地球科学进展

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (4): 374 -387. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.027

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华北地区冬小麦生育期中短尺度气象干旱演变特征及影响因素解析
郭灵辉1(), 闫静静1, 罗媛媛1, 徐紫萌1, 高江波2(), 吴绍洪2, 冯千凤3   
  1. 1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000
    2.中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101
    3.焦作市自然保护区和 野生动植物保护中心，河南 焦作 454000
  • 收稿日期:2025-01-24 修回日期:2025-03-17 出版日期:2025-04-10
  • 通讯作者: 高江波 E-mail:guolinghui@hpu.edu.cn;gaojiangbo@igsnrr.ac.cn
  • 基金资助:
    河南省科技攻关项目(252102321002);河南理工大学双一流创建项目(GCCYJ202431)

The Variation Characteristics and Its Influencing Factors of Medium and Short Scale Meteorological Drought During the Growth Period of Winter Wheat in North China

Linghui GUO1(), Jingjing YAN1, Yuanyuan LUO1, Zimeng XU1, Jiangbo GAO2(), Shaohong WU2, Qianfeng FENG3   

  1. 1.School of Surveying & Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China
    2.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
    3.Jiaozuo Nature Reserve and Wildlife Protection Center, Jiaozuo Henan 454000, China
  • Received:2025-01-24 Revised:2025-03-17 Online:2025-04-10 Published:2025-06-03
  • Contact: Jiangbo GAO E-mail:guolinghui@hpu.edu.cn;gaojiangbo@igsnrr.ac.cn
  • About author:GUO Linghui, research areas include climate change and ecological environmental effects. E-mail: guolinghui@hpu.edu.cn
  • Supported by:
    the Henan Provincial Science and Technology Project(252102321002);Henan Polytechnic University’s Double First-Class Creation Project(GCCYJ202431)
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华北地区是我国重要的粮食生产基地，而干旱灾害是影响该地区可持续农业的最突出因素之一。以华北地区冬小麦关键生育期为切入点，基于3个月时间尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI-3）和大尺度环流等数据，借助游程理论和聚类分析等手段，解析冬小麦生育期干旱事件空间分异规律，探讨干湿时空变化特征及驱动因素。结果表明：1961—2021年华北地区冬小麦生育期呈湿润化态势，尤其是孕穗期—成熟期；冬小麦生育期干湿变化空间差异较大，河北省、河南省及山东省等地湿润化趋势明显，而山西省干化现象突出；河南省及周边冬小麦全生育期干旱发生频率高、持续时间短，而河北省和山东省北部等地干旱持续时间长、发生频率低、严重程度高，不同生育期干旱事件空间结构聚类模式不同；在冬小麦全生育期、出苗期—分蘖期、越冬期—拔节期和孕穗期—成熟期SPEI-3与环流因子存在很强的关系，主要影响因子依次为热带北大西洋指数、太平洋北美型指数、北极涛动指数和厄尔尼诺3.4区海温距平指数，研究结果可为华北地区农业抗旱减灾决策提供支撑。

关键词: 华北地区, 冬小麦生育期, 中短尺度干旱, 分异规律, 大气环流因子

The North China region is one of the most important grains productions regions in China, and climatic drought is the primary natural disaster affecting agricultural production, always resulting in immense lose for the agriculture. Hence, exploring the spatiotemporal evolution and formation mechanism of drought in North China is an important basis for a quantitative understanding of drought mechanisms as well as the scientific prevention and control of drought disaster risk, insuring regional and even national food security. Using the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI-3) and large-scale circulation data, this study systematically investigated spatial variation patterns of drought events during the growth period of winter wheat and their potential influencing factors by integrating run length theory, cluster analysis, and wavelet transform coherence methods. Results show that the climate during the winter wheat growth period in North China (1961-2021) became increasingly moist, particularly from the booting to the maturity stages, Significant spatial differences in dry and wet conditions were observed, with increasing humidification in Hebei, Henan, and Shandong provinces, and a drying trend in Shanxi Province. Henan Province and surrounding areas experienced more frequent but shorter-duration droughts, whereas the opposite pattern was observed in Hebei Province and northern Shandong Province. Spatial clustering patterns of drought events varied across individual growth stages. SPEI-3 was strongly corelated with atmospheric circulation indices throughout the winter wheat growth cycle, including the emergence-tillering, overwintering-jointing, and booting-maturity stages, with TNA, PNA, AO, and NINO34 identified as key influencing factors. The results of this study could provide regional specific valuable insights for agricultural drought resistance and disaster reduction decision-making in North China.

