基于灰色模型的河南省玉米干旱灾害预警

张淑华，李炳军，朱晓宵

(河南农业大学 信息与管理科学学院,河南 郑州 450002)

1 引言

在干旱、洪涝、霜冻、台风、地震、泥石流等自然灾害中，干旱灾害为全球最常见的自然灾害。而在全球气候变暖不断加剧的背景下，我国发生干旱的范围及强度均有显著增强的趋势，成为制约我国农业发展和粮食安全的关键因素。据统计数据得知，全球干旱面积约为4 800万km2,每年因干旱造成的损失近70亿美元[1]。我国也是受旱灾影响较大的国家之一，平均每年因干旱受灾面积达21.8万km2，其中成灾面积为12.5万km2·a-1[2]，近10 a来，每年我国因干旱造成直接经济损失达640.7亿元，在因自然灾害造成的损失中占据第二[3]。自公元前206年到1949年的2 155 a间中，我国发生过程度严重的旱灾约1 056次，平均每两年就发生一次大旱。新中国成立后，政府十分重视抗旱工作，修建了大量的蓄水、灌溉工程，干旱灾害得到了一定的抑制，但由于经济发展迅速、人口增长过快、生态系统遭到破坏等原因，致使干旱仍不时发生，并有进一步加重的趋势。同时，农业干旱阻碍着农作物的生长发育，而粮食产量的多少及品质的好坏直接影响着国民经济、社会和谐、国家安定，因此，认识和掌握干旱灾害规律，预测干旱灾害趋势，对防灾抗灾能力的提高，粮食产量的提高，以及保障我国粮食安全具有重要的战略意义[4]。

干旱灾害具有持续时间长、影响范围广、发生频率高的特点。黄淮海流域干旱区是我国发生干旱面积最大、频次最高的地区，在3-10月的农作物生长期内都有可能发生旱灾，其中春旱频次最高，有“十年九春旱”之说。夏旱的频次要低于春旱，但多与春旱或秋旱相连，如1942年、1957年、1974年等的大面积干旱灾害，对农业生产影响也比较大。中国是农业大国，干旱灾害已经成为影响农业可持续发展、粮食安全、社会稳定的重要因素。鉴于此，众多学者从不同角度进行研究：张琪等[5]利用多尺度SPI指数、判别式分析法等方法建立朝阳市玉米不同生长阶段的干旱灾害风险预测模型，提高了风险预测的准确性，以满足干旱为主导灾害的地区的业务服务需要。万能涵等[6]通过从土壤、作物、大气连续体的角度计算作物水分亏缺指数(CWDI)，分析华北地区夏玉米在不同生长阶段的干旱空间分布特征及其时间变化趋势。李祎君等[7]引入安全种植指数、农业水资源承载力饱和度等概念，分析干旱对南方农业及其种植结构的影响。番聪聪等[8]通过Arc GIS得到河北省19个气象站的干旱空间分布，计算SPI(标准化降水指数)，并对SPI进行Mann-Kendall趋势检验，运用统计学思想探究其与玉米生长之间的关系，研究河北省夏玉米生长期的干旱特征。曲思邈等[9]将玉米生育期水分盈亏百分率作为玉米干旱指数，运用Weibull分布模型的参数化产量风险分析方法计算保险费率，并分析其空间分布，建立了以干旱天气指数为赔付标准的吉林省玉米种植保险模式。魏光辉等[10]建立灰色GM(1,1)灾变预测模型，对温州市干旱灾害进行预测分析。高志勇等[11]通过改善玉米的抗旱性遗传基因来缓解干旱灾害对玉米产量造成的影响。此外，有研究表明，干旱灾害发生的强度和频率有上升趋势[12～14]。从全球尺度来说，对干旱事件的长期变化趋势进行判别还比较困难[15～17]。

干旱灾害具有区域性，河南省作为粮食生产大省，玉米作为河南省主要粮食作物，其生产直接影响着食品、饲料、酿造、工业、医药等行业的发展。河南省干旱灾害发生频繁，影响范围广，众多学者从不同角度采用不同方法[18～21]，探究干旱灾害及其对河南省粮食生产的影响。但对干旱灾害进行预测的研究相对较少，或仅对某一地区干旱灾害进行预测，对整个区域进行系统研究较少，这为笔者留下了进一步的研究空间。考虑到数据收集的局限性，研究对河南省五个区域，有代表性的5个地市的干旱灾害发生情况进行定性及定量分析，并对一般干旱发生情况进行预测，基于预测结果为保障河南省玉米稳产增产提出相应的对策建议。

