昌吉州氣象干旱特征及其對農業生產的影響分析

葉爾克江·霍依哈孜，阿帕爾·肉孜，周國宏，黃 健

（1.昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002）

近年來，受全球氣候變暖的影響，中國極端氣候事件頻發，區域生態環境退化［1］。極端氣象問題引發的氣象災害引起全社會的廣泛關注［2］。全球氣候變暖加劇了干旱、大風、高溫、低溫冷害等極端天氣事件發生的概率和強度，與降水有關的旱災是威脅國民經濟特別是農業的最主要自然災害之一［3］。氣象干旱是區域范圍內因長期無降水或降水異常偏少造成空氣干燥、土壤缺水至干涸，進而導致農作物受害和減產的現象，氣象干旱對農業生產和糧食安全的影響日益加重［4］。新疆位于中緯度歐亞大陸腹地，屬典型的大陸性干旱氣候區，干旱是新疆頻發的、危害最嚴重的氣候災害，對經濟建設、人民生活及農業生產危害極大，對生態系統構成威脅，且影響范圍廣、持續時間長、后果嚴重。近年來，有關新疆氣象干旱的研究受到學術界的廣泛關注。有研究指出，在全球氣候變暖的背景下，新疆的氣候由暖干向暖濕轉變，極端事件增多［5-9］；許多學者用各類干旱指數對全疆或局部區域的干旱特征進行了研究，得出的結論也不同［10-13］；吳燕峰等［14］研究了1964—2012年石河子市干濕變化特征表明石河子墾區呈暖濕趨勢。唐高溶等［15］研究阿勒泰地區作物生育期干濕變化特征表明阿勒泰地區氣候總體日趨溫暖濕潤。這些學者為北疆氣候干濕變化的研究提供了豐富的理論依據和經驗。但是對氣候變化極為敏感的昌吉回族自治州（簡稱昌吉州），氣象干旱變化相關理論研究較少且并不深入。昌吉州為新疆最重要的糧食、畜牧、棉花、水果生產基地，氣候變化下干旱演變對昌吉州農業生產過程和生態環境有直接的影響，因此探究昌吉州近60年的干旱時空變化特征及演變，對農業生產和生態安全具有重要意義。

昌吉州位于天山北麓、準噶爾盆地東南緣。位于北緯43°20′—45°00′，東經85°17′—91°32′。地勢南高北低，由東南向西北傾斜，南部是天山山地，中部為廣袤的沖積平原，北部為浩瀚的沙漠盆地。昌吉州處在歐亞大陸腹地、四周環山的盆地中，降水少、干燥度大、蒸發強烈，氣溫變化劇烈，為典型的大陸干旱性氣候。具有冬季寒冷漫長，夏季炎熱，光照充足，熱量豐富，氣溫年較差、日較差大，春、秋季氣溫變化劇烈，春、夏季多風的特點。昌吉州轄有五縣兩市，自西向東為西部的瑪納斯縣、呼圖壁縣，中部的昌吉市、阜康市，東部的吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘縣。東部的奇臺、木壘、吉木薩爾3個縣為昌吉州主要的糧食生產基地，占昌吉州糧食種植面積的75%以上，東三縣河灌區和山區旱地所占比例較大，整體上靠天吃飯的格局未改變。作物生長季如遇高溫少雨干旱事件，對農牧業影響較大，近幾年在大田調查中發現東三縣旱地作物每年受旱災的影響比較明顯，導致農作物減產和品質的降低。因此，迫切需要對昌吉州氣象干旱時空變化特征進行分析研究、掌握規律、進行干旱評價及預測。為昌吉州農業生產、開展干旱預報預警業務、防旱抗旱工作提供參考依據。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

