基于SPI的1960—2014鄭州地區(qū)玉米生育期的旱情變化

李寶五

摘要：鄭州地區(qū)有一半的耕地無灌溉條件，同時土質多為砂壤土，蓄水保墑能力特別差。雖然年均降雨600 mm左右，但季節(jié)分布很不均勻同時降雨量呈逐年減少的趨勢。該文以鄭州地區(qū)1960到2014年逐月降雨量數(shù)據(jù)為基礎計算標準化降雨指標，分析了不同時間尺度的spi值的特征。發(fā)現(xiàn)55年中鄭州地區(qū)發(fā)生嚴重干旱6次，中旱5次，輕度干旱2次。在55年中，鄭州地區(qū)有13年處于干旱的狀況，發(fā)生干旱頻率為，這表明鄭州地區(qū)干旱頻發(fā)。對鄭州地區(qū)玉米的全生育期進行了調查。以一個月為尺度的spi值計算55年里玉米不同生育時期旱情發(fā)生的頻率。發(fā)現(xiàn)在對產量有關鍵影響的7月份發(fā)生干旱的頻率為31.5%，其中發(fā)生特旱和重旱頻率為7.6%。重旱和特旱會造成玉米嚴重減產。

關鍵詞：干旱；玉米；生育期；標準化降雨指標

在2007的IPCC上，指出從1900年到現(xiàn)在全球平均氣溫升高了0.74℃[1]。隨著日益顯著的全球變暖，全球性氣候變暖這個環(huán)境問題也受到更多方面的關注[2]。由于全球溫度的普遍升高，降水量的區(qū)域差異更加明顯。近五十年來，根據(jù)資料中國總的年降水量呈減少趨勢[3]；在北方各個流域中以黃河流域的年降水量減少17%的最為明顯。進入新世紀以來，全國每年因災導致的經濟損失超過2000億元，這其中干旱是自然災害中，影響范圍、波及人口、破壞能力最大的[4]。跟其他自然災害比起來，干旱的特點是：出現(xiàn)次數(shù)多、時間持續(xù)長、造成破壞大，尤其會對農業(yè)生產造成不可挽回的損失[5]。1949年以后，全國修建了大量的農田水利工程，促進了農業(yè)科技的飛躍。前所未有的改善了全國的農業(yè)生產，對干旱有了一定的防御能力，保持了糧食產量的持續(xù)增長。雖然農業(yè)生產條件得到了很大的改善，但是由于底子太薄，據(jù)統(tǒng)計截至2009年全國有超過50%的農田缺少灌溉設施，生產力水平低下[6]。因此分析近幾十年來干旱發(fā)生的頻率、強度以及范圍有很強的實際意義。

國內外很多學者對干旱指標做了大量的研究來分析干旱發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律[7]。對于干旱來說，目前沒有大家普遍接受的定義。一般來說大家將干旱分為四類氣象干旱、農業(yè)干旱、水文干旱和社會經濟干旱[8]。在這四種干旱中，造成其他三種干旱的基本原因是氣象干旱。一般，氣象干旱就能代表其他三種干旱[9]。研究氣象干旱的指標有很多，其中比較有代表性的是：相對濕潤指數(shù)、標準化降水指數(shù)（SPI）、Z指數(shù)[10]、帕默爾干旱指數(shù)[11]、綜合氣象干旱指數(shù)等。通常都利用以上指標來研究區(qū)域干旱的發(fā)生與發(fā)展規(guī)律。通過對不同干旱指標監(jiān)測區(qū)域干旱的效果來講，基于降水數(shù)據(jù)的標準化降雨指數(shù)SPI具有：計算簡單、穩(wěn)定性高、具有多時間尺度和時空可比性等優(yōu)勢，已經廣泛應用于國內外的干旱監(jiān)測中。

1 研究區(qū)

鄭州地處河南省中部偏北，西南面地勢山區(qū)、丘陵居多。同時降雨季節(jié)分布不均導致常有干旱發(fā)生，西部黃土崗地和低山丘陵的耕地無任何灌水條件，農業(yè)生產全靠天然降水[12]。這樣無灌溉條件的雨養(yǎng)田占總灌溉面積的將近一半，同時鄭州地區(qū)耕地的土質多為砂壤土蓄水保水能力差。綜上所述，鄭州地區(qū)農業(yè)比較容易受干旱災害的影響。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以來自于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)和河南省氣象局提供的鄭州市3個氣象站以的逐月降水資料（mm）作為計算SPI指數(shù)的基礎資料。該資料的時序為1960年到2014年55年的逐月降雨量。

