基于GIS的邯郸市干热风时空变化特征分析

薛 敏,杜亮亮

(河北省邯郸市气象局,河北 邯郸 056001)

0 引言

干热风是在春末夏初由温度高、湿度低和一定风速导致大量蒸发,破坏植物光合作用和植物水分平衡的主要农业气象灾害之一。邯郸位于河北省最南部,是河北小麦主产区之一,邯郸市冬小麦灌浆盛期在每年的5月中旬到6月上旬。当干热风发生时,湿度明显下降,温度明显上升,并伴有一定风力,使植物蒸腾作用加剧,根系的吸水不足,往往使冬小麦灌浆不足,秕粒情况严重,甚至枯萎死亡。在此阶段出现的干热风对小麦籽粒增重有很大的影响,研究表明,在干热风轻度发生的情况下减产10%左右,在重度发生的情况下减产20%以上[1]。

对于干热风灾害,在20世纪20年代国外就开始了对其成因、指标、防御措施、时空分布等进行了研究。我国自建国开始至1975年开展了冬小麦干热风灾害防御田间试验,所得结论用来指导农民生产；1976～1985年为大发展期,1975年中国农科院委托原华北农业大学组成北方麦区干热风科研协作组,在20世纪80年代初,中央气象局委托河南、甘肃、陕西省气象局牵头,组成了北方小麦干热风科研协作组,由河北、山东、新疆、山西、内蒙古、宁夏、江苏、天津、青海、安徽等省、市、自治区气象局和内蒙古农科院参加,对干热风灾害的气象指标、生理机制、天气形势、气候特征以及防御措施等进行了比较系统和全面的研究,及时为农业生产提供服务,取得了较好的经济效益[2]。近年来,李红忠等[3]研究了冬小麦单产与干热风发生次数的关系,得到商丘地区冬小麦单产与干热风的年均发生日数呈明显负相关关系的结论;成林、张志红等[4-5]通过实验的方法研究了干热风对冬小麦籽粒灌浆速率及千粒重的影响以及对冬小麦生理的影响,结果表明干热风会导致冬小麦灌浆速率的下降,灌浆速率的降幅表现为灌浆中期>后期>前期,重度干热风>轻度干热风,不同程度干热风对冬小麦不同时期生理机能的危害程度为灌浆中期>前期,重度干热风>轻度干热风;朱建华、孔坚文等[6-9]研究了干热风的灾害区划、风险预警模型、冬小麦受灾风险评估等;李思佳[10]以江苏省冬小麦为例,基于灾害风险分析设计了气象指数保险产品;成林等[11]利用河南省118个观测站的气象数据统计分析了冬小麦高温低湿型干热风灾害的发生频率、成灾范围等的变化,发现与干热风密切相关的14:00时风速明显减小;尤凤春、赵俊芳等[12-16]分别对河北省、青海省、河南省、黄淮海地区和华北平原的干热风的时空分布进行了分析,冬小麦干热风灾害的变化趋势总体表现为减少,且年际变化显著,地区差异大;杨霏云等[17]构建了冬小麦干热风发生的强度指标,反演了华北平原干热风的发生规律,发现河北中南部属于干热风高发区,河北东南部为干热风影响高风险区,而河北东部为干热风影响低风险区。

干热风灾害对全球变暖的响应比较敏感,在全球变暖的气候背景下,研究邯郸地区小麦干热风的时空变化特征,可以为当地农作物趋利避害、安全生产和防灾减灾提供科学依据。

1 资料与方法

利用1971～2010年邯郸市16个气象观测站(图1)的历史观测资料,选取5月中旬～6月上旬逐日气象资料,采用中国气象局2007年发布的气象行业标准《小麦干热风灾害等级》[18](表1、表2),选用日最高气温、14:00时相对湿度和14:00时风速三要素组合为分析依据。干热风日是指在小麦扬花灌浆期间,某日内实际观测到的气象要素组合达到干热风发生的条件要求。干热风天气过程是指在小麦扬花灌浆期间,一次天气过程中出现1个或1个以上的干热风日。

图1 邯郸市16个气象站点的位置

本研究所用的数据统计分析工具为Microsoft Office Excel电子表格软件,所用的空间分析和制图工具为美国环境系统研究所(Environment System Research Institute, ESRI)开发的ArcGis的用户桌面组件ArcMap。本研究主要利用Excel的排序、分列、填充和条件格式等对数据进行处理,利用筛选、数据透视表、公式和函数等进行轻、重度干热风日数和干热风过程的统计分析。ArcMap具有强大的空间数据建库、空间分析和地图制作等功能,本研究主要利用其地图制作和空间分析功能对轻、重度干热风日和干热风过程的空间分布进行制图和分析。技术路线见图2。

