寧夏中部農(nóng)作物生育期有效降水量時(shí)空變化特征研究

馬 忠 明

(寧夏秦漢渠管理處，銀川 750004)

當(dāng)前，全球氣候變暖已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)[1]，施雅風(fēng)院士提出了中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的推測(cè)[2]，20世紀(jì)80年代以后，西北地區(qū)東部的降水明顯減少[3]，騰格里沙漠邊緣沙坡頭地區(qū)的降水特征顯示當(dāng)?shù)貧夂蜈呌诟珊祷痆4]；河套地區(qū)西北部和東南部降水分別以2%/(10 a)和3%/(10 a)的速度減少[5]。而對(duì)于西北地區(qū)，尤其是農(nóng)業(yè)種植區(qū)，降水的豐枯變化、時(shí)空分布及其異質(zhì)性特征，對(duì)于作物的生長及農(nóng)業(yè)灌溉管理影響巨大。全國超過60%的地區(qū)冬小麥生育期的氣候呈冷干化趨勢(shì)，未來夏玉米和冬小麥的總生育期歷時(shí)最大的縮短趨勢(shì)達(dá)0.13 d/(a)[6]。西北地區(qū)東部可利用水資源量呈減少趨勢(shì)，干旱頻繁發(fā)生，對(duì)農(nóng)業(yè)的負(fù)面影響增大[7]。甘肅省年降水量、越冬作物生育期、春秋季作物生育期降水量時(shí)空變化明顯，黃河以東地區(qū)氣候暖干化趨勢(shì)加快，可利用水資源更加緊缺[8]。宋揚(yáng)[9]等利用CROPWAT模型分析涇惠渠灌區(qū)冬小麥和玉米蒸發(fā)蒸騰量，認(rèn)為灌區(qū)作物需水量與氣溫呈正相關(guān)，與降水呈負(fù)相關(guān)。劉學(xué)軍[10]等在寧夏揚(yáng)黃限額灌溉區(qū)開展了降水資源就地高效利用技術(shù)集成研究。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于有效降水量的計(jì)算方法[11-14]進(jìn)行了大量的研究，并對(duì)計(jì)算模式的適應(yīng)性及結(jié)果的可靠性以及降水的有效轉(zhuǎn)化率[15]進(jìn)行了分析，Mohan[16]、張波[17]等利用不同方法計(jì)算了水稻生育期內(nèi)的有效降水量并分析了其與需水量的關(guān)系，劉占東通過模擬分析了冬小麥生育期內(nèi)降水與有效降水的關(guān)系及其變化趨勢(shì)[18]，朱梅[19]利用蒸滲儀以夏玉米和小麥為對(duì)象進(jìn)行了不同降水強(qiáng)度不同生育期內(nèi)的有效降水量變化特征。上述工作對(duì)西北地區(qū)氣候變化尤其是降水時(shí)空變異性特征做出了有益的探討，但是對(duì)于降水的變化尤其是與作物生長密切相關(guān)的生育期內(nèi)降水與可利用降水量的變化研究較少。因此，開展干旱區(qū)作物生育期降水的時(shí)空變化及其未來趨勢(shì)研究，對(duì)認(rèn)識(shí)降水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征，提高農(nóng)作物種植應(yīng)對(duì)降水豐枯變化的能力，科學(xué)利用有限的水資源都具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

