寧夏中部農作物生育期有效降水量時空變化特征研究

馬 忠 明

(寧夏秦漢渠管理處，銀川 750004)

當前，全球氣候變暖已經是不爭的事實[1]，施雅風院士提出了中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的推測[2]，20世紀80年代以后，西北地區東部的降水明顯減少[3]，騰格里沙漠邊緣沙坡頭地區的降水特征顯示當地氣候趨于干旱化[4]；河套地區西北部和東南部降水分別以2%/(10 a)和3%/(10 a)的速度減少[5]。而對于西北地區，尤其是農業種植區，降水的豐枯變化、時空分布及其異質性特征，對于作物的生長及農業灌溉管理影響巨大。全國超過60%的地區冬小麥生育期的氣候呈冷干化趨勢，未來夏玉米和冬小麥的總生育期歷時最大的縮短趨勢達0.13 d/(a)[6]。西北地區東部可利用水資源量呈減少趨勢，干旱頻繁發生，對農業的負面影響增大[7]。甘肅省年降水量、越冬作物生育期、春秋季作物生育期降水量時空變化明顯，黃河以東地區氣候暖干化趨勢加快，可利用水資源更加緊缺[8]。宋揚[9]等利用CROPWAT模型分析涇惠渠灌區冬小麥和玉米蒸發蒸騰量，認為灌區作物需水量與氣溫呈正相關，與降水呈負相關。劉學軍[10]等在寧夏揚黃限額灌溉區開展了降水資源就地高效利用技術集成研究。國內外學者對于有效降水量的計算方法[11-14]進行了大量的研究，并對計算模式的適應性及結果的可靠性以及降水的有效轉化率[15]進行了分析，Mohan[16]、張波[17]等利用不同方法計算了水稻生育期內的有效降水量并分析了其與需水量的關系，劉占東通過模擬分析了冬小麥生育期內降水與有效降水的關系及其變化趨勢[18]，朱梅[19]利用蒸滲儀以夏玉米和小麥為對象進行了不同降水強度不同生育期內的有效降水量變化特征。上述工作對西北地區氣候變化尤其是降水時空變異性特征做出了有益的探討，但是對于降水的變化尤其是與作物生長密切相關的生育期內降水與可利用降水量的變化研究較少。因此，開展干旱區作物生育期降水的時空變化及其未來趨勢研究，對認識降水資源對氣候變化的響應特征，提高農作物種植應對降水豐枯變化的能力，科學利用有限的水資源都具有重要意義。

1 研究區概況

寧夏地處我國西北內陸，疆域南北狹長，相距465 km，東西相距45～250 km，國土面積6.64 萬km2。氣候干旱少雨，自北向南降水量約為179～800 mm，多年平均289 mm。年徑流深由南部六盤山區東南側的300 mm，向北遞減至引黃灌區不足3 mm，全區多年平均年徑流量9.493 億m3，平均年徑流深18.3 mm，是黃河流域平均值的1/3，是中國均值的1/15。平均年水面蒸發量1 250 mm，變幅在800～1 600 mm之間。寧夏國土面積的3/4屬于干旱半干旱地區，人均水資源量190 m3，是全國平均值的1/12，耕地占有水資源量900 m3/hm2，是全平均值的1/28。寧夏中部主要指降水量200～400 mm的干旱區，包括紅寺堡、同心縣、鹽池縣及海原縣全部，以及中衛市、中寧縣及吳忠市利通區等地市的山區部分，總面積為3.51 萬km2，占寧夏總面積的52.8%。寧夏中部干旱帶地處黃土高原和鄂爾多斯臺地東部，地勢南高北低，南部以黃土丘陵溝壑區為主，北部為丘陵臺地，海拔在1 300～2 400 m，地面覆蓋率不足20%，生態環境極為惡劣。當地有明顯的大陸性氣候特征，降水主要集中在7-9月，占全年降水量的60%～70%。平均水面蒸發量1 210～1 600 mm，干旱指數4～8之間，多年平均氣溫6.3 ℃，日照時數2 750～3 000 h。

2 資料與方法

2.1 數據來源

在研究區內選取位于寧夏中部的紅寺堡、鹽池、同心及海原等4個國家基準站，并收集各站點1954年1月1日-2016年12月31日的日降水資料，并對數據進行準確性、代表性分析，對于部分站點缺失數據，采用克里金插值進行插補處理。統計各年份作物生育期(4-10月)的日降水，當次降水量(P)為5 mm

表1 寧夏中部地區主要氣象站點信息Tab.1 Information on weather stations in the middle part of Ningxia

