河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險評估

檀艷靜, 成 林, 郭康軍

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室,鄭州 450003; 2.周口市氣象局,河南 周口 466000;3.河南省氣象科學研究所, 鄭州 450003)

引 言

連陰雨是河南省常見的一種農(nóng)業(yè)氣象災害[1],常伴有低溫、寡照、漬澇等,對小麥的播種、生長過程、收割、晾曬等較為不利,尤其是對小麥灌漿及收獲十分不利[2-3],是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害之一。河南省是全國小麥生產(chǎn)第一大省,其種植面積約占全國小麥種植面積的1/4,產(chǎn)量位居全國前列。因此,研究河南省小麥灌漿期連陰雨災害風險評估及區(qū)劃具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)學者目前對連陰雨研究多集中于成因、氣候背景、時空分布特征等方面[4-8]。有不少學者對連陰雨指標也做了不少研究。由于研究的側(cè)重點不同,采用的連陰雨指標不統(tǒng)一。有學者僅采用降水日數(shù)作為連陰雨致災因子,如成林[9]、徐虹[10]、劉琰琰[11]等選取持續(xù)陰雨日數(shù)劃分夏玉米連陰雨災害等級指標;金垚等[12]選用持續(xù)陰雨日數(shù)作為冬小麥灌漿結(jié)實期連陰雨判別標準;胡英超等[13]選取最長連續(xù)無日照日數(shù)、最長連續(xù)降水日數(shù)、每日日照不足1 h最長持續(xù)日數(shù)等因子將湖南水稻和油菜連陰雨災害分為輕、中、重3個等級;劉巖嵐等[14]采用持續(xù)降水日數(shù)確定四川水稻移栽分蘗期連陰雨災害等級。有學者采用2個及以上因子作為連陰雨致災因子,如毛留喜等[15]將華北地區(qū)連續(xù)3 d及以上有降水且過程雨量超過40 mm定義為一次連陰雨災害;李德等[3]篩選陰雨日數(shù)、累計雨量和日照時數(shù)3個因子作為安徽省冬小麥灌漿期連陰雨主要致災因子;劉雅星等[1]選取連續(xù)降水日數(shù)、過程降水量、日照時數(shù)對河南省連陰雨標準進行了修訂;韓文靜等[16]選取持續(xù)陰雨日數(shù)、過程總降水量確定了中國北方蘋果不同發(fā)育時期的連陰雨災害指標。確定了連陰雨災害指標后,不少學者開展了連陰雨災害風險評估及區(qū)劃的研究。如成林等[9]通過連陰雨日數(shù)和產(chǎn)量減產(chǎn)率構(gòu)建了河南省夏玉米花期連陰雨風險區(qū)劃指數(shù);徐虹等[10]選取日降水量、日照時數(shù)、土地利用類型、產(chǎn)量變異系數(shù)構(gòu)建了黃淮海地區(qū)夏玉米花期連陰雨風險指數(shù);金垚等[12]基于平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時間、連陰雨時間,構(gòu)建了四川盆區(qū)冬小麥灌漿結(jié)實期低溫陰雨寡照致災綜合指數(shù);李亞男等[17]統(tǒng)計了麥收期連陰雨頻率、最長連陰雨日數(shù)和最大過程雨量,構(gòu)建了中國冬麥區(qū)麥收期連陰雨災害風險評價體系;郭翔等[18]統(tǒng)計連陰雨過程中單日最大降水量、過程降水量和連陰雨持續(xù)日數(shù)構(gòu)建油菜花期連陰雨強度指數(shù)。

目前對災害風險評估及區(qū)劃的研究已有較為成熟的技術,但針對河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害指標及風險評估的研究較少。鑒于此,本文根據(jù)河南省冬小麥發(fā)育期資料和同期氣象資料,參考相鄰省區(qū)開展小麥灌漿期連陰雨災害指標,統(tǒng)計連陰雨發(fā)生頻率,利用主成分分析法構(gòu)建連陰雨風險強度指數(shù),從災害發(fā)生頻率、風險強度指數(shù)、產(chǎn)量損失率3個方面,重構(gòu)連陰雨災害風險區(qū)劃指數(shù),對河南省冬小麥灌漿期連陰雨進行風險評估與區(qū)劃,以期為河南省冬小麥防災減災和糧食安全提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

