淄博市農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時(shí)空分布及對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

劉 巖，環(huán)海軍

（山東省淄博市氣象局，山東淄博 255000）

0 引言

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害一般是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中導(dǎo)致作物顯著減產(chǎn)的不利天氣或氣候異常的總稱[1]。全球氣候不斷變化，極端氣候?yàn)?zāi)害增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到更大挑戰(zhàn)[2-4]。近年來(lái)眾多學(xué)者針對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害開(kāi)展了各類(lèi)研究，趙婭君等[5]對(duì)中國(guó)1978—2018 年農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)中國(guó)災(zāi)害空間差異大；曹永強(qiáng)等[6]針對(duì)遼寧農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，分階段研究了災(zāi)害與糧食產(chǎn)量的相關(guān)性；劉玉汐等[7]對(duì)東北地區(qū)災(zāi)害結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，指出干旱和洪澇對(duì)東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大；王丹丹等[8]分析了中國(guó)全國(guó)7 大地理區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象受災(zāi)面積超越概率分布，指出全國(guó)旱災(zāi)受災(zāi)面積呈減少趨勢(shì)。

淄博市位于山東省中部，地勢(shì)趨勢(shì)南高北低，地形主要包括平原和山區(qū)，氣候多變，是自然災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)。據(jù)災(zāi)情資料記錄，冬季易發(fā)雪災(zāi)、凍害；春季氣溫波動(dòng)大，少雨多風(fēng)，干旱、倒春寒發(fā)生頻繁；夏季降水集中，多發(fā)暴雨、強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程；秋季降水較少，易發(fā)秋旱、連陰雨，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。目前尚未有針對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害變化特征的研究，本研究依據(jù)淄博地區(qū)1983—2020 年災(zāi)情資料以及糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析淄博市農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時(shí)空變化及其影響，以期提高氣象為農(nóng)服務(wù)水平，為淄博地區(qū)農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

1983—2020年淄博市農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)面積、成災(zāi)面積來(lái)源于淄博市民政局；播種面積、糧食產(chǎn)量、土地面積來(lái)源于淄博市統(tǒng)計(jì)局。定義農(nóng)作物產(chǎn)量減產(chǎn)10%(30%)以上面積為受災(zāi)面積（成災(zāi)面積）。受災(zāi)面積與總播之比為受災(zāi)率[9]。以災(zāi)害性天氣過(guò)程為時(shí)間單元，以8 個(gè)縣（區(qū)）為地域單元進(jìn)行災(zāi)情統(tǒng)計(jì)。當(dāng)有多種災(zāi)害造成的災(zāi)情數(shù)據(jù)且無(wú)法細(xì)分，按照致災(zāi)影響最大的災(zāi)種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其他伴隨災(zāi)害不再統(tǒng)計(jì)[10]。

1.2 分析方法

1.2.1 R/S 分析方 法R/S 分析是1965 年HURST 提出的一種非參數(shù)分析方法，可衡量時(shí)間序列自相似性和長(zhǎng)程相關(guān)性，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于氣候水文等領(lǐng)域[11-12]。本研究基于R/S（重標(biāo)極差）方法，計(jì)算Hurst指數(shù)和自相關(guān)系數(shù)來(lái)分析淄博主要?dú)庀鬄?zāi)害趨勢(shì)的未來(lái)變化趨勢(shì)。當(dāng)0.5＜H＜1 時(shí)，表明時(shí)間序列的變化具有持續(xù)性；當(dāng)0＜H＜0.5 時(shí)，表明時(shí)間序列具有反持續(xù)性；H=0.5，說(shuō)明序列前后是獨(dú)立的，無(wú)關(guān)聯(lián)性[12]。

1.2.2 灰色關(guān)聯(lián)法 灰色關(guān)聯(lián)法主要通過(guò)分析序列發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似程度來(lái)判斷聯(lián)系是否緊密，原理及步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[13-14]。本研究采用灰色關(guān)聯(lián)模型分析糧食產(chǎn)量與受災(zāi)率的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明因素間關(guān)系越密切；反之，則越不密切[13]。

