基于GIS的邯鄲市干熱風時空變化特征分析

薛 敏,杜亮亮

(河北省邯鄲市氣象局,河北 邯鄲 056001)

0 引言

干熱風是在春末夏初由溫度高、濕度低和一定風速導致大量蒸發,破壞植物光合作用和植物水分平衡的主要農業氣象災害之一。邯鄲位于河北省最南部,是河北小麥主產區之一,邯鄲市冬小麥灌漿盛期在每年的5月中旬到6月上旬。當干熱風發生時,濕度明顯下降,溫度明顯上升,并伴有一定風力,使植物蒸騰作用加劇,根系的吸水不足,往往使冬小麥灌漿不足,秕粒情況嚴重,甚至枯萎死亡。在此階段出現的干熱風對小麥籽粒增重有很大的影響,研究表明,在干熱風輕度發生的情況下減產10%左右,在重度發生的情況下減產20%以上[1]。

對于干熱風災害,在20世紀20年代國外就開始了對其成因、指標、防御措施、時空分布等進行了研究。我國自建國開始至1975年開展了冬小麥干熱風災害防御田間試驗,所得結論用來指導農民生產；1976～1985年為大發展期,1975年中國農科院委托原華北農業大學組成北方麥區干熱風科研協作組,在20世紀80年代初,中央氣象局委托河南、甘肅、陜西省氣象局牽頭,組成了北方小麥干熱風科研協作組,由河北、山東、新疆、山西、內蒙古、寧夏、江蘇、天津、青海、安徽等省、市、自治區氣象局和內蒙古農科院參加,對干熱風災害的氣象指標、生理機制、天氣形勢、氣候特征以及防御措施等進行了比較系統和全面的研究,及時為農業生產提供服務,取得了較好的經濟效益[2]。近年來,李紅忠等[3]研究了冬小麥單產與干熱風發生次數的關系,得到商丘地區冬小麥單產與干熱風的年均發生日數呈明顯負相關關系的結論;成林、張志紅等[4-5]通過實驗的方法研究了干熱風對冬小麥籽粒灌漿速率及千粒重的影響以及對冬小麥生理的影響,結果表明干熱風會導致冬小麥灌漿速率的下降,灌漿速率的降幅表現為灌漿中期>后期>前期,重度干熱風>輕度干熱風,不同程度干熱風對冬小麥不同時期生理機能的危害程度為灌漿中期>前期,重度干熱風>輕度干熱風;朱建華、孔堅文等[6-9]研究了干熱風的災害區劃、風險預警模型、冬小麥受災風險評估等;李思佳[10]以江蘇省冬小麥為例,基于災害風險分析設計了氣象指數保險產品;成林等[11]利用河南省118個觀測站的氣象數據統計分析了冬小麥高溫低濕型干熱風災害的發生頻率、成災范圍等的變化,發現與干熱風密切相關的14:00時風速明顯減小;尤鳳春、趙俊芳等[12-16]分別對河北省、青海省、河南省、黃淮海地區和華北平原的干熱風的時空分布進行了分析,冬小麥干熱風災害的變化趨勢總體表現為減少,且年際變化顯著,地區差異大;楊霏云等[17]構建了冬小麥干熱風發生的強度指標,反演了華北平原干熱風的發生規律,發現河北中南部屬于干熱風高發區,河北東南部為干熱風影響高風險區,而河北東部為干熱風影響低風險區。

干熱風災害對全球變暖的響應比較敏感,在全球變暖的氣候背景下,研究邯鄲地區小麥干熱風的時空變化特征,可以為當地農作物趨利避害、安全生產和防災減災提供科學依據。

1 資料與方法

利用1971～2010年邯鄲市16個氣象觀測站(圖1)的歷史觀測資料,選取5月中旬～6月上旬逐日氣象資料,采用中國氣象局2007年發布的氣象行業標準《小麥干熱風災害等級》[18](表1、表2),選用日最高氣溫、14:00時相對濕度和14:00時風速三要素組合為分析依據。干熱風日是指在小麥揚花灌漿期間,某日內實際觀測到的氣象要素組合達到干熱風發生的條件要求。干熱風天氣過程是指在小麥揚花灌漿期間,一次天氣過程中出現1個或1個以上的干熱風日。

圖1 邯鄲市16個氣象站點的位置

本研究所用的數據統計分析工具為Microsoft Office Excel電子表格軟件,所用的空間分析和制圖工具為美國環境系統研究所(Environment System Research Institute, ESRI)開發的ArcGis的用戶桌面組件ArcMap。本研究主要利用Excel的排序、分列、填充和條件格式等對數據進行處理,利用篩選、數據透視表、公式和函數等進行輕、重度干熱風日數和干熱風過程的統計分析。ArcMap具有強大的空間數據建庫、空間分析和地圖制作等功能,本研究主要利用其地圖制作和空間分析功能對輕、重度干熱風日和干熱風過程的空間分布進行制圖和分析。技術路線見圖2。

