基于MCI指數(shù)的河南省夏玉米干旱時空變化特征分析

摘 要：該研究基于1961-2020年河南省87個氣象站點逐日氣象觀測資料，計算出了夏玉米生長季內(nèi)氣象干旱綜合指數(shù)（MCI），分析了河南省夏玉米生長季內(nèi)在不同干旱等級時空變化規(guī)律，結果表明：（1）夏玉米生長季內(nèi)平均氣溫呈東南高西部低、降水量呈西南高東北低的空間格局。（2）河南省夏玉米生長季內(nèi)總干旱日數(shù)平均約48.6 d，年際波動較大，空間上呈北高南低的帶狀分布。（3）輕、中、重、特旱日數(shù)年際波動程度依次增加，輕、中、重旱大致呈北高南低、特旱呈北高中低的格局。

關鍵詞：河南省;夏玉米;MCI;時空變化

中圖分類號：S513" 文獻標識碼：A" 文章編號：0488-5368（2024）10-0083-05

收稿日期：2023-12-30 修回日期：2024-02-07

作者簡介：王奇博（1989-），男，碩士，工程師，主要從事氣象觀測及農(nóng)業(yè)科學研究。

Analysis of Drought Spatiotemporal Characteristics of Summer "Maize in Henan Based on MCI Index

WANG Qibo

（Luoshan County Meteorological Bureau， Luoshan， Henan 464200， China）

Abstract： Based on the daily meteorological data from 87 meteorological stations in Henan Province from 1961 to 2020， the comprehensive meteorological drought index （MCI） during the 'summer maize' growing season was calculated in order to analyze the spatiotemporal patterns of different levels of drought during the summer maize growing season in Henan Province. The conclusions are as follows： （1） The average temperature during the summer maize growing season is higher in the southeast and lower in the northwest， while the precipitation follows a spatial pattern of higher in the southwest and lower in the northeast. （2） The average number of drought days during the summer maize growing season in Henan Province is about 48.6 days， with significant interannual fluctuations and a spatial distribution of higher in the north and lower in the south. （3） The interannual fluctuation of the number of days with light， medium， severe， and extreme drought increases in sequence. Light， medium， and severe drought generally show a trend of higher in the north and lower in the south， while extreme drought shows a distribution pattern of higher in the north and lower in the middle.

Key words：Henan Province; Summer maize; MCI; Spatiotemporal characteristics

引言

干旱是中國發(fā)生頻率最高、影響范圍最廣、持續(xù)時間最長的主要氣象災害之一，而農(nóng)業(yè)是氣候變化的高敏感行業(yè)，干旱對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟發(fā)展等帶來了嚴重的影響[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國每年因干旱造成的損失約占各種災害造成損失的15%以上[2]，干旱是河南危害最大、最主要的氣象災害[3]。全球變暖正在改變干旱發(fā)生范圍、持續(xù)時間和嚴重程度，未來也將改變其發(fā)生頻率和強度，這些變化對農(nóng)業(yè)造成的損失也越來越大[4，5]。因此，研究農(nóng)作物生長季內(nèi)干旱變化特征具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外學者已開發(fā)干旱監(jiān)測常用的指數(shù)有降水距平率、標準化蒸散指數(shù)等50多種，因地理差異性，各指標適用性不同。近年來許多學者對氣象干旱綜合指數(shù)（MCI）進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)其在干旱監(jiān)測方面區(qū)域適用性優(yōu)于其他指數(shù)，可根據(jù)MCI較好地開展干旱評估[6～9]。有研究表明，MCI指數(shù)可在一定程度上表征農(nóng)業(yè)干旱[10，11]，該指數(shù)對內(nèi)蒙古呼和浩特市、遼寧夏玉米干旱[12，13]、半干旱黃土高原

小麥[14]、吉林農(nóng)業(yè)干旱[15]等有較好的指示作用。

河南省位于中國中東部，以平原為主，地處中緯度的內(nèi)陸地區(qū)，氣候為亞熱帶向暖溫帶過度的大陸性季風氣候，主要的種植制度為一年兩熟，以冬小麥-夏玉米為主要農(nóng)作物，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，據(jù)2020年統(tǒng)計局統(tǒng)計河南省夏玉米種植面積占糧食總面積的35.55%，夏玉米總產(chǎn)占糧食總產(chǎn)的34.32%。河南省夏玉米生長季內(nèi)降水時空分布不均，干旱是影響夏玉米產(chǎn)量提升、穩(wěn)定的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。鑒于此，本研究基于MCI指數(shù)對河南省夏玉米生長季內(nèi)干旱的時空變化規(guī)律進行分析，以期為玉米生產(chǎn)趨利避害、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文選取河南省為研究區(qū)域（圖1），選用1961-2020年河南省夏玉米生長季（6～9月），且時間序列完整的87個氣象站點的逐日降水量、平均氣溫計算氣象干旱綜合監(jiān)測指數(shù)（MCI），數(shù)據(jù)來源于河南省氣象檔案館。

