1971-2015年黄河金三角地区降水变化及对农业生产的影响

裴秀苗, 张祎伟,周运丽,范志宣

(1.山西省运城市气象局，山西 运城 044000；2.山西省气候中心，山西 太原 030000)

引言

在全球气候变暖的大背景下，中国近50年来降水量整体呈减少趋势[1～3]。研究表明，全球气候变暖加速了地球系统的水循环，在过去的100年中，干旱与半干旱地区降水量减少，酷热、干旱和洪涝等极端气候事件增加[4]，降水量的变化是影响干旱及洪涝变化的最主要的因子，但降水强度和降水日数的时空变化更易引起旱涝加剧[5～6]；由于气候变暖而引发农业气象灾害、病虫灾害频频发生以及水资源短缺加剧等一系列问题, 粮食生产的灾害风险加大。2007年以来, 国际上粮食价格大幅上涨, 粮食供需平衡被打破, 许多国家出现了粮食危机, 粮食安全问题摆在了前所未有的突出位置[7]。

近年来,气象专家就全球和区域气候变化方面做了大量的研究工作[8～19]，更有学者对省、市甚至县级降水的变化进行了研究[20～30]。目前，对降水的研究主要集中在降水量的变化趋势、降水突变、极端降水事件、时空格局以及降水变化对农业生产的影响等方面[31～36]。晏利斌等[9]分析指出，1961-2014年黄土高原降水量变化不明显，整体呈波动式下降趋势，秋季、夏季和春季降水量呈减少趋势，冬季呈弱的增加趋势，年降水量减少速度最大的地区位于东南部，黄土高原西北部降水变化不明显；郭慕萍等[10]研究发现，近54年来，我国西北5省(区)总降水量呈下降趋势，年际间振幅较大，春季和冬季降水处于上升的变化趋势中，秋季降水在明显的减少，夏季降水没有明显的变化；李天霄等[31]研究发现，黑龙江省农业受涝灾影响大于旱灾，涝灾主要分布在东部的双鸭山市、鹤岗市和佳木斯市，其未来降水量的下降趋势可在一定程度上缓解涝灾产生的危害；旱灾主要分布在黑龙江西部的齐齐哈尔地区，其未来降水量的增加趋势可在一定程度上缓解旱灾产生的危害；王润科等[32]分析了陇南近50 a的降水变化趋势发现，降水变化明显，并且降水变化直接影响到农业生产和粮果安全，有着明显的关系；李海凤等[33]指出，莘县气候变化对农业的影响利弊共存，春季少雨多风易发生春旱；夏季降水集中，易发生洪涝大风和冰雹，对夏玉米生长不利；秋季降水变率大，易发生秋旱；冬季气温高、雨雪少，利于病虫害虫卵越冬，易爆发病虫害。到目前为止，关于黄河金三角地区降水量的变化及其对农业生产影响的研究还未见报道。笔者基于黄河金三角地区45个气象站近45 a的降水资料，研究其变化特征及其对农业生产的影响，旨在为充分利用水热资源、合理调整种植制度、提高农业生产可持续性提供指导。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

黄河金三角地区位于黄河中游晋陕豫三省交界处，包括陕西省渭南市、河南省三门峡市、山西省运城市和山西省临汾市(见图1)，面积5.8万km2，总人口达1 700万，属暖温带大陆性季风型气候，年平均降水量533.5 mm。该地区是一个农业区，农业基础薄弱，水资源短缺，农业生产还未摆脱“靠天吃饭”的命运。

1.2 资料

研究选取黄河金三角地区4个市45个气象代表站点1971-2015年的降水量资料，其中山西运城13个站、陕西渭南11个站、河南三门峡4站(三门峡的湖滨区和义马市没有气象站点)、山西临汾17个站。降水量资料来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)。

季节划分标准为： 春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月、冬季12月至次年2月。

1.3 研究方法

采用线性趋势法[37]分析春季、夏季、秋季、冬季以及年降水量时间序列变化特点；利用Mann-Kendall非参数统计检验法[37]对降水进行突变检验，判断可能发生突变的年份，结合累积距平法确定降水突变点；计算各站线性趋势系数，利用ARCGIS软件绘制线性趋势系数的空间分布图，分析45 a来降水量空间变化差异。

2 结果与分析

2.1 降水量年际变化特征

1971-2015年间黄河金三角地区多年平均降水量为533.5 mm，最小年降水量为306.9 mm，出现在1997年，最大年降水量为834.6 mm，出现在2003年，极差达527.7 mm。从线性拟合和距平变化图(图1)可以看出，年降水量整体呈减少趋势，减少速度为6.669 mm·10 a-1,与全国平均降水量在波动中略有减少的趋势相似[27]。1980-1985年是本地区降水高值区，1986-2001年是降水低值区，45年间有3年年降水量在400 mm以下，分别是1986年(降水量361.2 mm)、1997年(降水量306.9 mm)和2001年(降水量393.4 mm)，均出现在这个时期；2003年降水出现极大值，2004-2010年又是降水低值区；2011年以后年降水量波动较大，2011和2014年降水量在600 mm以上(分别为687.5 mm和652.8 mm)，分别是第3和第4降水最多年；2012年和2015年降水量在500 mm以下(分别为453.0 mm和488.9 mm)，差值达234.5 mm。

