基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的河南省近45年干旱時(shí)空特征分析

商?hào)|耀，張志紅,岳 元,胡程達(dá)，王 琪

(1.中國(guó)氣象局/河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2.吉林省氣象臺(tái)，吉林 長(zhǎng)春 130062;3.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130062)

隨著全球氣候變化加劇，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害問(wèn)題日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于區(qū)域性降水分布不均勻?qū)е赂珊殿l發(fā)，我國(guó)每年因干旱造成的損失占各種自然災(zāi)害的15%以上，每年受旱面積約占各種氣象災(zāi)害受災(zāi)面積的60%[1]，華北地區(qū)受旱面積達(dá)到28%以上[2-3]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，干旱導(dǎo)致糧食直接損失高達(dá)100億kg[5],特別是2014年全國(guó)受旱面積達(dá)2.27×107hm2、受災(zāi)面積1.2×107hm2、絕收面積148.47×104hm2，造成糧食損失2 006萬(wàn)t、直接經(jīng)濟(jì)損失910億元。面對(duì)干旱嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)，近年來(lái)眾多學(xué)者及相關(guān)部門(mén)對(duì)干旱問(wèn)題進(jìn)行了廣泛探討[4]。普遍認(rèn)為，干旱發(fā)生時(shí)，會(huì)造成植物根系缺水使作物嚴(yán)重減產(chǎn)，并且增加了農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害發(fā)生的幾率，影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育[1]。已有研究表明，干旱的發(fā)生與異常的大氣環(huán)流、地形、人類(lèi)活動(dòng)及當(dāng)?shù)貞?yīng)對(duì)干旱的能力有關(guān)。以往眾多學(xué)者利用地表濕潤(rùn)指數(shù)[6]、CI指數(shù)[7-8]、SPI 指數(shù)[9-10]、SAPI指數(shù)[11]、Z指數(shù)[12]、PDSI指數(shù)[13-14]以及其他指數(shù)[15]等對(duì)中國(guó)的干旱特征進(jìn)行分析，研究從不同角度對(duì)中國(guó)廣大地區(qū)的干旱特征進(jìn)行了探討，目前研究大多集中在大尺度區(qū)域，例如華北地區(qū)，但對(duì)某個(gè)省份地區(qū)干旱特征的研究較少。

近幾十年，華北地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)的極端高溫對(duì)淮河以北地區(qū)的冬小麥生產(chǎn)有明顯的負(fù)面效應(yīng)[16]，異常高溫天氣條件使河南省干旱局勢(shì)更加復(fù)雜。2011年9月28日，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了“關(guān)于支持河南省加快建設(shè)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的指導(dǎo)意見(jiàn)”指出河南省是全國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大省，糧食總產(chǎn)量占全國(guó)的1/10，冬小麥產(chǎn)量占全國(guó)的1/4，有效保障了國(guó)家糧食安全[23]。但是近年來(lái)，干旱是河南省危害最大、最主要的氣象災(zāi)害，而且對(duì)國(guó)家中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此其旱災(zāi)演變的時(shí)空規(guī)律備受關(guān)注。河南省所屬氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)區(qū)，西部有伏牛山脈，北部有太行山山脈，東部和南部有豫東平原和南陽(yáng)盆地，境內(nèi)有黃河、淮河，還包括長(zhǎng)江和海河流域[17]。在氣候上，具有北亞熱帶向暖溫帶氣候過(guò)渡、平原向丘陵山地過(guò)渡的2個(gè)過(guò)渡性特征[2]，屬于典型的氣候脆弱區(qū)，以上氣候及地理?xiàng)l件增加了河南省干旱的空間差異性。以往研究者對(duì)旱災(zāi)空間分布側(cè)重于旱災(zāi)等級(jí)的劃分，對(duì)旱災(zāi)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響以及應(yīng)對(duì)措施較少涉及，前人研究并不能為河南省現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有針對(duì)性的旱災(zāi)防控措施。盡管已有學(xué)者開(kāi)展了河南旱災(zāi)在時(shí)間規(guī)律[2-3,6]和空間規(guī)律[7-9]的相關(guān)研究，但對(duì)干旱災(zāi)情的持續(xù)性、周期特征、空間集聚及演化方面的研究較少涉及。

