番聰聰, 胡正華, 黃 進(jìn), 申雙和, 尤新媛
(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/大氣環(huán)境中心,江蘇南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044)
干旱是指在一定時期內(nèi)無降水或降水量偏少引起土壤水分虧缺,從而不能滿足作物正常生長所需水分的一種氣候現(xiàn)象[1]。干旱具有普遍性和危害性,據(jù)統(tǒng)計,全球范圍內(nèi)氣象災(zāi)害引起的損失約占自然災(zāi)害總損失的85%,其中干旱造成的災(zāi)損占50%左右[2]。中國作為農(nóng)業(yè)大國,干旱已成為當(dāng)前最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害,每年平均干旱受災(zāi)面積約為2.2×107hm2,占各類災(zāi)害的40%以上,糧食損失達(dá)到1.2×1010kg[3-4],探究干旱的特征及干旱對農(nóng)作物的影響很有實(shí)際意義與價值。
IPCC第5次評估報告指出,未來氣溫將繼續(xù)上升,而中緯度地區(qū)的平均降水將減少,會使干旱發(fā)生頻繁[5-6]。河北省位于中緯度,面對嚴(yán)峻的干旱形勢,對干旱進(jìn)行監(jiān)測就顯得十分必要。在干旱時空動態(tài)的監(jiān)測方法中,氣象指數(shù)法具有一致性高、計算簡便快捷、對干旱反應(yīng)靈敏、時間尺度靈活、數(shù)據(jù)易獲取等優(yōu)點(diǎn),在我國干旱研究中被廣泛應(yīng)用。其中指數(shù)SPI,采用降水量(干旱形成中的決定性因素)來計算干旱狀況,不僅計算過程簡便,而且對干旱反應(yīng)敏捷,標(biāo)準(zhǔn)化后在不同區(qū)域和不同時間尺度上都具有可比性[7-8]。其中,Guttman通過對比帕爾默干旱指數(shù)(Palmer drought severity index,PDSI)和SPI,得出SPI比PDSI更具有統(tǒng)計上的一致性[9]。Wu等研究表明,降水序列時間尺度越長,SPI的結(jié)果越可靠,在干旱氣候條件下,應(yīng)更注重干旱持續(xù)時間,不再只是關(guān)注干旱強(qiáng)度[10]。袁文平等對我國不同氣候區(qū)的SPI及Z指數(shù)進(jìn)行比較,得出SPI消除了降水的時空分布差異,在各區(qū)域和各尺度均能很好地反映旱澇狀況,優(yōu)于廣泛應(yīng)用的Z指數(shù)的結(jié)論[11]。張利利等在石羊河流域的研究得出,不同時間尺度SPI對降水量變化的敏感程度存在較大差異,時間尺度越小,SPI對一次降水的反應(yīng)越明顯[12]。張建平等在西南地區(qū)的研究表明,月尺度的SPI指數(shù)與干土壤濕度相關(guān)性明顯,與氣象類干旱監(jiān)測指數(shù)Pa和MI也都呈顯著性相關(guān)[13]。車少靜等利用SPI分析了河北省旱澇時空變化分布特征,從年際和季節(jié)角度分析了旱澇狀況[14]。閆峰等則基于柵格尺度的SPI對河北省的干旱時空分布特征進(jìn)行了刻畫[15]。本研究選取54年的SPI作為干旱指標(biāo),用來反映干旱特征。
雖然基于SPI指數(shù)的干旱研究眾多,但大多數(shù)研究使用的SPI尺度為3個月(季節(jié)尺度)或12個月(年尺度),本研究則使用1個月尺度的SPI值,討論在短時間尺度上SPI指數(shù)的適用性,及其表現(xiàn)出的干旱特征。在驗(yàn)證SPI指數(shù)的適用性上,很多研究均為2種或多種干旱指數(shù)相互比較[16-19],并未與實(shí)際干旱情況作對比。短時間尺度的SPI指數(shù)能更好地反映短時降水等對農(nóng)作物的影響,這樣的干旱情況能更好地與農(nóng)作物的水分關(guān)鍵期相結(jié)合,因此本研究選取短時間尺度的SPI。