石津灌區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育期逐時降水的變化特征

任慶福,翁白莎,裴宏偉,袁　喆

(1 北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京 100083；2 中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038；3 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050022)

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石津灌區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育期逐時降水的變化特征

任慶福1,2,翁白莎2,裴宏偉3,袁喆2

(1 北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京 100083；2 中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038；3 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050022)

【目的】 研究氣候變化背景下石津灌區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育期(拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期)內(nèi)有效降水過程的變化，為灌區(qū)雨水的高效利用、制定科學(xué)合理的灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)。【方法】 采用灌區(qū)內(nèi)部及周邊15個氣象站1983-2012年4-6月的逐時降水資料，基于降水歷時與降水強(qiáng)度的分類標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，借助ArcGIS平臺的反距離插值(IDW)工具，分析了4類有效降水(短歷時小雨、長歷時小雨、短歷時中雨、長歷時中雨)在冬小麥3個生育期內(nèi)發(fā)生時刻的變化規(guī)律、逐站逐年的累計(jì)降水次數(shù)以及總降雨量的時空變化規(guī)律。【結(jié)果】 (1)午后至夜間(14:00-06:00)為4類有效降水的高發(fā)時段，其中長歷時中雨在拔節(jié)期的發(fā)生時刻集中在10:00-15:00時段。(2)4類有效降水的累計(jì)降水次數(shù)以及總降雨量30年的變化趨勢一致：①短歷時小雨在冬小麥拔節(jié)期、抽穗期呈增加趨勢，在乳熟期表現(xiàn)出減少趨勢；②長歷時小雨在拔節(jié)期呈增加趨勢，抽穗期、乳熟期為減少趨勢；③短歷時中雨、長歷時中雨在1998年以前呈減少趨勢，1998年以后短歷時中雨在拔節(jié)期為減少趨勢，其他時期表現(xiàn)為增加趨勢，長歷時中雨在抽穗期為減少趨勢，其他時期則為增加趨勢。(3)4類有效降水的累計(jì)降水次數(shù)以及總降雨量的空間分布一致：拔節(jié)期4種類型降水均表現(xiàn)為北多南少；抽穗期不同歷時小雨表現(xiàn)為中間少四圍多，不同歷時中雨則表現(xiàn)為西南多東北少；乳熟期不同歷時小雨的空間分布與抽穗期一致，短歷時中雨呈北多南少的分布，長歷時中雨則呈東多西少的分布格局。【結(jié)論】 氣候變化背景下冬小麥拔節(jié)期有效降水的發(fā)生次數(shù)和降雨量逐漸增加；乳熟期的有效降水次數(shù)和降雨量呈減少趨勢。

石津灌區(qū)；冬小麥生育期；逐時降水；有效降水；降水歷時

充足的水分是保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因子，在氣候變化背景下，華北平原降雨量減少已是不爭的事實(shí)[1-3]。盡管近50年來華北平原糧食產(chǎn)量持續(xù)增加，但這是以超采地下水為代價，華北平原灌溉用水占到水資源消耗總量的70%～75.2%[4-5]，作物的水分供需矛盾日趨緊張。從長遠(yuǎn)來看，在灌溉用水保持零增長或負(fù)增長的條件下，實(shí)現(xiàn)糧食產(chǎn)量的提高，必須提高農(nóng)田水分利用效率。農(nóng)田水分利用效率主要包括灌溉水利用率、降雨利用率和作物水分利用率[6]，但以往研究偏重于灌溉水利用效率[7]以及作物水分利用效率[8]，對于降雨利用率的研究也只集中在降雨量上[9-10]。就農(nóng)作物而言，關(guān)鍵生育期內(nèi)的降水過程對作物產(chǎn)量的影響至關(guān)重要，降水的發(fā)生時刻、發(fā)生頻率、歷時、強(qiáng)度等指標(biāo)在時空上的變化很大程度上決定著降水對作物的有效性[11]，然而對降水過程的這些指標(biāo)特征研究多見于氣象[12-14]、極端水文事件[15-16]以及城市暴雨[17-18]等領(lǐng)域，在作物的降雨利用方面卻鮮有報(bào)道，因而深入了解這些降雨特性對設(shè)計(jì)及管理農(nóng)田灌溉系統(tǒng)、提高農(nóng)田水分利用效率具有重要的理論指導(dǎo)意義。

石津灌區(qū)是全國大型灌區(qū)，是華北平原典型的井渠結(jié)合灌區(qū)。存在著灌溉水源不足、水分利用效率較低等問題，農(nóng)業(yè)用水矛盾突出。深入研究該灌區(qū)的降水過程，可以充分挖掘作物對降雨的利用潛力、緩解當(dāng)前灌區(qū)的用水矛盾。本研究利用石津灌區(qū)及周邊15個氣象站1983-2012年冬小麥關(guān)鍵生育期的逐時降水資料，以降水歷時、降水強(qiáng)度為分類指標(biāo)，深入分析4類降水在灌區(qū)冬小麥3個關(guān)鍵生育期內(nèi)的發(fā)生時刻、發(fā)生頻次及雨量的時空變化規(guī)律，為灌區(qū)降雨的高效利用、制定科學(xué)合理的灌溉制度、提高農(nóng)田水分利用效率、實(shí)現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供必要的理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

