運城市近46年作物生長季降水變化及農業旱澇特征分析

高艷平

(運城市氣象局，山西運城 044000)

在全球氣候變暖的大環境下，降水作為一種氣候因子對農業生產的影響非常密切，對降水變化方面的研究也受到了人們的普遍關注[1-5]。特別是極端降水，它不但是造成旱澇災害最重要的因子[6-8]，同時往往還會引發城市內澇、山體滑坡等次生災害，所以研究極端降水方面的變化，更好地掌握旱澇災害發生規律，對于提高風險防控意識和能力，減輕旱澇災害的威脅顯得尤為重要。隨著防災減災工作的不斷深入發展，關于旱澇災害及其風險研究、評估研究也取得了很多進展，張亞峰等[9]采用EOF等方法分析了山西省近55年干旱與洪澇的時空演變特征；李恩莉等[10]指出寶雞夏季澇年和旱年的環流形勢差異明顯，當100 hPa上南亞高壓較強、500 hPa副熱帶高壓脊線偏南時，寶雞地區夏季易發生洪澇；李芬等[11]分析了山西旱澇與ENSO事件的響應關系，指出EI Nino年，旱年多，EI Nino次年，澇年多。近幾年，也有許多學者利用各種指數進行判別分析某地或某一區域的干旱特征[12-15]，這些判別旱澇的依據不是僅從降水量這單一氣象要素出發，而且計算過程過于復雜在基層不好應用。實際上，旱澇不僅與降水量的多少與分布有關，還與地形地貌、土壤情況、水利設施、農作物各類等多種因子有關。運城市位于山西省西南端，瀕臨黃河，內有中條山。暖溫帶大陸性的季風氣候，四季分明，氣候溫和，降水集中，受氣候變化影響，運城市的氣候也發生了改變[16]。運城市是傳統農業大市，大田農作物主要有玉米、小麥、大豆等，特色干果作物主要有蘋果、紅棗、桃、櫻桃等，生長季為4—10月。本文僅從作物生長季自然降水趨勢變化與農業需水滿足程度方面，探討運城市1974—2019年旱澇發生情況及變化趨勢，以期為地方農業生產、農業結構調整和旱澇災害防御提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用資料為運城市13個縣(市)1974—2019年4—10月的逐月降水量和相應時段月平均氣溫。依據當地作物生長特征，將4—10月劃分為農作物生長季，4—5月為春季、6—8月為夏季、9—10月為秋季。

1.2 分析方法

采用一元線性回歸分析運城市作物生長季降水量和作物需水量的趨勢變化，應用線性傾向估計方法[17]，計算變化傾向趨勢。采用亓來福[18]提出的積分濕度指標方法對運城市作物生長季的旱澇程度進行分析。其計算公式如下：

式中I為年內月平均氣溫>0 ℃時期的積分濕度指標，Ti為月平均氣溫，n為月平均氣溫>0 ℃的月數。K=R/0.16 Σti，為旱澇指數，是同一時期的降水量與農業需水量之比[18]，R為作物生長季內月降水量，代表了自然降水的供水量，0.16 Σti代表農業需水量(mm)。農作物需水量的計算有許多方法，有直接和間接計算方法。本文采用的是直接計算的積溫法，即以溫度為主的計算方法，其中0.16是根據實驗得出的參數值，Σti為大于0 ℃的積溫。K=1.0表示農業水分供需平衡,K<1.0表示干旱，K>1.0表示供大于求；K愈小表示愈干旱，該值由小到大的逐漸變化，說明農業用水依次得到滿足，它代表地區實際水分供應的客觀規律。

從積分濕度指標的定義可以看出，這種分析旱澇程度的方法，不僅考慮了自然降水情況，同時還考慮了氣溫的影響，考慮從作物在生長季對水分的需求，因此，對于指導農業生產有著一定的現實意義。

依據旱澇指數，將旱澇程度分為7個等級[19]，見表1。

表1 旱澇指數(K)判別旱澇程度的標準

2 作物生長季降水量的時空特征

2.1 降水量的時間分布特征

由圖1可見，1974—2019年運城市作物生長季降水量年際變化呈現弱減少趨勢，變化傾向率為-1.55 mm/10 a。年平均降水量為458.8 mm，2003年最多為755.3 mm，1997年最少為202.8 mm，二者相差552.5 mm，最多年是最少年的3.72倍，年際差異較大。

從表2可看出，20世紀80年代運城作物生長季降水量最多，90年代最少，二者相差54.5 mm。整體呈增加趨勢，近19年(2001—2019年)比前27年(1974—2000年)平均降水量增加10.7 mm。夏季和秋季均是20世紀90年代平均降水量最少，春季最少出現在70年代；平均降水量最多春季出現在近9年，夏季則是80年代，秋季是21世紀前10年。

表2 1974—2019年運城市作物生長季各季的平均降水量、需水量和K值年代際變化

由圖2可知，近46年來運城市作物生長季各月平均降水量分布非常不均。7月平均降水量最多，為103.7 mm，約占作物生長季降水量的22.7%；4月平均降水量最少，為33.3 mm，占7.2%；降水主要集中在7—9月，占59.8%；4月和10月平均降水量不足作物生長季總降水量的17.2%。

