江汉平原四湖流域近50年高温热害及热涝相随特征

江汉平原四湖流域近50年高温热害及热涝相随特征
吴启侠;苏荣瑞;刘凯文;朱建强;杨威;周元
【摘要】利用江汉平原四湖流域荆州、潜江、监利、石首和洪湖5站点1960-2010年逐日气象资料,运用常规统计手段和Mann-Kendal突变检测方法,对四湖流域高温热害过程年际变化趋势,高温热害过程在7-8月内各旬发生频次,高温热害发生密集度,热、涝相随灾害发生特征等进行初步探讨.结果表明:(1)四湖流域1960-2010年年高温热害天数以3～ 19d为主,20世纪60年代初-80年代中期缓慢下降,80年代中期以后呈上升趋势,且5站点均有突变点出现,但出现的时期有所不同；(2)四湖流域高温热害以轻度热害为主,且集中在7月中旬、下旬和8月上旬这3个时段(即7月10日-8月10日),同时存在两次高温热害相连发生的现实,其中以间隔1～3d相连发生的次数最高,发生周期为3a,就热害形式来说,轻度高温热害与其它高温热害相连发生的次数最多,51a共发生39次,周期为1.31a；(3)四湖流域发生次数最多的热、涝相随灾害形式为轻度热害、偏涝相随型灾害,51a各站点平均发生了15次,占热、涝相随灾害发生总次数的44.12％,且大部热、涝相随灾害中两种灾害的间隔期在1～5d内.%The characteristic of hot damage,including the occurrence frequency of hot damage in every 10 days of July and August, hot damage density, and characteristic of concomitance of hot and waterlogging, was analyzed by using normal statistical methods and Mann - Kendal mutation detection methods, based on daily meteorological data from 1960 to 2010 at Jingzhou, Qianjiang, Jianli, Shishou and Honghu in Four Lake Basin of Jianghan plain. The results showed that annual hot damage days was mainly about 3 to 19 days in the Four Lake Basin from 1960 to 2010,but it declined slightly during early
1960s and middle 1980s,then increased again. A mutation point was found in different time at each station. The slight hot damage was the main type,which mainly focused on the three stages (the middle 10 days of July,the last 10 days of July and the first 10 days of August). Even two hot damages occurred continuously, during which the interval was 1 to 3 days. Meanwhile, other damage usually followed the slight hot damage, which had the highest probability that occurred 39 times in last 51 years. The concomitance of slight hot damage and slight waterlogging was the main type of concomitance of hot and waterlogging in the Four Lake Basin, average occurrence was 15 times in last 51 years,during which the interval of two damage was 1 to 5 days.
【期刊名称】《中国农业气象》
【年(卷),期】2012(033)004
【总页数】6页(P609-614)
【关键词】高温热害;热、涝相随;四湖流域;高温日数
【作者】吴启侠;苏荣瑞;刘凯文;朱建强;杨威;周元
【作者单位】长江中游湿地农业教育部工程研究中心,荆州434025;湖北省荆州农业气象试验站,荆州434025;湖北省荆州农业气象试验站,荆州434025;长江中游湿地农业教育部工程研究中心,荆州434025;长江中游湿地农业教育部工程研究中心,荆州434025;长江中游湿地农业教育部工程研究中心,荆州434025
【正文语种】中文
【中图分类】S166
在全球气候变暖的背景下，高温、干旱等灾害性天气频发，对人类生活、作物生长、植物物候的影响日趋严重，并波及农业生产、社会经济和可持续发展，已引起全社会高度关注与重视［1-3］。

对长江中下游地区的高温热害天气已有不少研究，谢晓金等［4］总结出长江中下游地区6省的高温时空分布规律;万素琴等［5］分
析了湖北省1961－2005年早、中稻孕穗－乳熟期高温热害时空变化规律;李守华
等［6］对江汉平原中稻花期连续3d和5d的平均气温≥30℃和最高气温≥35℃的天气出现频次进行了分析，得出该地区高温天气集中发生在7月中、下旬和8月
上旬。

