 资料来源
研究数据来源于国家气候中心RegCM3模式模拟A1B情景下1951-2100年
0.25°×0.25°格点气象资料日值，包括日平均气温（℃）、日最高和最低气温（℃）、日降水量（mm）、气压（hPa）、日总辐射（W·m−2）、日平均风速（m·s−1）、日平均相对湿度（%）；以及国家信息中心发布的1971-2000年黄
淮海区域83个站点（图1）逐日气象资料，包括日平均气温（℃）、日最高和最
低气温（℃）、日降水量（mm）、日总辐射（W·m−2）、日平均风速（m·s−1）
和日平均相对湿度（%）。

1.3 模拟气候数据的订正
利用 Matlab读取 RegCM3模式下黄淮海区域1951-2100年的逐日平均气温（℃）、日最高和最低气温（℃）、日降水量（mm）、日总辐射（W·m−2）、
日平均风速（m·s−1）、日平均相对湿度 RH(%)，并利用1971-2000年83个站点逐日气象资料对其进行误差订正，采用双线性插值法，将格点数据插值到站点位置，然后利用1971-2000年83个站点逐日气象资料对其进行误差订正[16]。

1.4 研究方法
（1）将1951-2100年的数据资料分成5个时段进行分析，分别为1951-1980、1981-2010、2011-2040、 2041-2070和2071-2100年。

（2）采用 5日滑动平均法确定逐年平均气温稳定通过15℃的终日作为冬小麦适
播期[17]，冬小麦生长的终止日期根据积温指标进行确定。

根据黄淮海冬麦区主要农业气象站点冬小麦各生育期的起止日期，计算各站点冬小麦各生育期所需积温，之后将整个黄淮海冬麦区取平均值，具体各生育期积温指标如表1。

（3）计算每个格点的逐日降水适宜度S(r)，方法为
式中，r为日降水量，ET为冬小麦日生理需水量，kc为作物系数[18-19]，黄淮海区域冬小麦各生育阶段kc取值如表 2所示。

ET0为参考作物蒸散量，按照FAO
推荐的Penman-Monteith估算模型计算[20]。

将各生育阶段逐日降水适宜度平均得到主要生育阶段的降水适宜度Si(r)，然后采
用相关系数法确定各生育阶段的权重。

即计算不同生育阶段温度适宜度之间的相关系数矩阵，计算每一生育阶段与其它生育阶段相关系数的平均值，以其平均值占全生育期内所有生育阶段相关系数平均值总和的比值，作为该生育期的权重系数ai。

最后，综合计算得到冬小麦全生育期的降水适宜度S(R)[21]为
2.1 返青-拔节期降水量和降水适宜度变化
2.1.1 降水量
由图2可知，黄淮海冬麦区冬小麦返青-拔节期降水量主要呈现空间上北低南高，
时间上北部增加、南部明显减少的趋势。

1951-1980年，河北（除张家口和承德）大部、河南东北部、山东中北部降水量均小于35mm，河南大部、山东东南部、
安徽江苏北部局部降水量36～60mm，安徽江苏中部达61～85mm，安徽、江苏南部均高于85mm。

相对于1951-1980年，1981-2010年降水量变化幅度较小，主要表现为山东东南部降水量有 25mm左右的减少，安徽和江苏中部有25mm
左右的增加，与1981-2010年（基准年）相比，2011-2040年山东南部、河南南部和北部局部地区、安徽江苏北部降水量有 25mm左右的增加，其它区域变化不明显；2041-2070年，河北东部和南部、河南北部和中部、山东中东部地区降水
量有25～ 50mm的增加，安徽和江苏北部局部地区增加幅度较小，为 25mm左右，安徽西南部和江苏南部地区下降幅度较大，为25～50mm；2071-2100年，河北南部和山东中部降水量以增加36～85mm的趋势进一步向北扩张，与之相反，河南西南部、安徽、江苏中南部下降趋势尤为明显，幅度为50～100mm，尤以
安徽中南部较严重。

