1961—2015年甘肅省伏旱時空分布特征及影響分析

林婧婧，趙冠男

(1.西北區(qū)域氣候中心， 甘肅 蘭州 730020； 2.江西省氣象局， 江西 南昌 330096)

甘肅省地處內(nèi)陸，降水少、氣候干燥、水資源貧乏是影響甘肅省農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要原因。甘肅省每年因干旱災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占自然災(zāi)害的56%，尤其是近年來河?xùn)|雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的降水呈減少趨勢，干旱災(zāi)害對農(nóng)業(yè)的影響尤其顯著[1-9]。

近年來，關(guān)于甘肅省春旱和春末夏初旱的發(fā)生頻率、范圍、年代際變化及其對農(nóng)業(yè)的影響已有大量研究：甘肅省20世紀(jì)60年代至2008年春旱頻率呈增加趨勢[10]，春末夏初旱出現(xiàn)的頻率和干旱范圍在20世紀(jì)90年代至2008年均呈增加趨勢[11]。一些研究還分析了甘肅省伏旱指數(shù)的變化特征[12-13]以及干旱對甘肅省玉米和冬小麥的影響[14-15]。

甘肅省大部分地區(qū)為干旱和半干旱氣候，特別是河?xùn)|雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，是氣候變化敏感區(qū)域，又是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，農(nóng)作物生長所需的水分主要依靠自然降水，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受降水量變化的影響非常明顯。伏期(7—8月)是甘肅省秋季作物生長的需水關(guān)鍵期，降水量直接影響秋季作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此本研究擬利用甘肅省80個氣象觀測站1961—2015年夏季(7—8月)歷年降水量資料，分析伏期干旱發(fā)生的頻率、空間分布和年代際的變化特征，以為伏旱辨識、監(jiān)測預(yù)測和影響評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

基于甘肅省氣象干旱規(guī)律和旱災(zāi)發(fā)生情況，考慮到降水量明顯偏少是導(dǎo)致干旱發(fā)生的最主要原因，在此使用降水距平百分率作為衡量氣象干旱程度的主要依據(jù)。降水距平百分率是表征某時段降水量較常年值偏多或偏少的指標(biāo)之一，能直觀反映降水異常引起的氣象干旱，在氣象日常業(yè)務(wù)中多用于評估月、季、年發(fā)生的氣象干旱事件。參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)-氣象干旱等級(GB/T2048122006)中降水距平百分率氣象干旱指標(biāo)定義，結(jié)合《中國氣象災(zāi)害大典·甘肅卷》歷史干旱記錄，制定甘肅省降水距平百分率氣象干旱等級劃分指標(biāo)(表1)。

表1 甘肅省降水距平百分率氣象干旱等級劃分指標(biāo)

利用甘肅省80個氣象觀測站1961—2015年夏季(7—8月)歷年降水量資料，計(jì)算伏期(7—8月)降水距平百分率。伏期常年均值根據(jù)世界氣象組織規(guī)定，采用1981—2010年期間的資料計(jì)算。根據(jù)定義，某時段降水量距平百分率(Pa)可計(jì)算如下：

(1)

考慮到甘肅省河西地區(qū)絕大多數(shù)是灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響并不十分突出，而河?xùn)|地區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，受降水影響十分顯著。因此，在研究伏旱特征時，分別研究甘肅全省(80個站)、河西地區(qū)(19個站)和河?xùn)|地區(qū)(61個站)的伏旱特征，并將研究時段內(nèi)的干旱站數(shù)占總站數(shù)的百分比在25%以上的年份確定為區(qū)域性干旱年。

伏旱強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算如下[16]：

R0=ΔR+ΔRz

(2)

式中，ΔR為區(qū)域平均日降水量距平百分率；ΔRz為正距平站數(shù)占總站數(shù)的百分率；區(qū)域降水強(qiáng)度指數(shù)R0即為區(qū)域平均日降水量距平百分率與正距平站數(shù)占總站數(shù)百分率之和。于是伏旱強(qiáng)度指數(shù)可表示為：

(3)

干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)采用甘肅省1985—2014年災(zāi)情普查數(shù)據(jù)，僅獲取伏旱時段(7—8月)的災(zāi)情數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 伏旱空間分布格局

