西北地區(qū)秋季降水量特征與小麥產(chǎn)量的關(guān)系分析

劉英 周忠文 邱寧剛 李巧霞

摘要：為了研究西北地區(qū)秋季降水空間分布特征和時間變化規(guī)律及與小麥產(chǎn)量的關(guān)系，利用EOF、REOF，對西北地區(qū)119個氣象站1961-2016年資料進行了分析。結(jié)果表明，西北地區(qū)秋季降水量具有明顯的空間差異，最少的是青海的冷湖氣象站，為0.9 mm，最多的是陜西的石泉氣象站，為270.0 mm。西北地區(qū)秋季降水量20世紀60、70、80年代和2001-2016年以增加為主，20世紀90年代以減少為主。西北秋季降水量可以分為6個氣候區(qū)，各代表站降水量演變表明，1960-1970年烏魯木齊、和田、格爾木多，其他代表站少。三階曲線演變表明烏魯木齊2005年以后減少，其他代表站增加。秋季降水量與來年小麥產(chǎn)量呈明顯正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：西北地區(qū);秋季降水量;氣候特征;小麥產(chǎn)量

中圖分類號：P463.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0041-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.008

中國西北地區(qū)地域遼闊，地形復(fù)雜，氣候上屬于干旱、半干旱氣候區(qū)，干旱少雨是該區(qū)域最重要的自然災(zāi)害。西北地區(qū)秋季（9-11月，下同）是冬小麥等越冬作物的播種時期，如果降水偏少，將會出現(xiàn)干旱，如果降水偏多，又容易出現(xiàn)秋季連陰雨，都嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。西北地區(qū)是中國水資源最貧乏和生態(tài)最脆弱的地區(qū)，近半個世紀以來，西北地區(qū)降水略有增加，不過增加的絕對值并不大，同時降水日數(shù)也趨于增多。從降水的年內(nèi)分布來看，西北地區(qū)秋季降水量和雨日大范圍減少，平均來講，中國大多數(shù)地區(qū)年內(nèi)降水的變化呈單峰型，在夏季出現(xiàn)最高值，秋季降水量一般多于春季，僅次于夏季，形成一個次高值，在水文上則表現(xiàn)為顯著的秋汛。綿綿秋雨帶來的陰雨寡照低溫天氣易對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成損失，對秋作物生長及夏糧收割、晾曬也會造成負面影響，可使已經(jīng)成熟的作物發(fā)芽霉?fàn)€，造成減產(chǎn)甚至絕收。如果持續(xù)時間長，還會導(dǎo)致山體裂縫、塌方等較嚴重的地質(zhì)災(zāi)害和洪澇災(zāi)害。

農(nóng)諺“你有萬擔(dān)糧，我有秋里墑”，可見秋季降水的多寡對西北地區(qū)冬小麥播種、出苗、保證苗全苗壯，對當(dāng)?shù)厍锛Z生長有著直接影響，豐沛的秋雨對收墑、蓄墑和來年抵御春早起著積極的作用。秋季降水對干旱和半干旱地區(qū)有著重要的作用。此外，秋汛可以對江河產(chǎn)流、水庫蓄水產(chǎn)生良好的作用。關(guān)于西北乃至西部的氣候問題，已有很多研究。白虎志等[1]2005年對中國的秋雨進行了氣候分區(qū)，認為目前又恢復(fù)了華西秋雨現(xiàn)象。郭江勇等[2，3]曾對西北東部春旱和河?xùn)|春季透雨進行過較細致的研究。還有學(xué)者[4-12]對西北地區(qū)春季和春末夏初降水的時空分布特征進行過細致分析。高飛翔等[13]分析了西北地區(qū)氣候變化及其對冬小麥產(chǎn)量的影響。張強等[14]認為秋季增溫使西北地區(qū)對冬小麥的播種期推遲了4-8 d，冬前生長發(fā)育速度推遲，春溫升高使冬小麥春初提前返青，生殖生長階段提早，全生育期縮短了6-9 d。張謀草等[15]進行了隴東地區(qū)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的分析，郝祺[16]開展了氣候變化對西北地區(qū)小麥生產(chǎn)影響的模擬研究，結(jié)果表明，近50年來，陜甘寧地區(qū)小麥生長期已出現(xiàn)了明顯的增溫現(xiàn)象，并伴隨日照時數(shù)和降雨日數(shù)的降低，小麥氣象產(chǎn)量因暖冬、陰濕寡照和后期高溫等呈下降趨勢。上述工作對分析氣候變化及其成因提供了一定依據(jù)，但西北地區(qū)秋季降水的分區(qū)和變化規(guī)律還需要進一步研究，為此利用1961-2016年119個氣象站的秋季降水資料，分析其年代際變化規(guī)律，為氣候預(yù)測提供依據(jù)。

