旺蒼縣農業氣候資源及氣象災害時空特征分析

劉琰琰　李柯薇　王鑫

摘要：基于1981—2018年旺蒼縣及其周邊共計16個站點的氣象觀測資料，利用ArcGIS統計分析旺蒼縣農業氣候資源變化趨勢及空間分布，并對該地區主要氣象災害的年際變化和空間分布進行了探討。結果表明，旺蒼縣穩定通過10℃的持續時間和生長期內積溫、年日照時數總量都呈上升趨勢，具有南多北少的分布特征;降水量有下降趨勢，呈北多南少分布特征。干旱頻次波動較小且具有明顯的空間分布差異，春旱、夏旱頻次都呈西多東少特征，伏旱高發區在旺蒼南部。暴雨頻次隨暴雨等級的升高而逐漸減少，各級暴雨的空間分布均呈北高南低特征。秋綿雨頻次呈下降趨勢，空間分布特征為東少西多。研究結果為提高旺蒼地區農業防災減災能力及優化農業氣候資源利用提供了一定的參考依據。

關鍵詞：農業氣候資源;氣象災害;年際變化;空間分布特征;旺蒼縣

中圖分類號：S162.3文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0170-09

作者簡介：劉琰琰（1982—），女，河南南陽人，博士，副教授，從事農業氣候資源評價、農業氣象防災減災研究。E-mail：liuyy@cuit.edu.cn。

通信作者：王鑫，碩士，高級工程師，從事農業氣象與衛星遙感監測應用研究。E-mail：99500803@qq.com。

聯合國氣候變化政府間專家委員會（IPCC）第5次評估報告[1]指出，在人為因素和自然因素的共同影響下，1880—2012年全球平均溫度已經升高0.85℃，其中人為因素極有可能是全球變暖的主要原因。諸多證據表明，全球變暖已經成為當今世界氣候變化的主要趨勢，在此氣候背景下，伴隨著海平面上升、冰川融化等現象，極端天氣發生頻率也有所增加[2-4]。農業氣候資源是農業自然資源的重要組成部分，是農業生產必不可少的環境條件[5-6]，氣象災害對農業生產影響巨大，隨著極端天氣發生頻次和強度的增大，農業氣象災害已成為影響和制約我國糧食安全及發展的主要因素之一。

四川是典型的氣候脆弱區之一，而旺蒼縣位于四川北緣，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，地勢北高南低、腹部低平，受其所處地理環境影響，易發生氣象災害。農業是旺蒼縣第一產業，農業生產主要受干旱、暴雨洪澇以及秋綿雨等氣象災害的影響，農業氣象災害對當地的經濟和民生造成了極其嚴重的損失，因此分析掌握農業氣候資源的變化趨勢及農業氣象災害發生頻次的時空分布，可以為防災減災和農業發展規劃提供科學指導，有助于降低氣象災害對農業造成的損失。國內研究學者對川滇交界干熱河谷地區、淮河流域南部、魯西南地區、廣東省等地區的農業氣象資源及氣象災害的時空特征進行了分析[7-13]，但對作物生長期內的農業氣候資源分析較少，本研究分析旺蒼地區近37年農業氣候資源時空分布特征，并探究該地區主要農業氣象災害發生特點和規律，以期為旺蒼地區提高農業防災減災能力及優化農業氣候資源利用提供參考依據。

1研究區域概況及數據來源

旺蒼縣（32.23°N、106.28°E）隸屬于四川省廣元市，地勢北高南低、腹部低平，平均海拔為458m，屬于亞熱帶濕潤季風氣候。旺蒼縣四季分明，擁有豐富的水分資源、光熱資源，無霜期較長，全年無霜期平均260d，山地氣候明顯。

本研究使用的氣候數據來自于四川省氣象探測數據中心，主要為1981—2018年旺蒼縣及其周邊共計16個氣象觀測站（廣元、旺蒼、青川、劍閣、蒼溪、南部、營山、蓬安、儀隴、西充、閬中、高坪、巴中、通江、南江、平昌）的地面數據，包括日平均氣溫、日照時數、最高氣溫、最低氣溫、20—20時降水量5項。地形數據采用國家基礎地理信息中心提供的1∶250000的數字高程模型（DEM）數據。

