近51年海河流域作物生長季干旱時空分布特征研究

孫艷玲 ，王中良 ，王永財

（天津師范大學a.城市與環(huán)境科學學院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津300387）

干旱是全球最嚴重的自然災害之一[1].近年來，隨著全球氣候變暖，干旱問題日益突出，已給國民經(jīng)濟，特別是農業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重影響[2].干旱類型通常被分為氣象干旱、農業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱.其中，氣象干旱的發(fā)生是最直接和最頻繁的，也是其他類型干旱發(fā)生的主要原因[3].目前，氣象干旱監(jiān)測與研究主要通過氣象干旱指數(shù)來進行，氣象干旱指數(shù)是監(jiān)測和評估干旱的關鍵參數(shù)[4].隨著全球陸地和各國對干旱的脆弱性增強，為降低干旱災害影響的風險，迫切需要加強建立在氣象干旱指數(shù)基礎上的區(qū)域干旱變化研究和監(jiān)測[5].在我國，已發(fā)展和應用的氣象干旱指數(shù)種類很多，其中，Palmer指數(shù)[6-7]、Z 指數(shù)[8]、SPI指數(shù)[9]、CI指數(shù)[10-11]、濕潤度和干燥度指數(shù)[12]等都已被廣泛應用于不同時空尺度上干旱的動態(tài)研究.但由于各地氣候的差異，在使用干旱指數(shù)監(jiān)測和評價干旱影響時，各地往往存在很大的差異[13].

海河流域地處京畿要地，是我國七大流域之一，集中了全國10%的人口，更是我國重要的糧食生產(chǎn)基地.1970年代以來，在我國北方持續(xù)干旱化的背景下，海河流域降水明顯減少[14]，氣溫上升趨勢顯著[15]，水資源供需矛盾不斷加劇，干旱缺水已嚴重影響了海河流域社會經(jīng)濟的發(fā)展，尤其是對農業(yè)生產(chǎn)的影響非常嚴重[16].作為我國的糧食主產(chǎn)區(qū)，海河流域在作物生長和成熟的主要階段，即作物生長季（即春季至秋季）發(fā)生干旱的情況將直接影響到作物的生長狀況和產(chǎn)量，也直接影響到海河流域的糧食產(chǎn)量問題.本研究主要針對海河流域生長季干旱問題，選取能夠反映作物生長季干旱狀況的氣象干旱指數(shù)（相對濕潤度指數(shù)M）作為干旱評判標準，對近51年來海河流域生長季中春、夏、秋3個季節(jié)的干旱問題進行探討和分析，以期為海河流域農業(yè)生產(chǎn)和管理提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

海河流域位于東經(jīng) 112°～ 120°，北緯 35°～ 43°之間，東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原.流域總面積3.182×105km2，地跨8個省、自治區(qū)和直轄市，包括北京和天津兩市全部、河北省絕大部分、山西省東部、河南和山東省北部以及內蒙古自治區(qū)和遼寧的一部分，如圖1所示.該流域屬于溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，是我國東部沿海降水最少的地區(qū)，多年平均降水量為400～800 mm，而且降水時空間分布不均勻，季節(jié)性差異較大，80%左右的降水集中在6—9月份，同時，降水的年際變化很大，是全國嚴重缺水區(qū)之一.

圖1 海河流域邊界及氣象站點分布圖Fig.1 Boundary of Haihe river basin and the spatial distribution of meteorological stations

2 資料與方法

所用數(shù)據(jù)來自中國氣象局氣象信息中心提供的1960—2010年全國753個氣象站點的逐月氣溫和逐月降水資料.在對原始數(shù)據(jù)進行分析處理的基礎上，選擇海河流域及其周邊地區(qū)氣象站中116個連續(xù)51 a資料完整的站點所記錄的月降水量和月平均氣溫數(shù)據(jù)進行干旱指數(shù)計算，如圖1所示.

本研究采用的干旱指數(shù)為2006年11月開始實施的國家標準《氣象干旱等級》（GB/T20481-2006）中的相對濕潤指數(shù)M[13].相對濕潤指數(shù)M是表征降水量與蒸發(fā)之間平衡的指標，可以反映作物生長季的干旱狀況，其計算公式為

式（1）中：P表示某一時段的降水量，單位為mm；PE表示某一時段的可能蒸發(fā)量，單位為mm，可用FAO Penman-Monteith或Thornthwaite方法進行計算.Thornthwaite方法所需氣象要素較少，計算相對簡單，因此，本研究選取此方法計算可能蒸發(fā)量PE.Thornthwaite方法以月平均溫度為主要依據(jù)，并考慮緯度因子（日照強度）建立經(jīng)驗公式.

式（2）中：PEi為月可能蒸發(fā)量，單位為mm；Ti為月平均氣溫，單位為℃；為年熱量指數(shù)，其中各月熱量指數(shù)常數(shù)A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49.當月平均氣溫Ti≤0℃時，月熱量指數(shù)Hi=0，月可能蒸發(fā)量PEi=0 mm.

