甘肃东祁连山草原旱灾预测初探

安海涛，蒲小鹏，曹文侠

（甘肃农业大学 草业学院,甘肃 兰州 730070）

西北大部分地区降水500 mm以下，属干旱半干旱地区，因此对于水生态的研究关系到当地植被的保护和利用，更关系到当地的可持续发展。干旱灾害是世界上危害最为严重的灾害之一，其出现的次数、持续的时间、影响的范围、造成的损失，居各种自然灾害之首。据统计，每年因干旱造成的全球经济损失高达60多亿美元，远远超过了其他气象灾害[1,2]。目前，干旱灾害作为影响水资源安全的主要因素，成为影响世界发展的严重不稳定因素和影响国民经济可持续发展的瓶颈因素。因此干旱灾害已成为全世界各国急需解决和共同关心的主题。草原作为天然生态系统，对维持生态平衡和畜牧业的发展具有重大的作用和价值。随着经济的快速发展，牧民的价值观也在潜移默化的随之发生改变，当物质需求和经济需求高于其他时，迫使牧民不得不加大生产投入，以增加经济收入，从而导致草原生态的退化。日趋恶化的生态环境，又使得草畜矛盾日益突出，制约了畜牧业的发展，使致陷入人、畜、草三者关系的恶性循环，加重草原生态系统的破坏。

在干旱风险分析研究方面，国外起步比国内要早很多，并且作为多种学科交叉的边缘性科学[3]。灰色预测系统的研究对象是工程技术系统、农业系统、经济系统、社会系统等，它的步骤是建立模型，进行预测、决策和控制等。它的任务在于探索新的方法，以便于用来克服概率统计中所要求大量数据的弱点，从混乱的、有限的、离散的数据之中找到规律。根据这些来建立模型，进行分析、预测、决策和规划，而GM（1，1）模型则是使用最为广泛的灰色预测模型[1-5]。本研究利用皇城草原地区2000—2016年降水量数据和GM（1，1）模型分析当地降水量变化模式，希望为当地草原畜牧业管理提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山东侧的金强河谷地区，境内大部分地区属于高寒气候，海拔在2 500～4 500 m，年平均气温1～2℃，无霜期70～120 d，年降水量320～400 mm。气候特点大体是冬春季漫长而寒冷，夏秋季短暂而凉爽。

1.2 数据来源及分析方法

本文所用气象数据来自中国气象科学数据共享服务网中乌鞘岭气象站的观察数据。采用灰色预测模型GM（1，1）预测草原气候干旱。同时，通过走访当地牧民，了解近几年气候变化对当地畜牧业生产的影响，进一步验证预测模型的精度。

采用降水距平百分率（△R%）来判断年干旱状况，当△R%≤-20时（△R%=实测值-同期历史均值），判定当年为干旱年。

2 结果与分析

2.1 生长季降水量、非生长季降水量和年降水量

从图1可知，在2000—2016年间，年降水量在2003年和2012年达到2个峰值，分别是543 mm和592 mm，而降水最少年份是2013年，为302.6 mm，2012年降水量是2013年的1.95倍，说明降水量年际变化幅度较大。

图1 2000—2016年均降水量、生长季降水量和非生长季降水量

从2000—2016年间，生长季（5—9月）降水量的变化趋势与年降水动态趋势基本一致，说明生长季降水是全年降水的主要组成部分，平均在83%以上，而2012年高达92%，非生长季降水量仅占全年降水量的17%。年均降水量与生长季降水量的相关性系数为0.95，而与非生长季降水相关性仅为0.39（见表1）。

表1 生长季降水量、非生长季降水量与年降水量间的相关关系

2.2 利用降水量判定气候干旱

根据文献，大多学者利用年降水量的数据进行了当地旱情分析，齐高先等[6]利用乌鞘岭气象站所测数据（该气象站海拔为3 045 m）研究发现天祝县近60年年均降水量为410.5 mm。因此，本研究以410.5 mm的年均降水量作为参考依据，以《全国气候影响评价》为标准，利用降水距平百分率（△R%）评价降水状况，当△R%≤ -20时为降水偏少阈值，并利用灰色预测法进行当地旱灾预测。如果将年降水量低于328.4 mm定为旱灾的界限(计算步骤为，410.5×（1-20%)=328.4 mm）[7，8]，则2013年属于降水偏少年份（图2，2013年降水量为302.6 mm，）。然而，该研究结果与齐高先的结论“自从90年代后，降水明显持续偏少，春、夏、冬降水均呈减少趋势，秋季降水呈增加趋势”有一定出入，因此，还需进一步分析。

