高艷平

(運(yùn)城市氣象局，山西運(yùn)城 044000)

在全球氣候變暖的大環(huán)境下，降水作為一種氣候因子對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響非常密切，對(duì)降水變化方面的研究也受到了人們的普遍關(guān)注[1-5]。特別是極端降水，它不但是造成旱澇災(zāi)害最重要的因子[6-8]，同時(shí)往往還會(huì)引發(fā)城市內(nèi)澇、山體滑坡等次生災(zāi)害，所以研究極端降水方面的變化，更好地掌握旱澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，對(duì)于提高風(fēng)險(xiǎn)防控意識(shí)和能力，減輕旱澇災(zāi)害的威脅顯得尤為重要。隨著防災(zāi)減災(zāi)工作的不斷深入發(fā)展，關(guān)于旱澇災(zāi)害及其風(fēng)險(xiǎn)研究、評(píng)估研究也取得了很多進(jìn)展，張亞峰等[9]采用EOF等方法分析了山西省近55年干旱與洪澇的時(shí)空演變特征；李恩莉等[10]指出寶雞夏季澇年和旱年的環(huán)流形勢(shì)差異明顯，當(dāng)100 hPa上南亞高壓較強(qiáng)、500 hPa副熱帶高壓脊線偏南時(shí)，寶雞地區(qū)夏季易發(fā)生洪澇；李芬等[11]分析了山西旱澇與ENSO事件的響應(yīng)關(guān)系，指出EI Nino年，旱年多，EI Nino次年，澇年多。近幾年，也有許多學(xué)者利用各種指數(shù)進(jìn)行判別分析某地或某一區(qū)域的干旱特征[12-15]，這些判別旱澇的依據(jù)不是僅從降水量這單一氣象要素出發(fā)，而且計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜在基層不好應(yīng)用。實(shí)際上，旱澇不僅與降水量的多少與分布有關(guān)，還與地形地貌、土壤情況、水利設(shè)施、農(nóng)作物各類等多種因子有關(guān)。運(yùn)城市位于山西省西南端，瀕臨黃河，內(nèi)有中條山。暖溫帶大陸性的季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，降水集中，受氣候變化影響，運(yùn)城市的氣候也發(fā)生了改變[16]。運(yùn)城市是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大市，大田農(nóng)作物主要有玉米、小麥、大豆等，特色干果作物主要有蘋(píng)果、紅棗、桃、櫻桃等，生長(zhǎng)季為4—10月。本文僅從作物生長(zhǎng)季自然降水趨勢(shì)變化與農(nóng)業(yè)需水滿足程度方面，探討運(yùn)城市1974—2019年旱澇發(fā)生情況及變化趨勢(shì)，以期為地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和旱澇災(zāi)害防御提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

所用資料為運(yùn)城市13個(gè)縣(市)1974—2019年4—10月的逐月降水量和相應(yīng)時(shí)段月平均氣溫。依據(jù)當(dāng)?shù)刈魑锷L(zhǎng)特征，將4—10月劃分為農(nóng)作物生長(zhǎng)季，4—5月為春季、6—8月為夏季、9—10月為秋季。

1.2 分析方法

采用一元線性回歸分析運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季降水量和作物需水量的趨勢(shì)變化，應(yīng)用線性傾向估計(jì)方法[17]，計(jì)算變化傾向趨勢(shì)。采用亓來(lái)福[18]提出的積分濕度指標(biāo)方法對(duì)運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季的旱澇程度進(jìn)行分析。其計(jì)算公式如下：

式中I為年內(nèi)月平均氣溫>0 ℃時(shí)期的積分濕度指標(biāo)，Ti為月平均氣溫，n為月平均氣溫>0 ℃的月數(shù)。K=R/0.16 Σti，為旱澇指數(shù)，是同一時(shí)期的降水量與農(nóng)業(yè)需水量之比[18]，R為作物生長(zhǎng)季內(nèi)月降水量，代表了自然降水的供水量，0.16 Σti代表農(nóng)業(yè)需水量(mm)。農(nóng)作物需水量的計(jì)算有許多方法，有直接和間接計(jì)算方法。本文采用的是直接計(jì)算的積溫法，即以溫度為主的計(jì)算方法，其中0.16是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的參數(shù)值，Σti為大于0 ℃的積溫。K=1.0表示農(nóng)業(yè)水分供需平衡,K<1.0表示干旱，K>1.0表示供大于求；K愈小表示愈干旱，該值由小到大的逐漸變化，說(shuō)明農(nóng)業(yè)用水依次得到滿足，它代表地區(qū)實(shí)際水分供應(yīng)的客觀規(guī)律。

