隴東黃土高原氣象干旱特征分析及其對農業的影響

趙玉娟，張謀草，張洪芬，韓 晶，路亞奇

（慶陽市氣象局，甘肅 慶陽745000）

黨的十七大報告提出“建設生態文明”并作出具體部署，十八大報告指出“建設生態文明是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計”。然而生態系統退化嚴峻，極端氣候事件頻發，如高溫、暴雨洪澇、冰凍雨雪災害、干旱災害等，其中干旱災害是最嚴重的氣象災害，也是主要的自然災害之一[1]。它是最復雜而且又被人們了解最少的自然災害，對人類所造成的影響遠遠超過其它自然災害[2]。近年來隨著氣候變暖，干旱災害對農業生產、社會經濟、生態環境等造成的影響越來越嚴重[3-4]。因此關于干旱事件的監測、評估以及預測研究受到眾多學者的關注[5-7]。目前，大量研究集中在干旱指標的對比分析方面[8-10]，也有學者從時間和空間方面研究干旱事件，如王春林等[11-13]對華南、華東、西北等地干旱災害的時空特征進行了分析研究，喬麗等[14-20]學者對陜西、貴州、粵西、烏魯木齊、滄州、華北、河北等地干旱分布特征進行了探討，通過研究得到了很多有用的結論，但是從月、季、年不同時間尺度對氣象干旱時空特征的研究并沒有涉及，本文著重從不同時間尺度對隴東黃土高原氣象干旱的特征進行詳細分析。

隴東黃土高原屬典型雨養農業區，且地處我國生態環境脆弱帶，降水量時空分布不均，年際差異大，年內分布不平衡[21]。近年來受全球氣候變暖影響以及水文、降水、氣象條件的制約，隴東黃土高原氣候向暖干轉型[22]，干旱災害十分嚴重，這就要加強對氣象干旱災害的診斷分析，提高干旱災害的防治能力。已有一些學者對隴東黃土高原干旱災害進行了研究，如張紅妮等[23]研究了慶陽市干旱風險的變化特征及區劃，郭江勇[24]對該地區春旱進行了詳細的分析，王位泰[25]對該地區春末夏初旱的氣候特征及預測模型進行了研究。但是，對于氣象干旱時空分布特征及其對農作物生產影響方面的研究較少。本文主要從時空分布方面對隴東黃土高原氣象干旱特征進行研究，并探討其對農作物生產的影響，為干旱災害預報、預警及防治提供科學依據，以達到減少經濟損失的目的。

1 資料來源和研究方法

1.1 資料來源

采用慶陽市8個縣（區）氣象觀測站1989—2018年降水資料，并收集8個縣（區）30 a農作物干旱災情資料，資料來源于慶陽市氣象局災情資料庫及氣象災害管理系統。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱分級標準

氣象干旱是指持續的不正常的干燥天氣導致缺水，而引起的嚴重水文不平衡，其最明顯的特征是降雨量持續低于某一正常值。氣象干旱是由多方面綜合因素造成的結果，從不同的層面考慮有不同的監測方法和指標，評價氣象干旱的指標同樣也是多樣的，但降水量對干旱的影響最為直接，能夠直觀地表現出干旱發生的強度，且計算方法簡單，因此文中采用《氣象干旱等級國家標準》（GB/T20481-2006）中降水距平百分率干旱指標（表1），選取月、季、年不同時間尺度干旱事件，分析隴東黃土高原近30 a氣象干旱時空特征。

表1 單站降水量距平百分率劃分的干旱等級

降水距平百分率（P0）是指某段時間的降水量與常年同期降水量相比的百分率。

式中：Pi為時段i的降水量；n為樣本數，n=30。

1.2.2 等級劃分

氣象干旱輕重程度一般分為5個等級：無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱。具體劃分標準如表1所示。

1.2.3 氣象干旱事件的選取

選取慶陽市8個縣（區）氣象觀測站30 a（1989—2018年）降水資料，采用Excel軟件進行統計，并用降水距平百分率法計算出各縣（區）月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指標選取慶陽市30 a逐月、逐季、逐年出現輕旱、中旱、重旱、特旱的事件，出現一次氣象干旱事件（輕旱、中旱、重旱、特旱）計1個頻次，對所出現的月、季、年氣象干旱事件的頻次進行累加，計算出各縣（區）不同時間尺度氣象干旱事件總頻次在總時間段中所占頻率，用Excel和ArcGIS軟件繪圖分析。

2 氣象干旱特征

2.1 氣象干旱總體分布特征

分析隴東黃土高原氣象干旱分布情況（圖1），隴東黃土高原氣象干旱事件存在自西北向東南逐漸減少的特點，多發區集中在西北部的鎮原縣和環縣，而東南部正寧縣發生的氣象干旱事件相對較少。其中鎮原縣、環縣出現氣象干旱的頻次最多，360個月中分別有118、110次，頻率分別為32.7%、30.5%；慶城、華池次之，分別為99、96次，頻率分別為27.6%、26.7%；西峰、寧縣較少，分別為94、93次，頻率分別為26.1%、25.8%；合水、正寧最少，分別為83、76次，頻率分別為23.1%、21.1%。