為保證數(shù)據(jù)完整性,文中所用河南省24個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981-2020年冬小麥發(fā)育期觀測資料,以及91個氣象觀測站1961-2020年冬小麥開花至成熟期的逐日氣象觀測資料,主要包括降水量、日照時數(shù),上述數(shù)據(jù)來自河南省氣象局。為了不遺漏災害天氣過程,根據(jù)全省冬小麥發(fā)育期觀測資料,將全省冬小麥開花至成熟期(即灌漿期)按行政區(qū)域劃分為3個區(qū)。其中,Ⅰ區(qū)包括信陽、南陽、駐馬店,灌漿期為4月25日-5月30日;Ⅱ區(qū)包括周口、許昌、漯河、平頂山、鄭州、開封、商丘、新鄉(xiāng)、焦作、濟源,灌漿期為4月30日-6月3日;Ⅲ區(qū)包括三門峽、洛陽、鶴壁、安陽、濮陽,灌漿期為5月7日-6月13日(圖1)。災情數(shù)據(jù)來源于中國氣象災害大典(河南卷)、中國氣象災害年鑒、相關文獻記載及相關報道等。冬小麥歷年產(chǎn)量資料源于河南省統(tǒng)計部門,土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于MODIS的MCD12Q1土地覆蓋類型產(chǎn)品。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)氣象站點分布圖及冬小麥灌漿期分區(qū)示意圖

1.2 連陰雨氣象指標

根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范和冬小麥生產(chǎn)過程中的實際特點,考慮災害發(fā)生年份對冬小麥的影響程度,參考以往連陰雨災害指標[3,9,12],并從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氣象服務角度考慮,采用如下連陰雨氣象災害指標。

過程指標: 連續(xù)3 d或3 d以上有降水(日降水量≥0.1 mm)作為一次連陰雨過程;在>3 d的連陰雨過程中,允許1 d無降水且該日日照<2 h或者1 d有微量降水且該日日照<4 h。若一次連陰雨過程發(fā)生在開花始期或成熟期前后,以連陰雨實際持續(xù)日數(shù)的2/3日數(shù)所在時段,確定是否屬于灌漿期連陰雨。

1.3 連陰雨災害因子統(tǒng)計方法

按照連陰雨過程指標判別方法,分別統(tǒng)計各站點每年每次連陰雨過程中的連陰雨日數(shù)、總雨量和總?cè)照諘r數(shù),然后按照公式(1)-(3),統(tǒng)計各站歷年連陰雨過程均日數(shù)、過程均雨量、過程均日照時數(shù)[16],并統(tǒng)計連陰雨年均過程次數(shù)。然后由各站點逐年過程均日數(shù)、過程均雨量、過程均日照時數(shù)統(tǒng)計得出各站點1961-2020年多年平均值。

各站點逐年過程均日數(shù):

(1)

式(1)中,DL為每年連陰雨過程均天數(shù),DZ為每年多次連陰雨過程總天數(shù),FZ為每年發(fā)生連陰雨過程總次數(shù)。

各站點逐年過程均雨量:

(2)

式(2)中,RL為每年連陰雨過程均雨量,RZ為每年多次連陰雨過程總雨量,FZ為每年發(fā)生連陰雨過程總次數(shù)。

各站點逐年過程均日照時數(shù):

(3)

式(3)中,SL為每年連陰雨過程均日照時數(shù),SZ為每年多次連陰雨過程總?cè)照諘r數(shù),FZ為每年發(fā)生連陰雨過程總次數(shù)。

各站點年均過程次數(shù):

(4)

1.4 連陰雨災害發(fā)生頻率

連陰雨災害發(fā)生頻率:

(5)