從積分濕度指標(biāo)的定義可以看出，這種分析旱澇程度的方法，不僅考慮了自然降水情況，同時(shí)還考慮了氣溫的影響，考慮從作物在生長(zhǎng)季對(duì)水分的需求，因此，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著一定的現(xiàn)實(shí)意義。

依據(jù)旱澇指數(shù)，將旱澇程度分為7個(gè)等級(jí)[19]，見(jiàn)表1。

表1 旱澇指數(shù)(K)判別旱澇程度的標(biāo)準(zhǔn)

2 作物生長(zhǎng)季降水量的時(shí)空特征

2.1 降水量的時(shí)間分布特征

由圖1可見(jiàn)，1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季降水量年際變化呈現(xiàn)弱減少趨勢(shì)，變化傾向率為-1.55 mm/10 a。年平均降水量為458.8 mm，2003年最多為755.3 mm，1997年最少為202.8 mm，二者相差552.5 mm，最多年是最少年的3.72倍，年際差異較大。

從表2可看出，20世紀(jì)80年代運(yùn)城作物生長(zhǎng)季降水量最多，90年代最少，二者相差54.5 mm。整體呈增加趨勢(shì)，近19年(2001—2019年)比前27年(1974—2000年)平均降水量增加10.7 mm。夏季和秋季均是20世紀(jì)90年代平均降水量最少，春季最少出現(xiàn)在70年代；平均降水量最多春季出現(xiàn)在近9年，夏季則是80年代，秋季是21世紀(jì)前10年。

表2 1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季各季的平均降水量、需水量和K值年代際變化

由圖2可知，近46年來(lái)運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季各月平均降水量分布非常不均。7月平均降水量最多，為103.7 mm，約占作物生長(zhǎng)季降水量的22.7%；4月平均降水量最少，為33.3 mm，占7.2%；降水主要集中在7—9月，占59.8%；4月和10月平均降水量不足作物生長(zhǎng)季總降水量的17.2%。

圖2 1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季降水量月變化

春季(4—5月) 降水量平均為83.1 mm，占整個(gè)生長(zhǎng)季降水量的18.1%；最多為194.2 mm(1998年)，最少為23.6 mm(2001年)；春季降水量呈增加趨勢(shì)，變化傾向率為4.3 mm/10 a。夏季(6—8月)降水量平均為247.6 mm，占比為54.1%；最多為457.1 mm(1982年)，最少為86.6 mm(1997年)；夏季降水量減少較為明顯，變化傾向率為-8.0 mm/10 a。秋季(9—10月)降水量平均為127.0 mm，占比為27.7%；秋季降水量呈弱增加趨勢(shì)，變化傾向率為0.7 mm/10 a；降水量最多為317.3 mm(2011年)，最少的是33.9 mm(1998年)。

2.2 降水量的空間分布特征

從圖3可以看出近46年運(yùn)城市降水分布，作物生長(zhǎng)季降水量在空間上表現(xiàn)為從東南向西北的遞減式分布，沿垣曲、絳縣一帶，作物生長(zhǎng)季降水量多年平均值在500 mm以上，沿聞喜、萬(wàn)榮和臨猗以西地區(qū)作物生長(zhǎng)季降水量多年平均不足450 mm，其它地區(qū)在450～500 mm之間。從各縣降水量的變化趨勢(shì)來(lái)看，降水量在沿垣曲、聞喜、新絳、河津以東地區(qū)為增加，以西及以南地區(qū)表現(xiàn)為一致的減少。

圖3 1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季降水量的空間分布

3 作物生長(zhǎng)季需水量的時(shí)空特征

3.1 需水量的時(shí)間分布特征

近46年來(lái)，運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季需水量從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初呈顯著增加趨勢(shì)(圖4)，P=0.000 005 4<0.005，通過(guò)F檢驗(yàn)，變化傾向率為9.12 mm/10 a。多年平均需水量為709.0 mm，最多年為748.3 mm(2013年)，最少年為661.6 mm(1984年)，二者相差86.7 mm。

對(duì)各月需水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，5—8月需水量均在100 mm以上，10月需水量最少為68.4 mm。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，春、夏、秋三季需水量均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，各季需水量的變化傾向率分別為4.41、2.00、1.74 mm/10 a；春季多年平均需水量為173.2 mm，占作物生長(zhǎng)季總需水量的24%，夏季平均需水量為371.8 mm，占作物生長(zhǎng)季總需水量的52%，秋季多年平均需水量為164.0 mm，占作物生長(zhǎng)季總需水量的23%。