本研究首先利用式（1），分別計算了近51年來海河流域作物生長季節(jié)中春季（3—5月）、夏季（6—8月）和秋季（9—11月）各個站點的相對濕潤指數(shù)M.在此基礎上，對海河流域及其周邊地區(qū)116個站點的M值進行柵格化處理，即采用目前廣泛使用的Kriging空間插值法把計算得到的站點M值插值成0.05°×0.05°的柵格數(shù)據(jù)，疊加在海河流域邊界圖上進行掩模處理，然后分別提取近51年海河流域作物生長季中春季、夏季和秋季共153幅M值空間分布柵格圖，用以進行海河流域生長季干旱時空特征分析.

3 結果與分析

3.1 干旱的時間分布特征

根據(jù)中國氣象局提出的中國干旱標準，相對濕潤指數(shù)M≤0.40的地區(qū)被劃分為干旱地區(qū)，本研究以此為標準實現(xiàn)M柵格數(shù)據(jù)中干旱區(qū)域面積的提取和統(tǒng)計.為了直觀地反映海河流域干旱面積的變化特征，突出海河流域干旱變化的時空分布特征，本研究采用干旱率反映干旱面積的動態(tài)變化.干旱率表示在一定時間范圍內，某地區(qū)干旱發(fā)生面積與總面積的比率，即

式（3）中：θd為干旱率；Sd為干旱面積（km2）；St為總面積（km2）.51年來海河流域生長季干旱率的變化情況如圖2所示.

由圖2可以看出，海河流域在夏、春和秋季均有干旱發(fā)生，春季干旱最為嚴重，秋季次之，夏季干旱也較為嚴重，即整個生長季內干旱情況嚴重.從年代際變化來看，海河流域的干旱情況在1960年代最為嚴重，1990年代次之，1970年代和21世紀初雖有所緩解，但仍為嚴重.由圖2a可知，春季干旱率有逐漸降低的趨勢，多年平均干旱率高達56.90%，51年來春季干旱率在50%以上的年份達到31 a，干旱率在90%以上的年份有10 a，占整個研究時段的19.6%，其中1962年、1968年、1989年、1993年、1996年和2001年春季干旱尤為嚴重，干旱率達到95%以上.在年代際變化方面，1960年代的干旱情況最為嚴重，平均干旱率為61.91%；1990年代次之，平均干旱率為58.89%；1970年代、1980年代和21世紀最初10年干旱也較為嚴重，平均干旱率分別為51.61%、51.61%和55.26%.

圖2 近51年海河流域不同季節(jié)干旱率變化Fig.2 Changes of drought rates for spring，summer and autumn in Haihe river basin over the past 51 years

由圖2b中可以看到，夏季干旱率多年保持基本穩(wěn)定，多年平均干旱率為7.59%，較春季干旱率明顯降低，近51年干旱率高于50%的年份有2 a，其中1979年和1997年最為嚴重，干旱率分別為75.07%和74.89%.從年代際變化來看，海河流域在1990年代的夏季干旱情況最為嚴重，平均干旱率為10.86%；1970年代次之，平均干旱率為9.87%；1960年代干旱情況也較為嚴重，平均干旱率為9.26%；21世紀初和1980年代干旱程度較低，平均干旱率分別為4.81%和3.43%.

從圖2c中可以看到，秋季干旱率表現(xiàn)出增加的趨勢，多年平均干旱率為33.72%，近51年干旱率大于50%的年份有12 a，其中1965年、1998年和2006年干旱最為嚴重，干旱率在90%以上.從秋季干旱的年代際變化來看，1980年代海河流域的干旱狀況最為嚴重，平均干旱率為39.52%；1960年代次之，平均干旱率分別為36.60%；2000年以來干旱率仍較為嚴重，平均干旱率為36.23%；1970年代和1990年代的平均干旱率為21.62%和34.39%.

3.2 干旱的空間分布特征

海河流域屬于溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，降水時空分布呈現(xiàn)明顯的地帶性、季節(jié)性和年際差異.為了定量分析海河流域近51年的干旱空間分布特征，本研究利用ArcMap軟件對相對濕潤指數(shù)M空間分布圖中干旱年數(shù)的柵格進行提取，并計算獲得春季、夏季和秋季干旱發(fā)生的概率，結果如圖3所示.

圖3 近51年海河流域不同季節(jié)干旱發(fā)生概率分布Fig.3 Distribution of drought probabilities for spring，summer and autumn in Haihe river basin over the past 51 years

圖3 表明，在生長季中的不同季節(jié)，流域內干旱高發(fā)區(qū)在空間分布上表現(xiàn)出較大差異.其中，干旱發(fā)生概率較高的地區(qū)在河北與內蒙古的交接區(qū)域，干旱發(fā)生概率最高的地區(qū)為東南部的京津地區(qū)、內蒙古多倫市以及河北張家口地區(qū)；石家莊以北、保定以西地區(qū)干旱發(fā)生概率最低，海河流域東南部的山西省部分地區(qū)干旱發(fā)生概率較低.