本文利用河南省45年來(lái)45個(gè)氣象站的逐月降水資料來(lái)計(jì)算不同季節(jié)尺度和年尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized precipitation index, SPI)，分析河南省干旱發(fā)生的強(qiáng)度、頻率和影響范圍的時(shí)空變化特征，期望對(duì)河南省干旱的變化規(guī)律有更明確的認(rèn)識(shí)，旨在為氣候變化背景下河南省現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、干旱研究以及防旱減災(zāi)影響評(píng)估工作提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

數(shù)據(jù)包含了河南省1970—2014年45個(gè)氣象站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，站點(diǎn)分布合理(圖1)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象局。通過(guò)對(duì)所用站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)存在明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，漏測(cè)和缺測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，能代表本省實(shí)際的降水量，能真實(shí)反映本省降水的時(shí)空分布規(guī)律。

圖1 河南省氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Meteorological station in Henan Province

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

SPI指數(shù)表示某時(shí)段降水量出現(xiàn)的概率，能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)某個(gè)地區(qū)月尺度以上的干旱情況[17]。Γ分布可以準(zhǔn)確地描述降水量的變化，所以SPI指數(shù)采用Γ分布概率來(lái)描述降水量，這樣可以將偏態(tài)分布的降水量進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率分布來(lái)劃分干旱等級(jí)[18]。干旱等級(jí)劃分的依據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布。SPI的計(jì)算：

式中,x為某一段時(shí)間的降水量，F(xiàn)(x)是計(jì)算得到的降水分布概率，a，b，c，d，e，f為Γ分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為累積概率公式的相關(guān)參數(shù)，其值分別為a=0.01，b=0.802，c=2.515，d=0.001308，e=0.189269，f=1.432。規(guī)定當(dāng)F(x)>0.5時(shí)，S=1；當(dāng)F(x)≤1時(shí)，S=-1。

式中,ε、β、γ分別為Г分布函數(shù)的尺度參數(shù)。

表1 干旱等級(jí)

1.3 干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)計(jì)算干旱發(fā)生頻率、干旱站次比和干旱強(qiáng)度3個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō)明河南省近45年以來(lái)干旱的時(shí)空演變特征及變化規(guī)律。

(1)干旱頻率(Hi)：Hi是某個(gè)氣象站有降水資料的年份中干旱發(fā)生的頻率，具體計(jì)算為：

(1)

式中，N表示某氣象站有降水資料的總年份數(shù)，n為該氣象站發(fā)生干旱的年份數(shù)量，下標(biāo)i表示不同的氣象站。

(2)干旱站次比(Hj)：Hj表示某區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同等級(jí)干旱的氣象站數(shù)占該區(qū)域內(nèi)氣象站總數(shù)的比例。這一指標(biāo)用來(lái)衡量不同年份間干旱影響范圍的大小，計(jì)算公式為：

(2)

式中,M為目標(biāo)區(qū)域內(nèi)氣象站的總數(shù)；m為發(fā)生干旱的氣象站數(shù)量；j表示不同的年份。Hj表示在某一年份中干旱的影響范圍及其干旱的嚴(yán)重程度。規(guī)定當(dāng)Hj≥50%時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了全域性干旱；當(dāng)33%≤Hj<50%時(shí)，為區(qū)域性干旱；當(dāng)25%≤Hj<33%時(shí)，為部分區(qū)域性干旱；當(dāng)10%≤Hj<25%時(shí)，為局域性干旱；當(dāng)Hj<10%時(shí)，全區(qū)域沒(méi)有明顯的干旱發(fā)生[17]。

(3)干旱強(qiáng)度(Cij)：表示干旱的年平均嚴(yán)重程度，某個(gè)氣象站的干旱強(qiáng)度可由SPI的絕對(duì)值表示，具體的計(jì)算公式為：

(3)

式中,SPIi表示發(fā)生干旱時(shí)SPI的絕對(duì)值。規(guī)定當(dāng)Cij<0.5時(shí)，干旱強(qiáng)度不明顯；當(dāng)0.5≤Cij<1時(shí)，為輕旱；當(dāng)1≤Cij<1.5時(shí)，為中旱；當(dāng)1.5≤Cij<2時(shí)，為重旱；Cij≥2.0時(shí)為特旱[17]。下標(biāo)i表示不同的氣象站，j表示不同的年份，m為發(fā)生干旱的氣象站數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省近45年年尺度干旱演變特征