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析

小波分析是用一族頻率不同的振蕩函數作為窗口函數φ(t)對信號f(t)進行掃描和平移。時間序列f(kΔt)(k=1,2,…,N；Δt為取樣時間間隔)的小波變換為式(1)。本文采用Morlet小波[21]，小波變換系數表示為式(2)。將時間域上關于a的所有小波變換系數的平方進行積分即為小波方差，式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為時間因子，反映時間平移；Wf(a,b)稱為小波變換系數，常數c=6.2。

2.2.2 M-K秩次相關法

對序列趨勢變化的定量分析，本文采用Mann-Kendall的秩次相關法[22]。其基本原理是：對時間序列P(i=1，2,…,n)，其任意對偶值(Pi，Pj,j>i)，如果Pi>Pj，則序列絕對上升，反之，則絕對下降．如序列不是單調上升或下降，則有：

(4)

(5)

(6)

式中：f為對偶值呈增長趨勢的對數。若m>0，則序列呈上升趨勢，反之，則呈下降趨勢。m的絕對值越大，說明序列變化趨勢越顯著。對顯著水平α=0.05的臨界檢驗值為±1.96。

2.2.3 氣候趨勢系數法

年降水系列是符合正態分布或對數正態分布的隨機變量。它的變化趨勢是指：隨著時間的推移，其數值的持續增減狀況。逐年時間是遞增序列，可看作自然數列1，2,…,n。n個時刻(年)的要素序列與自然數列1，2,…,n具有相關性，如果相關顯著，則表示該要素值氣候趨勢明顯，有增加(減少)趨勢[23]。要素與自然序列的相關系數可表示為：

(7)

3 結果與分析

3.1 寧夏中部農作物生育期有效降水量年內及年際變化特征

統計多年平均(1954-2016年)作物生育期內(4-10月)的降水量及有效利用量(表2)，并分別繪制柱狀圖(圖1)。從空間分布看，有效降水量自北向南依次增大，由156.2 mm增大至268.7 mm，全區多年平均203.4 mm占4-10月份總降水量的75.25%。其中海原有效降水量最大為268.7 mm，占總降水量的74.69%，紅寺堡區全生育期均最小。從時間來看，各站點8月份有效降水量均最大，占總降水量的84.89%～88.16%，其次是7月份，4月份有效降水量最少7.9～12.2 mm，而10月份有效降水量占比最低，全區平均占比75.26%。有效降水量主要集中在7-9月，占統計期的66.7%。全區各月有效降水量范圍是10.6 mm(4月)～55.9 mm(8月)。

計算各典型站點有效降水量的統計參量(表3)，可知海原地區最大，多年平均為268.7 mm，最大值達到544.4 mm(1964年)；紅寺堡區最小，多年平均為156.2 mm，最小值為35.7 mm(1982年)，全區多年平均為203.4 mm，最大值432.0 mm(1964年)，最小值95.6 mm(1982年)。各地區年際變化程度相當，變異系數變化范圍：0.31(海原)～0. 44(紅寺堡區)，紅寺堡區年際變化最大極值比達12.37。全區變異系數為0.32，極值比為4.52。

表2 寧夏中部農作物生育期降水量及有效降水量變化特征表Tab.2 Variations of precipitation and effective precipitation during the growing season in the middle part of Ningxia

圖1 寧夏中部農作物生育期有效降水量及總降水量年內分配Fig.1 Distribution of effective precipitation and total precipitation during the growing season in central Ningxia

變量平均值/mm標準差變異系數最小值/mm中位數/mm最大值/mm極值比偏度峰度鹽池200.275.90.3584.5211.4460.25.450.670.65紅寺堡156.268.10.4425.9153.5320.312.370.410.23同心188.575.20.3766.8199.6411.26.160.620.39海原268.788.80.31127.5268.2444.34.270.850.95中部干旱帶203.469.50.3295.6204.6432.24.520.720.63

3.2 寧夏中部農作物生育期有效降水量年代際變化

分別計算各地區總降水量及有效降水量各年代的平均值及相對多年平均的距平值(表4)。從表4中可知寧夏中部干旱帶20世紀50-60年代屬于豐水期，正累積距平分別為100.6和238.7 mm，70年代是顯著的枯水期，負累積距平值達-226.1 mm，有效降水量顯著低于多年平均。80年代及90年代有小幅負距平，屬于一般年型，分別為-16.6和-28.1 mm。21世紀前十年是一個顯著的枯水年，累積距平達-178.1 mm，占年代平均值的89.9%。2010年以來，有效降水量有所增加，總降水量的變化過程與有效降水量的變化過程相似，2011-2016年累計正距平123.3 mm。