式(5)中,P為連陰雨災害發(fā)生頻率,M為發(fā)生連陰雨災害年數(shù),N為統(tǒng)計年數(shù)。

1.5 連陰雨災害風險強度指數(shù)

根據(jù)已有研究[3,9,12],連陰雨災害對冬小麥灌漿的影響與危害,不僅與連陰雨過程持續(xù)日數(shù)有關,還與連陰雨過程期間的雨量和日照時數(shù)密切相關。因此本文選擇連陰雨持續(xù)日數(shù)、降雨量、日照時數(shù)3個致災因子,即過程均日數(shù)DL、過程均雨量RL、過程均日照時數(shù)SL,采用主成分分析法[3,19-20],將3個致災因子重建為1個表示連陰雨災害的綜合指數(shù),主成分分析法的詳細介紹可參考文獻[3]和[19]。

將各站逐年連陰雨風險強度指數(shù)按照極差法[21]進行歸一化處理,以此代表連陰雨災害風險強度指數(shù)I。小麥灌漿期連陰雨風險強度指數(shù)由連陰雨日數(shù)、過程降水量、日照時數(shù)構(gòu)成,可表征遭受連陰雨災害過程的強烈程度,采用TS評分法進行檢驗[22]。

1.6 產(chǎn)量損失率

農(nóng)作物產(chǎn)量可由氣象產(chǎn)量、趨勢產(chǎn)量及隨機誤差3部分組成[23-24]。其中,隨機誤差可忽略不計,趨勢產(chǎn)量可用統(tǒng)計滑動平均法、一元線性擬合法等多種方法擬合,氣象產(chǎn)量是由生長季內(nèi)多種氣象要素影響的產(chǎn)量。本文采用5年滑動平均并結(jié)合分段直線模擬的方法[2],分離趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量,并計算相對氣象產(chǎn)量,其擬合效果優(yōu)于5年滑動平均法和分段直線模擬法(圖略)。公式如下:

(6)

式(6)中,Yd表示相對氣象產(chǎn)量,Y和Yt分別表示實際產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量。當Yd為負值時,表示減產(chǎn)率,其絕對值大小,在一定程度上反映了連陰雨等災害所造成的小麥產(chǎn)量損失率。因此本文以Yd負值的絕對值代表連陰雨發(fā)生年份的冬小麥產(chǎn)量損失率。

1.7 連陰雨風險區(qū)劃指數(shù)

冬小麥灌漿期連陰雨災害發(fā)生頻率可表征其危險性,連陰雨災害風險強度可在一定程度上反映連陰雨的發(fā)生強度,產(chǎn)量損失率可表示作物的易損性特征。河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險區(qū)劃指數(shù)采用加法[9]表達:

M=P+I+Yd

(7)

式(7)中,M為連陰雨災害風險區(qū)劃指數(shù),P為連陰雨災害發(fā)生頻率,I為歸一化后的連陰雨災害風險強度指數(shù),Yd為多年平均產(chǎn)量損失率。

本文采用ArcGIS 10.1反距離插值法(IDW),將各站點連陰雨發(fā)生頻率、多年平均風險強度指數(shù)、多年平均產(chǎn)量損失率及風險區(qū)劃指數(shù)進行空間差值,并疊加河南省土地利用類型。根據(jù)ArcGIS 10.1自然斷點法,將河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害發(fā)生頻率、風險強度指數(shù)、產(chǎn)量損失率、風險區(qū)劃指數(shù)分別劃分為3個等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥灌漿期連陰雨災害特征分析

