1960-2019年天津市農(nóng)作物生長季的降水量與旱澇變化特征

朱建東， 李宏偉， 王鳳來， 吳鳴遠(yuǎn)

(1.天津市東麗區(qū)氣象局, 天津 300300； 2.天津市薊州區(qū)氣象局， 天津 301900； 3.天津市西青區(qū)氣象局, 天津 300380； 4.吉林省長白山氣象局, 吉林 長白山 134300)

氣候變暖[1-2]所帶來的極端氣象問題引起全社會的關(guān)注。干旱、大風(fēng)、冰雹、高溫和低溫冷害等極端天氣概率增加[3-5]，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食生產(chǎn)安全。所以，研究極端氣象災(zāi)害，掌握其發(fā)生變化規(guī)律，提高風(fēng)險防控能力，減輕災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的威脅，才能確保糧食生產(chǎn)的安全。自20世紀(jì)60年代以來，受全球氣候變化的影響，除西藏等極少數(shù)地區(qū)外，中國區(qū)域降水量呈逐漸減少趨勢[6-8]，致使干旱頻率和強(qiáng)度增加，干旱、半干旱面積呈擴(kuò)大趨勢[9-11]。王春乙等[12]研究表明，中國氣象災(zāi)害受災(zāi)面積高達(dá)40%，平均每年因干旱受災(zāi)面積在2 200萬km2以上，損失糧食約120億kg。干旱一直是我國所面臨的氣象災(zāi)害，中國北方地區(qū)半干旱區(qū)域擴(kuò)大，在未來40年極端干旱的頻率、干旱嚴(yán)重程度和延時干旱將更為明顯[13-14]。魏鳳英等[15-16]研究表明，東北地區(qū)較大范圍干旱總體呈明顯增加趨勢。李鵬程等[17-18]報道，天津市汛期降水量明顯減少，而非汛期變化平穩(wěn)。張麗艷等[19]研究表明，20世紀(jì)80年代以來，京津冀地區(qū)干旱范圍逐漸擴(kuò)大，干旱頻率逐漸增加。天津市地理從沿海向內(nèi)陸延伸，土地平整，耕地較多，為主要糧食產(chǎn)區(qū)之一。因此，研究農(nóng)作物生長季旱澇變化特征及其發(fā)生規(guī)律，對保證糧食安全意義重大。為此，選用Z指數(shù)作為氣象旱澇指標(biāo)[20]，分析天津市1960-2019年農(nóng)作物生長季及作物不同生長期旱澇變化特征，以期為天津市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的科學(xué)管理決策、適宜農(nóng)作物品種(系)選擇、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整及早期旱澇災(zāi)害預(yù)警與防治提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

氣象資料，1960-2019年天津市逐日平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、風(fēng)速、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和空氣相對濕度等完整連續(xù)氣候資料，由天津市東麗、薊州、西青、北辰、京南、靜海、和平、武清和寧河等9個氣象監(jiān)測站提供。

1.2方法

1.2.1農(nóng)作物生長階段的劃分天津市農(nóng)作物全生育期為4-10月，依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可將農(nóng)作物生長期分為苗期(4-5月)、旺長期(6-8月)和成熟期(9-10月)3個階段。分別對農(nóng)作物的3個生長階段及全生育期進(jìn)行旱澇變化特征研究。

1.2.2Z指數(shù)及其氣象旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1)Z指數(shù)。將非正態(tài)分布降水量(x)通過正態(tài)化處理后，使密度函數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布Z變量，Z變量序列可反映一個地區(qū)旱澇程度[21-22]，其轉(zhuǎn)換公式如下：

2)Z指數(shù)氣象旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。參照文獻(xiàn)[22-23]進(jìn)行劃分：1級為重澇，Z>1.654；2級為大澇，1.037

1.2.3一元線性回歸參照文獻(xiàn)[24]的方法，分析降水量和Z指數(shù)變化規(guī)律，采用一元線性方程y=ax+b表征變量的變化趨勢特征。一次項(xiàng)系數(shù)a可反映出降水量和Z指數(shù)歷年變化趨勢，也稱之為傾向率。y為降水量或Z指數(shù)變量，x為時間序列號(或氣象要素)，b為常數(shù)項(xiàng)。