圖1 隴東黃土高原氣象干旱分布

2.2 氣象干旱月分布特征

分析不同月份隴東黃土高原氣象干旱事件發生的頻次（表2）可知，30 a來各縣（區）氣象干旱發生的月頻次呈波動狀，環縣、鎮原縣1—5月較多，6月開始減少，8月最少，11月逐漸增加，12月達最多。華池、慶城1—4月較多，5月開始減少，7月最少，11月逐漸增加，12月達最多。西峰、合水4、11、12月較多，6、7月較少，其余月份較平穩。寧縣1、4月、11—12月較多，其余月份較平穩。正寧11—12月較多，7—9月較少，其余月份較平穩。通過以上分析得出，氣象干旱主要發生在10月到次年5月，其中12月最多，發生的頻次為121次，7月最少，發生的頻次為32次，這與當地降水量的時間分布特征基本一致。

表2 隴東黃土高原氣象干旱月頻次/次

2.3 氣象干旱季分布特征

分析不同季節隴東黃土高原氣象干旱事件發生的頻次（表3）可知，近30 a各季發生的氣象干旱事件頻次分別是：春季77次、夏季53次、秋季54次、冬季61次。隴東黃土高原氣象干旱主要是春旱，冬旱次之，夏、秋旱較少，這與該區域降水量的季節分布特征基本吻合。從縣（區）的角度看，各縣（區）發生的氣象干旱頻次分別為：西峰27次、環縣38次、華池36次、慶城27次、鎮原37次、合水31次、寧縣26次、正寧23次，頻率依次為：22.5%、31.7%、30%、22.5%、30.8%、25.8%、21.7%、19.2%，可以看出：環縣、華池、鎮原的氣象干旱發生頻次較多，正寧較少，其余縣（區）相差不大。

圖2是季尺度氣象干旱等級分布情況。近30 a氣象干旱主要以輕旱為主、中旱次之、重旱及特旱發生概率較小，其中環縣、華池、鎮原、合水發生輕旱頻次較多，為24~27次，其余縣（區）相對較少，為16~19次。鎮原、慶城、環縣發生中旱頻次較多，為7~9次，其余縣（區）發生中旱頻次均較少。環縣發生特旱頻次最多，這是由于環縣的氣候特征、地形以及降水量等因素所導致。

表3 隴東黃土高原氣象干旱季頻次/次

圖2 隴東黃土高原季尺度氣象干旱等級分布

2.4 氣象干旱年分布特征

用年尺度計算，選取30 a氣象干旱事件進行分析，若1 a內3個縣（區）同時發生氣象干旱事件，則認為是1次區域性氣象干旱事件。分析發現，30 a來有8 a發生了區域性氣象干旱，分別是：1991、1995、1997、2000、2004、2006、2008、2017年。從20世紀90年代至今氣象干旱事件（年尺度）發生的頻次逐漸減少。這與氣候變化、降水量的逐年變化密切相關，更重要的是近年來人們保護環境的意識增強，對干旱的監測、預報更加重視，干旱狀況的評估更加及時，適時開展人工增雨作業，合理調整產業結構，種植防旱植被，加強水利工程建設，充分利用空間水資源，從而降低了氣象干旱發生的頻次。

圖3是年尺度氣象干旱等級分布情況。30 a來隴東黃土高原氣象干旱以輕旱為主，中旱次之，無重旱出現，特旱僅在合水（1995年）出現過一次。其中鎮原發生輕旱的頻次最多，出現過7次，環縣、慶城次之，分別為5次、6次，寧縣最少，僅發生過1次輕旱；環縣發生中旱的頻次最多，出現過3次，合水沒有發生過中旱。

圖3 隴東黃土高原年尺度氣象干旱等級分布

3 氣象干旱對農業的影響

3.1 氣象干旱造成的農作物成災面積整體分布特征

統計1989—2018年慶陽市8個縣（區）的干旱災情，對各縣（區）30 a氣象干旱造成的農作物成災面積進行累加，詳細分析其對農作物生產的影響（圖4）。結果表明，近30 a受氣象干旱影響，環縣、鎮原農作物成災面積較大，受災程度嚴重，慶城、華池、合水、寧縣次之，西峰、正寧較小，受災程度輕。這與該地區南北氣候特征差異、地形地貌不同、植被類型各異，種植結構多樣等有一定的關系。

