何燕,李政,徐世宏,王瑩,歐釗榮,李玉紅
(1.廣西區(qū)氣象減災(zāi)研究所/國(guó)家氣象衛(wèi)星中心遙感應(yīng)用示范基地,廣西南寧530022;2.廣西區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,廣西南寧530022)
廣西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),豐富的氣候資源適宜發(fā)展水稻生產(chǎn),因此成為我國(guó)雙季稻主產(chǎn)區(qū)之一。廣西水稻常年種植面積220~230萬hm2,總產(chǎn)量1 250~1 300萬t,其種植面積和產(chǎn)量歷年位居廣西糧食作物首位[1]。然而廣西地處低緯,地理環(huán)境復(fù)雜,氣候復(fù)雜多變,成為我國(guó)氣象災(zāi)害頻繁與災(zāi)情比較嚴(yán)重的省區(qū);低溫冷害是廣西頻繁出現(xiàn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一,對(duì)水稻安全生產(chǎn)威脅較大,易導(dǎo)致水稻產(chǎn)量不穩(wěn)定、年際波動(dòng)較大,低溫冷害尤其是寒露風(fēng)天氣已成為廣西水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要制約因素之一。隨著21世紀(jì)全球氣候變化不穩(wěn)定性的加劇,導(dǎo)致氣候波動(dòng)更為明顯,氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率增加,強(qiáng)度增強(qiáng),冷害等氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響將越來越突出[2-3]。
1980年代以來,我國(guó)針對(duì)主要作物低溫冷害指標(biāo)、危害特征、影響機(jī)理以及防御對(duì)策等已有較深入的研究成果[4-6],尤其引進(jìn)了日本先進(jìn)的水稻冷害防御技術(shù);進(jìn)入21世紀(jì),GIS技術(shù)廣泛應(yīng)用在氣候資源及農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃研究領(lǐng)域[7-9],隨著計(jì)算機(jī)和GIS、RS、GPS等“3S”高新技術(shù)的快速發(fā)展,采用“3S”技術(shù)對(duì)水稻長(zhǎng)勢(shì)、種植面積監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)等研究進(jìn)行有益嘗試[10-11],也嘗試開展關(guān)于低溫冷害預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型及遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)等研究[12-14],但目前很少見到關(guān)于應(yīng)用GIS技術(shù)研究作物低溫冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估的相關(guān)報(bào)道。隨著GIS地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)的快速發(fā)展,為及時(shí)掌握無測(cè)站區(qū)域的氣候資源和氣象災(zāi)害狀況提供了條件,使得對(duì)低溫冷害的發(fā)生發(fā)展及其強(qiáng)度、范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警成為可能。因此,本文采用GIS技術(shù)[15]和氣候數(shù)學(xué)模型以及氣候資源細(xì)網(wǎng)格分析方法,結(jié)合水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害指標(biāo),進(jìn)行水稻低溫冷害的監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)廣西水稻“寒露風(fēng)”冷害的監(jiān)測(cè)預(yù)警,為廣西水稻生產(chǎn)趨利避害,科學(xué)合理安排防災(zāi)減災(zāi),最大限度減輕冷害危害和損失,對(duì)促進(jìn)廣西糧食豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
