貴州興仁縣煙草生長期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)特征分析

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(1.華北水利水電大學水利學院，河南鄭州450046；2.貴州省水利科學研究院，貴州貴陽550002)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出，全球氣候變暖已經(jīng)成為不爭的事實[1]。受氣候變化影響，極端水文事件出現(xiàn)了旱澇急轉(zhuǎn)這種特殊復雜的水旱災害現(xiàn)象。旱澇急轉(zhuǎn)是指前期無降水或降水偏少出現(xiàn)旱情的情況下，緊接著在短期內(nèi)發(fā)生高強度降水并形成洪澇災害的氣象水文事件；并在區(qū)域形成干旱和洪澇災害的疊加損失[2]。氣候變化導致干旱與暴雨兩種極端水文事件交錯發(fā)生，并在短期內(nèi)急劇轉(zhuǎn)變形成旱澇急轉(zhuǎn)災害，造成搶險救災難度加大，社會經(jīng)濟和人民群眾的生產(chǎn)生活損失更嚴重，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全、水資源安全、生態(tài)環(huán)境安全等都具有重大和深遠的影響[3]。

目前，國外學者主要集中在對極端水文事件的研究，Vogel等[4]研究了圣路易斯異常降水的天氣原因；Ting等[5]研究了夏季美國降水變化及其與太平洋海溫的關系。國內(nèi)研究主要集中在旱澇急轉(zhuǎn)的成因[6]、旱澇急轉(zhuǎn)規(guī)律分析[7-8]以及旱澇急轉(zhuǎn)對長江流域水稻花生產(chǎn)量影響等方面[9-10]，而對短時間尺度內(nèi)的旱澇變化，煙草生長期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)成災研究鮮有報道。事實上，興仁縣是全國主要的煙草種植區(qū)之一，同時也是全國旱澇災害的易發(fā)地區(qū)之一，旱澇災害主要發(fā)生在5—8月，對煙草種植影響較大。

鑒于此，利用1961—2012年來興仁縣氣象站點5—8月逐日降水數(shù)據(jù)，運用降水距平百分率、長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)以及短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，從時間尺度上，系統(tǒng)地分析該地區(qū)煙草生長期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)時間演變特征，以期為該地區(qū)煙草種植和防汛抗旱工作等提供參考。

1 研究區(qū)概況

興仁縣位于貴州省黔西南州中部，東鄰貞豐縣，南接安龍縣、興義市，西接普安縣，北接晴隆縣，東北與關嶺隔山江相望(圖1)。興仁縣屬低緯度高原性中亞熱帶溫和濕潤季風氣候區(qū)，冬無嚴寒，夏無酷暑，無霜期長，雨熱同季，年平均氣溫15.2℃，年均降雨量1 315.3 mm，10.0℃的年積溫為4 588.0℃。優(yōu)越光、熱、水等氣候條件，使得該縣成為烤煙適宜種植區(qū)，然而干旱、冰雹、洪澇等災害嚴重影響烤煙產(chǎn)量及品質(zhì)[11]。

圖1 研究區(qū)概況

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

旱澇急轉(zhuǎn)事件分析所用數(shù)據(jù)為國家氣象信息中心提供的興仁縣國家基準氣象站1961—2012年的逐日降水資料。

2.2 研究方法

2.2.1降水距平百分率(Pa)

降水距平百分率反映某段時間降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，其計算公式如下[12]。

(1)

本文旱澇等級的劃分參照DB52/T 1030—2015《貴州省干旱標準》中的月尺度劃分標準，見表1。

表1 降水距平百分率劃分旱澇等級 %

2.2.2煙草生長期內(nèi)長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)

以5—8月降水量代表煙草生長期內(nèi)降水，定義旱澇變化的時間尺度為2個月，即5—6月旱而7—8月澇稱為旱轉(zhuǎn)澇，反之稱為澇轉(zhuǎn)旱。對于旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，目前還沒有標準定義，本文參考吳志偉等[13]對長江流域提出的旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)定義，并對權重系數(shù)進行調(diào)整。

a) 將降水進行標準化處理：

(2)

b) 計算LDFAI：

LDFAI=(R78-R56)×(|R56|+|R78|)×2-|R56+R78|

(3)

