湖南省不同作業(yè)期人工增雨的需求探析

高 沁，汪 玲，李 瓊，劉寶光，李敬哲，徐冬英，唐 林

（1.湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，長(zhǎng)沙410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410118；3.湘西自治州氣象局，湖南 吉首416000）

引言

湖南地貌形態(tài)復(fù)雜多樣，處在東南季風(fēng)和西南季風(fēng)相交的典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水年際變率大，時(shí)空分配不均［1］。每年在前汛期（4—6 月）結(jié)束后，受西太平洋副熱帶高壓控制，氣流下沉、天氣晴熱高溫，容易出現(xiàn)夏秋季干旱，其中7 月最多，湖南等地區(qū)發(fā)生最為頻繁［2］。近年來(lái)，全球氣候變化背景下，嚴(yán)重旱災(zāi)發(fā)生的頻率明顯增加［3］，氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響的研究一直是氣候變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量有重要影響［4－6］。嚴(yán)重干旱可造成農(nóng)作物水分大量虧缺，導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育不良而減產(chǎn)，甚至作物干死絕收［7］；農(nóng)業(yè)干旱密切影響長(zhǎng)江中下游糧食產(chǎn)量，關(guān)系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。高溫干旱疊加等因素影響下，容易引起森林火災(zāi)、大氣污染［8-9］，同時(shí)也對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。湖南是農(nóng)業(yè)大省，森林覆蓋率達(dá)59.96%，洞庭湖濕地在湖南省自然生態(tài)系統(tǒng)中，具有生物多樣性和較高生產(chǎn)力、重要環(huán)境調(diào)節(jié)功能的作用。近年來(lái)圍繞農(nóng)業(yè)抗旱、森林防火和生態(tài)保護(hù)服務(wù)是湖南省開(kāi)展人工增雨作業(yè)的主要任務(wù)，并將森林防滅火人工增雨作業(yè)納入常規(guī)和應(yīng)急保障服務(wù)。圍繞這些任務(wù)，樊志超等［10］對(duì)湖南一次重大森林火災(zāi)積層混合云人工增雨作業(yè)條件和效果分析做了研究，自2017 年起專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)展秋冬季降低森林火險(xiǎn)等級(jí)飛機(jī)人工增雨作業(yè)。劉可群等［11］利用8 年EOS－MODIS 數(shù)據(jù)分析了洞庭湖水體面積變化與流域面雨量、降水等相關(guān)因子的關(guān)系。胡金金等［12］利用2000—2014Terra／MODIS 數(shù)據(jù)研究了洞庭湖水體面積年內(nèi)和年際變化規(guī)律。前人已對(duì)不同天氣類(lèi)型人工增雨作業(yè)、人影天氣模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)和人工增雨作業(yè)效果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)與分析［13－15］。研究顯示，濕地的恢復(fù)最主要的因素就是增加洞庭湖區(qū)域的地表水，而人工增雨是目前獲取水資源最直接的途徑之一［16］。

為掌握湖南省農(nóng)業(yè)抗旱、森林防火滅火和濕地生態(tài)保護(hù)人工增雨作業(yè)期需求，從湖南主要農(nóng)作物種植區(qū)域及其生育期需水量、森林火災(zāi)時(shí)空變化特征以及洞庭湖濕地水域面積的變化規(guī)律出發(fā)，探討不同作業(yè)期人工增雨的需求，進(jìn)一步為湖南省科學(xué)高效開(kāi)展人工增雨作業(yè)提供依據(jù)。

1 資料與方法

水稻、油菜、棉花作物發(fā)育期資料來(lái)自文獻(xiàn)［7，17-18］，因?yàn)樽魑锼峙R界期是水分缺乏或過(guò)多對(duì)產(chǎn)量影響最大的時(shí)期，而其前后臨近時(shí)段（一般取水分臨界期前后3 旬）也是對(duì)作物產(chǎn)量影響較大的時(shí)期（簡(jiǎn)稱(chēng)為“臨界前期”和“臨界后期”），所以選取作物生育時(shí)期中作物需水臨界期及其前后時(shí)段，作為全面分析影響作物產(chǎn)量的主要時(shí)段［17-18］。油菜是跨年作物，冬前生長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)量也有一定影響，因此增加冬前生育期。

