贵州兴仁县烟草生长期内旱涝急转特征分析

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(1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州450046；2.贵州省水利科学研究院，贵州贵阳550002)

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出，全球气候变暖已经成为不争的事实[1]。受气候变化影响，极端水文事件出现了旱涝急转这种特殊复杂的水旱灾害现象。旱涝急转是指前期无降水或降水偏少出现旱情的情况下，紧接着在短期内发生高强度降水并形成洪涝灾害的气象水文事件；并在区域形成干旱和洪涝灾害的叠加损失[2]。气候变化导致干旱与暴雨两种极端水文事件交错发生，并在短期内急剧转变形成旱涝急转灾害，造成抢险救灾难度加大，社会经济和人民群众的生产生活损失更严重，对农业生产和粮食安全、水资源安全、生态环境安全等都具有重大和深远的影响[3]。

目前，国外学者主要集中在对极端水文事件的研究，Vogel等[4]研究了圣路易斯异常降水的天气原因；Ting等[5]研究了夏季美国降水变化及其与太平洋海温的关系。国内研究主要集中在旱涝急转的成因[6]、旱涝急转规律分析[7-8]以及旱涝急转对长江流域水稻花生产量影响等方面[9-10]，而对短时间尺度内的旱涝变化，烟草生长期内旱涝急转成灾研究鲜有报道。事实上，兴仁县是全国主要的烟草种植区之一，同时也是全国旱涝灾害的易发地区之一，旱涝灾害主要发生在5—8月，对烟草种植影响较大。

鉴于此，利用1961—2012年来兴仁县气象站点5—8月逐日降水数据，运用降水距平百分率、长周期旱涝急转指数以及短周期旱涝急转指数，从时间尺度上，系统地分析该地区烟草生长期内旱涝急转时间演变特征，以期为该地区烟草种植和防汛抗旱工作等提供参考。

1 研究区概况

兴仁县位于贵州省黔西南州中部，东邻贞丰县，南接安龙县、兴义市，西接普安县，北接晴隆县，东北与关岭隔山江相望(图1)。兴仁县属低纬度高原性中亚热带温和湿润季风气候区，冬无严寒，夏无酷暑，无霜期长，雨热同季，年平均气温15.2℃，年均降雨量1 315.3 mm，10.0℃的年积温为4 588.0℃。优越光、热、水等气候条件，使得该县成为烤烟适宜种植区，然而干旱、冰雹、洪涝等灾害严重影响烤烟产量及品质[11]。

图1 研究区概况

2 资料与方法

2.1 数据来源

旱涝急转事件分析所用数据为国家气象信息中心提供的兴仁县国家基准气象站1961—2012年的逐日降水资料。

2.2 研究方法

2.2.1降水距平百分率(Pa)

降水距平百分率反映某段时间降水与同期平均状态的偏离程度，其计算公式如下[12]。

(1)

本文旱涝等级的划分参照DB52/T 1030—2015《贵州省干旱标准》中的月尺度划分标准，见表1。

表1 降水距平百分率划分旱涝等级 %

2.2.2烟草生长期内长周期旱涝急转指数

以5—8月降水量代表烟草生长期内降水，定义旱涝变化的时间尺度为2个月，即5—6月旱而7—8月涝称为旱转涝，反之称为涝转旱。对于旱涝急转指数，目前还没有标准定义，本文参考吴志伟等[13]对长江流域提出的旱涝急转指数定义，并对权重系数进行调整。

a) 将降水进行标准化处理：

(2)

b) 计算LDFAI：

LDFAI=(R78-R56)×(|R56|+|R78|)×2-|R56+R78|

(3)

式中R78——7—8月标准化降水；R56——5—6月标准化降水；R78-R56——旱涝急转强度；|Rj|+|Ri|——旱涝急转强度项；2-|R56+R78|——权重系数，作用是增加旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件权重。旱涝急转的判定标准为：LDFAI值大于1为旱转涝事件，LDFAI值小于-1为涝转旱事件，LDFAI值在-1～1之间为正常状态，LDFAI值的绝对值反映旱涝急转的强度，绝对值越大，说明旱涝急转事件越严重[14]。

2.2.3烟草生长期内短周期旱涝急转指数

SDFAI计算方法与LDFAI基本一致，计算公式为[1]：

SDFAI=(Rj-Ri)×(|Ri|+|Rj|)×3.2-|Ri+Rj|

(4)

式中Rj——j月标准化降水；Ri——i月标准化降水；Rj-Ri——旱涝急转强度；|Rj|+|Ri|——旱涝急转强度项；3.2-|Ri+Rj|——权重系数；j=i+1(i=5、6、7)。