2 理论与方法

灰色预测模型具有所运算简便，进行短期预测时模型精度较高的特点，因而笔者选用相对应的灰色灾变预测模型进行研究。研究首先运用降水距平百分率对数据进行处理，然后运用弱化缓冲算子消除数据的随机扰动性，最后采用灰色灾变预测模型对河南省玉米干旱灾害进行预测。

2.1 数据处理

2.1.1 降水距平百分率 降水距平百分率可体现出某一时段的降水量与同期平均状态的偏离程度。在气象相关的研究中应用广泛，可以直接反映出降水异常而导致的干旱。其计算公式为：

(1)

(2)

2.1.2 弱化缓冲算子 定理1 设原始数据序列X=(x(1),x(2),…,x(n)),令XD=(x(1)d,x(2)d,…,x(n)d)

其中

+x(n)],k=1,2,…,n

(3)

可知当X为单调增长、单调衰减或振荡序列时，D均为弱化算子，并称D为平均弱化缓冲算子[23]。

缓冲算子具有排除扰动项的作用，可以弱化数据的随机性，将数据还原至本质状态，使其呈现出应有的规律性，便于人们正确把握事物的本质规律，从而能够进行合理的预测，并提高模型的预测精度。

2.2 灰色灾变预测

灰色灾变预测最终结果的体现形式是给出下一个或几个异常值出现的时刻，给人们提前准备的时间，采取相应地对策。灰色灾变预测主要是通过对灾变日期序列进行研究，探究其规律性，据此预测后期若干次灾变发生的日期，并通过对灾变日期序列建立GM(1,1)模型来实现预测。灰色灾变预测的建模机理如下：

对原始序列X=(x(1),x(2),…,x(n))，给定上限异常值(灾变值)ζ，则称X的子序列即上灾变序列为：

Xζ=(x[q(1)],x[q(2)],…,x[q(m)])=

{x[q(i)]|x[q(i)]≥ζ,i=1,2,…,m}

同理，给定下限异常值(灾变值)ζ，可以得到下灾变序列为：

Xζ=(x[q(1)],x[q(2)],…,x[q(l)])=

{x[q(i)]|x[q(i)]≤ζ,i=1,2,…,l}

其中Q(0)=(q(1),q(2),…,q(m))，为灾变日期序列。

灾变日期序列的1-AGO序列为：

Q(1)=(q(1)(1),q(2)(1),…,q(m)(1)

(4)

Q(1)的紧邻均值生成序列为Z(1)，q(k)+az(1)(k)=b为灾变GM(1,1)。

(5)

3 数据收集与处理

3.1 数据来源

笔者研究选取1990-2019年河南省部分地区的气象数据，主要选取相关降水数据进行分析，所选数据来源于中国气象数据网[25]。河南省豫东地区包括：开封、商丘、周口；豫西地区包括：济源、三门峡、洛阳；豫中地区包括：郑州、许昌、平顶山、漯河；豫南地区包括：南阳、驻马店、信阳；豫北地区包括：安阳、濮阳、鹤壁、新乡、焦作。考虑到各地市的地理位置及数据的可获得性、代表性、科学性、可操作性原则，研究选取的主要地市为豫东地区位置最靠东的商丘(气象站站台号：58005)；豫西地区位置最靠西的三门峡(气象站站台号：57051)；豫中地区位于河南省最中间的许昌(气象站站台号：57089)；豫南地区位置最靠南的信阳(气象站站台号：57297)；豫北地区位置最靠北的安阳(气象站站台号：53898)。

一般将350 mm以下降水量定义为干旱，而当作物在不同生育期阶段发生干旱时，对作物的影响也会不同。当玉米在播种期间发生干旱时，会导致玉米无法出苗；当玉米在拨节前后出现干旱等雨水不足问题时，会直接导致玉米品质下降；玉米在灌浆期出现干旱，则会直接使其出现籽粒不饱满，或是缺失的现象，从而导致玉米产量的下降[26]。笔者研究主要对一般干旱及重旱(大旱)进行研究。通过查询相关资料、文献，结合中国气象数据网对干旱灾害标准的划分，确定本研究的干旱灾害划分标准：