春季是海河流域干旱發(fā)生概率最高的，整個流域干旱發(fā)生概率均在19.61%以上，如圖3a所示.干旱發(fā)生概率在50%以上的地區(qū)主要在大同、石家莊、邢臺以西，約占海河流域面積的3/4；干旱發(fā)生概率在60%以上的地區(qū)主要有河北東北部以及京津一帶，約占海河流域面積的1/4；春季干旱發(fā)生概率低于50%的地區(qū)包括山西東北部、河南北部新鄉(xiāng)地區(qū)以及山東境內黃河北岸的狹長區(qū)域；春季干旱發(fā)生概率相對較低的地區(qū)分布于山西省忻州市以北的五臺地區(qū).

受季風氣候的影響，海河流域夏季的干旱發(fā)生率較春季明顯降低，但大部分地區(qū)的干旱發(fā)生率均在4%以上，如圖3b所示.干旱發(fā)生概率大于13%的地區(qū)主要有大同、張家口一線以北和山西長治、河南新鄉(xiāng)等地區(qū)；干旱發(fā)生概率較高的地區(qū)包括內蒙古多倫等地，干旱發(fā)生率高達20%；夏季干旱發(fā)生率較低的地區(qū)位于保定以西、石家莊以北、張家口以南，其干旱發(fā)生率小于6%.

秋季海河流域大部分地區(qū)干旱發(fā)生率在25%以上，與春季相比，干旱發(fā)生概率在40%～60%的面積有所減小，干旱發(fā)生概率在30%～50%的面積有所擴大，并向東移動，如圖3c所示.干旱發(fā)生概率最大的區(qū)域集中在京津唐地區(qū)，干旱發(fā)生概率為45%～60%；張家口、石家莊和長治一線以西地區(qū)干旱發(fā)生概率小于25%，而以東區(qū)域的干旱發(fā)生概率大于25%，占整個海河流域面積的3/4；干旱發(fā)生概率較低的地區(qū)為山西五臺地區(qū).

4 結論與討論

農業(yè)由于受自身生產(chǎn)特點的制約而極易受到干旱的影響，特別是在作物生長季發(fā)生的干旱直接影響到作物的生長狀況和產(chǎn)量.本研究采用相對濕潤度指數(shù)M作為干旱評價因子，對海河流域近51年來作物生長季的干旱時空變化進行研究，得出以下主要結論，并提出相應建議.

（1）海河流域春季發(fā)生干旱的面積最大，多年平均干旱率高達56.90%.從干旱發(fā)生的空間分布上來看，春季整個海河流域干旱發(fā)生概率均在19.61%以上，而且干旱發(fā)生概率在50%以上地區(qū)的面積占整個流域面積的3/4.大面積的干旱對春季農作物生長極其不利，應加強水利建設，實施有效科學的灌溉措施，減輕春季干旱對農作物不利影響.

（2）海河流域夏季干旱率較春季明顯降低，多年平均干旱率為7.59%.從近51年干旱率的變化趨勢來看，夏季干旱率變化表現(xiàn)出年際變幅大的特點，大旱大澇、連旱連澇和旱澇交替現(xiàn)象較為顯著.從干旱發(fā)生的空間分布上來看，海河流域部分地區(qū)干旱發(fā)生概率較高，應針對不同區(qū)域的特點，應加強水利設施建設，減少夏季干旱對農業(yè)的影響.

（3）海河流域秋季干旱情況也較為嚴重，多年平均干旱率為33.72%，并且干旱率在近51年來呈現(xiàn)出增加趨勢.從干旱發(fā)生的空間分布來看，海河流域大部分地區(qū)秋季干旱發(fā)生概率均在25%以上，干旱發(fā)生概率最高的地區(qū)仍集中在京津唐等平原地區(qū).秋季是農作物成熟的主要階段，作物對水分的需求相對較多，因此，應在平原地區(qū)建設灌溉設施，保護湖泊、洼地和池塘等水域，同時疏通水道，合理灌溉，減少土地的鹽堿化.

通過對海河流域生長季干旱的時空分布特征進行分析可知，當?shù)剞r業(yè)生產(chǎn)部門應充分重視春季和秋季的干旱情況，尤其是春旱的發(fā)生.本研究以相對濕潤指數(shù)M≤0.40作為劃分干旱的指標，可以從整體上反映海河流域干旱的時空變化特征和基本規(guī)律，但在小范圍內，由于受自然和人為因素的影響，海河流域的干旱呈現(xiàn)出一定的復雜性，以M≤0.40作為劃分干旱的指標可能存在一定的不準確性，因此，廣范圍和小區(qū)域的干旱研究相結合是本研究需要進一步深入開展的工作.

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