2研究方法

2.1農業氣候資源統計分析方法

主要統計旺蒼縣1981—2018年期間日平均氣溫≥10℃的起始日期、持續時間（d）及作物生長期內的積溫、降水量、日照時數等，分析該地區農業氣候資源的分布及變化特征以及主要自然災害（如干旱、暴雨洪澇及秋綿雨等）發生頻率和空間分布特征。

2.1.1穩定通過界限溫度起止日期的確定

界限溫度是指象征著某些物候現象或者作物生長發育起止、農業活動起止的日平均溫度。春季10℃是喜溫作物開始播種與生長、喜涼作物開始迅速生長的界限溫度，10℃以上的持續時間為喜溫作物的生長期[14]。日平均氣溫穩定通過10℃的時期是越冬作物生長活躍期和喜溫作物生長活動期[15]。本研究旨在分析旺蒼的農業氣候資源，故選用10℃作為評估當地作物生長發育熱量條件的界限溫度，以≥10℃的持續時間（d）作為作物的溫度生長期，春季日平均氣溫≥10℃作物開始生長發育，秋季日平均氣溫<10℃作物生長發育速度減緩，采用5日滑動平均法計算穩定通過界限溫度的起止日期。

2.1.2活動積溫的計算

溫度常常是影響發育的主要因子，積溫更能準確地反映出作物生育期間對溫度的要求[16-18]。大于或等于作物生長下限溫度（如10℃）的日平均溫度稱為活動溫度，再逐日累計加起來叫活動積溫。活動積溫在農業氣候分析、區劃和農業氣象預報方面都有重要影響。活動積溫計算的具體方法如下：

2.2主要氣象災害指標的確定

2.2.1干旱指標的確定

干旱是指某地區長時間少降水或無降水，水量虧缺，不足以滿足人類生存和經濟發展的氣象災害。干旱對作物影響與作物的種類以及干旱發生的時間段息息相關[19-21]。春旱使春播作物缺苗斷壟，越冬作物不能正常生長。7—8月的伏旱會危害玉米、水稻，使其不能正常生長。

旺蒼縣地處亞熱帶濕潤季風氣候區，具有東亞季風氣候區冬干夏雨的基本氣候特點，90%的年份會出現冬干、春旱;夏季，旺蒼縣處于西太平洋副熱帶高壓的西北側，受地形和暖濕氣流影響，易形成降水，但降水相對集中，夏旱易多發、頻發[22]。根據旺蒼地區干旱發生的特點及規律，將其分為春旱、夏旱和伏旱3種。

2.2.1.1春旱對選取的任意站點，計算3月1日至5月5日之間滑動30d降水量，當滑動30d降水量出現≤20mm且在該滑動時段的前3d內無日降水量≥10mm時，該滑動時段的起始日期為春旱的開始時間。當滑動30d降水量從≤20mm上升為>20mm，且其后3d無日降水量≥10mm時，則將滑動30d降水量≤20mm滑動時段的終止時間為該次春旱的結束日期。將確定的開始時間到結束時間視為該站點發生了1次春旱，開始到結束所持續的時間則視為春旱持續時間（d）。

2.2.1.2夏旱對選取的任意站點，計算4月26日至7月5日之間的滑動20d降水量，當滑動20d降水量出現≤30mm且在該滑動時段的前2d內無日降水量≥25mm時，該滑動時段的起始日期設置為夏旱的開始時間。當滑動20d降水量從≤30mm上升為>30mm且其后2d無日降水量≥25mm時，則滑動20d降水量≤30mm滑動時段的終止時間為該次夏旱的結束日期。將確定的開始時間到結束時間視為該站點發生了1次夏旱，開始到結束所持續的時間則視為夏旱持續時間（d）。