表4 寧夏中部有效降水量年代際變化特征Tab.4 Decadal variation characteristics of effective precipitation in central Ningxia

3.3 寧夏中部有效降水量周期分析

將寧夏中部干旱帶61 a(1954-2016年)有效降水量系列進行中心化處理，并用Morlet小波進行變換，分別取不同的a和b值計算小波變換的模平方和實部。繪制小波變換實部時頻分布(圖2)，從圖中可以看出有效降水量在整個研究時段均顯著存在3、6及10 a周期尺度；在20世紀50-60年代以及80年代末期與90年代中期以6 a主周期為主，70年代、80年代直至目前，主要以10 a振蕩周期為主，且正負位相交替出現。繪制小波變換系數實部變化過程(圖3)，顯示3及6 a尺度的小波變換系數實部變化過程，有效降水量豐枯變化較為頻繁。10 a尺度的小波變換實部變化過程相對平穩，50年代中期至60年代末期，處于豐水時段，70年代以來有效降水量減少，且分別在1958年、1968年、1986年、1990年和2001年發生豐枯突變。綜上可知，在整個分析期內，有效降水量系列存在3、6和10 a主周期，實際降水系列變化周期基本與有效降水量系列相似。

3.4 寧夏中部有效降水量變化趨勢分析

采用M-K秩次相關法及氣候趨勢系數法計算各分地區作物生育期內(4-10月)有效降水量及總降水量增減趨勢的量度值及其趨向率(表5)。從表5中可知，各地未來有效降水量均呈減少趨勢，變幅為2.2～5.2 mm/(10 a)，紅寺堡區降幅最大，同心縣相對較小，全區的降幅為3.5 mm/(10 a)。4-10月份降水鹽池有增加趨勢，但不顯著(未通過P=0.05顯著性檢驗)，中部干旱帶全區總體節水呈顯著減少趨勢(通過P=0.05顯著性檢驗)。鹽池降水減幅最小為0.8 mm/(10 a)，海原減幅最大8.8 mm/(10 a)，中部干旱帶整體以5.3 mm/(10 a)在減少。

圖3 Morlet小波變換系數實部變化過程Fig.3 The change process of real-plural of Morlet wavelet transform coefficient

4 結論與分析

依據寧夏中部干旱帶境內典型站點1954-2016年計61 a的日降水資料，按照規范要求整理了4-10月作物生育期內的有效降水量，結合Morlet小波分析，Mann-kendell秩次相關法及氣候趨勢系數法等方法，分析了寧夏中部干旱帶有效降水量的多時間尺度變化特征及其未來趨勢，結果認為寧夏中部農作物生育期有效降水量自北向南依次增大，由156.2 mm增大至268.7 mm，全區多年平均216 mm，占總降水量的75.25%。8月份的有效降水量最大占總降水量的84.89%～88.16%，全區變異系數為0.32，極值比相對較小為4.52。20世紀50-60年代屬于豐水期，正累積距平分別為100.6和238.7 mm，70年代是顯著的枯水期，2010年以來，有效降水量有所增加。

表5 寧夏中部有效降水量變化趨勢及其趨向率Tab.5 Analysis of trends and the ratio variation of effective precipitation in central Ningxia

分析認為，寧夏中部干旱帶有效降水量在整個研究時段顯著存在3、6及10 a周期尺度，與已有研究結論[24]“近50年寧夏中部干旱區有效降水量主要存在5～7 a的周期,其次是2～3 a的周期”相近。且豐枯變化較為頻繁，且分別在1958年、1968年、1986年、1990年和2001年發生豐枯突變。各地未來有效降水量均呈減少趨勢，與張智[24]“近50年寧夏中部干旱區可利用降水量均呈減少趨勢”結論一致。利用趨勢系數分析法得出中部干旱帶有效降水量減幅為2.2～5.2 mm/(10 a)，紅寺堡區降幅最大，同心縣較小，全區降幅3.5 mm/(10 a)。中部干旱帶4-10月份總降水也呈顯著減少趨勢(通過P=0.05顯著性檢驗)，降水呈減少趨勢的概率為75%[25]，降幅為5.3 mm/(10 a)，其中鹽池降水減幅最小0.8 mm/(10 a)，海原減幅最大8.8 mm/(10 a)。

通過對寧夏中部干旱帶近60年來主要作物生育期(4-10月)內的總降水及有效降水量的多時間尺度分析，探明當地降水可利用量的現狀、豐枯變化周期及其未來趨勢與變化梯度，對當地農業種植的合理灌溉及農業水資源科學管理提供有益借鑒和科學指導。