表1 干旱标准(月降水量距平百分率)

3.2 降水距平率计算

通过中国气象数据网获得河南省商丘、三门峡、许昌、信阳、安阳五个地区的降水数据，以降水数据为基础，计算得到各地区的降水距平百分率，见表2、续表2。

表2 河南省5个代表市降水距平百分率

续表2 河南省5个代表市降水距平百分率

4 结果分析

4.1 一般干旱

以一般干旱灾害划分标准为基础，通过计算求得河南省5个代表市一般干旱发生情况(见表3)，其中0代表该年份玉米生育期未发生一般干旱，1代表该年份玉米生育期发生一般干旱。

表3 河南省5个代表市一般干旱

以豫东地区商丘市一般干旱数据为例进行分析。由表3可以得到原始数据序列：

X=(x(1),x(2),x(3),x(4),x(5),x(6),x(7),x(8),x(9),x(10),x(11),x(12),x(13),x(14),x(15),x(16),x(17),x(18),x(19),x(20),x(21),x(22),x(23),x(24),x(25),x(26),x(27),x(28),x(29),x(30))

=(1990,1991,1992,1993,1994,1995,1996,1997,1998,1999,2000,2001,2002,2003,2004,2005,2006,,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019)

将ζ=1作为一般干旱灾害的异常值，由此得到灾变序列为：

Xζ=(x(1),x(5),x(7),x(8),x(9),x(11),x(12),x(13),x(18),x(24),x(29),x(30))

=(1990,1994,1996,1997,1998,2000,2001,2002,2007,2013,2018,2019)

由此可得其对应的灾变序列为：

Q(0)=(q(1),q(2),q(3),q(4),q(5),q(6),q(7),q(8),q(9),q(10),q(11),q(12))

=(1,5,7,8,9,11,12,13,18,24,29,30)

由于直接对该灾变序列进行预测误差较大，因而，本研究采用平均弱化缓冲算子对灾变序列进行处理，该灾变序列的一阶弱化缓冲算子为：

Q(0)D=(q(1)d,q(2)d,q(3)d,q(4)d,q(5)d,q(6)d,q(7)d,q(8)d,q(9)d,q(10)d,q(11)d,q(12)d)

=(13.92,15.09,16.10,17.11,18.25,19.57,21.00,22.80,25.25,27.67,29.50,30.00)

进而对Q(0)D进行灰色GM(1,1)预测，预测结果为：

预测误差为1.82%，预测结果可靠性较高。即豫东地区商丘市从最近一次一般干旱年份算起，4 a之后(2023年)可能会再次发生一般干旱。

同理可得，河南省其余四个区域的干旱灾害发生情况(见表4)。

表4 河南省四个区域干旱灾害发生情况预测

豫西地区三门峡市从2018年(最近一次一般干旱年份)算起，5 a之后(2024年)可能会再次发生一般干旱；豫中地区许昌市从2018年(最近一次一般干旱年份)算起，2 a之后(2020年)可能会再次发生一般干旱；豫南地区信阳市2019年算起，4 a之后(2023年)可能会再次发生一般干旱；豫北地区安阳市从最近一次一般干旱年份算起，4 a之后(2020年)可能会再次发生一般干旱，这些地区可在一般干旱发生前做好预防措施及防护措施。(后根据笔者方法对2020年河南省四个区域降水量数据进行分析,结果与笔者预测结果基本吻合)。

4.2 重旱

以重旱灾害标准为基础，通过计算求得河南省5个代表市重干旱发生情况(见表5)，其中0代表该年份玉米生育期未发生重旱，1代表该年份玉米生育期发生重旱。

表5 河南省5个代表市重旱

观察表5可以发现：豫东地区商丘市近30 a来在1997年、2002年发生过重旱；豫西地区三门峡市近30 a来仅在1994年发生过重旱；豫中地区许昌市近30 a来未发生过重旱；豫南地区信阳市近30 a来在2001年、2019年发生过重旱；豫北地区安阳市近30 a来在1994年、1997年发生过重旱。河南省五个区域重旱发生频率较小，最近10 a仅信阳市发生过重旱，信阳市须注意做好旱灾预防工作。