2 干熱風日數統計特征分析

2.1 輕度干熱風的時間分布特征

邯鄲市輕度干熱風發生的年平均日數為2.6 d,其中,發生日數最多的年份是1975年,為5.9 d；其次是1978年和2001年,分別為5.6 d和5.4 d；最少的年份是1984和1991年,均為0.4 d；輕度干熱風每年都有出現(圖3a)。從輕度干熱風發生的年平均日數的時間變化看,呈現兩邊高、中間低的形態,且近幾年來呈現上升趨勢。從年代際來看,20世紀70年代輕度干熱風發生的日數最多,總日數為38.1 d；80年代、90年代和本世紀前10年輕度干熱風日數均少于20世紀70年代,總日數分別為20.2 d、18.2 d和28.2 d(圖3b)。從輕度干熱風在5月中旬至6月上旬期間出現的時間分布來看,5月中旬出現的日數所占比例最低,為12%；其次是5月下旬,占比為38%；6月上旬出現的日數占總日數的比例最大,為50%(圖3c)。

表1 邯鄲市適用的冬麥區干熱風災害等級指標

表2 干熱風天氣過程等級指標

圖2 技術路線圖

2.2 輕度干熱風發生日數的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風年平均發生日數的空間分布特征圖(圖4)可以看出,輕度干熱風年平均發生日數總趨勢是自西北到東南逐漸減少的,西部山區和山前平原地區輕度干熱風發生日數較多,東部平原大部分地區輕度干熱風發生日數較少。但極大值中心在邯鄲東北角的邱縣,為3.8 d；次大值出現在武安，為3.2 d；極小值出現在魏縣和磁縣，均為1.9 d。

2.3 重度干熱風的時間分布特征

邯鄲市重度干熱風發生的年平均日數為1.4 d,其中,發生日數最多的年份是1971年,為5.3 d；其次是1982年,為4.8 d；發生日數最少的年份是1991和2010年,這兩年均沒有重度干熱風出現(圖5a)；上世紀70年代重度干熱風發生的日數最多,為23.7 d；80年代、90年代和本世紀前10年重度干熱風日數均少于70年代,分別為15.1 d、5.0 d和11.3 d,總體呈現先減少后增多的趨勢(圖5b)。從重度干熱風在5月中旬至6月上旬期間出現的時間分布來看,5月中旬出現的日數所占比例最低,僅為4%；其次是5月下旬,為29%；6月上旬出現的日數占總日數的比例最大,為67%(圖5c)。

a:輕度干熱風年平均日數的逐年變化趨勢; b:輕度干熱風的年代際變化; c:輕度干熱風發生日數的時間分布。圖3 輕度干熱風的時間分布特征

圖4 1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風年平均發生日數的空間分布特征

與輕度干熱風相比,從時間變化來看,均呈現先減少后增多的趨勢,但重度干熱風存在沒有出現的年份,而輕度干熱風每年都有出現,且重度干熱風6月上旬發生的日數占總日數的百分比大于輕度干熱風。

2.4 重度干熱風日數的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥重度干熱風年平均發生日數的空間分布特征圖(圖6)可以看出,受太行山地形造成的焚風效應影響,重度干熱風年平均發生日數的變化趨勢與輕度干熱風基本一致,自西北到東南逐漸減少。重度干熱風年平均發生日數的極大值位于西部山區的武安,為2.1 d；次大值出現在肥鄉和邱縣,均為1.8 d;極小值出現在魏縣和磁縣,均為0.9 d。

2.5 干熱風的周期分析

對1971～2007年邯鄲輕度和重度干熱風年平均發生日數的周期性進行了分析,結果如圖7所示,圖7a、圖7b分別為邯鄲輕度和重度干熱風年平均發生日數在時間上的Morlet小波功率譜。填色區所包圍的區域通過了顯著性α=0.10水平下的紅噪聲標準譜檢驗。凸形曲線以內高值區域為影響錐(coin of influence),在該曲線以外的功率譜由于受到邊界效應的影響而不予考慮。

a:重度干熱風年平均日數的逐年變化趨勢; b:重度干熱風的年代際變化; c:重度干熱風發生日數的時間分布。圖5 重度干熱風的時間分布特征

從圖7a中可以清晰地看到，邯鄲輕度干熱風年平均發生日數存在3.5年左右和2.0年左右的顯著性周期,其中3.5年左右的周期存在于20世紀70年代到80年代中期;2.0年左右周期存在于20世紀90年代末期到21世紀初。

邯鄲重度干熱風年平均發生日數在所研究的40年間主要存在2.0年和3.0年左右的顯著性周期,其中2.0年左右的周期存在于2005年以后,3.0年左右的周期存在于20世紀70年代到80年代中期(圖7b)。

