基于GIS的邯鄲市干熱風(fēng)時空變化特征分析

薛 敏,杜亮亮

(河北省邯鄲市氣象局,河北 邯鄲 056001)

0 引言

干熱風(fēng)是在春末夏初由溫度高、濕度低和一定風(fēng)速導(dǎo)致大量蒸發(fā),破壞植物光合作用和植物水分平衡的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。邯鄲位于河北省最南部,是河北小麥主產(chǎn)區(qū)之一,邯鄲市冬小麥灌漿盛期在每年的5月中旬到6月上旬。當(dāng)干熱風(fēng)發(fā)生時,濕度明顯下降,溫度明顯上升,并伴有一定風(fēng)力,使植物蒸騰作用加劇,根系的吸水不足,往往使冬小麥灌漿不足,秕粒情況嚴(yán)重,甚至枯萎死亡。在此階段出現(xiàn)的干熱風(fēng)對小麥籽粒增重有很大的影響,研究表明,在干熱風(fēng)輕度發(fā)生的情況下減產(chǎn)10%左右,在重度發(fā)生的情況下減產(chǎn)20%以上[1]。

對于干熱風(fēng)災(zāi)害,在20世紀(jì)20年代國外就開始了對其成因、指標(biāo)、防御措施、時空分布等進(jìn)行了研究。我國自建國開始至1975年開展了冬小麥干熱風(fēng)災(zāi)害防御田間試驗,所得結(jié)論用來指導(dǎo)農(nóng)民生產(chǎn)；1976～1985年為大發(fā)展期,1975年中國農(nóng)科院委托原華北農(nóng)業(yè)大學(xué)組成北方麥區(qū)干熱風(fēng)科研協(xié)作組,在20世紀(jì)80年代初,中央氣象局委托河南、甘肅、陜西省氣象局牽頭,組成了北方小麥干熱風(fēng)科研協(xié)作組,由河北、山東、新疆、山西、內(nèi)蒙古、寧夏、江蘇、天津、青海、安徽等省、市、自治區(qū)氣象局和內(nèi)蒙古農(nóng)科院參加,對干熱風(fēng)災(zāi)害的氣象指標(biāo)、生理機(jī)制、天氣形勢、氣候特征以及防御措施等進(jìn)行了比較系統(tǒng)和全面的研究,及時為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供服務(wù),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。近年來,李紅忠等[3]研究了冬小麥單產(chǎn)與干熱風(fēng)發(fā)生次數(shù)的關(guān)系,得到商丘地區(qū)冬小麥單產(chǎn)與干熱風(fēng)的年均發(fā)生日數(shù)呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論;成林、張志紅等[4-5]通過實驗的方法研究了干熱風(fēng)對冬小麥籽粒灌漿速率及千粒重的影響以及對冬小麥生理的影響,結(jié)果表明干熱風(fēng)會導(dǎo)致冬小麥灌漿速率的下降,灌漿速率的降幅表現(xiàn)為灌漿中期>后期>前期,重度干熱風(fēng)>輕度干熱風(fēng),不同程度干熱風(fēng)對冬小麥不同時期生理機(jī)能的危害程度為灌漿中期>前期,重度干熱風(fēng)>輕度干熱風(fēng);朱建華、孔堅文等[6-9]研究了干熱風(fēng)的災(zāi)害區(qū)劃、風(fēng)險預(yù)警模型、冬小麥?zhǔn)転?zāi)風(fēng)險評估等;李思佳[10]以江蘇省冬小麥為例,基于災(zāi)害風(fēng)險分析設(shè)計了氣象指數(shù)保險產(chǎn)品;成林等[11]利用河南省118個觀測站的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了冬小麥高溫低濕型干熱風(fēng)災(zāi)害的發(fā)生頻率、成災(zāi)范圍等的變化,發(fā)現(xiàn)與干熱風(fēng)密切相關(guān)的14:00時風(fēng)速明顯減小;尤鳳春、趙俊芳等[12-16]分別對河北省、青海省、河南省、黃淮海地區(qū)和華北平原的干熱風(fēng)的時空分布進(jìn)行了分析,冬小麥干熱風(fēng)災(zāi)害的變化趨勢總體表現(xiàn)為減少,且年際變化顯著,地區(qū)差異大;楊霏云等[17]構(gòu)建了冬小麥干熱風(fēng)發(fā)生的強(qiáng)度指標(biāo),反演了華北平原干熱風(fēng)的發(fā)生規(guī)律,發(fā)現(xiàn)河北中南部屬于干熱風(fēng)高發(fā)區(qū),河北東南部為干熱風(fēng)影響高風(fēng)險區(qū),而河北東部為干熱風(fēng)影響低風(fēng)險區(qū)。

