庆阳市主要农业气象灾害特征分析及年景评估

韩 晶，张谋草，路亚奇，张洪芬，曹彦超

（庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000）

气象灾害是因气象原因直接或间接引起的，给人类和社会经济造成损失的灾害现象［1］，具有群发性、连锁性、区域性、突发性、持续性等特征，其发生较为频繁且影响广泛，给农业生产和国民经济带来严重损失，是一种常见的自然灾害［2］。而其中的农业气象灾害是农业生产过程中所发生的导致农业损失的不利天气或者气候条件，是影响作物稳产、高产最主要的自然因素，与农业经济效益紧密相连［3-6］，有70%的农业灾害损失来自气象灾害［7］。农业气象灾害的频发使得农业生产出现减产和绝收，从而造成粮食产量的下降和农民经济损失的情况发生，为了促进农作物的健康发展，要对农业气象灾害进行深入研究，提高其预防措施。

庆阳市（习称“陇东”）位于甘肃省最东部，陕甘宁三省区的交汇处，素有“陇东粮仓”之称［8］，系黄河中下游黄土高原沟壑区，地形较为复杂，境内山地起伏，沟壑纵横，地处季风边缘地带的大陆腹部，受季风影响明显，属大陆性北温带半湿润半干旱气候过渡区［9，10］，冬冷多晴、夏热丰雨，冬半年多西北风、夏半年多西南风，属旱作雨养农业区［11］，也是气候变化敏感区和生态环境脆弱区［12］。粮食作物以冬小麦和玉米为主，糜谷、高粱次之，此外还有一些夏杂作物。四季均有不同气象灾害发生，春季干燥大风和霜冻，春夏之交冰雹，夏季洪涝灾害，秋季干旱、霜冻、连阴雨，冬季风雪灾害等。本研究利用2011—2019 年灾害资料分析庆阳市主要农业气象灾害对农业生产的影响及其分布特征，并进行年景评估，为更精确地指导当地农业生产及提高防灾减灾的能力提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用的2011—2019 年灾情数据来源于庆阳市8个县（区）（西峰区、环县、华池县、庆城县、镇原县、合水县、宁县、正宁县）各气象部门以及市民政、应急等部门上报的气象灾情资料。播种面积资料来源于庆阳市统计局。

在统计气象灾害灾情损失和灾害次数时，以灾害事件为时间单元，以8 个县（区）为地域单元分别统计，如果一种农业气象灾害同时影响到2 个县（区），则统计为2 次灾害过程；由多种农业气象灾害类别共同引发的灾情，且灾情数据无法分开时，按照损失最大的灾害类别进行统计，其他灾害类别不重复统计［13，14］。

基于数据的可获取性以及对农业造成的直接损失，本研究对气象灾情的统计分析主要基于农业经济损失、农业受灾面积以及农业成灾面积3 项灾害损失程度指标。

1.2 选取标准

以《气象灾情收集上报调查和评估规定》《全国气象灾情收集上报技术规范》以及庆阳市灾害实况为依据，确定农业气象灾害的类别，文中仅统计对当地农作物造成影响且出现灾情的灾害过程。

1.3 方法

1.3.1 计算方法 为了反映农业气象灾害对农业生产的致灾程度，本研究采用受灾率进行分析，如果同一地块的当季农作物多次受灾，只计算其中受灾最重的一次。农作物受灾率为［15］：