江汉平原四湖流域5－8月降水充沛，期间50mm以上的降水多年平均次
数(3.9次/a)占多年平均值的75.37%［7］，加上该区地势低洼，强降水无法及时排除，导致该地区在降水充沛时期地下水埋深浅，常常发生涝渍危害现象。

综上所述，对四湖流域乃至整个长江中下游地区以及南方广大地区来说，7、8月有涝渍
危害和高温热害耦合发生的可能性，涝渍和高温交织往往会对水稻、棉花等作物造成双重危害。

本文拟利用江汉平原四湖流域5站点1960－2010年逐日气象资料，分析四湖流域高温过程年际变化趋势，高温过程在7、8月各旬内发生频次，高温发生密集度，热、涝相随发生特征等，从而为研究高温天气下作物对涝渍的反应规律提供可能的气象依据，为减轻和防御涝渍危害提供科学依据，促进农田排水理论创新与发展。

1 资料和方法
1.1 研究区概况
四湖流域(29°26'－31°02'N，111°57'－114°05'E)位于湖北省江汉平原腹地，南枕长江，北滨汉水及其支流东荆河，东至东荆河入长江的新滩口，西北大致以漳河水库总干渠、三干渠为界，流域内湖泊众多，其中较大的湖泊有长湖、三湖、白露
湖和洪湖，其名称因此而得。

行政区划上包括荆州市区、监利县和洪湖市全境以及荆门市、潜江市、石首市的部分地区，总面积11547.5km2。

1.2 数据来源
基于站点的代表性以及数据序列的长度和完整性，气象资料选取四湖流域内的荆州区、潜江市、洪湖市、监利县、石首市5个站点1960－01－01—2010－12－31逐日日平均气温、日最高气温、日降水量。

由于区域内地形起伏不大，站点分布均匀且处于同一气候带，气候变化无较大差异，因此这5个站点的气象资料能代表
该区域气象实际情况。

1.3 分析方法
1.3.1 高温热害指标确定
高温热害是指日最高气温≥35℃并持续3d以上的高温过程，本文将高温热害过程分为3级:某站若连续3～4d出现日最高气温≥35℃则定义为轻度高温热害，连续出现5～7d定义为中度，连续出现8d以上定义为重度［8］。

若一年中发生多次高温热害，将每次高温热害连续天数累加作为该年的年高温热害天数。

1.3.2 热、涝相随指标及危害等级确定
四湖流域有大量涝渍中低产田分布，是很有代表性的涝渍地分布区，其地下水位高，特别是降水集中的4－8月。

研究表明，在降水集中期，每100mm降水量一般可使该地区地下水位抬升90～100cm，造成涝渍灾害［7］。

本文依据研究区域水、热环境实际，定义24h降水量≥50.0mm或连续3d降水量≥100mm的降水过程，降水前后发生持续3d以上的高温热害，且两种天气过程间隔期≤10d的自然现象为热、涝相随。