式中R78——7—8月標準化降水；R56——5—6月標準化降水；R78-R56——旱澇急轉(zhuǎn)強度；|Rj|+|Ri|——旱澇急轉(zhuǎn)強度項；2-|R56+R78|——權重系數(shù)，作用是增加旱澇急轉(zhuǎn)事件所占權重，降低全旱或全澇事件權重。旱澇急轉(zhuǎn)的判定標準為：LDFAI值大于1為旱轉(zhuǎn)澇事件，LDFAI值小于-1為澇轉(zhuǎn)旱事件，LDFAI值在-1～1之間為正常狀態(tài)，LDFAI值的絕對值反映旱澇急轉(zhuǎn)的強度，絕對值越大，說明旱澇急轉(zhuǎn)事件越嚴重[14]。

2.2.3煙草生長期內(nèi)短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)

SDFAI計算方法與LDFAI基本一致，計算公式為[1]：

SDFAI=(Rj-Ri)×(|Ri|+|Rj|)×3.2-|Ri+Rj|

(4)

式中Rj——j月標準化降水；Ri——i月標準化降水；Rj-Ri——旱澇急轉(zhuǎn)強度；|Rj|+|Ri|——旱澇急轉(zhuǎn)強度項；3.2-|Ri+Rj|——權重系數(shù)；j=i+1(i=5、6、7)。

2.2.4降水分配不均勻性

研究降水分配不均勻性，采用降雨分配不均與系數(shù)進行分析，計算公式如下：

(5)

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 長周期旱澇急轉(zhuǎn)變化趨勢

3.1.1典型年長周期旱澇急轉(zhuǎn)特征

根據(jù)興仁縣煙草生長期內(nèi)降水序列，計算1961—2012年5—6、7—8月的Pa值以及LDFAI值。表2列出了1961—2012年排位前6的最高(低)LDFAI年及其5—6、7—8月的Pa值。

表2 1961—2012年排位前6的最高(低)LDFAI值及其Pa值

可以看出，LDFAI值較高年份，5—6月降水總體偏少35%以上，發(fā)生干旱事件，7—8月降水總體偏多15%以上，發(fā)生洪澇事件，于是就形成了旱轉(zhuǎn)澇事件。1999年5—6月，降水總體偏少40.84%，屬于輕旱事件，而到了7—8月份，降水總體偏多67.40%，發(fā)生了中澇災害，LDFAI值高達9.73，屬于典型的旱轉(zhuǎn)澇事件。LDFAI值較低年份，5—6月降水總體偏多15%以上，屬于洪澇事件，7—8月份降水總體偏少20%以上，發(fā)生干旱事件，于是就形成了澇轉(zhuǎn)旱事件。1978年5—6月份降水總體偏多43.92%，發(fā)生輕澇事件，7—8月份降水總體偏少26.46%，發(fā)生了干旱事件，LDFAI值為-3.14，屬于典型澇轉(zhuǎn)旱事件。由此可見，LDFAI值在一定程度上可以反映旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3.1.2長周期旱澇急轉(zhuǎn)年際變化趨勢

圖2描述了1961—2012年LDFAI值年際變化。由圖可知，絕大部分LDFAI值為正值，說明興仁縣煙草生長期內(nèi)長周期旱澇急轉(zhuǎn)是以旱轉(zhuǎn)澇為主。LDFAI值在1960s末至1970s末浮動次數(shù)較多，說明在20世紀60年代末至70年代末發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)次數(shù)較多，LDFAI值在20世紀80年代初和90年代末出現(xiàn)了2次異常偏大值，主要是發(fā)生2次高強度的旱轉(zhuǎn)澇事件。由3 a滑動平均曲線及5 a滑動平均曲線可知，長周期旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生頻率有減少趨勢，并且強度有所降低。

圖2 興仁縣煙草生長期內(nèi)長周期旱澇急轉(zhuǎn)變化趨勢

3.2 短周期旱澇急轉(zhuǎn)變化趨勢

3.2.1典型年短周期旱澇急轉(zhuǎn)特征

根據(jù)興仁縣煙草生長期內(nèi)降水序列，計算1961—2012年煙草生長期內(nèi)短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)。表3—5列出了1961—2012年典型旱澇急轉(zhuǎn)年份的SDFAI值及其Pa值。

