隴東黃土高原氣象干旱特征分析及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

趙玉娟，張謀草，張洪芬，韓 晶，路亞奇

（慶陽(yáng)市氣象局，甘肅 慶陽(yáng)745000）

黨的十七大報(bào)告提出“建設(shè)生態(tài)文明”并作出具體部署，十八大報(bào)告指出“建設(shè)生態(tài)文明是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)大計(jì)”。然而生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)峻，極端氣候事件頻發(fā)，如高溫、暴雨洪澇、冰凍雨雪災(zāi)害、干旱災(zāi)害等，其中干旱災(zāi)害是最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，也是主要的自然災(zāi)害之一[1]。它是最復(fù)雜而且又被人們了解最少的自然災(zāi)害，對(duì)人類所造成的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它自然災(zāi)害[2]。近年來(lái)隨著氣候變暖，干旱災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等造成的影響越來(lái)越嚴(yán)重[3-4]。因此關(guān)于干旱事件的監(jiān)測(cè)、評(píng)估以及預(yù)測(cè)研究受到眾多學(xué)者的關(guān)注[5-7]。目前，大量研究集中在干旱指標(biāo)的對(duì)比分析方面[8-10]，也有學(xué)者從時(shí)間和空間方面研究干旱事件，如王春林等[11-13]對(duì)華南、華東、西北等地干旱災(zāi)害的時(shí)空特征進(jìn)行了分析研究，喬麗等[14-20]學(xué)者對(duì)陜西、貴州、粵西、烏魯木齊、滄州、華北、河北等地干旱分布特征進(jìn)行了探討，通過(guò)研究得到了很多有用的結(jié)論，但是從月、季、年不同時(shí)間尺度對(duì)氣象干旱時(shí)空特征的研究并沒(méi)有涉及，本文著重從不同時(shí)間尺度對(duì)隴東黃土高原氣象干旱的特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

隴東黃土高原屬典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，且地處我國(guó)生態(tài)環(huán)境脆弱帶，降水量時(shí)空分布不均，年際差異大，年內(nèi)分布不平衡[21]。近年來(lái)受全球氣候變暖影響以及水文、降水、氣象條件的制約，隴東黃土高原氣候向暖干轉(zhuǎn)型[22]，干旱災(zāi)害十分嚴(yán)重，這就要加強(qiáng)對(duì)氣象干旱災(zāi)害的診斷分析，提高干旱災(zāi)害的防治能力。已有一些學(xué)者對(duì)隴東黃土高原干旱災(zāi)害進(jìn)行了研究，如張紅妮等[23]研究了慶陽(yáng)市干旱風(fēng)險(xiǎn)的變化特征及區(qū)劃，郭江勇[24]對(duì)該地區(qū)春旱進(jìn)行了詳細(xì)的分析，王位泰[25]對(duì)該地區(qū)春末夏初旱的氣候特征及預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了研究。但是，對(duì)于氣象干旱時(shí)空分布特征及其對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)影響方面的研究較少。本文主要從時(shí)空分布方面對(duì)隴東黃土高原氣象干旱特征進(jìn)行研究，并探討其對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響，為干旱災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警及防治提供科學(xué)依據(jù)，以達(dá)到減少經(jīng)濟(jì)損失的目的。

1 資料來(lái)源和研究方法

1.1 資料來(lái)源

采用慶陽(yáng)市8個(gè)縣（區(qū)）氣象觀測(cè)站1989—2018年降水資料，并收集8個(gè)縣（區(qū)）30 a農(nóng)作物干旱災(zāi)情資料，資料來(lái)源于慶陽(yáng)市氣象局災(zāi)情資料庫(kù)及氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

氣象干旱是指持續(xù)的不正常的干燥天氣導(dǎo)致缺水，而引起的嚴(yán)重水文不平衡，其最明顯的特征是降雨量持續(xù)低于某一正常值。氣象干旱是由多方面綜合因素造成的結(jié)果，從不同的層面考慮有不同的監(jiān)測(cè)方法和指標(biāo)，評(píng)價(jià)氣象干旱的指標(biāo)同樣也是多樣的，但降水量對(duì)干旱的影響最為直接，能夠直觀地表現(xiàn)出干旱發(fā)生的強(qiáng)度，且計(jì)算方法簡(jiǎn)單，因此文中采用《氣象干旱等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T20481-2006）中降水距平百分率干旱指標(biāo)（表1），選取月、季、年不同時(shí)間尺度干旱事件，分析隴東黃土高原近30 a氣象干旱時(shí)空特征。

表1 單站降水量距平百分率劃分的干旱等級(jí)

