1971—2016年河南省夏玉米生長季極端干旱時空特征

薛昌穎，張永濤，劉偉昌

(1.中國氣象局，河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，河南鄭州450003;2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南鄭州450003;3.河南省氣象局，河南鄭州450003)

伴隨著全球氣候變暖，近年來極端天氣、氣候事件的發(fā)生頻率和強度都在急劇增加，嚴(yán)重威脅人類的生存和社會的可持續(xù)發(fā)展［1］。極端干旱由于其更大的危害性而廣泛受到關(guān)注［2］。我國北方近500 a來極端干旱事件概率的變化與古里雅冰芯δ18O含量具有明顯的反相關(guān)關(guān)系［3］，在不同氣候區(qū)極端干旱變化趨勢不盡相同。東北和華北地區(qū)在1990s年代極端干旱頻率顯著增加［2］，但總體上華北地區(qū)和西北地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率呈下降趨勢［1，4］，西南地區(qū)發(fā)生頻率則呈增加趨勢，特別是進入 21 世紀(jì)后，增幅較大［5］。

極端氣候事件表征方法主要有兩種，一種是基于氣候變量的統(tǒng)計分布，另一種是采用極端氣候事件指數(shù)?；跉夂蜃兞拷y(tǒng)計分布的確定方法是由IPCC提出，即將特定區(qū)域在一段時間內(nèi)某一氣候變量(如溫度、降水)頻次分布＜10%的部分定義為極端氣候事件［6-7］，這一表征方法在研究單一的極端溫度或降水事件中應(yīng)用較多［8-9］。而干旱是由降水和溫度等多因素影響的氣象災(zāi)害，針對極端干旱的研究多采用指數(shù)的方法，目前應(yīng)用較多的主要有標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPEI)、帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)和地表濕潤指數(shù)等。PDSI是20世紀(jì)60年代提出的一種衡量干旱狀況的干旱指數(shù)，它所定義的干旱為在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)的水分供應(yīng)持續(xù)低于氣候上所期望的水分供給。劉珂等［10］、佘敦先等［11］應(yīng)用PDSI指數(shù)分別對中國夏季和冬季、黃河流域極端干旱特征進行了分析。SPEI綜合考慮了降水和蒸散過程，既考慮到了溫度對干旱趨勢變化的影響，同時具有多時間尺度、多空間比較的優(yōu)點，適于全球變暖背景下干旱特征的分析［12-13］，但在反映極端干旱發(fā)生情況方面，該指標(biāo)尚未被很好證實。地表濕潤指數(shù)是由Humle 等［14］提出，馬柱國等［2］首次將其用于極端干旱研究中。由于其綜合考慮了干旱問題中降水(入)和蒸發(fā)(出)兩個方面，能更加客觀全面地體現(xiàn)干旱的特征，因此，該指數(shù)在極端干旱研究中應(yīng)用較多，如前面提到的黃小燕［1］、劉文莉［4］和賀晉云［5］等分析西北、華北和西南地區(qū)的極端干旱氣候特征都是采用地表濕潤指數(shù)，此外郭佳香等［15］、王興梅等［16］應(yīng)用該指數(shù)分別分析了淮河上中游流域和石羊河流域的極端干旱特征。

河南省是黃淮海夏玉米種植面積最大的省份，其播種面積和總產(chǎn)量約占全國的20%，干旱一直是影響夏玉米生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，近年來呈現(xiàn)出干旱增多加重的趨勢，如2014年河南省遭遇了嚴(yán)重干旱，受災(zāi)面積達(dá)到180.93萬hm2，絕收面積達(dá)到20.38萬hm2。對該地區(qū)一般干旱發(fā)生規(guī)律和特點已有很多的研究報道［17-19］，目前針對農(nóng)作物生長季極端干旱發(fā)生趨勢的研究尚少。本文擬采用地表濕潤指數(shù)法，分析河南省夏玉米生長季內(nèi)極端干旱時空變化趨勢及特征，為該地區(qū)夏玉米生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供一定的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要是河南省各氣象臺站1971—2016年逐日氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)各臺站氣象資料的完整性，通過篩選確定84個站點逐日氣象數(shù)據(jù)包括降水、日照時數(shù)、平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均風(fēng)速、水汽壓等，均來源于河南省氣象局。數(shù)據(jù)主要用來計算各氣象站的日潛在蒸散量。