为了比较不同灾种的农业气象灾害造成的相对损失量，对受灾率进行标准化处理［16］：

式中，Zi为第i年受灾率标准化值；Mi为第i年受灾率为多年平均受灾率；δ为均方差。

1.3.2 分析方法 采用常规数理统计方法进行数据处理［17］；利用 Excel、Sufer 软件进行图件处理和绘制。

2 农业气象灾害类型及发生频度特征

庆阳市农业气象灾害具有种类多、分布广、频率高、强度大、损失重等特点，对农作物造成明显影响的气象灾害包括冰雹、暴雨洪涝、干旱、低温冻害、大风、连阴雨6 种。对2011—2019 年上述6 种气象灾害数据进行分析。由图1 可以看出，庆阳市造成农业损失的气象灾害共发生252 次。其中，冰雹发生次数最多，为125 次；暴雨洪涝次之，为84 次；干旱28 次；低温冻害 10 次；大风很少，为 4 次；连阴雨最少，仅有1 次。这与庆阳市气候特征密切相关，使得年降水量时空分布不均匀，主要集中在夏秋两季且强对流天气频发，而春冬两季降水少，从而造成了冰雹和暴雨洪涝灾害频次较多、雪灾和低温发生频次较少的现象。各类农业气象灾害中，冰雹（49.6%）、暴雨洪涝（33.3%）、干旱（11.1%），低温冻害（4.0%）发生频次相对较高，占全部气象灾害的98.0%，定义为庆阳市出现的主要农业气象灾害，其中，冰雹、暴雨洪涝是庆阳市受灾最重的2 种农业气象灾害。故本研究对上述4 种主要农业气象灾害进行分析。

图1 对农业造成影响的农业气象灾害发生次数与频度

3 主要农业气象灾害时空分布特征

3.1 灾害的频次特征

3.1.1 年际变化 为了更好地分析每年各类农业气象灾害的发生特征，将冰雹、暴雨洪涝、干旱、低温冻害这4 种灾害在当年总灾害中所占的比重进行统计，分析2011—2019 年各类灾害引发的灾害程度。由图 2 可以看出，2012、2014、2015 年 4 种气象灾害均有发生，2019 年灾害发生次数最多，为31 次；2015年灾害发生次数较多，为 30 次；2011、2013、2017 年均为 29 次；2014 年为 26 次；2016、2018 年均为 25 次；2012 年最少，为23 次。每年都有不同程度的冰雹和暴雨洪涝灾害发生，其中，冰雹灾害比重超过50%的年份主要发生在2011—2012、2014—2016 年；暴雨洪涝灾害比重超过50%的年份主要发生在2013、2018、2019 年；干旱灾害比重较大的年份主要出现在 2011、2015、2017 年；低温冻害比重相对较少，仅在2018 年较为突出。

图2 主要农业气象灾害比重和次数年分布

3.1.2 月、季变化 庆阳市一年中，除11、12 月外，其余每个月都有气象灾害发生，但每个月发生气象灾害频率及特征具有较大区别，分析2011—2019 年各月发生气象灾害次数的变化。由图3 可以看出，秋冬两季发生气象灾害次数较少，春、夏季和秋初气象灾害次数相对较多，气象灾害主要集中在4—9月，其中，6—8 月较为明显。由于庆阳市属于半湿润半干旱季风气候区，强对流、短时强降水等易发生，而冰雹、暴雨的气象灾害又主要集中在春末、夏季、秋初，这与庆阳市的农业生产方式有很大关系，春季至秋初是农田农事活动和各种农作物生长发育关键阶段，气象条件的变化对其影响较大，一些异常天气多能造成农业灾害和损失。而秋末、冬季各种农业生产活动较少，越冬作物处于休眠期，出现气象灾害后造成的影响较小。

3.2 灾害造成的农业损失特征

3.2.1 总灾害损失变化 庆阳市气象灾害发生次数与农业经济损失、农业受灾面积、农业成灾面积的相关系数＜0.4，相关性较低；而农业经济损失与农业受灾面积、农业成灾面积的相关系数＞0.9，具有很强的相关性。可见，灾害发生次数与造成的灾害损失并无直接关系，而是与造成灾害损失的灾害种类有关。庆阳市气象灾害累计造成的农业经济损失460 321.8 万元、农业受灾面积 1 235 235.6 hm2、农业成灾面积682 489.6 hm2。农业受灾作物主要有小麦、玉米、大豆、胡麻、荞麦、糜子、谷子、高粱，一些蔬菜瓜果，如油菜、西瓜、苹果，以及中药材等，其中，受灾最多的是小麦、玉米及豆类。