以降水多寡、高温热害持续天数为热、涝相随等级划分依据，将热、涝相随划分为9个等级(表1)。

表1 热、涝相随灾害等级划分标准Table 1 The grading standards of the
concomitance of hot and waterloggingNote:Hot damage has 3 grades，SH is slight，MH is moderate，SEH is severe.Waterlogging damage has 3 grades，too，SW is slight，MW is moderate，SEW is severe.SH and SW represents concomitance of SH and SW.The same as below.Criteria轻热偏涝SH and SW 24h降水量≥50mm或连续3d降水量≥100mm的降水过程，降水前后发生连续3～4d的高温热害，且两种天气过程间隔≤等级Grade 标准10d 中热偏涝MH and SW 24h降水量≥50mm或连续3d降水量≥100mm的降水过程，降水前后发生连续5～7d的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d重热偏涝SEH and SW 24h降水量≥50mm或连续3d降水量≥100mm的降水过程，降水前后发生连续8d以上的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d轻热中涝SH and MW 24h降水量≥100mm或连续3d降水量≥150mm的降水过程，降水前后发生连续3～4d的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d中热中涝MH and MW 24h降水量≥100mm或连续3d降水量≥150mm的降水过程，降水前后发生连续5～7d的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d重热中涝SEH and MW 24h降水量≥100mm或连续3d降水量≥150mm的降水过程，降水前后发生连续8d以上的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d轻热重涝SH and SEW 24h降水量
≥150mm或连续3d降水量≥200mm的降水过程，降水前后发生连续3～4d的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d中热重涝MH and SEW 24h降水量
≥150mm或连续3d降水量≥200mm的降水过程，降水前后发生连续5～7d的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d重热重涝SEH and SEW24h降水量
≥150mm或连续3d降水量≥200mm的降水过程，降水前后发生连续8d以上的高温热害，且两种天气过程间隔≤10d
1.3.3 分析方法
高温天数的年际变化趋势用9a滑动平均方法计算，高温天数的年际突变检测采用
Mann－Kendall突变检测［9］方法。

2 结果与分析
2.1 高温热害发生天数及其变化特征
2.1.1 年高温热害天数
四湖流域5站点年高温热害不同天数发生频次见表2。

由表可知，1960－2010年5站点平均有9.4a没有高温热害发生，占18.4%，其中，荆州、潜江、监利和石
首4站点无高温热害发生的年份相差不大，但洪湖站没有发生高温热害的年份相
对较少，仅有4a;发生3～9d高温热害的年份均值为20.4a，占40.0%，其中荆州、潜江2站点最多，各有25a、23a，其次为监利、石首站，最少的是洪湖站，仅有15a;发生10～19d、20 ～29d高温热害的年份均值为29a、5a，分别占29.9%、9.8%;年高温热害发生天数≥30d的年份很少，荆州、潜江、监利和石首4站点均
只有1a，分别为荆州、潜江站1965年的31d、30d，监利站2009年的33d，
石首站1965年的32d，洪湖站有3a，分别为1965年的32d、1978年的33d
和1998年的31d。

总体而言，四湖流域年高温热害天数以3～19d为主。

表2 1960-2010年各站点年高温热害天数出现次数的分级统计(次)Table 2 The statistical times of various annual hot-damageday at five stations from 1960 to 2010站点Station 年高温热害天数30d荆州Annual hot－damage－day 0d 3～9d 10～19d 20～29d ≥Jingzhou 10 25 12 3 1潜江Qianjiang 10 23 14 3 1监利Jianli 11 20 12 7 1石首Shishou 12 19 17 2 1洪湖Honghu 4 15 19 10 3均值Average 9.4 20.4 14.8 5 1.4占比Pt(%)18.4 40.0 29.0 9.8 2.7 由四湖流域5站点逐年高温热害天数9a滑动平均曲线(图1)可见，四湖流域逐年
高温热害天数年际变化趋势以20世纪80年代中期为界，60年代初－80年代中
期缓慢减少，80年代中期至今逐步增加，但5个站点间减少、增加的趋势不完全
一致，表明四湖流域逐年高温天数变化情况在区域间存在微小差异。

图1 各站点年高温热害天数的9a滑动平均曲线Fig.1 The 9-year moving average curve of annual hot-damage-day at five stations
四湖流域5站点逐年高温热害天数年际变化的Mann－Kendal突变检测结果见图2。

由图可知，5站点均有年高温热害天数从减少到增加的突变点出现，荆州、潜
江站在20世纪90年代初，监利站在90年代末，石首站在21世纪初，洪湖站在20世纪80年代末，5站点平均在90年代末，表明四湖流域51a内年高温热害天数从减少到增加的突变点虽然区域间存在微小差异，但整体来说从20世纪90年
代末至今其逐年高温热害天数持续增加，前后两个阶段的年高温热害天数相差
6.1d，高于51a平均增加的天数。