1.2 研究方法

本文選用能夠較好表征地表濕潤程度的濕潤指數(shù)來分析河南省夏玉米生長季內(nèi)極端干旱變化特征。河南省夏玉米一般在6月上旬播種，9月底收獲，據(jù)此，確定本文的分析時段為6—9月，共4個月份。首先利用逐日氣象資料，計算出各氣象站的日潛在蒸散量，然后分別統(tǒng)計6—9月各月的潛在蒸散量，并計算各月的月降水量，由月潛在蒸散量和月降水量計算出各月的濕潤指數(shù)H。將H的標(biāo)準(zhǔn)變化量≤-0.5的月份定義為極端干旱［2］，統(tǒng)計1971—2016年以來不同地區(qū)、不同月份極端干旱的發(fā)生情況。

月地表濕潤指數(shù)的計算方法為:

式中，H為月地表濕潤指數(shù);P為月降水量(mm);ET0為月潛在蒸散量(mm)。

潛在蒸散量采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)1998年修訂的Pemman-Monteith公式來計算:大量研究已表明，由于該模型機理性較強，計算的潛在蒸散量比較精確，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。ET0的計算公式為:

式中，ET0為潛在蒸散量(mm·d-1);Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1);G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1);γ為干濕球常數(shù)(kPa·℃-1);Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa·℃-1);U2為2 m高處的風(fēng)速(m·s-1);es為平均飽和水汽壓(kPa);ea為實際水汽壓(kPa);T為平均氣溫(℃)。

極端干旱頻數(shù):某年6—9月發(fā)生極端干旱的月份數(shù)，因此，本文中其最大值為4。

極端干旱站次百分比:某月份發(fā)生極端干旱的站點數(shù)占站點總數(shù)的百分比，以此來反映干旱發(fā)生的空間范圍。

極端干旱總次數(shù):某站1971—2016年6—9月發(fā)生極端干旱的總月份數(shù)。

周期分析:采用Morlet復(fù)小波分析來確定極端干旱發(fā)生頻率的變化周期［20］。小波變換系數(shù)的實部包含給定時間和尺度下，相對于其他時間和尺度的信號強度和位相兩方面信息，而小波方差能反映各種尺度的波動及其強弱隨尺度變化的特征。本文選用小波變換系數(shù)實部和方差兩個參數(shù)來反映極端干旱的變化周期。

采用Surfer 11.0軟件的Kriging對各站點要素數(shù)據(jù)進行空間插值，進行極端干旱變化的空間差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤指數(shù)時間變化

圖1為夏玉米季各月濕潤指數(shù)的年際變化情況。6—9月各月濕潤指數(shù)平均值分別為0.612、1.250、1.057和0.906，可見6月份是相對最干旱的月份，7月份則是最濕潤的月份。1971—2016年間，6月濕潤指數(shù)最低的3個年份分別是1988、1974、2013年，濕潤指數(shù)分別為0.081、0.219和0.261;7月濕潤指最低的3個年份分別是2014、2015、1971年，濕潤指數(shù)分別為0.417、0.546和0.590;8月份濕潤指數(shù)最低的3個年份分別是1997、2001、1978年，濕潤指數(shù)分別為0.272、0.363和0.411;9月份濕潤指數(shù)最低的3個年份分別是1998、1995、2001年，濕潤指數(shù)分別為0.129、0.156和0.192。而夏玉米生長季(6—9月)濕潤指數(shù)平均值最低的3個年份分別為1997、2013、1978 年，平均濕潤指數(shù)分別為 0.507、0.564和0.585。如果按6—8月的平均值計算，濕潤指數(shù)最低的3個年份分別為1997、1986、2014年，濕潤指數(shù)分別為0.436、0.554和0.592。2014年作為近年來夏玉米季最嚴(yán)重的干旱年份，其干旱時段主要集中在6月和7月，特別是7月份，是近46 a來濕潤指數(shù)最低的年份。4個月的濕潤指數(shù)均呈現(xiàn)出一定的升高趨勢，特別是9月份增加趨勢更明顯。

從濕潤指數(shù)年代際變化(圖2)中可以看出，6月份濕潤指數(shù)年代際間差異較小，相對比較穩(wěn)定;7月份2000s以前也相對穩(wěn)定，但在2000s和2010s波動較大，2000s濕潤指數(shù)高達(dá)1.592，而2010s顯著下降至0.877;8月和9月均呈現(xiàn)升降交替的年代際波動變化，8月在2010s年代是處于下降的階段，而9月則是處于升高的階段。