水稻屬于對(duì)低溫反應(yīng)比較敏感的喜溫作物,低溫寡照天氣是導(dǎo)致水稻空秕率偏高的重要原因之一;水稻栽培以水利灌溉為基礎(chǔ),通常情況下,受降雨影響不是很大,其產(chǎn)量豐歉及品質(zhì)好壞主要取決于是否發(fā)生低溫冷害[16]。低溫冷害是指水稻等農(nóng)作物在生長(zhǎng)發(fā)育期間,溫度雖在0℃以上,但出現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性低溫天氣,或者在作物生殖期間出現(xiàn)短暫的強(qiáng)低溫天氣過程,日平均氣溫低于水稻生長(zhǎng)發(fā)育適宜溫度的下限指標(biāo),影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育和結(jié)實(shí),導(dǎo)致生育期延遲或生殖器官的生理功能受到損害,從而引起減產(chǎn)的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。由于一般低溫冷害發(fā)生在作物生長(zhǎng)發(fā)育比較溫暖的季節(jié),并不象霜凍、寒害等其他農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害那樣,致使作物出現(xiàn)明顯枯萎甚至死亡等癥狀,因?yàn)橛袝r(shí)低溫災(zāi)害對(duì)作物植株的外觀影響不明顯,所以也把冷害稱為“啞巴災(zāi)”。
水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害天氣是指南方常年9-10月“寒露”節(jié)氣前后,北方較強(qiáng)冷空氣南下,氣溫下降到某一臨界值以下,影響晚稻正常抽穗開花、授粉受精和灌漿結(jié)實(shí),造成包頸或空殼、癟粒增多,導(dǎo)致結(jié)實(shí)率、千粒重下降,最終致使晚稻減產(chǎn)的一種災(zāi)害性天氣,常稱為“寒露風(fēng)”天氣;由于冷空氣影響時(shí)的天氣特征不同,寒露風(fēng)天氣可分為濕冷和干冷兩種類型。在生殖生長(zhǎng)期遇低溫冷害,致使幼穗分化進(jìn)程減慢,小孢子形成期和花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期遭受低溫危害機(jī)會(huì)增加,抽穗開花顯著延遲,花粉發(fā)育不正常,不育率增加。有關(guān)試驗(yàn)研究表明:晚稻生長(zhǎng)發(fā)育過程中對(duì)低溫危害最敏感的有三個(gè)時(shí)期:①幼穗分化期;②花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期;③抽穗揚(yáng)花期及灌漿前期。廣西晚稻以抽穗開花期受寒露風(fēng)危害的機(jī)率最大,受害最重;減數(shù)分裂期次之;幼穗分化期則較小。寒露風(fēng)對(duì)晚稻危害一般可降低結(jié)實(shí)率20%左右,嚴(yán)重時(shí)造成大幅度減產(chǎn)[16]。寒露風(fēng)低溫冷害天氣對(duì)晚稻危害的程度,主要決定于低溫強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間以及晚稻品種抗低溫的能力。因此,寒露風(fēng)冷害的指標(biāo)因水稻品種、低溫強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間的不同而有差異,目前廣西水稻種植品種絕大部分是雜交稻,因此,根據(jù)前人試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐調(diào)查結(jié)果可確定晚稻(雜交稻)低溫冷害指標(biāo)[1,17-19]為:9-10月期間,日平均氣溫(簡(jiǎn)稱〒)≤22℃連續(xù)3~5 d為輕度寒露風(fēng);日平均氣溫≤22℃連續(xù)6~7 d為中度寒露風(fēng);日平均氣溫≤22℃連續(xù)7 d以上為重度寒露風(fēng)。
地理信息資料采用國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶25萬廣西基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的ARC/INFO分幅E00格式數(shù)據(jù),以分幅圖形式分塊地存放在不同文件中,涉及廣西范圍的數(shù)據(jù)共有20多幅,每一個(gè)圖幅包含行政邊界、等高線等14個(gè)圖層資料。資料處理時(shí)采用GIS軟件對(duì)E00資料進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,再通過拼接、對(duì)柵格數(shù)據(jù)重采樣、對(duì)矢量數(shù)據(jù)分層和篩選以及裁剪等一系列處理。
(1)資料格式的轉(zhuǎn)換:將涉及廣西范圍的每幅圖的E00格式數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,即把矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成sdb文件格式,并對(duì)廣西的每幅圖進(jìn)行整體拼接。
(2)柵格數(shù)據(jù)的重采樣:按照1 km×1 km網(wǎng)格距對(duì)包含有海拔高度的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,取得1 km×1 km分辨率的海拔高度數(shù)據(jù)。
