近51年海河流域作物生长季干旱时空分布特征研究

2013-08-06孙艳玲王中良王永财

天津师范大学学报（自然科学版） 2013年1期

孙艳玲，王中良，王永财

（天津师范大学a.城市与环境科学学院，b.天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387）

干旱是全球最严重的自然灾害之一[1].近年来，随着全球气候变暖，干旱问题日益突出，已给国民经济，特别是农业生产造成了严重影响[2].干旱类型通常被分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱.其中，气象干旱的发生是最直接和最频繁的，也是其他类型干旱发生的主要原因[3].目前，气象干旱监测与研究主要通过气象干旱指数来进行，气象干旱指数是监测和评估干旱的关键参数[4].随着全球陆地和各国对干旱的脆弱性增强，为降低干旱灾害影响的风险，迫切需要加强建立在气象干旱指数基础上的区域干旱变化研究和监测[5].在我国，已发展和应用的气象干旱指数种类很多，其中，Palmer指数[6-7]、Z 指数[8]、SPI指数[9]、CI指数[10-11]、湿润度和干燥度指数[12]等都已被广泛应用于不同时空尺度上干旱的动态研究.但由于各地气候的差异，在使用干旱指数监测和评价干旱影响时，各地往往存在很大的差异[13].

海河流域地处京畿要地，是我国七大流域之一，集中了全国10%的人口，更是我国重要的粮食生产基地.1970年代以来，在我国北方持续干旱化的背景下，海河流域降水明显减少[14]，气温上升趋势显著[15]，水资源供需矛盾不断加剧，干旱缺水已严重影响了海河流域社会经济的发展，尤其是对农业生产的影响非常严重[16].作为我国的粮食主产区，海河流域在作物生长和成熟的主要阶段，即作物生长季（即春季至秋季）发生干旱的情况将直接影响到作物的生长状况和产量，也直接影响到海河流域的粮食产量问题.本研究主要针对海河流域生长季干旱问题，选取能够反映作物生长季干旱状况的气象干旱指数（相对湿润度指数M）作为干旱评判标准，对近51年来海河流域生长季中春、夏、秋3个季节的干旱问题进行探讨和分析，以期为海河流域农业生产和管理提供依据.

1 研究区域概况

海河流域位于东经 112°～ 120°，北纬 35°～ 43°之间，东临渤海，西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原.流域总面积3.182×105km2，地跨8个省、自治区和直辖市，包括北京和天津两市全部、河北省绝大部分、山西省东部、河南和山东省北部以及内蒙古自治区和辽宁的一部分，如图1所示.该流域属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，是我国东部沿海降水最少的地区，多年平均降水量为400～800 mm，而且降水时空间分布不均匀，季节性差异较大，80%左右的降水集中在6—9月份，同时，降水的年际变化很大，是全国严重缺水区之一.

图1 海河流域边界及气象站点分布图Fig.1 Boundary of Haihe river basin and the spatial distribution of meteorological stations

2 资料与方法

所用数据来自中国气象局气象信息中心提供的1960—2010年全国753个气象站点的逐月气温和逐月降水资料.在对原始数据进行分析处理的基础上，选择海河流域及其周边地区气象站中116个连续51 a资料完整的站点所记录的月降水量和月平均气温数据进行干旱指数计算，如图1所示.

本研究采用的干旱指数为2006年11月开始实施的国家标准《气象干旱等级》（GB/T20481-2006）中的相对湿润指数M[13].相对湿润指数M是表征降水量与蒸发之间平衡的指标，可以反映作物生长季的干旱状况，其计算公式为

式（1）中：P表示某一时段的降水量，单位为mm；PE表示某一时段的可能蒸发量，单位为mm，可用FAO Penman-Monteith或Thornthwaite方法进行计算.Thornthwaite方法所需气象要素较少，计算相对简单，因此，本研究选取此方法计算可能蒸发量PE.Thornthwaite方法以月平均温度为主要依据，并考虑纬度因子（日照强度）建立经验公式.

式（2）中：PEi为月可能蒸发量，单位为mm；Ti为月平均气温，单位为℃；为年热量指数，其中各月热量指数常数A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49.当月平均气温Ti≤0℃时，月热量指数Hi=0，月可能蒸发量PEi=0 mm.