Key words: North China, Winter wheat, Medium and short-term drought, Differentiation pattern, Atmospheric circulation factors

中图分类号: 

图1 华北地区地理位置和气象站点分布
Fig. 1 Geographical location and distribution of meteorological stations in North China
表1 大尺度环流因子数据来源与基本信息
Table 1 Data sources and basic information of large-scale circulation factors
环流因子时间范围数据来源
北大西洋涛动指数（North Atlantic Oscillation，NAO）1961—2021年https：//www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/nao.shtml
太平洋—北美型遥相关指数（Pacific-North American Pattern，PNA）1961—2021年https：//www.ncei.noaa.gov/access/monitoring/pna/
厄尔尼诺3.4区海温距平指数（NINO 3.4 Region Sea Surface Temperature Anomaly，NINO34）1961—2021年https：//psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/Nino34/
北极涛动指数（Arctic Oscillation，AO）1961—2021年https：//www.ncei.noaa.gov/access/monitoring/ao/
太平洋十年际涛动指数（Pacific Decadal Oscillation，PDO）961—2021年https：//www.ncei.noaa.gov/access/monitoring/pdo/
南方涛动指数（Southern Oscillation Index，SOI）1961—2021年https：//psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/SOI/
跨尼诺指数（Trans-Niño Index，TNI）1961—2021年https：//psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/TNI/
北大西洋年代际振荡指数（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）1961—2021年https：//psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/AMO/
热带北大西洋指数（Tropical North Atlantic，TNA）1961—2021年https：//psl.noaa.gov/data/climateindices/list/
图2 基于游程理论的干旱事件特征
Fig. 2 Characteristics of drought events based on run theory
图3 1961—2021年华北地区冬小麦不同生育期SPEI-3变化趋势
Fig. 3 Trends of SPEI-3 in winter wheat at different growth stages in North China from 1961 to 2021
图4 1961—2021年华北地区冬小麦不同生育期SPEI-3 MK突变检验
Fig. 4 Mutation test of SPEI-3 MK in winter wheat at different growth stages in North China from 1961 to 2021
图5 1961—2021年华北地区冬小麦不同生育期SPEI-3趋势空间分布特征
Fig. 5 Spatial distribution characteristics of SPEI-3 trend in winter wheat at different growth stages from 1961 to 2021 in North China
图6 1961—2021年华北地区冬小麦不同生育期干旱事件空间格局
（a1）~（a5）全生育期；（b1）~（b5）出苗期—分蘖期；（c1）~（c5）越冬期—拔节期；（d1）~（d5）孕穗期—成熟期
Fig. 6 Spatial pattern of drought events at different growth stages of winter wheat in North China from 1961 to 2021
（a1）~（a5） Entire growth period； （b1）~（b5） Germination to tillering stage； （c1）~（c5） Overwintering to jointing stage； （d1）~（d5） Heading to maturity stage
图7 1961—2021年华北地区冬小麦不同生育期干旱事件聚类特征
（a）和（b）全生育期；（c）和（d）出苗期—分蘖期；（e）和（f）越冬期—拔节期；（g）和（h）孕穗期—成熟期
Fig. 7 Cluster characteristics of drought events at different growth stages of winter wheat in North China from 1961 to 2021
（a） and （b） Entire growth period； （c） and （d） Germination to tillering stage； （e） and （f） Overwintering to jointing stage； （g） and （h） Heading to maturity stage
图8 1961—2021年华北地区冬小麦不同生育期SPEI-3与大尺度环流因子的小波相干谱
Fig. 8 Wavelet coherence spectra of SPEI-3 and large-scale circulation factors at different growth stages of winter wheat in North China from 1961 to 2021
图9 1961—2021年华北地区冬小麦不同生育期SPEI-3与大尺度环流因子之间的PASC值
Fig. 9 PASC values between SPEI-3 and large-scale circulation factors at different growth stages of winter wheat in North China from 1961 to 2021
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