淄博市农业气象灾害时空分布及对粮食产量的影响

刘 岩，环海军

（山东省淄博市气象局，山东淄博 255000）

0 引言

农业气象灾害一般是指农业生产过程中导致作物显著减产的不利天气或气候异常的总称[1]。全球气候不断变化，极端气候灾害增加，农业生产受到更大挑战[2-4]。近年来众多学者针对农业气象灾害开展了各类研究，赵娅君等[5]对中国1978—2018 年农业气象灾害进行了研究，发现中国灾害空间差异大；曹永强等[6]针对辽宁农业气象灾害，分阶段研究了灾害与粮食产量的相关性；刘玉汐等[7]对东北地区灾害结构进行分析，指出干旱和洪涝对东北地区农业生产影响最大；王丹丹等[8]分析了中国全国7 大地理区域农业气象受灾面积超越概率分布，指出全国旱灾受灾面积呈减少趋势。

淄博市位于山东省中部，地势趋势南高北低，地形主要包括平原和山区，气候多变，是自然灾害的多发地区。据灾情资料记录，冬季易发雪灾、冻害；春季气温波动大，少雨多风，干旱、倒春寒发生频繁；夏季降水集中，多发暴雨、强对流天气过程；秋季降水较少，易发秋旱、连阴雨，对当地农业生产造成严重影响。目前尚未有针对该地区农业气象灾害变化特征的研究，本研究依据淄博地区1983—2020 年灾情资料以及粮食产量数据，分析淄博市农业气象灾害时空变化及其影响，以期提高气象为农服务水平，为淄博地区农业防灾减灾提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1983—2020年淄博市农业气象灾害受灾面积、成灾面积来源于淄博市民政局；播种面积、粮食产量、土地面积来源于淄博市统计局。定义农作物产量减产10%(30%)以上面积为受灾面积（成灾面积）。受灾面积与总播之比为受灾率[9]。以灾害性天气过程为时间单元，以8 个县（区）为地域单元进行灾情统计。当有多种灾害造成的灾情数据且无法细分，按照致灾影响最大的灾种进行统计，其他伴随灾害不再统计[10]。

1.2 分析方法

1.2.1 R/S 分析方 法R/S 分析是1965 年HURST 提出的一种非参数分析方法，可衡量时间序列自相似性和长程相关性，近年来广泛应用于气候水文等领域[11-12]。本研究基于R/S（重标极差）方法，计算Hurst指数和自相关系数来分析淄博主要气象灾害趋势的未来变化趋势。当0.5＜H＜1 时，表明时间序列的变化具有持续性；当0＜H＜0.5 时，表明时间序列具有反持续性；H=0.5，说明序列前后是独立的，无关联性[12]。

1.2.2 灰色关联法 灰色关联法主要通过分析序列发展态势的相似程度来判断联系是否紧密，原理及步骤见文献[13-14]。本研究采用灰色关联模型分析粮食产量与受灾率的关联度，关联度越大，说明因素间关系越密切；反之，则越不密切[13]。

1.2.3 其他方法 利用Excel 对气象灾害受灾率进行线性趋势分析[15]；利用ArcGIS，采取自然断点法作图分析农业气象灾害空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 淄博市气象灾害类型

1983—2020 年淄博市气象灾情历史数据记录灾害共16种、累计671次，包括干旱、大风、冰雹、暴雨洪涝、台风、雷电、低温冷害、冻害、雪灾、龙卷、大雾、连阴雨、霜冻、干热风、森林草原火灾、飑线。其中对农业造成严重影响的是干旱（发生次数占全部气象灾害的29.8%）、大风(18.8%)、冰雹(17.9%)、暴雨洪涝(10.1%)、台风(7.2%)、冷冻灾害（包括低温冷害和冻害）(6.4%)。

2.2 各类农业气象灾害比重特征

为分析每年暴雨洪涝、干旱、大风、冰雹、台风、冷冻灾害发生特征，统计各灾害受灾面积占当年总受灾面积百分比进行分析（见图1）。由结果可知，1983—2020年干旱、冰雹、暴雨洪涝、大风、台风、冷冻灾害年均受灾比重分别为45.46%、14.10%、13.82%、11.44%、8.05%、4.07%。其中干旱灾害在1989、1999、2000、2006、2014、2015 年比重均超过90%；冰雹灾害在1983、2004、2016 年比重超过60%。暴雨灾害比重较大年份为1996 年52.36%、2003 年65.72%、2013 年67.04%。大风灾害比重较大年份为1984 年65.07%、2017年95.05%。台风和冷冻灾害比重相对较小，其中台风在2012年受灾比重65.50%、2018年59.54%、2019年60.97%。冷冻灾害比重较大年份为2020 年60.42%、2009年45.7%。