(3)矢量數(shù)據(jù)的分層和篩選:將行政邊界和行政點(diǎn)等矢量數(shù)據(jù)分成三層,行政邊界分為省、地市和縣三級(jí),行政點(diǎn)分成縣級(jí)以上、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)以下行政點(diǎn)。
(4)資料的裁減:依據(jù)行政邊界,對(duì)廣西基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中包含的各縣市地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪,得到所需要的基本地理信息數(shù)據(jù)。
(5)經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)的提取:利用廣西的海拔高度數(shù)據(jù)計(jì)算網(wǎng)格距為1 km×1 km分辨率的廣西經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)。
經(jīng)過上述的一系列處理,最終提取出以下所需的地理信息數(shù)據(jù):①廣西縣以上行政邊界;②廣西市、縣、鄉(xiāng)政府所在地位置和名稱;③廣西主要河流、鐵路和公路;④廣西數(shù)字高程模型(DEM)及經(jīng)度、緯度、海拔高度等柵格數(shù)據(jù),所有柵格數(shù)據(jù)網(wǎng)格距均為1 km×1 km。
本研究使用的實(shí)況氣象資料及災(zāi)情資料均來源于廣西氣象局,取自廣西90個(gè)氣象臺(tái)站的地面觀測(cè)資料,即逐日平均氣溫、極端最低氣溫及各地災(zāi)情資料,以及各個(gè)氣象臺(tái)站的經(jīng)度、緯度和海拔高度等地理信息資料。
廣西地形地貌特征屬云貴高原至東南沿海丘陵過渡地帶,是一個(gè)以丘陵山地為主的省區(qū),經(jīng)度、緯度、地形、地貌、地勢(shì)等地理環(huán)境因素,影響太陽輻射的收支和大氣環(huán)流的形勢(shì),并對(duì)氣象要素具有重新分配的作用。廣西地形地貌復(fù)雜,南北緯度和東西經(jīng)度的跨度大,經(jīng)度、緯度、地形、地貌、地勢(shì)等地理環(huán)境及下墊面特性明顯不同,導(dǎo)致廣西山地氣候的垂直差異和水平差異都十分明顯;廣西約24萬km2的陸地面積上僅分布90個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn),受到氣象站點(diǎn)布局不足等因素的制約,每縣一站的氣象觀測(cè)資料難以真實(shí)客觀地反映全縣整個(gè)區(qū)域內(nèi)氣候資源的立體多樣性特征和冷害等氣象災(zāi)害狀況,因此,為了比較客觀地反映廣西不同地域的氣候資源及低溫冷害狀況,可應(yīng)用GIS技術(shù)建立基于地理信息的細(xì)網(wǎng)格空間分析模型,并通過數(shù)學(xué)模型模擬出廣西不同地理背景下1 km×1 km網(wǎng)格的氣候資源和低溫冷害立體分布情況。溫度等氣候要素與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、海拔等地理因子關(guān)系密切,“寒露風(fēng)”低溫冷害指標(biāo)與地理因子的關(guān)系模型可表示為:
式中:Y為“寒露風(fēng)”低溫冷害指標(biāo);φ,λ,h分別代表緯度、經(jīng)度、海拔高度等地理因子;函數(shù)T(φ,λ,h)稱為低溫冷害指標(biāo)的氣候?qū)W方程;ε為余差項(xiàng),稱為綜合地理殘差,可認(rèn)為φ,λ,h所擬合的氣候?qū)W方程的殘差部分,即:
(1)根據(jù)廣西全區(qū)的平均氣溫、最低氣溫的氣象監(jiān)測(cè)資料,經(jīng)度、緯度、海拔高度與氣溫有近似的線性關(guān)系,應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中的回歸分析方法,建立經(jīng)度、緯度、海拔等地理因子與平均氣溫線性回歸方程T(φ,λ,h),并根據(jù)此回歸方程,結(jié)合廣西全區(qū)1 km×1 km分辨率網(wǎng)格高程數(shù)據(jù),反演細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)氣溫,得到初步的廣西全區(qū)平均氣溫、最低氣溫千米網(wǎng)格點(diǎn)資料。
(2)氣溫等氣象要素主要受經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理因子影響外,還受到水體、植被、坡度、坡向等其它環(huán)境因素所產(chǎn)生的影響,因此,還需要計(jì)算上述回歸方程的殘差,即利用實(shí)測(cè)值Y減去T(φ,λ,h),借助GIS工具軟件完成殘差的千米網(wǎng)格化,最后將網(wǎng)格化的殘差數(shù)據(jù)疊加到回歸方程反演的細(xì)格點(diǎn)氣溫資料上,得到較好空間分辨率的1 km×1 km廣西全區(qū)平均氣溫細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)資料。