寧夏地處我國西北內(nèi)陸，疆域南北狹長，相距465 km，東西相距45～250 km，國土面積6.64 萬km2。氣候干旱少雨，自北向南降水量約為179～800 mm，多年平均289 mm。年徑流深由南部六盤山區(qū)東南側(cè)的300 mm，向北遞減至引黃灌區(qū)不足3 mm，全區(qū)多年平均年徑流量9.493 億m3，平均年徑流深18.3 mm，是黃河流域平均值的1/3，是中國均值的1/15。平均年水面蒸發(fā)量1 250 mm，變幅在800～1 600 mm之間。寧夏國土面積的3/4屬于干旱半干旱地區(qū)，人均水資源量190 m3，是全國平均值的1/12，耕地占有水資源量900 m3/hm2，是全平均值的1/28。寧夏中部主要指降水量200～400 mm的干旱區(qū)，包括紅寺堡、同心縣、鹽池縣及海原縣全部，以及中衛(wèi)市、中寧縣及吳忠市利通區(qū)等地市的山區(qū)部分，總面積為3.51 萬km2，占寧夏總面積的52.8%。寧夏中部干旱帶地處黃土高原和鄂爾多斯臺(tái)地東部，地勢(shì)南高北低，南部以黃土丘陵溝壑區(qū)為主，北部為丘陵臺(tái)地，海拔在1 300～2 400 m，地面覆蓋率不足20%，生態(tài)環(huán)境極為惡劣。當(dāng)?shù)赜忻黠@的大陸性氣候特征，降水主要集中在7-9月，占全年降水量的60%～70%。平均水面蒸發(fā)量1 210～1 600 mm，干旱指數(shù)4～8之間，多年平均氣溫6.3 ℃，日照時(shí)數(shù)2 750～3 000 h。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

在研究區(qū)內(nèi)選取位于寧夏中部的紅寺堡、鹽池、同心及海原等4個(gè)國家基準(zhǔn)站，并收集各站點(diǎn)1954年1月1日-2016年12月31日的日降水資料，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性、代表性分析，對(duì)于部分站點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)，采用克里金插值進(jìn)行插補(bǔ)處理。統(tǒng)計(jì)各年份作物生育期(4-10月)的日降水，當(dāng)次降水量(P)為5 mm

表1 寧夏中部地區(qū)主要?dú)庀笳军c(diǎn)信息Tab.1 Information on weather stations in the middle part of Ningxia

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析

小波分析是用一族頻率不同的振蕩函數(shù)作為窗口函數(shù)φ(t)對(duì)信號(hào)f(t)進(jìn)行掃描和平移。時(shí)間序列f(kΔt)(k=1,2,…,N；Δt為取樣時(shí)間間隔)的小波變換為式(1)。本文采用Morlet小波[21]，小波變換系數(shù)表示為式(2)。將時(shí)間域上關(guān)于a的所有小波變換系數(shù)的平方進(jìn)行積分即為小波方差，式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為時(shí)間因子，反映時(shí)間平移；Wf(a,b)稱為小波變換系數(shù)，常數(shù)c=6.2。

2.2.2 M-K秩次相關(guān)法

對(duì)序列趨勢(shì)變化的定量分析，本文采用Mann-Kendall的秩次相關(guān)法[22]。其基本原理是：對(duì)時(shí)間序列P(i=1，2,…,n)，其任意對(duì)偶值(Pi，Pj,j>i)，如果Pi>Pj，則序列絕對(duì)上升，反之，則絕對(duì)下降．如序列不是單調(diào)上升或下降，則有：

(4)

(5)

(6)

式中：f為對(duì)偶值呈增長趨勢(shì)的對(duì)數(shù)。若m>0，則序列呈上升趨勢(shì)，反之，則呈下降趨勢(shì)。m的絕對(duì)值越大，說明序列變化趨勢(shì)越顯著。對(duì)顯著水平α=0.05的臨界檢驗(yàn)值為±1.96。

2.2.3 氣候趨勢(shì)系數(shù)法

年降水系列是符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量。它的變化趨勢(shì)是指：隨著時(shí)間的推移，其數(shù)值的持續(xù)增減狀況。逐年時(shí)間是遞增序列，可看作自然數(shù)列1，2,…,n。n個(gè)時(shí)刻(年)的要素序列與自然數(shù)列1，2,…,n具有相關(guān)性，如果相關(guān)顯著，則表示該要素值氣候趨勢(shì)明顯，有增加(減少)趨勢(shì)[23]。要素與自然序列的相關(guān)系數(shù)可表示為：

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 寧夏中部農(nóng)作物生育期有效降水量年內(nèi)及年際變化特征