林火資料來(lái)自湖南省林業(yè)廳提供的2008—2017 年森林火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，洞庭湖水體面積資料來(lái)自國(guó)家衛(wèi)星中心提供的1989—2018 年遙感監(jiān)測(cè)逐月數(shù)據(jù)。

利用上述有關(guān)數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析有關(guān)要素的時(shí)間變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)抗旱需求

湖南省主要農(nóng)作物的需水生育階段見(jiàn)表1。

表1 湖南省主要農(nóng)作物需水生育階段

2.1.1 水稻

湖南雙季稻種植主要分布于雪峰山脈以東的丘陵平原和中低海拔山地，湘西僅在部分低海拔河谷盆地有少量種植。目前，湖南雙季稻主要種植（面積＞1 萬(wàn)hm2）在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭、衡陽(yáng)、邵陽(yáng)、岳陽(yáng)、常德、益陽(yáng)、郴州、永州、懷化、婁底等市的58 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)；中稻種植主要分布于湘西、湘南中海拔山區(qū)，湘中、湘東部分山區(qū)也有少量種植。一季晚稻主要分布在湘中及其以北。目前，湖南中稻和一季晚稻主要種植在張家界、湘西自治州、懷化、邵陽(yáng)、婁底、益陽(yáng)、常德、岳陽(yáng)、長(zhǎng)沙等市（州）的31 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)［7］。

湖南水稻生育期約130～160d。按表1 的需水生育階段劃分，早稻需水生育期為5 月下旬至7 月，晚稻需水生育期為8 月至10 月，中稻需水生育期為5月下旬至8 月［17-18］。湖南省以秋旱最多，夏秋連旱次之，根據(jù)水稻生育階段對(duì)水分的需求，7—10 月是湖南省水稻人工增雨抗旱的主要階段，作業(yè)區(qū)域根據(jù)干旱情況可覆蓋全省。

2.1.2 油菜

湖南省共有38 個(gè)油菜重點(diǎn)縣，有17 個(gè)位于洞庭湖區(qū)，占全省油菜種植面積的40%，菜籽產(chǎn)量占全省總產(chǎn)量的50%，衡陽(yáng)盆地和湘西北兩地為油菜種植優(yōu)勢(shì)區(qū)［7］。

油菜在田間適宜水分和溫度條件下，播種后3～5d 即可出苗。油菜需水關(guān)鍵期干旱會(huì)造成油菜出苗率低、生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)量降低等影響。根據(jù)油菜生育階段和需水生育期特點(diǎn)［17-18］，油菜需水生育期為10 月中下旬到4 月。湖南省主雨季從4 月的第2 候開(kāi)始［19］。因此，針對(duì)油菜開(kāi)展農(nóng)業(yè)增雨抗旱的主要階段為10月中下旬到次年3 月，主要作業(yè)區(qū)域?yàn)橄嬷幸员焙秃怅?yáng)地區(qū)。

2.1.3 棉花

湖南省主產(chǎn)棉區(qū)集中在洞庭湖區(qū)的常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)三市和衡陽(yáng)盆地［7］。

湖南省棉花主要需水生育期為6 月中旬—8月。棉花因蒸騰作用大，干旱對(duì)棉花的產(chǎn)量、品質(zhì)影響大［17-18］。湖南省針對(duì)棉花開(kāi)展農(nóng)業(yè)增雨抗旱的主要階段為6 月中旬—8 月，主要作業(yè)區(qū)域?yàn)槎赐ズ^(qū)和衡陽(yáng)地區(qū)。

2.2 森林防火需求

湖南省林業(yè)用地面積1.2998×107hm2，森林蓄積量達(dá)6.18×108m3。湖南省東、西、南三面山地環(huán)繞，武陵山區(qū)、雪峰山脈、南嶺山脈和羅霄山脈等山區(qū)森林覆蓋量多在75%以上。全省122 個(gè)縣（市、區(qū)）中有95 個(gè)縣（市、區(qū)）屬于國(guó)家森林火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，屬南方森林防火重點(diǎn)區(qū)域。氣候變化和社會(huì)發(fā)展加劇了森林火災(zāi)的影響程度［20］，森林防火滅火需求強(qiáng)盛。通過(guò)對(duì)2008—2017 年湖南省森林火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)十年來(lái)森林火災(zāi)次數(shù)和過(guò)火面積均呈明顯減少的趨勢(shì)（圖1），特別是2015—2016 年，火災(zāi)總次數(shù)為十年最低，分別為51 次和65 次，2017 年森林火災(zāi)次數(shù)有所反彈，出現(xiàn)334 次火災(zāi)。