2011—2019 年农业气象灾害对农业造成的损失变化特征如图4 所示，近年来这4 种灾害对庆阳市造成的损失呈波动变化，2015、2017 年损失最为严重，其余年份变化较为平缓，特别是近2 年，呈明显下降趋势，这与气象工作精准预报、及时服务有密切的关系。2011—2019 年各农业气象灾害对农业造成的损失对比如图5 所示，干旱造成的农业经济损失、农业受灾面积以及农业成灾面积均最为严重，其次为冰雹灾害，暴雨洪涝和低温冻害造成的影响最小。其中，农业经济损失、农业受灾面积以及农业成灾面积三者的变化趋势基本一致。

3.2.2 各类灾害损失变化 庆阳市每年都有不同程度农业气象灾害发生，且每年并不是每种灾害类型均会发生。按受灾比重大小分析冰雹、暴雨洪涝、干旱以及低温冻害的年际变化特征。

冰雹灾害是在温暖季节发生的短时强烈的局部性灾害，具有突发性、局部性、历时短和影响大的特征［18］，出现时一般伴随有大风、雷暴等强对流天气现象，常发生在夏粮收割、秋粮生长拔节的重要时刻，特别是夏、秋两季农作物遭雹灾后，农作物叶碎秆折、花穗被毁、子粒脱落，严重的颗粒无收。庆阳市冰雹灾害主要发生在春末、夏季、秋初时段的4—10 月，其中，5、6、9 月最为明显。近年来，冰雹灾害对庆阳市农业造成的经济损失151 407.1 万元、受灾面积249 404.1 hm2、成灾面积163 202.5 hm2。2011—2019 年冰雹灾害对农业造成的损失变化如图6a所示，冰雹灾害对农业造成的经济损失、农业受灾面积、农业成灾面积变化整体均呈波动下降趋势，下降速率分别为 2 002.4 万元∕年（r=0.53＞r0.1）、4 798.6 hm2∕年（r=0.89＞r0.001）、3 927.1 hm2∕年（r=0.92＞r0.001），其中，农业经济损失通过0.01 显著检验，农业受灾、成灾面积均通过0.001 极显著检验。这与近年来冰雹预报预警及监测技术的提高、人工消雹能力的增强、农业防雹工作的改善等预防措施有关。

暴雨洪涝灾害的发生一般由连续性、区域性的暴雨强降水引发，并伴有山体滑坡、泥石流等次生灾害，会出现低洼地区淹没、渍水的现象［19］，危害农作物生长，造成作物减产或绝收，破坏农业生产以及其他产业的正常发展。庆阳市暴雨洪涝灾害主要发生在春末、夏季、秋初时段的4—9 月，正值农事活动期，其中，7、8 月最为明显。近年来，暴雨洪涝灾害对庆阳市农业造成的经济损失65 764.0 万元、受灾面积 78 640.2 hm2、成灾面积 50 112.5 hm2。2011—2019 年暴雨洪涝灾害对农业造成的损失变化如图6b 所示，暴雨洪涝灾害对农业造成的经济损失、农业受灾面积、农业成灾面积变化整体均呈下降趋势，其中，农业经济损失下降速率为1 693.4 万元∕年，农业受灾面积、农业成灾面积下降速率分别为1 108.5、1 493.3 hm2∕年，最严重的灾害损失均出现在2013年，主要是由于“2013.7.14”环县连续暴雨造成了樊家川暴洪灾害，上游河道洪水下涌使得河水涨满、堤岸垮塌、农田淹没，农作物受损严重，导致灾害明显高于其他年份。

干旱灾害是长期无雨或少雨、空气干燥、土壤缺水的气候现象，具有延续时间长、波及范围广的特点［20］，会使农作物水分平衡遭到破坏而导致农作物发育期延缓、发育不良或者是退化，造成农作物减产或绝产［21］，是农业生产上最主要的自然灾害。庆阳市干旱灾害基本遍布全年，其中，1、2、3、10 月较为突出。近年来，干旱灾害对庆阳市农业造成的经济损失 218 977.0 万元、受灾面积 827 840.1 hm2、成灾面积400 163.1 hm2。2011—2019 年干旱灾害对农业造成的损失变化如图6c 所示，干旱灾害对农业造成的经济损失、农业受灾面积、农业成灾面积变化均呈升-降-升-降交替变化的趋势，但峰值出现年份不同，造成的农业经济损失2017 年最为严重，农业受灾面积和成灾面积2015 年最大。庆阳市属于雨养农业区，基本无灌溉条件，关键时段降水量分布不均，虽有人工增雨作业，但受降水量级及区域限制，干旱灾害变化起伏仍较大。