本研究首先利用式（1），分别计算了近51年来海河流域作物生长季节中春季（3—5月）、夏季（6—8月）和秋季（9—11月）各个站点的相对湿润指数M.在此基础上，对海河流域及其周边地区116个站点的M值进行栅格化处理，即采用目前广泛使用的Kriging空间插值法把计算得到的站点M值插值成0.05°×0.05°的栅格数据，叠加在海河流域边界图上进行掩模处理，然后分别提取近51年海河流域作物生长季中春季、夏季和秋季共153幅M值空间分布栅格图，用以进行海河流域生长季干旱时空特征分析.

3 结果与分析

3.1 干旱的时间分布特征

根据中国气象局提出的中国干旱标准，相对湿润指数M≤0.40的地区被划分为干旱地区，本研究以此为标准实现M栅格数据中干旱区域面积的提取和统计.为了直观地反映海河流域干旱面积的变化特征，突出海河流域干旱变化的时空分布特征，本研究采用干旱率反映干旱面积的动态变化.干旱率表示在一定时间范围内，某地区干旱发生面积与总面积的比率，即

式（3）中：θd为干旱率；Sd为干旱面积（km2）；St为总面积（km2）.51年来海河流域生长季干旱率的变化情况如图2所示.

由图2可以看出，海河流域在夏、春和秋季均有干旱发生，春季干旱最为严重，秋季次之，夏季干旱也较为严重，即整个生长季内干旱情况严重.从年代际变化来看，海河流域的干旱情况在1960年代最为严重，1990年代次之，1970年代和21世纪初虽有所缓解，但仍为严重.由图2a可知，春季干旱率有逐渐降低的趋势，多年平均干旱率高达56.90%，51年来春季干旱率在50%以上的年份达到31 a，干旱率在90%以上的年份有10 a，占整个研究时段的19.6%，其中1962年、1968年、1989年、1993年、1996年和2001年春季干旱尤为严重，干旱率达到95%以上.在年代际变化方面，1960年代的干旱情况最为严重，平均干旱率为61.91%；1990年代次之，平均干旱率为58.89%；1970年代、1980年代和21世纪最初10年干旱也较为严重，平均干旱率分别为51.61%、51.61%和55.26%.

图2 近51年海河流域不同季节干旱率变化Fig.2 Changes of drought rates for spring，summer and autumn in Haihe river basin over the past 51 years

由图2b中可以看到，夏季干旱率多年保持基本稳定，多年平均干旱率为7.59%，较春季干旱率明显降低，近51年干旱率高于50%的年份有2 a，其中1979年和1997年最为严重，干旱率分别为75.07%和74.89%.从年代际变化来看，海河流域在1990年代的夏季干旱情况最为严重，平均干旱率为10.86%；1970年代次之，平均干旱率为9.87%；1960年代干旱情况也较为严重，平均干旱率为9.26%；21世纪初和1980年代干旱程度较低，平均干旱率分别为4.81%和3.43%.

从图2c中可以看到，秋季干旱率表现出增加的趋势，多年平均干旱率为33.72%，近51年干旱率大于50%的年份有12 a，其中1965年、1998年和2006年干旱最为严重，干旱率在90%以上.从秋季干旱的年代际变化来看，1980年代海河流域的干旱状况最为严重，平均干旱率为39.52%；1960年代次之，平均干旱率分别为36.60%；2000年以来干旱率仍较为严重，平均干旱率为36.23%；1970年代和1990年代的平均干旱率为21.62%和34.39%.

3.2 干旱的空间分布特征

海河流域属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，降水时空分布呈现明显的地带性、季节性和年际差异.为了定量分析海河流域近51年的干旱空间分布特征，本研究利用ArcMap软件对相对湿润指数M空间分布图中干旱年数的栅格进行提取，并计算获得春季、夏季和秋季干旱发生的概率，结果如图3所示.