采用昌吉州10個氣象觀測站1961—2020年降水資料，并收集7個縣（市）及蔡家湖（103團）60年農作物干旱災情資料，資料來源于昌吉州氣象局災情資料庫及氣象災害大典。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱指標及分級標準 氣象干旱是指持續的不正常的干燥天氣導致缺水而引起的嚴重水文不平衡，其最明顯的特征是降雨量持續低于某一正常值。氣象干旱是由多方面綜合因素造成的結果，從不同的層面考慮有不同的監測方法和指標，評價氣象干旱的指標也是多樣的，但降水量對干旱的影響最為直接，能夠直觀地表現出干旱發生的強度，且計算方法簡單，因此文中采用《氣象干旱等級國家標準》（GB/T 20481—2017）中降水距平百分率干旱指標（表1），選取月、季、年不同時間尺度干旱事件，氣象干旱輕重程度分為5個等級：無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱。分析昌吉州近60年氣象干旱時空特征。

表1 降水百分率氣象干旱等級劃分

1.2.2 降水量距平百分率的計算方法 降水距平百分率（P0）是指某段時間的降水量與常年同期降水量相比的百分率。

式中，P為某時間段降水量；為計算時段同期氣候平均降水量。本標準中2010年以前取1971—2000年30年 平均值，2010年以后取1981—2010年30年平均值。

式中，Pi為時段i的降水量；n為樣本數，n=1～30。

1.2.3 氣象數據處理 選取昌吉州10個氣象觀測站60年（1961—2020年）降水資料，采用趨勢分析法、M-K檢驗法探究1961—2020年昌吉州降水量變化趨勢；采用Excel軟件進行統計，并用降水距平百分率法計算出各站月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指標選取昌吉州60年逐月、逐季、逐年出現輕旱、中旱、重旱、特旱的事件，出現一次氣象干旱事件（輕旱、中旱、重旱、特旱）計1個頻次，對所出現的月、季、年氣象干旱事件的頻次進行累加，計算出各縣（區）不同時間尺度氣象干旱事件總頻次在總時間段中所占頻率，利用Excel、Origin和Arcgis 10.2軟件繪圖分析。

2 結果與分析

2.1 降水量變化特征

60年來，昌吉州降水量呈增加趨勢，其氣候傾向率為9.5 mm/10年，通過0.01顯著性檢驗。年際變化幅度大，振幅明顯（圖2a），60年來已增加了57 mm。年降水量多年平均為237 mm，年降水量最大值出現在2015年，為347 mm，最小值出現在1962年，為138 mm，相差208.7 mm。降水量年內分配不均勻，夏季降水量最大，6、7、8月平均降水量分別為33.7、34.1、26.4 mm，合計94.3 mm，占全年總降水量的40%；春季3、4、5月降水量分別為12.0、26.0、30.4 mm，合計為68.4 mm，占全年的29%；秋季9、10、11月降水量分別為20.4、17.3、14.3 mm，秋季合計為52.0 mm，占全年的22%；冬季降水量最小，12、1、2月降水量分別為9.2、6.1、6.7 mm，合計僅有22.2 mm，占全年的9%。

從年代上分析，20世紀60、70年代為降水量相對偏少年代，80年代開始昌吉州降水量逐年增加，進入21世紀降水量增加平緩。由近60年年平均降水量序列的M-K檢測（圖2b）可以看出，20世紀80年代之前降水量波動較大，且正負值交替出現，80年代開始UF表現為增加趨勢，并于1984年與UB曲線有個交點，之后UF曲線于1998年突破了0.05的臨界線1.96。這說明20世紀80年代之前降水量整體偏少且變化不穩定，20世紀80年代初開始逐年增加，并且1983年發生了突變性增加，1998年增加明顯。突變后（1984—2020年）較突變前（1961—1983年）昌吉州降水量增加了41.3 mm。

運用Arcgis 10.2軟件，利用克里金插值法生成昌吉州近60年年平均降水空間分布。由（圖2c）可知，降水量空間分布差距較大，降水量呈現山區多于平原，東西部多于中部和北部的格局。西部降水量180～200 mm，中部140～210 mm，東部180～190 mm，北部80～140 mm，山區180～553 mm。

