忻州地區氣象干旱與農業旱災風險的評估研究①

何俊琦 韓志偉 陳 偉 趙俊杰 李彥萌

（1 山西省氣象災害防御技術中心 山西太原 030000；2 忻州市農業局 山西忻州 034000）

山西省地處華北區域的黃土高原東部，是華北平原與黃土高原的過渡地帶，地形條件復雜多變，并以黃土為主要土壤類型，垂直節理發育較好，土壤水分易于下滲不易儲水蓄水。因此，降水的多寡對農業旱情有至關重要的作用。

1 數據資料與研究方法

1.1 數據資料

全國氣象資料V3 數據集1951 ～2010 年忻州地區14 站每日20 時，24 h 降水量資料，前后記錄的總數值取平均值來填補，且每站缺測值統計不能≥5 d[1]。忻州市農業局提供1951 ～2010 年間的農業統計數據，以中國氣象年鑒作為補充。一年中的定義系為11 月至次年10 月，冬半年的定義系為11 月至次年4 月。

1.2 研究方法

使用常用的時間、空間相關分析、干旱指數Z指數以及線性趨勢分析等方法進行統計。氣象干旱對農業旱情出現的影響機制主要包括忻州地區降水的氣候變化特征及其規律，氣象干旱指數的選取，氣象干旱指數對農業災情的直接反饋，以及出現的風險定量化分析。

（1）以下為Z 指數計算公式。

（2）Aberson 提出的Skill Score 方法，主要用于評估某一物理量預報等級與實際觀測等級之間的吻合程度，本文將該方法用于評估農業干旱災情等級與氣象干旱等級一致性的程度[2]。以下為skill score 的計算公式。

（3）農業干旱災情事件的確定在農業災情百分率求取中，農業受災是由本年農作物畝產數r 與歷年農作物畝產數的3 年移動平均數R 比較計算，且以年鑒記錄為補充記為確定性事件。當r ＜R且-1.44 ＜Z ≤-0.84 時，判定該年是由氣象干旱輕旱引發的農業災害，事件記為A 次；當r ＜R且-1.96 ＜Z ≤-1.44 時，判定該年是由氣象干旱中旱引發的農業災害，事件記為B 次；當r ＜R且Z ≤-1.96 時，判定該年是由氣象干旱重旱引發的農業災害，事件記為C 次。

2 研究內容

2.1 氣候特征

忻州地區位于山西省北部，地形東西高、中間低。由于地質構造運動使境內地貌重欒疊嶂、地形破碎、高差懸殊。全境總體海拔1 000 m 以上，最高的五臺山北臺葉斗峰為3 058 m，最低的定襄嶺子底村為600 m。因此該地區形成了獨特的氣候變化規律。

2.1.1降水時空間分布

忻州市年平均降水量從東向西遞減，大部分地區年降水量為300 ～530 mm，其中五臺縣降水量最多達530 mm，河曲縣降水量最少僅391 mm。忻州市平均年降水量428 mm，年降水量變化的時間序列分布見圖1。該市春季平均降水量為66 mm，夏季平均降水量為267 mm，占全年降水的62%以上，秋季平均降水量為86 mm，冬季平均降水量為8.5 mm，春、冬季降水量年際變化率較大。

圖1 忻州市年降水量變化的時間序列分布

2.1.2氣溫時空間分布

忻州市歷年平均溫度7.7 ℃，空間分布上溫差相對較小，均溫最高值9.8 ℃，均溫最低值5.4 ℃。1981 ～2010 年歷年溫度變化見圖2，從月均溫變化分析，1 月最冷，7 月最熱。

圖2 忻州市年均溫度變化的時間序列分布

2.2 適應性氣象指數的求取

氣象干旱指標多種多樣（表1），本文使用Z指數以及Pa 指數。

表1 干旱指數等級劃分

將忻州市農業數據與相對應年份的14 個氣象站點冬半年降水計算得出的氣象干旱指數Z、Pa組合的區域平均值序列（共計60 個樣本）做相關，相關系數通過0.1 的顯著性水平檢驗，相關系數為Z 指數大于Pa 指數。上述顯著性檢驗中Z 指數較為典型，相關系數達-0.232，通過了0.1 顯著性水平，Pa 指數的相關系數為-0.213。1951 ～2010 年的相關系數顯示，忻州市Z 指數與農業災害的關系最密切，是該區域農業干旱災害較適應的氣象干旱指數。

2.3 氣象干旱指數帶來的農業災損情況

降水與農業災損間的關系很難用直接的指標來衡量，農業災害程度取決于前期降水累積量[3]。氣象干旱指數，系對前期降水累計量的有關統計，是表示氣象干旱發生與否的相關指標，所以借用氣象干旱指數，可以研究降水和農業災損兩者之間的相互關系。在忻州市，有記錄農業災情與相應的Z、Pa 指數的Skill Score 值，Z 指數和農業災損的Skill Score 值是0.276，是干旱系數中的最大值，因此，Z 指數對氣象干旱可能引發的農業干旱災害具有良好的指示性。

2.4 農業旱災風險的定量化研究

用干旱指標以及Skill Score 最大值，即以Z 指數對農業災情的反應作為定量化研究基礎。忻州地區有十年九旱的氣候情況，1951 ～2010 年，有24年系記錄忻州市農業災害發生情況（圖3），其間大多農業災害損失是由氣象干旱災害引發的農業旱災造成的。根據無旱、輕旱、中旱、重旱等情況，忻州市分別引發的農業災害的次數為5、12、4、3次，發生的概率為22%、50%、17%、11%。因此，由氣象干旱導致農業災害的相關風險比為78%。

圖3 忻州市農作物畝產變化的時間分布情況

3 結論與討論

在忻州地區，通過相關、相似分析以及Skill Score 分析等不同檢驗方法，得出氣象干旱指數與農業干旱災情等情況，并能全面反應關于該區氣象要素與農業干旱的內在和外在關系，且Z 指數對地區農業干旱災害存在可用的指示作用。通過研究代表站，得出忻州地區前期冬季氣象干旱與當地農業干旱災害有較緊密的聯系，聯系百分比達到78%。由于資料的局限性，沒有使用Palmer 干旱指數、SPI 干旱指數以及CI 指數，有待日后繼續探析。

影響農業災害發生的因素很多，此文僅對地形、氣象等因素進行分析，對人為因素考量較少。干旱指數只是作為參考，不夠精準，即使適合該區域但不代表能完全精準考量，因此要重點加強對農業干旱災害的預防研究。