图3 近51年海河流域不同季节干旱发生概率分布Fig.3 Distribution of drought probabilities for spring，summer and autumn in Haihe river basin over the past 51 years

图3 表明，在生长季中的不同季节，流域内干旱高发区在空间分布上表现出较大差异.其中，干旱发生概率较高的地区在河北与内蒙古的交接区域，干旱发生概率最高的地区为东南部的京津地区、内蒙古多伦市以及河北张家口地区；石家庄以北、保定以西地区干旱发生概率最低，海河流域东南部的山西省部分地区干旱发生概率较低.

春季是海河流域干旱发生概率最高的，整个流域干旱发生概率均在19.61%以上，如图3a所示.干旱发生概率在50%以上的地区主要在大同、石家庄、邢台以西，约占海河流域面积的3/4；干旱发生概率在60%以上的地区主要有河北东北部以及京津一带，约占海河流域面积的1/4；春季干旱发生概率低于50%的地区包括山西东北部、河南北部新乡地区以及山东境内黄河北岸的狭长区域；春季干旱发生概率相对较低的地区分布于山西省忻州市以北的五台地区.

受季风气候的影响，海河流域夏季的干旱发生率较春季明显降低，但大部分地区的干旱发生率均在4%以上，如图3b所示.干旱发生概率大于13%的地区主要有大同、张家口一线以北和山西长治、河南新乡等地区；干旱发生概率较高的地区包括内蒙古多伦等地，干旱发生率高达20%；夏季干旱发生率较低的地区位于保定以西、石家庄以北、张家口以南，其干旱发生率小于6%.

秋季海河流域大部分地区干旱发生率在25%以上，与春季相比，干旱发生概率在40%～60%的面积有所减小，干旱发生概率在30%～50%的面积有所扩大，并向东移动，如图3c所示.干旱发生概率最大的区域集中在京津唐地区，干旱发生概率为45%～60%；张家口、石家庄和长治一线以西地区干旱发生概率小于25%，而以东区域的干旱发生概率大于25%，占整个海河流域面积的3/4；干旱发生概率较低的地区为山西五台地区.

4 结论与讨论

农业由于受自身生产特点的制约而极易受到干旱的影响，特别是在作物生长季发生的干旱直接影响到作物的生长状况和产量.本研究采用相对湿润度指数M作为干旱评价因子，对海河流域近51年来作物生长季的干旱时空变化进行研究，得出以下主要结论，并提出相应建议.

（1）海河流域春季发生干旱的面积最大，多年平均干旱率高达56.90%.从干旱发生的空间分布上来看，春季整个海河流域干旱发生概率均在19.61%以上，而且干旱发生概率在50%以上地区的面积占整个流域面积的3/4.大面积的干旱对春季农作物生长极其不利，应加强水利建设，实施有效科学的灌溉措施，减轻春季干旱对农作物不利影响.

（2）海河流域夏季干旱率较春季明显降低，多年平均干旱率为7.59%.从近51年干旱率的变化趋势来看，夏季干旱率变化表现出年际变幅大的特点，大旱大涝、连旱连涝和旱涝交替现象较为显著.从干旱发生的空间分布上来看，海河流域部分地区干旱发生概率较高，应针对不同区域的特点，应加强水利设施建设，减少夏季干旱对农业的影响.

（3）海河流域秋季干旱情况也较为严重，多年平均干旱率为33.72%，并且干旱率在近51年来呈现出增加趋势.从干旱发生的空间分布来看，海河流域大部分地区秋季干旱发生概率均在25%以上，干旱发生概率最高的地区仍集中在京津唐等平原地区.秋季是农作物成熟的主要阶段，作物对水分的需求相对较多，因此，应在平原地区建设灌溉设施，保护湖泊、洼地和池塘等水域，同时疏通水道，合理灌溉，减少土地的盐碱化.

通过对海河流域生长季干旱的时空分布特征进行分析可知，当地农业生产部门应充分重视春季和秋季的干旱情况，尤其是春旱的发生.本研究以相对湿润指数M≤0.40作为划分干旱的指标，可以从整体上反映海河流域干旱的时空变化特征和基本规律，但在小范围内，由于受自然和人为因素的影响，海河流域的干旱呈现出一定的复杂性，以M≤0.40作为划分干旱的指标可能存在一定的不准确性，因此，广范围和小区域的干旱研究相结合是本研究需要进一步深入开展的工作.

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