2.1.2 降水适宜度
由图 3可见，各分析时段黄淮海冬麦区冬小麦返青-拔节期降水适宜度的空间分布均呈北低南高的趋势，时间上呈北部增加，南部减少的趋势。

1951-1980年，河
北（除张家口和承德）、北京、天津、山东和河南中北部冬小麦降水适宜度偏低，大部分区域在0.4以下；而河南、山东南部以及江苏、安徽北部降水适宜度达
0.41～0.8，安徽、江苏中南部达0.8以上。

相对1951-1980年，1981-2010年
河北南部、北京、天津降水适宜度已低于0.2，山东东南部也有0.2左右的下降幅度；河南中南部、安徽、江苏中部有0.1～0.2的上升幅度。

与1981-2010年（基准年）相比，2011-2040年河北南部、山东北部降水适宜度在0.2以下的区域逐
步扩大，北京大部、天津北部、河南、山东中南部有0.2左右的上升幅度，而安徽、江苏中北部下降0.1～0.2；2041-2070年，河北（除张家口和承德）、北京、天津、河南和山东大部地区降水适宜度有所上升，基本位于 0.2～0.4区间；安徽和
江苏中南部下降趋势较明显，降幅在0.2～0.4；2071-2100年，河北大部降水适
宜度在0.2以上，河南中南部有0.2左右的下降幅度，安徽、江苏南部下降幅度较大，在0.2～0.4，尤以安徽南部最明显，在0.4左右。

2.2 拔节-抽穗期降水量和降水适宜度变化
2.2.1 降水量
由图4可知，黄淮海冬麦区拔节-抽穗期降水量空间分布上呈现南多北少的趋势，
时间上呈现减少-增加-减少-增加的波动变化趋势。

1951-1980年，河北（除张家口和承德）、河南东北部、山东中北部降水量均小于40mm，河南大部、山东东
南部、安徽、江苏北部降水量在 41～70mm，河南南部小部分区域、安徽南部、
江苏南部均高于 101mm；相对于1951-1980年，1981-2010年黄淮海冬麦区拔节-抽穗期降水量有所减少，主要表现为山东东南部、河南大部、安徽和江苏北部
减少 30mm左右，其余区域变化不大。

与 1981-2010年（基准时段）相比，2011-2040年河南中部、江苏安徽北部区域降水量有30mm左右的增加，安徽中部和江苏南部增加 30～100mm，其余区域变化不大；2041-2070年，河南、江
苏和安徽中北部降水量有30mm的增加，河南、江苏南部有100mm左右的下降；2071-2100年，河南、江苏和安徽北部以及山东南部降水量有 30mm左右的增加，河南东北部小部分区域、安徽中部和江苏南部降水量有100mm左右的增加，其
余区域变化不大。

2.2.2 降水适宜度
由图5可知，黄淮海冬麦区拔节-抽穗期降水适宜度北部地区较低，南部较高，时
间上呈现减少-增加-减少-增加的波动变化趋势。

1951-1980年，河北南部、北京
南部、天津大部降水适宜度均在0.2以下，河南东北部、山东西北部在0.21～0.4，河南南部、安徽、江苏大部降水适宜度较高，在 0.41～1.0。

相对于1951-1980年，降水适宜度在0.2以下的区域逐渐向南部扩张，河南、山东大部、安徽、江苏北部有 0.2～0.4的下降，其它区域变化不明显。

相对于1981-2010年（基准年），2011-2040年整个黄淮海冬麦区降水适宜度有所上升，0.2以下的区域向北有所
缩小，河南中南部、江苏、安徽中北部有0.2～0.4的上升；2041-2070年，降水适宜度在0.2以下的区域进一步向北缩小，河南大部、山东南部、安徽江苏北部降水适宜度有0.2左右的上升，而安徽和江苏中部有0.2～0.4的上升；2071-2100年，降水适宜度0.2以下的区域已缩小至河北东南部、天津南部、山东西北部；河北（除张家口和承德）北部、河南北部、山东南部局部、安徽、江苏中北部地区有0.2～0.4的上升。