1.2.3 其他方法 利用Excel 對(duì)氣象災(zāi)害受災(zāi)率進(jìn)行線性趨勢(shì)分析[15]；利用ArcGIS，采取自然斷點(diǎn)法作圖分析農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 淄博市氣象災(zāi)害類(lèi)型

1983—2020 年淄博市氣象災(zāi)情歷史數(shù)據(jù)記錄災(zāi)害共16種、累計(jì)671次，包括干旱、大風(fēng)、冰雹、暴雨洪澇、臺(tái)風(fēng)、雷電、低溫冷害、凍害、雪災(zāi)、龍卷、大霧、連陰雨、霜凍、干熱風(fēng)、森林草原火災(zāi)、颮線。其中對(duì)農(nóng)業(yè)造成嚴(yán)重影響的是干旱（發(fā)生次數(shù)占全部氣象災(zāi)害的29.8%）、大風(fēng)(18.8%)、冰雹(17.9%)、暴雨洪澇(10.1%)、臺(tái)風(fēng)(7.2%)、冷凍災(zāi)害（包括低溫冷害和凍害）(6.4%)。

2.2 各類(lèi)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害比重特征

為分析每年暴雨洪澇、干旱、大風(fēng)、冰雹、臺(tái)風(fēng)、冷凍災(zāi)害發(fā)生特征，統(tǒng)計(jì)各災(zāi)害受災(zāi)面積占當(dāng)年總受災(zāi)面積百分比進(jìn)行分析（見(jiàn)圖1）。由結(jié)果可知，1983—2020年干旱、冰雹、暴雨洪澇、大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、冷凍災(zāi)害年均受災(zāi)比重分別為45.46%、14.10%、13.82%、11.44%、8.05%、4.07%。其中干旱災(zāi)害在1989、1999、2000、2006、2014、2015 年比重均超過(guò)90%；冰雹災(zāi)害在1983、2004、2016 年比重超過(guò)60%。暴雨災(zāi)害比重較大年份為1996 年52.36%、2003 年65.72%、2013 年67.04%。大風(fēng)災(zāi)害比重較大年份為1984 年65.07%、2017年95.05%。臺(tái)風(fēng)和冷凍災(zāi)害比重相對(duì)較小，其中臺(tái)風(fēng)在2012年受災(zāi)比重65.50%、2018年59.54%、2019年60.97%。冷凍災(zāi)害比重較大年份為2020 年60.42%、2009年45.7%。

圖1 各類(lèi)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)面積百分比年際變化

2.3 主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率變化特征

2.3.1 干旱 干旱災(zāi)害在淄博地區(qū)受災(zāi)率最大，往往導(dǎo)致農(nóng)作物、果品等大面積減產(chǎn)，生產(chǎn)成本增加，一年四季都有發(fā)生[16]。由圖2可知，1983—2020年，干旱受災(zāi)率呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，下降速度為0.25%/a，平均受災(zāi)率為21.37%。20 世紀(jì)80 年代末、90 年代末和2000 年初干旱明顯，災(zāi)情嚴(yán)重，最大值出現(xiàn)在2002年，達(dá)20.3×104hm2。2009年以來(lái)為干旱偏少時(shí)段，受災(zāi)率均小于50%。38 a中有9 a未出現(xiàn)旱災(zāi)。

圖2 1983—2020年淄博干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風(fēng)受災(zāi)率變化趨勢(shì)

2.3.2 暴雨洪澇1983—2020年，暴雨洪澇受災(zāi)率呈不明顯下降趨勢(shì)，傾向率0.05%/a，平均受災(zāi)率4.25%。其中1996、2003、2009、2013 年受災(zāi)面積呈高峰，災(zāi)害較重，平均受災(zāi)面積達(dá)38194 hm2，最大值出現(xiàn)在1996年受災(zāi)面積60707 hm2，成災(zāi)面積48136 hm2。有12 a未出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。災(zāi)情資料顯示，淄博地區(qū)暴雨洪澇發(fā)生在4—10 月，暴雨易造成農(nóng)田積水、內(nèi)澇，造成農(nóng)作物大面積減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。