2.2 降水量的年代际变化

黄河金三角地区降水量年代际起伏较大(表1)，整体上呈现减少趋势，20世纪80年代和2011-2015年代降水偏多，是本地区气候湿润期，其中80年代降水最多，平均降水量为566.2 mm；90年代降水最少，平均降水量为493.1 mm，是本地区气候干旱期。降水最多年代与最少年代极差为44.4 mm。

表1 黄河金三角地区降水距平年代际变化 (mm)

2.3 降水量的季节变化

该地区各季平均降水量分别为：春季100.1 mm、夏季268.3 mm、秋季145.8 mm、冬季19.2 mm，一年中主要降水集中在夏季，占年总降水量的50.3%；其次是秋季，占年总降水量的27.3%；冬季最少，占年总降水量的3.6%；春季占18.8%。

从图2和表1可以看出，春、秋季降水呈缓慢增加趋势，增加速度分别为0.82 mm·10 a-1和2.28 mm·10 a-1，夏季和冬季降水呈减少趋势，减少速度分别为8.96 mm·10 a-1和0.83 mm·10 a-1。从年及各季节降水量的变化趋势来看，近45年来夏季降水量的减少是促使年降水量减少的主要原因。

夏季6月、7月、8月降水量分别为58.2 mm、111.6 mm和98.6 mm，分别占年总降水量的10.9%、20.9%和18.5%，各月降水均呈减少趋势，其中7月份降水速度最快，为4.42mm·10 a-1，6月和8月减少速度分别为2.42 mm·10 a-1和2.11 mm·10 a-1。由此可见，7月份降水量的减少对年降水减少的贡献最大。

图2c显示，45年中有29年秋季降水在平均值以下波动，仅有16年大于平均值，其中2011年降水量比平均值偏多207.2 mm，1975年、1983年和2003年降水量偏多100 mm以上，1974年、1984年、1985年和2005降水偏多50～85 mm。降水偏多的年份往往有连阴雨出现。

2.4 降水量空间变化特征

从4个市降水量变化趋势(图3)可以看出，年降水量均呈减少趋势，其中渭南市降水减少趋势最明显，减少速度为11.06 mm·10 a-1，其次是临汾，降水减少速度为6.51mm·10 a-1，运城降水减少速度为5.84 mm·10 a-1，三门峡的减少趋势最不明显，减少速度最小，为1.16 mm·10 a-1。

从各县(市、区)线性趋势系数分布(图4)来看，临汾市的永和、隰县、霍州、古县、浮山、曲沃、侯马和运城市的新绛、绛县、垣曲以及三门峡的卢氏等11个县(市、区)线性趋势系数为正，说明这些地区降水量呈增加趋势，其余大部分地区线性趋势系数为负，降水量呈减少趋势。

2.5 降水量突变分析

用Mann-Kendall和累积距平法对黄河金三角地区1971-2015年的降水量序列进行分析，由图5a可以看出，1971-1981年、1991-2015年内UF<0，表明在该时期年降水量呈减少趋势，且UF曲线在2002年超过了α=0.05显著水平，表明降水呈显著减少趋势；1982～1990年内UF>0，表明在该时期年降水量呈增加趋势；UF和UB曲线于α=0.05显著水平线内在1972年和1989年相交，判断突变点可能出现在1972年或者1989年。累积距平分析结果显示(图5b)，年降水量累积距平在1971-1985年间呈上升趋势，1986年以后呈下降趋势，说明黄河金三角地区年降水量经历了上升～下降的过程，突变发生在20世纪80年代。综合两种检验方法，判断该地区年降水量在1989年发生了由多到少的突变。

春季：1971-2003年内UF>0(各季降水M-K图略)，2004-2015年UF<0，而且UF曲线始终没有超过α=0.05显著水平线，表明春季降水经历了增加到减少的过程，没有发生突变。

夏季：1971-1975年、1997-2015年内UF<0，1976-1996年内UF>0，且UF曲线没有超过α=0.05显著水平线，表明降水经历了减少～增加～减少的过程，没有发生突变。

秋季：1973-1976年、1984-1987年内UF>0，其余年份UF<0，UF曲线始终没有超过α=0.05显著水平线，表明秋季降水经历了增加～减少～增加～减少的过程，没有发生突变。

冬季：1971-2015年间冬季整体上UF<0，且UF曲线在1983-1988年和1999年间超过α=0.05显著水平线，UF和UB曲线相交于1973年、1976年、2000年、2012年和2015年，表明冬季降水发生了突变，突变点可能出现在相交点里。从累积距平(图略)可以看出，1971-1979年、1989-1990年、2001-2009年冬季降水量呈现增加趋势；1980-1988、1991-2000年、2010-2015年降水量呈减少趋势。综合两种检验方法，判断黄河金三角地区冬季降水量出现两次突变，其中1976年前后发生了降水由多到少的突变，2000年前后则是由少到多的突变。