表3 興仁縣5—6月SDFAI值及其旱澇特征

表4 興仁縣6—7月SDFAI值及其旱澇特征

通過對比發(fā)現(xiàn)，在5—6月份，SDFAI值以正為主，以輕旱、中旱轉(zhuǎn)輕澇為主，僅在2008年出現(xiàn)1次特澇轉(zhuǎn)輕旱事件；在6—7月份，SDFAI值較高，表明在此階段旱澇急轉(zhuǎn)事件強度較高，并且是旱澇急轉(zhuǎn)事件易發(fā)時段；7—8月，SDFAI值整體較低，表明在此階段旱澇急轉(zhuǎn)事件強度有所降低，并且旱澇急轉(zhuǎn)事件次數(shù)呈減少趨勢。其中，在1980年5—6月出現(xiàn)了輕澇轉(zhuǎn)輕旱事件，然而在6—7月，又出現(xiàn)了輕旱轉(zhuǎn)輕澇事件，一年之內(nèi)旱澇事件頻發(fā)，此時，正值煙草的旺長期[15]，應防范旱澇急轉(zhuǎn)帶來的不利影響。

表5 興仁縣7—8月SDFAI值及其旱澇特征

3.2.2短周期旱澇急轉(zhuǎn)年際變化趨勢

圖3描述了1961—2012年SDFAI年際變化情況。通過分析可以得出煙草生長期內(nèi)短周期旱澇急轉(zhuǎn)有以下特征。

a) 5—6月

b) 6—7月圖3 興仁縣煙草生育期內(nèi)短周期旱澇急轉(zhuǎn)變化趨勢

c) 7—8月續(xù)圖3 興仁縣煙草生育期內(nèi)短周期旱澇急轉(zhuǎn)變化趨勢

a) 5—6月以旱轉(zhuǎn)澇為主；SDFAI值在21世紀震蕩頻繁，且較為劇烈；高強度的旱轉(zhuǎn)澇事件主要發(fā)生在21世紀，高強度的澇轉(zhuǎn)旱事件主要發(fā)生在1980s以前，在1980s以后僅出現(xiàn)過2次高強度澇轉(zhuǎn)旱事件；由3 a滑動平均曲線、5 a滑動平均曲線和SDFAI趨勢線可知，旱轉(zhuǎn)澇事件有增加的趨勢，且趨勢較為明顯。

b) 6—7月以澇轉(zhuǎn)旱為主；SDFAI值在1960s初至1980s初震蕩頻繁；高強度的旱轉(zhuǎn)澇事件主要發(fā)生在1990s以后，在1960s僅出現(xiàn)過1次高強度旱轉(zhuǎn)澇事件；由3 a滑動平均曲線、5 a滑動平均曲線和SDFAI趨勢線可知，澇轉(zhuǎn)旱事件有輕微增加的趨勢。

c) 7—8月以澇轉(zhuǎn)旱為主；SDFAI值在1960s初至1980s初震蕩頻繁；高強度的旱澇急轉(zhuǎn)事件主要發(fā)生在1990s以后，進入21世紀，僅在2002年發(fā)生1次高強度旱轉(zhuǎn)澇事件，之后未發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件；由3 a滑動平均曲線、5 a滑動平均曲線和SDFAI趨勢線可知，澇轉(zhuǎn)旱事件有輕微增加的趨勢。

3.3 產(chǎn)生旱澇急轉(zhuǎn)的機理

興仁縣屬于典型季風氣候脆弱區(qū)，由于季風變化，造成年內(nèi)降水分布不均，加上當?shù)貫榭λ固氐孛玻疂B透性強，保水性差，極易產(chǎn)生干旱。另外，青藏高原上的大氣環(huán)流異常，在高原地區(qū)形成冷高壓氣團，擋住了從印度洋和孟加拉灣過來的暖濕氣流，而北方的冷空氣不易到達該地，冷暖氣流難以交匯形成降水。產(chǎn)生強降水的水汽主要來自南海和印度洋北部的孟加拉灣[16]，進入夏季，西南季風增強，輸送的水汽增加，當有冷空氣侵入時，冷暖氣流交匯，產(chǎn)生較強降水，形成旱澇急轉(zhuǎn)。短期內(nèi)產(chǎn)生強降水的另一個因素是境內(nèi)地形起伏較大，地形西高東低；受地形阻擋，白天，山底受太陽輻射少，空氣受熱不如山頂快,致山頂空氣熱，飄在上空；山底的空氣冷，沉在底下大氣比較穩(wěn)定；晚上，山頂?shù)臍鉁亟档帽壬侥_的快，空氣變冷后下沉，將山腳的暖濕空氣抬升，水汽在隨著空氣上升的過程中不斷冷卻，產(chǎn)生強降水，發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)。