石津灌區(qū)位于東經(jīng)114°19′～116°30′、北緯37°30′～38°18′，涉及冀縣、寧晉、晉縣、武強(qiáng)、武邑、深縣、深澤、藁城、衡水、趙縣、辛集等11個縣市，平均海拔30 m(圖1)。灌區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季多風(fēng)干旱、夏季高溫多雨，年均降水量為488 mm，且降水年內(nèi)分布不均，70%的全年降水主要集中在6-8月；多年平均水面蒸發(fā)量為1 000～1 200 mm。多年平均氣溫在12～13 ℃；年均日照時數(shù)為2 626 h，無霜期190～200 d；灌區(qū)土壤以褐土、潮土為主。灌區(qū)內(nèi)主要作物為冬小麥、夏玉米。

圖 1　石津灌區(qū)地理位置及周邊氣象站點(diǎn)

2　資料與方法

2.1數(shù)據(jù)來源

逐時降水?dāng)?shù)據(jù)采用國家氣象信息中心提供的《中國國家級地面氣象站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)集》，作物生育期數(shù)據(jù)采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的《中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集》與《中國生態(tài)系統(tǒng)定位觀測與研究數(shù)據(jù)集——農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)卷》(河北欒城站1998-2008)[19]。選取石津灌區(qū)內(nèi)部及其周邊共15個氣象站點(diǎn)，為保證灌區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)的連續(xù)性及完整性，將1983-2012年4-6月作為研究時段(圖1)。

2.2研究方法

(1)小麥生育期的確定。作物物候期的觀測通常以植株高度、葉片數(shù)量和葉片長度以及開花時間等為主要指標(biāo)，考慮到在灌區(qū)尺度上的觀測誤差，忽略氣溫的變化對冬小麥生育期的影響，本研究假定研究區(qū)在研究時段(1983-2012年)灌區(qū)內(nèi)冬小麥生育期不發(fā)生變化。根據(jù)藁城、欒城、深縣、南宮4個站點(diǎn)的作物生長發(fā)育日期及欒城試驗(yàn)站的觀測結(jié)果，確定石津灌區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育期為拔節(jié)期(4月10日-5月1日)、抽穗期(5月1日-5月21日)以及乳熟期(5月21-6月10日)。

(2)降水過程的確定及分類。確定降水間歇長度為2 h作為2次降水過程的分界，即當(dāng)一次降水過程連續(xù)2 h 沒有降水時，劃分為2次降水過程；將一次降水過程的全部時間定義為降水歷時(h)；將該降水過程的雨量定義為次降雨量(mm)；平均雨強(qiáng)(mm/h)定義為次降雨量與降水歷時之比，并將峰值雨強(qiáng)(mm/h)定義為一次降水過程中最大的單位降水雨強(qiáng)；同時將文中的總降雨量定義為冬小麥某生育期的全部雨量(mm)；降水次數(shù)定義為冬小麥某生育期內(nèi)發(fā)生降水的總次數(shù)(次)。

根據(jù)降水平均雨強(qiáng)將降水過程分為小雨、中雨、大雨、暴雨4個等級；根據(jù)降水歷時將降水過程分為長歷時降水(≥6 h)和短歷時降水(<6 h)[13,15]，因此根據(jù)降水歷時、降水平均雨強(qiáng)將降水過程分為8類(表1)。

(3)冬小麥生育期有效降水類型的確定。殷水清等[15]認(rèn)為，降水強(qiáng)度≥10 mm/h的降水過程為極端降水事件，根據(jù)表1分類標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為短歷時大雨、短歷時暴雨、長歷時大雨、長歷時暴雨均為極端降水。極端降水可能會產(chǎn)生大量的徑流、引起深層滲漏，使得冬小麥對降水的利用率下降。而降水強(qiáng)度低、持續(xù)時間短的降水通常有效性最高，但這類降水存在被冬小麥冠層截留率高、入滲到土壤中易蒸發(fā)、持續(xù)性低等問題。由此可見，短歷時小雨對作物的有效性較高，但受到冬小麥冠層、蒸發(fā)、土壤入滲等因子的影響；而長歷時小雨、短歷時中雨、長歷時中雨盡管易發(fā)生深層滲漏，但入滲到土壤中的水分充足，消退時間較長。因此本研究重點(diǎn)分析這4類降水。

冬小麥冠層截留量受到小麥品種、葉面積指數(shù)、降雨強(qiáng)度、降水歷時等因素的影響，本研究依據(jù)王迪等[20]的試驗(yàn)結(jié)果，取冬小麥在拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期的最大冠層截留量分別為0.7，1.5，1.2 mm，認(rèn)為在冬小麥拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期分別大于0.68 mm、1.47 mm、1.20 mm的降水為有效降水。

