甘肅東祁連山草原旱災(zāi)預(yù)測初探

安海濤，蒲小鵬，曹文俠

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070）

西北大部分地區(qū)降水500 mm以下，屬干旱半干旱地區(qū)，因此對于水生態(tài)的研究關(guān)系到當(dāng)?shù)刂脖坏谋Ｗo(hù)和利用，更關(guān)系到當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展。干旱災(zāi)害是世界上危害最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，其出現(xiàn)的次數(shù)、持續(xù)的時間、影響的范圍、造成的損失，居各種自然災(zāi)害之首。據(jù)統(tǒng)計，每年因干旱造成的全球經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60多億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他氣象災(zāi)害[1,2]。目前，干旱災(zāi)害作為影響水資源安全的主要因素，成為影響世界發(fā)展的嚴(yán)重不穩(wěn)定因素和影響國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素。因此干旱災(zāi)害已成為全世界各國急需解決和共同關(guān)心的主題。草原作為天然生態(tài)系統(tǒng)，對維持生態(tài)平衡和畜牧業(yè)的發(fā)展具有重大的作用和價值。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，牧民的價值觀也在潛移默化的隨之發(fā)生改變，當(dāng)物質(zhì)需求和經(jīng)濟(jì)需求高于其他時，迫使牧民不得不加大生產(chǎn)投入，以增加經(jīng)濟(jì)收入，從而導(dǎo)致草原生態(tài)的退化。日趨惡化的生態(tài)環(huán)境，又使得草畜矛盾日益突出，制約了畜牧業(yè)的發(fā)展，使致陷入人、畜、草三者關(guān)系的惡性循環(huán)，加重草原生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

在干旱風(fēng)險分析研究方面，國外起步比國內(nèi)要早很多，并且作為多種學(xué)科交叉的邊緣性科學(xué)[3]。灰色預(yù)測系統(tǒng)的研究對象是工程技術(shù)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)等，它的步驟是建立模型，進(jìn)行預(yù)測、決策和控制等。它的任務(wù)在于探索新的方法，以便于用來克服概率統(tǒng)計中所要求大量數(shù)據(jù)的弱點(diǎn)，從混亂的、有限的、離散的數(shù)據(jù)之中找到規(guī)律。根據(jù)這些來建立模型，進(jìn)行分析、預(yù)測、決策和規(guī)劃，而GM（1，1）模型則是使用最為廣泛的灰色預(yù)測模型[1-5]。本研究利用皇城草原地區(qū)2000—2016年降水量數(shù)據(jù)和GM（1，1）模型分析當(dāng)?shù)亟邓孔兓Ｊ剑Ｍ麨楫?dāng)?shù)夭菰竽翗I(yè)管理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山東側(cè)的金強(qiáng)河谷地區(qū)，境內(nèi)大部分地區(qū)屬于高寒氣候，海拔在2 500～4 500 m，年平均氣溫1～2℃，無霜期70～120 d，年降水量320～400 mm。氣候特點(diǎn)大體是冬春季漫長而寒冷，夏秋季短暫而涼爽。

1.2 數(shù)據(jù)來源及分析方法

本文所用氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中烏鞘嶺氣象站的觀察數(shù)據(jù)。采用灰色預(yù)測模型GM（1，1）預(yù)測草原氣候干旱。同時，通過走訪當(dāng)?shù)啬撩瘢私饨鼛啄隁夂蜃兓瘜Ξ?dāng)?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)的影響，進(jìn)一步驗證預(yù)測模型的精度。

采用降水距平百分率（△R%）來判斷年干旱狀況，當(dāng)△R%≤-20時（△R%=實測值-同期歷史均值），判定當(dāng)年為干旱年。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長季降水量、非生長季降水量和年降水量

從圖1可知，在2000—2016年間，年降水量在2003年和2012年達(dá)到2個峰值，分別是543 mm和592 mm，而降水最少年份是2013年，為302.6 mm，2012年降水量是2013年的1.95倍，說明降水量年際變化幅度較大。