图1 各类农业气象灾害受灾面积百分比年际变化

2.3 主要农业气象灾害受灾率变化特征

2.3.1 干旱 干旱灾害在淄博地区受灾率最大，往往导致农作物、果品等大面积减产，生产成本增加，一年四季都有发生[16]。由图2可知，1983—2020年，干旱受灾率呈波动下降趋势，下降速度为0.25%/a，平均受灾率为21.37%。20 世纪80 年代末、90 年代末和2000 年初干旱明显，灾情严重，最大值出现在2002年，达20.3×104hm2。2009年以来为干旱偏少时段，受灾率均小于50%。38 a中有9 a未出现旱灾。

图2 1983—2020年淄博干旱、暴雨洪涝、冰雹、大风受灾率变化趋势

2.3.2 暴雨洪涝1983—2020年，暴雨洪涝受灾率呈不明显下降趋势，倾向率0.05%/a，平均受灾率4.25%。其中1996、2003、2009、2013 年受灾面积呈高峰，灾害较重，平均受灾面积达38194 hm2，最大值出现在1996年受灾面积60707 hm2，成灾面积48136 hm2。有12 a未出现洪涝灾害。灾情资料显示，淄博地区暴雨洪涝发生在4—10 月，暴雨易造成农田积水、内涝，造成农作物大面积减产甚至绝产。

2.3.3 冰雹1983—2020 年，冰雹受灾率呈下降趋势，倾向率0.07%/a，平均受灾率3.59%。2001、2004 年灾害较重，平均受灾面积达58.4×103hm。2006 年后受灾较轻。灾情资料显示，冰雹灾害发生在4—10月；最重灾情为2004 年6 月17 日，淄川等地出现冰雹灾害，最大直径达60 mm，最长持续时间15 min，农作物受灾面积达43142 hm2，成灾面积36142 hm2。1984、2010、2015、2019年未出现冰雹灾害。

2.3.4 大风1983—2020年，淄博地区大风受灾率整体呈下降趋势，倾向率0.10%/a，平均受灾率3.21%。其中1984年灾情最重，灾情资料显示1984年6月3日淄博市淄川区、张店区、临淄区、周村区和桓台县出现大风灾害，风力8～9级，造成小麦倒伏、树木折断、房屋损坏、经济作物受灾，受灾面积达75.9×103hm2。其中有9 a未出现大风灾害。大风灾害发生在3—9月。

2.3.5 其他灾害 影响淄博地区农业气象灾害还有冷冻灾害（包括低温冷害和冻害）和台风灾害等，2000年后发生频次较多。冷冻灾害常发生在作物生长关键期，且灾后不易恢复[17]，台风灾害破坏力较大，均给农业生产造成严重影响。

根据38 a 灾情资料统计，低温冷害受灾较重年份有1987、2002、2009、2010、2020 年，各区县均有发生，发生时间为3—5 月。冻害（霜冻害和寒潮冻害）发生较重年份为1987、2018、2020 年，主要发生在沂源、淄川、博山，其余年份冻害较轻或无冻害发生，发生时间在3—4 月和11—12 月。台风灾害发生时间为7—8月，共计受7个台风过程影响，分别出现在1992、1997、2005、2012、2018、2019 年，其中2019 年“利奇马”台风致灾最重。

2.4 主要农业气象灾害空间分布

为消除区域土地面积差异影响，采用各区县农作物受灾面积与土地面积之比作为评价指标，分析灾害的空间分布（图3）。由图可知，干旱灾害受灾最重区域位于高青、沂源，分别为10.5、9.6 hm2/km2，淄博市城区和桓台地区受灾程度最轻，在5 hm2/km2以下。分析原因为高青耕地比重大、暴露度高，风险较高；沂源南部山地水利条件差，灾情较重。暴雨洪涝灾害高青受灾最重为6.7 hm2/km2，淄博和淄川最轻，由于高青和桓台地形低洼及境内河流等影响，易出现大面积水涝灾害；大风灾害桓台和周村受灾最重，接近3.0 hm2/km2，博山受灾程度最轻；冰雹灾害高青地均受灾最重为3.0 hm2/km2，其次为淄川、临淄等地，淄博市城区最轻为0.4 hm2/km2。总体来看，淄博市农业气象灾害空间分布不均，北部较重，尤其是高青、桓台等地。

图3 淄博市干旱(a)、暴雨洪涝(b)、大风(c)、冰雹(d)灾害地均受灾面积空间分布

2.5 主要农业气象灾害持续性分析

利用R/S 方法，对淄博市4 类主要农业气象灾害受灾率变化进行持续性分析（图4）。结果可知，4类灾害受灾率Hurst指数均属于(0，0.5)，差分序列的一阶自相关系数C 均小于0，表明受灾率序列的变化具有长程记忆，呈现反持续性特征。由于过去38 a 4 类灾害受灾率均呈下降趋势，未来变化为增加趋势。根据Hurst指数分级，干旱灾害Hurst指数为0.3777，表明未来变化与过去明显下降趋势呈现较弱反持续性；暴雨洪涝Hurst指数为0.3441，对过去不明显下降趋势有较强反持续性；冰雹、大风灾害Hurst指数分别为0.3193、0.4432，冰雹灾害较大风灾害反持续性强。从结果来看，未来淄博市主要农业气象灾害呈发展趋势，我们仍需重视灾害对农业的影响。