圖1 湖南省森林火災(zāi)年際變化

從湖南森林火災(zāi)月際變化可以看出（圖2），湖南一年四季均有火災(zāi)發(fā)生，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，年內(nèi)變化幅度較大，2－4 月是年內(nèi)森林火災(zāi)面積最大及火災(zāi)次數(shù)最多的時(shí)段，10 月至次年1 月為火災(zāi)第二高發(fā)階段，8 月份火災(zāi)受災(zāi)面積僅次于1－4 月份。郭海峰等［21］統(tǒng)計(jì)分析了湖南歷年森林火災(zāi)對(duì)應(yīng)同期天氣條件，指出溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度和降雨量等因子不同取值范圍對(duì)森林火災(zāi)的影響不同，日降雨量大于2mm 時(shí)，森林火災(zāi)很少發(fā)生，而低于0.3mm時(shí)，森林火災(zāi)則很容易發(fā)生。湖南盛夏高溫少雨、秋季干燥少雨、冬季降雨強(qiáng)度弱，這些都是造成盛夏及秋冬季火災(zāi)發(fā)生頻次較高、受災(zāi)面積較大的自然因素。2—4 月森林火災(zāi)頻次及面積急劇擴(kuò)大，更大可能是跟春節(jié)及清明前后的人為活動(dòng)有關(guān)。

圖2 湖南省森林火災(zāi)月際變化

2008—2017 年湖南森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)及火災(zāi)面積（見(jiàn)圖3）在全省分布不均，邵陽(yáng)市、郴州市、永州市、懷化市火災(zāi)次數(shù)位于前四位，其中邵陽(yáng)市火災(zāi)次數(shù)最多，平均每年有206 次火災(zāi)，占全省18.69%，其次是郴州市有118 次火災(zāi)，占全省10.72%。森林火災(zāi)受災(zāi)面積永州市最大，占全省18.66%，懷化市火災(zāi)面積居第二，占全省16.39%，郴州火災(zāi)面積居第三，占全省14.65%，邵陽(yáng)市火災(zāi)面積居第四，占全省12.63%。

圖3 2008—2017 年湖南各市州森林火災(zāi)及火災(zāi)面積分布情況

近十年來(lái)湖南省森林火災(zāi)次數(shù)和過(guò)火面積均呈明顯減少的趨勢(shì)；2—4 月是年內(nèi)森林火災(zāi)面積最大及火災(zāi)次數(shù)最多的時(shí)段，10 月—次年1 月為火災(zāi)第二高發(fā)階段，8 月份火災(zāi)受災(zāi)面積僅次于1—4 月份，湖南省森林火災(zāi)高發(fā)時(shí)段在每年春節(jié)和清明節(jié)的前后、秋冬季及盛夏。2008—2017 年湖南省森林火災(zāi)地域差異大，森林火災(zāi)的發(fā)生受諸多因素影響。因此，應(yīng)選擇8 月、10 月份—次年4 月份在湖南省林區(qū)開(kāi)展人工增雨作業(yè)以降低森林火險(xiǎn)等級(jí)，在邵陽(yáng)、郴州、永州、懷化等四個(gè)火災(zāi)高發(fā)市州選擇其火災(zāi)高發(fā)月份重點(diǎn)開(kāi)展增雨作業(yè)。

2.3 洞庭湖濕地生態(tài)保護(hù)需求

圖4 給出了近30a 洞庭湖水體面積的月際變化規(guī)律。可以看出，洞庭湖水體面積呈單峰型曲線分布，其月際變化主要分為兩個(gè)時(shí)期：11 月至次年4月水體面積較小，為枯水期；5 月至10 月較大，為豐水期，其中7 月份湖區(qū)水體面積達(dá)到最大值，為1 840km2，1 月份水體面積最小，為463km2，兩者相差約1400km2，由此可反映出洞庭湖水體面積在1 年內(nèi)隨季節(jié)變化很大。