河南省冬小麥灌漿期連陰雨多年平均過程均日數(shù)呈現(xiàn)西南高、東北低的空間分布(圖2a),河南省連陰雨過程均日數(shù)在3.4～4.1天。豫西、南陽、許昌南部、駐馬店西部、信陽西北部地區(qū)過程均日數(shù)最多,為3.8～4.1天;濮陽、商丘、周口東北部地區(qū)日數(shù)最少,為3.4～3.6天;其他地區(qū)為3.6～3.8天。河南省冬小麥灌漿期連陰雨多年平均過程均雨量空間分布規(guī)律不明顯(圖2b),河南省連陰雨過程均雨量為17.3～39.8 mm。信陽部分地區(qū)、濮陽北部、新鄉(xiāng)和鄭州局部地區(qū)過程均雨量最多,為30.0～39.8 mm;豫東、豫西、南陽中部等地區(qū)過程均雨量最少為17.3～25.0 mm;其他地區(qū)為25.0～30.0 mm。河南省冬小麥灌漿期連陰雨多年平均過程均日照時數(shù)呈北多南少空間分布(圖2c),河南省連陰雨過程均日照時數(shù)在4.9～13.6 h。安陽、濮陽、新鄉(xiāng)部分地區(qū)過程均日照時數(shù)最多,為9.5～13.6 h;周口、駐馬店東部、信陽、南陽局部地區(qū)過程均日照時數(shù)最少,為4.9～7.5 h;其他地區(qū)的為7.5～9.5 h。河南省冬小麥灌漿期連陰雨年均過程次數(shù)呈南高、北低空間分布(圖2d),河南省連陰雨年均過程次數(shù)在0.4～1.1次。南陽、信陽、駐馬店年均過程次數(shù)最多,為0.8次以上;三門峽、洛陽、平頂山、漯河、許昌、周口次數(shù)多為0.6～0.8次;其他地區(qū)年均過程次數(shù)最少,為0.4～0.6次。

圖2 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均過程均日數(shù)(a)、過程均雨量(b)、過程均日照時數(shù)(c)、年均過程次數(shù)(d)分布圖

2.2 冬小麥灌漿期連陰雨發(fā)生頻率分析

河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害發(fā)生頻率呈現(xiàn)南部高、北部低的緯向型分布特征。高發(fā)區(qū)域主要分布在豫南區(qū)域即南陽、信陽、駐馬店,發(fā)生頻率在67%以上,占全省總面積的41.0%,該結(jié)果與武建華等[25]研究結(jié)果較為一致。中發(fā)區(qū)域主要分布在中部地區(qū),即三門峽、洛陽、平頂山、許昌、漯河、周口,發(fā)生頻率為54%～67%,占全省總面積的29.8%。其他地市為低發(fā)區(qū)域,發(fā)生頻率在54%以下,占全省總面積的29.2%(圖3)。

圖3 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均發(fā)生頻率分布圖

2.3 冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數(shù)分析

由各站逐年冬小麥連陰雨風險強度統(tǒng)計河南省逐年區(qū)域平均風險強度指數(shù)(圖4)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,1974、1983、1985、1987、1990、1991、1992、1998、2002、2005、2009、2013、2018、2020年共14年河南省發(fā)生了較強的冬小麥灌漿期連陰雨災害。其中,1974、1990、2005、2020年未找到有關連陰雨災害的相關記載或文獻記錄,計為空報;1983、1985、1987、1992年與《中國氣象災害大典(河南卷)》記載一致,2018年與中國氣象災害年鑒一致,2009、2013年與河南省十大天氣氣候事件記載一致,1998、2002年與相關文獻記載一致,1991年與中國氣象報記載一致。統(tǒng)計的風險強度指數(shù)與連陰雨過程均日數(shù)DL、過程均雨量RL、過程均日照時數(shù)SZ的相關系數(shù)分別為0.887(P≤0.01)、0.961(P≤0.01)、0.511(P≤0.01),同時TS得分為0.71。由此可判斷,本文構(gòu)建的冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數(shù)可在一定程度上反映河南省灌漿期連陰雨災害發(fā)生程度。