1.2.4相關(guān)系數(shù)氣候要素間相互影響程度可用相關(guān)系數(shù)體現(xiàn)旱澇對氣候要素的響應(yīng)程度，參照文獻(xiàn)[24]的方法，采用下式進(jìn)行計(jì)算。

式中，r為相關(guān)系數(shù)，xi氣象要素、yi為旱澇指數(shù)，n為樣本數(shù)(n=60)。

2結(jié)果與分析

2.1農(nóng)作物不同生長階段及全生育期降水量的年際變化

從圖1看出，天津市農(nóng)作物苗期、旺長期、成熟期及全生育期降水量的年際變化特征。

2.1.1苗期農(nóng)作物苗期為4-5月，1960-2019年年均降水量為57 mm，該期降水量占年降水量的10.4%，且降水量較為離散。該期降水量1998年最多，達(dá)197 mm；2013年最少，僅12 mm，極差為185 mm，極比達(dá)16倍。該期降水量年際變化呈上升趨勢，傾向率為2.55 mm/10a，序列相關(guān)性不顯著(P>0.05)，線性增加降水15 mm。苗期降水上升趨勢與1998年的峰值有直接關(guān)系。峰值前(1960-1997年)降水量平均為54.0 mm，峰值后(1999-2019年)降水量平均為54.4 mm，峰值前后降水量相近。說明，1998年的降水量對年際降水量變化的作用較大。農(nóng)作物苗期降水標(biāo)準(zhǔn)偏差為±36 mm，說明天津市農(nóng)作物苗期正常降水量應(yīng)為21～93 mm。1960-2019年降水量偏多出現(xiàn)8 a，概率13.3%；降水量偏少出現(xiàn)5 a，概率8.3%。

2.1.2旺長期農(nóng)作物旺長期為6-8月，1960-2019年年均降水量為386 mm，該期降水量占年均降水量的70.2%，1977年前6-8月降水量離散度較大，1978年之后離散度變小。該期降水量最多和最少均出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，其中1969年最多，為748 mm；1968年最少，僅90 mm；極差為658 mm，極比約8.3倍。該期降水量年際變化呈下降趨勢，傾向率為-21.41 mm/10a，序列相關(guān)性達(dá)顯著水平(r=0.263，P<0.05)，線性減少128 mm。

農(nóng)作物旺長期降水標(biāo)準(zhǔn)偏差為±142 mm，說明天津市農(nóng)作物旺長期正常降水量應(yīng)為244～528 mm。1960-2019年降水量偏多出現(xiàn)10 a，概率16.7%；降水量偏少出現(xiàn)8 a，概率13.3%。

2.1.3成熟期農(nóng)作物成熟期為9-10月，1960—2019年年均降水量為77 mm，該期降水量占年均降水量的14.0%。且降水量較為離散。該期降水量2015年最多，達(dá)218 mm；1979年最少，僅6 mm；極差為202 mm，極比約14倍。該期降水量年際變化呈上升趨勢，傾向率為5.24 mm/10a，序列相關(guān)性不顯著(P>0.05)，線性增加降水31 mm。農(nóng)作物成熟期降水呈上升趨勢與2003年、2004年和2015年峰值有直接關(guān)系。農(nóng)作物成熟期降水標(biāo)準(zhǔn)偏差為±46 mm，說明天津市農(nóng)作物成熟期正常降水量應(yīng)為31～123 mm。1960-2019年降水量偏多出現(xiàn)8 a，概率13.3%；降水量偏少出現(xiàn)9 a，概率15.0%。

2.1.4全生育期農(nóng)作物全生育期為4-10月，1960-2019年年均降水量為519 mm，該期降水量占年均降水量的94.4%。1977年前降水量離散度較大，1978年后離散度變小，該期降水量最多和最少均出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，其中1969年最多，為890 mm；1968年最少，僅178 mm，極差為712 mm，極比約8.0倍。農(nóng)作物生長季降水量年際變化呈下降趨勢，傾向率為-13.63 mm/10a，序列相關(guān)性不顯著(P>0.05)，線性減少81 mm。農(nóng)作物全生育期降水標(biāo)準(zhǔn)偏差為±162 mm，說明天津市農(nóng)作物生長季正常降水量應(yīng)為357～681 mm。1960-2019年降水量偏多出現(xiàn)8 a，概率13.3%；降水量偏少出現(xiàn)10 a，概率16.7%。