(4)灌區(qū)降水特征指標(biāo)的選取及處理。本研究分別對冬小麥拔節(jié)、抽穗、乳熟等3個生育期的短歷時小雨、短歷時中雨、長歷時小雨、長歷時中雨的發(fā)生時刻、發(fā)生頻率、降水量等3個指標(biāo)進(jìn)行分析。各過程降雨量通過反距離權(quán)重(Inverse Distance Weighted,IDW)空間插值法求得；降水發(fā)生時刻、發(fā)生頻率按站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。運(yùn)用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對降水過程各指標(biāo)序列進(jìn)行趨勢分析；采用最小二乘法計(jì)算各降水指標(biāo)的氣候傾向率。

應(yīng)用Origin9.0、ArcGIS10.0等軟件以及Fortran語言對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

表 1　降水過程的分類結(jié)果Table 1　Classification of precipitation

3　結(jié)果與分析

3.1各降水過程的統(tǒng)計(jì)特征

對灌區(qū)內(nèi)部及周邊15個典型站點(diǎn)(晉縣、趙縣、欒城、寧晉、饒陽、深縣、安平、深澤、新河、武強(qiáng)、辛集、衡水、武邑、冀縣、棗強(qiáng))在冬小麥拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期的降水進(jìn)行分類，并統(tǒng)計(jì)各降雨過程的總降雨量、總降水次數(shù)、次降雨量、降雨歷時、平均雨強(qiáng)、峰值雨強(qiáng)，結(jié)果見表2和表3。由表2可以看出，石津灌區(qū)1983-2012年冬小麥關(guān)鍵生育期15個站點(diǎn)逐年逐站統(tǒng)計(jì)，共發(fā)生 6 151 次降水，總降雨量為29 151.9 mm，平均每站點(diǎn)每年降雨量為64.8 mm。從總降水次數(shù)來看，1983-2012年灌區(qū)在冬小麥拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期15個站點(diǎn)分別發(fā)生了1 695，2 222，2 234次降水，其中短歷時降水發(fā)生了1 238，1 601，1 759次，分別占到總降水次數(shù)的73.0%，72.1%，78.7%。3個生育期小雨發(fā)生次數(shù)分別為1 608，2 055，1 990次，分別占到總降水次數(shù)的94.9%，92.5%，89.1%。短歷時小雨在3個生育期發(fā)生次數(shù)分別為1 179，1 482，1 562次，逐漸增多，相應(yīng)的總降雨量也逐漸增加，每次降雨量都在1.25～1.28 mm。3個生育期內(nèi)均未發(fā)生長歷時暴雨，而短歷時暴雨在拔節(jié)、抽穗2個時期內(nèi)各發(fā)生1次，在乳熟期發(fā)生了8次；長歷時大雨在抽穗期發(fā)生了1次，僅在乳熟期發(fā)生了2次，但平均每次降雨量可達(dá)68.75 mm，由此可見灌區(qū)冬小麥在乳熟期有極端降水的發(fā)生。

表 2　各降水類型降雨量與降雨次數(shù)逐站統(tǒng)計(jì)結(jié)果(1983-2012年)Table 2　Amount and frequency of different precipitation at each station (1983-2012)

注：“-”表示無此數(shù)據(jù)。表3同。

Note：“-” means no data.The same for Table 3.

表 3　各降水類型降水歷時和降水強(qiáng)度逐站統(tǒng)計(jì)結(jié)果(1983-2012年)Table 3　Duration and intensity of different precipitation at each station (1983-2012)

由表3可以看出，短歷時降雨在冬小麥3個生育期內(nèi)的平均歷時為2.2 h，長歷時降雨平均歷時為9.7 h；短歷時降雨在3個生育期之間的降雨歷時、平均雨強(qiáng)、降雨峰值變化不大，其中短歷時小雨平均歷時為2.22 h、平均雨強(qiáng)為0.51 mm/h、降雨峰值為0.86 mm/h；短歷時中雨也具有同樣的規(guī)律，平均歷時為2.66 h、平均雨強(qiáng)為4.31 mm/h、降雨峰值為8.14 mm/h；長歷時小雨在乳熟期降水歷時有所減少，但降雨峰值可達(dá)3.16 mm/h；長歷時中雨在拔節(jié)期平均雨強(qiáng)為3.45 mm/h。極端降水在3個生育期內(nèi)的降雨歷時、平均雨強(qiáng)、降雨峰值變化較大，短歷時暴雨在拔節(jié)、抽穗期平均歷時均為1.00 h，但在乳熟期平均歷時達(dá)到2.00 h；短歷時大雨的平均雨強(qiáng)在抽穗期為9.42 mm/h，在乳熟期達(dá)到10.53 mm/h。