干熱風(fēng)災(zāi)害對全球變暖的響應(yīng)比較敏感,在全球變暖的氣候背景下,研究邯鄲地區(qū)小麥干熱風(fēng)的時空變化特征,可以為當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物趨利避害、安全生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

利用1971～2010年邯鄲市16個氣象觀測站(圖1)的歷史觀測資料,選取5月中旬～6月上旬逐日氣象資料,采用中國氣象局2007年發(fā)布的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《小麥干熱風(fēng)災(zāi)害等級》[18](表1、表2),選用日最高氣溫、14:00時相對濕度和14:00時風(fēng)速三要素組合為分析依據(jù)。干熱風(fēng)日是指在小麥揚(yáng)花灌漿期間,某日內(nèi)實際觀測到的氣象要素組合達(dá)到干熱風(fēng)發(fā)生的條件要求。干熱風(fēng)天氣過程是指在小麥揚(yáng)花灌漿期間,一次天氣過程中出現(xiàn)1個或1個以上的干熱風(fēng)日。

圖1 邯鄲市16個氣象站點的位置

本研究所用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工具為Microsoft Office Excel電子表格軟件,所用的空間分析和制圖工具為美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(Environment System Research Institute, ESRI)開發(fā)的ArcGis的用戶桌面組件ArcMap。本研究主要利用Excel的排序、分列、填充和條件格式等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,利用篩選、數(shù)據(jù)透視表、公式和函數(shù)等進(jìn)行輕、重度干熱風(fēng)日數(shù)和干熱風(fēng)過程的統(tǒng)計分析。ArcMap具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)建庫、空間分析和地圖制作等功能,本研究主要利用其地圖制作和空間分析功能對輕、重度干熱風(fēng)日和干熱風(fēng)過程的空間分布進(jìn)行制圖和分析。技術(shù)路線見圖2。

2 干熱風(fēng)日數(shù)統(tǒng)計特征分析

2.1 輕度干熱風(fēng)的時間分布特征

邯鄲市輕度干熱風(fēng)發(fā)生的年平均日數(shù)為2.6 d,其中,發(fā)生日數(shù)最多的年份是1975年,為5.9 d；其次是1978年和2001年,分別為5.6 d和5.4 d；最少的年份是1984和1991年,均為0.4 d；輕度干熱風(fēng)每年都有出現(xiàn)(圖3a)。從輕度干熱風(fēng)發(fā)生的年平均日數(shù)的時間變化看,呈現(xiàn)兩邊高、中間低的形態(tài),且近幾年來呈現(xiàn)上升趨勢。從年代際來看,20世紀(jì)70年代輕度干熱風(fēng)發(fā)生的日數(shù)最多,總?cè)諗?shù)為38.1 d；80年代、90年代和本世紀(jì)前10年輕度干熱風(fēng)日數(shù)均少于20世紀(jì)70年代,總?cè)諗?shù)分別為20.2 d、18.2 d和28.2 d(圖3b)。從輕度干熱風(fēng)在5月中旬至6月上旬期間出現(xiàn)的時間分布來看,5月中旬出現(xiàn)的日數(shù)所占比例最低,為12%；其次是5月下旬,占比為38%；6月上旬出現(xiàn)的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的比例最大,為50%(圖3c)。

表1 邯鄲市適用的冬麥區(qū)干熱風(fēng)災(zāi)害等級指標(biāo)

表2 干熱風(fēng)天氣過程等級指標(biāo)

圖2 技術(shù)路線圖

2.2 輕度干熱風(fēng)發(fā)生日數(shù)的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的空間分布特征圖(圖4)可以看出,輕度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)總趨勢是自西北到東南逐漸減少的,西部山區(qū)和山前平原地區(qū)輕度干熱風(fēng)發(fā)生日數(shù)較多,東部平原大部分地區(qū)輕度干熱風(fēng)發(fā)生日數(shù)較少。但極大值中心在邯鄲東北角的邱縣,為3.8 d；次大值出現(xiàn)在武安，為3.2 d；極小值出現(xiàn)在魏縣和磁縣，均為1.9 d。

2.3 重度干熱風(fēng)的時間分布特征

邯鄲市重度干熱風(fēng)發(fā)生的年平均日數(shù)為1.4 d,其中,發(fā)生日數(shù)最多的年份是1971年,為5.3 d；其次是1982年,為4.8 d；發(fā)生日數(shù)最少的年份是1991和2010年,這兩年均沒有重度干熱風(fēng)出現(xiàn)(圖5a)；上世紀(jì)70年代重度干熱風(fēng)發(fā)生的日數(shù)最多,為23.7 d；80年代、90年代和本世紀(jì)前10年重度干熱風(fēng)日數(shù)均少于70年代,分別為15.1 d、5.0 d和11.3 d,總體呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢(圖5b)。從重度干熱風(fēng)在5月中旬至6月上旬期間出現(xiàn)的時間分布來看,5月中旬出現(xiàn)的日數(shù)所占比例最低,僅為4%；其次是5月下旬,為29%；6月上旬出現(xiàn)的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的比例最大,為67%(圖5c)。

a:輕度干熱風(fēng)年平均日數(shù)的逐年變化趨勢; b:輕度干熱風(fēng)的年代際變化; c:輕度干熱風(fēng)發(fā)生日數(shù)的時間分布。圖3 輕度干熱風(fēng)的時間分布特征

