1986-2015年華北平原農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的變化特征

劉 笑，何學(xué)敏，游松財(cái)

(1.河北省邢臺(tái)市氣象局，河北 邢臺(tái) 054000；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

華北平原屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候區(qū),受季風(fēng)條件的影響，四季分明，降水和溫度存在明顯的年變化，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。除了氣候條件外，水資源偏少、土壤條件等因素導(dǎo)致華北平原是我國(guó)的多災(zāi)區(qū)，災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的威脅大[1]，干旱、洪澇是主要的氣象災(zāi)害，低溫凍害、霜凍、干熱風(fēng)等對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響也較大[2]。而華北平原的耕地面積占全國(guó)的15.39%，糧食產(chǎn)量約占全國(guó)糧食產(chǎn)量的26.64%，在保障我國(guó)糧食安全上有著舉足輕重的地位[3]。因此，明確華北平原農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的時(shí)間變化特征，為防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研發(fā)、保障糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。

自20世紀(jì)60年代以來，華北平原的氣候出現(xiàn)了降水減少、氣溫升高的變化趨勢(shì)[4-5]，偏干旱區(qū)域總體增加[6]。干旱是對(duì)華北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[7]，干旱現(xiàn)象頻繁發(fā)生，發(fā)生頻率位居全國(guó)之首，旱災(zāi)平均受災(zāi)面積占全國(guó)受災(zāi)面積的比例最高，達(dá)28%以上[8-10]。基于1978-2010年的受災(zāi)率對(duì)干旱、洪澇程度進(jìn)行等級(jí)劃分，山東、河南及河北的干旱為最重的等級(jí)，河南、山東的洪澇為次重等級(jí)[11]。自1951年以來，華北平原的洪澇災(zāi)害呈顯著下降的趨勢(shì)，尤其1970-2010年旱災(zāi)明顯大于澇災(zāi)[12]，氣候呈現(xiàn)暖干化的特點(diǎn)[13-14]。華北平原的雹災(zāi)為春末夏初多發(fā)型，在6月份達(dá)到高峰，河北和山東省屬于環(huán)渤海雹災(zāi)多發(fā)區(qū)，而河南省東南部雹災(zāi)較少[15]。除了東北地區(qū)，華北平原受冷凍害、霜凍影響也較嚴(yán)重[16]，是冬小麥霜凍多發(fā)區(qū)[17]。

前人對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害展開了多方面深入的研究，但研究多集中于農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害趨勢(shì)分析[18-20]，對(duì)華北平原農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的災(zāi)損率、波動(dòng)性及其災(zāi)害等級(jí)的分析較少，且已有文獻(xiàn)對(duì)2010年以前的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究較多[10-12]，近10a的災(zāi)害研究報(bào)道有所減少。因此本文利用更新至2015年的災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析華北平原糧食主產(chǎn)省(包括河北省、河南省和山東省)災(zāi)害總體以及洪澇、干旱、風(fēng)雹和低溫災(zāi)害的災(zāi)害面積、損失率、災(zāi)害波動(dòng)性以及災(zāi)害等級(jí)的變化特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所用的數(shù)據(jù)包括1986-2015年河北省、河南省和山東省的農(nóng)作物播種面積、受災(zāi)面積、成災(zāi)面積和絕收面積，來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》及《中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料》。

1.2 研究方法

1.2.1 受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率 由于每年農(nóng)作物播種面積不同，為消除農(nóng)作物播種面積年際變化對(duì)災(zāi)害趨勢(shì)變化的影響，計(jì)算各類災(zāi)害的受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率。即

Ai=H1i/Si×100%

(1)

Bi=H2i/Si×100%

(2)

Ci=H3i/Si×100%

(3)

式中，Ai、Bi、Ci分別表示第i年的受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率，i=1986,1987,...,2015,H1i、H2i、H3i分別表示第i年的受災(zāi)、成災(zāi)和絕收面積，Si表示第i年的農(nóng)作物播種面積。

1.2.2 損失率 參照文獻(xiàn)[21-23]對(duì)受災(zāi)、成災(zāi)和絕收面積的定義及它們對(duì)糧食產(chǎn)量下降影響程度的上限值(分別為29%、79%和100%)、下限值(分別為10%、30%和80%)，定義本文損失率的上限和下限，即將受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率按上限比例加權(quán)為全部絕收的比率為損失率的上限，將受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率按下限比例加權(quán)為全部絕收的比率為損失率的下限。計(jì)算式分別為