2.2農(nóng)作物不同生長階段與全生育期旱澇指數(shù)的年際變化及其發(fā)生率

從圖2及表1看出，天津市農(nóng)作物苗期、旺長期、成熟期和全生育期Z指數(shù)的年際變化及旱澇等級發(fā)生頻率的差異。

2.2.1苗期農(nóng)作物苗期旱澇指數(shù)呈上升趨勢，向濕澇化方向發(fā)展，Z指數(shù)傾向率為0.078/10a，1960-2019年線性增加0.47，在正常等級范圍內(nèi)向澇偏移約0.25個等級。農(nóng)作物苗期(4-5月)大澇和重澇發(fā)生概率合計(jì)為13.3%，分別為3.3%和10.0%。其中，重澇2 a，分別是1987年和1998年；大澇6 a，分別是1964年、1983年、1984年、1990年、1995年和2015年；2000年前大澇致重澇發(fā)生概率為11.7%，2000年后致澇概率減小。大旱及重旱發(fā)生概率合計(jì)為15.0%，分別為8.3%和6.7%。其中，重旱4 a，分別是1964年、1993年、2001年和2013年；大旱5 a，分別是1960年、1976年、1989年、1996年和2017年，大旱至重旱20世紀(jì)80年代后發(fā)生概率占10.0%，從20世紀(jì)80年代后致旱頻率增大。

2.2.2旺長期農(nóng)作物旺長期旱澇指數(shù)呈下降趨勢，向干旱方向發(fā)展。Z指數(shù)傾向率為-0.130/10a，1960-2019年線性減少0.78，在正常等級范圍內(nèi)向旱偏移約0.5個等級。農(nóng)作物旺長期(6-8月)大澇和重澇發(fā)生概率合計(jì)為16.7%，分別為5.0%和11.7%。其中，重澇3 a，分別是1966年、1969年和1977年；大澇7 a，分別是1961年、1964年、1967年、1973年、1975年、1998年和2012年；大澇至重澇在20世紀(jì)80年代前發(fā)生概率占13.3%，在20世紀(jì)80年代之后至澇頻率在減小。大旱、重旱發(fā)生概率合計(jì)為13.4%，分別為11.7%和1.7%。其中，重旱1 a，為1968年；大旱7 a，分別是1963年、1972年、1983年、1989年、1997年、2002年和2013年，大旱至重旱20世紀(jì)80年代后發(fā)生概率8.3%，致旱頻率增大。

表1 1960-2019年農(nóng)作物不同生長階段各旱澇等級的發(fā)生頻率

2.2.3成熟期農(nóng)作物成熟期旱澇指數(shù)呈上升趨勢，向濕澇化方向發(fā)展，Z指數(shù)傾向率為0.111/10a，1960-2019年線性增加0.67，在正常等級范圍內(nèi)向澇偏移約0.4個等級。農(nóng)作物成熟期(9-10月)大澇和重澇發(fā)生概率合計(jì)為15.0%，分別為8.3%和6.7%。其中，重澇5 a，分別是1964年、1991年、2003年、2004年和2015年；大澇4 a，分別是1973年、1988年、2007年和2008年，大澇至重澇20世紀(jì)80年代后發(fā)生概率為11.7%，致澇概率增大。大旱和重旱發(fā)生概率合計(jì)為18.4%，分別為16.7%和1.7%。其中，重旱1 a，為1979年；大旱10 a，分別是1963年、1965年、1966年、1967年、1975年、1979年、1981年、1984年、1987年和2006年，大旱至重旱主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代前，之后發(fā)生概率占6.7%，2000年僅1.7%，近年來致旱頻率逐漸減小。

2.2.4全生育期農(nóng)作物全生育期(4—10月)旱澇指數(shù)呈下降趨勢，向干旱化方向發(fā)展，Z指數(shù)傾向率為-0.027/10a，1960—2019年線性減小0.162，在正常等級范圍內(nèi)向干旱偏移約0.10個等級。農(nóng)作物生長季Z指數(shù)變化為-0.842

