忻州地區(qū)氣象干旱與農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評估研究①

何俊琦 韓志偉 陳 偉 趙俊杰 李彥萌

（1 山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 山西太原 030000；2 忻州市農(nóng)業(yè)局 山西忻州 034000）

山西省地處華北區(qū)域的黃土高原東部，是華北平原與黃土高原的過渡地帶，地形條件復(fù)雜多變，并以黃土為主要土壤類型，垂直節(jié)理發(fā)育較好，土壤水分易于下滲不易儲(chǔ)水蓄水。因此，降水的多寡對農(nóng)業(yè)旱情有至關(guān)重要的作用。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

全國氣象資料V3 數(shù)據(jù)集1951 ～2010 年忻州地區(qū)14 站每日20 時(shí)，24 h 降水量資料，前后記錄的總數(shù)值取平均值來填補(bǔ)，且每站缺測值統(tǒng)計(jì)不能≥5 d[1]。忻州市農(nóng)業(yè)局提供1951 ～2010 年間的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以中國氣象年鑒作為補(bǔ)充。一年中的定義系為11 月至次年10 月，冬半年的定義系為11 月至次年4 月。

1.2 研究方法

使用常用的時(shí)間、空間相關(guān)分析、干旱指數(shù)Z指數(shù)以及線性趨勢分析等方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。氣象干旱對農(nóng)業(yè)旱情出現(xiàn)的影響機(jī)制主要包括忻州地區(qū)降水的氣候變化特征及其規(guī)律，氣象干旱指數(shù)的選取，氣象干旱指數(shù)對農(nóng)業(yè)災(zāi)情的直接反饋，以及出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)定量化分析。

（1）以下為Z 指數(shù)計(jì)算公式。

（2）Aberson 提出的Skill Score 方法，主要用于評估某一物理量預(yù)報(bào)等級與實(shí)際觀測等級之間的吻合程度，本文將該方法用于評估農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)情等級與氣象干旱等級一致性的程度[2]。以下為skill score 的計(jì)算公式。

（3）農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)情事件的確定在農(nóng)業(yè)災(zāi)情百分率求取中，農(nóng)業(yè)受災(zāi)是由本年農(nóng)作物畝產(chǎn)數(shù)r 與歷年農(nóng)作物畝產(chǎn)數(shù)的3 年移動(dòng)平均數(shù)R 比較計(jì)算，且以年鑒記錄為補(bǔ)充記為確定性事件。當(dāng)r ＜R且-1.44 ＜Z ≤-0.84 時(shí)，判定該年是由氣象干旱輕旱引發(fā)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害，事件記為A 次；當(dāng)r ＜R且-1.96 ＜Z ≤-1.44 時(shí)，判定該年是由氣象干旱中旱引發(fā)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害，事件記為B 次；當(dāng)r ＜R且Z ≤-1.96 時(shí)，判定該年是由氣象干旱重旱引發(fā)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害，事件記為C 次。

2 研究內(nèi)容

2.1 氣候特征

忻州地區(qū)位于山西省北部，地形東西高、中間低。由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使境內(nèi)地貌重欒疊嶂、地形破碎、高差懸殊。全境總體海拔1 000 m 以上，最高的五臺(tái)山北臺(tái)葉斗峰為3 058 m，最低的定襄嶺子底村為600 m。因此該地區(qū)形成了獨(dú)特的氣候變化規(guī)律。

2.1.1降水時(shí)空間分布

忻州市年平均降水量從東向西遞減，大部分地區(qū)年降水量為300 ～530 mm，其中五臺(tái)縣降水量最多達(dá)530 mm，河曲縣降水量最少僅391 mm。忻州市平均年降水量428 mm，年降水量變化的時(shí)間序列分布見圖1。該市春季平均降水量為66 mm，夏季平均降水量為267 mm，占全年降水的62%以上，秋季平均降水量為86 mm，冬季平均降水量為8.5 mm，春、冬季降水量年際變化率較大。

圖1 忻州市年降水量變化的時(shí)間序列分布

2.1.2氣溫時(shí)空間分布

忻州市歷年平均溫度7.7 ℃，空間分布上溫差相對較小，均溫最高值9.8 ℃，均溫最低值5.4 ℃。1981 ～2010 年歷年溫度變化見圖2，從月均溫變化分析，1 月最冷，7 月最熱。