圖4 1989—2018 年洞庭湖水體面積月際變化

從近30a 洞庭湖水體面積的年際變化（圖5）可知，湖區(qū)水體面積存明顯的年際變化，其中，1996 年和1998 年洞庭湖水體面積為近30a 來(lái)峰值，分別為1258km2和1281km2，2006 年和2011 年湖區(qū)水體面積為近30a 來(lái)的谷底，分別僅737km2和771km2。洞庭湖區(qū)發(fā)生干旱的次數(shù)并不少，大多出現(xiàn)在春冬時(shí)節(jié)的枯水期，災(zāi)情較輕。但2006 年和2011 年的旱災(zāi)均發(fā)生在豐水期，2006 年旱災(zāi)出現(xiàn)在7—8 月，洞庭湖面積急劇縮減，使其提前進(jìn)入枯水期，2011 年則發(fā)生在6 月，出現(xiàn)“退水為洲”的現(xiàn)象。近30a 洞庭湖水體面積的年代際變化整體呈現(xiàn)“多—少—多”的變化，20 世紀(jì)90 年代湖區(qū)水體面積最大，平均達(dá)1062km2，進(jìn)入21 世紀(jì)后，前十年的水體面積顯著減少，平均值只有971km2，而近10a，水體面積又明顯增加，甚至接近于上世紀(jì)90 年代水平。

圖5 1989—2018 年洞庭湖水體面積年際變化

干旱使洞庭湖濕地缺水，對(duì)濕地生物多樣性和生態(tài)平衡造成很大影響。根據(jù)洞庭湖水域變化特征，一般情況下選擇在洞庭濕地枯水期11 月至次年4月，以及異常氣候年的干旱時(shí)段開(kāi)展人工增雨作業(yè)，以保護(hù)洞庭湖濕地生態(tài)環(huán)境。

綜上，針對(duì)農(nóng)業(yè)抗旱、森林火險(xiǎn)和生態(tài)保護(hù)需求，湖南省開(kāi)展人工增雨主要作業(yè)期及作業(yè)區(qū)域見(jiàn)下表2。

表2 湖南省農(nóng)業(yè)抗旱、森林火險(xiǎn)和生態(tài)保護(hù)人工增雨主要作業(yè)期及作業(yè)區(qū)域

3 結(jié)論

從湖南農(nóng)業(yè)抗旱、森林防火和生態(tài)保護(hù)三個(gè)方面，分析了主要農(nóng)作物的種植區(qū)域和生育期需水期、森林火災(zāi)變化規(guī)律和洞庭湖濕地水域面積變化規(guī)律，探討了湖南省開(kāi)展人工增雨作業(yè)的不同需求，并得到如下結(jié)論：

（1）針對(duì)水稻人工增雨抗旱作業(yè)的主要時(shí)期為7—10 月，作業(yè)區(qū)域根據(jù)干旱情況可覆蓋全?。会槍?duì)油菜開(kāi)展作業(yè)的主要階段為10 月中下旬—次年3月，主要作業(yè)區(qū)域?yàn)橄嬷幸员焙秃怅?yáng)地區(qū)；針對(duì)棉花開(kāi)展作業(yè)的主要階段為6 月中旬—8 月，作業(yè)區(qū)域?yàn)槎赐ズ^(qū)和衡陽(yáng)地區(qū)。

（2）2008—2017 年湖南森林火災(zāi)次數(shù)和受災(zāi)面積均呈明顯減少趨勢(shì)。2—4 月是湖南省森林火災(zāi)面積最大及火災(zāi)次數(shù)最多的時(shí)段，10 月至次年1 月為火災(zāi)第二高發(fā)階段，8 月份火災(zāi)受災(zāi)面積僅次于1—4 月份，選擇8 月、10 月到次年4 月份在邵陽(yáng)、郴州、永州、懷化四個(gè)火災(zāi)高發(fā)市州，開(kāi)展人工增雨作業(yè)以降低森林火險(xiǎn)等級(jí)。

（3）近30a 洞庭湖水域面積存在明顯月際、年際、年代際變化，年代際變化整體呈現(xiàn)“多—少—多”的變化規(guī)律。11 月至次年4 月為枯水期，5 月至10月為豐水期，極端干旱年份洞庭湖在豐水期也出現(xiàn)“退水為洲”現(xiàn)象。選擇在枯水期11 月至次年4 月、異常氣候年份豐水期的干旱時(shí)段開(kāi)展人工增雨作業(yè)以保護(hù)洞庭濕地生態(tài)環(huán)境。