圖4 1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的空間分布特征

與輕度干熱風(fēng)相比,從時間變化來看,均呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢,但重度干熱風(fēng)存在沒有出現(xiàn)的年份,而輕度干熱風(fēng)每年都有出現(xiàn),且重度干熱風(fēng)6月上旬發(fā)生的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的百分比大于輕度干熱風(fēng)。

2.4 重度干熱風(fēng)日數(shù)的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的空間分布特征圖(圖6)可以看出,受太行山地形造成的焚風(fēng)效應(yīng)影響,重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的變化趨勢與輕度干熱風(fēng)基本一致,自西北到東南逐漸減少。重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的極大值位于西部山區(qū)的武安,為2.1 d；次大值出現(xiàn)在肥鄉(xiāng)和邱縣,均為1.8 d;極小值出現(xiàn)在魏縣和磁縣,均為0.9 d。

2.5 干熱風(fēng)的周期分析

對1971～2007年邯鄲輕度和重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的周期性進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖7所示,圖7a、圖7b分別為邯鄲輕度和重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)在時間上的Morlet小波功率譜。填色區(qū)所包圍的區(qū)域通過了顯著性α=0.10水平下的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗。凸形曲線以內(nèi)高值區(qū)域為影響錐(coin of influence),在該曲線以外的功率譜由于受到邊界效應(yīng)的影響而不予考慮。

a:重度干熱風(fēng)年平均日數(shù)的逐年變化趨勢; b:重度干熱風(fēng)的年代際變化; c:重度干熱風(fēng)發(fā)生日數(shù)的時間分布。圖5 重度干熱風(fēng)的時間分布特征

從圖7a中可以清晰地看到，邯鄲輕度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)存在3.5年左右和2.0年左右的顯著性周期,其中3.5年左右的周期存在于20世紀(jì)70年代到80年代中期;2.0年左右周期存在于20世紀(jì)90年代末期到21世紀(jì)初。

邯鄲重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)在所研究的40年間主要存在2.0年和3.0年左右的顯著性周期,其中2.0年左右的周期存在于2005年以后,3.0年左右的周期存在于20世紀(jì)70年代到80年代中期(圖7b)。

圖7 輕度(a)和重度(b)干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的Morlet小波分析

3 干熱風(fēng)天氣過程的統(tǒng)計特征分析

3.1 輕度干熱風(fēng)天氣過程

邯鄲市輕度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的年平均次數(shù)為0.9次,其中,發(fā)生次數(shù)最多的年份是1975年,全市平均為2.1次;其次是1974年和1983年,均為1.9次；最少的年份是1987、1988、1991、1996和1998年,全市平均為0.1次；輕度干熱風(fēng)天氣過程每年都有出現(xiàn)(圖8a)。從輕度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的年平均次數(shù)的時間變化看,20世紀(jì)70年代至80年代中期發(fā)生次數(shù)較多,而發(fā)生次數(shù)最少的年代集中在80年代后期和90年代,進(jìn)入21世紀(jì)后輕度干熱風(fēng)天氣過程年平均發(fā)生次數(shù)較為穩(wěn)定,且大部分年份的發(fā)生次數(shù)少于平均水平。由圖8b可知,上世紀(jì)70年代輕度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的次數(shù)最多,為14.4次；80年代、90年代和本世紀(jì)前10年輕度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的次數(shù)均少于70年代,分別為8.2次、6.8次和7.9次。從輕度干熱風(fēng)天氣過程在5月中旬至6月上旬期間出現(xiàn)的時間分布來看,5月中旬出現(xiàn)的次數(shù)所占比例最低,為6%；其次是5月下旬,占比為35%；6月上旬出現(xiàn)的次數(shù)占總次數(shù)的比例最大,為59%(圖8c)。

a:輕度干熱風(fēng)天氣過程年平均發(fā)生次數(shù)的逐年變化趨勢; b:輕度干熱風(fēng)天氣過程的年代際變化; c:輕度干熱風(fēng)天氣過程的時間分布。圖8 輕度干熱風(fēng)天氣過程的時間分布特征