統(tǒng)計(jì)多年平均(1954-2016年)作物生育期內(nèi)(4-10月)的降水量及有效利用量(表2)，并分別繪制柱狀圖(圖1)。從空間分布看，有效降水量自北向南依次增大，由156.2 mm增大至268.7 mm，全區(qū)多年平均203.4 mm占4-10月份總降水量的75.25%。其中海原有效降水量最大為268.7 mm，占總降水量的74.69%，紅寺堡區(qū)全生育期均最小。從時(shí)間來看，各站點(diǎn)8月份有效降水量均最大，占總降水量的84.89%～88.16%，其次是7月份，4月份有效降水量最少7.9～12.2 mm，而10月份有效降水量占比最低，全區(qū)平均占比75.26%。有效降水量主要集中在7-9月，占統(tǒng)計(jì)期的66.7%。全區(qū)各月有效降水量范圍是10.6 mm(4月)～55.9 mm(8月)。

計(jì)算各典型站點(diǎn)有效降水量的統(tǒng)計(jì)參量(表3)，可知海原地區(qū)最大，多年平均為268.7 mm，最大值達(dá)到544.4 mm(1964年)；紅寺堡區(qū)最小，多年平均為156.2 mm，最小值為35.7 mm(1982年)，全區(qū)多年平均為203.4 mm，最大值432.0 mm(1964年)，最小值95.6 mm(1982年)。各地區(qū)年際變化程度相當(dāng)，變異系數(shù)變化范圍：0.31(海原)～0. 44(紅寺堡區(qū))，紅寺堡區(qū)年際變化最大極值比達(dá)12.37。全區(qū)變異系數(shù)為0.32，極值比為4.52。

表2 寧夏中部農(nóng)作物生育期降水量及有效降水量變化特征表Tab.2 Variations of precipitation and effective precipitation during the growing season in the middle part of Ningxia

圖1 寧夏中部農(nóng)作物生育期有效降水量及總降水量年內(nèi)分配Fig.1 Distribution of effective precipitation and total precipitation during the growing season in central Ningxia

變量平均值/mm標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)最小值/mm中位數(shù)/mm最大值/mm極值比偏度峰度鹽池200.275.90.3584.5211.4460.25.450.670.65紅寺堡156.268.10.4425.9153.5320.312.370.410.23同心188.575.20.3766.8199.6411.26.160.620.39海原268.788.80.31127.5268.2444.34.270.850.95中部干旱帶203.469.50.3295.6204.6432.24.520.720.63

3.2 寧夏中部農(nóng)作物生育期有效降水量年代際變化

分別計(jì)算各地區(qū)總降水量及有效降水量各年代的平均值及相對(duì)多年平均的距平值(表4)。從表4中可知寧夏中部干旱帶20世紀(jì)50-60年代屬于豐水期，正累積距平分別為100.6和238.7 mm，70年代是顯著的枯水期，負(fù)累積距平值達(dá)-226.1 mm，有效降水量顯著低于多年平均。80年代及90年代有小幅負(fù)距平，屬于一般年型，分別為-16.6和-28.1 mm。21世紀(jì)前十年是一個(gè)顯著的枯水年，累積距平達(dá)-178.1 mm，占年代平均值的89.9%。2010年以來，有效降水量有所增加，總降水量的變化過程與有效降水量的變化過程相似，2011-2016年累計(jì)正距平123.3 mm。

表4 寧夏中部有效降水量年代際變化特征Tab.4 Decadal variation characteristics of effective precipitation in central Ningxia

3.3 寧夏中部有效降水量周期分析

將寧夏中部干旱帶61 a(1954-2016年)有效降水量系列進(jìn)行中心化處理，并用Morlet小波進(jìn)行變換，分別取不同的a和b值計(jì)算小波變換的模平方和實(shí)部。繪制小波變換實(shí)部時(shí)頻分布(圖2)，從圖中可以看出有效降水量在整個(gè)研究時(shí)段均顯著存在3、6及10 a周期尺度；在20世紀(jì)50-60年代以及80年代末期與90年代中期以6 a主周期為主，70年代、80年代直至目前，主要以10 a振蕩周期為主，且正負(fù)位相交替出現(xiàn)。繪制小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程(圖3)，顯示3及6 a尺度的小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程，有效降水量豐枯變化較為頻繁。10 a尺度的小波變換實(shí)部變化過程相對(duì)平穩(wěn)，50年代中期至60年代末期，處于豐水時(shí)段，70年代以來有效降水量減少，且分別在1958年、1968年、1986年、1990年和2001年發(fā)生豐枯突變。綜上可知，在整個(gè)分析期內(nèi)，有效降水量系列存在3、6和10 a主周期，實(shí)際降水系列變化周期基本與有效降水量系列相似。

