基于灰色模型的河南省玉米干旱災害預警

張淑華，李炳軍，朱曉宵

(河南農業大學 信息與管理科學學院,河南 鄭州 450002)

1 引言

在干旱、洪澇、霜凍、臺風、地震、泥石流等自然災害中，干旱災害為全球最常見的自然災害。而在全球氣候變暖不斷加劇的背景下，我國發生干旱的范圍及強度均有顯著增強的趨勢，成為制約我國農業發展和糧食安全的關鍵因素。據統計數據得知，全球干旱面積約為4 800萬km2,每年因干旱造成的損失近70億美元[1]。我國也是受旱災影響較大的國家之一，平均每年因干旱受災面積達21.8萬km2，其中成災面積為12.5萬km2·a-1[2]，近10 a來，每年我國因干旱造成直接經濟損失達640.7億元，在因自然災害造成的損失中占據第二[3]。自公元前206年到1949年的2 155 a間中，我國發生過程度嚴重的旱災約1 056次，平均每兩年就發生一次大旱。新中國成立后，政府十分重視抗旱工作，修建了大量的蓄水、灌溉工程，干旱災害得到了一定的抑制，但由于經濟發展迅速、人口增長過快、生態系統遭到破壞等原因，致使干旱仍不時發生，并有進一步加重的趨勢。同時，農業干旱阻礙著農作物的生長發育，而糧食產量的多少及品質的好壞直接影響著國民經濟、社會和諧、國家安定，因此，認識和掌握干旱災害規律，預測干旱災害趨勢，對防災抗災能力的提高，糧食產量的提高，以及保障我國糧食安全具有重要的戰略意義[4]。

干旱災害具有持續時間長、影響范圍廣、發生頻率高的特點。黃淮海流域干旱區是我國發生干旱面積最大、頻次最高的地區，在3-10月的農作物生長期內都有可能發生旱災，其中春旱頻次最高，有“十年九春旱”之說。夏旱的頻次要低于春旱，但多與春旱或秋旱相連，如1942年、1957年、1974年等的大面積干旱災害，對農業生產影響也比較大。中國是農業大國，干旱災害已經成為影響農業可持續發展、糧食安全、社會穩定的重要因素。鑒于此，眾多學者從不同角度進行研究：張琪等[5]利用多尺度SPI指數、判別式分析法等方法建立朝陽市玉米不同生長階段的干旱災害風險預測模型，提高了風險預測的準確性，以滿足干旱為主導災害的地區的業務服務需要。萬能涵等[6]通過從土壤、作物、大氣連續體的角度計算作物水分虧缺指數(CWDI)，分析華北地區夏玉米在不同生長階段的干旱空間分布特征及其時間變化趨勢。李祎君等[7]引入安全種植指數、農業水資源承載力飽和度等概念，分析干旱對南方農業及其種植結構的影響。番聰聰等[8]通過Arc GIS得到河北省19個氣象站的干旱空間分布，計算SPI(標準化降水指數)，并對SPI進行Mann-Kendall趨勢檢驗，運用統計學思想探究其與玉米生長之間的關系，研究河北省夏玉米生長期的干旱特征。曲思邈等[9]將玉米生育期水分盈虧百分率作為玉米干旱指數，運用Weibull分布模型的參數化產量風險分析方法計算保險費率，并分析其空間分布，建立了以干旱天氣指數為賠付標準的吉林省玉米種植保險模式。魏光輝等[10]建立灰色GM(1,1)災變預測模型，對溫州市干旱災害進行預測分析。高志勇等[11]通過改善玉米的抗旱性遺傳基因來緩解干旱災害對玉米產量造成的影響。此外，有研究表明，干旱災害發生的強度和頻率有上升趨勢[12～14]。從全球尺度來說，對干旱事件的長期變化趨勢進行判別還比較困難[15～17]。

干旱災害具有區域性，河南省作為糧食生產大省，玉米作為河南省主要糧食作物，其生產直接影響著食品、飼料、釀造、工業、醫藥等行業的發展。河南省干旱災害發生頻繁，影響范圍廣，眾多學者從不同角度采用不同方法[18～21]，探究干旱災害及其對河南省糧食生產的影響。但對干旱災害進行預測的研究相對較少，或僅對某一地區干旱災害進行預測，對整個區域進行系統研究較少，這為筆者留下了進一步的研究空間。考慮到數據收集的局限性，研究對河南省五個區域，有代表性的5個地市的干旱災害發生情況進行定性及定量分析，并對一般干旱發生情況進行預測，基于預測結果為保障河南省玉米穩產增產提出相應的對策建議。