2.2 研究方法

2.2.1 SPI（標準化降雨指標）的原理。SPI指標首先將降雨量進行正態(tài)化標準處理，把降雨量的變化用Γ函數(shù)來表達，將降雨累計頻率標準化來計算出spi值，最終用spi值來劃分干旱等級SPI。

根據(jù)計算原理，利用matlab程序編寫公式，就可以計算出基于1、3、6、12不用時間尺度的SPI 標準值。根據(jù)GB/T20481-2006對SPI的干旱等級界定標準如下表1。

2.2.2 結果與分析。選擇鄭州57083基準站為代表站，選取1960-2014中55年的降水量為基本資料。計算發(fā)現(xiàn)1960年到2014年這55年間平均降水量為631.6 mm。通過降水量變化曲線進行初步分析，在1986-1997年12年間只有3年的降水量在平均值以上，其它9年都低于平均值。同時鄭州地區(qū)年降水量逐年減少、干旱表現(xiàn)出逐年加重趨勢。

本章首先以1年為時間尺度計算SPI指標，然后進行干旱等級劃分，分析地區(qū)的旱情演變規(guī)律。根據(jù)SPI指標的計算方法，得出1960-2014年55年間SPI值化如圖2所示，根據(jù)表1《氣象干旱等級標準》表，得到這55年干旱等級如圖3所示。

在1960-2014年的55年中，鄭州地區(qū)發(fā)生嚴重干旱6次，中旱5次，輕度干旱2次。實際上，鄭州地區(qū)每年四季各季都會發(fā)生不同干早現(xiàn)象，尤其是。為了更好地服務于農業(yè)，下面我們以一個月為尺度，研究鄭州玉米生育期內5月份到9月份的旱情發(fā)生規(guī)律，對旱情演進狀況進行分析。

3 鄭州地區(qū)夏玉米生育期內干旱分析

下面以1個月為尺度，根據(jù)標準化降水指標SPI，分析統(tǒng)計鄭州夏玉米生育期內不同干旱持續(xù)期的周期，干旱持續(xù)期的次數(shù)、干旱強度、干旱發(fā)生頻率和發(fā)生周期。

3.1 旱情發(fā)生頻率

在1960年到2014年55年間只有72年10月份到73年10鄭州地區(qū)沒有發(fā)生任何等級的干旱，其他的年份或多或少都有不同等級的干旱發(fā)生。

接下來對鄭州夏玉米生育期4-9月份的旱情進行統(tǒng)計，各月份發(fā)生旱情頻率如下表2。

3.2 玉米不同生產時期耗水調查

以玉米各個生產時期為基準觀測玉米的全生育期，實際觀測玉米各個生育期如表3所示。

對于鄭州地區(qū)夏玉米來說，玉米不同生育期的耗水變化，主要受氣候因素的影響。出苗期時由于植株小對耕地的覆蓋少，這個時期耗水主要是土壤蒸發(fā)，受天氣影響比較大，這個階段的耗水量最小。進入拔節(jié)期與抽穗期以后，氣溫也逐漸上升。這個階段是耗水量最大的階段。拔節(jié)期以后每日耗水量開始慢慢減少。因此拔節(jié)與抽穗期是玉米整個生育期內最耗水的時期也是影響玉米產量的關鍵時期。通過表2、表3我們可以知道玉米不同生育期發(fā)生干旱的頻率。

4 結論

分析表明，鄭州地區(qū)年降水量逐年減少、干旱表現(xiàn)出逐年加重的趨勢。在1960-2014年的55年中，鄭州地區(qū)發(fā)生嚴重干旱6次，中旱5次，輕度干旱2次。在55年中，鄭州地區(qū)有13年處于干旱的狀況，在SPI值以1一年為尺度的干旱頻率為，這表明鄭州地區(qū)干旱頻發(fā)。實際上，鄭州地區(qū)每年四季各季都會發(fā)生不同干早現(xiàn)象。

對于無灌溉條件地區(qū)來說，夏玉米的產量跟拔節(jié)和抽穗期的降雨量相關性最大，這段時期如果沒有降雨造成土壤墑情不足，會造成嚴重減產。在鄭州地區(qū)根據(jù)我們對玉米全生育期的調查，對玉米產量起關鍵作用的月份是7月份。然而7月份發(fā)生輕旱的頻率為11.1%，中旱的頻率為13%，重旱和特旱的頻率分別為5.6%和1.8%。總的來說干旱發(fā)生的頻率為31.5%。一旦發(fā)生重旱和特旱將會造成玉米的嚴重減產。

參考文獻

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