上述分析表明，昌吉州降水量季節上的集中和不均衡分布造成干旱，春季、秋季和冬季降水量較少，且年際差異大，說明在春季作物播種季節、秋季作物收獲期和冬小麥播種期，容易發生春旱或秋旱。而且冬季降水量很少，這會導致土壤含水量不足，影響第二年春季作物播種至出苗期，易形成春旱。

2.2 氣象干旱特征

2.2.1 氣象干旱月分布特征 分析不同月份昌吉州氣象干旱事件發生的頻次（表2）可知，60年來各縣（市）氣象干旱發生的月頻次呈波動態勢，瑪納斯縣6—9月、11月較多，1—2月最多、4月最少，其余月份較平穩；呼圖壁縣7月最多，1—3月較多，4月最少，其余月份較平穩；阜康市、吉木薩爾縣1—10月較多，11—12月較少；昌吉市5—10月較多，12月開始逐漸增加，1月最多，其余月份較平穩；奇臺縣、木壘縣6—8月較多，1月最多，其余月份較平穩。通過以上分析得出，氣象干旱主要發生在1月和5—10月，其中，1月最多，發生的頻次為242次，其次是7月，發生的頻次為232次，11月最少，發生的頻次為162次，這與當地降水量的時間分布特征基本一致。昌吉州各地氣象干旱月分布特征表明，農作物苗期至成熟期氣象干旱出現頻次較多。不同干旱程度對出苗率、出苗時間影響程度不同，灌漿成熟期干旱易造成子粒不飽滿，千粒重下降，直接影響作物產量和品質。

表2 昌吉州1961—2020年氣象干旱月頻次 （單位：次）

由圖3可以看出，過去的60年來，氣象干旱共發生了283次，其中出現輕旱頻數為43次，中旱頻數為36次，重旱頻數為20次，特旱頻數最多，為184次，占總數的65%，主要表現在1—2月占47%～52%，6—9月占35%～40%，這說明1—2月、6—9月是昌吉州主要的干旱期。6—9月是昌吉州各縣（市）主要作物生長和產量形成關鍵期，也是農田需水高峰期。此期間出現的階段性干旱強度大、頻率高，對農牧業生產影響較大。

2.2.2 氣象干旱季分布特征 分析不同季節昌吉州氣象干旱事件發生的頻次（表3）可知，近60年各季發生的氣象干旱事件頻次分別是春季195次、夏季206次、秋季216次、冬季211次。昌吉州氣象干旱主要是秋旱，冬旱次之，夏、春旱較少，這與該區域降水量的季節分布特征基本吻合。從縣（市）的角度來看，各縣（市）發生的氣象干旱頻次分別為瑪納斯縣83次、呼圖壁縣76次、昌吉市88次、蔡家湖86次、阜康市94次、吉木薩爾縣85次、奇臺縣、木壘縣均81次、天池74次、北塔山80次，頻率依次為35%、32%、37%、36%、39%、35%、34%、34%、31%、33%，可以看出，阜康市、昌吉市、蔡家湖的氣象干旱發生頻次較多，天池較少，其余縣（市）相差不大。

表3 昌吉州1961—2020年氣象干旱季頻次（單位：次）

從季尺度氣象干旱等級分布情況（圖4）來看，近60年春季氣象干旱以輕旱為主、特旱次之、中旱及重旱發生頻次較少，其中，瑪納斯縣、昌吉市、蔡家湖、阜康市、奇臺縣、木壘縣發生輕旱頻次較多，為9～12次，其余縣（市）較少，為4～6次；夏季氣象干旱以輕旱和特旱為主，中旱次之，其中，昌吉市、吉木薩爾縣、北塔山發生特旱頻次較多，為9～11次，瑪納斯縣、呼圖壁縣發生輕旱頻次最多，分別為10次，阜康市特旱和中旱并列出現，分別為11、9次，其余縣（市）發生輕旱、特旱、中旱頻次均較少；秋季氣象干旱以輕旱為主，特旱次之，其中，阜康市、奇臺縣、木壘縣、天池發生輕旱頻次較多，阜康市特旱出現最多，為12次；冬季以特旱為主，各地出現頻次較多，這與各地冬季氣候特征降水量等因素有關。