圖1 1971—2016年河南省夏玉米生長季(6—9月)濕潤指數(shù)年際變化Fig.1 Interannual variations of humid index in summer maize growing season(June-Sept.)in Henan Province during 1971-2016

2.2 極端干旱時間變化

2.2.1 極端干旱頻數(shù)年際變化 圖3為1971—2016年河南全省逐年極端干旱發(fā)生頻數(shù)的年際變化情況。1971年以來，河南省夏玉米生長季極端干旱發(fā)生頻數(shù)變化在年均0.08～2.15月之間，發(fā)生次數(shù)最多的年份是1971年，最少的年份是2005年。年際變化傾向率表現(xiàn)出微弱的下降趨勢，平均每10 a下降0.064月(表1)。

圖2 河南省夏玉米生長季各月濕潤指數(shù)年代際變化Fig.2 Interdecadal variations of humid index in summer maize growing season in Henan Province

圖3 1971—2016年河南省夏玉米生長季極端干旱發(fā)生頻數(shù)年際變化Fig.3 Interannual variations of frequency of extreme drought in summer maize growing season in Henan Province during 1971-2016

根據(jù)河南省不同地區(qū)生態(tài)氣候特點，劃分為豫北、豫西、豫東、豫中、豫南和豫西南5個地區(qū)，對比分析不同地區(qū)的極端干旱發(fā)生情況。從圖4可以看出，除豫南外，其他地區(qū)發(fā)生頻數(shù)最多的年份均是1971年，而豫南地區(qū)則是在1974年發(fā)生次數(shù)最多。從各地區(qū)發(fā)生次數(shù)的多年平均值看(表1)，豫南地區(qū)最高，平均值為1.097月·a-1;其次是豫中地區(qū)，平均值為0.786月·a-1;豫北地區(qū)最低，平均值為0.548月·a-1;豫西南、豫東和豫西分別為0.728、0.710月·a-1和0.683月·a-1。各地區(qū)均呈現(xiàn)一致的微弱下降趨勢，豫南的下降速度最快，平均每10 a下降0.12月;豫東地區(qū)次之，為0.118月·a-1;下降趨勢最小的是豫北和豫中，分別為0.034月·a-1和0.036月·a-1。通過比較變異系數(shù)可以反映出各地區(qū)極端干旱發(fā)生頻數(shù)的年際波動情況，從表1可知:變異系數(shù)最大的為豫西，其次是豫西南，而后依次為豫北、豫東、豫中和豫南，說明豫西地區(qū)極端干旱發(fā)生頻數(shù)在年際間變化最不穩(wěn)定，波動最大，相反豫南地區(qū)則波動最小。

2.2.2 極端干旱頻數(shù)年代際變化 從全省平均值看，極端干旱頻數(shù)年代際間呈現(xiàn)出“降-升-降-升”的變化趨勢(圖5):1970s最高，達(dá)0.92月·a-1，1980s降至0.65月·a-1，1990s又升高至0.79月·a-1;2000s又降至最低值0.53月·a-1，2010s回升至0.75月·a-1。分地區(qū)的變化趨勢與全省平均基本一致(除豫西南外)，均是呈現(xiàn)為“降-升-降-升”的變化過程，豫西南則是“降-降-升-降”的變化過程。各區(qū)域發(fā)生頻數(shù)最高的年代，除豫北外，其他地區(qū)均是1970s最高，豫北則是1990s最高;發(fā)生頻數(shù)最低的年代，豫西南在1990s，豫南在2010s，其他地區(qū)均在2000s。各個年代中，豫南的發(fā)生頻數(shù)均高于其他地區(qū)。

2.2.3 極端干旱站次百分比的年際變化 圖6統(tǒng)計了1971—2016年期間河南省夏玉米生長季的各月極端干旱站次百分比，可反映干旱發(fā)生的空間范圍。在4個月份中，6月和9月發(fā)生站次百分比明顯高于7月和8月。6月份平均發(fā)生站次百分比是28.0%，其中有8 a站次百分比在50%以上，1974年、1985年和1988年分別達(dá)到了95.2%、84.5%和86.9%，表明這幾年6月份發(fā)生了全省大范圍的干旱。7月份平均發(fā)生站次百分比為8.2%，僅1971年在 50%以上，達(dá)到 79.8%，其次是 2014年(41.7%)。8月份平均發(fā)生站次百分比為12.0%，1997年最高為59.5%，其次為 1971、1972年，2001年和2002年也較高，均在40%以上。9月份發(fā)生站次百分比平均為24.2%，有10 a在50%以上，高于6月份，而 1971年、1994年和1998年分別達(dá)到了90.5%、82.1%和95.2%。4個月份的站次百分比隨著年際變化均呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢，每10 a分別減少2.04%、1.73%、2.10%和0.45%，8月和6月的減少趨勢較9月和7月明顯。

