甘肅東祁連山草原旱災預測初探

安海濤，蒲小鵬，曹文俠

（甘肅農業大學 草業學院,甘肅 蘭州 730070）

西北大部分地區降水500 mm以下，屬干旱半干旱地區，因此對于水生態的研究關系到當地植被的保護和利用，更關系到當地的可持續發展。干旱災害是世界上危害最為嚴重的災害之一，其出現的次數、持續的時間、影響的范圍、造成的損失，居各種自然災害之首。據統計，每年因干旱造成的全球經濟損失高達60多億美元，遠遠超過了其他氣象災害[1,2]。目前，干旱災害作為影響水資源安全的主要因素，成為影響世界發展的嚴重不穩定因素和影響國民經濟可持續發展的瓶頸因素。因此干旱災害已成為全世界各國急需解決和共同關心的主題。草原作為天然生態系統，對維持生態平衡和畜牧業的發展具有重大的作用和價值。隨著經濟的快速發展，牧民的價值觀也在潛移默化的隨之發生改變，當物質需求和經濟需求高于其他時，迫使牧民不得不加大生產投入，以增加經濟收入，從而導致草原生態的退化。日趨惡化的生態環境，又使得草畜矛盾日益突出，制約了畜牧業的發展，使致陷入人、畜、草三者關系的惡性循環，加重草原生態系統的破壞。

在干旱風險分析研究方面，國外起步比國內要早很多，并且作為多種學科交叉的邊緣性科學[3]。灰色預測系統的研究對象是工程技術系統、農業系統、經濟系統、社會系統等，它的步驟是建立模型，進行預測、決策和控制等。它的任務在于探索新的方法，以便于用來克服概率統計中所要求大量數據的弱點，從混亂的、有限的、離散的數據之中找到規律。根據這些來建立模型，進行分析、預測、決策和規劃，而GM（1，1）模型則是使用最為廣泛的灰色預測模型[1-5]。本研究利用皇城草原地區2000—2016年降水量數據和GM（1，1）模型分析當地降水量變化模式，希望為當地草原畜牧業管理提供依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于祁連山東側的金強河谷地區，境內大部分地區屬于高寒氣候，海拔在2 500～4 500 m，年平均氣溫1～2℃，無霜期70～120 d，年降水量320～400 mm。氣候特點大體是冬春季漫長而寒冷，夏秋季短暫而涼爽。

1.2 數據來源及分析方法

本文所用氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網中烏鞘嶺氣象站的觀察數據。采用灰色預測模型GM（1，1）預測草原氣候干旱。同時，通過走訪當地牧民，了解近幾年氣候變化對當地畜牧業生產的影響，進一步驗證預測模型的精度。

采用降水距平百分率（△R%）來判斷年干旱狀況，當△R%≤-20時（△R%=實測值-同期歷史均值），判定當年為干旱年。

2 結果與分析

2.1 生長季降水量、非生長季降水量和年降水量

從圖1可知，在2000—2016年間，年降水量在2003年和2012年達到2個峰值，分別是543 mm和592 mm，而降水最少年份是2013年，為302.6 mm，2012年降水量是2013年的1.95倍，說明降水量年際變化幅度較大。

圖1 2000—2016年均降水量、生長季降水量和非生長季降水量

從2000—2016年間，生長季（5—9月）降水量的變化趨勢與年降水動態趨勢基本一致，說明生長季降水是全年降水的主要組成部分，平均在83%以上，而2012年高達92%，非生長季降水量僅占全年降水量的17%。年均降水量與生長季降水量的相關性系數為0.95，而與非生長季降水相關性僅為0.39（見表1）。

表1 生長季降水量、非生長季降水量與年降水量間的相關關系

2.2 利用降水量判定氣候干旱

根據文獻，大多學者利用年降水量的數據進行了當地旱情分析，齊高先等[6]利用烏鞘嶺氣象站所測數據（該氣象站海拔為3 045 m）研究發現天祝縣近60年年均降水量為410.5 mm。因此，本研究以410.5 mm的年均降水量作為參考依據，以《全國氣候影響評價》為標準，利用降水距平百分率（△R%）評價降水狀況，當△R%≤ -20時為降水偏少閾值，并利用灰色預測法進行當地旱災預測。如果將年降水量低于328.4 mm定為旱災的界限(計算步驟為，410.5×（1-20%)=328.4 mm）[7，8]，則2013年屬于降水偏少年份（圖2，2013年降水量為302.6 mm，）。然而，該研究結果與齊高先的結論“自從90年代后，降水明顯持續偏少，春、夏、冬降水均呈減少趨勢，秋季降水呈增加趨勢”有一定出入，因此，還需進一步分析。