2 干热风日数统计特征分析

2.1 轻度干热风的时间分布特征

邯郸市轻度干热风发生的年平均日数为2.6 d,其中,发生日数最多的年份是1975年,为5.9 d；其次是1978年和2001年,分别为5.6 d和5.4 d；最少的年份是1984和1991年,均为0.4 d；轻度干热风每年都有出现(图3a)。从轻度干热风发生的年平均日数的时间变化看,呈现两边高、中间低的形态,且近几年来呈现上升趋势。从年代际来看,20世纪70年代轻度干热风发生的日数最多,总日数为38.1 d；80年代、90年代和本世纪前10年轻度干热风日数均少于20世纪70年代,总日数分别为20.2 d、18.2 d和28.2 d(图3b)。从轻度干热风在5月中旬至6月上旬期间出现的时间分布来看,5月中旬出现的日数所占比例最低,为12%；其次是5月下旬,占比为38%；6月上旬出现的日数占总日数的比例最大,为50%(图3c)。

表1 邯郸市适用的冬麦区干热风灾害等级指标

表2 干热风天气过程等级指标

图2 技术路线图

2.2 轻度干热风发生日数的空间分布特征

由1971～2010年邯郸市冬小麦轻度干热风年平均发生日数的空间分布特征图(图4)可以看出,轻度干热风年平均发生日数总趋势是自西北到东南逐渐减少的,西部山区和山前平原地区轻度干热风发生日数较多,东部平原大部分地区轻度干热风发生日数较少。但极大值中心在邯郸东北角的邱县,为3.8 d；次大值出现在武安，为3.2 d；极小值出现在魏县和磁县，均为1.9 d。

2.3 重度干热风的时间分布特征

邯郸市重度干热风发生的年平均日数为1.4 d,其中,发生日数最多的年份是1971年,为5.3 d；其次是1982年,为4.8 d；发生日数最少的年份是1991和2010年,这两年均没有重度干热风出现(图5a)；上世纪70年代重度干热风发生的日数最多,为23.7 d；80年代、90年代和本世纪前10年重度干热风日数均少于70年代,分别为15.1 d、5.0 d和11.3 d,总体呈现先减少后增多的趋势(图5b)。从重度干热风在5月中旬至6月上旬期间出现的时间分布来看,5月中旬出现的日数所占比例最低,仅为4%；其次是5月下旬,为29%；6月上旬出现的日数占总日数的比例最大,为67%(图5c)。

a:轻度干热风年平均日数的逐年变化趋势; b:轻度干热风的年代际变化; c:轻度干热风发生日数的时间分布。图3 轻度干热风的时间分布特征

图4 1971～2010年邯郸市冬小麦轻度干热风年平均发生日数的空间分布特征

与轻度干热风相比,从时间变化来看,均呈现先减少后增多的趋势,但重度干热风存在没有出现的年份,而轻度干热风每年都有出现,且重度干热风6月上旬发生的日数占总日数的百分比大于轻度干热风。

2.4 重度干热风日数的空间分布特征

由1971～2010年邯郸市冬小麦重度干热风年平均发生日数的空间分布特征图(图6)可以看出,受太行山地形造成的焚风效应影响,重度干热风年平均发生日数的变化趋势与轻度干热风基本一致,自西北到东南逐渐减少。重度干热风年平均发生日数的极大值位于西部山区的武安,为2.1 d；次大值出现在肥乡和邱县,均为1.8 d;极小值出现在魏县和磁县,均为0.9 d。

2.5 干热风的周期分析

对1971～2007年邯郸轻度和重度干热风年平均发生日数的周期性进行了分析,结果如图7所示,图7a、图7b分别为邯郸轻度和重度干热风年平均发生日数在时间上的Morlet小波功率谱。填色区所包围的区域通过了显著性α=0.10水平下的红噪声标准谱检验。凸形曲线以内高值区域为影响锥(coin of influence),在该曲线以外的功率谱由于受到边界效应的影响而不予考虑。

a:重度干热风年平均日数的逐年变化趋势; b:重度干热风的年代际变化; c:重度干热风发生日数的时间分布。图5 重度干热风的时间分布特征

从图7a中可以清晰地看到，邯郸轻度干热风年平均发生日数存在3.5年左右和2.0年左右的显著性周期,其中3.5年左右的周期存在于20世纪70年代到80年代中期;2.0年左右周期存在于20世纪90年代末期到21世纪初。

邯郸重度干热风年平均发生日数在所研究的40年间主要存在2.0年和3.0年左右的显著性周期,其中2.0年左右的周期存在于2005年以后,3.0年左右的周期存在于20世纪70年代到80年代中期(图7b)。