(3)根據(jù)上述確定的廣西水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害等級(jí)指標(biāo),按照輕度、中度、嚴(yán)重冷害等級(jí)逐個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)分析低溫冷害等級(jí),得到廣西水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害分布柵格數(shù)據(jù)。
(4)結(jié)合廣西的省級(jí)、縣級(jí)行政邊界以及縣級(jí)以上行政點(diǎn)和經(jīng)緯網(wǎng)等地理信息數(shù)據(jù),根據(jù)上述結(jié)果繪制水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害分布圖,統(tǒng)計(jì)廣西全區(qū)、各市、縣的低溫冷害等級(jí)強(qiáng)度,最終得到空間分辨率為1 km×1 km的廣西水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害監(jiān)測(cè)結(jié)果。
(5)制作平均氣溫、最低氣溫預(yù)報(bào),即根據(jù)T213數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,建立MOS(Model Output Statistics)預(yù)報(bào)方程,實(shí)時(shí)制作廣西各個(gè)氣象臺(tái)站未來7 d的24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h平均氣溫和最低氣溫預(yù)報(bào)。
(6)根據(jù)基于MOS預(yù)報(bào)方程的未來7天平均氣溫和最低氣溫預(yù)報(bào),采用與3.1節(jié)水稻低溫冷害監(jiān)測(cè)相類似的步驟進(jìn)行分辨率為1 km×1 km的地理訂正,最終得到廣西各地水稻可能遭受“寒露風(fēng)”的低溫冷害情況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)廣西水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害的預(yù)警。
受冷空氣南下影響,2010年10月上、中旬廣西出現(xiàn)了持續(xù)3d以上日平均氣溫≤22℃的寒露風(fēng)天氣過程,其中三江、龍勝、資源、灌陽、全州、興安、南丹、樂業(yè)、金秀等桂東北、桂西北等高寒山區(qū)部分縣市持續(xù)出現(xiàn)15 d以上的寒露風(fēng)天氣過程。
監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,在10月上中旬“寒露風(fēng)”低溫冷害天氣過程中,廣西北部、西部高寒山區(qū)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的日平均氣溫最低值已達(dá)到15.5℃,日極端最低氣溫最低值已達(dá)到9.8℃,經(jīng)過分辨率為1 km×1 km的地理模擬訂正以后,廣西各地尤其無氣象觀測(cè)站區(qū)域的低溫冷害情況得到比較客觀、細(xì)致的體現(xiàn),比較直觀再現(xiàn)了地理位置、地形、地貌對(duì)冷空氣作用的結(jié)果,尤其是多數(shù)地處海拔較高的山區(qū)低溫冷害分布圖像更加細(xì)膩,更富有立體感,而桂南多數(shù)平坦地區(qū)則沒有那么明顯變化。圖1為10月上中旬“寒露風(fēng)”低溫冷害過程的全廣西水稻低溫冷害空間分布圖。分析結(jié)果表明,嚴(yán)重“寒露風(fēng)”低溫冷害區(qū)域主要分布在賀州、桂林、柳州、河池、百色等市的大部分區(qū)域和來賓、貴港、梧州三市局部以及桂中、桂南地區(qū)的極少數(shù)山區(qū),中度“寒露風(fēng)”低溫冷害區(qū)域主要分布在來賓、南寧兩市大部和玉林、貴港、崇左、梧州等市部分區(qū)域,以及柳州、賀州兩市局部和右江河谷大部區(qū)域,輕度“寒露風(fēng)”低溫冷害區(qū)域主要分布在北海、欽州兩市和防城港、崇左兩市的部分區(qū)域以及玉林、南寧、來賓等市局部區(qū)域,總而言之“寒露風(fēng)”低溫冷害監(jiān)測(cè)情況與實(shí)況基本相符。
圖12010 年10月上中旬廣西水稻低溫冷害分布圖
實(shí)際調(diào)查結(jié)果也表明:10月上中旬廣西出現(xiàn)了持續(xù)3 d以上日平均氣溫≤22℃的寒露風(fēng)天氣過程,尤其三江和龍勝等縣、市從10月2-20日共持續(xù)出現(xiàn)19 d嚴(yán)重寒露風(fēng)天氣,資源、灌陽、全州、興安、南丹、樂業(yè)、金秀等縣、市自9月下旬至10月20日持續(xù)出現(xiàn)15~29 d嚴(yán)重寒露風(fēng)天氣,對(duì)正處于抽穗揚(yáng)花期的水稻影響較大,造成抽穗速度減慢或抽穗困難,甚至出現(xiàn)包頸現(xiàn)象,影響開花授粉,授粉受精受阻,空秕率增加,導(dǎo)致結(jié)實(shí)率降低而減產(chǎn);對(duì)處于灌漿期的水稻,莖葉出現(xiàn)早衰現(xiàn)象,光合作用能力下降,不利于籽粒充實(shí)和千粒重提高,灌漿受抑制而速度緩慢,影響千粒重和產(chǎn)量的提高。