1 資料與方法

西北地區(qū)119個氣象站1961-2016年的降水資料均來自中國氣象局蘭州干旱氣象研究所干旱共享數(shù)據(jù)庫，小麥產(chǎn)量因素來源于各省統(tǒng)計年鑒。

采用EOF和REOF分析氣象場空間分布特征;采用Morlet小波技術(shù)分析時間序列演變的多時間尺度特征;采用常用的相關(guān)系數(shù)分析，并進行相應(yīng)的顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 西北地區(qū)秋季降水的空間分布特征

利用1961-2016年西北地區(qū)119個氣象站的秋季降水資料，得出其平均分布如圖1所示。青海的冷湖氣象站最少，為0.9 mm，陜西的石泉氣象站最多，為270.0 mm。降水中心有3個，一個在陜西省的東南部.另一個在青海省的高原地區(qū)，第三個在新疆西北部的昭蘇，即其空間分布特征是東南部多，青海高原地區(qū)和新疆西北部多，其余地方為少雨區(qū)，這充分說明了西北地形的復(fù)雜性和多元性。東南部的濕舌向西北延伸到合作，再由合作延伸到托勒;河西西部的干舌一支南壓到定西附近，另一支南壓到格爾木，濕舌、干舌交替出現(xiàn)。東南部的降水中心主要是受副熱帶天氣系統(tǒng)的影響;合作延伸到托勒的相對濕舌是因為其位于青藏高原的背風(fēng)坡;青海西部、甘肅西部到新疆南部為寬廣的少雨區(qū)，是因為這些地方更深居內(nèi)陸，遠離海洋，同時受青藏高原的地形影響，降水稀少。到新疆西北部又出現(xiàn)了1個降水中心，是因為受西風(fēng)氣流、天山地形和北部河流、湖泊的影響，水汽輸送較好，降水也就較多。

2.2 西北地區(qū)秋季降水的氣候分區(qū)

采用EOF、REOF對1961-2016年西北地區(qū)119氣象站的秋季降水進行分解。由EOF的各特征向量（圖2）可以看出，第一特征向量新疆北部為負值區(qū)，其余為正值區(qū)，最大中心在蘭州，為1.2，反映了新疆北部與其余地方有相反的趨勢。第二特征向量新疆的塔城以北和西北的東南部為正值區(qū)，其余為大范圍的負值區(qū)，負值中心在阿克蘇和格爾木，分別為-0.6、-0.5.反映了新疆北部、西北東南部的一致性及與其余地方有相反的趨勢。第三特征向量新疆大部為正值區(qū)，最大中心在烏魯木齊，為1.0，其余基本為負值區(qū)，反映了新疆與西北其余地方具有相反的趨勢。第四特征向量格爾木以西為正值區(qū)，最大中心在和田，為0.6，格爾木以東為負值區(qū)，中心在馬鬃山，為-0.5，反映了西北地區(qū)秋季降水的東、西部具有相反的趨勢。第五特征向量反映了寧夏、青海南部、新疆西部的局地性。