將次降雨量超過冬小麥最大冠層截留量的4類降水(短歷時小雨、短歷時中雨、長歷時小雨、長歷時中雨)進(jìn)行重新統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4。由表4可知，灌區(qū)長、短歷時小雨平均發(fā)生次數(shù)為3.0次/(a·站)，而長、短歷時中雨平均發(fā)生次數(shù)平均為0.2～0.7次/(a·站)，因此本研究對長、短歷時小雨2類降水的時間尺度為1年；對長、短歷時中雨2類降水的時間尺度為5年。

表 4　冬小麥不同生育期4類有效降水次數(shù)及有效降水量逐站統(tǒng)計(jì)結(jié)果(1983-2012年)Table 4　Amount and frequency of the 4 effective precipitation types at different wheat growth stages at each station (1983-2012)

3.24類有效降水過程的發(fā)生時刻

3.2.1不同歷時小雨發(fā)生時刻逐年變化由圖2-a可以看出，短歷時小雨在冬小麥3個生育期發(fā)生總次數(shù)整體上呈現(xiàn)“午后”單峰型變化，主要集中在15:00-20:00。其中拔節(jié)期短歷時小雨主要發(fā)生在16:00-18:00，在17:00發(fā)生了40次，在20:00達(dá)到一個峰值；乳熟期的發(fā)生時刻略有提前，在16:00發(fā)生了39次；在抽穗期短歷時小雨主要發(fā)生在早晨08:00以前、晚上21:00以后；3個生育期在08:00-13:00時段發(fā)生短歷時小雨頻率低，拔節(jié)期在13:00只發(fā)生過7次。由圖2-b可以看出，長歷時小雨整體上呈現(xiàn)“夜間-午后”雙峰型變化，但3個生育期的“峰值”時刻各不相同。其中夜間時段拔節(jié)期集中在02:00-06:00，抽穗期集中在00:00-08:00，乳熟期則集中在01:00-11:00；午后時段3個生育期都在15:00以后。

圖 2　不同歷時小雨在各時刻的發(fā)生次數(shù)(1983-2012年)

不同歷時小雨在各時刻發(fā)生次數(shù)的逐年變化(1983-2012年)見圖3。

圖 3不同歷時小雨在各時刻發(fā)生次數(shù)的逐年變化(1983-2012年)

Ⅰ.拔節(jié)期；Ⅱ.抽穗期;Ⅲ.乳熟期；a.短歷時小雨;b.長歷時小雨

Fig.3Annual variation of frequency of short and long light rain types at different hours (1983-2012)

Ⅰ.Jointing stage;Ⅱ.Heading stage;Ⅲ.Milk ripe stage;a.Short light rain;b.Long light rain

圖3-Ⅰ-a、Ⅱ-a、Ⅲ-a顯示了短歷時小雨在冬小麥3個生育期各時刻發(fā)生次數(shù)的逐年變化。從變化趨勢上看，在1992年之前，拔節(jié)期短歷時小雨的發(fā)生主要集中在上午時段，1992年之后，趨向于午后15:00以后及夜間時段；抽穗期這種趨勢更加明顯，且2002年以后，短歷時小雨主要發(fā)生在午后13:00-20:00；在乳熟期，短歷時小雨的發(fā)生時刻呈現(xiàn)從“午后”型向“白天”型變化，表現(xiàn)為在1992年之前發(fā)生時刻主要集中在15:00-21:00時段，1992年以后逐漸向中午時刻集中，2006年13:00達(dá)7次。

圖3-Ⅰ-b、Ⅱ-b、Ⅲ-b顯示了長歷時小雨在冬小麥3個生育期各時刻發(fā)生次數(shù)的逐年變化。從變化趨勢來看，1994年之前，長歷時小雨在冬小麥拔節(jié)、乳熟期發(fā)生時刻分布于05:00-20:00時段，在抽穗期發(fā)生時刻集中在00:00-08:00；1994年以后，降雨發(fā)生時刻趨向于夜間，拔節(jié)期發(fā)生時刻呈“夜間-傍晚”型，抽穗期集中在15:00以后，乳熟期向深夜00:00-06:00時段集中。

3.2.2不同歷時中雨發(fā)生時刻的變化圖4-a中短歷時中雨在冬小麥3個生育期呈單峰型，發(fā)生時刻主要集中在14:00-01:00，在拔節(jié)期30年15個站點(diǎn)短歷時中雨未在01:00、03:00-08:00、10:00、12:00-13:00時段發(fā)生過，但在22:00發(fā)生過8次；17:00是乳熟期短歷時中雨發(fā)生的高頻時段，發(fā)生了24次；08:00-12:00是短歷時中雨發(fā)生低頻時段，在冬小麥3個生育時期共發(fā)生了18次。圖4-b中長歷時中雨在冬小麥拔節(jié)期的發(fā)生時刻主要集中在午間10:00-15:00時段，呈單峰型；長歷時中雨在抽穗期主要集中在18:00-06:00，屬于夜間型降雨；在乳熟期降水發(fā)生時刻呈“凌晨-下午”雙峰型，主要發(fā)生在04:00-06:00、17:00-18:00時段。