研究區(qū)域?yàn)楹颖笔。靥幦A北平原北部,大陸性季風(fēng)氣候使得該省旱澇災(zāi)害頻發(fā)。特別是20世紀(jì)80年代以來,由于氣候變化極端氣象事件增多,干旱發(fā)生越發(fā)頻繁。根據(jù)相關(guān)資料,河北省每年的受旱面積平均達(dá)到238.3萬hm2。河北省為夏玉米的主要種植省份,玉米是其第二大糧食作物,干旱災(zāi)害會嚴(yán)重威脅到糧食安全,對該區(qū)域夏玉米生長季內(nèi)的干旱研究具有重要意義。本研究將基于1個月尺度的SPI值,用實(shí)際的干旱情況驗(yàn)證短時間尺度的SPI的適用性,研究河北省夏玉米生長季(6—9月)的干旱時空分布特征,將干旱的描述更加精細(xì)化,同時分析研究區(qū)域的干旱變化趨勢,為今后的干旱災(zāi)害評估做準(zhǔn)備,并針對夏玉米這一作物,探究SPI與其生長之間的關(guān)系,結(jié)合干旱特征為保障該區(qū)域的糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。
河北省位于113°27′~119°50′E,36°05′~42°40′N之間,總面積1 885萬hm2。冬季寒冷干燥,夏季炎熱濕潤,降水量分布特點(diǎn)為東南多西北少,降水主要集中在夏季,且主要為暴雨形式,旱澇災(zāi)害頻繁,干旱已成為當(dāng)?shù)氐闹饕獨(dú)庀鬄?zāi)害。
本研究采用的數(shù)據(jù)來自于河北省19個地面氣象站點(diǎn)1961—2014年的氣象資料,站點(diǎn)分布見圖1。夏玉米1980—2011年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自于河北省19個農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)。1995—2014年受災(zāi)面積數(shù)據(jù)來自于河北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒。

1.2.1 SPI指數(shù) SPI是由Mckee等在1993年創(chuàng)建的干旱指標(biāo),主要從降水量的角度來量化干旱。首先假設(shè)某一時段的降水量服從Gamma概率,再通過正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化,然后使用近似式計算最終得到SPI值。SPI的計算方法具體參見文獻(xiàn)[20]。本研究選取的是1個月短時間尺度的SPI,代表區(qū)域短時間內(nèi)的水分盈虧情況,能夠較好地反映農(nóng)作物的水分供給狀況。
干旱等級劃分參照Mckee等干旱等級標(biāo)準(zhǔn)[21](表1)。SPI≤-1.0為干旱發(fā)生臨界界值。

表1 SPI等級分類
1.2.2 干旱評估指標(biāo)
1.2.2.1 干旱頻率(Pi)Pi用來表征站點(diǎn)有資料年份內(nèi)發(fā)生干旱頻繁程度[22],可用以下公式表示:
Pi=(n/N)×100%。
(1)
式中:n為發(fā)生干旱的年數(shù);N為站點(diǎn)有氣象資料的總年數(shù);i指代不同站點(diǎn)代號。
1.2.2.2 干旱站次比(Pj)Pj是以某區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生站點(diǎn)數(shù)占全部站數(shù)的比例來評價干旱影響范圍的大小,能表示一定區(qū)域里干旱發(fā)生范圍的大小,計算公式如下:
Pj=(m/M)×100%。
(2)
式中:m為發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù),M為研究區(qū)域內(nèi)總氣象站點(diǎn)數(shù),j指不同年份代號。