3.4 煙草生長期內(nèi)月降水量變化規(guī)律

對興仁縣1961—2012年煙草生長期內(nèi)月降水量的最大值、最小值、平均值及月降水分配不均勻系數(shù)等特征量進行分析，計算結(jié)果見表6。

由表6可知，興仁縣煙草生長期內(nèi)降水量總體呈先增后減趨勢，其中，最大降水量、最小降水量、月平均降水量的極大值均在6月份，表明6月份降水較易發(fā)生洪澇災害。

表6 興仁縣52 a煙草生長期月降水特征量統(tǒng)計

月降水年極值比也在該月較小，并且CV,月值也較小，表明該月降水波動較小。CV,月值在8月份較大，月降雨年極值比在該月最大，表明在此階段，降水波動較大，極易發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件。

4 結(jié)語

春煙大田生長期一般在5—8月份，伸根期(30～35 d)、旺長期(30 d)、成熟期(60～65 d)[17]。春煙大田生長期降水量在400～520 mm較為適宜，伸根期月均需水量在100 mm左右較為理想，旺長期月均需水量在200 mm左右較為理想，成熟期月均需水量在100 mm左右較為理想[18]。在5月份，正值煙草伸根期，月均降雨量能滿足煙草生長需求，適度缺水能促進根系發(fā)育，水分過多會使根系壞死；由于短周期旱轉(zhuǎn)澇事件有增加趨勢，應做好煙田灌溉排水工作，保證煙苗成活率。在6月份，正值煙草旺長期，月均降雨量能滿足煙草生長需求，降水波動較小，不容易出現(xiàn)旱澇事件，但是高強度的旱澇急轉(zhuǎn)易發(fā)生在此階段，應注意防范。7—8份是煙草成熟期，降水波動較大，并且月均降雨量較多，降雨過多會導致煙葉薄且難調(diào)制，煙堿含量低，香氣平淡，應結(jié)合氣象部門預報情況，及時采摘成熟的煙葉，做好煙田排水工作，保證煙葉的質(zhì)量。

本文利用興仁縣國家基準氣象站1951—2012年的逐日降水資料，全面分析了興仁縣煙草生長期內(nèi)不同時間尺度下的旱澇急轉(zhuǎn)趨勢變化特征。主要結(jié)論如下。

a) 興仁縣煙草生長期內(nèi)長周期旱澇急轉(zhuǎn)以旱轉(zhuǎn)澇為主，長周期旱澇急轉(zhuǎn)事件總體發(fā)生頻率有減少趨勢，進入21世紀，澇轉(zhuǎn)旱事件有增多趨勢，強度有所降低。

b) 興仁縣煙草生長期內(nèi)短周期旱轉(zhuǎn)澇事件變化趨勢為：增加—減少—減少，并且增加趨勢較為明顯，這與長周期旱澇急轉(zhuǎn)變化趨勢具有同一性；在5—6月，旱轉(zhuǎn)澇事件有增加趨勢；在6—7月是旱澇急轉(zhuǎn)易發(fā)時段，且強度較高，此時煙草由旺長期向成熟期過度階段，應防止煙田水分過多或過少造成煙草產(chǎn)量減少和品質(zhì)下降；在7—8月，澇轉(zhuǎn)旱事件有頻率增多，強度增大的趨勢，此時正值煙草成熟期，應防范旱澇急轉(zhuǎn)造成煙草品質(zhì)下降 。

c) 在煙草旺長期，月均降水最多，降水波動最小，極易發(fā)生洪澇災害；在煙草成熟期，月均降水較多，降水波動較大，極易發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)，應做好防范。