2.2.1.3伏旱對選取的任意站點，計算6月26日至9月5日之間滑動20d降水量，當滑動20d降水量出現≤35mm且在該滑動時段的前2d內無日降水量≥25mm時，該滑動時段的起始日期預置為伏旱的開始時間。當滑動20d降水量從≤35mm上升為>35mm且其后2d無日降水量≥25mm時，則滑動20d降水量≤35mm滑動時段的終止時間為該次伏旱的結束日期。將確定的開始時間到結束時間視為該站點發生了1次伏旱，開始到結束所持續的時間則視為伏旱持續時間（d）。

2.2.2暴雨指標的確定

旺蒼縣受所處地理位置影響，夏季多雨且降水集中。暴雨嚴重影響農作物生長發育及其產量，主要體現在暴雨時段光照條件不足、造成農作物機械損傷以及在抽穗開花期影響作物授粉。同時暴雨也會導致低洼地區農田積水，甚至引發洪澇，對當地的經濟發展造成巨大的損失。

暴雨過程降水量是指通過連續降水時間把過程降水量劃分為一個過程，一旦出現降水量為0則視為該過程已經結束，要求在此過程中降水量大于等于50mm的時間至少1d，然后累加整個過程降水量。先統計旺蒼縣及周邊共計16個站點1～10d（包含10d以上）的暴雨過程降水量，將過程降水量作為1個序列，建立10個時間長度不同的降水過程序列;計算各個序列的第60、第80、第90、第95、第98百分位數的降水量，并以此作為劃分暴雨強度的標準將暴雨分為5個等級（表1），最后計算各臺站不同暴雨等級發生頻次。

基于暴雨強度等級越高，所占權重越大的原則，將暴雨強度5級權重取5/15，4級權重取4/15，3級權重取3/15，2級權重取2/15，1級權重取1/15。利用加權綜合評價法，計算暴雨加權頻次來分析暴雨災害產生的危害程度。

2.2.3秋綿雨指標的確定

四川氣候特點之一是秋多綿雨（華西秋雨）。秋綿雨帶來的低溫陰雨寡照天氣，輕則延長玉米和水稻的成熟期，重則使谷粒發芽、作物倒伏等。秋綿雨的統計方法為：對選取的任意站點，每年9—11月當日降水量≥0.1mm且降水時間持續7d及其以上則計為1次秋綿雨。

2.3數據處理方法

2.3.1氣候傾向率

利用氣候傾向率法來表征某一農業氣候因子隨時間的變化趨勢，即把統計出的氣象變量和其對應的時間進行線性擬合，建立一元線性擬合方程。并利用最小二乘法對回歸系數和回歸常數進行分析估計，得到氣候傾向率。當氣候傾向率大于0時，說明該氣象因子隨時間變化呈上升趨勢;反之，當氣候傾向率小于0時，該氣象因子隨時間變化呈下降趨勢[23]。

氣象變量和時間序列相擬合后得到一元線性回歸方程

2.3.2空間分布分析

運用同一方法對16個站點資料逐一處理并求出每個站點每個氣象要素的平均值，利用ArcGIS10.4的反距離權重法進行插值，并疊加國家基礎地理信息中心提供的1∶250000的DEM數據，得到各氣象要素的空間分布圖。氣象災害統計則是通過對各個站點的氣象災害頻次進行統計，運用ArcGIS10.4的反距離插值及模糊疊加作出旺蒼縣氣象災害的空間分布圖。其中暴雨是通過劃分不同等級（劃分為5個等級）頻次進行統計分析，得出空間分布，并在此基礎上根據每一級暴雨的權重劃分出相應的危險性區域。