圖1 2000—2016年均降水量、生長季降水量和非生長季降水量

從2000—2016年間，生長季（5—9月）降水量的變化趨勢與年降水動態(tài)趨勢基本一致，說明生長季降水是全年降水的主要組成部分，平均在83%以上，而2012年高達(dá)92%，非生長季降水量僅占全年降水量的17%。年均降水量與生長季降水量的相關(guān)性系數(shù)為0.95，而與非生長季降水相關(guān)性僅為0.39（見表1）。

表1 生長季降水量、非生長季降水量與年降水量間的相關(guān)關(guān)系

2.2 利用降水量判定氣候干旱

根據(jù)文獻(xiàn)，大多學(xué)者利用年降水量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了當(dāng)?shù)睾登榉治觯R高先等[6]利用烏鞘嶺氣象站所測數(shù)據(jù)（該氣象站海拔為3 045 m）研究發(fā)現(xiàn)天祝縣近60年年均降水量為410.5 mm。因此，本研究以410.5 mm的年均降水量作為參考依據(jù)，以《全國氣候影響評價》為標(biāo)準(zhǔn)，利用降水距平百分率（△R%）評價降水狀況，當(dāng)△R%≤ -20時為降水偏少閾值，并利用灰色預(yù)測法進(jìn)行當(dāng)?shù)睾禐?zāi)預(yù)測。如果將年降水量低于328.4 mm定為旱災(zāi)的界限(計算步驟為，410.5×（1-20%)=328.4 mm）[7，8]，則2013年屬于降水偏少年份（圖2，2013年降水量為302.6 mm，）。然而，該研究結(jié)果與齊高先的結(jié)論“自從90年代后，降水明顯持續(xù)偏少，春、夏、冬降水均呈減少趨勢，秋季降水呈增加趨勢”有一定出入，因此，還需進(jìn)一步分析。

圖2 全年降水量的距平百分率動態(tài)

由圖2可知，2002年和2013年的降水量均出現(xiàn)低谷，降水兩個峰值也分別出現(xiàn)在2003年和2012年。自2000年以來，除2013年的年降水量嚴(yán)重減少以外，其余時間段年降水量均高于多年平均降水量，不存在干旱現(xiàn)象。

2.3 通過牧戶訪問判定

由表2可知，2015—2018年夏季多雨，且降雨多集中在牧草生長季，這對牧草的生長十分有利；秋季依舊多雨，此時降雨致使牧草生長環(huán)境溫度降低，進(jìn)而加速了牧草生長季的結(jié)束。在2015—2018年4年中，其中3年均出現(xiàn)春季干旱現(xiàn)象，這對家畜影響很大，直接決定了牧草的返青以及家畜后代是否能夠成活。

表2 2015—2018年牧民對氣候干旱的認(rèn)知

表3 2015—2018年牧戶購買牧草及飼料情況

2015—2018年4年間，單從年降水量來判斷，牧民們的畜牧業(yè)生產(chǎn)并未（有）受到旱災(zāi)的影響，但是從補(bǔ)充飼草的購買量（見表3）卻可以看出，牧民們的購買量卻呈現(xiàn)出上升的趨勢，這也從側(cè)面說明了當(dāng)?shù)靥烊徊輬錾a(chǎn)力的下降，也表明了當(dāng)?shù)夭菰珊凳且粋€受多因素干擾的復(fù)雜問題[9-10]。

2.4 利用生長季降水量的判定

利用2000—2016年數(shù)據(jù)中生長季（5—9月）降水量的均值305.6 mm為參考依據(jù)，當(dāng)△R%≤-20時為降水偏少閾值，對以上降水量進(jìn)行預(yù)測分析。其結(jié)果如圖3所示，僅有2002年生長季距平百分率為-21.5%。這可能是由于△R%≤-20%時范圍太大，因此本研究擬采用△R%≤-15%為閾值，進(jìn)行生長季干旱預(yù)測。