2 理論與方法

灰色預測模型具有所運算簡便，進行短期預測時模型精度較高的特點，因而筆者選用相對應的灰色災變預測模型進行研究。研究首先運用降水距平百分率對數據進行處理，然后運用弱化緩沖算子消除數據的隨機擾動性，最后采用灰色災變預測模型對河南省玉米干旱災害進行預測。

2.1 數據處理

2.1.1 降水距平百分率 降水距平百分率可體現出某一時段的降水量與同期平均狀態的偏離程度。在氣象相關的研究中應用廣泛，可以直接反映出降水異常而導致的干旱。其計算公式為：

(1)

(2)

2.1.2 弱化緩沖算子 定理1 設原始數據序列X=(x(1),x(2),…,x(n)),令XD=(x(1)d,x(2)d,…,x(n)d)

其中

+x(n)],k=1,2,…,n

(3)

可知當X為單調增長、單調衰減或振蕩序列時，D均為弱化算子，并稱D為平均弱化緩沖算子[23]。

緩沖算子具有排除擾動項的作用，可以弱化數據的隨機性，將數據還原至本質狀態，使其呈現出應有的規律性，便于人們正確把握事物的本質規律，從而能夠進行合理的預測，并提高模型的預測精度。

2.2 灰色災變預測

灰色災變預測最終結果的體現形式是給出下一個或幾個異常值出現的時刻，給人們提前準備的時間，采取相應地對策。灰色災變預測主要是通過對災變日期序列進行研究，探究其規律性，據此預測后期若干次災變發生的日期，并通過對災變日期序列建立GM(1,1)模型來實現預測?；疑珵淖冾A測的建模機理如下：

對原始序列X=(x(1),x(2),…,x(n))，給定上限異常值(災變值)ζ，則稱X的子序列即上災變序列為：

Xζ=(x[q(1)],x[q(2)],…,x[q(m)])=

{x[q(i)]|x[q(i)]≥ζ,i=1,2,…,m}

同理，給定下限異常值(災變值)ζ，可以得到下災變序列為：

Xζ=(x[q(1)],x[q(2)],…,x[q(l)])=

{x[q(i)]|x[q(i)]≤ζ,i=1,2,…,l}

其中Q(0)=(q(1),q(2),…,q(m))，為災變日期序列。

災變日期序列的1-AGO序列為：

Q(1)=(q(1)(1),q(2)(1),…,q(m)(1)

(4)

Q(1)的緊鄰均值生成序列為Z(1)，q(k)+az(1)(k)=b為災變GM(1,1)。

(5)

3 數據收集與處理

3.1 數據來源

筆者研究選取1990-2019年河南省部分地區的氣象數據，主要選取相關降水數據進行分析，所選數據來源于中國氣象數據網[25]。河南省豫東地區包括：開封、商丘、周口；豫西地區包括：濟源、三門峽、洛陽；豫中地區包括：鄭州、許昌、平頂山、漯河；豫南地區包括：南陽、駐馬店、信陽；豫北地區包括：安陽、濮陽、鶴壁、新鄉、焦作?？紤]到各地市的地理位置及數據的可獲得性、代表性、科學性、可操作性原則，研究選取的主要地市為豫東地區位置最靠東的商丘(氣象站站臺號：58005)；豫西地區位置最靠西的三門峽(氣象站站臺號：57051)；豫中地區位于河南省最中間的許昌(氣象站站臺號：57089)；豫南地區位置最靠南的信陽(氣象站站臺號：57297)；豫北地區位置最靠北的安陽(氣象站站臺號：53898)。

一般將350 mm以下降水量定義為干旱，而當作物在不同生育期階段發生干旱時，對作物的影響也會不同。當玉米在播種期間發生干旱時，會導致玉米無法出苗；當玉米在撥節前后出現干旱等雨水不足問題時，會直接導致玉米品質下降；玉米在灌漿期出現干旱，則會直接使其出現籽粒不飽滿，或是缺失的現象，從而導致玉米產量的下降[26]。筆者研究主要對一般干旱及重旱(大旱)進行研究。通過查詢相關資料、文獻，結合中國氣象數據網對干旱災害標準的劃分，確定本研究的干旱災害劃分標準：