3.2 輕度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風(fēng)過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征圖(圖9)可以看出,輕度干熱風(fēng)過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征是:北部多、南部少,期間邱縣、邯鄲、武安、涉縣、肥鄉(xiāng)和雞澤的總發(fā)生次數(shù)在40次以上,平均每年發(fā)生次數(shù)在1次以上；其他地區(qū)平均每年少于1次,以臨漳和魏縣最少,40年的總發(fā)生次數(shù)為28次,平均每年發(fā)生次數(shù)為0.7次,為極小值中心；極大值中心在邯鄲市東北角的邱縣,總發(fā)生次數(shù)為49次,平均每年發(fā)生次數(shù)為1.2次；次大值出現(xiàn)在邯鄲,總發(fā)生次數(shù)為48次。

3.3 重度干熱風(fēng)天氣過程

邯鄲市重度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的年平均次數(shù)為0.5次,其中,發(fā)生次數(shù)最多的年份是1978年,為1.6次；其次是1982年,為1.4次；在40年中有12年沒有重度干熱風(fēng)天氣過程出現(xiàn)；20世紀(jì)80年代中期至90年代重度干熱風(fēng)過程發(fā)生次數(shù)明顯較少(圖10a)。從年代際來看,上世紀(jì)70年代重度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的次數(shù)最多,為5.9次；90年代最少,為0.6次；80年代和本世紀(jì)前10年重度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的年平均次數(shù)分別為3.7次和3.5次(圖10b)。從重度干熱風(fēng)天氣過程在5月上旬至6月中旬期間出現(xiàn)的時間分布來看,5月上旬出現(xiàn)的次數(shù)所占比例最低,僅為1%；其次是5月中旬,為34%；6月上旬出現(xiàn)的次數(shù)占總次數(shù)的比例最大,為65%(圖10c)。與輕度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生次數(shù)對比,時間上均呈現(xiàn)70年代至80年代前期發(fā)生次數(shù)多,80年代中期至90年代發(fā)生次數(shù)最少的特點,但重度干熱風(fēng)天氣過程存在沒有出現(xiàn)的年份,而輕度干熱風(fēng)天氣過程每年都有出現(xiàn),且重度干熱風(fēng)天氣過程在6月上旬發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的百分比大于輕度干熱風(fēng)天氣過程。

圖9 1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風(fēng)過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征

a:重度干熱風(fēng)天氣過程年平均發(fā)生次數(shù)的逐年變化趨勢; b:重度干熱風(fēng)天氣過程的年代際變化; c:重度干熱風(fēng)天氣過程的時間分布。圖10 重度干熱風(fēng)天氣過程的時間分布特征

3.4 重度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥重度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征圖(圖11)可以看出,重度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征是:局部明顯偏多,其他地區(qū)分布較均勻。極大值中心位于武安,40年總發(fā)生次數(shù)為23次,平均每年發(fā)生次數(shù)為0.6次；次大值處于邱縣,總發(fā)生次數(shù)為20次,平均每年發(fā)生次數(shù)為0.5次。極小值中心位于魏縣和磁縣,總發(fā)生次數(shù)為8次,平均每年發(fā)生次數(shù)為0.2次；次大值出現(xiàn)在廣平和雞澤,總發(fā)生次數(shù)為9次。

圖11 1971～2010年邯鄲市冬小麥重度干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生次數(shù)的空間分布特征

4 結(jié)論

在時間分布上,邯鄲市輕、重干熱風(fēng)的年平均發(fā)生日數(shù)和干熱風(fēng)天氣過程的年發(fā)生次數(shù)具有一致性,整體呈中間低、兩頭高的趨勢,均呈從20世紀(jì)70年代到90年代逐漸減少,21世紀(jì)以后又開始增加的趨勢,且地區(qū)間差異都很顯著。邯鄲市在6月上旬的輕、重干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)和輕、重干熱風(fēng)天氣過程年發(fā)生次數(shù)均遠(yuǎn)大于在5月中下旬的,且重度干熱風(fēng)表現(xiàn)得更加明顯。從周期性來說,輕度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的變化存在3.5年和2.0年的周期,重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)的變化存在3.0年和2.0年的周期。

在空間分布上,邯鄲西部山區(qū)和山前平原地區(qū)干熱風(fēng)日數(shù)多于平原大部地區(qū),東南部災(zāi)害程度明顯輕于其他地區(qū)。邯鄲市重度干熱風(fēng)年平均發(fā)生日數(shù)較多的地方位于西部山區(qū)的武安和東北角的邱縣,分別為2.1 d和1.8 d,在這兩個地方重干熱風(fēng)天氣過程發(fā)生的次數(shù)也居前2位,平均每年發(fā)生次數(shù)分別為0.6次和0.5次。