1.2.2.3 較差值z為量化2組數(shù)據(jù)差異的一個統(tǒng)計數(shù),計算公式如下:
z=(ke/E-kf/F)/(ke/E)。
(3)
式中:ke為受災(zāi)面積,kf為12個月的干旱站次比總和;E為受災(zāi)面積的閾值,F(xiàn)為站次比的閾值。
1.3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法 干旱變化趨勢及顯著性采用氣象學(xué)中常用的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)(簡稱MK檢驗(yàn)),對SPI指數(shù)的時間序列進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)。MK檢驗(yàn)是一種檢驗(yàn)時間序列變化趨勢的非參數(shù)檢驗(yàn)方法,由于允許缺測值存在,且不用證明數(shù)據(jù)服從一定的分布,使用方便[23]。
1.3.2 反距離權(quán)重插值法 在ArcGIS中利用空間分析(spatial analysis)模塊,通過反距離權(quán)重(inverse distance weighted,IDW)插值法繪制出干旱頻率的空間分布圖。其中,IDW是一種常見、易于操作的空間插值方法,以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均,離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。
1.3.3 相關(guān)性分析 運(yùn)用SPSS軟件對19個站點(diǎn)1980—2011年的SPI與夏玉米產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析。
2.1.1 干旱站次比時間變化 站次比能夠代表研究區(qū)域的干旱發(fā)生范圍,將整年發(fā)生干旱的站次比與統(tǒng)計年鑒中對應(yīng)年的干旱受災(zāi)面積進(jìn)行對比,討論1個月尺度的SPI在河北省的適用性。從圖2中可以看出,河北省1995—2014年干旱受災(zāi)面積與計算出的干旱站次比的變化趨勢大致相同。其中,2000、2006—2012年等站次比表征的干旱范圍與實(shí)際受災(zāi)面積出入略大,總體上2005年前變化趨勢更相近,而2005—2014年二者雖然趨勢相似,但站次比的情況比實(shí)際受災(zāi)面積更嚴(yán)重些。為了量化對比二者間的差異,將受災(zāi)面積與SPI值分別除以其自身閾值,得到的比值求差再除以受災(zāi)面積的比值,得到歸一化后的較差值進(jìn)行分析。較差值z越小說明二者間變化差異越相近,其中2001—2003年的數(shù)值小于0.1,變化十分相近。且除了2011、2012年的數(shù)值小于 -1,其余的都在-1.9和0.6之間波動。所以1個月尺度的SPI值能夠反映出河北省干旱情況,有較好的適用性。
將6—9月的干旱站次比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,夏玉米生長季內(nèi)站次比的年平均值為15.8%,最大站次比出現(xiàn)在2000年,1973年則沒有干旱發(fā)生。1961—2014年6—9月各個月發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)分別為162、168、167、151,表明每個月發(fā)生干旱的范圍面積相差不大,均在25%左右。