甘肅省降水量的空間分布不均，年降水量300 mm以下的地區(qū)占全省總面積的58%。而且全省降水量的季節(jié)分布不均，年際變化大，導(dǎo)致干旱成為甘肅省最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害。依照干旱出現(xiàn)時間，可分為春旱(3—4月)、春末夏初旱(5—6月)、伏旱(7—8月)和秋旱(9—10月)，其中伏旱出現(xiàn)頻率最低。

全省伏旱發(fā)生頻率在10%～55%之間(圖1)，河西走廊伏旱發(fā)生頻率為30%～55%，平均2～5 a一遇，是全省伏旱發(fā)生頻率最高的區(qū)域。在隴中北部、隴東和隴南大部，伏旱發(fā)生頻率為30%～40%，平均3 a一遇，是伏旱發(fā)生頻率次高區(qū)。隴中南部和甘南高原伏旱發(fā)生頻率為20%～30%，平均3～5 a一遇，是伏旱發(fā)生頻率最低的區(qū)域。

2.2 伏旱的年代際變化

甘肅全省、河西和河?xùn)|近55 a伏旱發(fā)生頻率的年代際變化較為穩(wěn)定，均呈弱的增加趨勢。其中，全省近55 a伏旱發(fā)生的頻率為51%，河西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)伏旱的發(fā)生頻率為63%，河?xùn)|雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)伏旱的發(fā)生頻率為43%(表2)。

甘肅省區(qū)域性伏旱頻率分析發(fā)現(xiàn)，全省重大伏旱的發(fā)生頻率為5%，20世紀(jì)60年代至80年代沒有發(fā)生重大伏旱，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初發(fā)生重大伏旱的頻率均為10%，自20世紀(jì)90年代起發(fā)生重大伏旱的頻率開始增加，2011年以后發(fā)生重大伏旱的頻率達(dá)到最大。河西重大伏旱發(fā)生頻率在21世紀(jì)初減??；而河?xùn)|重大伏旱的發(fā)生頻率與甘肅全省基本相同，均自20世紀(jì)90年代起開始增加。

圖1 1961—2015年甘肅省伏旱發(fā)生頻率空間分布

Fig.1 Spatial distribution of summer drought occurrence frequency in Gansu Province during 1961—2015

2.3 伏旱演變趨勢

甘肅全省近55 a發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)比在1961—1985年間呈下降趨勢，傾向率為-9.6%·10a-1，1986—2015年間呈弱的增加趨勢。

甘肅全省和河?xùn)|發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)比的年代際變化趨勢基本相同，在20世紀(jì)60年代和80年代，發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)比均呈先增加后減少趨勢，70年代呈減少趨勢；90年代以后呈先減小后增加趨勢。河西發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)比在20世紀(jì)60年代呈減小趨勢，70年代呈先增加后減小趨勢，80年代以后與甘肅全省、河?xùn)|的年代際變化趨勢相同。

全省伏旱發(fā)生大旱以上的區(qū)域，在20世紀(jì)60年代初主要出現(xiàn)在酒泉、武威和慶陽三市，之后縮??；進(jìn)入70年代初，則較為均勻地出現(xiàn)在河?xùn)|大部分地區(qū)，在70年代中后期，主要集中出現(xiàn)在酒泉市和武威市；80年代初期轉(zhuǎn)移到隴中的白銀、蘭州和臨夏三市(州)，中后期則主要集中在酒泉市和張掖市；1991年開始河西西部、隴中大部和南部地區(qū)出現(xiàn)大范圍伏旱，隨后發(fā)展為河?xùn)|大部地區(qū)；90年代末期至2013年，伏旱向河西地區(qū)延伸，范圍先擴(kuò)大后縮小，近兩年又出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢。

發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)百分比的演變趨勢主要可分為五個時期(圖2)：(1) 1961—1970年，伏旱站數(shù)占總站數(shù)的百分比在29.5%，呈減小趨勢，平均每10 a減小17.9%；(2) 1971—1979年，伏旱站數(shù)占總站數(shù)的百分比在31.2%左右，呈顯著減小趨勢，平均每10 a減小61.4%；(3) 1981—1991年，伏旱站數(shù)占總站數(shù)的百分比在36%左右，呈增加趨勢，平均每10 a增加19.1%；(4) 1992—2002年，伏旱站數(shù)占總站數(shù)的百分比在33.6%左右，呈顯著增加趨勢，平均每10 a增加52.2%；(5) 2003—2015年，伏旱站數(shù)占總站數(shù)的百分比在32%左右，呈增加趨勢，平均每10 a增大25.4%。