(1)本研究率先采用GIS技術(shù)和氣候數(shù)學(xué)模型及氣候資源細(xì)網(wǎng)格空間分析方法,融合經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理信息,建立包括經(jīng)度、緯度、海拔高度等因子的地理訂正模型,對(duì)氣溫資料進(jìn)行較高空間分辨率(1 km×1 km)的地理模擬訂正,并進(jìn)行殘差訂正計(jì)算,獲得了較好效果;根據(jù)T213數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,采用MOS預(yù)報(bào)方程進(jìn)行廣西90個(gè)氣象臺(tái)站未來7 d的氣溫預(yù)報(bào),結(jié)合廣西水稻生長(zhǎng)發(fā)育狀況和“寒露風(fēng)”低溫冷害受害指標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)廣西水稻“寒露風(fēng)”低溫冷害發(fā)生發(fā)展及其強(qiáng)度、范圍的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警;最后以2010年10月上中旬“寒露風(fēng)”低溫冷害過程為例檢驗(yàn)了監(jiān)測(cè)效果,與實(shí)際情況比較相符。本文采用GIS技術(shù)進(jìn)行水稻低溫冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究,其突破了傳統(tǒng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)分析資料用每縣一站、以點(diǎn)代面、精度偏低的局限,結(jié)果更客觀精細(xì)、更符合實(shí)際;尤其是該監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果能反映出廣西南部高海拔山區(qū)少數(shù)區(qū)域的嚴(yán)重冷害區(qū)域,十萬大山、大明山、西大明山、六萬大山、大容山、云開大山、勾漏山、鎮(zhèn)龍山等南部山區(qū)熱量條件偏差,低溫冷害較嚴(yán)重,該結(jié)果與冷害實(shí)際調(diào)查情況比較相符,而用傳統(tǒng)的常規(guī)冷害分析方法則無法區(qū)分,這充分體現(xiàn)了GIS在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估研究應(yīng)用中的優(yōu)越性。
(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻低溫冷害的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警,主要依靠一套效果良好、簡(jiǎn)潔易用的水稻冷害指標(biāo)體系和預(yù)報(bào)效果良好、切實(shí)可行的冷害預(yù)報(bào)方法,以及具有可操作性且精度較高的氣溫地理訂正技術(shù)和方案,還有充分的空間地理信息處理、顯示支持。在此研究思路的基礎(chǔ)上,如何融合GIS、GPS、RS等新技術(shù)進(jìn)行水稻作物的冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估,尤其根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)不斷發(fā)展的需要,如何繼續(xù)深入側(cè)重于具體實(shí)際應(yīng)用方面的研究[20],這些方面有待于今后深入探討,從而建立基于“3S”技術(shù)的“廣西水稻低溫冷害實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估”業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)工作平臺(tái),其中包括氣溫等氣象要素監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、水稻生育期和災(zāi)情資料采集處理、地理模擬訂正、冷害分析、產(chǎn)品(包括圖表)制作與發(fā)布等,將在今后的廣西水稻等農(nóng)作物低溫冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估業(yè)務(wù)服務(wù)中發(fā)揮更好的作用,就能更好地指導(dǎo)廣西水稻生產(chǎn)實(shí)踐,更利于水稻生產(chǎn)的優(yōu)化布局和科學(xué)合理安排防災(zāi)避災(zāi)減災(zāi)。
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