图4 淄博市干旱(a)、暴雨洪涝(b)、大风(c)、冰雹(d)受灾率R/S分析

2.6 农业气象灾害对粮食产量的影响

从图5可知，随着农业生产水平提高，粮食产量增加，气候倾向率6.36×106t/10 a，受灾面积呈减小趋势，气候倾向率-13.08×103hm2/10 a。气象灾害对粮食产量为负效应影响，是造成粮食减产的重要因素，1989、1997、2002、2009 年受灾面积较大，粮食产量明显减小，1990—1996、1998、2014—2018 年气象灾害较少，粮食产量增加。

图5 受灾面积、成灾面积及粮食产量年际变化

为分析各灾害对粮食产量的影响程度，以1983—2020 年及各年代淄博粮食产量为参考序列、4 类农业气象灾害相应受灾面积为比较序列，进行标准化处理，通过关联度分析得出：1983—2020 年4 类农业气象灾害对粮食产量影响排序依次为干旱、大风、暴雨洪涝和冰雹灾害。其中1983—1989 年影响最大的灾害为干旱和暴雨洪涝灾害；1990—1999年影响最大的是干旱和冰雹灾害；2000—2009年影响最大的是大风和干旱灾害；2010—2020 年影响最大的是干旱和大风灾害。可见，干旱灾害一直是影响淄博粮食产量的主要灾害，其次是大风和暴雨洪涝灾害，见表1。

表1 淄博粮食总产量与主要气象灾害的灰色关联度分析

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究基于1983—2020 年淄博市农业气象灾害灾情资料和粮食产量数据，分析了灾害时空演变及与粮食产量的关联度。得出主要结论如下。

淄博市历史数据记录灾害共16种、累计671次，出现频次最多的是干旱、大风、冰雹、暴雨洪涝、台风、冷冻灾害，受灾面积比重分别为45.46%、11.44%、14.10%、13.82%、8.05%、4.07%。2000年以后冷冻和台风灾害发生比重增加。

4 类主要气象灾害受灾率均呈现波动下降趋势，干旱灾害20 世纪80 年代末、90 年代末和2000 年初受灾面积较大，2002年灾情最重，一年四季均可能发生；暴雨洪涝受灾率波动较大，呈不明显下降趋势，最大值出现在1996 年，灾害发生时间为4—10 月；冰雹灾害2001、2004 年较重，2006 年后受灾较轻，发生在4—10月。大风灾害发生在3—9月，1984年受灾最重。空间分布呈现不同规律，干旱灾害受灾严重区域位于高青、沂源；暴雨洪涝灾害高青和桓台受灾最大；大风灾害桓台和周村受灾最重；冰雹灾害高青地均受灾最重。未来淄博市4类主要气象灾害发生趋势呈不同程度的相反态势，即转为上升趋势。

农业气象灾害的受灾面积、成灾面积直接影响粮食产量，通过关联度分析得出，影响程度由高到低为干旱、大风、暴雨洪涝、冰雹灾害。

3.2 讨论

研究期内淄博地区主要农业气象灾害呈下降趋势，这与前人关于全国及其他地区的研究结论[18-19]基本一致，分析原因为近几年个别年份自然灾害发生少，同时灾害抗御加强，有效减轻了灾情。但是分析发现冷冻灾害和台风灾害比重有增加迹象，致灾强度大，不容忽视[20-23]。

灰色关联法不要求样本量的多少和有无规律性，可较好的识别关键灾害[24]。基于38 a的产量数据分析发现，灾害性天气直接影响着农业生产，干旱灾害对粮食产量影响最大，其次是大风、暴雨洪涝灾害，这与于小兵等[25]的研究结论一致；虽然近年来受灾率呈下降趋势，但研究计算出未来灾害发生存在反持续性，由于方法自身限制，未来趋势持续时间还需进一步研究。总之，面对未来气候变化的不确定，积极应对农业气象灾害风险，提高灾害预测预报能力，重点防御干旱、洪涝、大风等关键灾害，完善水利工程建设、加强大风预报研究等，有效保障鲁中地区粮食安全。

本研究采用统计学方法，客观分析了淄博农业气象灾害时空演变特征，同时在一定程度上揭示了各灾害对粮食产量的影响大小，可对农业气象服务提供有益的帮助。但本研究还处于基础阶段，因数据资料有限，尚不能全面分析气象灾害对淄博农业的影响；此外粮食产量变化的影响因素极其复杂，有待进一步探讨。