圖2 1974—2019年運城市作物生長季降水量月變化

春季(4—5月) 降水量平均為83.1 mm，占整個生長季降水量的18.1%；最多為194.2 mm(1998年)，最少為23.6 mm(2001年)；春季降水量呈增加趨勢，變化傾向率為4.3 mm/10 a。夏季(6—8月)降水量平均為247.6 mm，占比為54.1%；最多為457.1 mm(1982年)，最少為86.6 mm(1997年)；夏季降水量減少較為明顯，變化傾向率為-8.0 mm/10 a。秋季(9—10月)降水量平均為127.0 mm，占比為27.7%；秋季降水量呈弱增加趨勢，變化傾向率為0.7 mm/10 a；降水量最多為317.3 mm(2011年)，最少的是33.9 mm(1998年)。

2.2 降水量的空間分布特征

從圖3可以看出近46年運城市降水分布，作物生長季降水量在空間上表現為從東南向西北的遞減式分布，沿垣曲、絳縣一帶，作物生長季降水量多年平均值在500 mm以上，沿聞喜、萬榮和臨猗以西地區作物生長季降水量多年平均不足450 mm，其它地區在450～500 mm之間。從各縣降水量的變化趨勢來看，降水量在沿垣曲、聞喜、新絳、河津以東地區為增加，以西及以南地區表現為一致的減少。

圖3 1974—2019年運城市作物生長季降水量的空間分布

3 作物生長季需水量的時空特征

3.1 需水量的時間分布特征

近46年來，運城市作物生長季需水量從20世紀80年代到21世紀初呈顯著增加趨勢(圖4)，P=0.000 005 4<0.005，通過F檢驗，變化傾向率為9.12 mm/10 a。多年平均需水量為709.0 mm，最多年為748.3 mm(2013年)，最少年為661.6 mm(1984年)，二者相差86.7 mm。

對各月需水量進行統計分析，5—8月需水量均在100 mm以上，10月需水量最少為68.4 mm。進一步分析發現，春、夏、秋三季需水量均表現為增加趨勢，各季需水量的變化傾向率分別為4.41、2.00、1.74 mm/10 a；春季多年平均需水量為173.2 mm，占作物生長季總需水量的24%，夏季平均需水量為371.8 mm，占作物生長季總需水量的52%，秋季多年平均需水量為164.0 mm，占作物生長季總需水量的23%。

圖4 1974—2019年運城市生長季作物需水量的年際變化

從表2可見，運城20世紀90年代需水量最少，21世紀00年代以來最多；整體呈增加趨勢，近19年(2001—2019年)比前27年(1974—2000年)平均需水量增加17．6 mm。夏季和秋季均是20世紀80年代平均需水量最少，春季最少出現在70年代；三季平均需水量最多出現在最近19年。

3.2 需水量的空間分布特征

近46年來，運城市作物生長季需水量在空間上的分布表現為自西向東遞減(圖5)，這與降水量的空間分布基本相反。沿聞喜、萬榮以東地區和芮城縣作物生長季多年平均需水量不足700 mm，其他地區都在700 mm以上，其中鹽湖接近740 mm，為極大值中心。

圖5 1974—2019年運城市作物生長季需水量的空間分布

4 作物生長季旱澇分析

4.1 旱澇指數的時間變化特征

近46年來，運城市作物生長季內旱澇指數(K)平均為0.64，總體屬于中度干旱氣候類型。從圖6可以看出K多年變化不太明顯，說明運城市近46年來旱澇變化趨勢不明顯。K最大值為1.1(在2003年)，最小為0.28(1997年)。按照表1的判別標準，在運城市作物生長季，干旱發生頻率極高，達到95%，其中重旱為12%，中旱61%，輕旱22%。

圖6 1974—2019年運城市作物生長季旱澇指數(K)的變化曲線

由表2可知，運城春季K多年平均為0.47，屬于重旱，最小為0.14，最大為1.14；K小于0.5的重旱年達23年。夏季K多年平均為0.68，屬于中旱，最小為0.22，最大為1.28；0.5以上的中到輕度干旱占27年，4年旱澇正常。秋季K多年平均為0.77，為輕旱，最小為0.19，最大為2.03；偏澇年份占了9年。表明在運城，干旱主要以春旱為主，澇災更易出現在秋季。對各季的旱澇指數進行趨勢分析(圖略)發現，旱澇指數夏季有弱增加趨勢，春季和秋季變化不明顯，這從表2中有較好的反映。

4月和6月K的平均最小為0.45，屬于重旱；其次是5月為0.51，屬于中旱；9月最大為0.89，基本正常。對各月旱澇指數的變化趨勢進一步分析發現，5月和9月旱澇指數有弱的增加，變化傾向率為0.03/10 a，說明5月和9月干旱程度得到緩和；其余月份K值均呈弱的減小趨勢，說明這些月份干旱程度進一步加重。