2.1.1 年尺度干旱頻率演變特征 由河南省45個(gè)氣象站逐月降水量計(jì)算得到年尺度的SPI值，統(tǒng)計(jì)各站不同等級(jí)干旱出現(xiàn)的頻率(圖2)。結(jié)果表明，河南地區(qū)干旱(包括輕旱及以上)發(fā)生頻率在0～26.67%，全省的平均頻率為7.92%。通過(guò)分析干旱發(fā)生頻率的空間分布，發(fā)現(xiàn)河南省東部、西南部和西部地區(qū)干旱發(fā)生頻率要高于北部和中部地區(qū)，東部地區(qū)為8.47%，南部地區(qū)為8.21%，西部地區(qū)為7.78%，北部和中部地區(qū)分別為7.41%，7.61%。不同地區(qū)干旱發(fā)生的頻率為東部>南部>西部>中部>北部。全省不同等級(jí)干旱發(fā)生的頻率變化范圍為：輕旱26.67%～8.89%、中旱15.56%～2.22%、重旱11.11%～0%、特旱6.67%～0%。輕旱頻率高值區(qū)主要出現(xiàn)在東部的商丘地區(qū)、駐馬店地區(qū)、西南部的南陽(yáng)地區(qū)，中部和北部地區(qū)輕旱發(fā)生的頻率相對(duì)較低。中旱和重旱頻率高值區(qū)則主要集中在商丘西部、三門(mén)峽西北部及平頂山地區(qū)。特旱頻率高值區(qū)與前三者不同，主要集中發(fā)生在河南省東部商丘地區(qū)、三門(mén)峽西北部地區(qū)和鄭州-開(kāi)封一線(xiàn)。

圖2 河南省地區(qū)干旱頻率分布Fig.2 Spatial distribution of drought frequency in Henan Province

2.1.2 年尺度干旱站次比及強(qiáng)度演變特征 分析河南省干旱影響范圍(圖3)，發(fā)現(xiàn)河南省近45年干旱站次比變化范圍為0～97.77%。按照干旱影響范圍的定義，近45 a中共有12 a無(wú)明顯干旱發(fā)生；發(fā)生局域性干旱和部分區(qū)域性干旱年份分別為12 a和4 a；站次比大于50%，發(fā)生全域性干旱的年份有11 a。綜合站次比分析發(fā)現(xiàn)，干旱影響范圍的演變特征以每10 a為一個(gè)周期段。20世紀(jì)70 年代的1978年、80年代的1986年、90年代的1997河南地區(qū)都發(fā)生了全域性的干旱。尤其是2010年以后，全球氣候變化愈演愈烈，極端氣候事件頻發(fā)，全域性干旱在河南地區(qū)出現(xiàn)的頻率明顯增加。分析站次比變化的趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，干旱的影響范圍在近20年呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，所以未來(lái)河南地區(qū)發(fā)生全域性干旱的風(fēng)險(xiǎn)依然很高。

分析干旱強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)(圖3)，45年來(lái)河南省年平均干旱強(qiáng)度波動(dòng)范圍為0～1.51，干旱強(qiáng)度的平均值為0.95。進(jìn)一步分析逐年干旱強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn)，有20 a的年平均干旱強(qiáng)度值在1.0以上，達(dá)到中旱水平，且多發(fā)生在80、90年代。其中19 a干旱強(qiáng)度值為1～1.5，且多數(shù)干旱強(qiáng)度值接近1.3。說(shuō)明從年平均干旱強(qiáng)度上來(lái)看，河南地區(qū)發(fā)生的干旱強(qiáng)度呈微弱的增加趨勢(shì)，進(jìn)入90年代以后發(fā)生的干旱多為中旱。2000年以后干旱強(qiáng)度有所減弱，但2001年干旱強(qiáng)度是近14年中最高，為1.34，沒(méi)有達(dá)到重旱級(jí)別。

圖3 河南省近45年干旱發(fā)生站次比及強(qiáng)度演變特征Fig.3 Evolution characteristics of drought stations proportions and drought intensity in Henan Province during the last 45 years