2.3.3 冰雹1983—2020 年，冰雹受災(zāi)率呈下降趨勢(shì)，傾向率0.07%/a，平均受災(zāi)率3.59%。2001、2004 年災(zāi)害較重，平均受災(zāi)面積達(dá)58.4×103hm。2006 年后受災(zāi)較輕。災(zāi)情資料顯示，冰雹災(zāi)害發(fā)生在4—10月；最重災(zāi)情為2004 年6 月17 日，淄川等地出現(xiàn)冰雹災(zāi)害，最大直徑達(dá)60 mm，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間15 min，農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)43142 hm2，成災(zāi)面積36142 hm2。1984、2010、2015、2019年未出現(xiàn)冰雹災(zāi)害。

2.3.4 大風(fēng)1983—2020年，淄博地區(qū)大風(fēng)受災(zāi)率整體呈下降趨勢(shì)，傾向率0.10%/a，平均受災(zāi)率3.21%。其中1984年災(zāi)情最重，災(zāi)情資料顯示1984年6月3日淄博市淄川區(qū)、張店區(qū)、臨淄區(qū)、周村區(qū)和桓臺(tái)縣出現(xiàn)大風(fēng)災(zāi)害，風(fēng)力8～9級(jí)，造成小麥倒伏、樹(shù)木折斷、房屋損壞、經(jīng)濟(jì)作物受災(zāi)，受災(zāi)面積達(dá)75.9×103hm2。其中有9 a未出現(xiàn)大風(fēng)災(zāi)害。大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生在3—9月。

2.3.5 其他災(zāi)害 影響淄博地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害還有冷凍災(zāi)害（包括低溫冷害和凍害）和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害等，2000年后發(fā)生頻次較多。冷凍災(zāi)害常發(fā)生在作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期，且災(zāi)后不易恢復(fù)[17]，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害破壞力較大，均給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

根據(jù)38 a 災(zāi)情資料統(tǒng)計(jì)，低溫冷害受災(zāi)較重年份有1987、2002、2009、2010、2020 年，各區(qū)縣均有發(fā)生，發(fā)生時(shí)間為3—5 月。凍害（霜凍害和寒潮凍害）發(fā)生較重年份為1987、2018、2020 年，主要發(fā)生在沂源、淄川、博山，其余年份凍害較輕或無(wú)凍害發(fā)生，發(fā)生時(shí)間在3—4 月和11—12 月。臺(tái)風(fēng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間為7—8月，共計(jì)受7個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程影響，分別出現(xiàn)在1992、1997、2005、2012、2018、2019 年，其中2019 年“利奇馬”臺(tái)風(fēng)致災(zāi)最重。

2.4 主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害空間分布

為消除區(qū)域土地面積差異影響，采用各區(qū)縣農(nóng)作物受災(zāi)面積與土地面積之比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析災(zāi)害的空間分布（圖3）。由圖可知，干旱災(zāi)害受災(zāi)最重區(qū)域位于高青、沂源，分別為10.5、9.6 hm2/km2，淄博市城區(qū)和桓臺(tái)地區(qū)受災(zāi)程度最輕，在5 hm2/km2以下。分析原因?yàn)楦咔喔乇戎卮蟆⒈┞抖雀?，風(fēng)險(xiǎn)較高；沂源南部山地水利條件差，災(zāi)情較重。暴雨洪澇災(zāi)害高青受災(zāi)最重為6.7 hm2/km2，淄博和淄川最輕，由于高青和桓臺(tái)地形低洼及境內(nèi)河流等影響，易出現(xiàn)大面積水澇災(zāi)害；大風(fēng)災(zāi)害桓臺(tái)和周村受災(zāi)最重，接近3.0 hm2/km2，博山受災(zāi)程度最輕；冰雹災(zāi)害高青地均受災(zāi)最重為3.0 hm2/km2，其次為淄川、臨淄等地，淄博市城區(qū)最輕為0.4 hm2/km2?？傮w來(lái)看，淄博市農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害空間分布不均，北部較重，尤其是高青、桓臺(tái)等地。