降水距平百分率（P0）是指某段時(shí)間的降水量與常年同期降水量相比的百分率。

式中：Pi為時(shí)段i的降水量；n為樣本數(shù)，n=30。

1.2.2 等級(jí)劃分

氣象干旱輕重程度一般分為5個(gè)等級(jí)：無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱、特旱。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.2.3 氣象干旱事件的選取

選取慶陽(yáng)市8個(gè)縣（區(qū)）氣象觀測(cè)站30 a（1989—2018年）降水資料，采用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并用降水距平百分率法計(jì)算出各縣（區(qū)）月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指標(biāo)選取慶陽(yáng)市30 a逐月、逐季、逐年出現(xiàn)輕旱、中旱、重旱、特旱的事件，出現(xiàn)一次氣象干旱事件（輕旱、中旱、重旱、特旱）計(jì)1個(gè)頻次，對(duì)所出現(xiàn)的月、季、年氣象干旱事件的頻次進(jìn)行累加，計(jì)算出各縣（區(qū)）不同時(shí)間尺度氣象干旱事件總頻次在總時(shí)間段中所占頻率，用Excel和ArcGIS軟件繪圖分析。

2 氣象干旱特征

2.1 氣象干旱總體分布特征

分析隴東黃土高原氣象干旱分布情況（圖1），隴東黃土高原氣象干旱事件存在自西北向東南逐漸減少的特點(diǎn)，多發(fā)區(qū)集中在西北部的鎮(zhèn)原縣和環(huán)縣，而東南部正寧縣發(fā)生的氣象干旱事件相對(duì)較少。其中鎮(zhèn)原縣、環(huán)縣出現(xiàn)氣象干旱的頻次最多，360個(gè)月中分別有118、110次，頻率分別為32.7%、30.5%；慶城、華池次之，分別為99、96次，頻率分別為27.6%、26.7%；西峰、寧縣較少，分別為94、93次，頻率分別為26.1%、25.8%；合水、正寧最少，分別為83、76次，頻率分別為23.1%、21.1%。

圖1 隴東黃土高原氣象干旱分布

2.2 氣象干旱月分布特征

分析不同月份隴東黃土高原氣象干旱事件發(fā)生的頻次（表2）可知，30 a來(lái)各縣（區(qū)）氣象干旱發(fā)生的月頻次呈波動(dòng)狀，環(huán)縣、鎮(zhèn)原縣1—5月較多，6月開(kāi)始減少，8月最少，11月逐漸增加，12月達(dá)最多。華池、慶城1—4月較多，5月開(kāi)始減少，7月最少，11月逐漸增加，12月達(dá)最多。西峰、合水4、11、12月較多，6、7月較少，其余月份較平穩(wěn)。寧縣1、4月、11—12月較多，其余月份較平穩(wěn)。正寧11—12月較多，7—9月較少，其余月份較平穩(wěn)。通過(guò)以上分析得出，氣象干旱主要發(fā)生在10月到次年5月，其中12月最多，發(fā)生的頻次為121次，7月最少，發(fā)生的頻次為32次，這與當(dāng)?shù)亟邓康臅r(shí)間分布特征基本一致。

表2 隴東黃土高原氣象干旱月頻次/次

2.3 氣象干旱季分布特征

分析不同季節(jié)隴東黃土高原氣象干旱事件發(fā)生的頻次（表3）可知，近30 a各季發(fā)生的氣象干旱事件頻次分別是：春季77次、夏季53次、秋季54次、冬季61次。隴東黃土高原氣象干旱主要是春旱，冬旱次之，夏、秋旱較少，這與該區(qū)域降水量的季節(jié)分布特征基本吻合。從縣（區(qū)）的角度看，各縣（區(qū)）發(fā)生的氣象干旱頻次分別為：西峰27次、環(huán)縣38次、華池36次、慶城27次、鎮(zhèn)原37次、合水31次、寧縣26次、正寧23次，頻率依次為：22.5%、31.7%、30%、22.5%、30.8%、25.8%、21.7%、19.2%，可以看出：環(huán)縣、華池、鎮(zhèn)原的氣象干旱發(fā)生頻次較多，正寧較少，其余縣（區(qū)）相差不大。

圖2是季尺度氣象干旱等級(jí)分布情況。近30 a氣象干旱主要以輕旱為主、中旱次之、重旱及特旱發(fā)生概率較小，其中環(huán)縣、華池、鎮(zhèn)原、合水發(fā)生輕旱頻次較多，為24~27次，其余縣（區(qū)）相對(duì)較少，為16~19次。鎮(zhèn)原、慶城、環(huán)縣發(fā)生中旱頻次較多，為7~9次，其余縣（區(qū)）發(fā)生中旱頻次均較少。環(huán)縣發(fā)生特旱頻次最多，這是由于環(huán)縣的氣候特征、地形以及降水量等因素所導(dǎo)致。