表1 干旱標準(月降水量距平百分率)

3.2 降水距平率計算

通過中國氣象數據網獲得河南省商丘、三門峽、許昌、信陽、安陽五個地區的降水數據，以降水數據為基礎，計算得到各地區的降水距平百分率，見表2、續表2。

表2 河南省5個代表市降水距平百分率

續表2 河南省5個代表市降水距平百分率

4 結果分析

4.1 一般干旱

以一般干旱災害劃分標準為基礎，通過計算求得河南省5個代表市一般干旱發生情況(見表3)，其中0代表該年份玉米生育期未發生一般干旱，1代表該年份玉米生育期發生一般干旱。

表3 河南省5個代表市一般干旱

以豫東地區商丘市一般干旱數據為例進行分析。由表3可以得到原始數據序列：

X=(x(1),x(2),x(3),x(4),x(5),x(6),x(7),x(8),x(9),x(10),x(11),x(12),x(13),x(14),x(15),x(16),x(17),x(18),x(19),x(20),x(21),x(22),x(23),x(24),x(25),x(26),x(27),x(28),x(29),x(30))

=(1990,1991,1992,1993,1994,1995,1996,1997,1998,1999,2000,2001,2002,2003,2004,2005,2006,,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019)

將ζ=1作為一般干旱災害的異常值，由此得到災變序列為：

Xζ=(x(1),x(5),x(7),x(8),x(9),x(11),x(12),x(13),x(18),x(24),x(29),x(30))

=(1990,1994,1996,1997,1998,2000,2001,2002,2007,2013,2018,2019)

由此可得其對應的災變序列為：

Q(0)=(q(1),q(2),q(3),q(4),q(5),q(6),q(7),q(8),q(9),q(10),q(11),q(12))

=(1,5,7,8,9,11,12,13,18,24,29,30)

由于直接對該災變序列進行預測誤差較大，因而，本研究采用平均弱化緩沖算子對災變序列進行處理，該災變序列的一階弱化緩沖算子為：

Q(0)D=(q(1)d,q(2)d,q(3)d,q(4)d,q(5)d,q(6)d,q(7)d,q(8)d,q(9)d,q(10)d,q(11)d,q(12)d)

=(13.92,15.09,16.10,17.11,18.25,19.57,21.00,22.80,25.25,27.67,29.50,30.00)

進而對Q(0)D進行灰色GM(1,1)預測，預測結果為：

預測誤差為1.82%，預測結果可靠性較高。即豫東地區商丘市從最近一次一般干旱年份算起，4 a之后(2023年)可能會再次發生一般干旱。

同理可得，河南省其余四個區域的干旱災害發生情況(見表4)。

表4 河南省四個區域干旱災害發生情況預測

豫西地區三門峽市從2018年(最近一次一般干旱年份)算起，5 a之后(2024年)可能會再次發生一般干旱；豫中地區許昌市從2018年(最近一次一般干旱年份)算起，2 a之后(2020年)可能會再次發生一般干旱；豫南地區信陽市2019年算起，4 a之后(2023年)可能會再次發生一般干旱；豫北地區安陽市從最近一次一般干旱年份算起，4 a之后(2020年)可能會再次發生一般干旱，這些地區可在一般干旱發生前做好預防措施及防護措施。(后根據筆者方法對2020年河南省四個區域降水量數據進行分析,結果與筆者預測結果基本吻合)。

4.2 重旱

以重旱災害標準為基礎，通過計算求得河南省5個代表市重干旱發生情況(見表5)，其中0代表該年份玉米生育期未發生重旱，1代表該年份玉米生育期發生重旱。

表5 河南省5個代表市重旱

觀察表5可以發現：豫東地區商丘市近30 a來在1997年、2002年發生過重旱；豫西地區三門峽市近30 a來僅在1994年發生過重旱；豫中地區許昌市近30 a來未發生過重旱；豫南地區信陽市近30 a來在2001年、2019年發生過重旱；豫北地區安陽市近30 a來在1994年、1997年發生過重旱。河南省五個區域重旱發生頻率較小，最近10 a僅信陽市發生過重旱，信陽市須注意做好旱災預防工作。