低温冻害主要是农作物的生产环境低于其正常生长所要求的临界温度，造成作物损伤及减产的灾害［22，23］。遭遇低温冻害的农作物不仅会受品种、数量和质量的影响，还会受降温幅度和持续时间长短的影响［24］。庆阳市的低温冻害主要发生在春季、秋末时段的 3—5 月、10 月，其中，3、4 月最为明显。近年来，低温冻害灾害对庆阳市农业造成的经济损失24 173.7 万元、受灾面积79 351.2 hm2、成灾面积69 011.5 hm2。2011—2019 年冰雹灾害对农业造成的损失变化如图6d 所示，低温冻害对农业造成的经济损失、农业受灾面积、农业成灾面积变化较为一致，均在2018 年出现了一个明显的峰值。近年来气温升高、物候提前，作物发育受冷空气影响明显，且2018 年4 月2—7 日是一次全国性的强冷空气过程，其影响范围大、强度强，造成了大范围剧烈降温和雨雪天气，使得众多农作物受到严重危害，而庆阳市正好处于遭受严重低温冻害区域之内［25］。

3.3 灾害空间分布特征

不同地区每年粮食播种面积与遭受自然灾害的受灾面积不等，造成灾害的危害程度不同［5］。本研究采用受灾率作为定量表征指标，进行庆阳市受灾情况的空间分析。2011—2019 年庆阳市农业气象灾害受灾率的空间分布如图7 所示，对农业影响较大的几类气象灾害空间分布均由东南向西北递增。镇原县受灾最为严重，受灾率达81.61%；其次为环县，受灾率略低于镇原县，为74.89%；其余县区受灾率相对较小，由大到小依次为宁县（22.51%）、庆城县（21.18%）、合水县（12.05%）、华池县（10.25%）、西峰区（8.21%）、正宁县（3.25%）；受灾最为严重的镇原县与受灾最轻的正宁县受灾率相差近25 倍。

图6 农业气象灾害对农业造成的损失变化

灾情的空间分布不仅与灾害性天气的强弱有关，还与发生地的经济特征以及当地的地理环境有关，同样的灾害性天气发生在不同的地方会产生不一样的灾情［2］。就庆阳市的地形进行分析，西峰区、正宁县和合水县多为塬区，地势平坦，农业气象灾害相对较少，故受灾程度较轻；而镇原县、环县、庆城县等地多为川道，天气现象较为复杂，极易受农业气象灾害影响，受灾程度较为严重。同时，庆阳市的西北部属于干旱半干旱气候区，多年植被覆盖率低、土层疏松、河网稀疏，易发生干旱等农业气象灾害，又由于其土壤沙漠化较为严重，特别是受灾较重的镇原县、环县，遇暴雨易发生洪涝，影响秋收、秋播生产，甚至引发泥石流、山体滑坡等衍生地质灾害；而东南部植被丰富，受子午岭林区的影响，形成了局地小气候，冻害较轻，同时降水虽较多，但土壤注水率强，反而不易发生洪涝灾害。特别是其中的雹灾在地域分布上西北部多于东南部，山区多于塬区，阴山多于阳山，这与庆阳市多雹区和少雹区的分布有关。其中一个多雹区位于区域内西北部山区，主要在环县的中南部和镇原县的西北部，该区域为山区且毗邻六盘山；另一个多雹区位于合水县、正宁县、宁县等地东部的子午岭边坡地带。其中一个少雹区位于宁县的早胜塬，为海拔高度相对较低塬区，地势平坦；另一个少雹区位于环县北部的沙漠边缘。从而造成了农业气象灾害受灾率空间分布不均的特征。