根據(jù)不同年代之間河南地區(qū)站次比(圖4A)和干旱強(qiáng)度(圖4B)可以得到，不同年代之間干旱、輕旱和中旱站次比都大致表現(xiàn)為先增后降的變化規(guī)律。其中干旱站次比表現(xiàn)為：90年代站次比為最高值，70年代站次比出現(xiàn)最低值，90年代以前站次比出現(xiàn)三連增，干旱面積不斷擴(kuò)大，2000—2014年的干旱站次比接近次高值，達(dá)到30.8%。分析不同年代之間輕旱、中旱站次比發(fā)現(xiàn)，輕旱站次比呈震蕩上升的趨勢(shì)，中旱站次比變化規(guī)律與干旱站次比變化趨勢(shì)一致，并在90年代達(dá)到最高值。結(jié)合不同年代間干旱強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著干旱影響面積的不斷變化，河南省45年以來(lái)干旱強(qiáng)度也在同步變化，按強(qiáng)度值從大到小依次為90年代、2000年以后、80年代、70年代，依次為0.74、0.65、0.62、0.56。

圖4 不同年代間干旱發(fā)生站次比和干旱強(qiáng)度的變化Fig.4 Variations of drought stations proportions and drought intensity in different decades

2.2 河南省近45年季節(jié)尺度干旱時(shí)空演變特征

2.2.1 春旱 由河南省春季SPI值發(fā)現(xiàn)，春季干旱發(fā)生頻率變化范圍為6.67%～24.44%，全省平均值為14.61% (圖5A)。其中河南省商丘東部和南陽(yáng)市區(qū)周邊為春旱高發(fā)地區(qū)，北部地區(qū)春季干旱發(fā)生頻率較低。西部春旱發(fā)生概率平均值為13.33%，中部平均值為13.77%，均低于全省平均值，東部地區(qū)春旱頻率平均值明顯高于全省平均水平，為18.27%。

圖5 不同季節(jié)干旱頻率分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency in different seasons

分析河南省春季發(fā)生干旱站次比(圖6A)，其中存在全域性春旱的年份有13 a，存在區(qū)域性春旱的年份有4 a，存在部分區(qū)域性春旱的年份有1 a，存在局域性春旱的年份有7 a(圖7)。同時(shí)春旱多出現(xiàn)在80年代和2000年以后，其中1981、2000年和2001年發(fā)生的春旱是影響范圍最大的3 a。從不同年代看(表2)，2000年以后站次比值最高，80年代次之，90年代最低，70年代為次低，不過(guò)最低值和次低值大小接近。從春旱站次比時(shí)間擬合趨勢(shì)來(lái)看，45 a來(lái)站次比呈上升趨勢(shì)，每10 a上升接近1%。從上述分析可預(yù)測(cè)河南省春旱影響面積會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖6 不同季節(jié)干旱發(fā)生站次比及干旱強(qiáng)度演變特征Fig.6 Evolution characteristics of drought stations proportion and drought intensity in different seasons

圖7 不同季節(jié)河南省不同干旱程度出現(xiàn)的次數(shù)Fig.7 Frequency of different drought types in HenanProvince in different seasons

表2 不同年代間河南省地區(qū)季節(jié)尺度干旱發(fā)生站次比和干旱強(qiáng)度比較

春季干旱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖6A，45年來(lái)春季干旱強(qiáng)度的變化范圍在0～2.65之間，干旱強(qiáng)度的平均值為0.91。干旱強(qiáng)度曲線(xiàn)的變化與干旱站次比變化趨勢(shì)基本一致，如發(fā)生全域性春旱的 1978、1981、1995年和2000年，4 a的干旱強(qiáng)度均超過(guò)1，其中有些年份達(dá)到重旱標(biāo)準(zhǔn)。不同年代間春旱強(qiáng)度為2000年以后最強(qiáng)，80年代次之，90年代和70年代分別為最低值和次低值，但是最低值和次低值之間差距不明顯。

2.2.2 夏旱 夏季干旱發(fā)生頻率變化范圍為4.44%～24.44%，全省平均值為 14.24%(圖5B) 。從夏旱的空間分布來(lái)看其影響范圍更大，區(qū)域頻率分布為東部>南部>中部>西部>北部。頻率高值區(qū)集中出現(xiàn)在河南省周口、商丘西南地區(qū)、南陽(yáng)地區(qū)、三門(mén)峽西北部和信陽(yáng)西部地區(qū)。東部和西南部地區(qū)夏旱發(fā)生概率平均值分別為16.29%、15.56%，均高于全省平均值。北部地區(qū)夏旱發(fā)生頻率平均值為9.63%，低于全省平均水平。