表1 1971—2016年河南省及其分區(qū)域極端干旱發(fā)生頻數(shù)統(tǒng)計變量Table 1 Statistical variables for frequency of extreme drought in Henan Province and its sub regions in 1971-2016

圖4 1971—2016年河南省不同地區(qū)夏玉米生長季極端干旱發(fā)生頻數(shù)年際變化Fig.4 Interannual variations of frequency of extreme drought in summer maize growing season in different regions of Henan Province in 1971-2016

圖5 河南省不同地區(qū)夏玉米生長季極端干旱發(fā)生頻數(shù)年代際變化Fig.5 Interdecadal variations of frequency of extreme drought in summer maize growing season in different regions in 1971-2016

圖6 1971—2016年河南省夏玉米生長季極端干旱發(fā)生站次百分比年際變化Fig.6 Interannual variations of percentage of extreme drought stations in summer maize growing season in Henan Province in 1971-2016

2.2.4 極端干旱站次百分比的年代際變化 圖7反映了各月站次百分比的年代際變化情況。6月、7月和8月站次百分比最高的年代均是1970s，而9月份則是1990s最高。各個月份間并沒有呈現(xiàn)出一致的年代際變化趨勢，但總體上除8月份外，2010s相對于2000s均表現(xiàn)為回升的趨勢。6月份，從1970s至2000s逐漸下降，2000s相對于1970s的最高值下降了39%，而2010s有大幅回升，僅比1970s低4.2%;同樣，7月和9月，2010s相對于最高值僅分別降低5.4%和30.7%，表明夏玉米季的6、7月和9月近年來干旱的空間發(fā)生范圍又呈現(xiàn)出擴大的趨勢。8月份，2010s是站次百分比最低的年代，相對于1970s下降了64.5%。

2.3 極端干旱空間變化

2.3.1 1971—2016年極端干旱總次數(shù)空間分布

圖8為各站點夏玉米季在46 a中發(fā)生極端干旱的總次數(shù)分布情況?？偞螖?shù)最大值為62，出現(xiàn)在光山，最小值為18，出現(xiàn)在林州。空間上呈現(xiàn)為由南向北遞減的趨勢，信陽大部地區(qū)總次數(shù)在40以上;駐馬店、擴和、許昌、平頂山、南陽南部和周口東南部地區(qū)總次數(shù)在35～40之間，豫北以及豫西的三門峽、南陽西北部發(fā)生次數(shù)最少，在30以下;其他地區(qū)在30～35之間。

2.3.2 1971—2016年各月極端干旱發(fā)生次數(shù)空間分布 從各月極端干旱發(fā)生次數(shù)分布情況看(圖9)，6月和9月發(fā)生次數(shù)高于7月和8月，全省平均值分別為12.9和11.2，而7月和8月僅為3.8和5.5。6月份極端干旱次數(shù)的空間分布與其他月份也有所不同:發(fā)生次數(shù)最多的地區(qū)以中西部為主，主要分布在鄭州、平頂山、許昌以及洛陽等地，總次數(shù)在16次以上，其中郟縣最高(21次)，其次是鄭州(20次);南陽東南部、駐馬店和信陽東部以及豫北的局部地區(qū)發(fā)生次數(shù)最少，在10次以下;其他地區(qū)在10～16次之間。7月、8月和9月的空間分布大致都呈現(xiàn)為由南向北逐漸減少的趨勢，發(fā)生次數(shù)最多的地區(qū)主要在信陽及南陽等地，最大值分別為13、18和25，分別出現(xiàn)在信陽站、固始站和光山站;發(fā)生次數(shù)最少的地區(qū)主要分布在豫北、豫西和豫中大部地區(qū)。