2.1.2 7－8月高温热害频次
7－8月是四湖流域中稻幼穗分化温度敏感期即减数分裂期和抽穗扬花期。

水稻在
幼穗分化或抽穗扬花期适宜温度为24～29℃，致害高温为≥35℃，孕穗期如遇35℃以上的持续高温，水稻花器就会发育不全，花粉发育不良，活力下降;抽穗扬花期
如遇35℃以上高温，则会影响散粉和花粉管伸长，导致不能受精而形成空壳。

但
7－8月恰是四湖流域高温热害易发期，因此分析高温热害在7－8月的分布情况
有助于采取行之有效的种植制度避免作物温度敏感期与高温易发期重叠。

将四湖流域5站点平均后统计7－8月各旬不同高温热害发生频次，结果见表3。

由表可见:(1)就热害形式来说，7－8月各旬发生高温热害以轻度热害为主，占总次数的51.04%，其中发生最多的是8月上旬，1960－2010年共发生14次，其余
各旬发生轻度高温热害的次数相差不大，均在5～7次，中度热害和重度热害发生的频次相当，分别为27.1%和21.88%，其中中度高温热害发生最多的是8月上旬，51a共发生7次，重度高温热害发生最多的是7月中旬和7月下旬，51a均发生
6次。

(2)就发生时间来说，发生高温热害最多的是8月上旬，1960－2010年共
发生25次，占7－8月发生总次数的26.04%，其次为7月中旬和7月下旬，均
为19次，占51a发生总次数的19.79%，其余各旬发生高温热害的次数均为11次。

总体而言，7月中旬、下旬和8月上旬为四湖流域高温热害发生的主要时段。

图2 四湖流域5站点年高温热害天数Mann-Kendal突变检测Fig.2 The Mannn-Kendal mutation detection results of annual hot-damage-day at five stations
表3 不同程度高温热害在7、8月的发生次数统计(1960-2010年)Table 3 The statistical times of various hot damage grade in each ten days of July and August from 1960 to 2010Note:E-is the first ten－day of a month;M-is the middle ten－day of a month;L-is the last ten－day of a month.时间Time 轻度热害SH中度热害MH重度热害SEH合计Total Pt(%)7月上旬E-July 6 3 2 11 11.46 7月中旬M-July 8 5 6 19 19.79 7月下旬L-July 8 5 6 19 19.79 8月上旬E-Aug. 14 7 4 25 26.04 8月中旬M-Aug. 6 3 2 11 11.46 8月下旬L-Aug. 7 3 1 11 11.46合计Total 49 26 21 96 Pt(%)51.04 27.08 21.88
2.1.3 高温热害密集度
高温热害密集度用相邻两次高温过程之间的间隔期表示，间隔期是作物从逆境中恢复和进行田间管理的时段。

间隔期短表明作物遭受高温热害频繁，可能出现两次高温热害叠加的状况，将对作物造成较大伤害。

讨论高温热害发生的密集程度，有助于在间隔期采取有效的田间管理措施，减轻高温热害叠加效应对作物造成的伤害。

结合四湖流域高温热害发生的实际，分4个间隔期对5个站点相邻两场高温过程不同间隔期出现的次数分别进行统计，再将5站点统计值平均作为四湖流域相邻两场高温过程不同间隔期出现的次数(表4)。

由表4可知，从间隔期来看，两次高温热害间隔1～3d相邻发生的次数最高，1960－2010年共发生17次，发生周期为3a;间隔4～6d、7～10d相邻发生的次数相当，发生周期分别为4.25a、4.64a;从热害形式来看，轻度高温热害与其它高温热害相邻发生的次数最多，50a内共相
邻发生39次，周期为1.31a，其中间隔期为1～3d的轻度和中度高温热害相邻发生的次数最多，其周期为7.72a。