在五個伏旱演變明顯時段，發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)比的平均值呈先增加后減小變化趨勢，尤其是在1981—1991年，共有4 a伏旱站數(shù)占總站數(shù)比大于50%，其中70%以上的有2 a。

2.4 伏旱強(qiáng)度變化

利用區(qū)域降水強(qiáng)度指數(shù)分析伏旱時段特征。在氣候分析中規(guī)定，盛夏連續(xù)10 d以上區(qū)域降水指數(shù)小于0，且時段內(nèi)累計(jì)區(qū)域降水強(qiáng)度指數(shù)的和≤-800%，則稱之為伏旱時段，伏旱開始/結(jié)束日為區(qū)域降水強(qiáng)度指數(shù)穩(wěn)定通過小于/大于0的伏旱時段開始/結(jié)束日期。伏旱開始日與結(jié)束日之間的天數(shù)為伏旱日數(shù)。因此，近55 a甘肅省伏旱最早在7月初已形成干旱(表3)，最晚出現(xiàn)在8月22日，平均開始日期為8月1日。伏旱最長持續(xù)時間為15 d(1965年)，其次為1991年(13 d)，平均持續(xù)時間為11.4 d。

表2 1961—2015年甘肅省各年代伏旱發(fā)生頻率/%

注：表中干旱頻率是輕旱、大旱和重旱的總頻率。

Note: The drought frequency in the table is the total frequency of light drought, heavy drought and severe drought.

圖2 1961—2015年甘肅省發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)的百分比歷年變化

Fig.2 The yearly variations of summer drought station percentage in Gansu Province during 1961—2015

通過伏旱強(qiáng)度指數(shù)劃分伏旱等級(表4)，在過去55 a中，無伏旱43 a(占78.2%)，未出現(xiàn)輕伏旱，中伏旱7 a(占12.7%)，強(qiáng)伏旱3 a(5.5%)。無伏旱主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代以前，中伏旱主要出現(xiàn)在20世紀(jì)70、80年代初、90年代后期至21世紀(jì)初，重伏旱主要出現(xiàn)在1965、1991和2000年。自20世紀(jì)80年代以來，共有7 a伏旱強(qiáng)度大于中伏旱。

表3 1961—2015年甘肅省伏旱起始日、伏旱天數(shù)及累計(jì)區(qū)域降水強(qiáng)度指數(shù)

2.5 作物受旱特征分析

河西走廊是甘肅全省伏旱發(fā)生頻率最高的區(qū)域，由于是灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，只要上年冬前灌溉比較好，對春播作物的影響并不十分嚴(yán)重。甘肅河?xùn)|地區(qū)是旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物所需的水分主要依靠自然降水，雖然河?xùn)|地區(qū)伏旱出現(xiàn)頻率相對偏小，但往往影響秋糧作物的生長，是伏旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴(yán)重的區(qū)域，加之夏季的持續(xù)高溫天氣，對花期玉米開花授粉、馬鈴薯塊莖膨大和中藥材生長有一定影響，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定損失。

在20世紀(jì)90年代和2005年左右，農(nóng)作物受災(zāi)面積波動較大，歷年受災(zāi)面積變化和重旱站數(shù)百分比的變化趨勢相似，采用降水距平百分率的伏旱重旱范圍呈減小趨勢，為-0.6%·10a-1，農(nóng)作物受災(zāi)面積呈1.1萬hm2·10a-1的增加趨勢(圖3)。

表4 1961—2015年甘肅省伏旱強(qiáng)度等級

圖3 1985—2014年甘肅省重旱站數(shù)占總站數(shù)百分比和作物受災(zāi)面積的歷年變化

Fig.3 The yearly variations of severe summer drought station percentage and the affected area of crops in Gansu Province during 1985—2015