圖 4　不同歷時中雨在各時刻的發(fā)生次數(shù)(1983-2012年)

3.34類有效降水過程的降水次數(shù)及雨量

3.3.1不同歷時小雨降水次數(shù)及降雨量的時空變化灌區(qū)冬小麥3個生育期不同歷時小雨的降水次數(shù)、降雨量1983-2012年的變化趨勢檢驗(yàn)結(jié)果見表5。表5表明，降水次數(shù)與降雨量變化趨勢一致。在拔節(jié)期短歷時小雨、長歷時小雨的總降水次數(shù)與總降雨量均呈增加的趨勢，且短歷時小雨的降水次數(shù)與總降雨量增加趨勢顯著(α=0.05)，15個站點(diǎn)短歷時小雨的總降水次數(shù)以6.08次/10a的速率增加，總降雨量的氣候傾向率為16.16 mm/10a；長歷時小雨的總降水次數(shù)則以1.18次/10a的速率增加，總降雨量的增加速率為12.29 mm/10a。在抽穗期，短歷時小雨的總降水次數(shù)與總降雨量仍然呈增加趨勢，但增加趨勢不顯著，而長歷時小雨的總降水次數(shù)與總降雨量則呈微弱下降趨勢，降水次數(shù)下降速率為2.00次/10a，降雨量氣候傾向率為-23.26 mm/10a。在乳熟期，短歷時小雨、長歷時小雨的總降水次數(shù)與總降雨量均呈減少趨勢，且長歷時小雨的降雨次數(shù)與降雨量顯著減少(α=0.05)，長歷時小雨的降雨量在乳熟期以49.23 mm/10a的速率減少，降水次數(shù)的減少速率為4.63次/10a，且在α=0.10水平上降雨量也以1.47 mm/次的速率顯著減少。

表 5　不同歷時小雨降水次數(shù)及降雨量的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)結(jié)果(1983-2012年)Table 5　Frequency and amount of short and long light rain types by Mann-Kendall test (1983-2012)

注：**表示顯著水平為0.05；*表示顯著水平為0.10。

Note：** indicates the significant level is 0.05,and * indicates the significant level is 0.10.

不同歷時小雨降水次數(shù)與降雨量的空間分布見圖5。

圖 5不同歷時小雨降水次數(shù)與降雨量的空間分布

Ⅰ.拔節(jié)期；Ⅱ.抽穗期；Ⅲ.乳熟期；a.短歷時小雨；b.長歷時小雨

Fig.5Spatial distribution of frequency and amount of short and long light rain types

Ⅰ.Jointing stage;Ⅱ.Heading stage;Ⅲ.Milk ripe stage;a.Short light rain;b.Long light rain

圖5-Ⅰ-a、Ⅰ-b顯示了1983-2012年灌區(qū)在冬小麥拔節(jié)期短歷時小雨、長歷時小雨降雨量的空間分布：短歷時小雨30年的總降雨量為90.5 mm，平均3.0 mm/a，長歷時小雨30年的總降雨量為 315.6 mm，平均10.5 mm/a。降水發(fā)生次數(shù)與降雨量空間分布一致，短歷時小雨表現(xiàn)為沿深澤、辛集、衡水一帶分別向東北、西南方向遞減，長歷時小雨表現(xiàn)為灌區(qū)西北部的藁城、晉縣向東南方向遞減；短歷時小雨發(fā)生次數(shù)最多的為衡水站，發(fā)生了47次，平均1.5次/a，降雨量也達(dá)到109.2 mm，平均2.3 mm/次；但在衡水站長歷時小雨30年只發(fā)生了22次，降雨量在290 mm以下。

圖5-Ⅱ-a、Ⅱ-b顯示了1983-2012年灌區(qū)在冬小麥抽穗期短歷時小雨、長歷時小雨降雨量的空間分布，其中短歷時小雨30年的總降雨量為83.9 mm，平均2.8 mm/a，長歷時小雨30年的總降雨量為342.3 mm，平均11.4 mm/a。與拔節(jié)期不同，此期短歷時小雨、長歷時小雨的降雨次數(shù)與降雨量的空間分布均表現(xiàn)為由灌區(qū)四圍向中北部遞減，沿晉縣站、深縣站一帶為灌區(qū)降雨量最低值，短歷時小雨在深縣站30年降雨次數(shù)為19次，降雨量在77 mm以下；長歷時小雨在冀縣站30年的降雨次數(shù)達(dá)到45次，降雨量394.6 mm，平均13.2 mm/次。