2.2.4降水分配不均匀性

研究降水分配不均匀性，采用降雨分配不均与系数进行分析，计算公式如下：

(5)

(6)

3 结果与分析

3.1 长周期旱涝急转变化趋势

3.1.1典型年长周期旱涝急转特征

根据兴仁县烟草生长期内降水序列，计算1961—2012年5—6、7—8月的Pa值以及LDFAI值。表2列出了1961—2012年排位前6的最高(低)LDFAI年及其5—6、7—8月的Pa值。

表2 1961—2012年排位前6的最高(低)LDFAI值及其Pa值

可以看出，LDFAI值较高年份，5—6月降水总体偏少35%以上，发生干旱事件，7—8月降水总体偏多15%以上，发生洪涝事件，于是就形成了旱转涝事件。1999年5—6月，降水总体偏少40.84%，属于轻旱事件，而到了7—8月份，降水总体偏多67.40%，发生了中涝灾害，LDFAI值高达9.73，属于典型的旱转涝事件。LDFAI值较低年份，5—6月降水总体偏多15%以上，属于洪涝事件，7—8月份降水总体偏少20%以上，发生干旱事件，于是就形成了涝转旱事件。1978年5—6月份降水总体偏多43.92%，发生轻涝事件，7—8月份降水总体偏少26.46%，发生了干旱事件，LDFAI值为-3.14，属于典型涝转旱事件。由此可见，LDFAI值在一定程度上可以反映旱涝急转现象。

3.1.2长周期旱涝急转年际变化趋势

图2描述了1961—2012年LDFAI值年际变化。由图可知，绝大部分LDFAI值为正值，说明兴仁县烟草生长期内长周期旱涝急转是以旱转涝为主。LDFAI值在1960s末至1970s末浮动次数较多，说明在20世纪60年代末至70年代末发生旱涝急转次数较多，LDFAI值在20世纪80年代初和90年代末出现了2次异常偏大值，主要是发生2次高强度的旱转涝事件。由3 a滑动平均曲线及5 a滑动平均曲线可知，长周期旱涝急转事件发生频率有减少趋势，并且强度有所降低。

图2 兴仁县烟草生长期内长周期旱涝急转变化趋势

3.2 短周期旱涝急转变化趋势

3.2.1典型年短周期旱涝急转特征

根据兴仁县烟草生长期内降水序列，计算1961—2012年烟草生长期内短周期旱涝急转指数。表3—5列出了1961—2012年典型旱涝急转年份的SDFAI值及其Pa值。

表3 兴仁县5—6月SDFAI值及其旱涝特征

表4 兴仁县6—7月SDFAI值及其旱涝特征

通过对比发现，在5—6月份，SDFAI值以正为主，以轻旱、中旱转轻涝为主，仅在2008年出现1次特涝转轻旱事件；在6—7月份，SDFAI值较高，表明在此阶段旱涝急转事件强度较高，并且是旱涝急转事件易发时段；7—8月，SDFAI值整体较低，表明在此阶段旱涝急转事件强度有所降低，并且旱涝急转事件次数呈减少趋势。其中，在1980年5—6月出现了轻涝转轻旱事件，然而在6—7月，又出现了轻旱转轻涝事件，一年之内旱涝事件频发，此时，正值烟草的旺长期[15]，应防范旱涝急转带来的不利影响。

表5 兴仁县7—8月SDFAI值及其旱涝特征

3.2.2短周期旱涝急转年际变化趋势

图3描述了1961—2012年SDFAI年际变化情况。通过分析可以得出烟草生长期内短周期旱涝急转有以下特征。

a) 5—6月

b) 6—7月图3 兴仁县烟草生育期内短周期旱涝急转变化趋势

c) 7—8月续图3 兴仁县烟草生育期内短周期旱涝急转变化趋势

a) 5—6月以旱转涝为主；SDFAI值在21世纪震荡频繁，且较为剧烈；高强度的旱转涝事件主要发生在21世纪，高强度的涝转旱事件主要发生在1980s以前，在1980s以后仅出现过2次高强度涝转旱事件；由3 a滑动平均曲线、5 a滑动平均曲线和SDFAI趋势线可知，旱转涝事件有增加的趋势，且趋势较为明显。

b) 6—7月以涝转旱为主；SDFAI值在1960s初至1980s初震荡频繁；高强度的旱转涝事件主要发生在1990s以后，在1960s仅出现过1次高强度旱转涝事件；由3 a滑动平均曲线、5 a滑动平均曲线和SDFAI趋势线可知，涝转旱事件有轻微增加的趋势。

c) 7—8月以涝转旱为主；SDFAI值在1960s初至1980s初震荡频繁；高强度的旱涝急转事件主要发生在1990s以后，进入21世纪，仅在2002年发生1次高强度旱转涝事件，之后未发生旱涝急转事件；由3 a滑动平均曲线、5 a滑动平均曲线和SDFAI趋势线可知，涝转旱事件有轻微增加的趋势。