表4 不同间隔期的相邻两场高温热害发生次数(1960-2010年)Table 4 The statistical times of various interval periods between two adjacent hot damage(1960 to 2010)间隔期Interval period轻度－轻度Slight to slight轻度－中度Slight to moderate轻度－重度Slight to severe中度－中度Moderate to moderate中度－重度Moderate to severe重度－重度Severe to severe合计Total Pt(%)1～3d 5 7 2 2 1 0 17 37.8 4～6d 4 4 2 1 0 0 12 26.7 7～10d 5 4 1 0 0 0 11 24.4 11～15d 2 3 0 0 0 0 5 11.1合计Total 16 17 6 4 2 0 45
Pt(%)35.6 37.8 13.3 8.9 4.4 0.0
2.2 热、涝相随灾害特征
2.2.1 热、涝相随灾害频次
由表5可见，在四湖流域发生最多的热、涝相随灾害形式为轻度热害、偏涝相随灾害，1960－2010年5站点平均发生次数为15次，占热、涝相随灾害发生总次数的44.12%;其中潜江、荆州、洪湖、监利4站点发生次数相差不大，在16～18次，而石首站发生次数仅7次，远低于平均值;其次为中度热害、偏涝相随灾害和轻度热害、中涝相随灾害，5站点发生均值分别为6次和5次，占热、涝相随灾害发生总次数17.65%和14.71%，其余热、涝相随灾害形式频次较少，其中中度热害、重涝相随和重度热害、重涝相随这两种非常严重的灾害形式51a内在四湖流域没有发生过。

表5 各站点不同等级热、涝相随灾害发生次数(1960-2010年)Table 5 The times of the various grade concomitance of hot and waterlogging at each station(1960 to 2010)潜江Qianjiang等级Grade 荆州Jingzhou潜江Qianjiang监利Jianli石首Shishou洪湖Honghu Average 等级Grade 荆州
Jingzhou均值监利Jianli石首Shishou洪湖Honghu均值Average轻热偏涝
SH and SW 16 18 17 7 17 15 重热中涝SEH and MW 0 0 1 1 5 1中热偏涝MH and SW 6 4 4 7 8 6 轻热重涝SH and SEW 1 4 0 0 3 2重热偏涝SEH and SW
2 1
3 2 7 3 中热重涝MH and SEW 0 0 0 0 0 0轻热中涝SH and MW 1
4 6 4 8
5 重热重涝SEH and SEW 0 0 0 0 0 0中热中涝MH and MW 1 3 2 2 4 2 合计Total 27 34 33 23 52
2.2.2 热、涝相随灾害间隔期
高温热害与涝渍灾害发生的间隔期亦是评价热、涝相随灾害程度的指标之一，如果间隔期短，会产生高温、高湿危害，对作物造成双重打击。

结合四湖流域实际，将两种灾害间隔期划分成0～3d、4～6d和7～10d共3个等级进行统计分析，并
就先热害后涝渍型和先涝渍后热害型两种热、涝相随灾害类型分别进行统计，结果见表6。

由表可知，两种不同类型热、涝相随灾害发生频次相差不大，先高温后涝渍型1960－2010年5站点平均发生18次，其中洪湖站发生次数最多，为27次，石首站发生次数最少，为12次;先涝渍后高温型5站点平均发生16次，其中洪湖站发生次数最多，为25次，荆州站和石首站发生次数最少，均为11次。

就先热害后涝渍型灾害来说，高温热害与涝渍灾害以间隔0～3d发生为主，1960－2010年5站点平均发生11次，其次为4～6d;就先涝渍后热害型灾害来说，间隔期0～3d、4～6d、7～10d发生的次数5站点平均值相差不大，但荆州和潜江站以间隔0～3d为主，监利站以间隔4～6d为主，石首站以间隔7～10d为主，
而洪湖站3个间隔期的发生次数相当。

