青海省河湟地区气象灾害变化特征分析

段丽君，张调风，董少睿，来晓玲，马有绚

(1.青海省气候中心，青海 西宁 810001；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001)

近百年来，全球气候经历了显著的变暖历程。随着平均气温的上升，全球气候体系也表现出明显的变化，极端气候事件的频繁发生造成了巨大的经济损失[1-4]。中国气候变化国家评估报告指出，近50年全国平均炎热日数先减少后增加[5]，这些变化造成局部干旱加重，气候变暖导致作物发育期提前，致使春季霜冻危害加大等[6]。

在全球气候变暖的背景下，青海省的气候发生了显著的变化，呈气温升高、蒸发量增大以及下半年降水减少的气候暖干化趋势[7～8]。申红艳等[9]认为，近51年来青海省极端气温呈明显上升趋势，且各种极端气温指数存在多个较明显的周期。随着气候变暖，青海省“暖冬”事件将持续增多，作物生长也将随之延长[10]。青海河湟地区位于青海省东部的湟水、黄河谷地，东及东北与甘肃省接壤，西及西北与本省环湖区交界，南与三江源地区相连。地理坐标介于北纬35°01′～37°57′，东经98°54′～103°04′之间。河湟地区是青海省的粮食主产区，粮食作物以种植春小麦为主，农业生产过程中极易遭受旱涝灾害。近几十年来该地区夏季平均降水量以0.8mm·10a-1的速率显著减少，而同期气温以0.3℃·10a-1的速率上升，1998年以后气候暖干化尤其明显[9]；雨季通常在6～8月结束，此时正值作物生长关键阶段，这一阶段的需水量最大。如果雨季期较常年缩短或降水量偏少就会出现季节性干旱，影响作物产量。因此，本文对1961～2017年青海省河湟地区气候灾害变化特征进行分析，为提高农业水资源利用率，缓解水资源供需矛盾，制定农作物种植结构提供参考；为预测和预防极端事件灾害，使农业生产顺应气候变化提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

河湟地区包括13个县(区)，分别是：西宁市的大通回族土族自治县、湟中县(区)、湟源县，海东市的乐都区、平安区、互助土族自治县、化隆回族自治县、民和回族土族自治县、循化撒拉族自治县，海南州的贵德县，黄南州的同仁县、尖扎县，海北州的海晏县(图1)。选用河湟地区各站1961～2017年逐年低温日数、干旱面积、雪灾次数、冰雹日数等监测数据，对其进行了较为严格的质量控制，包括极值检验和时间一致性检验。

图1 青海省河湟地区站点分布图

1.2 方法

1.2.1线性变化趋势

通常用一次直线方程描述变化趋势[11]：

Y(t)=a+bt

(1)

式中：t为年份序列，b为斜率，b为正(负)表示增加(减小)趋势。

1.2.2干旱面积率和气象干旱综合指数(MCI)

采用格点化和面积加权的计算方法，在一定程度上有助于增加区域平均时间序列的可靠性[12～13]。

把每年有1/3以上站点发生中度以上干旱的年份定义为干旱年。

干旱是由于降水长期亏缺和近期亏缺综合效应累加的结果，气象干旱综合指数(MCI)考虑了60d内的有效降水(权重累积降水)、30d内蒸散(相对湿润度)以及季度尺度(90d)降水和近半年尺度(150d)降水的综合影响。该指数考虑了业务服务的需求，增加了季节调节系数。该指数适用于农作物生长季逐日气象干旱的监测和评估。其计算方法为：

MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150)

(2)

式中：

MCI—气象干旱综合指数；

MI30—近30d相对湿润度指数；

SPI90—近90d标准化降水指数；

SPI150—近150d标准化降水指数；

SPIW60—为近60d标准化权重降水指数；

a—SPIW60项的权重系数，北方及西部地区取0.3，南方地区取0.5；

b—MI30项的权重系数，北方及西部地区取0.5，南方地区取0.6；

c—SPI90项的权重系数，北方及西部地区取0.3，南方地区取0.2；

d—SPI150项的权重系数，北方及西部地区取0.2，南方地区取0.1；

Ka—季节调节系数，根据不同季节各地主要农作物生长发育阶段对土壤水分的敏感程度确定。

2 气象灾害变化特征

2.1 农作物低温冷害变化特征

以春小麦为例分析农作物不同生育阶段低温冷害特征。

低温冷害是由于农作物生长季热量少，或农作物某一发育阶段出现低温，引起农作物发育延迟以致秋霜来临前不能完全成熟，或直接危害农作物结实器官的形成，致使农作物减产的一种灾害。

从时间分布来看，1961～2017年青海省河湟地区年平均低温冷害次数随时间变化呈微弱减少趋势，下降率为1.0次·a-1。河湟地区年平均低温冷害次数为6.6次，最多次数出现在1967年，为11.7次，最少次数出现在1998年，为0.4次。其中20世纪80年代、90年代初期为低温冷害多发期，年平均低温冷害次数为5.4次，之后趋于减少。进入21世纪以来，年平均低温冷害次数下降为4.1次，尤其最近10a(2008～2017年)间，年平均低温冷害次数仅为3.6次(图2a)。

低温冷害的地区分布，主要集中在大通、湟中、湟源、互助、化隆等地区。1961～2017年河湟地区共出现低温冷害5 090次，年均89.3次。河湟地区30a年均低温冷害次数为6.5次，其中化隆最多，为19.8次(图2b)。

图2 1961～2017年青海省河湟地区年平均低温冷害变化趋势(a)及年平均低温冷害次数空间分布(b)