圖7 輕度(a)和重度(b)干熱風年平均發生日數的Morlet小波分析

3 干熱風天氣過程的統計特征分析

3.1 輕度干熱風天氣過程

邯鄲市輕度干熱風天氣過程發生的年平均次數為0.9次,其中,發生次數最多的年份是1975年,全市平均為2.1次;其次是1974年和1983年,均為1.9次；最少的年份是1987、1988、1991、1996和1998年,全市平均為0.1次；輕度干熱風天氣過程每年都有出現(圖8a)。從輕度干熱風天氣過程發生的年平均次數的時間變化看,20世紀70年代至80年代中期發生次數較多,而發生次數最少的年代集中在80年代后期和90年代,進入21世紀后輕度干熱風天氣過程年平均發生次數較為穩定,且大部分年份的發生次數少于平均水平。由圖8b可知,上世紀70年代輕度干熱風天氣過程發生的次數最多,為14.4次；80年代、90年代和本世紀前10年輕度干熱風天氣過程發生的次數均少于70年代,分別為8.2次、6.8次和7.9次。從輕度干熱風天氣過程在5月中旬至6月上旬期間出現的時間分布來看,5月中旬出現的次數所占比例最低,為6%；其次是5月下旬,占比為35%；6月上旬出現的次數占總次數的比例最大,為59%(圖8c)。

a:輕度干熱風天氣過程年平均發生次數的逐年變化趨勢; b:輕度干熱風天氣過程的年代際變化; c:輕度干熱風天氣過程的時間分布。圖8 輕度干熱風天氣過程的時間分布特征

3.2 輕度干熱風天氣過程發生次數的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風過程發生次數的空間分布特征圖(圖9)可以看出,輕度干熱風過程發生次數的空間分布特征是:北部多、南部少,期間邱縣、邯鄲、武安、涉縣、肥鄉和雞澤的總發生次數在40次以上,平均每年發生次數在1次以上；其他地區平均每年少于1次,以臨漳和魏縣最少,40年的總發生次數為28次,平均每年發生次數為0.7次,為極小值中心；極大值中心在邯鄲市東北角的邱縣,總發生次數為49次,平均每年發生次數為1.2次；次大值出現在邯鄲,總發生次數為48次。

3.3 重度干熱風天氣過程

邯鄲市重度干熱風天氣過程發生的年平均次數為0.5次,其中,發生次數最多的年份是1978年,為1.6次；其次是1982年,為1.4次；在40年中有12年沒有重度干熱風天氣過程出現；20世紀80年代中期至90年代重度干熱風過程發生次數明顯較少(圖10a)。從年代際來看,上世紀70年代重度干熱風天氣過程發生的次數最多,為5.9次；90年代最少,為0.6次；80年代和本世紀前10年重度干熱風天氣過程發生的年平均次數分別為3.7次和3.5次(圖10b)。從重度干熱風天氣過程在5月上旬至6月中旬期間出現的時間分布來看,5月上旬出現的次數所占比例最低,僅為1%；其次是5月中旬,為34%；6月上旬出現的次數占總次數的比例最大,為65%(圖10c)。與輕度干熱風天氣過程發生次數對比,時間上均呈現70年代至80年代前期發生次數多,80年代中期至90年代發生次數最少的特點,但重度干熱風天氣過程存在沒有出現的年份,而輕度干熱風天氣過程每年都有出現,且重度干熱風天氣過程在6月上旬發生次數占總次數的百分比大于輕度干熱風天氣過程。

圖9 1971～2010年邯鄲市冬小麥輕度干熱風過程發生次數的空間分布特征

a:重度干熱風天氣過程年平均發生次數的逐年變化趨勢; b:重度干熱風天氣過程的年代際變化; c:重度干熱風天氣過程的時間分布。圖10 重度干熱風天氣過程的時間分布特征

3.4 重度干熱風天氣過程發生次數的空間分布特征

由1971～2010年邯鄲市冬小麥重度干熱風天氣過程發生次數的空間分布特征圖(圖11)可以看出,重度干熱風天氣過程發生次數的空間分布特征是:局部明顯偏多,其他地區分布較均勻。極大值中心位于武安,40年總發生次數為23次,平均每年發生次數為0.6次；次大值處于邱縣,總發生次數為20次,平均每年發生次數為0.5次。極小值中心位于魏縣和磁縣,總發生次數為8次,平均每年發生次數為0.2次；次大值出現在廣平和雞澤,總發生次數為9次。

圖11 1971～2010年邯鄲市冬小麥重度干熱風天氣過程發生次數的空間分布特征

4 結論

在時間分布上,邯鄲市輕、重干熱風的年平均發生日數和干熱風天氣過程的年發生次數具有一致性,整體呈中間低、兩頭高的趨勢,均呈從20世紀70年代到90年代逐漸減少,21世紀以后又開始增加的趨勢,且地區間差異都很顯著。邯鄲市在6月上旬的輕、重干熱風年平均發生日數和輕、重干熱風天氣過程年發生次數均遠大于在5月中下旬的,且重度干熱風表現得更加明顯。從周期性來說,輕度干熱風年平均發生日數的變化存在3.5年和2.0年的周期,重度干熱風年平均發生日數的變化存在3.0年和2.0年的周期。

在空間分布上,邯鄲西部山區和山前平原地區干熱風日數多于平原大部地區,東南部災害程度明顯輕于其他地區。邯鄲市重度干熱風年平均發生日數較多的地方位于西部山區的武安和東北角的邱縣,分別為2.1 d和1.8 d,在這兩個地方重干熱風天氣過程發生的次數也居前2位,平均每年發生次數分別為0.6次和0.5次。