圖4 隴東黃土高原氣象干旱造成的農作物成災面積所占比率

3.2 氣象干旱造成的農作物成災面積年際變化特征

圖5為慶陽市1989—2018年氣象干旱造成的農作物成災面積年際變化。由氣象干旱災害造成的農作物成災面積呈波動狀增加趨勢，這與氣候變暖有關。其中1995、2011年成災面積較大，1990、1993、2001、2002、2016年和2018年無干旱災情。不同氣象干旱年造成農作物受災面積的不同與氣象干旱災害的嚴重程度及干旱發生時農作物生長發育時期的不同有一定關系。

圖5 隴東黃土高原氣象干旱造成的農作物成災面積年際變化趨勢

3.3 年氣象干旱日數與氣象干旱造成的農作物成災面積相關性分析

利用線性模擬方法，計算各縣（區）氣象干旱日數及受氣象干旱影響農作物成災面積逐年變化趨勢，得到其一次項系數即傾向率（表4）。近30 a鎮原、合水、正寧氣象干旱日數與氣象干旱造成的農作物成災面積的年變化傾向率呈正相關關系，其余縣（區）呈負相關關系。其中西峰、慶城、寧縣氣象干旱日數年變化傾向率為正，說明其氣象干旱出現日數呈逐年增加趨勢，而氣象干旱造成的農作物成災面積年變化傾向率為負，表明其呈逐年減少趨勢。其主要原因是，該區域氣象干旱主要以輕旱及中旱為主，輕旱和中旱在農作物生長發育期對其造成的災害相對較輕，且近年來在植被類型和種植結構上進行了很大的調整，提高了抗旱能力。環縣、華池氣象干旱出現日數呈逐年減少的趨勢，而氣象干旱造成的農作物成災面積表現為逐年增加趨勢，按季尺度劃分，環縣、華池出現特旱的頻次比其它縣（區）多，特旱在農作物生長發育及成熟期造成的災害十分嚴重。鎮原、合水、正寧氣象干旱出現日數及氣象干旱造成的農作物成災面積均表現為逐年減少的趨勢，與近年來干旱監測、預報預警能力的提高，干旱狀況評估的及時開展、人工增雨作業的適時進行以及合理開發利用空中水資源等密不可分。為適應干旱氣候變化，需要進行一系列種植模式的調整，如西北部地區從以糧為主的種植模式調整為牧草養畜、特色經濟作物（小雜糧和白瓜子等）及中藥材等耐旱作物為主的種植模式，中部從以糧為主的種植模式調整為糧、果及設施農業為主多元化的種植模式，東南部從以糧為主的種植模式調整為以果樹等經濟作物為主的種植模式。

表4 隴東黃土高原氣象干旱日數及氣象干旱造成的農作物成災面積年變化傾向率

4 結論與討論

利用慶陽市8個縣（區）30 a（1989—2018年）降水及干旱災情資料，計算各縣（區）月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指標選取干旱事件，詳細分析不同時間尺度氣象干旱的時空特征，并計算氣象干旱日數及農作物成災面積的逐年變化趨勢，研究氣象干旱對農業生產的影響，得到如下結論：

（1）以降水距平百分率標準為基礎，從月、季、年不同時間尺度對隴東黃土高原氣象干旱時空分布特征進行了詳細分析，并研究氣象干旱對該地區農業生產的影響，突破了傳統的從某一種時間尺度對氣象干旱進行研究的思維，這對氣象干旱的監測、預報、預警有了新的指導意義。

（2）隴東黃土高原氣象干旱事件頻次自西北向東南逐漸減少，多發區集中在西北部的鎮原縣和環縣，而東南部的正寧縣發生的頻次相對較少。氣象干旱發生的月頻次呈波動狀主要發生在10月到次年5月，其中12月最多，7月最少。氣象干旱主要發生在春季，冬季次之，夏、秋季較少，主要以輕旱為主，中旱次之，重旱及特旱發生概率較小。30 a中8 a發生了氣象干旱事件，均以輕旱為主，且從20世紀90年代至今氣象干旱事件發生的年頻次逐漸減少，這與該地區降水量的時空分布特征基本一致。

（3）近30 a受氣象干旱影響，環縣、鎮原農作物成災面積較大，受災程度嚴重。氣象干旱災害造成的農作物成災面積年際變化呈波動狀增加趨勢。鎮原、合水、正寧氣象干旱日數與受氣象干旱影響農作物成災面積年變化傾向率呈正相關關系，其余縣（區）均呈負相關關系。

（4）用降水距平百分率作為選取氣象干旱的標準，直觀、簡單、容易理解，但是干旱是由諸多因素造成的，如降水、氣溫、蒸發、土壤墑情、灌溉條件、種植結構、植物生育期的抗旱能力以及工業和城市用水等。為了更深入更客觀的了解氣象干旱發生、發展的規律，提高干旱預報、預警服務能力以及干旱的防治能力，需要建立適合當地包含諸多因素的干旱指標綜合模型，以期進一步揭示隴東黃土高原氣象干旱的變化規律，提高氣象干旱的監測、預報、預警及防治能力。