圖4 1974—2019年運(yùn)城市生長(zhǎng)季作物需水量的年際變化

從表2可見(jiàn)，運(yùn)城20世紀(jì)90年代需水量最少，21世紀(jì)00年代以來(lái)最多；整體呈增加趨勢(shì)，近19年(2001—2019年)比前27年(1974—2000年)平均需水量增加17．6 mm。夏季和秋季均是20世紀(jì)80年代平均需水量最少，春季最少出現(xiàn)在70年代；三季平均需水量最多出現(xiàn)在最近19年。

3.2 需水量的空間分布特征

近46年來(lái)，運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季需水量在空間上的分布表現(xiàn)為自西向東遞減(圖5)，這與降水量的空間分布基本相反。沿聞喜、萬(wàn)榮以東地區(qū)和芮城縣作物生長(zhǎng)季多年平均需水量不足700 mm，其他地區(qū)都在700 mm以上，其中鹽湖接近740 mm，為極大值中心。

圖5 1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季需水量的空間分布

4 作物生長(zhǎng)季旱澇分析

4.1 旱澇指數(shù)的時(shí)間變化特征

近46年來(lái)，運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季內(nèi)旱澇指數(shù)(K)平均為0.64，總體屬于中度干旱氣候類型。從圖6可以看出K多年變化不太明顯，說(shuō)明運(yùn)城市近46年來(lái)旱澇變化趨勢(shì)不明顯。K最大值為1.1(在2003年)，最小為0.28(1997年)。按照表1的判別標(biāo)準(zhǔn)，在運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季，干旱發(fā)生頻率極高，達(dá)到95%，其中重旱為12%，中旱61%，輕旱22%。

圖6 1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季旱澇指數(shù)(K)的變化曲線

由表2可知，運(yùn)城春季K多年平均為0.47，屬于重旱，最小為0.14，最大為1.14；K小于0.5的重旱年達(dá)23年。夏季K多年平均為0.68，屬于中旱，最小為0.22，最大為1.28；0.5以上的中到輕度干旱占27年，4年旱澇正常。秋季K多年平均為0.77，為輕旱，最小為0.19，最大為2.03；偏澇年份占了9年。表明在運(yùn)城，干旱主要以春旱為主，澇災(zāi)更易出現(xiàn)在秋季。對(duì)各季的旱澇指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析(圖略)發(fā)現(xiàn)，旱澇指數(shù)夏季有弱增加趨勢(shì)，春季和秋季變化不明顯，這從表2中有較好的反映。

4月和6月K的平均最小為0.45，屬于重旱；其次是5月為0.51，屬于中旱；9月最大為0.89，基本正常。對(duì)各月旱澇指數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，5月和9月旱澇指數(shù)有弱的增加，變化傾向率為0.03/10 a，說(shuō)明5月和9月干旱程度得到緩和；其余月份K值均呈弱的減小趨勢(shì)，說(shuō)明這些月份干旱程度進(jìn)一步加重。

4.2 旱澇指數(shù)的空間變化特征

近46年來(lái)運(yùn)城市旱澇指數(shù)自西向東逐漸變大(圖7)，說(shuō)明運(yùn)城市農(nóng)作物生長(zhǎng)季從西向東干旱程度逐漸減小。旱澇指數(shù)大值中心位于最東邊的垣曲縣，達(dá)到0.8以上；最小中心在西北的稷山、河津和西南的臨猗一帶，不足0.6。

圖7 1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季旱澇指數(shù)(K)的空間變化

5 農(nóng)業(yè)水分平衡分析

5.1 水分平衡的時(shí)間特征

干旱程度的表現(xiàn)不僅與降水量的多少有關(guān)，也與作物需水量有著密切的關(guān)系。只有當(dāng)自然降水量與農(nóng)業(yè)需水量之間達(dá)到平衡時(shí)，才有利于作物的生長(zhǎng)。用兩者之間的差值表示作物生長(zhǎng)季內(nèi)農(nóng)業(yè)水分的平衡，對(duì)46年來(lái)運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季水分平衡特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，多年平均水分虧缺250.1 mm(從實(shí)際農(nóng)業(yè)收成和干旱出現(xiàn)情況來(lái)看，作物生長(zhǎng)季需水量普遍偏高，可能是調(diào)整系數(shù)0.16設(shè)置過(guò)高，但這里不作詳細(xì)討論)，僅2003年水分有盈余；缺水最為嚴(yán)重的是1997年，虧缺532.8 mm。從各季水分平衡情況來(lái)看，夏季水分虧缺最多，平均為119.5 mm，其次是春季虧缺90.7 mm，秋季虧缺最少為36.9 mm。