3.3 产生旱涝急转的机理

兴仁县属于典型季风气候脆弱区，由于季风变化，造成年内降水分布不均，加上当地为喀斯特地貌，水渗透性强，保水性差，极易产生干旱。另外，青藏高原上的大气环流异常，在高原地区形成冷高压气团，挡住了从印度洋和孟加拉湾过来的暖湿气流，而北方的冷空气不易到达该地，冷暖气流难以交汇形成降水。产生强降水的水汽主要来自南海和印度洋北部的孟加拉湾[16]，进入夏季，西南季风增强，输送的水汽增加，当有冷空气侵入时，冷暖气流交汇，产生较强降水，形成旱涝急转。短期内产生强降水的另一个因素是境内地形起伏较大，地形西高东低；受地形阻挡，白天，山底受太阳辐射少，空气受热不如山顶快,致山顶空气热，飘在上空；山底的空气冷，沉在底下大气比较稳定；晚上，山顶的气温降得比山脚的快，空气变冷后下沉，将山脚的暖湿空气抬升，水汽在随着空气上升的过程中不断冷却，产生强降水，发生旱涝急转。

3.4 烟草生长期内月降水量变化规律

对兴仁县1961—2012年烟草生长期内月降水量的最大值、最小值、平均值及月降水分配不均匀系数等特征量进行分析，计算结果见表6。

由表6可知，兴仁县烟草生长期内降水量总体呈先增后减趋势，其中，最大降水量、最小降水量、月平均降水量的极大值均在6月份，表明6月份降水较易发生洪涝灾害。

表6 兴仁县52 a烟草生长期月降水特征量统计

月降水年极值比也在该月较小，并且CV,月值也较小，表明该月降水波动较小。CV,月值在8月份较大，月降雨年极值比在该月最大，表明在此阶段，降水波动较大，极易发生旱涝急转事件。

4 结语

春烟大田生长期一般在5—8月份，伸根期(30～35 d)、旺长期(30 d)、成熟期(60～65 d)[17]。春烟大田生长期降水量在400～520 mm较为适宜，伸根期月均需水量在100 mm左右较为理想，旺长期月均需水量在200 mm左右较为理想，成熟期月均需水量在100 mm左右较为理想[18]。在5月份，正值烟草伸根期，月均降雨量能满足烟草生长需求，适度缺水能促进根系发育，水分过多会使根系坏死；由于短周期旱转涝事件有增加趋势，应做好烟田灌溉排水工作，保证烟苗成活率。在6月份，正值烟草旺长期，月均降雨量能满足烟草生长需求，降水波动较小，不容易出现旱涝事件，但是高强度的旱涝急转易发生在此阶段，应注意防范。7—8份是烟草成熟期，降水波动较大，并且月均降雨量较多，降雨过多会导致烟叶薄且难调制，烟碱含量低，香气平淡，应结合气象部门预报情况，及时采摘成熟的烟叶，做好烟田排水工作，保证烟叶的质量。

本文利用兴仁县国家基准气象站1951—2012年的逐日降水资料，全面分析了兴仁县烟草生长期内不同时间尺度下的旱涝急转趋势变化特征。主要结论如下。

a) 兴仁县烟草生长期内长周期旱涝急转以旱转涝为主，长周期旱涝急转事件总体发生频率有减少趋势，进入21世纪，涝转旱事件有增多趋势，强度有所降低。

b) 兴仁县烟草生长期内短周期旱转涝事件变化趋势为：增加—减少—减少，并且增加趋势较为明显，这与长周期旱涝急转变化趋势具有同一性；在5—6月，旱转涝事件有增加趋势；在6—7月是旱涝急转易发时段，且强度较高，此时烟草由旺长期向成熟期过度阶段，应防止烟田水分过多或过少造成烟草产量减少和品质下降；在7—8月，涝转旱事件有频率增多，强度增大的趋势，此时正值烟草成熟期，应防范旱涝急转造成烟草品质下降 。

c) 在烟草旺长期，月均降水最多，降水波动最小，极易发生洪涝灾害；在烟草成熟期，月均降水较多，降水波动较大，极易发生旱涝急转，应做好防范。