3.4 寧夏中部有效降水量變化趨勢(shì)分析

采用M-K秩次相關(guān)法及氣候趨勢(shì)系數(shù)法計(jì)算各分地區(qū)作物生育期內(nèi)(4-10月)有效降水量及總降水量增減趨勢(shì)的量度值及其趨向率(表5)。從表5中可知，各地未來有效降水量均呈減少趨勢(shì)，變幅為2.2～5.2 mm/(10 a)，紅寺堡區(qū)降幅最大，同心縣相對(duì)較小，全區(qū)的降幅為3.5 mm/(10 a)。4-10月份降水鹽池有增加趨勢(shì)，但不顯著(未通過P=0.05顯著性檢驗(yàn))，中部干旱帶全區(qū)總體節(jié)水呈顯著減少趨勢(shì)(通過P=0.05顯著性檢驗(yàn))。鹽池降水減幅最小為0.8 mm/(10 a)，海原減幅最大8.8 mm/(10 a)，中部干旱帶整體以5.3 mm/(10 a)在減少。

圖3 Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程Fig.3 The change process of real-plural of Morlet wavelet transform coefficient

4 結(jié)論與分析

依據(jù)寧夏中部干旱帶境內(nèi)典型站點(diǎn)1954-2016年計(jì)61 a的日降水資料，按照規(guī)范要求整理了4-10月作物生育期內(nèi)的有效降水量，結(jié)合Morlet小波分析，Mann-kendell秩次相關(guān)法及氣候趨勢(shì)系數(shù)法等方法，分析了寧夏中部干旱帶有效降水量的多時(shí)間尺度變化特征及其未來趨勢(shì)，結(jié)果認(rèn)為寧夏中部農(nóng)作物生育期有效降水量自北向南依次增大，由156.2 mm增大至268.7 mm，全區(qū)多年平均216 mm，占總降水量的75.25%。8月份的有效降水量最大占總降水量的84.89%～88.16%，全區(qū)變異系數(shù)為0.32，極值比相對(duì)較小為4.52。20世紀(jì)50-60年代屬于豐水期，正累積距平分別為100.6和238.7 mm，70年代是顯著的枯水期，2010年以來，有效降水量有所增加。

表5 寧夏中部有效降水量變化趨勢(shì)及其趨向率Tab.5 Analysis of trends and the ratio variation of effective precipitation in central Ningxia

分析認(rèn)為，寧夏中部干旱帶有效降水量在整個(gè)研究時(shí)段顯著存在3、6及10 a周期尺度，與已有研究結(jié)論[24]“近50年寧夏中部干旱區(qū)有效降水量主要存在5～7 a的周期,其次是2～3 a的周期”相近。且豐枯變化較為頻繁，且分別在1958年、1968年、1986年、1990年和2001年發(fā)生豐枯突變。各地未來有效降水量均呈減少趨勢(shì)，與張智[24]“近50年寧夏中部干旱區(qū)可利用降水量均呈減少趨勢(shì)”結(jié)論一致。利用趨勢(shì)系數(shù)分析法得出中部干旱帶有效降水量減幅為2.2～5.2 mm/(10 a)，紅寺堡區(qū)降幅最大，同心縣較小，全區(qū)降幅3.5 mm/(10 a)。中部干旱帶4-10月份總降水也呈顯著減少趨勢(shì)(通過P=0.05顯著性檢驗(yàn))，降水呈減少趨勢(shì)的概率為75%[25]，降幅為5.3 mm/(10 a)，其中鹽池降水減幅最小0.8 mm/(10 a)，海原減幅最大8.8 mm/(10 a)。

通過對(duì)寧夏中部干旱帶近60年來主要作物生育期(4-10月)內(nèi)的總降水及有效降水量的多時(shí)間尺度分析，探明當(dāng)?shù)亟邓衫昧康默F(xiàn)狀、豐枯變化周期及其未來趨勢(shì)與變化梯度，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植的合理灌溉及農(nóng)業(yè)水資源科學(xué)管理提供有益借鑒和科學(xué)指導(dǎo)。