表3 隴東黃土高原氣象干旱季頻次/次

圖2 隴東黃土高原季尺度氣象干旱等級(jí)分布

2.4 氣象干旱年分布特征

用年尺度計(jì)算，選取30 a氣象干旱事件進(jìn)行分析，若1 a內(nèi)3個(gè)縣（區(qū)）同時(shí)發(fā)生氣象干旱事件，則認(rèn)為是1次區(qū)域性氣象干旱事件。分析發(fā)現(xiàn)，30 a來(lái)有8 a發(fā)生了區(qū)域性氣象干旱，分別是：1991、1995、1997、2000、2004、2006、2008、2017年。從20世紀(jì)90年代至今氣象干旱事件（年尺度）發(fā)生的頻次逐漸減少。這與氣候變化、降水量的逐年變化密切相關(guān)，更重要的是近年來(lái)人們保護(hù)環(huán)境的意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)干旱的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)更加重視，干旱狀況的評(píng)估更加及時(shí)，適時(shí)開(kāi)展人工增雨作業(yè)，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，種植防旱植被，加強(qiáng)水利工程建設(shè)，充分利用空間水資源，從而降低了氣象干旱發(fā)生的頻次。

圖3是年尺度氣象干旱等級(jí)分布情況。30 a來(lái)隴東黃土高原氣象干旱以輕旱為主，中旱次之，無(wú)重旱出現(xiàn)，特旱僅在合水（1995年）出現(xiàn)過(guò)一次。其中鎮(zhèn)原發(fā)生輕旱的頻次最多，出現(xiàn)過(guò)7次，環(huán)縣、慶城次之，分別為5次、6次，寧縣最少，僅發(fā)生過(guò)1次輕旱；環(huán)縣發(fā)生中旱的頻次最多，出現(xiàn)過(guò)3次，合水沒(méi)有發(fā)生過(guò)中旱。

圖3 隴東黃土高原年尺度氣象干旱等級(jí)分布

3 氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

3.1 氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積整體分布特征

統(tǒng)計(jì)1989—2018年慶陽(yáng)市8個(gè)縣（區(qū)）的干旱災(zāi)情，對(duì)各縣（區(qū)）30 a氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積進(jìn)行累加，詳細(xì)分析其對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響（圖4）。結(jié)果表明，近30 a受氣象干旱影響，環(huán)縣、鎮(zhèn)原農(nóng)作物成災(zāi)面積較大，受災(zāi)程度嚴(yán)重，慶城、華池、合水、寧縣次之，西峰、正寧較小，受災(zāi)程度輕。這與該地區(qū)南北氣候特征差異、地形地貌不同、植被類型各異，種植結(jié)構(gòu)多樣等有一定的關(guān)系。

圖4 隴東黃土高原氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積所占比率

3.2 氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積年際變化特征

圖5為慶陽(yáng)市1989—2018年氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積年際變化。由氣象干旱災(zāi)害造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積呈波動(dòng)狀增加趨勢(shì)，這與氣候變暖有關(guān)。其中1995、2011年成災(zāi)面積較大，1990、1993、2001、2002、2016年和2018年無(wú)干旱災(zāi)情。不同氣象干旱年造成農(nóng)作物受災(zāi)面積的不同與氣象干旱災(zāi)害的嚴(yán)重程度及干旱發(fā)生時(shí)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的不同有一定關(guān)系。

圖5 隴東黃土高原氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積年際變化趨勢(shì)

3.3 年氣象干旱日數(shù)與氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積相關(guān)性分析