圖5-Ⅲ-a、Ⅲ-b顯示了1983-2012年灌區(qū)在冬小麥乳熟期短歷時小雨、長歷時小雨降雨量的空間分布，其中短歷時小雨30年的總降雨量為100.2 mm，平均3.3 mm/a，長歷時小雨30年的總降雨量為270.8 mm，平均9.0 mm/a。乳熟期短歷時小雨的降雨次數(shù)及降雨量空間分布表現(xiàn)為由深縣、辛集、寧晉一帶分別向東、西方向遞增，在藁城、晉縣一帶達(dá)到降雨量最大值，在107.2 mm以上，晉縣站降雨次數(shù)為34次，深縣站降雨次數(shù)為24次，相差10次；長歷時小雨則是沿深縣、辛集、趙縣一帶分別向南、北兩方向遞增，分別在灌區(qū)南部的新河、冀州、衡水一帶，北部地區(qū)的深澤達(dá)到降雨量最大，在286 mm以上，但深澤站降雨次數(shù)為25次，降雨量為323.4 mm，平均13.0 mm/次。

3.3.2不同歷時中雨降雨量的時空變化灌區(qū)冬小麥3個生育期不同歷時中雨降雨量在5年尺度上的變化見圖6。

圖 6　不同歷時中雨5年尺度降雨量的變化(1983-2012年)

由圖6可以看出，長歷時中雨降雨量整體上要大于短歷時中雨，從1983-1997年除乳熟期的短歷時中雨降雨量有所增加(1988-1992年降雨量達(dá)到516 mm)外，短(長)歷時中雨在冬小麥3個生育期均呈下降趨勢，且在1993-1997年，冬小麥拔節(jié)期、抽穗期并未發(fā)生長歷時中雨。1998年以后，拔節(jié)期短歷時中雨降雨量表現(xiàn)出減少的趨勢，長歷時中雨則呈增加趨勢；在抽穗期、乳熟期，這種趨勢相反，短歷時中雨降雨量表現(xiàn)出增加趨勢，而長歷時中雨降雨量則表現(xiàn)出降低的趨勢。

由圖7可以看出，整體上看短歷時中雨、長歷時中雨在冬小麥3個生育期的降水次數(shù)與降水量的空間分布一致。在冬小麥拔節(jié)期，短歷時中雨降雨量為37.8 mm，多年平均1.3 mm，其空間分布整體上自灌區(qū)北向南方向遞減，灌區(qū)北部的深澤降雨量在65.5 mm以上，深澤站降雨次數(shù)為7次，是15個站點(diǎn)中短歷時中雨發(fā)生次數(shù)最多的，灌區(qū)降雨量最小值位于東北部的武強(qiáng)、武邑一帶，降雨量在32.9 mm以下，只發(fā)生了2～3次降水(圖7-Ⅰ-a)。長歷時中雨降雨量為82.0 mm，多年平均2.7 mm，空間分布整體上自灌區(qū)東北向西南方向遞減。灌區(qū)東北部的深縣、武強(qiáng)一帶降雨量在112.3～148.5 mm，與短歷時中雨相比，盡管降雨量大，但降水次數(shù)整體上較少，其中欒城、趙縣、冀縣站只發(fā)生過1次，晉縣、深縣站無長歷時中雨發(fā)生(圖7-Ⅰ-b)。

圖 7　不同歷時中雨降水次數(shù)與降雨量的空間分布

在冬小麥抽穗期，短歷時中雨降雨量為71.6 mm，多年平均2.4 mm，其空間分布整體上自灌區(qū)西南向東北方向遞減，在灌區(qū)西北部的深澤、晉縣一帶降雨量在56.3 mm以下，2個站點(diǎn)的降雨次數(shù)分別為3次、4次，灌區(qū)東南部的寧晉、辛集降雨量在87.4 mm以上，降水次數(shù)也達(dá)到9次(圖7-Ⅱ-a)。長歷時中雨降雨量為145.4 mm，多年平均4.8 mm，其空間分布整體上與短歷時中雨分布一致，但降雨量高值區(qū)位于灌區(qū)中西部的辛集，降雨量在222.3 mm以上，降水次數(shù)為6次，寧晉站長歷時中雨只發(fā)生過2次，因而在灌區(qū)西南端的寧晉地區(qū)降雨量也偏低(圖7-Ⅱ-b)。

在冬小麥乳熟期，短歷時中雨降雨量為123.5 mm，多年平均4.1 mm，其空間分布整體上與拔節(jié)期相似，均為自北向南遞減，灌區(qū)北部的深縣降雨量在147.0 mm以上，降水次數(shù)達(dá)到14次，降雨量少的地區(qū)位于灌區(qū)東南部的武邑、衡水一帶，降雨量在91.5 mm以下，降水次數(shù)為6次(圖7-Ⅲ-a)。長歷時中雨降雨量為90.0 mm，多年平均3.0 mm，空間分布表現(xiàn)為自東向西遞減，灌區(qū)最東端的武強(qiáng)地區(qū)降雨量在163.9 mm以上，武強(qiáng)站降水次數(shù)為8次，到灌區(qū)西部的晉縣、趙縣、寧晉一帶，降雨量在 41.9～81.5 mm，寧晉站30年來只發(fā)生過1次短歷時中雨(圖7-Ⅲ-b)。