3結果與分析

3.1農業氣候資源時空分布特征

3.1.1喜溫作物穩定通過10℃持續時間及起止日期的變化特征

旺蒼縣1981—2018年作物穩定通過10℃持續時間變化見圖1，近37年旺蒼縣穩定通過10℃的持續時間呈上升趨勢，年平均穩定通過10℃日數為253d。作物穩定通過10℃持續時間逐漸增加意味著作物生長期的延長，有利于作物的有機物積累，提高農作物的質量與產量。由圖2可知，旺蒼縣大部分地區的年平均穩定通過10℃持續時間都在250d以上，只有東部小部分區域生長期持續時間小于250d。

旺蒼縣1981—2018年穩定通過10℃的初終日期（用日序表示）變化見圖3，用1～365d（閏年為1～366d）來表示1年中的日期。穩定通過10℃的開始日期隨時間呈下降趨勢，穩定通過10℃的結束日期隨時間呈上升趨勢。開始日期的提前和結束日期的滯后表明了作物穩定通過10℃日數隨時間呈上升趨勢。開始日期對應的日序平均值為70.9d，結束日期對應日序平均值為324.5d，表明旺蒼縣穩定通過10℃開始日期在3月11日左右，而結束日期在11月20日左右。

3.1.2喜溫作物生長期熱量資源的變化特征

由圖4可知，旺蒼縣的生長期內積溫有較為明顯的年際變化和年代變化特征。生長期內積溫最大值出現2015年，為5705.44℃·d，最小值出現在1992年，為4802.52℃·d。作物生長期內的積溫變化隨時間呈上升趨勢，表明從20世紀80年代至今，旺蒼縣的熱量資源條件越來越適宜當地作物的生長發育。

由圖5可知，旺蒼縣積溫主要呈南高北低的分布特征，積溫范圍集中在4254.5～5617.7℃·d之間，低熱量區較少，主要是集中在中部和北部的鼓城鄉、檬子鄉、鹽河鄉、英萃鎮、水磨鄉和大河鄉，這些地區可能對旺蒼縣作物生長和產量有一定影響。高熱量區主要集中在旺蒼縣南部的低海拔地區，熱量條件充足，有利于植物生長發育。

3.1.3喜溫作物生長期水分資源的變化特征

降水是影響農業的主要因素之一，其中降水對于當地農作物的種類以及農業生產的類型起著決定性作用。對水資源要求較高的作物需要種植在降水豐富的地區，如水稻等，耐旱作物可以種植在降水較少的地區。

由圖6、圖7可知，近37年旺蒼縣在農作物生長期內的降水量整體呈下降趨勢，1990—2010年降水量相比其他年份較少，且變化幅度不大。1981年生長期內降水量為2035.5mm，為37年來最大值，最小值出現在1997年，為676.9mm。空間分布主要呈北多南少特征，生育期內降水量最大值主要分布在旺蒼縣中部和北部區域，最小值主要集中在南部低海拔地區，橫跨白水鎮、尚武鎮、嘉川鎮、東河鎮等，東西方向上呈帶狀分布。

3.1.4農作物生長期日照資源的變化特征

圖8至圖9為旺蒼縣1981—2018年生長期年日照時數和變化和空間分布情況。近37年旺蒼縣的生長期內年日照時數總量整體較平穩，起伏較小，且呈上升趨勢。年日照時數總量最大值為1248.4h，出現在1990年，最小值出現在2003年，為719.2h。空間分布表現為南多北少的特征，年日照時數總量小于600h的區域主要分布在旺蒼縣的中部以及北部大范圍地區，光照少的地區不利于農作物生長發育。大于1000h的區域主要集中在旺蒼縣南部的低海拔地區，這些區域日照充足，有利于農作物光合作用和有機物的積累。

3.2主要氣象災害時空分布特征

3.2.1干旱

由圖10至圖12可知，近37年旺蒼縣各類干旱發生頻次均呈下降趨勢，除個別2～3年出現[KG*5]3[KG*5]次旱情外，其他大部分年份只出現1次或沒有旱情發生。從空間分布（圖13至圖15）來看，春旱頻次和夏旱頻次均表現為由西至東逐漸減小的趨勢，春旱和夏旱頻發區主要集中在旺蒼西部地區，其中尤以白水鎮和燕子鄉春旱頻次最高，東部地區春旱發生頻次最少。伏旱頻次分布與春旱、夏旱有所不同，伏旱高發區主要集中在旺蒼東南部的九龍鄉和木門鎮，此外化龍鄉、三江鎮和農建鄉也是伏旱發生頻次較高區，旺蒼其他地區基本屬于伏旱發生頻次較低區。