夏旱的站次比(圖6B)變化范圍為0～91.11%，70—80年代站次比震蕩上升，90年代初至2010年站次比震蕩下降后在2010年前后再次上升，特別是2010年以后，夏旱站次比呈上升趨勢(shì)。夏旱的年份中，發(fā)生區(qū)域性干旱的年份最多，有12 a；其次是局域性干旱，有10 a；發(fā)生部分區(qū)域性和全域性夏旱的年份分別有3 a和8 a(圖7)。其中1986，1997，1999年和2014年發(fā)生的夏旱對(duì)河南省農(nóng)業(yè)危害較大。從不同年代站次比來(lái)看(表2)，90年代站次比最高，80年代次之，70年代最低，2000年以后為次低，呈現(xiàn)出先增后減的變化。從夏旱站次比時(shí)間擬合趨勢(shì)來(lái)看，45年來(lái)站次比呈上升趨勢(shì)，平均每10 a上升為5.5%。

從夏季干旱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果來(lái)看(圖6B)，夏旱強(qiáng)度波動(dòng)范圍為0～1.79，干旱強(qiáng)度的平均值為0.95。從不同年代之間夏旱強(qiáng)度的結(jié)果可以看出，夏旱強(qiáng)度和站次比變化形式基本一致。70～80年代，夏旱強(qiáng)度呈波動(dòng)性上升；90年代—2010年干旱強(qiáng)度持續(xù)下降；2010年至今夏旱強(qiáng)度又開(kāi)始波動(dòng)上升，基本處于中旱水平。不同年代之間，90年代夏旱強(qiáng)度最大；2000年以后夏旱強(qiáng)度最輕，70年代和80年代居于中間，且夏旱強(qiáng)度基本無(wú)太大差異。夏季干旱強(qiáng)度的年代變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先增強(qiáng)后下降，但下降幅度并不明顯。但是2010年以后夏旱的影響范圍和干旱強(qiáng)度均表現(xiàn)為增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)。

2.2.3 秋旱 秋季干旱頻率為11.11%～31.11%，全省平均值為17.53%(圖5C)。秋季干旱發(fā)生頻率高值區(qū)主要出現(xiàn)在河南省西部的三門(mén)峽，北部新鄉(xiāng)和東部周口的部分地區(qū)。西部地區(qū)秋旱發(fā)生頻率最高，為21.67%；東部和南部地區(qū)秋旱發(fā)生頻率相近，為16.79%和16.06%，均低于全省平均水平。秋旱站次比變化形式可以細(xì)分為兩個(gè)階段，70年代初至80年代站次比波動(dòng)性變化，90年代至今秋旱站次比也為震蕩變化，但整體站次比值要高于70年代和80年代。秋旱發(fā)生的年份中，主要為全域性和局域性秋旱，發(fā)生年份數(shù)量分別為12 a和9 a；區(qū)域性和部分區(qū)域性干旱較少，只有5 a和2 a(圖7)。其中1998、2001年和2007年發(fā)生的秋旱是影響范圍最廣的3 a。從不同年代看(表2)，2000年至今站次比最高，其后依次為90年代、70年代、80年代。從秋旱站次比時(shí)間擬合趨勢(shì)來(lái)看，45 a來(lái)秋旱站次比呈上升趨勢(shì)，速率為平均每10 a上升9.6%，所以預(yù)測(cè)未來(lái)河南省范圍內(nèi)秋旱對(duì)農(nóng)業(yè)的影響將持續(xù)增強(qiáng)。

從干旱強(qiáng)度來(lái)看(圖6C)，秋旱強(qiáng)度波動(dòng)范圍為0～2.61，干旱強(qiáng)度的平均值為0.69。不同年代之間，秋旱強(qiáng)度和站次比變化趨勢(shì)相似。從秋季干旱強(qiáng)度序列時(shí)間擬合趨勢(shì)來(lái)看，45 a來(lái)干旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)，但增幅不明顯。秋旱強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在2001年。不同年代之間，按秋旱強(qiáng)度值排列為90年代>2000年以后>70年代>80年代。

2.2.4 冬旱 冬季干旱發(fā)生頻率變化范圍為6.67%～20%，全省平均值為12.47%(圖5D)。冬旱的空間分布形式與其他季節(jié)相比有顯著的特點(diǎn)，冬旱高值區(qū)影響范圍包括河南省三門(mén)峽大部分地區(qū),洛陽(yáng)、安陽(yáng)東南部地區(qū)，西部地區(qū)個(gè)別氣象站冬旱發(fā)生概率達(dá)到17%以上。東部地區(qū)冬旱發(fā)生頻率平均值為12.84%，高于全省平均值。南部和北部地區(qū)冬旱發(fā)生頻率較低，分別為11.79%，11.11%，低于全省平均水平。