4　討　論

(1)不同歷時、不同雨型降水的發(fā)生時刻，對冬小麥生育期內(nèi)降水的吸收更為重要。短歷時小雨發(fā)生于18:00-05:00，此時處于冬小麥蒸散作用微弱時段，根系吸收少，加之降雨歷時短，降水很快入滲到土壤中，且降水在土壤中的消退時間短，因此該時段冬小麥對降水的利用率低；而短歷時小雨發(fā)生于白天，冬小麥根系吸水作用增強(qiáng)，該時段的降水對冬小麥最為有效；同樣，短歷時中雨、長歷時中雨可使降水充分入滲到土壤中，土壤水分達(dá)到飽和，土壤水分消退時間長，冬小麥對該類降雨利用率高。

本研究結(jié)果表明，短歷時小雨在冬小麥拔節(jié)期、乳熟期主要發(fā)生在16:00-18:00，在抽穗期則發(fā)生在早晨08:00以前、晚上21:00以后；短歷時中雨在冬小麥3個生育期的發(fā)生時刻主要集中在14:00-01:00；長歷時小雨在冬小麥3個生育期的發(fā)生均呈現(xiàn)“夜間-午后”型，長歷時中雨在冬小麥拔節(jié)期的發(fā)生時刻主要集中在午間10:00-15:00時段，在抽穗期主要集中在18:00-06:00，屬于夜間型降雨，在乳熟期降水發(fā)生時刻主要集中在04:00-06:00、17:00-18:00時段。Yu等[12]研究指出，中國中東部地區(qū)，長歷時降水的峰值雨強(qiáng)出現(xiàn)在清晨，短歷時降水易出現(xiàn)在下午和傍晚；李建等[13]研究顯示，北京地區(qū)夏季(6-8月)長歷時降水的峰值多出現(xiàn)在后半夜至清晨，而短歷時降水峰值多集中在下午至前半夜；殷水清等[15]研究認(rèn)為，海河流域夏季長歷時降水峰值發(fā)生在早上，短歷時降水峰值發(fā)生在下午。由此對于短歷時小雨、短歷時中雨的發(fā)生，與前人研究結(jié)果一致，均發(fā)生于午后至翌日凌晨01:00。而對于長歷時小雨與長歷時中雨，本研究結(jié)果顯示這2種降雨的發(fā)生時刻更趨于白天、或“后半夜-午后”，與前人研究結(jié)果并不一致，主要原因：①前人研究時段主要集中在夏季(6-8月)，而本研究時段主要集中在春季(4-5月)；②前人研究基于降水歷時描述了降水量的日變化特征，曲線峰值表示了降雨量的大小[12]或某時刻有無降水發(fā)生[15]，但并未考慮不同的降水強(qiáng)度等級，歷時短的降水發(fā)生時刻與峰值強(qiáng)度出現(xiàn)時刻相差不大，但歷時長的降水發(fā)生時刻與峰值強(qiáng)度出現(xiàn)時刻間隔時間較長，因此不同的降水強(qiáng)度下，長歷時降雨的發(fā)生時刻與長歷時降雨的日變化規(guī)律并不一致。

(2)研究也指出，海河流域1960-2010年春季降水呈增加趨勢[21-22]。本研究時段主要集中在春季(4-5月)，短歷時小雨降雨量在冬小麥拔節(jié)期、抽穗期均呈增加趨勢，進(jìn)入乳熟期之后呈減小趨勢，長歷時小雨降雨量在乳熟期顯著減少。整體上與前人研究基本一致，由于本研究將春季(4-5月)劃分為3個階段(拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期)，且在冬小麥乳熟期包括了初夏，因此在冬小麥乳熟期，短歷時小雨、長歷時小雨降雨量的變化呈減少的趨勢。1998年為短歷時中雨、長歷時中雨變化趨勢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

5　結(jié)　論

(1)灌區(qū)1983-2012年4類降水發(fā)生時刻：短歷時小雨在冬小麥拔節(jié)期、乳熟期主要發(fā)生在16:00-18:00，在抽穗期則發(fā)生在早晨08:00以前、晚上21:00以后，短歷時中雨在冬小麥3個生育期的發(fā)生時刻主要集中在14:00-01:00；長歷時小雨在冬小麥3個生育期的發(fā)生均呈現(xiàn)“夜間-午后”型，長歷時中雨在冬小麥拔節(jié)期的發(fā)生時刻主要集中在午間10:00-15:00時段，在抽穗期主要集中在18:00-06:00，在乳熟期降水發(fā)生時刻主要集中在04:00-06:00、17:00-18:00時段。

(2)灌區(qū)1983-2012年4類降水在冬小麥3個生育期內(nèi)累計(jì)次數(shù)與總降雨量的時間變化一致：①短歷時小雨在冬小麥拔節(jié)期、抽穗期呈增加趨勢，在乳熟期表現(xiàn)出減少趨勢；②長歷時小雨在拔節(jié)期呈增加趨勢，在抽穗期、乳熟期為減少趨勢；③短歷時中雨、長歷時中雨在1998年以前呈減少趨勢，1998年以后短歷時中雨在拔節(jié)期為減少趨勢，其他時期表現(xiàn)為增加趨勢，長歷時中雨在抽穗期為減少趨勢，其他時期則為增加趨勢。