圖3 淄博市干旱(a)、暴雨洪澇(b)、大風(fēng)(c)、冰雹(d)災(zāi)害地均受災(zāi)面積空間分布

2.5 主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害持續(xù)性分析

利用R/S 方法，對(duì)淄博市4 類(lèi)主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率變化進(jìn)行持續(xù)性分析（圖4）。結(jié)果可知，4類(lèi)災(zāi)害受災(zāi)率Hurst指數(shù)均屬于(0，0.5)，差分序列的一階自相關(guān)系數(shù)C 均小于0，表明受災(zāi)率序列的變化具有長(zhǎng)程記憶，呈現(xiàn)反持續(xù)性特征。由于過(guò)去38 a 4 類(lèi)災(zāi)害受災(zāi)率均呈下降趨勢(shì)，未來(lái)變化為增加趨勢(shì)。根據(jù)Hurst指數(shù)分級(jí)，干旱災(zāi)害Hurst指數(shù)為0.3777，表明未來(lái)變化與過(guò)去明顯下降趨勢(shì)呈現(xiàn)較弱反持續(xù)性；暴雨洪澇Hurst指數(shù)為0.3441，對(duì)過(guò)去不明顯下降趨勢(shì)有較強(qiáng)反持續(xù)性；冰雹、大風(fēng)災(zāi)害Hurst指數(shù)分別為0.3193、0.4432，冰雹災(zāi)害較大風(fēng)災(zāi)害反持續(xù)性強(qiáng)。從結(jié)果來(lái)看，未來(lái)淄博市主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害呈發(fā)展趨勢(shì)，我們?nèi)孕柚匾暈?zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)的影響。

圖4 淄博市干旱(a)、暴雨洪澇(b)、大風(fēng)(c)、冰雹(d)受災(zāi)率R/S分析

2.6 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

從圖5可知，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平提高，糧食產(chǎn)量增加，氣候傾向率6.36×106t/10 a，受災(zāi)面積呈減小趨勢(shì)，氣候傾向率-13.08×103hm2/10 a。氣象災(zāi)害對(duì)糧食產(chǎn)量為負(fù)效應(yīng)影響，是造成糧食減產(chǎn)的重要因素，1989、1997、2002、2009 年受災(zāi)面積較大，糧食產(chǎn)量明顯減小，1990—1996、1998、2014—2018 年氣象災(zāi)害較少，糧食產(chǎn)量增加。

圖5 受災(zāi)面積、成災(zāi)面積及糧食產(chǎn)量年際變化

為分析各災(zāi)害對(duì)糧食產(chǎn)量的影響程度，以1983—2020 年及各年代淄博糧食產(chǎn)量為參考序列、4 類(lèi)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害相應(yīng)受災(zāi)面積為比較序列，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過(guò)關(guān)聯(lián)度分析得出：1983—2020 年4 類(lèi)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對(duì)糧食產(chǎn)量影響排序依次為干旱、大風(fēng)、暴雨洪澇和冰雹災(zāi)害。其中1983—1989 年影響最大的災(zāi)害為干旱和暴雨洪澇災(zāi)害；1990—1999年影響最大的是干旱和冰雹災(zāi)害；2000—2009年影響最大的是大風(fēng)和干旱災(zāi)害；2010—2020 年影響最大的是干旱和大風(fēng)災(zāi)害?？梢?jiàn)，干旱災(zāi)害一直是影響淄博糧食產(chǎn)量的主要災(zāi)害，其次是大風(fēng)和暴雨洪澇災(zāi)害，見(jiàn)表1。

表1 淄博糧食總產(chǎn)量與主要?dú)庀鬄?zāi)害的灰色關(guān)聯(lián)度分析

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究基于1983—2020 年淄博市農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害災(zāi)情資料和糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析了災(zāi)害時(shí)空演變及與糧食產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度。得出主要結(jié)論如下。