3.2.2暴雨

根據持續降水過程的時間不同，建立不同時間長度的降水過程序列，再通過計算各個時間序列的不同百分位數將降水過程劃分為5個等級。基于暴雨強度等級越高，所占權重越大的原則，利用加權綜合評價法，計算暴雨加權頻次，以分析暴雨災害產生的危害程度。暴雨頻次隨暴雨等級的升高而逐漸減少，各級暴雨的空間分布均呈北高南低的特征（圖略）。

由圖16可知，旺蒼暴雨發生頻次基本呈東西向分布，高頻次和次高頻次區主要集中在旺蒼西部的燕子鄉、白水鎮、福慶鄉、天星鄉和萬家鄉，旺蒼中部和東部大部地區暴雨頻次較低。

3.2.3秋綿雨

由圖17可知，近37年旺蒼縣發生秋綿雨的頻次呈下降趨勢。只有1981、1984、1985、1999、2000年這5個年份發生了2次秋綿雨，其他年份都只發生了1次或者沒有出現過秋綿雨，21世紀以來出現秋綿雨的頻次變化較平穩，沒有出現1年多發的情況。從空間分布（圖18）來看，秋綿雨發生次數較多的地區主要集中在旺蒼西部各鄉鎮，如白水鎮、燕子鄉和麻英鄉等，發生次數較少的區域主要集中在旺蒼中南部地區，如九龍鄉、化龍鄉、柳溪鄉、東河鎮等。整體來看，秋綿雨的發生頻次呈東少西多特征，對光照和水分條件要求較高的農作物適宜種植在旺蒼縣西部。

4結論與討論

本研究基于1981—2018年旺蒼縣及周邊共計16個站點的觀測資料，利用ArcGIS技術，分析了旺蒼縣農業氣候資源以及主要氣象災害的時空分布特征，得出結論如下：穩定通過10℃的持續時間呈上升趨勢，年平均穩定通過10℃的持續時間為253d，一般是3月11日至11月20日;生長期內積溫氣候傾向率在本研究測定的氣象指標中最大，呈上升趨勢;生長期內降水量呈下降趨勢，年均1137mm;生長期內年日照時數總量呈微弱上升趨勢，年均1018h。從空間分布來看，穩定通過10℃的持續時間以及生長期內的積溫、年日照時數總量分布都呈南多北少特征，而降水量則呈北多南少特征。

干旱頻次呈下降趨勢，春旱、夏旱頻次都有明顯的東西差異，伏旱主要是在旺蒼南部頻發，夏旱的發生頻次最高，平均為11次/10年，伏旱發生頻次最低，平均為8次/10年。

旺蒼縣的暴雨頻次隨暴雨等級的升高而逐漸減少，1級暴雨發生頻次最多，為6次/10年，5級暴雨發生頻次最少，為[KG*5]0.6次/10年。各級暴雨的空間分布均呈北高南低特征，暴雨發生頻次的高值區主要集中在旺蒼西部的白水鎮和燕子鄉等地。

秋綿雨發生頻次呈下降趨勢，平均為8次/10年，21世紀以來出現秋綿雨的頻次變化較平穩，未出現1年多發的情況。空間分布特征為東少西多，秋綿雨發生頻次的高值區主要分布在白水鎮和燕子鄉。

本研究對于旺蒼縣農業氣候資源分析采用是農作物生長期內的氣象觀測數據，對災害的分析也通過分類、分級進行討論，相較于以往的研究，所得結果更為直觀，與農作物實際生長過程也更加貼合，可為旺蒼地區提高農業防災減災能力及優化農業氣候資源利用提供參考依據。

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