1961—2015年甘肅省伏旱時空分布特征及影響分析

林婧婧，趙冠男

(1.西北區域氣候中心， 甘肅 蘭州 730020； 2.江西省氣象局， 江西 南昌 330096)

甘肅省地處內陸，降水少、氣候干燥、水資源貧乏是影響甘肅省農業和社會經濟發展的主要原因。甘肅省每年因干旱災害造成的經濟損失占自然災害的56%，尤其是近年來河東雨養農業區的降水呈減少趨勢，干旱災害對農業的影響尤其顯著[1-9]。

近年來，關于甘肅省春旱和春末夏初旱的發生頻率、范圍、年代際變化及其對農業的影響已有大量研究：甘肅省20世紀60年代至2008年春旱頻率呈增加趨勢[10]，春末夏初旱出現的頻率和干旱范圍在20世紀90年代至2008年均呈增加趨勢[11]。一些研究還分析了甘肅省伏旱指數的變化特征[12-13]以及干旱對甘肅省玉米和冬小麥的影響[14-15]。

甘肅省大部分地區為干旱和半干旱氣候，特別是河東雨養農業區，是氣候變化敏感區域，又是生態環境脆弱區，農作物生長所需的水分主要依靠自然降水，農業生產受降水量變化的影響非常明顯。伏期(7—8月)是甘肅省秋季作物生長的需水關鍵期，降水量直接影響秋季作物的產量和品質。因此本研究擬利用甘肅省80個氣象觀測站1961—2015年夏季(7—8月)歷年降水量資料，分析伏期干旱發生的頻率、空間分布和年代際的變化特征，以為伏旱辨識、監測預測和影響評估提供科學依據。

1 資料與方法

基于甘肅省氣象干旱規律和旱災發生情況，考慮到降水量明顯偏少是導致干旱發生的最主要原因，在此使用降水距平百分率作為衡量氣象干旱程度的主要依據。降水距平百分率是表征某時段降水量較常年值偏多或偏少的指標之一，能直觀反映降水異常引起的氣象干旱，在氣象日常業務中多用于評估月、季、年發生的氣象干旱事件。參照中華人民共和國國家標準-氣象干旱等級(GB/T2048122006)中降水距平百分率氣象干旱指標定義，結合《中國氣象災害大典·甘肅卷》歷史干旱記錄，制定甘肅省降水距平百分率氣象干旱等級劃分指標(表1)。

表1 甘肅省降水距平百分率氣象干旱等級劃分指標

利用甘肅省80個氣象觀測站1961—2015年夏季(7—8月)歷年降水量資料，計算伏期(7—8月)降水距平百分率。伏期常年均值根據世界氣象組織規定，采用1981—2010年期間的資料計算。根據定義，某時段降水量距平百分率(Pa)可計算如下：

(1)

考慮到甘肅省河西地區絕大多數是灌溉農業區，降水對農業生產的影響并不十分突出，而河東地區為雨養農業區，受降水影響十分顯著。因此，在研究伏旱特征時，分別研究甘肅全省(80個站)、河西地區(19個站)和河東地區(61個站)的伏旱特征，并將研究時段內的干旱站數占總站數的百分比在25%以上的年份確定為區域性干旱年。

伏旱強度指數計算如下[16]：

R0=ΔR+ΔRz

(2)

式中，ΔR為區域平均日降水量距平百分率；ΔRz為正距平站數占總站數的百分率；區域降水強度指數R0即為區域平均日降水量距平百分率與正距平站數占總站數百分率之和。于是伏旱強度指數可表示為：

(3)

干旱災情數據采用甘肅省1985—2014年災情普查數據，僅獲取伏旱時段(7—8月)的災情數據。

2 結果分析

2.1 伏旱空間分布格局

甘肅省降水量的空間分布不均，年降水量300 mm以下的地區占全省總面積的58%。而且全省降水量的季節分布不均，年際變化大，導致干旱成為甘肅省最嚴重的氣象災害。依照干旱出現時間，可分為春旱(3—4月)、春末夏初旱(5—6月)、伏旱(7—8月)和秋旱(9—10月)，其中伏旱出現頻率最低。

全省伏旱發生頻率在10%～55%之間(圖1)，河西走廊伏旱發生頻率為30%～55%，平均2～5 a一遇，是全省伏旱發生頻率最高的區域。在隴中北部、隴東和隴南大部，伏旱發生頻率為30%～40%，平均3 a一遇，是伏旱發生頻率次高區。隴中南部和甘南高原伏旱發生頻率為20%～30%，平均3～5 a一遇，是伏旱發生頻率最低的區域。

