陇东黄土高原气象干旱特征分析及其对农业的影响

赵玉娟，张谋草，张洪芬，韩 晶，路亚奇

（庆阳市气象局，甘肃 庆阳745000）

党的十七大报告提出“建设生态文明”并作出具体部署，十八大报告指出“建设生态文明是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计”。然而生态系统退化严峻，极端气候事件频发，如高温、暴雨洪涝、冰冻雨雪灾害、干旱灾害等，其中干旱灾害是最严重的气象灾害，也是主要的自然灾害之一[1]。它是最复杂而且又被人们了解最少的自然灾害，对人类所造成的影响远远超过其它自然灾害[2]。近年来随着气候变暖，干旱灾害对农业生产、社会经济、生态环境等造成的影响越来越严重[3-4]。因此关于干旱事件的监测、评估以及预测研究受到众多学者的关注[5-7]。目前，大量研究集中在干旱指标的对比分析方面[8-10]，也有学者从时间和空间方面研究干旱事件，如王春林等[11-13]对华南、华东、西北等地干旱灾害的时空特征进行了分析研究，乔丽等[14-20]学者对陕西、贵州、粤西、乌鲁木齐、沧州、华北、河北等地干旱分布特征进行了探讨，通过研究得到了很多有用的结论，但是从月、季、年不同时间尺度对气象干旱时空特征的研究并没有涉及，本文着重从不同时间尺度对陇东黄土高原气象干旱的特征进行详细分析。

陇东黄土高原属典型雨养农业区，且地处我国生态环境脆弱带，降水量时空分布不均，年际差异大，年内分布不平衡[21]。近年来受全球气候变暖影响以及水文、降水、气象条件的制约，陇东黄土高原气候向暖干转型[22]，干旱灾害十分严重，这就要加强对气象干旱灾害的诊断分析，提高干旱灾害的防治能力。已有一些学者对陇东黄土高原干旱灾害进行了研究，如张红妮等[23]研究了庆阳市干旱风险的变化特征及区划，郭江勇[24]对该地区春旱进行了详细的分析，王位泰[25]对该地区春末夏初旱的气候特征及预测模型进行了研究。但是，对于气象干旱时空分布特征及其对农作物生产影响方面的研究较少。本文主要从时空分布方面对陇东黄土高原气象干旱特征进行研究，并探讨其对农作物生产的影响，为干旱灾害预报、预警及防治提供科学依据，以达到减少经济损失的目的。

1 资料来源和研究方法

1.1 资料来源

采用庆阳市8个县（区）气象观测站1989—2018年降水资料，并收集8个县（区）30 a农作物干旱灾情资料，资料来源于庆阳市气象局灾情资料库及气象灾害管理系统。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱分级标准

气象干旱是指持续的不正常的干燥天气导致缺水，而引起的严重水文不平衡，其最明显的特征是降雨量持续低于某一正常值。气象干旱是由多方面综合因素造成的结果，从不同的层面考虑有不同的监测方法和指标，评价气象干旱的指标同样也是多样的，但降水量对干旱的影响最为直接，能够直观地表现出干旱发生的强度，且计算方法简单，因此文中采用《气象干旱等级国家标准》（GB/T20481-2006）中降水距平百分率干旱指标（表1），选取月、季、年不同时间尺度干旱事件，分析陇东黄土高原近30 a气象干旱时空特征。

表1 单站降水量距平百分率划分的干旱等级

降水距平百分率（P0）是指某段时间的降水量与常年同期降水量相比的百分率。

式中：Pi为时段i的降水量；n为样本数，n=30。

1.2.2 等级划分

气象干旱轻重程度一般分为5个等级：无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱。具体划分标准如表1所示。

1.2.3 气象干旱事件的选取

选取庆阳市8个县（区）气象观测站30 a（1989—2018年）降水资料，采用Excel软件进行统计，并用降水距平百分率法计算出各县（区）月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指标选取庆阳市30 a逐月、逐季、逐年出现轻旱、中旱、重旱、特旱的事件，出现一次气象干旱事件（轻旱、中旱、重旱、特旱）计1个频次，对所出现的月、季、年气象干旱事件的频次进行累加，计算出各县（区）不同时间尺度气象干旱事件总频次在总时间段中所占频率，用Excel和ArcGIS软件绘图分析。

2 气象干旱特征

2.1 气象干旱总体分布特征

分析陇东黄土高原气象干旱分布情况（图1），陇东黄土高原气象干旱事件存在自西北向东南逐渐减少的特点，多发区集中在西北部的镇原县和环县，而东南部正宁县发生的气象干旱事件相对较少。其中镇原县、环县出现气象干旱的频次最多，360个月中分别有118、110次，频率分别为32.7%、30.5%；庆城、华池次之，分别为99、96次，频率分别为27.6%、26.7%；西峰、宁县较少，分别为94、93次，频率分别为26.1%、25.8%；合水、正宁最少，分别为83、76次，频率分别为23.1%、21.1%。