2.3農(nóng)作物不同生長階段氣象要素的變化及其與Z指數(shù)的相關(guān)性

2.3.1氣象要素的變化從表2看出，近60年來，天津市農(nóng)作物苗期、旺長期、成熟期和全生育期氣象要素呈不同的變化規(guī)律。氣溫：作物各生長階段及全生育期均呈極顯著上升趨勢，傾向率為0.316～0.488℃/10a，氣候呈逐漸變暖趨勢。降水量：作物苗期和成熟期呈上升趨勢，旺長期則呈顯著下降趨勢，全生育期呈下降趨勢，傾向率為-21.413～5.238 mm/10a。日照時數(shù)：除苗期為顯著下降趨勢，其余各生長階段及全生育期均呈極顯著下降趨勢，傾向率為-47.344～-6.995 h/10a。風(fēng)速及相對濕度：作物各生長階段及全生育期均呈極顯著下降趨勢，傾向率分別為-0.355～-0.168 m/(s·10a)和-1.749%～-1.453%/10a。蒸發(fā)量：苗期及全生育期呈極顯著下降趨勢，旺長期和成熟期呈下降趨勢，傾向率為-15.868～-1.968 mm/10a。

表2 1960-2019年天津市農(nóng)作物不同生長階段的氣候要素傾向率

2.3.2Z指數(shù)與氣候要素的相關(guān)性在氣候變暖影響下，關(guān)鍵氣象要素的變化將直接或間接影響一個地區(qū)甚至更大范圍干旱程度。從表3看出，作物各生長階段及全生育期Z指數(shù)與氣溫及風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)，與蒸發(fā)量呈極顯著負(fù)相關(guān)；旺長期及全生育期Z指數(shù)與日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)，苗期及成熟期Z指數(shù)與日照時數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；成熟期Z指數(shù)與相對濕度呈正相關(guān)，苗期、旺長期和全生育期Z指數(shù)與相對濕度呈極顯著正相關(guān)。表明，天津市農(nóng)作物生長季隨著氣溫升高、降水量減少、日照時數(shù)增多、風(fēng)速加大、蒸發(fā)量增加和空氣濕度的減小Z指數(shù)呈下降趨勢，趨向于干旱化；而旱澇程度對日照時數(shù)、蒸發(fā)量和空氣相對濕度3個氣象要素的變化最敏感。

表3 1960-2019年天津市農(nóng)作物不同生長階段Z指數(shù)與氣候要素的相關(guān)性

3結(jié)論與討論

1960-2019年天津市農(nóng)作物全生育期(4-10月)降水總量呈減少趨勢，而苗期(4-5月)和成熟期(9-10月)則呈增加趨勢，旺長期(6-8月)降水量呈顯著減少趨勢，與李鵬程等[17-18]的研究結(jié)果一致。全生育期(4-10月)旱澇指數(shù)呈減小趨勢，向干旱偏移；其中，農(nóng)作物旺長期向干旱偏移最為明顯，苗期和成熟期則向偏濕潤偏移。農(nóng)作物不同生育階段旱澇程度存在差異，其中，苗期大澇及重澇主要發(fā)生在2000年前，大旱及重旱主要發(fā)生在1980年后；旺長期大澇及重澇主要發(fā)生在1980年前，大旱及重旱主要發(fā)生在1980年后；成熟期大澇及重澇主要發(fā)生在1980年后，大旱及重旱主要發(fā)生在1980年前。

天津市農(nóng)作物生長季隨著氣溫升高、降水量減少、日照時數(shù)增多、風(fēng)速加大、蒸發(fā)量增加和空氣濕度的減小Z指數(shù)呈下降趨勢，趨向于干旱化；而旱澇程度對日照時數(shù)、蒸發(fā)量和空氣相對濕度3個氣象要素的變化最敏感。

參照方宏陽等[3,20-23]研究成果，選用Z指數(shù)和旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究1960-2019年天津市農(nóng)作物生長季的降水量與旱澇變化特征，其結(jié)果與歷史記載旱澇發(fā)生狀況基本吻合，真實(shí)地反應(yīng)了天津市旱澇變化特征和發(fā)生頻率。其中，農(nóng)作物苗期和成熟期干旱較農(nóng)作物旺長期嚴(yán)重，農(nóng)作物旺長期濕澇較苗期和成熟期突出。研究結(jié)果可為天津市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的科學(xué)管理決策、適宜農(nóng)作物品種(系)選擇、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、早期旱澇災(zāi)害預(yù)警與防治提供科學(xué)依據(jù)。氣候變暖使天津市春季和秋季干旱頻率明顯增加，影響旱澇的因素還有待于進(jìn)一步深入研究。