2.2 伏旱的年代際變化

甘肅全省、河西和河東近55 a伏旱發生頻率的年代際變化較為穩定，均呈弱的增加趨勢。其中，全省近55 a伏旱發生的頻率為51%，河西旱作農業區伏旱的發生頻率為63%，河東雨養農業區伏旱的發生頻率為43%(表2)。

甘肅省區域性伏旱頻率分析發現，全省重大伏旱的發生頻率為5%，20世紀60年代至80年代沒有發生重大伏旱，20世紀90年代和21世紀初發生重大伏旱的頻率均為10%，自20世紀90年代起發生重大伏旱的頻率開始增加，2011年以后發生重大伏旱的頻率達到最大。河西重大伏旱發生頻率在21世紀初減小；而河東重大伏旱的發生頻率與甘肅全省基本相同，均自20世紀90年代起開始增加。

圖1 1961—2015年甘肅省伏旱發生頻率空間分布

Fig.1 Spatial distribution of summer drought occurrence frequency in Gansu Province during 1961—2015

2.3 伏旱演變趨勢

甘肅全省近55 a發生伏旱站數占總站數比在1961—1985年間呈下降趨勢，傾向率為-9.6%·10a-1，1986—2015年間呈弱的增加趨勢。

甘肅全省和河東發生伏旱站數占總站數比的年代際變化趨勢基本相同，在20世紀60年代和80年代，發生伏旱站數占總站數比均呈先增加后減少趨勢，70年代呈減少趨勢；90年代以后呈先減小后增加趨勢。河西發生伏旱站數占總站數比在20世紀60年代呈減小趨勢，70年代呈先增加后減小趨勢，80年代以后與甘肅全省、河東的年代際變化趨勢相同。

全省伏旱發生大旱以上的區域，在20世紀60年代初主要出現在酒泉、武威和慶陽三市，之后縮小；進入70年代初，則較為均勻地出現在河東大部分地區，在70年代中后期，主要集中出現在酒泉市和武威市；80年代初期轉移到隴中的白銀、蘭州和臨夏三市(州)，中后期則主要集中在酒泉市和張掖市；1991年開始河西西部、隴中大部和南部地區出現大范圍伏旱，隨后發展為河東大部地區；90年代末期至2013年，伏旱向河西地區延伸，范圍先擴大后縮小，近兩年又出現擴大趨勢。

發生伏旱站數占總站數百分比的演變趨勢主要可分為五個時期(圖2)：(1) 1961—1970年，伏旱站數占總站數的百分比在29.5%，呈減小趨勢，平均每10 a減小17.9%；(2) 1971—1979年，伏旱站數占總站數的百分比在31.2%左右，呈顯著減小趨勢，平均每10 a減小61.4%；(3) 1981—1991年，伏旱站數占總站數的百分比在36%左右，呈增加趨勢，平均每10 a增加19.1%；(4) 1992—2002年，伏旱站數占總站數的百分比在33.6%左右，呈顯著增加趨勢，平均每10 a增加52.2%；(5) 2003—2015年，伏旱站數占總站數的百分比在32%左右，呈增加趨勢，平均每10 a增大25.4%。

在五個伏旱演變明顯時段，發生伏旱站數占總站數比的平均值呈先增加后減小變化趨勢，尤其是在1981—1991年，共有4 a伏旱站數占總站數比大于50%，其中70%以上的有2 a。

2.4 伏旱強度變化

利用區域降水強度指數分析伏旱時段特征。在氣候分析中規定，盛夏連續10 d以上區域降水指數小于0，且時段內累計區域降水強度指數的和≤-800%，則稱之為伏旱時段，伏旱開始/結束日為區域降水強度指數穩定通過小于/大于0的伏旱時段開始/結束日期。伏旱開始日與結束日之間的天數為伏旱日數。因此，近55 a甘肅省伏旱最早在7月初已形成干旱(表3)，最晚出現在8月22日，平均開始日期為8月1日。伏旱最長持續時間為15 d(1965年)，其次為1991年(13 d)，平均持續時間為11.4 d。

表2 1961—2015年甘肅省各年代伏旱發生頻率/%

注：表中干旱頻率是輕旱、大旱和重旱的總頻率。

Note: The drought frequency in the table is the total frequency of light drought, heavy drought and severe drought.