5 結論與建議

5.1 結論

通過觀察分析河南省五個區域一般干旱及重旱發生情況可知，近31 a來，河南省五個區域中，豫中地區的許昌一般干旱發生頻次最高，但從未發生過重旱；豫東地區的商丘一般干旱發生頻次較高，重旱發生頻次相對最高；豫北地區的安陽一般干旱發生頻次僅次與豫東地區的商丘，重旱發生頻次最高；豫南地區的信陽一般干旱發生頻次僅次于豫北地區的安陽，重旱發生頻次最高；豫西地區的三門峽一般干旱發生頻次最低，重旱發生頻次次于豫東地區的商丘、豫南地區的信陽、豫北地區的安陽。

豫西地區的三門峽從最近一次一般干旱發生年份算起，5 a之后可能會再發生一般干旱；而豫東地區的商丘、豫南地區的信陽、豫北地區的安陽則從最近一次一般干旱發生年份算起，4 a之后可能會再發生一般干旱；而豫中地區的許昌則從最近一次干旱發生年份算起，2 a之后可能會再發生一般干旱。此外，最近10 a除信陽發生過重旱，其余地區均未發生過重旱。

5.2 建議

科學合理的防治干旱災害首先要對干旱災害進行準確的評估、預測，進而依據預測結果提前做好預防措施，預防干旱災害可從以下幾方面著手：

(1)干旱災害風險意識培訓。干旱災害作為一種自然災害，其發生具有不可控性，但可提前對相關人員做好干旱風險防治的培訓工作，以減輕其發生時所造成的損失。通過培訓使人們認識到干旱災害實際發生的過程及不同程度的干旱所帶來的危害，以及對于不同程度的干旱災害應當采取何種的預防措施，進而使人們能夠科學合理的防治干旱災害的發生。

(2)資源合理配置。河南省不同地區農業發展水平不同，農業資源的分配也存在很大的差異。通過對各區域干旱發生情況進行綜合評估，了解各區域相關農業資源的需求情況，使農業資源的調配更加合理，同時保證各地區農業資源充足，具備抵御干旱災害的能力。此外，對于發展水平較低的城鎮，政府可給予政策補貼，以保證抗旱農業資源的需求得到滿足。

(3)加強抗旱玉米品種的培育。“藏糧于技”戰略的提出，對糧食安全生產提供了更加穩定的保障。要想保障河南省玉米生產免受干旱災害的影響，可從源頭上抓起，通過培育耐旱抗旱的玉米品種，可在一定程度上減輕旱災對玉米生產的影響，同時也為保障玉米的質量和產量打下基礎。

(4)科學的種植方式。玉米在不同生育時期對水分的需求不同，玉米一生需水動態基本上遵循“前期少，中期多，后期偏多”的變化規律。玉米苗期抗旱能力較強，同時苗期植株較小，水分消耗較低，對水分的需求較少，僅占一生的8%～19%，適當的干旱有利于產量的增加，在保證出苗的前提的一般不需要澆水；拔節后，玉米植株開始長大，對水分的需求逐漸增多；穗期對水分的需求較多，占一生的37%～38%；到吐絲期，對水分的需求最大，對缺水最敏感；吐絲至籽粒形成期，對缺水的敏感程度僅次于吐絲期，占一生需水的43%～44%；抽雄前10 d至抽雄后20 d是玉米需水臨界期，如果干旱發生時間靠近抽雄期則減產較明顯；抽雄至灌漿期時需水量最大是玉米生長期需水量的高峰，此時缺水將造成大范圍的減產；從乳熟期至成熟，對水分的需求降低，但此時仍然需要大量的水分。缺水可造成穗粒重降低而減產，因此，后期應保持土壤中較高水分含量[27]。依據玉米生長不同時期對水分的需求，合理種植，保證玉米穩產增產。

(5)預警方法的合理運用。在對干旱災害進行預警時，應充分考慮各預警方法的科學性及對所研究數據的適用性，科學合理的選用預警方法，以保證預警結果的準確性，從而更好地指導人們進行科學合理的種植。