2.1.2 干旱發(fā)生次數(shù)時間變化 基于SPI值,整理出1961—2014年河北省發(fā)生不同等級干旱的次數(shù)(圖3)。在干旱類型分布中,中旱占比最高,為57%,重旱占27%,極端干旱發(fā)生次數(shù)最少,為16%,越嚴(yán)重的干旱發(fā)生的次數(shù)越少。從年際變化來看,干旱發(fā)生次數(shù)沒有明顯的規(guī)律。以年代際干旱發(fā)生均次來分析,20世紀(jì)60、70、80年代干旱發(fā)生均次為 11.9、10.9、11.9次;20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)10年代則達(dá)到13.9、14.1次,20世紀(jì)90年代后干旱發(fā)生明顯增多,干旱形勢越發(fā)嚴(yán)峻。

2.2.1 干旱頻率分布特征 從圖4可以看出,河北省1961—2014年6—9月發(fā)生干旱的頻率均在9%~24%之間,總體干旱狀況比較嚴(yán)重。遵化、張家口、南宮這3個站點(diǎn),4個月的干旱頻率均達(dá)到了16.7%以上,相對其他站點(diǎn)干旱較為嚴(yán)重;張北、懷來、石家莊、饒陽、豐寧、唐山、青龍這7個站點(diǎn)干旱頻率起伏較大,容易引發(fā)農(nóng)作物旱災(zāi);蔚縣、邢臺、圍場、承德這4個站點(diǎn),干旱頻率較低,均在16.7%以下,表明降水較為豐沛,發(fā)生干旱情況偏少。通過6—9月4個月的相互對比,9月降水最多,干旱發(fā)生最少,月平均干旱頻率為 14.7%;7月干旱情況較為嚴(yán)重,月平均干旱頻率為16.4%;6月除了個別干旱頻率高,其他站點(diǎn)干旱頻率較低;8月西北和東部干旱頻率較高。
2.2.2 干旱趨勢分布特征 運(yùn)用MK檢驗(yàn)對SPI的時間序列做趨勢分析,河北省6—9月SPI的趨勢空間分布見圖5,以通過0.05、0.01顯著水平分別為顯著和極顯著。從圖5可以看出,6—9月中,有顯著或極顯著下降趨勢的站點(diǎn)共19個,占25%;顯著或極顯著上升的站點(diǎn)11個,占14.5%。各個月份之間的趨勢變化存在差異,表現(xiàn)出時間和空間上的復(fù)雜性。河北省6月和9月SPI呈現(xiàn)上升的趨勢,分別有31.6%、57.9%的站點(diǎn)有變濕潤的趨勢,主要為唐山、青龍、饒陽等幾個站點(diǎn),分布于河北省東部靠海區(qū)域。7月和8月的SPI變化則呈現(xiàn)出下降的趨勢,7月有31.6%的站點(diǎn)變干,分別為圍場、青龍、唐山、蔚縣、保定這幾個站點(diǎn),8月則有高達(dá)68.4%的站點(diǎn)會變干燥,分布于河北省東部、西北部及南部,范圍較大。綜合來看,唐山、青龍、張北、黃燁、石家莊、邢臺這些站點(diǎn)在不同月份有不同的變化趨勢,即月份間的干濕差異更加明顯;只有秦皇島和豐寧無變干的趨勢,且秦皇島的9月降水將增多,其他站點(diǎn)在7月和8月都有或多或少的變干趨勢,所以河北省干旱情形可能出現(xiàn)更加嚴(yán)重的狀況。
SPI值與夏玉米產(chǎn)量的相關(guān)性見表2,從各月上來看,7月、8月呈顯著性相關(guān)的站點(diǎn)多于6月、9月。其中,6月19個站點(diǎn)僅有懷來和廊坊分別呈顯著和極顯著相關(guān),占比為10.5%;9月僅邢臺1個站點(diǎn)有顯著相關(guān)性;7月有4個站點(diǎn)呈顯著相關(guān),4個站點(diǎn)呈極顯著相關(guān),占比達(dá)42.1%;8月有3個站點(diǎn)呈顯著相關(guān),1個極顯著相關(guān),占21.1%。由于在夏玉米的出苗期(大約6月中下旬)降水量的不足對產(chǎn)量的形成影響并不明顯;9月夏玉米處于乳熟期,降水量對于其產(chǎn)量的影響也較小。而7—8月是夏玉米的拔節(jié)-抽雄-開花期,是關(guān)鍵的水分敏感生育期,其中7月,夏玉米正在7葉-拔節(jié)的生長時期,干旱影響會更加明顯地作用到產(chǎn)量上;8月為夏玉米抽雄-灌漿期,開始轉(zhuǎn)為生殖生長階段,干旱會直接對穗數(shù)產(chǎn)生影響。從站點(diǎn)分布上來講,總體來說河北中部區(qū)域站點(diǎn)相關(guān)性較顯著。