3 对农业生产的影响分析

黄河金三角地区是一个农业区，一年二熟制，主产冬小麦和玉米。随着农业经济结构调整，经济林果业迅速发展，目前该地区已经成为我国经济林果黄金地带，作为种植面积和产量均处于领先地位的苹果是该地区农业经济支柱。作为弱势产业的农业受气候变化影响较为严重，该地区农业基础薄弱，水资源短缺，农业生产还未摆脱“靠天吃饭”的命运，因此，在气候变暖、降水量减少、极端气候事件频发的大背景下，农业气象灾害发生的频率和强度呈现上升的态势，农业生产受到很大的冲击。

3.1 夏季降水量减少，伏旱发生率提高

夏季降水量减少，导致伏旱发生几率增高，有利于冬小麦等夏收作物的收获和晾晒，但对大秋作物和经济林果的生长极为不利，影响幼果果实的膨大，提高了后期裂果的潜在风险；并对果实着色带来不利，从而降低了果品的品质和产量。7-8月是秋粮产量形成的关键时期，此时玉米处于拔节、抽穗、开花授粉期，仲夏降水减少，“卡脖旱”发生概率增加，影响玉米等秋粮的生殖生长，干旱严重时玉米的雄穗抽不出或欠佳，雌穗吐丝困难，不能正常受精，造成秃顶、花粒少、空秆多，产量降低。另一方面，夏季降水减少，伏旱风险增加、范围扩大，使得农业生产需水量急增，地下水开采加剧，水位下降，研究区内水资源呈现减少的态势。

3.2 秋季降水呈增加趋势，影响果品品质

分析发现，黄河金三角地区秋季降水呈增加趋势，连阴雨出现概率增加。幼果期干旱少雨，苹果不能充分膨大，果皮增厚，秋季遭遇连阴雨，容易出现果面裂纹，影响果品品质[38]。另外，秋季是该地区秋粮成熟、收获时期，连阴雨天气容易造成秋作物贪青晚熟，成熟的秋作物因无法及时收获、晾晒而发生霉变，同时长时间的连阴雨容易引起土壤过湿，秋播期推迟，不利于形成冬前壮苗。2018年处于黄河金三角地区的夏季干旱，秋季遇连阴雨，尤其是运城市遭遇长达11 d的长连阴雨(9月9～19日)，且降水量较大，过程平均降水量为137.9 mm，其中万荣最大，为165.8 mm，导致80%以上苹果果面出现裂纹，商品价值降低。

3.3 降水分布不均，阶段性干旱发生概率增加

黄河金三角地区降水变化时空分布不均，冬夏季降水呈减少趋势，春秋季呈增加趋势，且各地减少程度不同，渭南市降水减少最多，三门峡市减少最少，一年中主要降水集中在夏季，因此往往出现阶段性干旱，无形中加大了水分供需矛盾, 对产量的形成产生明显的负面影响 。

4 结论

(1)黄河金三角地区降水的基本特点是冬春季干燥少雨雪，夏秋季降水较多。一年内的降水主要集中在7-9月，降水量为292.6mm，占全年总降水量的50.3%。与全国平均降水量在波动中略有减少的趋势相似，黄河金三角地区近45年降水量呈波动减少趋势，减少速度为6.685 mm·10 a-1。Mann-Kendall突变检验和累积距平法分析表明，1971-2015年间黄河金三角地区年降水量呈现先升后降的趋势，降水突变发生在1989年前后。春、夏、秋季降水未发生突变，冬季降水在1976年和2000年发生了两次突变。

(2)黄河金三角地区各季降水量变化趋势不一致，春、秋季降水呈缓慢增加趋势，夏季和冬季降水呈减少趋势，在年降水量变化趋势中，夏季降水量的变化贡献最大。大多数年份秋季降水量在平均值以下波动，但降水偏多的年份往往有连阴雨，降水量特大。

(3)降水量年代际间经历了多～多～少～少～多的变化过程，20世纪70-80年代和2011年后降水较多，其中80年代降水最多；90年代降水最少，2010年以后降水量处于高值区。

(4)黄河金三角地区各市降水量均呈减少趋势，其中渭南市减少速度最明显，其次是临汾，三门峡减少速度最小；临汾市的永和、隰县、霍州、古县、浮山、曲沃、侯马和运城市的新绛、绛县、垣曲以及三门峡的卢氏等11个县(市)降水量呈增加趋势。

(5)降水量变化对农业生产的影响是多尺度、全方位的，正负面影响并存，负面影响更甚。夏季降水量的减少提高了伏旱的发生概率，对秋粮、经济林果影响重大；秋季降水的增加，尤其是秋季连阴雨发生几率的增多，有利于冬小麦的播种、出苗，但对秋粮、经济林果的成熟、收获带来不利影响；秋季长连阴雨容易引起土壤过湿，秋播期推迟，不利于形成冬前壮苗。