河南省冬季干旱站次比如圖6D所示，站次比高值在70年代、80年代、90年代以及2010后都出現(xiàn)過(guò)。發(fā)生冬旱的年份中，全域性冬旱發(fā)生次數(shù)最多，有10 a；其次為局域性干旱和區(qū)域性干旱都是4 a；發(fā)生部分區(qū)域性冬旱年份數(shù)量較少，只有2 a(圖7)。從不同年代冬季干旱情況來(lái)看(表2)，80年代冬旱站次比最高，90年代次之，2000年至今最低，70年代次低，呈現(xiàn)出先增高后降低的變化形式。冬旱站次比隨時(shí)間推移呈下降的趨勢(shì)，平均每10a下降2.95%。

干旱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(圖6D)表明，冬旱強(qiáng)度波動(dòng)范圍為0～2.51，干旱強(qiáng)度的平均值為0.61。由不同年代之間冬旱強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，80年代和90年代干旱強(qiáng)度比較大，分別為0.75，0.73，但2000年以后至今冬旱強(qiáng)度出現(xiàn)下降。雖然近14 a冬旱強(qiáng)度有所下降，但是冬季干旱強(qiáng)度值仍比較大。

3 討 論

依據(jù)河南省年尺度干旱站次比、干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)河南省干旱具有明顯的周期性，每10 a都會(huì)發(fā)生至少一次影響范圍較大旱災(zāi)，且在2010年后干旱強(qiáng)度、干旱站次比有一個(gè)增強(qiáng)的趨勢(shì)。王連喜等[24]依據(jù)小波周期分析，得出河南省干旱指數(shù)存在準(zhǔn)2～6 a的周期變化，這與本文年尺度干旱站次比顯示結(jié)果一致。從張宇星等[19]的研究結(jié)果來(lái)看，河南省干旱站次比的線(xiàn)性?xún)A向率為正值，為0.813·10a-1，進(jìn)一步說(shuō)明河南干旱發(fā)生的范圍在進(jìn)一步擴(kuò)大，且以區(qū)域性干旱和全域性干旱為主。王友賀等[25]的研究表明，在豫北及豫西北地區(qū)的年降水量為400～600 mm，在河南省中部的大部分地區(qū)及駐馬店、信陽(yáng)地區(qū)，年降水量都在600 mm以上，本文研究結(jié)果也顯示河南省中旱、重旱、特旱主要集中發(fā)生在河南省東部商丘、北部濮陽(yáng)等地區(qū)。李謝輝等[26]通過(guò)統(tǒng)計(jì)河南省1450—1979年水旱災(zāi)情發(fā)現(xiàn)，豫西、豫北及豫東發(fā)生旱災(zāi)的年數(shù)分別為273、276、254 a，遠(yuǎn)高于全省的平均值。因此，這些地區(qū)依然是抗旱防災(zāi)的重點(diǎn)地區(qū)。

通過(guò)計(jì)算SPI指數(shù)可以看出河南地區(qū)的異常降水是各地區(qū)干旱頻率、干旱強(qiáng)度不一致的重要原因。另外王友賀等[25]研究發(fā)現(xiàn)河南省近45 a降水量表現(xiàn)為上升-下降-上升-下降波動(dòng)變化特征，這與本文年尺度干旱時(shí)空變化規(guī)律一致。2011年和2014年河南省都發(fā)生了重大旱情，對(duì)河南省糧食安全產(chǎn)生了極大的負(fù)面影響，本文研究結(jié)果也證實(shí)了這兩年發(fā)生的重大旱情。河南省屬亞熱帶至暖溫帶，濕潤(rùn)至半濕潤(rùn)過(guò)渡地帶，是明顯的季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量約為760.2 mm，信陽(yáng)、駐馬店及黃河附近地區(qū)降水較多[20]，所以這些地區(qū)面臨干旱的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。李治國(guó)等[27]依據(jù)專(zhuān)業(yè)化指數(shù)研究表明河南省旱災(zāi)受災(zāi)、成災(zāi)平均區(qū)位商表現(xiàn)出東南向西北增高的趨勢(shì)，河南省的西北部、北部地區(qū)的區(qū)位商明顯高于其他地區(qū)。但是河南省東部和西南部的南陽(yáng)地區(qū)作為河南省的糧食主產(chǎn)區(qū)，也是旱災(zāi)發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。面對(duì)旱災(zāi)，有關(guān)部門(mén)應(yīng)采取有力措施，以應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化不斷加劇且更加頻繁的干旱災(zāi)害對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。雖然部分區(qū)域干旱發(fā)生的頻率及強(qiáng)度低于全省平均水平，但從全省近45 a干旱站次比來(lái)看，干旱影響的范圍具有明顯的不確定性，所以應(yīng)從全省不同區(qū)域開(kāi)展積極且有針對(duì)性的抗旱工作。