图2 全年降水量的距平百分率动态

由图2可知，2002年和2013年的降水量均出现低谷，降水两个峰值也分别出现在2003年和2012年。自2000年以来，除2013年的年降水量严重减少以外，其余时间段年降水量均高于多年平均降水量，不存在干旱现象。

2.3 通过牧户访问判定

由表2可知，2015—2018年夏季多雨，且降雨多集中在牧草生长季，这对牧草的生长十分有利；秋季依旧多雨，此时降雨致使牧草生长环境温度降低，进而加速了牧草生长季的结束。在2015—2018年4年中，其中3年均出现春季干旱现象，这对家畜影响很大，直接决定了牧草的返青以及家畜后代是否能够成活。

表2 2015—2018年牧民对气候干旱的认知

表3 2015—2018年牧户购买牧草及饲料情况

2015—2018年4年间，单从年降水量来判断，牧民们的畜牧业生产并未（有）受到旱灾的影响，但是从补充饲草的购买量（见表3）却可以看出，牧民们的购买量却呈现出上升的趋势，这也从侧面说明了当地天然草场生产力的下降，也表明了当地草原干旱是一个受多因素干扰的复杂问题[9-10]。

2.4 利用生长季降水量的判定

利用2000—2016年数据中生长季（5—9月）降水量的均值305.6 mm为参考依据，当△R%≤-20时为降水偏少阈值，对以上降水量进行预测分析。其结果如图3所示，仅有2002年生长季距平百分率为-21.5%。这可能是由于△R%≤-20%时范围太大，因此本研究拟采用△R%≤-15%为阈值，进行生长季干旱预测。

图3 生长季降水量的距平百分率动态

从表4可以看出，△R%超过-15%的年份分别是2002、2004、2009、2010和2013年，进行灰色预测步骤如下：

第一，将这些年份对应的序号记入矩阵S（0），则｛S（0）｝=｛3,5,10,11,14｝,进行累加后得到：｛S（1）｝=｛3,8,15,26,40｝

表4 生长季降水量的距平百分数

将不同的时段序号k值代入上式，即可得出一系列生成后的计算值。将实际值和计算值列入表5，并以公式：（实际值-计算值）/实际值来计算误差，则平均误差为16.3%。

表5 实际值与预测值的比较

通过该模型预测的下一次干旱年份时，将k=6代入该模型，所得结果X（1）(6）=67，因为X（1）(6）=40，对应的年份为2013年，而67-40=27，说明2013年后的27年即2040年则可能发生生长季干旱。

3 讨论

本文在对生长季降水量和降水量的相关性分析中采用了自2000年后17年的数据，其中包含两个最高值（543 mm和592 mm），一个最低值302.6 mm，得到了这段时间降水量变化幅度的最大值289.4 mm。利用降水距平百分率来评价时，若将降水低于328.4mm即视为出现旱灾，可以判定2013年是一次程度较大的旱灾，并且与本文中全年降水量的动态分布图也相符合。通过对当地年长的牧民的访问也得知了近几年为应对气候变化所购买的牧草和饲料数量均呈现上升趋势。由此可见，随着社会发展，无论降水量增加还是减少，牧户所需要的牧草及饲料都在增加，主要的原因还是早春干旱，冬季雪多，早春并非生长季，而降水却占全年降水量的27%。然而，由于本研究数据有限，因此气候变化对家畜的影响程度并不明确，还需要通过家畜的成活率以及死亡率等指标进行判断，本研究只是对皇城草原气候干旱进行了初步探索，今后还需要更多学者进行相关研究，数据有限，因此气候变化对家畜的影响程度并不明确，还需要通过家畜的成活率以及死亡率等指标进行判断及相关研究。

干旱主要受降水和温度两方面的影响，对于草地生物而言，温度升高则蒸发量增大，虽然全年降水有所增加，但对草地生物而言生长环境依旧干旱。因此，仅仅分析降水或者温度某一方面的变化均有一定的局限性，还需要进一步综合多项指标深入分析。21世纪作为信息主导的时代，任何学科的发展都离不开信息网络平台的贡献。因此，为了提高预测精度，相关工作人员需要更加完整的基础数据库的支撑，以进行更深一步的研究。如旬降水、旬平均温度、草地类型产量、家畜成活率、家畜生长量等，均能为研究提供更加可靠的数据支撑。

4 结论

本研究利用灰色预测系统分析了2000—2016年间皇城地区大气降水模式。结果表明：以年降水量为依据进行分析时，降水量比多年平均值减少20%的年份只出现在2013年，证明了2013年是一个干旱年；并且建立了以生长季（4—8月）降水量为依据的灰色预测模型，，并预测出2040年可能出现生长季干旱。