2.2.3 氣象干旱年分布特征 用年尺度計算，選取60年氣象干旱事件進行分析，若1年內3個縣（市）同時發生氣象干旱事件，則認為是1次區域性氣象干旱事件。分析發現，60年來有20年發生了區域性氣象干旱，分別是1962、1965、1967、1968年，1973—1975年，1977、1981、1985、1986、1989、1991、1995、1997、2001、2008、2014年，2019—2020年。從20世紀90年代至2010年為氣象干旱事件（年尺度）發生的頻次減少年代。近11年（2010—2020年）干旱事件又逐年增加，11年出現3次區域性干旱，這與氣候變暖背景下極端氣候事件的增多、降水量的逐年變化及分布不均衡、河流來水量明顯偏少、資源性缺水等密切相關。

從年尺度氣象干旱等級分布情況（圖5）來看，60年來昌吉州氣象干旱以輕旱和特旱為主，中旱次之，重旱出現較少。其中，蔡家湖、奇臺縣發生輕旱的頻次最多，分別出現11次和10次，吉木薩爾縣、木壘縣次之，為8次；阜康市發生特旱頻次最多，為11次，瑪納斯縣、吉木薩爾縣、奇臺縣、天池站、北塔山站次之，出現7～8次；呼圖壁縣、昌吉市出現中旱頻次較多，分別為6次和7次；其余縣發生較少。

2.3 降水距平百分率評價氣象干旱結果與實際歷史記載對比分析

昌吉州是典型的干旱地區，降水少，且分布不均勻，昌吉州歷史上的嚴重干旱是由長期少雨造成的。干旱災害是昌吉州發生頻繁、持續時間長的一種氣象災害，根據昌吉州氣象局災情資料庫及氣象災害大典記載的昌吉州1961—2020年災害情況，結合降水距平百分率的逐月、季、年氣象干旱評價結果，將歷史旱災情況與干旱指標評價結果進行對比，具體情況見表4，其中，大旱指的是重旱和特旱，旱指的是輕旱和中旱。從表4可以看出，昌吉州1961—2020年發生旱災的年數為26年，其中，重大旱災年數為9年，將干旱指標評價中的特旱和重旱標準作為評定重大旱災的標準，中旱和輕旱評定為一般旱災的標準，從而得到降水距平百分率的干旱評價結果。降水距平百分率評定的旱災年與歷史旱災年吻合年數為21年，吻合率達80%，說明降水距平百分率與實際干旱過程吻合得較好，能基本反映昌吉州的干旱情況。

表4 1961—2020年昌吉州歷史旱災情況與干旱指標評價結果對比

2.4 氣象干旱對農業生產影響

統計1961—2020年昌吉州農區7個縣（市）及蔡家湖（103團）的干旱災情，對各縣（市）60年氣象干旱造成的農作物成災面積進行累加，詳細分析其對農作物生產的影響。結果（圖6）表明，近60年受氣象干旱影響，奇臺縣、吉木薩爾縣、木壘縣、阜康市農作物成災面積較大，受災程度嚴重，蔡家湖、昌吉市次之，瑪納斯縣、呼圖壁縣較小，受災程度輕。這與地區氣候特征差異、降水不均衡、水資源分布、地形地貌、種植結構、灌溉模式不同有一定的關系。

從昌吉州1961—2020年氣象干旱造成的農作物成災面積年際變化來看，氣象干旱災害造成的農作物成災面積呈弱減少趨勢，減少不明顯，未通過顯著性檢驗。歷史旱災主要發生在20世紀60—80年代，進入20世紀90年代逐年減少，到2010年后區域性氣象干旱有所增加，但未產生災害，這與近年來干旱監測、預報預警能力的提高，干旱狀況評估的及時開展、人工增雨作業的適時進行、合理開發利用空中水資源以及種植結構和種植模式的調整等密不可分。其中，1962、1974、1980、1989、1991、1997、2008、2020年成災面積較大。不同氣象干旱年造成農作物受災面積的不同與氣象干旱災害的嚴重程度及干旱發生時農作物生長發育時期的不同有一定關系。