由REOF的各載荷向量（圖3）可以看出，第一載荷向量北部為負，南部為正，最大中心在蘭州，為0.9，說明西北東南部是降水的敏感區(qū)，也是容易發(fā)生異常的地方，這里位于青藏高原東北側(cè)，是西北濕潤半濕潤的東南部向干旱少雨北部荒漠區(qū)過渡的地帶，降水變率大穩(wěn)定性小，也是最易出現(xiàn)降水異常的地區(qū)之一，而且降水異常對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響也十分巨大，因此，這里是典型的西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。第二載荷向量整個西北地區(qū)基本為負值區(qū)，中心在西南部的和田，為-0.8，這說明西北西南部也是降水的敏感區(qū)，是容易發(fā)生異常的地方。第三載荷向量整個西北地區(qū)也基本為負值區(qū)，中心在青海的西寧附近，為-1.0，說明西寧附近也是降水的敏感區(qū)，是容易發(fā)生異常的地方。第四載荷向量反映了東南部的敏感區(qū)。第五載荷向量反映了烏魯木齊的敏感區(qū)。由于西北地區(qū)地理環(huán)境極其復(fù)雜，因此不同區(qū)域之間的氣候差異也十分明顯，用REOF可較好地揭示出這種氣候上的差異性，得出該地區(qū)秋季幾個易出現(xiàn)降水異常的區(qū)域。

根據(jù)REOF前10個載荷向量的分布特征，可將西北地區(qū)秋季降水分為6個區(qū)，如圖4所示。①北疆區(qū)。包括新疆北部和甘肅省的酒泉西部，代表站為烏魯木齊。②南疆區(qū)。主要包括新疆南部，代表站為和田。③河西區(qū)。主要包括甘肅西部，代表站為張掖。④高原區(qū)。主要包括青海和甘肅的甘南，代表站為格爾木。⑤河?xùn)|區(qū)。主要包括甘肅東部、寧夏南部和陜西北部，代表站為西峰。⑥陜南區(qū)。主要包括陜西南部、甘肅南部，代表站為西安。

2.3 西北地區(qū)秋季降水的年際及年代際變化規(guī)律

利用1961-2016年西北地區(qū)119個氣象站的秋季降水資料，計算了站平均降水距平，由其時間演變曲線（圖5）可以看出，年際變化很明顯，最多的是1975年，為95.8 mm，最少的是1991年，為32.5 mm。1961-1965年降水減少，1966-1997年降水緩慢增加，尤其是1979-1997年增加明顯，從1998年開始略有減少。1962-1979年3年周期變化規(guī)律明顯，1979-1983年3年周期變化破壞，表現(xiàn)為2年振蕩變化，1983-1997年4年周期明顯;從1997年開始再次進入2年振蕩變化，可能處在一個過渡階段，從2001年開始有增加的趨勢，是西北地區(qū)秋季降水從旱段向多雨段變化的轉(zhuǎn)折點;1975年是一個突變年。

2.4 西北地區(qū)秋季降水與來年小麥產(chǎn)量的相關(guān)分析

秋季氣溫一般較低，土壤蒸發(fā)也較少，所以，秋季的有效降水對西北地區(qū)冬小麥越冬前積蓄底墑十分重要，充足的底墑不但對冬小麥的安全越冬有利，而且對抵抗來年的春旱也十分重要。所以秋季降水量的不斷減少對冬小麥的播種和出苗以及安全越冬和抵抗春旱都十分不利。

小麥是中國西北地區(qū)主要的糧食作物。西北地區(qū)的小麥播種面積約392萬hm2，占全國小麥面積的16%。西北五省（區(qū)）小麥播種面積占糧食播種面積的比例長期以來一直保持在40%-65%的水平。近年來，隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，小麥面積在糧食播種面積中的比例趨于下降。1982年，陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆小麥播種面積的比例分別為40.15%、51.46%、54.87%、43.27%和65.33%. 2007年分別下降為36.92%、36.55%、51.03%、27.29%和43.93%。西北地區(qū)既種植冬小麥，也種植春小麥。從種植比例來看，陜西幾乎全部種植冬小麥，而青海幾乎全部種植春小麥;在甘肅和新疆，冬小麥種植比例較大，春小麥比例較小;寧夏春小麥種植比例較大，冬小麥比例較小。據(jù)統(tǒng)計年降水量的系數(shù)為0.117，且在5%水平上顯著，表明年降水量增加1%，小麥產(chǎn)量能增長0.117%。