图7 轻度(a)和重度(b)干热风年平均发生日数的Morlet小波分析

3 干热风天气过程的统计特征分析

3.1 轻度干热风天气过程

邯郸市轻度干热风天气过程发生的年平均次数为0.9次,其中,发生次数最多的年份是1975年,全市平均为2.1次;其次是1974年和1983年,均为1.9次；最少的年份是1987、1988、1991、1996和1998年,全市平均为0.1次；轻度干热风天气过程每年都有出现(图8a)。从轻度干热风天气过程发生的年平均次数的时间变化看,20世纪70年代至80年代中期发生次数较多,而发生次数最少的年代集中在80年代后期和90年代,进入21世纪后轻度干热风天气过程年平均发生次数较为稳定,且大部分年份的发生次数少于平均水平。由图8b可知,上世纪70年代轻度干热风天气过程发生的次数最多,为14.4次；80年代、90年代和本世纪前10年轻度干热风天气过程发生的次数均少于70年代,分别为8.2次、6.8次和7.9次。从轻度干热风天气过程在5月中旬至6月上旬期间出现的时间分布来看,5月中旬出现的次数所占比例最低,为6%；其次是5月下旬,占比为35%；6月上旬出现的次数占总次数的比例最大,为59%(图8c)。

a:轻度干热风天气过程年平均发生次数的逐年变化趋势; b:轻度干热风天气过程的年代际变化; c:轻度干热风天气过程的时间分布。图8 轻度干热风天气过程的时间分布特征

3.2 轻度干热风天气过程发生次数的空间分布特征

由1971～2010年邯郸市冬小麦轻度干热风过程发生次数的空间分布特征图(图9)可以看出,轻度干热风过程发生次数的空间分布特征是:北部多、南部少,期间邱县、邯郸、武安、涉县、肥乡和鸡泽的总发生次数在40次以上,平均每年发生次数在1次以上；其他地区平均每年少于1次,以临漳和魏县最少,40年的总发生次数为28次,平均每年发生次数为0.7次,为极小值中心；极大值中心在邯郸市东北角的邱县,总发生次数为49次,平均每年发生次数为1.2次；次大值出现在邯郸,总发生次数为48次。

3.3 重度干热风天气过程

邯郸市重度干热风天气过程发生的年平均次数为0.5次,其中,发生次数最多的年份是1978年,为1.6次；其次是1982年,为1.4次；在40年中有12年没有重度干热风天气过程出现；20世纪80年代中期至90年代重度干热风过程发生次数明显较少(图10a)。从年代际来看,上世纪70年代重度干热风天气过程发生的次数最多,为5.9次；90年代最少,为0.6次；80年代和本世纪前10年重度干热风天气过程发生的年平均次数分别为3.7次和3.5次(图10b)。从重度干热风天气过程在5月上旬至6月中旬期间出现的时间分布来看,5月上旬出现的次数所占比例最低,仅为1%；其次是5月中旬,为34%；6月上旬出现的次数占总次数的比例最大,为65%(图10c)。与轻度干热风天气过程发生次数对比,时间上均呈现70年代至80年代前期发生次数多,80年代中期至90年代发生次数最少的特点,但重度干热风天气过程存在没有出现的年份,而轻度干热风天气过程每年都有出现,且重度干热风天气过程在6月上旬发生次数占总次数的百分比大于轻度干热风天气过程。

图9 1971～2010年邯郸市冬小麦轻度干热风过程发生次数的空间分布特征

a:重度干热风天气过程年平均发生次数的逐年变化趋势; b:重度干热风天气过程的年代际变化; c:重度干热风天气过程的时间分布。图10 重度干热风天气过程的时间分布特征

3.4 重度干热风天气过程发生次数的空间分布特征

由1971～2010年邯郸市冬小麦重度干热风天气过程发生次数的空间分布特征图(图11)可以看出,重度干热风天气过程发生次数的空间分布特征是:局部明显偏多,其他地区分布较均匀。极大值中心位于武安,40年总发生次数为23次,平均每年发生次数为0.6次；次大值处于邱县,总发生次数为20次,平均每年发生次数为0.5次。极小值中心位于魏县和磁县,总发生次数为8次,平均每年发生次数为0.2次；次大值出现在广平和鸡泽,总发生次数为9次。

图11 1971～2010年邯郸市冬小麦重度干热风天气过程发生次数的空间分布特征

4 结论

在时间分布上,邯郸市轻、重干热风的年平均发生日数和干热风天气过程的年发生次数具有一致性,整体呈中间低、两头高的趋势,均呈从20世纪70年代到90年代逐渐减少,21世纪以后又开始增加的趋势,且地区间差异都很显著。邯郸市在6月上旬的轻、重干热风年平均发生日数和轻、重干热风天气过程年发生次数均远大于在5月中下旬的,且重度干热风表现得更加明显。从周期性来说,轻度干热风年平均发生日数的变化存在3.5年和2.0年的周期,重度干热风年平均发生日数的变化存在3.0年和2.0年的周期。

在空间分布上,邯郸西部山区和山前平原地区干热风日数多于平原大部地区,东南部灾害程度明显轻于其他地区。邯郸市重度干热风年平均发生日数较多的地方位于西部山区的武安和东北角的邱县,分别为2.1 d和1.8 d,在这两个地方重干热风天气过程发生的次数也居前2位,平均每年发生次数分别为0.6次和0.5次。