從春季干旱站次比、干旱強(qiáng)度來(lái)看，河南省春旱影響面積有擴(kuò)大的趨勢(shì)且春旱強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。王志偉等[12]研究結(jié)果與本文類(lèi)似，發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方地區(qū)(包括河南全境)春季干旱范圍有逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，線(xiàn)性變化趨勢(shì)為0.22，高于夏秋兩季。春季發(fā)生干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響極大，不僅會(huì)對(duì)越冬作物返青后的正常生長(zhǎng)帶來(lái)危害，弱化發(fā)芽勢(shì)，延遲果樹(shù)的發(fā)芽時(shí)間，還會(huì)導(dǎo)致春播作物不出苗[21]，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致作物死亡。因此要繼續(xù)做好抗旱的相關(guān)工作，如采取坐水種、地膜覆蓋、選擇抗旱品種等有效抗旱保苗措施。經(jīng)濟(jì)條件好的地區(qū)還可采取漫水灌溉，以減輕春季干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的負(fù)面影響。

河南省夏季干旱主要發(fā)生在周口、信陽(yáng)西南部山區(qū)、三門(mén)峽西北部及南陽(yáng)市周邊等地區(qū)，且主要發(fā)生區(qū)域性干旱和局域性干旱。夏旱站次比結(jié)果表明，2010年以后夏季發(fā)生干旱的范圍及強(qiáng)度有明顯擴(kuò)大的趨勢(shì)。當(dāng)夏季出現(xiàn)旱情時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤墑情迅速變差，玉米等作物因供水不足，直接影響作物生殖生長(zhǎng)，部分作物長(zhǎng)勢(shì)矮小，葉片枯黃，影響植株抽穗、開(kāi)花、授粉等生理過(guò)程。如果夏旱持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，會(huì)造成植株成片死亡，進(jìn)而造成絕產(chǎn)絕收。面對(duì)夏旱，在加強(qiáng)旱情監(jiān)測(cè)的同時(shí)，還要積極采取抗旱措施：一是天氣條件允許的條件下，及時(shí)開(kāi)展人工增雨作業(yè)；二是加強(qiáng)氣象監(jiān)測(cè)，密切監(jiān)視夏旱發(fā)展，及時(shí)加大財(cái)政投入，降低旱情對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響；三是葉面噴施抗旱制劑，提高農(nóng)作物的耐旱性；四是加強(qiáng)水庫(kù)調(diào)度，保障農(nóng)業(yè)用水供應(yīng)；五是有條件的地方采取灌溉補(bǔ)充土壤水分，重旱區(qū)農(nóng)民可以用田間機(jī)井抽水溝灌方式抗旱；六是做好農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)等風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移與災(zāi)害救助的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，盡可能地減少農(nóng)民的損失[21]。