利用1961-2016年西北地區(qū)119個氣象站的秋季降水量與小麥產(chǎn)量資料，進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)秋季降水量與來年小麥的產(chǎn)量呈正相關(guān)，其中高原區(qū)相關(guān)性最明顯，通過0.05的顯著性檢驗，南疆地區(qū)次之，河西地區(qū)和北疆地區(qū)有正相關(guān)關(guān)系但不明顯。

3 小結(jié)與討論

1）西北地區(qū)秋季降水量分布具有明顯的空間差異，最少的是青海的冷湖氣象站，為0.9mm，最多的是陜西的石泉氣象站，為270.0 mm。通過EOF和REOF分析，西北地區(qū)秋季降水可以分為6個氣候區(qū)，秋季降水量與小麥產(chǎn)量呈正相關(guān)。

2）干旱缺水是制約西北地區(qū)小麥可持續(xù)發(fā)展的主要因素。西北地區(qū)東部屬于典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，有效灌溉面積很小，秋季降水對小麥蓄墑非常重要，它不僅影響冬小麥的出苗，而且會影響春季作物的播種[17]。宜選擇耐寒、耐旱的強冬性、冬性類型，抗?。l銹、黃矮、紅矮、全蝕、稈黑粉等?。沟狗?，抗青干，中早熟、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、品質(zhì)好的小麥品種。坡地種植還需要耐瘠。

3）通過分析西北地區(qū)小麥產(chǎn)量與秋季降水量的關(guān)系，對于充分利用氣候變化規(guī)律，趨利避害，調(diào)整農(nóng)作物布局有著重要的意義;播種前根據(jù)土壤墑情適時播種，墑情好，整地質(zhì)量高，在冬季高寒有大風(fēng)、積雪的地方，播種時保留溝壟;表墑欠佳的，整地粗糙，土塊大且多，要隨播隨鎮(zhèn)壓提墑，耱平保墑;坡地推廣山地水平溝種植法。

4）西北地區(qū)氣候干旱，水資源嚴重短缺，且水土資源不匹配，成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最突出的問題。土地廣闊的干旱地區(qū)，如新疆、青海北部、甘肅河西走廊、寧夏北部，降水量在200 mm以下，沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè);農(nóng)耕地集中的黃土高原地區(qū)，降水量多在400-500 mm，可進行雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，但降水集中，水土流失嚴重，水分對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)限制大;而陜南、隴南和青南山地，降水量雖在500 mm以上，但山大溝深耕地少，適宜從事農(nóng)耕生產(chǎn)的土地十分有限。通過興修梯田、條田、壩地，建設(shè)雨水集流工程，攔截、保蓄當(dāng)?shù)氐奶烊唤涤?，使有限的降水更好地在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。

5）西北地區(qū)地域?qū)拸V，東西氣候差異大，尤其冬小麥實際生育期有很大的差異性，秋季降水量的年際變化和成因是需要進一步研究解決的問題。在生態(tài)環(huán)境局部改善、整體惡化的情況下，西北地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展必須要把生態(tài)建設(shè)放在重要位置。

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基金項目：干旱氣象科學(xué)研究基金項目（IAM201811）;甘肅省氣象局科研項目（GSMACg2018-15）

作者簡介：劉英（1975-），女，甘肅西峰人，高級工程師，主要從事天氣預(yù)報及應(yīng)用氣象等研究，（電話）13909345296（電子信箱）gshx_ly@163.com;通信作者，周忠文（1974-），男，甘肅寧縣人，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究與服務(wù)工作，（電話）13909345296（電子信箱）gsznzzw@163.com。