2.3 抽穗-成熟期降水量和降水适宜度变化
2.3.1 降水量
由图6可知，黄淮海冬麦区抽穗-成熟期降水量空间上呈现南多北少的分布趋势，
时间上呈现先减少后相对稳定的变化趋势。

1951-1980年，河北（除张家口和承德）大部、河南东北部、山东中北部降水量均小于75mm，河南大部、山东东南部、安徽江苏北部降水量在76～120mm，河南南部和西部小部分区域、安徽、
江苏南部均高于120mm；相对于1951-1980年，1981-2010年降水量变化幅度较小，主要表现为山东中部有 45mm左右的增加，河南西部和南部、安徽和江苏南部减少 140mm左右；与1981-2010年（基准时段）相比，2011-2040年黄
淮海冬麦区北部、山东西南部和安徽北部降水量有45mm 左右的下降，江苏南部下降幅度较大，达140mm左右，其它区域变化不大；2041-2070年，河北东部、河南中部、山东西南部和安徽北部局部降水量下降45mm左右，山东东部上升
45mm左右，江苏苏南地区升幅较大，达140mm左右；2071-2100年，黄淮海
冬麦区抽穗-成熟期降水量变化不大，趋于稳定。

2.3.2 降水适宜度
由图7可知，黄淮海冬麦区冬小麦抽穗-成熟期降水适宜度空间上总体呈现北低南高的趋势，时间上呈现先减少后相对稳定的变化趋势。

1951-1980年，河北南部
降水适宜度最低，在0.2以下；河南东北部、山东大部、安徽、江苏中北部在
0.2～0.8，河南、安徽、江苏南部达0.8以上。

与1951-1980年相比，1981-2010年河北南部0.2以下区域有所缩小，河北东部上升0.2左右，河南中南部、
山东南部、安徽北部均下降0.2左右。

与1981-2010年相比（基准年），0.2以
下的区域已扩至北京和天津大部，河南东北局部、山东西北部下降0.2左右，安徽和江苏北部下降0.1～0.2，其它区域变化不明显；2041-2070年变化趋势不明显，主要表现为0.2以下区域向南扩张，天津南部、河北东部下降0.2左右，山东南部上升0.2左右；2071-2100年，0.2以下区域逐步向南转移并扩大，河北东部、天津南部下降0.2左右，河南中南部、山东南部、安徽北部均有所上升，升幅在
0.2～0.4，安徽江苏中部升幅较大，达0.4左右，其它区域变化不明显。

2.4 冬小麦全生育期降水量和降水适宜度变化
2.4.1 降水量
冬小麦全生育期内降水量如图 8所示，由图可知，冬小麦生育期内降水量空间上
呈现南多北少的分布趋势，时间上呈现出北部增加、南部减少的趋势。

相对于1951-1980年，1981-2010年降水量变化较小，其中河南西部有小幅减小，山东中西部小幅增加，增幅为100mm左右。

与1981-2010年（基准时段）相比，2011-2040年山东、河南中部、安徽、江苏北部有增加趋势，增幅为100mm左右，其它地区无明显变化；2041-2070年，河北东部和南部、山东东北部、河南
北部降水量增加100mm左右，河北北端下降 100mm左右，江苏东南部降幅较大，达150～300mm；2071-2100年，江苏和安徽中南部降水量减少趋势更明
显，降幅达300mm左右，安徽最南端仍为黄淮海冬麦区冬小麦生育期内降水量最高值区。

2.4.2 降水适宜度
由图 9可知，黄淮海冬麦区冬小麦全生育期降水适宜度分布总体呈现南高北低趋势，时间上呈现北部增加、南部减少的趋势，这与各主要生育期降水适宜度及降水量的空间和时间分布基本吻合。