(3)灌區(qū)1983-2012年冬小麥3個生育期內(nèi)4類降水累計(jì)降水次數(shù)與總降雨量的空間分布一致：①拔節(jié)期短歷時小雨表現(xiàn)為沿深澤、辛集、衡水一帶分別向東北、西南方向遞減；長歷時小雨表現(xiàn)為由灌區(qū)西北部的藁城、晉縣向東南方向遞減；短歷時中雨整體上自北向南遞減；長歷時中雨則表現(xiàn)為自東北向西南方向遞減。②抽穗期短歷時小雨、長歷時小雨均表現(xiàn)為由灌區(qū)四圍向中北部遞減；短歷時中雨、長歷時中雨空間分布一致，整體上均表現(xiàn)為自西南向東北方向遞減。③乳熟期短歷時小雨表現(xiàn)為由深縣、辛集、寧晉一帶分別向東、西方向遞增；長歷時小雨則是沿深縣、辛集、趙縣一帶分別向南、北兩方向遞增；短歷時中雨空間分布整體上與拔節(jié)期相似，均為自北向南遞減；長歷時中雨則表現(xiàn)為自東向西遞減。

(4)本研究假定了灌區(qū)在1983-2012年冬小麥物候期并未發(fā)生變化，忽略了氣溫的影響。而研究指出，氣溫的升高使得河北省冬小麥在1998年以后，起身期和抽穗期較1991-1997年間各提早了5 d，拔節(jié)期提早了4 d，返青期和成熟期提早了3 d[23]；90年代以后冬小麥播種期比80年代推遲2～5 d，成熟期提早1～2 d，生育期縮短了2～7 d[24]。因此需要對溫度影響下的冬小麥關(guān)鍵生育期的降水變化做進(jìn)一步探討。

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Hourly precipitation during key growth periods of winter wheat in Shijin irrigation district

REN Qingfu1,2,WENG Baisha2,PEI Hongwei3,YUAN Zhe2

(1CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China;3CenterforAgriculturalResourcesResearch,InstituteofGeneticsandDevelopmentalBiology,ChineseAcademyofSciences,Shijiazhuang,Hebei050022,China)

【Objective】 This study investigated effective precipitation process on key growth periods of winter wheat (jointing,heading,and milk ripe) under climate change in Shijin irrigation district to provide scientific basis for rainfall utilization and reasonable irrigation schedule.【Method】 Based on the hourly precipitation data from 15 meteorological stations in study area on April,May,and June from 1983 to 2012,the precipitation was classified according to duration and intensity.The occurrence time,frequency and amount of the four effective precipitation types (short light rain,long light rain,short moderate rain,and long moderate rain) in three growth stages of winter wheat were analyzed with the Mann-Kendall trend test and the inverse distance interpolation (IDW) method.【Result】 (1) The occurrence time of the effective precipitation types was mainly from afternoon to morning (14:00-06:00),and long moderate rain mainly occurred at jointing stage during 10:00-15:00.(2) The trend and amount of all precipitation types were same.The short light rain increased at jointing and heading stages while decreased at milk ripe stage.Long light rain increased at jointing stage while decreased at heading and milk ripe stages.Short and long moderate rain types decreased during the three growth stages before 1998.After then,short moderate rain increased at heading and milk ripe stages and long moderate rain increased at jointing and milk ripe stages.(3) The spatial distribution of frequency and amount of the precipitation types was also identical.All precipitation types at jointing stage were high in north and low in south.At heading stage,the amounts of the short and long light rain types decreased from border to center,while the short and long moderate rain types increased from northeast to southwest.Distribution of short and long light rain types at milk ripe stage was consistent at heading stage.The amount of short moderate rain at milk ripe stage was high in north and low in south while that of long moderate rain was high in east and low in west. 【Conclusion】 The frequency and amount of effective precipitation would increase at jointing stage and decrease at milk ripe stage of winter wheat under climate change.

Shijin irrigation district;winter wheat growth periods;hourly precipitation;effective precipitation；precipitation duration

時間:2016-08-0909:40DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.09.013

2015-02-09

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“氣候變化對水資源影響與風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)”(2012BAC19B03)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于水資源系統(tǒng)的廣義干旱風(fēng)險(xiǎn)評價與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究”(51279207)

任慶福(1983-)，男，山西汾陽人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水文水資源和氣候變化研究。E-mail：wxws.2008@163.com

翁白莎(1986-)，女，福建晉江人，工程師，博士，主要從事變化環(huán)境下干旱風(fēng)險(xiǎn)評價與應(yīng)對研究。

E-mail：wengbs@iwhr.com

S271

A

1671-9387(2016)09-0092-13

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