5.2 水分平衡的空間特征

近46年來(lái)運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季水分虧缺量自西向東逐漸減小(圖8)，虧缺最嚴(yán)重的是西北的河津、稷山一帶，虧缺最少的是東邊的垣曲、絳縣一帶，這與旱澇指數(shù)的分布高度一致。虧缺最多的稷山300.5 mm，虧缺最少的垣曲143.5 mm，前者是后者的2.1倍，說(shuō)明運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季水分分布很不平衡。大部分地區(qū)水分虧缺在200 mm以上。

5.3 農(nóng)業(yè)水分滿足程度

根據(jù)積分濕度指標(biāo)的定義，I值的大小可以反映農(nóng)業(yè)水分的滿足程度。對(duì)運(yùn)城市46年的I值進(jìn)行線性趨勢(shì)分析(圖略)，發(fā)現(xiàn)I值整體呈弱下降趨勢(shì)，變化傾向率為(—1%)/10 a。運(yùn)城市多年平均積分濕度指標(biāo)I值為65%，這與亓來(lái)福[18]統(tǒng)計(jì)的I值基本一致，說(shuō)明運(yùn)城市農(nóng)業(yè)水分供應(yīng)條件整體較好，為可旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，但干旱有增多趨勢(shì)。各年I值差異較大，最大為111%(2003年)，最小為28%(1997年)。從I值的空間分布來(lái)看(圖略)：垣曲和絳縣多年平均I值最大，農(nóng)業(yè)水分滿足程度最高，分別達(dá)79%和78%；河津和臨猗多年平均I值最小，不足60%；其他地區(qū)在60%～70%之間。對(duì)各地I值的年際變化進(jìn)行分析，有8個(gè)縣(市)的最小I值小于30%，5個(gè)縣(市)的最小I值小于40%，特別是萬(wàn)榮，只有19%，其次河津22%，說(shuō)明各地均有不同程度的干旱出現(xiàn)。

圖8 1974—2019年運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季水分虧缺的空間分布

6 結(jié)論與討論

(1)近46年來(lái)，運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季降水量呈弱減少趨勢(shì)，變化傾向率為-1.55 mm/10 a；各月平均降水量分布不均，7月最多，4月最少，7—9月降水量占作物生長(zhǎng)季總降水量的59.8%；農(nóng)作物生長(zhǎng)季各季降水量不同，春季(4—5月)降水量占作物生長(zhǎng)季總降水量的18.1%，呈增加趨勢(shì)，夏季(6—8月)占54.1%，呈減少趨勢(shì)，秋季(9—10月)占27.7%，呈弱增加趨勢(shì)，各季作物生長(zhǎng)季總降水量的趨勢(shì)傾向率分別為4.3、-8.0、0.7 mm/10 a；降水量在空間上表現(xiàn)為從東南向西北的遞減式分布，各縣降水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)各不相同。

(2)運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季農(nóng)業(yè)需水量呈明顯增加趨勢(shì)，變化傾向率為9.12 mm/10 a；春、夏、秋三季需水量呈增加趨勢(shì)，各季變化傾向率分別為4.41、2.00、1.74 mm/10 a；需水量在空間上表現(xiàn)為自西向東遞減。

(3)運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季內(nèi)平均旱澇指數(shù)為0.64，總體屬于中度干旱氣候類型，旱澇指數(shù)整體變化趨勢(shì)不明顯，其中5月和9月有弱增加，其它月份為減??；干旱發(fā)生頻率極高，達(dá)到95%，其中重旱為12%，中旱61%，輕旱22%；旱澇指數(shù)春季多年平均為0.47屬重旱，夏季為0.68屬中旱，秋季為0.77屬輕旱；旱澇指數(shù)在空間上表現(xiàn)為自西向東增大，干旱程度逐漸減小。

(4)近46 年來(lái)，運(yùn)城市生長(zhǎng)季內(nèi)水分平均虧缺250.1 mm，夏季虧缺最多，平均為119.5 mm，秋季虧缺最少，平均為36.9 mm；水分虧缺量自西向東減少，虧缺最多的是河津、稷山，虧缺最少的是垣曲、絳縣，區(qū)域虧缺差異近2.1倍，分布極不平衡。

(5)近46年來(lái)，運(yùn)城市作物生長(zhǎng)季農(nóng)業(yè)水分滿足程度為65%，為可旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，整體為下降趨勢(shì)，變化傾向率為(-1%)/10 a；各縣水分滿足程度不一致，垣曲和絳縣最高，河津和臨猗最差，最大與最小相差60%，局部干旱有增多趨勢(shì)。