利用線性模擬方法，計(jì)算各縣（區(qū)）氣象干旱日數(shù)及受氣象干旱影響農(nóng)作物成災(zāi)面積逐年變化趨勢(shì)，得到其一次項(xiàng)系數(shù)即傾向率（表4）。近30 a鎮(zhèn)原、合水、正寧氣象干旱日數(shù)與氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積的年變化傾向率呈正相關(guān)關(guān)系，其余縣（區(qū)）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中西峰、慶城、寧縣氣象干旱日數(shù)年變化傾向率為正，說(shuō)明其氣象干旱出現(xiàn)日數(shù)呈逐年增加趨勢(shì)，而氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積年變化傾向率為負(fù)，表明其呈逐年減少趨勢(shì)。其主要原因是，該區(qū)域氣象干旱主要以輕旱及中旱為主，輕旱和中旱在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育期對(duì)其造成的災(zāi)害相對(duì)較輕，且近年來(lái)在植被類型和種植結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很大的調(diào)整，提高了抗旱能力。環(huán)縣、華池氣象干旱出現(xiàn)日數(shù)呈逐年減少的趨勢(shì)，而氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積表現(xiàn)為逐年增加趨勢(shì)，按季尺度劃分，環(huán)縣、華池出現(xiàn)特旱的頻次比其它縣（區(qū)）多，特旱在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及成熟期造成的災(zāi)害十分嚴(yán)重。鎮(zhèn)原、合水、正寧氣象干旱出現(xiàn)日數(shù)及氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積均表現(xiàn)為逐年減少的趨勢(shì)，與近年來(lái)干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警能力的提高，干旱狀況評(píng)估的及時(shí)開(kāi)展、人工增雨作業(yè)的適時(shí)進(jìn)行以及合理開(kāi)發(fā)利用空中水資源等密不可分。為適應(yīng)干旱氣候變化，需要進(jìn)行一系列種植模式的調(diào)整，如西北部地區(qū)從以糧為主的種植模式調(diào)整為牧草養(yǎng)畜、特色經(jīng)濟(jì)作物（小雜糧和白瓜子等）及中藥材等耐旱作物為主的種植模式，中部從以糧為主的種植模式調(diào)整為糧、果及設(shè)施農(nóng)業(yè)為主多元化的種植模式，東南部從以糧為主的種植模式調(diào)整為以果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物為主的種植模式。

表4 隴東黃土高原氣象干旱日數(shù)及氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積年變化傾向率

4 結(jié)論與討論

利用慶陽(yáng)市8個(gè)縣（區(qū)）30 a（1989—2018年）降水及干旱災(zāi)情資料，計(jì)算各縣（區(qū)）月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指標(biāo)選取干旱事件，詳細(xì)分析不同時(shí)間尺度氣象干旱的時(shí)空特征，并計(jì)算氣象干旱日數(shù)及農(nóng)作物成災(zāi)面積的逐年變化趨勢(shì)，研究氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，得到如下結(jié)論：

（1）以降水距平百分率標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，從月、季、年不同時(shí)間尺度對(duì)隴東黃土高原氣象干旱時(shí)空分布特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，并研究氣象干旱對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，突破了傳統(tǒng)的從某一種時(shí)間尺度對(duì)氣象干旱進(jìn)行研究的思維，這對(duì)氣象干旱的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警有了新的指導(dǎo)意義。

（2）隴東黃土高原氣象干旱事件頻次自西北向東南逐漸減少，多發(fā)區(qū)集中在西北部的鎮(zhèn)原縣和環(huán)縣，而東南部的正寧縣發(fā)生的頻次相對(duì)較少。氣象干旱發(fā)生的月頻次呈波動(dòng)狀主要發(fā)生在10月到次年5月，其中12月最多，7月最少。氣象干旱主要發(fā)生在春季，冬季次之，夏、秋季較少，主要以輕旱為主，中旱次之，重旱及特旱發(fā)生概率較小。30 a中8 a發(fā)生了氣象干旱事件，均以輕旱為主，且從20世紀(jì)90年代至今氣象干旱事件發(fā)生的年頻次逐漸減少，這與該地區(qū)降水量的時(shí)空分布特征基本一致。

（3）近30 a受氣象干旱影響，環(huán)縣、鎮(zhèn)原農(nóng)作物成災(zāi)面積較大，受災(zāi)程度嚴(yán)重。氣象干旱災(zāi)害造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積年際變化呈波動(dòng)狀增加趨勢(shì)。鎮(zhèn)原、合水、正寧氣象干旱日數(shù)與受氣象干旱影響農(nóng)作物成災(zāi)面積年變化傾向率呈正相關(guān)關(guān)系，其余縣（區(qū)）均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（4）用降水距平百分率作為選取氣象干旱的標(biāo)準(zhǔn)，直觀、簡(jiǎn)單、容易理解，但是干旱是由諸多因素造成的，如降水、氣溫、蒸發(fā)、土壤墑情、灌溉條件、種植結(jié)構(gòu)、植物生育期的抗旱能力以及工業(yè)和城市用水等。為了更深入更客觀的了解氣象干旱發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，提高干旱預(yù)報(bào)、預(yù)警服務(wù)能力以及干旱的防治能力，需要建立適合當(dāng)?shù)匕T多因素的干旱指標(biāo)綜合模型，以期進(jìn)一步揭示隴東黃土高原氣象干旱的變化規(guī)律，提高氣象干旱的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警及防治能力。