图1 陇东黄土高原气象干旱分布

2.2 气象干旱月分布特征

分析不同月份陇东黄土高原气象干旱事件发生的频次（表2）可知，30 a来各县（区）气象干旱发生的月频次呈波动状，环县、镇原县1—5月较多，6月开始减少，8月最少，11月逐渐增加，12月达最多。华池、庆城1—4月较多，5月开始减少，7月最少，11月逐渐增加，12月达最多。西峰、合水4、11、12月较多，6、7月较少，其余月份较平稳。宁县1、4月、11—12月较多，其余月份较平稳。正宁11—12月较多，7—9月较少，其余月份较平稳。通过以上分析得出，气象干旱主要发生在10月到次年5月，其中12月最多，发生的频次为121次，7月最少，发生的频次为32次，这与当地降水量的时间分布特征基本一致。

表2 陇东黄土高原气象干旱月频次/次

2.3 气象干旱季分布特征

分析不同季节陇东黄土高原气象干旱事件发生的频次（表3）可知，近30 a各季发生的气象干旱事件频次分别是：春季77次、夏季53次、秋季54次、冬季61次。陇东黄土高原气象干旱主要是春旱，冬旱次之，夏、秋旱较少，这与该区域降水量的季节分布特征基本吻合。从县（区）的角度看，各县（区）发生的气象干旱频次分别为：西峰27次、环县38次、华池36次、庆城27次、镇原37次、合水31次、宁县26次、正宁23次，频率依次为：22.5%、31.7%、30%、22.5%、30.8%、25.8%、21.7%、19.2%，可以看出：环县、华池、镇原的气象干旱发生频次较多，正宁较少，其余县（区）相差不大。

图2是季尺度气象干旱等级分布情况。近30 a气象干旱主要以轻旱为主、中旱次之、重旱及特旱发生概率较小，其中环县、华池、镇原、合水发生轻旱频次较多，为24~27次，其余县（区）相对较少，为16~19次。镇原、庆城、环县发生中旱频次较多，为7~9次，其余县（区）发生中旱频次均较少。环县发生特旱频次最多，这是由于环县的气候特征、地形以及降水量等因素所导致。

表3 陇东黄土高原气象干旱季频次/次

图2 陇东黄土高原季尺度气象干旱等级分布

2.4 气象干旱年分布特征

用年尺度计算，选取30 a气象干旱事件进行分析，若1 a内3个县（区）同时发生气象干旱事件，则认为是1次区域性气象干旱事件。分析发现，30 a来有8 a发生了区域性气象干旱，分别是：1991、1995、1997、2000、2004、2006、2008、2017年。从20世纪90年代至今气象干旱事件（年尺度）发生的频次逐渐减少。这与气候变化、降水量的逐年变化密切相关，更重要的是近年来人们保护环境的意识增强，对干旱的监测、预报更加重视，干旱状况的评估更加及时，适时开展人工增雨作业，合理调整产业结构，种植防旱植被，加强水利工程建设，充分利用空间水资源，从而降低了气象干旱发生的频次。

图3是年尺度气象干旱等级分布情况。30 a来陇东黄土高原气象干旱以轻旱为主，中旱次之，无重旱出现，特旱仅在合水（1995年）出现过一次。其中镇原发生轻旱的频次最多，出现过7次，环县、庆城次之，分别为5次、6次，宁县最少，仅发生过1次轻旱；环县发生中旱的频次最多，出现过3次，合水没有发生过中旱。

图3 陇东黄土高原年尺度气象干旱等级分布

3 气象干旱对农业的影响

3.1 气象干旱造成的农作物成灾面积整体分布特征

统计1989—2018年庆阳市8个县（区）的干旱灾情，对各县（区）30 a气象干旱造成的农作物成灾面积进行累加，详细分析其对农作物生产的影响（图4）。结果表明，近30 a受气象干旱影响，环县、镇原农作物成灾面积较大，受灾程度严重，庆城、华池、合水、宁县次之，西峰、正宁较小，受灾程度轻。这与该地区南北气候特征差异、地形地貌不同、植被类型各异，种植结构多样等有一定的关系。