利用逐日氣象觀測數(shù)據(jù)計算河南省夏玉米生長季（6～9月）內(nèi)逐日氣象干旱指數(shù)（MCI），該指數(shù)考慮了60 d內(nèi)的有效降水、30 d內(nèi)蒸散及季尺度和近半年尺度降水的綜合影響，適用于作物生長季逐日氣象干旱的監(jiān)測和評估，計算公式見公式（1），計算方法見文獻[16]，MCI干旱等級劃分見表1。

MCI=a×SPIW-60+b×MI-30+CSPI-90+d×SPI-150"""""""""""" （1）$$

式中，SPIW-60為近60 d標準化降水指數(shù)，MI-30為近30 d濕潤度指數(shù)，CSPI-90和SPI-150分別為90 d和150 d標準化降水指數(shù)，a、b、c、d經(jīng)驗權重系數(shù)，隨地區(qū)和季節(jié)變動而改變。

2 結果與分析

2.1 河南省夏玉米生長季內(nèi)主要氣候資源特征分析

1961-2020年河南省夏玉米生長季內(nèi)平均氣溫在空間上東南高西部低的趨勢（圖2a），豫西北、豫東、豫南和與豫西南部分地區(qū)平均氣溫最高，分布在25.2～25.9 ℃之間；豫北、豫中、豫東、豫西南和豫南部分地區(qū)平均氣溫次高，在24.5～25.2 ℃之間；豫西南部分地區(qū)平均氣溫次低，在23.6～24.5 ℃之間；豫西南局部地區(qū)平均氣溫最低，為21.7～23.6 ℃。降水量呈西南高東北低的空間格局（圖2b），豫南局部地區(qū)降水量最多為640～734 mm；豫南大部分地區(qū)降水量次多，分布在540～640 mm之間；豫西南、豫中部分地區(qū)和豫東降水量次少，分布在440～540 mm之間；豫西南、豫中部分地區(qū)和豫北降水量最少為345～440 mm。

2.2 河南省夏玉米生長季內(nèi)干旱特征

1961-2020年河南省夏玉米生長季內(nèi)總干旱日數(shù)平均約48.6 d，干旱日數(shù)最多年份為1966年91.9 d，干旱日數(shù)最少年份為1998年為16.1 d。干旱日數(shù)多年變化趨勢不明顯（圖3），但年際波動較大，變異系數(shù)為40%。年代際間干旱日數(shù)不同，20世紀60年代平均干旱日數(shù)約54.3 d，70年代有所減少約44.7 d，80年代和90年代均有所增加，分別為46.1 d和48.2 d，21世紀初干旱日數(shù)最少為38.9 d，21世紀10年代最多為59.1 d。21世紀10年代干旱日數(shù)較21世紀初顯著增加，導致干旱發(fā)生頻率增加。

河南省夏玉米生長季內(nèi)總干旱日數(shù)空間上呈北高南低的帶狀分布（圖4）。豫北夏玉米生長季內(nèi)干旱日數(shù)最多，在52.3～57.0 d之間；豫西、豫中、豫東、豫西南干旱日數(shù)次多，分布在47.3～52.3 d之間；豫南干旱日數(shù)次少，在42.3～47.3 d之間，豫南局部干旱日數(shù)最少，在42.3 d以下。從空間上來看，夏玉米生長季內(nèi)干旱日數(shù)與降水分布類型相反，干旱的發(fā)生與降水有密切關系，河南省夏玉米主要生長在夏季，雖然降水量占全年降水量比值高，但降水時空分布不均，因此極易導致階段性、局地性干旱的發(fā)生。

2.3 河南省夏玉米生長季內(nèi)不同等級干旱特征

1961-2020年河南省夏玉米生長季內(nèi)不同等級干旱日數(shù)變化不同（圖5）。從多年平均值來看，輕旱日數(shù)約21 d，中旱日數(shù)約15.1 d，重旱日數(shù)約8.1 d，特旱日數(shù)約4.4 d；年際變化波動程度不同，輕、中、重、特旱日數(shù)年際波動程度依次增加，其變異系數(shù)分別為23%、42%、76%和1.42。輕旱日數(shù)呈弱增加趨勢，中、重旱日數(shù)呈弱減少趨勢，特旱日數(shù)增加趨勢不明顯。從年代際變化來看，20世紀70年代輕旱日數(shù)最多為21.8 d，其次是20世紀90年代為21.4 d，20世紀80年代最少為17.9 d，21世紀初次少為18.9 d。21世紀10年代中旱日數(shù)最多為18.2 d，其次是20世紀60年代為16.7 d，20世紀80年代最少為10.9 d，21世紀初次少為11.7 d。20世紀60年代重旱日數(shù)最多為11.5 d，其次是21世紀10年代為10.9 d，21世紀初最少為4.8 d，20世紀80年代次少為5.2 d。20世紀60年代特旱日數(shù)最多為6.9 d，其次是21世紀10年代為6.2 d，20世紀70年代最少為1.4 d，21世紀初次少為3.6 d。進入21世紀10年代，干旱日數(shù)顯著增多，重旱、特旱日數(shù)較輕旱、中旱占總干旱日數(shù)比值增多。由此可知，氣候變化背景下，干旱發(fā)生頻率、發(fā)生程度均有所增加。