河南省秋季發(fā)生旱災(zāi)的區(qū)域主要集中在周口、三門(mén)峽、鶴壁、濮陽(yáng)等地區(qū)。王友賀等[25]通過(guò)研究近45 a河南省四季平均降水量多年變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)河南省秋季大部分地區(qū)降水以減少趨勢(shì)為主，主要降水減少區(qū)域?yàn)槟详?yáng)、信陽(yáng)、駐馬店，減幅一般為10～20 mm·10a-1，但商丘和安陽(yáng)兩地區(qū)降水有增多趨勢(shì)，增幅為1～5 mm·10a-1。但本文研究結(jié)果顯示，豫東南三地區(qū)在秋季并沒(méi)有明顯旱災(zāi)的發(fā)生，反而商丘和濮陽(yáng)有局部旱情出現(xiàn)，這說(shuō)明降水在一定范圍內(nèi)的減少或增多，并沒(méi)有明顯改變當(dāng)?shù)氐耐寥缐勄?，考慮到氣候變化的長(zhǎng)期性，這些地區(qū)防旱抗災(zāi)依然不能忽視。秋季是農(nóng)作物成熟收獲的關(guān)鍵時(shí)期，秋旱的發(fā)生會(huì)使農(nóng)作物的產(chǎn)量形成受到抑制，使作物灌漿速度變慢，容易造成籽粒不飽滿(mǎn)，千粒重低，糧食產(chǎn)量下降。應(yīng)對(duì)秋旱的措施主要是興修農(nóng)田水利設(shè)施，在農(nóng)閑時(shí)及時(shí)整地與鎮(zhèn)壓，減少后期土壤水分的蒸發(fā)量。秋季作物抽穗等關(guān)鍵生育期發(fā)生旱災(zāi)，要及時(shí)澆水，滿(mǎn)足植株需水量。另外，在作物生長(zhǎng)發(fā)育中期，可以采取中耕松土的方式來(lái)改變土壤的透氣性，土壤毛細(xì)管的改善可以顯著提高土壤蓄水能力，這種方式在蓄積雨水的同時(shí)，還可以降低土壤表面的徑流量，減少土壤養(yǎng)分的流失，從而達(dá)到保肥和保墑的目的。

從冬季干旱站次比及干旱強(qiáng)度來(lái)看，冬季干旱的影響范圍及強(qiáng)度低于其他季節(jié)。冬季發(fā)生干旱的區(qū)域主要集中在三門(mén)峽和洛陽(yáng)西部山區(qū)，考慮到這些地區(qū)山地多耕地少，因此即使冬季這些地區(qū)發(fā)生旱情，對(duì)河南省總的糧食產(chǎn)量影響較小。但如果冬季降雪量較少，土壤無(wú)積雪覆蓋，可能會(huì)導(dǎo)致次年春季墑情偏差，影響次年的春耕。若冬旱之后接連出現(xiàn)春旱，其危害將更為嚴(yán)重。應(yīng)對(duì)冬旱，既要協(xié)調(diào)水利、農(nóng)業(yè)、氣象等相關(guān)部門(mén)，根據(jù)河南省不同地區(qū)的實(shí)際情況，綜合制定科學(xué)可行的抗旱方案，還要加強(qiáng)對(duì)旱情的監(jiān)測(cè)預(yù)警，利用冬季農(nóng)閑時(shí)期興修水利設(shè)施，擴(kuò)大可澆灌面積。此外，還可以通過(guò)開(kāi)展有關(guān)冬季抗旱的相關(guān)培訓(xùn)工作，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)抗旱。

由上述分析發(fā)現(xiàn)河南省干旱發(fā)生的頻率、作用強(qiáng)度和影響面積具有明顯的空間差異性且區(qū)域性和季節(jié)性特點(diǎn)顯著。不同季節(jié)之間干旱發(fā)生的頻率不盡相同，其中河南西南部和東部出現(xiàn)春、夏連旱的風(fēng)險(xiǎn)較高，西部地區(qū)冬旱發(fā)生頻率更高，這與焦建麗[22]的研究相一致。春、夏、秋三季中干旱影響面積則出現(xiàn)不同程度的增加。干旱強(qiáng)度上，夏季干旱的作用強(qiáng)度增幅明顯高于其他季節(jié)。

4 結(jié) 論

基于年、季尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)分析了近45 a河南省范圍內(nèi)干旱的時(shí)空演變規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)河南省年尺度干旱頻率在時(shí)間和空間分布上存在明顯差異。河南省北部地區(qū)和中部地區(qū)干旱頻率相近，都明顯低于東部和西部地區(qū)。四季中秋旱發(fā)生的頻率更大，并且存在春夏連旱的風(fēng)險(xiǎn)。

2)從年尺度干旱站次比來(lái)看，河南省多發(fā)全域性干旱和局域性干旱。不同季節(jié)中，春、夏、秋三季干旱影響面積有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。夏旱多發(fā)區(qū)域性干旱，其他季節(jié)則多發(fā)全域性干旱。

3)年尺度干旱強(qiáng)度變化具有明顯周期性。春季、夏季、秋季、冬季四季干旱作用強(qiáng)度增強(qiáng)。