2.2 干旱灾害变化特征

2.2.1生长季干旱面积率变化特征

由表1可知，生育前期干旱面积率>70%的有8a(1962年、1979年、1980年、1995年、1999年、2000年、2001年、2015年)，其中1995年、1999年、2000年最为严重，干旱面积率达100%。需水关键期，干旱发生比较集中，干旱面积率>70%有5a，为1962年、1965年、1991年、2006年、2010年。上述结果表明，生育前期干旱在河湟地区农牧业生产中较为突出，这可能与部分地区春旱频率相对较高有关，如河湟地区常有“十年九春旱”之称，春旱往往成为影响农作物(主要是春小麦)分蘖-拔节，牧草返青或进入青草期的主要限制因素。

表1 生育前期和需水关键区干旱面积率>70%的年份及其变化

2.2.2气象干旱日数变化

从时间分布来看，1961～2017年青海省河湟地区年干旱日数呈下降趋势，下降率为5d·a-1。1962年发生干旱的日数最多，为152d；2017年河湟地区干旱日数为53d，较1981～2010年干旱日数(57d)减少4d(图3a)。

从空间分布来看，1961～2017年青海省河湟地区年干旱日数呈“北少南多”的分布特征。海晏、大通、互助、湟中干旱日数在60d以下，其中，海晏干旱日数最少，为49d；西宁、贵德、乐都、民和、尖扎、循化、同仁干旱日数在60d以上，其中，循化干旱日数最多，为73d(图3b)。

图3 1961～2017年青海省河湟地区年干旱综合指数变化趋势(a)及干旱日数空间分布(b)

2.3 高影响事件变化特征

2.3.1雪灾

每年10月中下旬至次年5月上中旬极易出现局地或区域强降雪天气过程，加之气温较低，积雪难以融化，时常造成大雪封山，冻死、饿死牲畜，使人民生命和财产遭受巨大损失。从时间分布来看，1961～2017年青海省河湟地区发生雪灾的次数波动较大，1989年雪灾发生次数最多；1990～2017年，雪灾发生次数呈明显下降趋势(图4a)，下降率为0.8次·a-1，2017年河湟地区发生雪灾1次。一般用实测积雪深度资料和积雪持续时间来确定雪灾的严重程度。利用有效积雪量(10月至次年5月大于等于2cm的积雪深度与持续时间的乘积)来表示雪灾发生的严重程度。统计分析1961～2017年来青海省河湟地区平均有效积雪量的大小可以看出(图4b)，湟中县(区)发生雪灾33次，为发生雪灾次数最多的地区；互助县、化隆县分别发生雪灾19次、15次；其余地区出现雪灾次数在10次以内。

图4 1961～2017年青海省河湟地区年雪灾次数变化趋势(a)及有效积雪量空间分布(b)

2.3.2暴雨洪涝

按照气象灾害标准：日(24h)降水量≥50mm，或12h降水量≥30mm，或1h降水量≥16mm即为暴雨。按此标准，暴雨在青海省只是偶然事件，并主要集中在12h特别是6h以内出现，这并不符合青海省发生暴雨洪涝灾害的实际。因此，我们规定日降水量≥25mm为重要降水过程，其结果是有“暴雨”日的范围扩大到境内多数地区。

从时间分布来看，1961～2017年青海省河湟地区年暴雨日数波动较大，呈非常微弱的增强趋势，增长率为0.1d·a-1。1961年发生暴雨日数最多，为55d；2017年河湟地区暴雨日数为19d，较1981～2010年暴雨日数增多4d(图5a)。

据统计，1961～2017年青海省河湟地区累计出现过1 241次暴雨，年均88次。从青海省河湟地区暴雨日数的空间分布图中来看(图5b)，湟中、大通、化隆、互助四站的暴雨日数都在100d以上，平安、贵德的暴雨日数相对较少，分别为65d、57d。

图5 1961～2017年青海省河湟地区年暴雨日数变化趋势(a)及年暴雨日数空间分布(b)

2.3.3冰雹

冰雹一般是局地性的灾害天气现象，受灾面积往往不大，但来势猛，而且是发生在农作物抽穗至黄熟阶段，所以危害极大，青海省冰雹打死人畜的现象也时有发生。从时间分布来看，1961～2017年青海省河湟地区年冰雹日数呈显著减少趋势，减少率为9d·a-1。青海省河湟地区年冰雹日数伴随有明显的年代际特征，20世纪90年代之前年冰雹日数较多，至90年代之后年冰雹日数急剧下降，呈减少趋势。2017年河湟地区冰雹日数为20d，较1981～2010年冰雹雨日数减少10d(图6a)。从各地年平均冰雹日数变化率空间分布来看，河湟地区年冰雹日数减少明显，其中，化隆为年冰雹日数变化率最低的地区，为-1.9d/10d(图6b)。

图6 1961～2017年青海省河湟地区年冰雹日数变化趋势(a)及年冰雹日数变化率空间分布(b)

3 结论和建议

通过对青海省河湟地区1961～2017年气象灾害的时空变化特征分析，得出以下结论：

(1)1961～2017年河湟地区年平均低温冷害次数随时间变化呈微弱减少趋势。(2)生育前期干旱在河湟地区农牧业生产中较为突出，这可能与部分地区春旱频率相对较高有关。干旱日数呈显著下降趋势，其中循化干旱日数最多，海晏干旱日数最少。(3)雪灾发生次数呈明显下降趋势，1989年雪灾发生次数最多。湟中县发生雪灾33次，为发生雪灾次数最多的地区。(4)年暴雨日数波动较大，1961年暴雨日数最多，为55d；20世纪90年代之前年冰雹日数较多，至90年代之后年冰雹日数急剧下降，呈减少趋势。