淄博市歷史數(shù)據(jù)記錄災(zāi)害共16種、累計(jì)671次，出現(xiàn)頻次最多的是干旱、大風(fēng)、冰雹、暴雨洪澇、臺(tái)風(fēng)、冷凍災(zāi)害，受災(zāi)面積比重分別為45.46%、11.44%、14.10%、13.82%、8.05%、4.07%。2000年以后冷凍和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害發(fā)生比重增加。

4 類(lèi)主要?dú)庀鬄?zāi)害受災(zāi)率均呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，干旱災(zāi)害20 世紀(jì)80 年代末、90 年代末和2000 年初受災(zāi)面積較大，2002年災(zāi)情最重，一年四季均可能發(fā)生；暴雨洪澇受災(zāi)率波動(dòng)較大，呈不明顯下降趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在1996 年，災(zāi)害發(fā)生時(shí)間為4—10 月；冰雹災(zāi)害2001、2004 年較重，2006 年后受災(zāi)較輕，發(fā)生在4—10月。大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生在3—9月，1984年受災(zāi)最重?？臻g分布呈現(xiàn)不同規(guī)律，干旱災(zāi)害受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域位于高青、沂源；暴雨洪澇災(zāi)害高青和桓臺(tái)受災(zāi)最大；大風(fēng)災(zāi)害桓臺(tái)和周村受災(zāi)最重；冰雹災(zāi)害高青地均受災(zāi)最重。未來(lái)淄博市4類(lèi)主要?dú)庀鬄?zāi)害發(fā)生趨勢(shì)呈不同程度的相反態(tài)勢(shì)，即轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)。

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的受災(zāi)面積、成災(zāi)面積直接影響糧食產(chǎn)量，通過(guò)關(guān)聯(lián)度分析得出，影響程度由高到低為干旱、大風(fēng)、暴雨洪澇、冰雹災(zāi)害。

3.2 討論

研究期內(nèi)淄博地區(qū)主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害呈下降趨勢(shì)，這與前人關(guān)于全國(guó)及其他地區(qū)的研究結(jié)論[18-19]基本一致，分析原因?yàn)榻鼛啄陚€(gè)別年份自然災(zāi)害發(fā)生少，同時(shí)災(zāi)害抗御加強(qiáng)，有效減輕了災(zāi)情。但是分析發(fā)現(xiàn)冷凍災(zāi)害和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害比重有增加跡象，致災(zāi)強(qiáng)度大，不容忽視[20-23]。

灰色關(guān)聯(lián)法不要求樣本量的多少和有無(wú)規(guī)律性，可較好的識(shí)別關(guān)鍵災(zāi)害[24]?；?8 a的產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，災(zāi)害性天氣直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，干旱災(zāi)害對(duì)糧食產(chǎn)量影響最大，其次是大風(fēng)、暴雨洪澇災(zāi)害，這與于小兵等[25]的研究結(jié)論一致；雖然近年來(lái)受災(zāi)率呈下降趨勢(shì)，但研究計(jì)算出未來(lái)災(zāi)害發(fā)生存在反持續(xù)性，由于方法自身限制，未來(lái)趨勢(shì)持續(xù)時(shí)間還需進(jìn)一步研究?？傊?，面對(duì)未來(lái)氣候變化的不確定，積極應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提高災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力，重點(diǎn)防御干旱、洪澇、大風(fēng)等關(guān)鍵災(zāi)害，完善水利工程建設(shè)、加強(qiáng)大風(fēng)預(yù)報(bào)研究等，有效保障魯中地區(qū)糧食安全。

本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，客觀分析了淄博農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時(shí)空演變特征，同時(shí)在一定程度上揭示了各災(zāi)害對(duì)糧食產(chǎn)量的影響大小，可對(duì)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供有益的幫助。但本研究還處于基礎(chǔ)階段，因數(shù)據(jù)資料有限，尚不能全面分析氣象災(zāi)害對(duì)淄博農(nóng)業(yè)的影響；此外糧食產(chǎn)量變化的影響因素極其復(fù)雜，有待進(jìn)一步探討。