采用了1995—2014年河北省實(shí)際干旱受災(zāi)面積與計算出的站次比進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)以1個月為尺度計算得到的SPI指數(shù),能夠反映出河北省的干旱狀況。將1個月、3個月、12個月尺度的SPI計算出的站次比與實(shí)際干旱面積的較差值對比,結(jié)果顯示3個尺度較差范圍分別為-1.9~0.6、-5.1~0.4、-4.1~0.2,1個月尺度的較差值的波動較小,而3個月尺度和12個月尺度則在1995、1996、2011—2013幾年中較差值均小于-2,在時間序列的前后部分都出現(xiàn)較大差異,所以本研究選擇1個月尺度的SPI作為干旱指標(biāo)。研究中發(fā)現(xiàn)降水的累積效應(yīng)并不明顯,僅考慮短時間尺度的降水,也能很好地反映干旱的特征。不過由于干旱實(shí)際情況復(fù)雜,實(shí)際受災(zāi)面積可能受人為灌溉等因素的影響,所以站次比與受災(zāi)面積之間存在差異,但1個月尺度的SPI指數(shù)變化特征基本上符合實(shí)際干旱的變化特征,說明短尺度的SPI指數(shù)也能夠反映出河北干旱的實(shí)際情況。

用干旱發(fā)生次數(shù)描述河北省干旱的時間變化,首先發(fā)現(xiàn)6—9月的不同類型干旱發(fā)生情況,中旱發(fā)生次數(shù)最大,干旱等級越嚴(yán)重,發(fā)生的次數(shù)越少。相似的結(jié)論也有研究指出,如申海鳳等基于SPI指數(shù)研究了河北邢臺的農(nóng)作物生長期內(nèi)干旱的時間變化,得到邢臺縣干旱發(fā)生以中旱和重旱為主[24]。而河北省干旱的年際變化雖較為雜亂,但年代際之間還是存在差距,其中20世紀(jì)60—80年代的干旱次數(shù)少于20世紀(jì)90年代和2000年之后,20世紀(jì)90年代后干旱情況加重。而趙林等研究中,根據(jù)12個月尺度的SPI值得到黃淮海區(qū)域20世紀(jì)60年代和20世紀(jì)90年代干旱有加重趨勢,特別是自20世紀(jì)80年代以來,干旱加重顯著,2000年以來干旱有所減輕使得該時段干旱加重的趨勢有所減弱[25],同本研究的河北區(qū)域年代際的干旱趨勢相似。自2000年以來的干旱情況相反,可能是由于SPI尺度選用尺度不相同造成的。河北省干旱情況加劇的結(jié)論與很多學(xué)者在類似研究區(qū)域的干濕變化規(guī)律結(jié)論[26-28]相符。
1961—2014年各站點(diǎn)發(fā)生干旱的頻率分布中反映,6月、9月相對7月、8月干旱發(fā)生頻率較小。結(jié)合SPI的趨勢變化進(jìn)行分析,6月和9月SPI呈現(xiàn)上升趨勢,主要是分布于河北省東部靠海區(qū)域的唐山、青龍、饒陽等站點(diǎn);而7月和8月SPI則呈現(xiàn)出下降趨勢,其中,唐山、青龍、張北、黃燁、石家莊和邢臺等站,不僅干旱頻率較大且月份間的干濕差異也將會更加明顯;秦皇島和豐寧無變干的趨勢,所以干旱情形可能出現(xiàn)更加嚴(yán)重的狀況。車少靜等2010年對河北省的旱澇時空特征分析中也指出,從長期變化趨勢看,春秋季干旱呈弱減輕趨勢,夏季干旱呈弱加劇趨勢[14],與本研究7—8月有明顯干旱趨勢相一致。王素萍等基于SPI指數(shù)線性變化趨勢的研究得出,華北地區(qū)的干旱主要由夏季趨于干旱引起的[29],與本研究結(jié)論相似。而空間特征上,車少靜等的研究顯示河北省的旱澇差異主要表現(xiàn)為南北差異,也存在一定的東西差異[14]。本研究中則沒有發(fā)現(xiàn)南北差異,而東西差異較明顯,存在局地性的特點(diǎn)。造成差異的原因可能是利用了不同尺度的SPI值,短尺度的降水會受到極端降水的影響更加明顯,使得空間的分布更加零散。變干燥的7月、8月,正好是干旱頻率較大的2個月,變濕潤的6月、9月,是干旱頻率較小的月份,呈現(xiàn)出很好的相互促進(jìn)作用。所以今后河北省夏玉米的生長季內(nèi),7—8月的干旱狀況將會對夏玉米的生長造成更多的威脅,需要更加緊密的關(guān)注。