1961-2020年河南省夏玉米生長季內(nèi)不同等級干旱日數(shù)空間分布特征不同（圖6）。輕旱日數(shù)大致呈北高南低空間特征（圖6a），豫西北、豫中、豫東部分地區(qū)和豫西南局部地區(qū)輕旱日數(shù)最多，分布在22.5～25.4 d之間；豫東北、豫西和豫西南大部分地區(qū)和豫東部分地區(qū)輕旱日數(shù)次多，分布范圍為20.5～22.5 d之間；豫南大部分地區(qū)輕旱日數(shù)次少，分布在18.5～20.5 d之間；豫南局部地區(qū)輕旱日數(shù)最少在16.5～18.5 d之間。

河南省夏玉米生長季內(nèi)中旱日數(shù)空間上北高南低（圖6b），豫北、豫中局部地區(qū)中旱日數(shù)最多，分布在17.3～19.3 d之間；豫北、豫西和豫西南大部分地區(qū)和豫東部分地區(qū)中旱日數(shù)次多，分布范圍為15.3～17.3 d之間；豫東部分地區(qū)、豫西南和豫南局部地區(qū)中旱日數(shù)次少，分布在13.3～17.3 d之間；豫南大部分地區(qū)中旱日數(shù)最少在11.1～13.3 d之間。

河南省夏玉米生長季內(nèi)重旱日數(shù)空間上大致呈北高南低的空間類型（圖6c），河南省局部地區(qū)重旱日數(shù)最多，分布在9.5～10.8 d之間；除豫南外的大部分分地區(qū)重旱日數(shù)次多，分布范圍為8.0～9.5 d之間；豫南大部分地區(qū)和河南省局部地區(qū)重旱日數(shù)次少，分布在6.5～8.0 d之間；豫南局部地區(qū)重旱日數(shù)最少在5.0～6.5 d之間。

河南省夏玉米生長季內(nèi)特旱日數(shù)空間上呈北高中低的空間格局（圖6d），豫北大部分地區(qū)、豫西和豫東部分地區(qū)特旱日數(shù)最多，分布在4.9～5.9 d之間；豫西南、豫中和豫東部分地區(qū)、豫南大部分地區(qū)次多，分布范圍為4.1～4.9 d之間；豫中和豫西南部分地區(qū)、豫南和豫東局部地區(qū)特旱日數(shù)次少，分布在3.3～4.1 d之間；豫西南局部地區(qū)特旱日數(shù)最少在2.5～3.3 d之間。

3 結論

本文基于1961-2020年河南省87個氣象站點逐日氣象觀測資料，計算夏玉米生長季內(nèi)氣象干旱綜合指數(shù)（MCI），根據(jù)MCI干旱等級劃分夏玉米生長季內(nèi)不同等級的干旱，分析河南省夏玉米生長季內(nèi)干旱時空變化規(guī)律，結論如下：

（1）河南省夏玉米生長季內(nèi)平均氣溫在空間上東南高西部低的趨勢，豫西北、豫東、豫南和與豫西南部分地區(qū)最高，豫西南最低。降水量呈西南高東北低的空間格局，豫南降水量最多，河南省西北部最少。

（2）河南省夏玉米生長季內(nèi)總干旱日數(shù)平均約48.6 d，多年變化趨勢不明顯，年際波動較大，變異系數(shù)為40%；年代間有差異，21世紀10年代干旱日數(shù)最多。空間上呈北高南低的帶狀分布，豫北干旱日數(shù)最多、豫南干旱日數(shù)最少。

（3）1961-2020年河南省夏玉米生長季內(nèi)輕、中、重、特旱日數(shù)分別為21 d、15.1 d、8.1 d和4.4 d，年際波動程度依次增加，時間變化均不明顯；不同等級干旱年代際變化不同，21世紀10年代干旱日數(shù)顯著增多。

（4）河南省夏玉米生長季內(nèi)不同等級干旱日數(shù)空間分布特征不同，輕、中、重旱大致呈北高南低趨勢，特旱呈北高中低分布格局。

降水是影響河南省夏玉米干旱最重要的因素，因而氣象干旱指標對于其干旱有著較好的指征意義，張存杰等[17]通過對比分析指出MCI能更好地反映出北方冬小麥的干旱特征。本文分析了河南省夏玉米生長季內(nèi)干旱發(fā)生規(guī)律，也可以結合夏玉米生產(chǎn)力水平、防災減災等因素進一步開展干旱綜合風險評估，可為農(nóng)業(yè)種植科學區(qū)劃、減少災害損失和提高防災減災能力等提供科學依據(jù)。

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