甘肅省災(zāi)情普查數(shù)據(jù)表明，20世紀(jì)80年代以來，全省伏旱受災(zāi)地區(qū)主要為武威、張掖、白銀、定西、甘南、金昌、蘭州、臨夏、隴南、平?jīng)?、慶陽和天水等12個市(州)，主要受災(zāi)農(nóng)作物有玉米、小麥、糜子、洋芋、豌豆、油菜、大豆、胡麻、蠶豆、高粱等。2000年伏旱是全省大范圍的嚴(yán)重干旱，重旱區(qū)主要分布在武威以東地區(qū)，是我國北方夏旱區(qū)的一部分。近50 a中，大范圍前伏干旱共出現(xiàn)4次(1973、1982、1991、2000年)，其中2000年是第4次出現(xiàn)，干旱強(qiáng)度為近50 a所罕見。嚴(yán)重的前伏干旱使6月下旬雨后播種的小秋作物不能出苗或出苗后枯萎、死亡，對大秋作物的正常生長造成很大的不良影響，秋糧減產(chǎn)。2015年定西市和慶陽市受伏旱影響較大。全省有39站出現(xiàn)35℃以上高溫，白銀市、慶陽市、平?jīng)鍪袞|部、天水市渭北地區(qū)等地旱情發(fā)展程度的加重，影響了馬鈴薯的塊莖膨大、玉米的開花授粉及蘋果的果實(shí)生長。

3 討 論

甘肅省地處干旱半干旱氣候區(qū)，農(nóng)作物生長所需的水分主要依靠自然降水。而伏期(7—8月)是甘肅省秋季作物生長的需水關(guān)鍵期，伏旱的發(fā)生發(fā)展對秋季作物的產(chǎn)量和品質(zhì)影響重大。盡管已有一些研究者分析了甘肅省伏旱指數(shù)的變化特征[12-13]以及干旱對甘肅省玉米和冬小麥的影響[14-15]，但關(guān)于甘肅省伏旱發(fā)生的頻率、范圍和年代際變化的統(tǒng)計(jì)分析仍較少。本研究指出，1961—2015年甘肅全省、河西和河?xùn)|的伏旱發(fā)生頻率呈緩慢增加趨勢，但伏旱強(qiáng)度的變幅自20世紀(jì)80年代以來顯著增大；伏旱發(fā)生頻率的空間分布為河西走廊最高，隴中北部、隴東和隴南次之，隴中南部和甘南高原最小，但伏旱發(fā)生范圍在1961—1995年期間呈明顯縮小趨勢，而在1996—2015年期間呈擴(kuò)大趨勢。同時，對比甘肅全省伏期大氣降水?dāng)?shù)據(jù)和嚴(yán)重伏旱的文獻(xiàn)記錄資料發(fā)現(xiàn)，甘肅省伏旱致災(zāi)與大氣降水有密切聯(lián)系，基于降水距平百分率給出的伏旱頻率空間分布能很好地描述伏旱發(fā)生的區(qū)域范圍，且與楊曉華[13]的伏旱指數(shù)分區(qū)結(jié)果相似，表明了降水距平百分率指標(biāo)研究伏旱的可行性。本研究利用伏旱強(qiáng)度指數(shù)較為詳細(xì)地描述了甘肅省伏旱發(fā)生的時間和強(qiáng)度，與已有研究結(jié)果相似[6,12]，有助于較全面分析伏旱的時空特征。但是，這些指標(biāo)仍不能很好地闡明甘肅全省自20世紀(jì)80年代以來的伏旱異常變化成因，未來需要進(jìn)一步分析研究。

4 結(jié) 論

本研究利用甘肅省80個氣象觀測站1961—2015年伏期(7—8月)歷年降水量資料對伏旱發(fā)生的頻率、范圍和年代際變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，主要得到如下結(jié)論：

(1) 甘肅省伏旱發(fā)生頻率在10%～55%之間，河西走廊為30%～55%，是頻率最高區(qū)；隴中北部、隴東和隴南大部30%～40%，是伏旱發(fā)生頻率次高區(qū)；隴中南部和甘南高原20%～30%，是伏旱發(fā)生頻率最小區(qū)。甘肅全省和河?xùn)|的伏旱發(fā)生頻率自20世紀(jì)90年代開始增加，2011年以后達(dá)到最大；全省和河?xùn)|重大伏旱頻率在20世紀(jì)90年代以后增大，河西自2000年起減小。

(2) 近55 a中，甘肅省伏旱最早在7月初已形成干旱，最晚出現(xiàn)在8月22日，平均開始日期為8月1日，平均持續(xù)時間為11.4 d。伏旱范圍在1961—1995年期間呈明顯的縮小趨勢，在1986—2015年期間呈擴(kuò)大趨勢，且在20世紀(jì)80年代以后，全省、河?xùn)|和河西區(qū)域的年代際變化趨勢相同，均是在70年代呈減少趨勢，80年代先增加后減少，90年代以后先減小后增加。