Dupper.i=(0.29Ai+0.5Bi+0.21Ci)×100%

(4)

Dlower.i=(0.1Ai+0.2Bi+0.5Ci)×100%

(5)

式中，Dupper.i及Dlower.i分別為第i年損失率的上限和下限，Ai、Bi、Ci分別為第i年災(zāi)害受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率。

1.2.3 災(zāi)害變異系數(shù) 災(zāi)害變異系數(shù)表示災(zāi)害比率的變化幅度偏離其平均值的程度，是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，表示面積的波動(dòng)程度[24]，即

(6)

1.2.4 災(zāi)害等級(jí)劃分 損失率反映了災(zāi)害的致災(zāi)程度，采用下式計(jì)算歷年損失率變異值[25]，即

(7)

計(jì)算1986-2015年河北省、河南省、山東省干旱、洪澇、風(fēng)雹以及低溫的歷年損失率變異值，基于上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合前人的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25]，將各類農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害劃分為重災(zāi)(Z≥1.5)、中災(zāi)(0.5≤Z<1.5)、輕災(zāi)(Z<0.5)3個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)程度變化特征

經(jīng)計(jì)算，1986-2015年河北省、河南省和山東省洪澇、干旱、風(fēng)雹和低溫災(zāi)害的多年平均受災(zāi)面積占農(nóng)作物總受災(zāi)面積的90%以上，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的四大主要?dú)庀鬄?zāi)害。

分析30年間河北省、河南省和山東省主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率的變化趨勢(shì)可知(圖1)，總體上看，研究期內(nèi)(1986-2015年)三省農(nóng)作物受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率均呈減小趨勢(shì)，且受災(zāi)率的減小速率最快，其次是成災(zāi)率。河北省、河南省和山東省30年的平均受災(zāi)率，分別為27.7%、21.9%和25.7%，平均成災(zāi)率分別為15.5%、10.9%和11.9%，平均絕收率分別為3.4%、2.5%和2.4%。比較三省的受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率可知，河北省的受災(zāi)程度最嚴(yán)重，其次是山東省，河南省最輕。

圖1 1986-2015年總體受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率的變化Fig.1 Variation of disaster-induced rate,disaster-affected rate and no harvest rate from 1986 to 2015

2.2 各省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害損失率變化特征

農(nóng)作物產(chǎn)量的波動(dòng)受農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的影響[26]，損失率反映了災(zāi)害對(duì)作物產(chǎn)量的影響，體現(xiàn)了農(nóng)作物的易損性、脆弱性等特征。由多項(xiàng)式擬合的結(jié)果可知(圖2)，分析期內(nèi)(1986-2015年)各省的總損失率均呈下降的趨勢(shì)，河北省的平均損失率為7.6%～16.5%，1986年的損失率最大，上限為27.3%，下限為13.3%；河南省的總損失率為5.6%～12.3%，1986年總損失率最大，上限為26.5%，下限為12.7%；山東省的總損失率為6.2%～13.9%，2002年總損失率最大，上限為29.1%，下限為14.3%。

1986-2015年河北省的洪澇損失率呈減小的趨勢(shì)，河南省和山東省呈先增加后減小的趨勢(shì)(圖3)。河北省的洪澇損失率為0.9%-2.0%，占總損失率的12.1%；1996年損失率最大，上限為13.0%，下限為7.5%。河南省的洪澇損失率為1.4%～2.7%，占總損失率的22.6%；2003年損失率最大，上限為16.6%，下限為9.7%。山東省的洪澇損失率為1.5%～3.1%，占總損失率的22.9%；1990年損失率最大，上限為9.0%，下限為4.1%。1986-2015年河北省、河南省和山東省的干旱損失率均呈下降的趨勢(shì)(圖4)。河北省干旱損失率為4.8%～10.6%，占總損失率的64.2%；1997年干旱損失率最大，上限 為21.6%，下限為10.0%。河南省干旱損失率為3.3%～7.6%，占總損失率的61.0%；1986年干旱損失率最大，上限為25.1%，下限為12.0%。山東省干旱損失率為3.7%～8.5%，占總損失率的60.7%；2002年干旱損失率最大，上限為22.9%，下限為11.3%，這一年山東省遭受了自1951年以來最嚴(yán)重的干旱[27]。