圖2 1961—2015年甘肅省發生伏旱站數占總站數的百分比歷年變化

Fig.2 The yearly variations of summer drought station percentage in Gansu Province during 1961—2015

通過伏旱強度指數劃分伏旱等級(表4)，在過去55 a中，無伏旱43 a(占78.2%)，未出現輕伏旱，中伏旱7 a(占12.7%)，強伏旱3 a(5.5%)。無伏旱主要出現在20世紀80年代以前，中伏旱主要出現在20世紀70、80年代初、90年代后期至21世紀初，重伏旱主要出現在1965、1991和2000年。自20世紀80年代以來，共有7 a伏旱強度大于中伏旱。

表3 1961—2015年甘肅省伏旱起始日、伏旱天數及累計區域降水強度指數

2.5 作物受旱特征分析

河西走廊是甘肅全省伏旱發生頻率最高的區域，由于是灌溉農業區，只要上年冬前灌溉比較好，對春播作物的影響并不十分嚴重。甘肅河東地區是旱作農業區，農作物所需的水分主要依靠自然降水，雖然河東地區伏旱出現頻率相對偏小，但往往影響秋糧作物的生長，是伏旱對農業生產影響最嚴重的區域，加之夏季的持續高溫天氣，對花期玉米開花授粉、馬鈴薯塊莖膨大和中藥材生長有一定影響，給農業生產造成一定損失。

在20世紀90年代和2005年左右，農作物受災面積波動較大，歷年受災面積變化和重旱站數百分比的變化趨勢相似，采用降水距平百分率的伏旱重旱范圍呈減小趨勢，為-0.6%·10a-1，農作物受災面積呈1.1萬hm2·10a-1的增加趨勢(圖3)。

表4 1961—2015年甘肅省伏旱強度等級

圖3 1985—2014年甘肅省重旱站數占總站數百分比和作物受災面積的歷年變化

Fig.3 The yearly variations of severe summer drought station percentage and the affected area of crops in Gansu Province during 1985—2015

甘肅省災情普查數據表明，20世紀80年代以來，全省伏旱受災地區主要為武威、張掖、白銀、定西、甘南、金昌、蘭州、臨夏、隴南、平涼、慶陽和天水等12個市(州)，主要受災農作物有玉米、小麥、糜子、洋芋、豌豆、油菜、大豆、胡麻、蠶豆、高粱等。2000年伏旱是全省大范圍的嚴重干旱，重旱區主要分布在武威以東地區，是我國北方夏旱區的一部分。近50 a中，大范圍前伏干旱共出現4次(1973、1982、1991、2000年)，其中2000年是第4次出現，干旱強度為近50 a所罕見。嚴重的前伏干旱使6月下旬雨后播種的小秋作物不能出苗或出苗后枯萎、死亡，對大秋作物的正常生長造成很大的不良影響，秋糧減產。2015年定西市和慶陽市受伏旱影響較大。全省有39站出現35℃以上高溫，白銀市、慶陽市、平涼市東部、天水市渭北地區等地旱情發展程度的加重，影響了馬鈴薯的塊莖膨大、玉米的開花授粉及蘋果的果實生長。

3 討 論

甘肅省地處干旱半干旱氣候區，農作物生長所需的水分主要依靠自然降水。而伏期(7—8月)是甘肅省秋季作物生長的需水關鍵期，伏旱的發生發展對秋季作物的產量和品質影響重大。盡管已有一些研究者分析了甘肅省伏旱指數的變化特征[12-13]以及干旱對甘肅省玉米和冬小麥的影響[14-15]，但關于甘肅省伏旱發生的頻率、范圍和年代際變化的統計分析仍較少。本研究指出，1961—2015年甘肅全省、河西和河東的伏旱發生頻率呈緩慢增加趨勢，但伏旱強度的變幅自20世紀80年代以來顯著增大；伏旱發生頻率的空間分布為河西走廊最高，隴中北部、隴東和隴南次之，隴中南部和甘南高原最小，但伏旱發生范圍在1961—1995年期間呈明顯縮小趨勢，而在1996—2015年期間呈擴大趨勢。同時，對比甘肅全省伏期大氣降水數據和嚴重伏旱的文獻記錄資料發現，甘肅省伏旱致災與大氣降水有密切聯系，基于降水距平百分率給出的伏旱頻率空間分布能很好地描述伏旱發生的區域范圍，且與楊曉華[13]的伏旱指數分區結果相似，表明了降水距平百分率指標研究伏旱的可行性。本研究利用伏旱強度指數較為詳細地描述了甘肅省伏旱發生的時間和強度，與已有研究結果相似[6,12]，有助于較全面分析伏旱的時空特征。但是，這些指標仍不能很好地闡明甘肅全省自20世紀80年代以來的伏旱異常變化成因，未來需要進一步分析研究。

4 結 論

本研究利用甘肅省80個氣象觀測站1961—2015年伏期(7—8月)歷年降水量資料對伏旱發生的頻率、范圍和年代際變化進行了統計分析，主要得到如下結論：

(1) 甘肅省伏旱發生頻率在10%～55%之間，河西走廊為30%～55%，是頻率最高區；隴中北部、隴東和隴南大部30%～40%，是伏旱發生頻率次高區；隴中南部和甘南高原20%～30%，是伏旱發生頻率最小區。甘肅全省和河東的伏旱發生頻率自20世紀90年代開始增加，2011年以后達到最大；全省和河東重大伏旱頻率在20世紀90年代以后增大，河西自2000年起減小。