圖4 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數(shù)時間分布圖

河南省冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數(shù)基本呈南部偏高、北部偏低的分布特征(圖5)。高值區(qū)主要分布在南陽西部、信陽、駐馬店、許昌南部和平頂山北部、焦作西部等地區(qū),風險強度指數(shù)為0.20～0.34,占全省總面積的32.1%;中值區(qū)主要分布在南陽和駐馬店局部、周口、漯河、鄭州及焦作東部、鶴壁等地區(qū),風險強度指數(shù)在0.15～0.20,占全省總面積的41.1%;低值區(qū)主要分布在開封東部、商丘西部、新鄉(xiāng)、安陽、濮陽等地區(qū),風險強度指數(shù)在0.15以下,占全省總面積的26.8%。

圖5 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均風險強度指數(shù)分布圖

2.4 冬小麥灌漿期遭受連陰雨后產(chǎn)量損失率分析

河南省冬小麥灌漿期連陰雨產(chǎn)量損失率空間上呈西部偏高、中部偏低分布(圖6)。高值區(qū)主要分布在南陽東部和許昌、平頂山及洛陽局部等地區(qū),產(chǎn)量損失率在4.0%以上,占全省總面積的13.0%;低值區(qū)主要分布在駐馬店北部、漯河和許昌一帶及周口、焦作等地區(qū),產(chǎn)量損失率在3.0%以下,占全省總面積的18.0%;其他地區(qū)為中值區(qū),產(chǎn)量損失率為3.0%～4.0%,占全省總面積的69.0%。

圖6 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均產(chǎn)量損失率空間圖

2.5 冬小麥灌漿期連陰雨風險區(qū)劃

河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險呈西南部偏高、中東部偏低分布(圖7)。河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害中,中、低風險區(qū)面積占全省總面積的90.3%,表明河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險等級一般。高風險區(qū)主要分布在南陽東部和許昌、平頂山及洛陽局部等地區(qū),占全省總面積的9.7%;中風險區(qū)主要分布在信陽、駐馬店、平頂山、洛陽及豫北局部等地區(qū),占全省總面積的44.1%;低風險區(qū)主要分布在周口、許昌、商丘、焦作、濮陽、安陽局部等地區(qū),占全省總面積的46.2%。

圖7 河南省冬小麥灌漿期連陰雨風險區(qū)劃空間圖

3 結(jié) 論

本文基于1981-2020年河南省24個農(nóng)業(yè)氣象觀測站點冬小麥發(fā)育期數(shù)據(jù)、1961-2020年河南省91個站點日氣象數(shù)據(jù)及冬小麥縣級歷年產(chǎn)量數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害特征,由連陰雨過程均日數(shù)、過程均雨量、過程均日照時數(shù)構(gòu)建河南省冬小麥連陰雨風險強度指數(shù),采用ArcGIS自然斷點法對冬小麥灌漿期連陰雨發(fā)生頻率、風險強度指數(shù)、產(chǎn)量損失率及風險區(qū)劃指數(shù)進行分類,結(jié)論如下。

(1)河南省冬小麥灌漿期連陰雨過程均日數(shù)、過程均日照時數(shù)、年均過程次數(shù)空間分布規(guī)律明顯,均呈帶狀分布,過程均雨量空間分布規(guī)律不明顯。河南省南部地區(qū)冬小麥灌漿期連陰雨年均發(fā)生日數(shù)、過程雨量、年均發(fā)生次數(shù)最多。

(2)本文構(gòu)建的連陰雨風險強度指數(shù)對河南省連陰雨災害有較高的識別能力,可反映河南省連陰雨災害發(fā)生程度。河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害發(fā)生頻率、風險強度指數(shù)均呈現(xiàn)南部偏高、北部偏低的緯向型分布特征,中、高發(fā)生區(qū)域占比70.8%,中、高風險強度指數(shù)區(qū)域占比73.2%;河南省冬小麥灌漿期遭受連陰雨后產(chǎn)量損失率空間上呈西部偏高、中部偏低趨勢,中、低損失率區(qū)域占比87.0%。

(3)河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險空間上呈西南部偏高、中東部偏低分布。中、低風險區(qū)域占比90.3%,高風險區(qū)主要分布在南陽東部地區(qū),研究區(qū)域冬小麥灌漿期連陰雨風險等級為一般。