2.4 極端干旱周期變化

圖10為1971—2016年河南全省及不同地區(qū)夏季極端干旱發(fā)生頻率的復(fù)值Morlet小波變換系數(shù)的實部與方差分布圖，通過兩者的結(jié)合來進行周期分析。全省范圍內(nèi)，極端干旱存在明顯的4～8 a周期變化，該周期在全省不同地區(qū)中均有體現(xiàn)。但不同地區(qū)間極端干旱發(fā)生周期也有所不同:豫東和豫西南存在3個周期，其他地區(qū)則均是2個周期;豫東地區(qū)的后2個周期分別為8～13 a和15～20 a，豫西南的后2個周期分別為11～15 a和21～25 a;豫北、豫西、豫中和豫南地區(qū)的次周期分別為16～20 a、11～15 a、17～21 a和 9～13 a。

圖7 河南省夏玉米生長季極端干旱發(fā)生站次百分比年代際變化Fig.7 Interdecadal variations of percentage of extreme drought stations in summer maize growing season in Henan Province in 1971-2016

圖8 1971—2016年河南省夏玉米生長季極端干旱總次數(shù)空間分布Fig.8 Spatial distribution of total number of extreme droughts in summer maize growing season in Henan Province from 1971 to 2016

圖9 1971—2016年河南省夏玉米生長季各月極端干旱發(fā)生次數(shù)空間分布Fig.9 Spatial distribution of total number of extreme droughts in each month(June-Sept.)in Henan Province from 1971 to 2016

3 討論與結(jié)論

本文采用地表濕潤指數(shù)對河南省夏玉米生長季的極端干旱特征進行了初步分析。從各月地表濕潤指數(shù)的年際變化分析可以看出，1971、1986、1997、2014年是近46 a中最為干旱的年份，2014年河南省干旱最嚴(yán)重的月份是7月份。利用標(biāo)準(zhǔn)化濕潤指數(shù)對極端干旱進行判識，2014年極端干旱主要發(fā)生在6月和7月，發(fā)生站次比例分別為26.2%和41.7%，8月和9月未達(dá)到極端干旱水平;1971年7月、8月和 9月達(dá)到極端干旱站點比例分別為79.8%、45.2%和90.5%，可見1971年干旱持續(xù)時間長，發(fā)生范圍也廣，2014年7月干旱程度歷史最重，但比1971年持續(xù)時間短，因此，從整個生長季看極端干旱發(fā)生頻數(shù)少于1971年，這些結(jié)論與歷史實際情況吻合［21］，表明地表濕潤指數(shù)能夠較好地反映出月尺度的極端干旱發(fā)生情況。

圖10 極端干旱發(fā)生頻率小波系數(shù)實部(左)和方差(右)Fig.10 Real(left)and variance(right)of wavelet coefficients for extreme drought

續(xù)圖10 極端干旱發(fā)生頻率小波系數(shù)實部(左)和方差(右)Continued fig.10 Real(left)and variance(right)of wavelet coefficients for extreme drought

在以往夏玉米生長季干旱問題的研究中［22-25］，專門針對極端干旱發(fā)生特征的分析較少。本文利用地表濕潤指數(shù)對河南省夏玉米季極端干旱發(fā)生的時空特征進行分析，得出以下主要結(jié)論:

1)近46 a來，河南省夏玉米季極端干旱發(fā)生頻數(shù)呈現(xiàn)微弱下降趨勢，與劉文莉等［4］分析的華北平原夏季極端干旱發(fā)生頻率年際變化趨勢一致。近46 a來，河南省夏玉米季極端干旱發(fā)生頻數(shù)在年均0.08～2.15月之間，發(fā)生頻數(shù)最多的年份是1971年，最少的年份是2005年;近10 a中，2009年和2013年也是極端干旱發(fā)生較多的年份;年代際變化以1970s最高，2000s最低，2010s年代呈現(xiàn)回升的趨勢。在各月份中，6月和9月極端干旱發(fā)生次數(shù)高于7月和8月。2)從極端干旱發(fā)生的空間范圍看，1971年以來，夏玉米生長季干旱發(fā)生總次數(shù)空間上呈現(xiàn)由南向北逐漸遞減的分布特征，但6月份的高值區(qū)則主要分布在豫中和豫西地區(qū)。6月和9月極端干旱發(fā)生站次百分比明顯高于7月和8月，且6、7月和9月的發(fā)生站次百分比在2010s呈現(xiàn)回升趨勢。

3)盡管極端干旱發(fā)生頻數(shù)年際變化呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，但無論發(fā)生頻數(shù)還是站次百分比在2010s均呈現(xiàn)回升的趨勢，而且6、7月和9月發(fā)生干旱的站次百分比仍然較高，這些都應(yīng)該引起玉米生產(chǎn)上的關(guān)注和重視。