河北省和山東省的風(fēng)雹損失率均呈減小的趨勢(shì)，而河南省呈先增加后減小的趨勢(shì)(圖5)。河北省風(fēng)雹損失率為1.5%～3.3%，占總損失率的19.8%，是河北省的第二大農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，研究顯示，河北省是冰雹災(zāi)害頻繁發(fā)生的區(qū)域，特定地形及南北跨度大的特點(diǎn)使得河北山區(qū)的冰雹多于平原，高海拔地區(qū)多于低海拔地區(qū)[28,29]；1990年損失率最大，上限為10.0%，下限為4.6%。河南省風(fēng)雹損失率為0.7%～1.4%，占總損失率的11.2%；2009年損失率最大，上限為4.8%，下限為1.9%。山東省風(fēng)雹損失率為0.7%～1.6%，占總損失率的11.6%；1990年損失率最大，上限為3.5%，下限為1.5%。

河北省的低溫?fù)p失率呈增加的趨勢(shì)，而河南省呈先增加后減小的趨勢(shì)(圖6)。河北省低溫?fù)p失率為0.3%～0.6%，占總損失率的3.8%；2010年損失率最大，上限為3.0%，下限為1.2%。河南省低溫?fù)p失率為0.3%～0.7%，占總損失率的5.2%；1998年損失率最大，上限為1.5%，下限為3.1%。山東省低溫?fù)p失率為0.3%～0.7%，占總損失率的4.8%；2002年損失率最大，上限為4.1%，下限為2.3%。

圖2 1986-2015年總損失率上限和下限的變化Fig.2 Variation of upper limit and lower limit of total loss rate from 1986 to 2015

圖3 1986-2015年洪澇損失率上限和下限的變化Fig.3 Variation of upper limit and lower limit of flood loss rate from 1986 to 2015

圖4 1986-2015年干旱損失率上限和下限的變化Fig.4 Variation of upper limit and lower limit of drought loss rate from 1986 to 2015

圖5 1986-2015年風(fēng)雹損失率上限和下限的變化Fig.5 Variation of upper limit and lower limit of wind and hail loss rate from 1986 to 2015

2.3 各省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害波動(dòng)性變化特征

各省的災(zāi)害波動(dòng)性從災(zāi)害類型分析，河北省：低溫>洪澇>風(fēng)雹>干旱；河南省：洪澇>低溫>風(fēng)雹>干旱；山東省：低溫>洪澇>干旱>風(fēng)雹，低溫和洪澇災(zāi)害的波動(dòng)性要大于干旱和風(fēng)雹災(zāi)害，表明洪澇、低溫災(zāi)害年際變化大、偶發(fā)性強(qiáng)，而干旱和風(fēng)雹災(zāi)害年際變化小、為常態(tài)災(zāi)害。從區(qū)域分析，洪澇：河南>河北>山東；干旱：山東>河南>河北；風(fēng)雹：河南>山東>河北；低溫：山東>河北>河南。河北省的干旱和風(fēng)雹波動(dòng)性均為最小，河南省的洪澇波動(dòng)性最大，山東省的低溫波動(dòng)性最大。從受災(zāi)程度分析，絕收面積>成災(zāi)面積>受災(zāi)面積，這表明災(zāi)害程度越大，波動(dòng)性越大，極端災(zāi)害的突發(fā)性更強(qiáng)。

圖6 1986-2015年低溫?fù)p失率上限和下限的變化Fig.6 Variation of upper limit and lower limit of low temperature loss rate from 1986 to 2015