1951-2100年，冬小麦全生育期降水适宜度0.2以下范围位于河北省中部偏南及山东西北地区，且随时间推移呈向东南递减趋势。

相对于 1951-1980年，1981-2010年黄淮海冬麦区大部地区降水适宜度变化幅度较小，主要表现为河南北部、山东南部，河北东部将下降0.1～0.2。

相对于1981-2010年，2011-2040年山东中部降水适宜度上升0.1～0.2，安徽、江苏中南部将下降 0.2以上，其它区域变化不明显；2041-2070年，河北中部、北京、天津北部、河南东北部降水适宜度上升0.1左右，河南南部、安徽、江苏中南部将下降0.2～0.4；2071-2100年，河北南部、北京天津北部、山东中部地区降水适宜度上升0.1左右，安徽、江苏中南部降幅较大，达0.4左右。

3.1 结论
（1）黄淮海冬麦区冬小麦各主要生育期降水量总体呈现空间上南多北少的趋势，且从返青-拔节期-拔节-抽穗期-抽穗-成熟期降水量依次增多。

（2）黄淮海冬麦区冬小麦各主要生育期降水适宜度总体呈现空间上南高北低的趋势，且从返青-拔节期-拔节-抽穗期-抽穗-成熟期呈先降低后升高的趋势。

（3）随着时间推延，黄淮海冬麦区冬小麦各主要生育期降水量和降水适宜度基本呈正相位的变化关系，即降水量越大，适宜度也相应增大。

返青-拔节期降水量呈北部增加、南部明显减少的趋势，降水适宜度呈北部增加、南部减少的趋势；拔节-抽穗期降水量和降水适宜度均呈减少-增加-减少-增加的波动变化趋势；抽穗-成熟期降水量和降水适宜度均呈先减少后相对稳定的变化趋势；全生育期内降水量和
降水适宜度均呈先减少后增加的趋势。

3.2 讨论
本研究发现黄淮海冬麦区冬小麦各主要生育期降水量总体呈现空间上南多北少的趋势，胡玮等[22]的研究也提出华北冬小麦灌溉需水量在空间上呈现从北到南逐渐递减的趋势，这与本文研究结论相一致。

李国强等[23]研究表明，冬小麦全生育期对降水量的需求不尽一致，拔节-抽穗期和抽穗-乳熟期是冬小麦需水最大的时期，且降水量依次增多。

代立芹等[11]对冬小麦各生育期降水适宜度变化特征分析表明，冬小麦返青-拔节期降水适宜度逐渐下降，拔节-抽穗期降水适宜度均最低，灌浆期降水适宜度有所回升，这也正与本文研究结论相一致，说明拔节-抽穗期内黄淮海
冬麦区降水无法满足此阶段冬小麦需水量。

冬小麦降水适宜度与降水量变化有关，同时与气温、风、辐射、相对湿度等要素也相关，但本文研究发现，随着时间推延，黄淮海冬麦区冬小麦各主要生育期降水适宜度与降水量关联最为密切，基本呈正相位的变化关系。

未来情景下黄淮海冬麦区北部大部分地区降水适宜度在 0.4以下范围较大，但是随时间呈上升趋势，可以考虑根据实际情况小幅扩大种植规模；黄淮海冬麦区南部虽然降水量有所减小，但是相对整个区域降水适宜度较大，能基本满足冬小麦生长发育需求，可以考虑保持现有种植规模或小幅减小种植规模。

在气候变暖情景下，黄淮海冬麦区冬小麦品种和耕作制度将会有一定变化，冬小麦生长发育过程甚至其机理也将发生改变。

因此，进一步结合历史气候资料和产量资料，对比不同模式输出数据，在此基础上结合现有品种的生理指标，通过田间试验和未来品种冬小麦的预测指标进行冬小麦降水适宜度的研究，可为进一步提高冬小麦水分利用效率及其合理种植提供理论依据。

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