总体而言，四湖流域热、涝相随灾害中两
种灾害的间隔期较短，大部分热、涝相随灾害中两种灾害的间隔期在1～5d内。

表6 各站点不同间隔期的热、涝相随灾害发生次数(1960-2010年)Table 6 The times of the concomitance of hot and waterlogging with different interval period at each station(1960 to 2010)先热后涝Hot first，站点Station
waterlogging followed先涝后热Waterlogging first，hot followed 0～3d
4～6d 7～10d 0～3d 4～6d 7～10d荆州Jingzhou 12 3 1 6 4 1潜江Qianjiang 12 6 1 14 1 0监利Jianli 11 7 2 3 7 3石首Shishou 7 3 2 1 3 7洪湖Honghu 15 7 5 8 9 8均值Average 11 5 2 6 5 4
3 结论与讨论
(1)1960－2010年四湖流域年高温热害天数以3～19d为主，年际变化趋势以20
世纪80年代中期为界，60年代初－80年代中期缓慢减少，80年代中期到至今逐步增加，Mann－Kendal突变检测结果表明5站点均有突变点出现，但各站点突
变点出现的时期有所不同。

吴荣军等［10］研究得出长江三角洲南京、上海、杭
州3个城市高温次数从20世纪60年代开始呈下降趋势，但在80年代中期高温
次数开始呈上升趋势，本文研究结果与此完全一致，说明长江中下游的广大地区，年高温热害变化趋势一致，其主要原因是从80年代中后期开始，全国平均增温速率有加大趋势，并有以冷季增暖为主向全年性增暖转变的迹象［11］。

(2)四湖流域高温热害以轻度热害为主，且集中在7月中旬、下旬和8月上旬这3
个时段(即7月10日－8月10日)，这与李守华等［6］的研究结果完全一致，同
时四湖流域存在两次高温热害相连发生的现实，其中以间隔1～3d相连发生的次
数最高，发生周期为3a，就热害形式来说，轻度高温热害与其它高温热害相连发
生的次数最多，51a共发生39次，周期为1.31a。

江汉平原中稻播种期多在4月中下旬，按一般中稻品种的生育期，其开花抽穗期恰逢7月下旬和8月上、中旬，此时正是高温热害易发期，如果这个时期发生高温热害将对水稻结实产生不利影响，2003年鄂东地区日最高气温≥35℃高温热害日数在12d以上，导致金优725的
平均结实率为31.2%，Ⅱ优838的平均结实率为53.8%［8］。

因此应适当调整
中稻的播种期，根据四湖流域高温热害发生的特点及水稻生长实际，中稻抽穗期一般应在8月中、下旬较合适，这样就要求播种期在5月中旬左右。

(3)四湖流域发生次数最多的热、涝相随灾害形式为轻度热害、偏涝相随型灾害，5站点51a平均发生了15次，占发生总次数的44.12%，其次为中度热害、偏涝相随灾害和轻度热害、中涝相随灾害，先高温热害后涝渍型和先涝渍后高温热害型发生的频次相当，其中先热害后涝渍型灾害中高温热害与涝渍灾害以间隔0～3d发生为主，先涝渍后热害型灾害中涝渍灾害与高温热害间隔0～3d、4～6d、7～10d发生次数5站点平均值相差不大，但是各站点间相差较大，其中荆州和潜江站以间隔0～3d为主，监利站以4～6d为主，石首站以7～10d为主，而洪湖站3个间隔期的发生次数相当。

总体而言，四湖流域热、涝相随灾害中两种灾害的间隔期较短，大部分热、涝相随灾害中两种灾害的间隔期在1～5d。

热、涝相随灾害中涝渍和高温交织在一起往往会对棉花造成很大危害，朱建强［7］研究得出在多雨湿润地区棉花相对产量与涝渍胁迫强度和涝后降渍阶段高温天气作用时间之间存在极显著的相关关系。

因此在四湖流域乃至南方广大平原地区，遇到涝渍灾害需进行旱地田间排水时应兼顾高温热害，并制定适合雨后1～5d内发生高温热害的旱地田间排水标准。

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