(2) 近55 a中，甘肅省伏旱最早在7月初已形成干旱，最晚出現在8月22日，平均開始日期為8月1日，平均持續時間為11.4 d。伏旱范圍在1961—1995年期間呈明顯的縮小趨勢，在1986—2015年期間呈擴大趨勢，且在20世紀80年代以后，全省、河東和河西區域的年代際變化趨勢相同，均是在70年代呈減少趨勢，80年代先增加后減少，90年代以后先減小后增加。

(3) 全省發生伏旱站數占總站數百分比的演變趨勢主要有五個明顯時段，發生伏旱站數占總站數比的平均值呈先增加后減小變化趨勢，尤其是在1981—1991年，共有4 a伏旱站數占總站數比大于50%，其中70%以上的有2 a。

發生大旱以上區域，主要從20世紀60年代河西西部和慶陽市，擴大至河東大部地區，再向河西縮小，在80年代由隴中地區西移至河西西部，1991年起向東部大范圍擴大，20世紀90年代末至2013年向河西地區縮小，近兩年又呈擴大趨勢。

(4) 甘肅全省未出現輕伏旱。輕伏旱主要出現在20世紀80年代以前，20世紀80年代以后伏旱強度指數變化的幅度明顯增大，發生中伏旱的有7 a、重伏旱有3 a(1965、1991和2000年)，其中1965年伏旱持續時間為歷史最長(15 d)，其次為1991年(13 d)。全省20世紀60年代初、80年代中期、1994年和2000年出現嚴重的伏旱或連旱，導致了1985—2015年甘肅省農作物產量下滑，且受災面積呈增加趨勢。

[1] 李棟梁，魏 麗，蔡 英，等.中國西北現代氣候變化事實與未來趨勢展望[J].冰川凍土，2003，25(2)：135-142.

[2] 張存杰，高學杰，趙紅巖．全球氣候變暖對西北地區秋季降水的影響[J].冰川凍土，2003，25(2)：157-164.

[3] 劉德祥，董安祥，鄧振鏞.中國西北地區氣候變暖及其對農業影響的研究[J].自然資源學報，2005，20(1)：1-7.

[4] 劉德祥，董安祥，陸登榮.中國西北地區近43年氣候變化及其對農業生產的影響[J].干旱地區農業研究，2005，23(2)：195-200.

[5] 劉德祥，董安祥，鄧振鏞.中國西北地區近43年降水資源變化對農業的影響[J].干旱地區農業研究，2005，23(4)：179-184.

[6] 吳愛敏.西北地區伏期干旱特征及影響因子分析[J].中國沙漠，2008，28(3):572-578.

[7] 劉德祥，董安祥， 薛萬孝.氣候變暖對甘肅農業的影響[J].地理科學進展，2005，24(2)：49-57.

[8] 劉德祥，趙紅巖，董安祥.氣候變暖對甘肅夏秋季作物種植結構的影響[J].冰川凍土，2005，27(6)：806-811.

[9] 劉德祥，白虎志，寧惠芳，等.甘肅不同強度降水日數變化對干旱災害的影響[J].干旱地區農業研究，2007，25(2)：212-217.

[10] 林婧婧，申恩青，劉德祥.甘肅省近58年春旱的氣候特征及其對農業的影響[J].干旱地區農業研究，2010，28(1):233-236,242.

[11] 林婧婧，申恩青，劉德祥.甘肅省近58a春末夏初旱變化特征及其對夏糧的影響[J].干旱氣象，2012，30(1):77-80,99.

[12] 吳愛敏，郭江勇，王勁松.中國西北地區伏期干旱指數及干旱分析[J].干旱區研究，2007,24(2):227-233.

[13] 楊曉華，白虎志，周志鵬.甘肅省伏旱指數特征及多層遞階方法預測[J].干旱地區農業研究，2006,24(4):180-186.

[14] 姚小英，吳 麗，田廣旭，等.甘肅旱作區玉米近40年干旱影響評估[J].干旱區資源與環境，2015,29(5):192-196.

[15] 姚小英，張 強，王勁松，等.甘肅冬小麥主產區40年干旱變化特征及影響風險評估[J].干旱地區農業研究，2014,32(2):1-6，32.

[16] 方建剛，白愛娟，肖科麗，等.陜西伏旱氣候特征及成因分析[J].干旱地區農業研究，2009,27(2):28-34.