图4 陇东黄土高原气象干旱造成的农作物成灾面积所占比率

3.2 气象干旱造成的农作物成灾面积年际变化特征

图5为庆阳市1989—2018年气象干旱造成的农作物成灾面积年际变化。由气象干旱灾害造成的农作物成灾面积呈波动状增加趋势，这与气候变暖有关。其中1995、2011年成灾面积较大，1990、1993、2001、2002、2016年和2018年无干旱灾情。不同气象干旱年造成农作物受灾面积的不同与气象干旱灾害的严重程度及干旱发生时农作物生长发育时期的不同有一定关系。

图5 陇东黄土高原气象干旱造成的农作物成灾面积年际变化趋势

3.3 年气象干旱日数与气象干旱造成的农作物成灾面积相关性分析

利用线性模拟方法，计算各县（区）气象干旱日数及受气象干旱影响农作物成灾面积逐年变化趋势，得到其一次项系数即倾向率（表4）。近30 a镇原、合水、正宁气象干旱日数与气象干旱造成的农作物成灾面积的年变化倾向率呈正相关关系，其余县（区）呈负相关关系。其中西峰、庆城、宁县气象干旱日数年变化倾向率为正，说明其气象干旱出现日数呈逐年增加趋势，而气象干旱造成的农作物成灾面积年变化倾向率为负，表明其呈逐年减少趋势。其主要原因是，该区域气象干旱主要以轻旱及中旱为主，轻旱和中旱在农作物生长发育期对其造成的灾害相对较轻，且近年来在植被类型和种植结构上进行了很大的调整，提高了抗旱能力。环县、华池气象干旱出现日数呈逐年减少的趋势，而气象干旱造成的农作物成灾面积表现为逐年增加趋势，按季尺度划分，环县、华池出现特旱的频次比其它县（区）多，特旱在农作物生长发育及成熟期造成的灾害十分严重。镇原、合水、正宁气象干旱出现日数及气象干旱造成的农作物成灾面积均表现为逐年减少的趋势，与近年来干旱监测、预报预警能力的提高，干旱状况评估的及时开展、人工增雨作业的适时进行以及合理开发利用空中水资源等密不可分。为适应干旱气候变化，需要进行一系列种植模式的调整，如西北部地区从以粮为主的种植模式调整为牧草养畜、特色经济作物（小杂粮和白瓜子等）及中药材等耐旱作物为主的种植模式，中部从以粮为主的种植模式调整为粮、果及设施农业为主多元化的种植模式，东南部从以粮为主的种植模式调整为以果树等经济作物为主的种植模式。

表4 陇东黄土高原气象干旱日数及气象干旱造成的农作物成灾面积年变化倾向率

4 结论与讨论

利用庆阳市8个县（区）30 a（1989—2018年）降水及干旱灾情资料，计算各县（区）月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指标选取干旱事件，详细分析不同时间尺度气象干旱的时空特征，并计算气象干旱日数及农作物成灾面积的逐年变化趋势，研究气象干旱对农业生产的影响，得到如下结论：

（1）以降水距平百分率标准为基础，从月、季、年不同时间尺度对陇东黄土高原气象干旱时空分布特征进行了详细分析，并研究气象干旱对该地区农业生产的影响，突破了传统的从某一种时间尺度对气象干旱进行研究的思维，这对气象干旱的监测、预报、预警有了新的指导意义。

（2）陇东黄土高原气象干旱事件频次自西北向东南逐渐减少，多发区集中在西北部的镇原县和环县，而东南部的正宁县发生的频次相对较少。气象干旱发生的月频次呈波动状主要发生在10月到次年5月，其中12月最多，7月最少。气象干旱主要发生在春季，冬季次之，夏、秋季较少，主要以轻旱为主，中旱次之，重旱及特旱发生概率较小。30 a中8 a发生了气象干旱事件，均以轻旱为主，且从20世纪90年代至今气象干旱事件发生的年频次逐渐减少，这与该地区降水量的时空分布特征基本一致。

（3）近30 a受气象干旱影响，环县、镇原农作物成灾面积较大，受灾程度严重。气象干旱灾害造成的农作物成灾面积年际变化呈波动状增加趋势。镇原、合水、正宁气象干旱日数与受气象干旱影响农作物成灾面积年变化倾向率呈正相关关系，其余县（区）均呈负相关关系。

（4）用降水距平百分率作为选取气象干旱的标准，直观、简单、容易理解，但是干旱是由诸多因素造成的，如降水、气温、蒸发、土壤墒情、灌溉条件、种植结构、植物生育期的抗旱能力以及工业和城市用水等。为了更深入更客观的了解气象干旱发生、发展的规律，提高干旱预报、预警服务能力以及干旱的防治能力，需要建立适合当地包含诸多因素的干旱指标综合模型，以期进一步揭示陇东黄土高原气象干旱的变化规律，提高气象干旱的监测、预报、预警及防治能力。