忻州地区气象干旱与农业旱灾风险的评估研究①

何俊琦 韩志伟 陈 伟 赵俊杰 李彦萌

（1 山西省气象灾害防御技术中心 山西太原 030000；2 忻州市农业局 山西忻州 034000）

山西省地处华北区域的黄土高原东部，是华北平原与黄土高原的过渡地带，地形条件复杂多变，并以黄土为主要土壤类型，垂直节理发育较好，土壤水分易于下渗不易储水蓄水。因此，降水的多寡对农业旱情有至关重要的作用。

1 数据资料与研究方法

1.1 数据资料

全国气象资料V3 数据集1951 ～2010 年忻州地区14 站每日20 时，24 h 降水量资料，前后记录的总数值取平均值来填补，且每站缺测值统计不能≥5 d[1]。忻州市农业局提供1951 ～2010 年间的农业统计数据，以中国气象年鉴作为补充。一年中的定义系为11 月至次年10 月，冬半年的定义系为11 月至次年4 月。

1.2 研究方法

使用常用的时间、空间相关分析、干旱指数Z指数以及线性趋势分析等方法进行统计。气象干旱对农业旱情出现的影响机制主要包括忻州地区降水的气候变化特征及其规律，气象干旱指数的选取，气象干旱指数对农业灾情的直接反馈，以及出现的风险定量化分析。

（1）以下为Z 指数计算公式。

（2）Aberson 提出的Skill Score 方法，主要用于评估某一物理量预报等级与实际观测等级之间的吻合程度，本文将该方法用于评估农业干旱灾情等级与气象干旱等级一致性的程度[2]。以下为skill score 的计算公式。

（3）农业干旱灾情事件的确定在农业灾情百分率求取中，农业受灾是由本年农作物亩产数r 与历年农作物亩产数的3 年移动平均数R 比较计算，且以年鉴记录为补充记为确定性事件。当r ＜R且-1.44 ＜Z ≤-0.84 时，判定该年是由气象干旱轻旱引发的农业灾害，事件记为A 次；当r ＜R且-1.96 ＜Z ≤-1.44 时，判定该年是由气象干旱中旱引发的农业灾害，事件记为B 次；当r ＜R且Z ≤-1.96 时，判定该年是由气象干旱重旱引发的农业灾害，事件记为C 次。

2 研究内容

2.1 气候特征

忻州地区位于山西省北部，地形东西高、中间低。由于地质构造运动使境内地貌重栾叠嶂、地形破碎、高差悬殊。全境总体海拔1 000 m 以上，最高的五台山北台叶斗峰为3 058 m，最低的定襄岭子底村为600 m。因此该地区形成了独特的气候变化规律。

2.1.1降水时空间分布

忻州市年平均降水量从东向西递减，大部分地区年降水量为300 ～530 mm，其中五台县降水量最多达530 mm，河曲县降水量最少仅391 mm。忻州市平均年降水量428 mm，年降水量变化的时间序列分布见图1。该市春季平均降水量为66 mm，夏季平均降水量为267 mm，占全年降水的62%以上，秋季平均降水量为86 mm，冬季平均降水量为8.5 mm，春、冬季降水量年际变化率较大。

图1 忻州市年降水量变化的时间序列分布

2.1.2气温时空间分布

忻州市历年平均温度7.7 ℃，空间分布上温差相对较小，均温最高值9.8 ℃，均温最低值5.4 ℃。1981 ～2010 年历年温度变化见图2，从月均温变化分析，1 月最冷，7 月最热。

图2 忻州市年均温度变化的时间序列分布

2.2 适应性气象指数的求取

气象干旱指标多种多样（表1），本文使用Z指数以及Pa 指数。

表1 干旱指数等级划分

将忻州市农业数据与相对应年份的14 个气象站点冬半年降水计算得出的气象干旱指数Z、Pa组合的区域平均值序列（共计60 个样本）做相关，相关系数通过0.1 的显著性水平检验，相关系数为Z 指数大于Pa 指数。上述显著性检验中Z 指数较为典型，相关系数达-0.232，通过了0.1 显著性水平，Pa 指数的相关系数为-0.213。1951 ～2010 年的相关系数显示，忻州市Z 指数与农业灾害的关系最密切，是该区域农业干旱灾害较适应的气象干旱指数。

2.3 气象干旱指数带来的农业灾损情况

降水与农业灾损间的关系很难用直接的指标来衡量，农业灾害程度取决于前期降水累积量[3]。气象干旱指数，系对前期降水累计量的有关统计，是表示气象干旱发生与否的相关指标，所以借用气象干旱指数，可以研究降水和农业灾损两者之间的相互关系。在忻州市，有记录农业灾情与相应的Z、Pa 指数的Skill Score 值，Z 指数和农业灾损的Skill Score 值是0.276，是干旱系数中的最大值，因此，Z 指数对气象干旱可能引发的农业干旱灾害具有良好的指示性。

2.4 农业旱灾风险的定量化研究

用干旱指标以及Skill Score 最大值，即以Z 指数对农业灾情的反应作为定量化研究基础。忻州地区有十年九旱的气候情况，1951 ～2010 年，有24年系记录忻州市农业灾害发生情况（图3），其间大多农业灾害损失是由气象干旱灾害引发的农业旱灾造成的。根据无旱、轻旱、中旱、重旱等情况，忻州市分别引发的农业灾害的次数为5、12、4、3次，发生的概率为22%、50%、17%、11%。因此，由气象干旱导致农业灾害的相关风险比为78%。

图3 忻州市农作物亩产变化的时间分布情况

3 结论与讨论

在忻州地区，通过相关、相似分析以及Skill Score 分析等不同检验方法，得出气象干旱指数与农业干旱灾情等情况，并能全面反应关于该区气象要素与农业干旱的内在和外在关系，且Z 指数对地区农业干旱灾害存在可用的指示作用。通过研究代表站，得出忻州地区前期冬季气象干旱与当地农业干旱灾害有较紧密的联系，联系百分比达到78%。由于资料的局限性，没有使用Palmer 干旱指数、SPI 干旱指数以及CI 指数，有待日后继续探析。

影响农业灾害发生的因素很多，此文仅对地形、气象等因素进行分析，对人为因素考量较少。干旱指数只是作为参考，不够精准，即使适合该区域但不代表能完全精准考量，因此要重点加强对农业干旱灾害的预防研究。