(3) 全省發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)百分比的演變趨勢主要有五個明顯時段，發(fā)生伏旱站數(shù)占總站數(shù)比的平均值呈先增加后減小變化趨勢，尤其是在1981—1991年，共有4 a伏旱站數(shù)占總站數(shù)比大于50%，其中70%以上的有2 a。

發(fā)生大旱以上區(qū)域，主要從20世紀(jì)60年代河西西部和慶陽市，擴(kuò)大至河?xùn)|大部地區(qū)，再向河西縮小，在80年代由隴中地區(qū)西移至河西西部，1991年起向東部大范圍擴(kuò)大，20世紀(jì)90年代末至2013年向河西地區(qū)縮小，近兩年又呈擴(kuò)大趨勢。

(4) 甘肅全省未出現(xiàn)輕伏旱。輕伏旱主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代以前，20世紀(jì)80年代以后伏旱強(qiáng)度指數(shù)變化的幅度明顯增大，發(fā)生中伏旱的有7 a、重伏旱有3 a(1965、1991和2000年)，其中1965年伏旱持續(xù)時間為歷史最長(15 d)，其次為1991年(13 d)。全省20世紀(jì)60年代初、80年代中期、1994年和2000年出現(xiàn)嚴(yán)重的伏旱或連旱，導(dǎo)致了1985—2015年甘肅省農(nóng)作物產(chǎn)量下滑，且受災(zāi)面積呈增加趨勢。

[1] 李棟梁，魏 麗，蔡 英，等.中國西北現(xiàn)代氣候變化事實(shí)與未來趨勢展望[J].冰川凍土，2003，25(2)：135-142.

[2] 張存杰，高學(xué)杰，趙紅巖．全球氣候變暖對西北地區(qū)秋季降水的影響[J].冰川凍土，2003，25(2)：157-164.

[3] 劉德祥，董安祥，鄧振鏞.中國西北地區(qū)氣候變暖及其對農(nóng)業(yè)影響的研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，2005，20(1)：1-7.

[4] 劉德祥，董安祥，陸登榮.中國西北地區(qū)近43年氣候變化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23(2)：195-200.

[5] 劉德祥，董安祥，鄧振鏞.中國西北地區(qū)近43年降水資源變化對農(nóng)業(yè)的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23(4)：179-184.

[6] 吳愛敏.西北地區(qū)伏期干旱特征及影響因子分析[J].中國沙漠，2008，28(3):572-578.

[7] 劉德祥，董安祥， 薛萬孝.氣候變暖對甘肅農(nóng)業(yè)的影響[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2005，24(2)：49-57.

[8] 劉德祥，趙紅巖，董安祥.氣候變暖對甘肅夏秋季作物種植結(jié)構(gòu)的影響[J].冰川凍土，2005，27(6)：806-811.

[9] 劉德祥，白虎志，寧惠芳，等.甘肅不同強(qiáng)度降水日數(shù)變化對干旱災(zāi)害的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25(2)：212-217.

[10] 林婧婧，申恩青，劉德祥.甘肅省近58年春旱的氣候特征及其對農(nóng)業(yè)的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28(1):233-236,242.

[11] 林婧婧，申恩青，劉德祥.甘肅省近58a春末夏初旱變化特征及其對夏糧的影響[J].干旱氣象，2012，30(1):77-80,99.

[12] 吳愛敏，郭江勇，王勁松.中國西北地區(qū)伏期干旱指數(shù)及干旱分析[J].干旱區(qū)研究，2007,24(2):227-233.

[13] 楊曉華，白虎志，周志鵬.甘肅省伏旱指數(shù)特征及多層遞階方法預(yù)測[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006,24(4):180-186.

[14] 姚小英，吳 麗，田廣旭，等.甘肅旱作區(qū)玉米近40年干旱影響評估[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015,29(5):192-196.

[15] 姚小英，張 強(qiáng)，王勁松，等.甘肅冬小麥主產(chǎn)區(qū)40年干旱變化特征及影響風(fēng)險(xiǎn)評估[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014,32(2):1-6，32.

[16] 方建剛，白愛娟，肖科麗，等.陜西伏旱氣候特征及成因分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009,27(2):28-34.