图7 农业气象灾害受灾率空间分布

4 农业气象灾害分级及年景评估

根据庆阳市2011—2019 年主要农业气象灾害受灾率标准化值Zi和均方差δ，以研究区域多年的农作物受灾实际情况为基础，采取分级赋值法（0～10）将指标进行量化，历年灾情等级的分值根据成灾率标准化值的大小用内插等分的方法得到［26］。将庆阳市农业气象灾害划分为轻灾小 灾（0 ≤Zi＜ 0.5）、中 灾（0.5 ≤Zi＜ 1.0）、大 灾（1.0 ≤Zi＜ 1.5）、重灾（Zi≥ 1.5）5 个等级，等级分值分别为0～2、2～4、4～6、6～8、8～10。根据上述方法进行划分和归类，得到庆阳市2011—2019 年不同灾种的灾情等级划分结果（表1）和农业气象灾害损失年景评估（表2）。

由表1 可知，庆阳市主要气象灾害出现轻灾及以下的年份占总时段的33.3%～88.9%，出现小灾的年份占0～22.2%，出现中灾的年份占0～33.3%，出现大灾的年份占0～11.1%，出现重灾的年份占0～22.2%。其中，冰雹灾害涉及轻灾、小灾、中灾、大灾的年份为 1～3 年，重灾年份为0；暴雨洪涝、干旱、低温冻害灾害仅出现了轻灾和重灾，年份分别为7～8年和1～2 年。由此可见，冰雹灾害造成的农业致灾程度在大灾及以下，但均有影响；暴雨洪涝、干旱以及低温冻害这3 种农业气象灾害，要么造成的农业致灾程度极轻，要么损失极重，致灾程度极端性明显，对农业生产产生极为不利的影响。由表2 可知，对不同年份农业气象灾害造成的整体受灾情况初步评估可知，2011、2012、2014、2016、2018、2019 年为庆阳市农业气象灾害轻灾年；2013 年为农业气象灾害小灾年；2017 年为农业气象灾害大灾年；2015 年为农业气象灾害重灾年。评估结果与庆阳市受灾历史记录较为一致，评估方法适用。

表1 2011—2019 年庆阳市农业气象灾害等级划分结果（单位：年）

表2 农业气象灾害损失年景评估

5 小结与讨论

利用2011—2019 年庆阳市农业气象灾害资料，分析农业气象灾害的时空分布特征，并开展农业气象灾害年景评估研究，得到如下结论。

1）对农作物造成明显影响的农业气象灾害中，所占比重表现为冰雹＞暴雨洪涝＞干旱＞低温冻害＞大风＞连阴雨，其中，大风和连阴雨造成灾害次数较少；冰雹、暴雨洪涝、干旱以及低温冻害发生频次较高，确定为庆阳市出现的主要农业气象灾害。

2）从农业气象灾害时间分布来看，每年均不同程度上受农业气象灾害影响，造成的农作物受灾面积波动较大。就频次时间分布而言，每年都有不同程度的冰雹和暴雨洪涝灾害发生，其中，冰雹灾害比重超过50%的年份为2011—2012、2014—2016 年；暴雨洪涝灾害比重超过50%的年份为2013、2018、2019 年；干旱灾害比重较大的年份为2011、2015、2017 年；低温冻害比重相对较少，仅2018 年较为突出。秋冬两季发生气象灾害次数较少，春、夏、秋初季气象灾害次数相对较多，气象灾害主要集中在4—9 月，其中6—8 月较为明显。就造成农业损失而言，近年来呈现出波动变化，2015、2017 年损失最为严重，其余年份变化较为平缓，特别是近2 年，呈明显下降趋势。干旱造成的农业经济损失、农业受灾面积以及农业成灾面积均最为严重，其次为冰雹灾害，暴雨洪涝和低温冻害对农作物造成的影响最小。从农业气象灾害空间分布来看，受灾率表现为镇原县＞环县＞宁县＞庆城县＞合水县＞华池县＞西峰区＞正宁县；受灾最严重地区与最轻地区受灾率相差近30 倍。

3）从农业气象灾害分级及年景评估来看，冰雹灾害造成的农业致灾程度均在大灾及以下，但均有影响；暴雨洪涝、干旱以及低温冻害这3 种灾害致灾程度极端性明显；2013 年为庆阳市小灾年，2017 年为大灾年；2015 年为重灾年，其余年份均为轻灾年，与庆阳市受灾历史记录较为一致。