注:“*”“**”分別表示顯著相關(guān)(P<0.05)、極顯著相關(guān)(P<0.01)。
將1980—2011年的河北省夏玉米的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與SPI值進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,6—9月呈顯著性相關(guān)的站點(diǎn)數(shù)依次為7月>8月>6月>9月。對應(yīng)河北省夏玉米的生育期分析,6月夏玉米基本處于播種和出苗期,降水量不足對產(chǎn)量形成影響不明顯;7月(夏玉米處于7葉-拔節(jié)期)發(fā)生干旱會更明顯地影響到產(chǎn)量;8月(夏玉米為抽雄-灌漿期)干旱的發(fā)生會直接對穗數(shù)產(chǎn)生影響;進(jìn)入9月夏玉米為乳熟期,此時發(fā)生干旱對其產(chǎn)量的影響較小。郁凌華等在黃淮海地區(qū)夏玉米生長季內(nèi)的旱澇災(zāi)害分析中,也指出在玉米的拔節(jié)到抽雄、抽雄到乳熟階段,降水量對玉米生長量以及產(chǎn)量積累的影響最大[30]。在實(shí)際的生產(chǎn)生活中,應(yīng)關(guān)注這個時段的降水,從而更好地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而河北省正好是7—8月的干旱發(fā)生頻率較高,所以干旱會對夏玉米造成更嚴(yán)重的影響,且7—8月的變干趨勢顯著,使得河北省夏玉米的干旱風(fēng)險不容忽視,在實(shí)際生產(chǎn)生活中,更要注重7—8月的干旱監(jiān)測,以便及時做出夏玉米的災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警。
本研究雖然得出6—9月各月之間的干旱差異及對夏玉米產(chǎn)量的影響,但沒有深入每個生育階段算出對應(yīng)的SPI值,從夏玉米的生育期角度去詳細(xì)分析干旱的影響;也僅基于SPI 1個指數(shù)對河北省6—9月進(jìn)行了分析,沒有引入其他干旱指數(shù)或選擇其他SPI尺度的共同分析,今后將進(jìn)一步進(jìn)行深入研究分析。
(1)1個月尺度的SPI指數(shù)能夠較好地描述河北省干旱實(shí)際情況。(2)河北省夏玉米生長季干旱頻數(shù)的年代際變化特征為20世紀(jì)60、70、80年代的干旱發(fā)生均次分別為 11.9、10.9、11.9次,20世紀(jì)90年代和2000—2014年的干旱發(fā)生均次達(dá)到13.9、13.4次,20世紀(jì)90年代后干旱形勢越發(fā)嚴(yán)峻。生長季內(nèi)6月、9月,干旱發(fā)生頻率均低于16%,并且SPI有變濕潤的趨勢;7月、8月的干旱發(fā)生情況較嚴(yán)重,均高于16%,SPI也有變干的趨勢。總體來看,夏玉米生長季干旱形勢嚴(yán)峻。(3)河北省夏玉米生長季干旱的空間分布特征為張家口、遵化、南宮干旱發(fā)生頻率較高,均達(dá)到17.6%以上;邢臺、承德、圍場較為濕潤,干旱發(fā)生頻率在13.9%以下。總體來看,河北省東北部和南部干旱發(fā)生頻率小,西北部和中部干旱頻率較高。(4)夏玉米產(chǎn)量與生長季SPI的相關(guān)性分析表明,7月、8月呈顯著相關(guān)的站點(diǎn)占比較高。7—8月夏玉米處于拔節(jié)-抽雄-開花期,是關(guān)鍵的水分敏感期,SPI與產(chǎn)量顯著相關(guān)。
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