中国东北地区玉米产量预测：解析夏季复合热旱事件(CHDEs)通过物理机制的影响及其预测模型构建

本研究针对中国东北地区(NEC)作为国家粮仓面临复合热旱事件(CHDEs)威胁的严峻现实，通过揭示500 hPa位势高度异常、850 hPa反气旋等大气环流机制，创新性地建立了包含巴伦支海海冰(SICI)、赤道东太平洋海温(SSTPI/SSTMI)、西北西伯利亚土壤水分(SWI)和北大西洋涛动(NAOI)的多因子预测模型。研究团队采用逐年增量法构建的两种预测模型（模型#1：r=0.90；模型#2：r=0.91）通过留一交叉验证和独立回算检验，实现了对玉米产量变化的精准预测，为保障国家粮食安全提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，中国东北地区作为国家最重要的玉米生产基地，正面临着越来越频繁的复合热旱事件(CHDEs)威胁。2014年夏季的严重干旱导致全国500万公顷农作物受灾，其中东北地区就占295万公顷；而2018年的高温干旱事件更造成该地区大豆玉米减产30%，带来巨大经济损失。这些极端气候事件不仅直接影响玉米的光合作用和授粉过程，还会通过温度-水分耦合效应加剧作物的热敏感性。面对这一严峻挑战，如何准确预测玉米产量波动、保障国家粮食安全，成为摆在科学家面前的重大课题。

中国气象科学研究院等机构的研究人员开展了系统性研究，通过分析1980-2020年的气象数据和玉米产量记录，揭示了CHDEs影响玉米产量的物理机制，并创新性地建立了两个高精度预测模型。该研究成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》上，为农业气象灾害预警提供了新范式。

研究采用逐年增量法消除非气象因素干扰，运用t-copula方法构建复合热旱指数(PI)，通过逐步回归分析筛选关键预测因子。大气环流诊断采用ERA5再分析数据，重点考察了500 hPa位势高度、850 hPa风场等要素。海冰数据来自Hadley中心，土壤水分数据通过体积含水量计算，所有数据均经过标准化处理。验证方法包含留一交叉验证和独立回算检验，确保模型可靠性。

【大气环流与玉米产量的关系】
研究发现东北地区夏季玉米产量与温度呈显著负相关(r=-0.33)，与降水呈正相关(r=0.48)。当500 hPa出现正位势高度异常、850 hPa形成反气旋时，会导致下沉运动增强、云量减少，进而通过增加地表净短波辐射使温度升高，同时阻碍水汽聚集形成干旱条件，最终造成玉米减产。反之，负位势高度异常和气旋性环流则有利于降水和降温，促进玉米生长。

【巴伦支海海冰的关键作用】
五月巴伦支海海冰浓度(SICI)与夏季CHDEs呈显著负相关(r=-0.50)。海冰异常通过激发极地-欧亚(POL)遥相关波列影响东北气候：海冰增多导致欧亚西部降温积雪，增强土壤湿度；同时持续的海冰信号通过大气记忆效应，在夏季激发"西北欧亚-极地-东北中国"的波列，最终在东北地区形成有利于降水的低空辐合和高空辐散环流。

【赤道东太平洋海温的影响】
二月赤道东太平洋海温(SSTPI)与CHDEs显著相关，主要通过两种机制作用：一是通过印度洋"电容器效应"维持海温异常，激发太平洋-日本(PJ)遥相关波列；二是通过极地开尔文波形成"Z型"海温异常，激发罗斯贝波上传至副热带西风急流。三月海温(SSTMI)则与玉米产量直接相关(r=0.46)，其影响机制与SSTPI类似但时间滞后。

【西北西伯利亚土壤水分的调控】
四月西北西伯利亚土壤水分(SWI)与玉米产量呈负相关(r=-0.65)。干燥土壤通过改变局地蒸发过程，在夏季激发指向东北地区的波列。具体表现为：四月土壤缺水导致西伯利亚六月增温，进而通过改变蒸发冷却效应持续影响夏季大气环流，最终在东北地区形成有利于降水的环流条件。

【北大西洋涛动的远程效应】
二月北大西洋涛动(NAOI)通过三重海温(NAT)和巴伦支海海冰两条路径影响东北气候。NAO信号通过强海气相互作用持续到夏季，激发从北大西洋东传至东北的罗斯贝波列；同时NAO相关的春季大气环流异常会促进巴伦支海海冰增加，进而通过POL波列产生间接影响。

【预测模型构建与验证】
研究建立了两种预测模型：模型#1通过SICI、SSTPI和SWI预测DPI，再预测玉米产量，贡献率分别为52.06%、21.10%和26.85%；模型#2直接通过SSTMI和SWI预测产量，贡献率分别为25.26%和74.74%。两个模型的预测性能均显著优于前人研究，其中对极端减产年份的预测能力尤为突出（模型#1：r=0.74；模型#2：r=0.78）。2018年实际减产事件中，两个模型都成功提前4-5个月预测到产量下降。

这项研究首次系统阐明了影响东北玉米产量的多尺度气候因子及其物理机制，构建的预测模型将预警期提前到作物生长季前4-5个月。相比传统基于当地气象要素的预测方法，该模型通过考虑大尺度气候因子的持续性和稳定性，显著提高了对极端气候事件的预测能力。特别是模型揭示的"海冰-土壤湿度-大气遥相关"连锁反应机制，为理解中高纬度农业气象灾害形成机理提供了新视角。研究成果不仅对保障国家粮食安全具有重要实践价值，也为发展基于物理过程的农业气候预测系统奠定了理论基础。

需要指出的是，除本文重点研究的影响因子外，白令海海冰、印度洋偶极子等也可能通过乌拉尔高压和副热带高压等途径影响东北气候，这为后续研究指明了方向。此外，局地土壤湿度异常和温度-水分耦合效应可能通过正反馈加剧CHDEs，这些过程在未来的预测模型优化中值得重点关注。随着全球变暖持续，该研究建立的预测框架将为应对气候变化下的粮食安全挑战提供科学支撑。