3 小結與討論

本研究利用昌吉州10個氣象站，60年（1961—2020年）降水及干旱災情資料，計算各氣象站月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指標選取干旱事件，分析不同時間尺度氣象干旱的時空特征，并計算氣象干旱日數及農作物成災面積的逐年變化趨勢，研究氣象干旱對農業生產的影響，得出以下結論。

1）近60年昌吉州降水量呈增加趨勢，年內分布不均衡，夏季降水量最大，主要集中在6、7月，冬季降水量最小；從年代上來看，20世紀60、70年代為降水量相對偏少年代，20世紀80年代開始逐年增加，進入21世紀降水量增加平緩；通過M-K檢驗可以看出，20世紀80年代之前降水量整體偏少且變化不穩定，20世紀80年代初開始逐年增加，并且1983年發生了突變性增加，1998年增加明顯；在空間分布上呈現東西差距較大，降水量山區多于平原，東部和西部多于中部的分布格局。

2）以降水距平百分率標準為基礎，從月、季、年不同時間尺度對昌吉州氣象干旱時空分布特征進行詳細分析可知，月尺度上，各氣象站氣象干旱頻次1—2月和5—10月較多，其中1月最多，7月次之，11月最少，干旱等級以特旱為主；季尺度上，氣象干旱主要是秋旱，冬旱次之，主要以輕旱為主，特旱次之；60年來有20年發生了干旱事件，均以輕旱和特旱為主，中旱次之，重旱出現較少。從20世紀90年代至2010年氣象干旱事件發生的頻次減少，近11年（2010—2020年）干旱事件又逐年增加，這與氣候變暖背景下極端氣候事件的增多、降水量的逐年變化及分布不均衡、河流來水量明顯偏少、資源性缺水等密切相關。

3）根據昌吉州氣象局災情資料庫及氣象災害大典記載的昌吉州1961—2020年災害實際情況，結合降水距平百分率的逐月、季、年氣象干旱評價結果，對歷史旱災情況與干旱指標評價結果進行對比可知，降水距平百分率評定的旱災年與歷史旱災年吻合年數為21年，吻合率達80%，說明降水距平百分率與實際干旱過程吻合得較好，能基本反映昌吉州的干旱情況。

4）近60年受氣象干旱影響，阜康市、吉木薩爾、奇臺、木壘縣農作物成災面積較大，受災程度嚴重，蔡家湖、昌吉市次之，瑪納斯縣、呼圖壁縣較小，受災程度輕。氣象干旱災害造成的農作物成災面積呈弱減少趨勢，減少不明顯，未通過顯著性檢驗。歷史旱災主要發生在20世紀60—80年代，進入20世紀90年代逐年減少，到2010年后區域性氣象干旱有所增加，但未產生災害，這與近年來干旱監測、預報預警能力的提高，干旱狀況評估的及時開展、人工增雨作業的適時進行、合理開發利用空中水資源以及種植結構和種植模式的調整等有關。

本研究以降水距平百分率標準為基礎，從月、季、年不同時間尺度對昌吉州氣象干旱時空分布特征進行了詳細分析，并研究氣象干旱對該地區農業生產的影響，突破了新疆傳統的從某一種時間尺度對氣象干旱進行研究的思維，降水距平百分率指標在昌吉州的適用性評價，對氣象干旱的監測、預報、預警有了新的指導意義。用降水距平百分率作為選取氣象干旱的標準，直觀、簡單、容易理解，但是干旱是由諸多因素造成的，如氣溫、蒸發、土壤墑情、灌溉條件、種植結構、植物生育期的抗旱能力以及工業和城市用水等。為了更深入更客觀地了解氣象干旱發生、發展的規律，提高干旱預報、預警服務能力以及干旱的防治能力，需要建立適合當地包含諸多因素的干旱指標綜合模型，以期進一步揭示昌吉州氣象干旱的變化規律，提高氣象干旱的監測、預報、預警及防治能力。