4.2 旱澇指數的空間變化特征

近46年來運城市旱澇指數自西向東逐漸變大(圖7)，說明運城市農作物生長季從西向東干旱程度逐漸減小。旱澇指數大值中心位于最東邊的垣曲縣，達到0.8以上；最小中心在西北的稷山、河津和西南的臨猗一帶，不足0.6。

圖7 1974—2019年運城市作物生長季旱澇指數(K)的空間變化

5 農業水分平衡分析

5.1 水分平衡的時間特征

干旱程度的表現不僅與降水量的多少有關，也與作物需水量有著密切的關系。只有當自然降水量與農業需水量之間達到平衡時，才有利于作物的生長。用兩者之間的差值表示作物生長季內農業水分的平衡，對46年來運城市作物生長季水分平衡特征進行分析發現，多年平均水分虧缺250.1 mm(從實際農業收成和干旱出現情況來看，作物生長季需水量普遍偏高，可能是調整系數0.16設置過高，但這里不作詳細討論)，僅2003年水分有盈余；缺水最為嚴重的是1997年，虧缺532.8 mm。從各季水分平衡情況來看，夏季水分虧缺最多，平均為119.5 mm，其次是春季虧缺90.7 mm，秋季虧缺最少為36.9 mm。

5.2 水分平衡的空間特征

近46年來運城市作物生長季水分虧缺量自西向東逐漸減小(圖8)，虧缺最嚴重的是西北的河津、稷山一帶，虧缺最少的是東邊的垣曲、絳縣一帶，這與旱澇指數的分布高度一致。虧缺最多的稷山300.5 mm，虧缺最少的垣曲143.5 mm，前者是后者的2.1倍，說明運城市作物生長季水分分布很不平衡。大部分地區水分虧缺在200 mm以上。

5.3 農業水分滿足程度

根據積分濕度指標的定義，I值的大小可以反映農業水分的滿足程度。對運城市46年的I值進行線性趨勢分析(圖略)，發現I值整體呈弱下降趨勢，變化傾向率為(—1%)/10 a。運城市多年平均積分濕度指標I值為65%，這與亓來福[18]統計的I值基本一致，說明運城市農業水分供應條件整體較好，為可旱作農業區，但干旱有增多趨勢。各年I值差異較大，最大為111%(2003年)，最小為28%(1997年)。從I值的空間分布來看(圖略)：垣曲和絳縣多年平均I值最大，農業水分滿足程度最高，分別達79%和78%；河津和臨猗多年平均I值最小，不足60%；其他地區在60%～70%之間。對各地I值的年際變化進行分析，有8個縣(市)的最小I值小于30%，5個縣(市)的最小I值小于40%，特別是萬榮，只有19%，其次河津22%，說明各地均有不同程度的干旱出現。

圖8 1974—2019年運城市作物生長季水分虧缺的空間分布

6 結論與討論

(1)近46年來，運城市作物生長季降水量呈弱減少趨勢，變化傾向率為-1.55 mm/10 a；各月平均降水量分布不均，7月最多，4月最少，7—9月降水量占作物生長季總降水量的59.8%；農作物生長季各季降水量不同，春季(4—5月)降水量占作物生長季總降水量的18.1%，呈增加趨勢，夏季(6—8月)占54.1%，呈減少趨勢，秋季(9—10月)占27.7%，呈弱增加趨勢，各季作物生長季總降水量的趨勢傾向率分別為4.3、-8.0、0.7 mm/10 a；降水量在空間上表現為從東南向西北的遞減式分布，各縣降水量隨時間的變化趨勢各不相同。

(2)運城市作物生長季農業需水量呈明顯增加趨勢，變化傾向率為9.12 mm/10 a；春、夏、秋三季需水量呈增加趨勢，各季變化傾向率分別為4.41、2.00、1.74 mm/10 a；需水量在空間上表現為自西向東遞減。

(3)運城市作物生長季內平均旱澇指數為0.64，總體屬于中度干旱氣候類型，旱澇指數整體變化趨勢不明顯，其中5月和9月有弱增加，其它月份為減小；干旱發生頻率極高，達到95%，其中重旱為12%，中旱61%，輕旱22%；旱澇指數春季多年平均為0.47屬重旱，夏季為0.68屬中旱，秋季為0.77屬輕旱；旱澇指數在空間上表現為自西向東增大，干旱程度逐漸減小。

(4)近46 年來，運城市生長季內水分平均虧缺250.1 mm，夏季虧缺最多，平均為119.5 mm，秋季虧缺最少，平均為36.9 mm；水分虧缺量自西向東減少，虧缺最多的是河津、稷山，虧缺最少的是垣曲、絳縣，區域虧缺差異近2.1倍，分布極不平衡。

(5)近46年來，運城市作物生長季農業水分滿足程度為65%，為可旱作農業區，整體為下降趨勢，變化傾向率為(-1%)/10 a；各縣水分滿足程度不一致，垣曲和絳縣最高，河津和臨猗最差，最大與最小相差60%，局部干旱有增多趨勢。