5 结论与建议

5.1 结论

通过观察分析河南省五个区域一般干旱及重旱发生情况可知，近31 a来，河南省五个区域中，豫中地区的许昌一般干旱发生频次最高，但从未发生过重旱；豫东地区的商丘一般干旱发生频次较高，重旱发生频次相对最高；豫北地区的安阳一般干旱发生频次仅次与豫东地区的商丘，重旱发生频次最高；豫南地区的信阳一般干旱发生频次仅次于豫北地区的安阳，重旱发生频次最高；豫西地区的三门峡一般干旱发生频次最低，重旱发生频次次于豫东地区的商丘、豫南地区的信阳、豫北地区的安阳。

豫西地区的三门峡从最近一次一般干旱发生年份算起，5 a之后可能会再发生一般干旱；而豫东地区的商丘、豫南地区的信阳、豫北地区的安阳则从最近一次一般干旱发生年份算起，4 a之后可能会再发生一般干旱；而豫中地区的许昌则从最近一次干旱发生年份算起，2 a之后可能会再发生一般干旱。此外，最近10 a除信阳发生过重旱，其余地区均未发生过重旱。

5.2 建议

科学合理的防治干旱灾害首先要对干旱灾害进行准确的评估、预测，进而依据预测结果提前做好预防措施，预防干旱灾害可从以下几方面着手：

(1)干旱灾害风险意识培训。干旱灾害作为一种自然灾害，其发生具有不可控性，但可提前对相关人员做好干旱风险防治的培训工作，以减轻其发生时所造成的损失。通过培训使人们认识到干旱灾害实际发生的过程及不同程度的干旱所带来的危害，以及对于不同程度的干旱灾害应当采取何种的预防措施，进而使人们能够科学合理的防治干旱灾害的发生。

(2)资源合理配置。河南省不同地区农业发展水平不同，农业资源的分配也存在很大的差异。通过对各区域干旱发生情况进行综合评估，了解各区域相关农业资源的需求情况，使农业资源的调配更加合理，同时保证各地区农业资源充足，具备抵御干旱灾害的能力。此外，对于发展水平较低的城镇，政府可给予政策补贴，以保证抗旱农业资源的需求得到满足。

(3)加强抗旱玉米品种的培育。“藏粮于技”战略的提出，对粮食安全生产提供了更加稳定的保障。要想保障河南省玉米生产免受干旱灾害的影响，可从源头上抓起，通过培育耐旱抗旱的玉米品种，可在一定程度上减轻旱灾对玉米生产的影响，同时也为保障玉米的质量和产量打下基础。

(4)科学的种植方式。玉米在不同生育时期对水分的需求不同，玉米一生需水动态基本上遵循“前期少，中期多，后期偏多”的变化规律。玉米苗期抗旱能力较强，同时苗期植株较小，水分消耗较低，对水分的需求较少，仅占一生的8%～19%，适当的干旱有利于产量的增加，在保证出苗的前提的一般不需要浇水；拔节后，玉米植株开始长大，对水分的需求逐渐增多；穗期对水分的需求较多，占一生的37%～38%；到吐丝期，对水分的需求最大，对缺水最敏感；吐丝至籽粒形成期，对缺水的敏感程度仅次于吐丝期，占一生需水的43%～44%；抽雄前10 d至抽雄后20 d是玉米需水临界期，如果干旱发生时间靠近抽雄期则减产较明显；抽雄至灌浆期时需水量最大是玉米生长期需水量的高峰，此时缺水将造成大范围的减产；从乳熟期至成熟，对水分的需求降低，但此时仍然需要大量的水分。缺水可造成穗粒重降低而减产，因此，后期应保持土壤中较高水分含量[27]。依据玉米生长不同时期对水分的需求，合理种植，保证玉米稳产增产。

(5)预警方法的合理运用。在对干旱灾害进行预警时，应充分考虑各预警方法的科学性及对所研究数据的适用性，科学合理的选用预警方法，以保证预警结果的准确性，从而更好地指导人们进行科学合理的种植。