2.4 各省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害強(qiáng)度變化特征

30年間河北、河南發(fā)生最多的災(zāi)害為干旱，其次為風(fēng)雹、低溫，洪澇最少。而山東省最多的為風(fēng)雹，其次是干旱、洪澇，低溫最少。河南、河北和山東發(fā)生干旱災(zāi)害的次數(shù)相差不多，30年間發(fā)生干旱中災(zāi)的次數(shù)分別為7、6、5，而重災(zāi)分別為2、2、3。山東發(fā)生風(fēng)雹災(zāi)害的次數(shù)最多，30年間發(fā)生中災(zāi)8次、重災(zāi)2次。山東發(fā)生洪澇災(zāi)害的次數(shù)最多，30年間發(fā)生中災(zāi)3次、重災(zāi)4次。河南發(fā)生低溫災(zāi)害的次數(shù)最多，30年間發(fā)生中災(zāi)3次、重災(zāi)3次。這表明干旱和風(fēng)雹為常態(tài)性災(zāi)害，對(duì)各省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大；而洪澇和低溫災(zāi)害的影響相比較小，但突發(fā)性強(qiáng)，致災(zāi)強(qiáng)度大。

表1 四種災(zāi)害受災(zāi)率、成災(zāi)率和絕收率的變異系數(shù)/%

表2 1986-2015年不同等級(jí)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

通過以上分析，得出以下結(jié)論：

(1)總體上看，近30年河北、河南和山東的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)程度呈下降趨勢(shì)，其中河北受災(zāi)程度最嚴(yán)重，平均損失率分別為7.5%～16.4%、5.6%～12.3%、6.2%～13.9%。

(2)河北省各類災(zāi)害損失率由大到小分別為干旱、風(fēng)雹、洪澇和低溫，河南省和山東省為干旱、洪澇、風(fēng)雹和低溫，這與胡亞南[12]的研究結(jié)果一致。干旱仍是華北平原最嚴(yán)重的災(zāi)害，但各省的干旱災(zāi)害呈下降趨勢(shì)，河北的干旱最嚴(yán)重，占總損失率的64.2%；河南和山東的洪澇災(zāi)害呈先增后降的趨勢(shì)，而河北呈下降趨勢(shì)；山東和河南的洪澇相近，分別占總損失率的22.9%、22.6%，比河北嚴(yán)重。河北和山東的風(fēng)雹災(zāi)害呈下降趨勢(shì)，而河南呈先增后降趨勢(shì)；河北的風(fēng)雹最嚴(yán)重，占總損失率的19.8%，是河北第二大農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。河南和山東的低溫災(zāi)害呈先增后降的趨勢(shì)，而河北呈增加趨勢(shì)；河南的低溫最嚴(yán)重，占總損失率的5.2%。

(3)四類災(zāi)害波動(dòng)性結(jié)果表明各省洪澇、低溫年際變化大、偶發(fā)性強(qiáng)，其中河南的洪澇波動(dòng)性最大，山東的低溫波動(dòng)性最大；各省干旱、風(fēng)雹年際變化小、為常態(tài)災(zāi)害，其中河北省的干旱、風(fēng)雹波動(dòng)性最小。四類災(zāi)害等級(jí)劃分結(jié)果表明，干旱和風(fēng)雹災(zāi)害為華北常態(tài)性災(zāi)害，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大；而洪澇和低溫災(zāi)害偶發(fā)性強(qiáng)，致災(zāi)強(qiáng)度大。

3.2 討 論

華北平原農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害呈下降趨勢(shì)，尤其近10年災(zāi)情明顯減緩，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)調(diào)雨順。除了氣候因素外，人類活動(dòng)對(duì)華北地區(qū)災(zāi)情的緩解有著重大作用。干旱雖仍是華北平原最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，但旱情逐漸減輕，除了增加灌溉外，還采取對(duì)主要糧食作物夏玉米和冬小麥進(jìn)行秸稈覆蓋等[28]的措施達(dá)到了抗旱減損的目的。針對(duì)冬小麥低溫凍害，增加抗寒品種的種植面積、適期播種[28]有效減緩了凍害的發(fā)生。洪澇和風(fēng)雹災(zāi)害的分布有明顯的地域差異，河南省和山東省的洪澇災(zāi)害明顯比河北省嚴(yán)重，這是由于河南省和山東省位于淮河流域，受東南夏季風(fēng)影響降水量大[11]；而河北省是冰雹災(zāi)害頻繁發(fā)生的區(qū)域，特定地形及南北跨度大的特點(diǎn)使得河北山區(qū)的冰雹發(fā)生頻繁[29,30]。