圖2 忻州市年均溫度變化的時(shí)間序列分布

2.2 適應(yīng)性氣象指數(shù)的求取

氣象干旱指標(biāo)多種多樣（表1），本文使用Z指數(shù)以及Pa 指數(shù)。

表1 干旱指數(shù)等級劃分

將忻州市農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)與相對應(yīng)年份的14 個(gè)氣象站點(diǎn)冬半年降水計(jì)算得出的氣象干旱指數(shù)Z、Pa組合的區(qū)域平均值序列（共計(jì)60 個(gè)樣本）做相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過0.1 的顯著性水平檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)為Z 指數(shù)大于Pa 指數(shù)。上述顯著性檢驗(yàn)中Z 指數(shù)較為典型，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.232，通過了0.1 顯著性水平，Pa 指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.213。1951 ～2010 年的相關(guān)系數(shù)顯示，忻州市Z 指數(shù)與農(nóng)業(yè)災(zāi)害的關(guān)系最密切，是該區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害較適應(yīng)的氣象干旱指數(shù)。

2.3 氣象干旱指數(shù)帶來的農(nóng)業(yè)災(zāi)損情況

降水與農(nóng)業(yè)災(zāi)損間的關(guān)系很難用直接的指標(biāo)來衡量，農(nóng)業(yè)災(zāi)害程度取決于前期降水累積量[3]。氣象干旱指數(shù)，系對前期降水累計(jì)量的有關(guān)統(tǒng)計(jì)，是表示氣象干旱發(fā)生與否的相關(guān)指標(biāo)，所以借用氣象干旱指數(shù)，可以研究降水和農(nóng)業(yè)災(zāi)損兩者之間的相互關(guān)系。在忻州市，有記錄農(nóng)業(yè)災(zāi)情與相應(yīng)的Z、Pa 指數(shù)的Skill Score 值，Z 指數(shù)和農(nóng)業(yè)災(zāi)損的Skill Score 值是0.276，是干旱系數(shù)中的最大值，因此，Z 指數(shù)對氣象干旱可能引發(fā)的農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害具有良好的指示性。

2.4 農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的定量化研究

用干旱指標(biāo)以及Skill Score 最大值，即以Z 指數(shù)對農(nóng)業(yè)災(zāi)情的反應(yīng)作為定量化研究基礎(chǔ)。忻州地區(qū)有十年九旱的氣候情況，1951 ～2010 年，有24年系記錄忻州市農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)生情況（圖3），其間大多農(nóng)業(yè)災(zāi)害損失是由氣象干旱災(zāi)害引發(fā)的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)造成的。根據(jù)無旱、輕旱、中旱、重旱等情況，忻州市分別引發(fā)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害的次數(shù)為5、12、4、3次，發(fā)生的概率為22%、50%、17%、11%。因此，由氣象干旱導(dǎo)致農(nóng)業(yè)災(zāi)害的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)比為78%。

圖3 忻州市農(nóng)作物畝產(chǎn)變化的時(shí)間分布情況

3 結(jié)論與討論

在忻州地區(qū)，通過相關(guān)、相似分析以及Skill Score 分析等不同檢驗(yàn)方法，得出氣象干旱指數(shù)與農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)情等情況，并能全面反應(yīng)關(guān)于該區(qū)氣象要素與農(nóng)業(yè)干旱的內(nèi)在和外在關(guān)系，且Z 指數(shù)對地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害存在可用的指示作用。通過研究代表站，得出忻州地區(qū)前期冬季氣象干旱與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害有較緊密的聯(lián)系，聯(lián)系百分比達(dá)到78%。由于資料的局限性，沒有使用Palmer 干旱指數(shù)、SPI 干旱指數(shù)以及CI 指數(shù)，有待日后繼續(xù)探析。

影響農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)生的因素很多，此文僅對地形、氣象等因素進(jìn)行分析，對人為因素考量較少。干旱指數(shù)只是作為參考，不夠精準(zhǔn)，即使適合該區(qū)域但不代表能完全精準(zhǔn)考量，因此要重點(diǎn)加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的預(yù)防研究。