圖2 全年降水量的距平百分率動態

由圖2可知，2002年和2013年的降水量均出現低谷，降水兩個峰值也分別出現在2003年和2012年。自2000年以來，除2013年的年降水量嚴重減少以外，其余時間段年降水量均高于多年平均降水量，不存在干旱現象。

2.3 通過牧戶訪問判定

由表2可知，2015—2018年夏季多雨，且降雨多集中在牧草生長季，這對牧草的生長十分有利；秋季依舊多雨，此時降雨致使牧草生長環境溫度降低，進而加速了牧草生長季的結束。在2015—2018年4年中，其中3年均出現春季干旱現象，這對家畜影響很大，直接決定了牧草的返青以及家畜后代是否能夠成活。

表2 2015—2018年牧民對氣候干旱的認知

表3 2015—2018年牧戶購買牧草及飼料情況

2015—2018年4年間，單從年降水量來判斷，牧民們的畜牧業生產并未（有）受到旱災的影響，但是從補充飼草的購買量（見表3）卻可以看出，牧民們的購買量卻呈現出上升的趨勢，這也從側面說明了當地天然草場生產力的下降，也表明了當地草原干旱是一個受多因素干擾的復雜問題[9-10]。

2.4 利用生長季降水量的判定

利用2000—2016年數據中生長季（5—9月）降水量的均值305.6 mm為參考依據，當△R%≤-20時為降水偏少閾值，對以上降水量進行預測分析。其結果如圖3所示，僅有2002年生長季距平百分率為-21.5%。這可能是由于△R%≤-20%時范圍太大，因此本研究擬采用△R%≤-15%為閾值，進行生長季干旱預測。

圖3 生長季降水量的距平百分率動態

從表4可以看出，△R%超過-15%的年份分別是2002、2004、2009、2010和2013年，進行灰色預測步驟如下：

第一，將這些年份對應的序號記入矩陣S（0），則｛S（0）｝=｛3,5,10,11,14｝,進行累加后得到：｛S（1）｝=｛3,8,15,26,40｝

表4 生長季降水量的距平百分數

將不同的時段序號k值代入上式，即可得出一系列生成后的計算值。將實際值和計算值列入表5，并以公式：（實際值-計算值）/實際值來計算誤差，則平均誤差為16.3%。

表5 實際值與預測值的比較

通過該模型預測的下一次干旱年份時，將k=6代入該模型，所得結果X（1）(6）=67，因為X（1）(6）=40，對應的年份為2013年，而67-40=27，說明2013年后的27年即2040年則可能發生生長季干旱。

3 討論

本文在對生長季降水量和降水量的相關性分析中采用了自2000年后17年的數據，其中包含兩個最高值（543 mm和592 mm），一個最低值302.6 mm，得到了這段時間降水量變化幅度的最大值289.4 mm。利用降水距平百分率來評價時，若將降水低于328.4mm即視為出現旱災，可以判定2013年是一次程度較大的旱災，并且與本文中全年降水量的動態分布圖也相符合。通過對當地年長的牧民的訪問也得知了近幾年為應對氣候變化所購買的牧草和飼料數量均呈現上升趨勢。由此可見，隨著社會發展，無論降水量增加還是減少，牧戶所需要的牧草及飼料都在增加，主要的原因還是早春干旱，冬季雪多，早春并非生長季，而降水卻占全年降水量的27%。然而，由于本研究數據有限，因此氣候變化對家畜的影響程度并不明確，還需要通過家畜的成活率以及死亡率等指標進行判斷，本研究只是對皇城草原氣候干旱進行了初步探索，今后還需要更多學者進行相關研究，數據有限，因此氣候變化對家畜的影響程度并不明確，還需要通過家畜的成活率以及死亡率等指標進行判斷及相關研究。

干旱主要受降水和溫度兩方面的影響，對于草地生物而言，溫度升高則蒸發量增大，雖然全年降水有所增加，但對草地生物而言生長環境依舊干旱。因此，僅僅分析降水或者溫度某一方面的變化均有一定的局限性，還需要進一步綜合多項指標深入分析。21世紀作為信息主導的時代，任何學科的發展都離不開信息網絡平臺的貢獻。因此，為了提高預測精度，相關工作人員需要更加完整的基礎數據庫的支撐，以進行更深一步的研究。如旬降水、旬平均溫度、草地類型產量、家畜成活率、家畜生長量等，均能為研究提供更加可靠的數據支撐。

4 結論

本研究利用灰色預測系統分析了2000—2016年間皇城地區大氣降水模式。結果表明：以年降水量為依據進行分析時，降水量比多年平均值減少20%的年份只出現在2013年，證明了2013年是一個干旱年；并且建立了以生長季（4—8月）降水量為依據的灰色預測模型，，并預測出2040年可能出現生長季干旱。