圖3 生長季降水量的距平百分率動態(tài)

從表4可以看出，△R%超過-15%的年份分別是2002、2004、2009、2010和2013年，進(jìn)行灰色預(yù)測步驟如下：

第一，將這些年份對應(yīng)的序號記入矩陣S（0），則｛S（0）｝=｛3,5,10,11,14｝,進(jìn)行累加后得到：｛S（1）｝=｛3,8,15,26,40｝

表4 生長季降水量的距平百分?jǐn)?shù)

將不同的時段序號k值代入上式，即可得出一系列生成后的計算值。將實際值和計算值列入表5，并以公式：（實際值-計算值）/實際值來計算誤差，則平均誤差為16.3%。

表5 實際值與預(yù)測值的比較

通過該模型預(yù)測的下一次干旱年份時，將k=6代入該模型，所得結(jié)果X（1）(6）=67，因為X（1）(6）=40，對應(yīng)的年份為2013年，而67-40=27，說明2013年后的27年即2040年則可能發(fā)生生長季干旱。

3 討論

本文在對生長季降水量和降水量的相關(guān)性分析中采用了自2000年后17年的數(shù)據(jù)，其中包含兩個最高值（543 mm和592 mm），一個最低值302.6 mm，得到了這段時間降水量變化幅度的最大值289.4 mm。利用降水距平百分率來評價時，若將降水低于328.4mm即視為出現(xiàn)旱災(zāi)，可以判定2013年是一次程度較大的旱災(zāi)，并且與本文中全年降水量的動態(tài)分布圖也相符合。通過對當(dāng)?shù)啬觊L的牧民的訪問也得知了近幾年為應(yīng)對氣候變化所購買的牧草和飼料數(shù)量均呈現(xiàn)上升趨勢。由此可見，隨著社會發(fā)展，無論降水量增加還是減少，牧戶所需要的牧草及飼料都在增加，主要的原因還是早春干旱，冬季雪多，早春并非生長季，而降水卻占全年降水量的27%。然而，由于本研究數(shù)據(jù)有限，因此氣候變化對家畜的影響程度并不明確，還需要通過家畜的成活率以及死亡率等指標(biāo)進(jìn)行判斷，本研究只是對皇城草原氣候干旱進(jìn)行了初步探索，今后還需要更多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，數(shù)據(jù)有限，因此氣候變化對家畜的影響程度并不明確，還需要通過家畜的成活率以及死亡率等指標(biāo)進(jìn)行判斷及相關(guān)研究。

干旱主要受降水和溫度兩方面的影響，對于草地生物而言，溫度升高則蒸發(fā)量增大，雖然全年降水有所增加，但對草地生物而言生長環(huán)境依舊干旱。因此，僅僅分析降水或者溫度某一方面的變化均有一定的局限性，還需要進(jìn)一步綜合多項指標(biāo)深入分析。21世紀(jì)作為信息主導(dǎo)的時代，任何學(xué)科的發(fā)展都離不開信息網(wǎng)絡(luò)平臺的貢獻(xiàn)。因此，為了提高預(yù)測精度，相關(guān)工作人員需要更加完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的支撐，以進(jìn)行更深一步的研究。如旬降水、旬平均溫度、草地類型產(chǎn)量、家畜成活率、家畜生長量等，均能為研究提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

本研究利用灰色預(yù)測系統(tǒng)分析了2000—2016年間皇城地區(qū)大氣降水模式。結(jié)果表明：以年降水量為依據(jù)進(jìn)行分析時，降水量比多年平均值減少20%的年份只出現(xiàn)在2013年，證明了2013年是一個干旱年；并且建立了以生長季（4—8月）降水量為依據(jù)的灰色預(yù)測模型，，并預(yù)測出2040年可能出現(xiàn)生長季干旱。