宁夏中部农作物生育期有效降水量时空变化特征研究

马 忠 明

(宁夏秦汉渠管理处，银川 750004)

当前，全球气候变暖已经是不争的事实[1]，施雅风院士提出了中国西北气候由暖干向暖湿转型的推测[2]，20世纪80年代以后，西北地区东部的降水明显减少[3]，腾格里沙漠边缘沙坡头地区的降水特征显示当地气候趋于干旱化[4]；河套地区西北部和东南部降水分别以2%/(10 a)和3%/(10 a)的速度减少[5]。而对于西北地区，尤其是农业种植区，降水的丰枯变化、时空分布及其异质性特征，对于作物的生长及农业灌溉管理影响巨大。全国超过60%的地区冬小麦生育期的气候呈冷干化趋势，未来夏玉米和冬小麦的总生育期历时最大的缩短趋势达0.13 d/(a)[6]。西北地区东部可利用水资源量呈减少趋势，干旱频繁发生，对农业的负面影响增大[7]。甘肃省年降水量、越冬作物生育期、春秋季作物生育期降水量时空变化明显，黄河以东地区气候暖干化趋势加快，可利用水资源更加紧缺[8]。宋扬[9]等利用CROPWAT模型分析泾惠渠灌区冬小麦和玉米蒸发蒸腾量，认为灌区作物需水量与气温呈正相关，与降水呈负相关。刘学军[10]等在宁夏扬黄限额灌溉区开展了降水资源就地高效利用技术集成研究。国内外学者对于有效降水量的计算方法[11-14]进行了大量的研究，并对计算模式的适应性及结果的可靠性以及降水的有效转化率[15]进行了分析，Mohan[16]、张波[17]等利用不同方法计算了水稻生育期内的有效降水量并分析了其与需水量的关系，刘占东通过模拟分析了冬小麦生育期内降水与有效降水的关系及其变化趋势[18]，朱梅[19]利用蒸渗仪以夏玉米和小麦为对象进行了不同降水强度不同生育期内的有效降水量变化特征。上述工作对西北地区气候变化尤其是降水时空变异性特征做出了有益的探讨，但是对于降水的变化尤其是与作物生长密切相关的生育期内降水与可利用降水量的变化研究较少。因此，开展干旱区作物生育期降水的时空变化及其未来趋势研究，对认识降水资源对气候变化的响应特征，提高农作物种植应对降水丰枯变化的能力，科学利用有限的水资源都具有重要意义。

1 研究区概况

宁夏地处我国西北内陆，疆域南北狭长，相距465 km，东西相距45～250 km，国土面积6.64 万km2。气候干旱少雨，自北向南降水量约为179～800 mm，多年平均289 mm。年径流深由南部六盘山区东南侧的300 mm，向北递减至引黄灌区不足3 mm，全区多年平均年径流量9.493 亿m3，平均年径流深18.3 mm，是黄河流域平均值的1/3，是中国均值的1/15。平均年水面蒸发量1 250 mm，变幅在800～1 600 mm之间。宁夏国土面积的3/4属于干旱半干旱地区，人均水资源量190 m3，是全国平均值的1/12，耕地占有水资源量900 m3/hm2，是全平均值的1/28。宁夏中部主要指降水量200～400 mm的干旱区，包括红寺堡、同心县、盐池县及海原县全部，以及中卫市、中宁县及吴忠市利通区等地市的山区部分，总面积为3.51 万km2，占宁夏总面积的52.8%。宁夏中部干旱带地处黄土高原和鄂尔多斯台地东部，地势南高北低，南部以黄土丘陵沟壑区为主，北部为丘陵台地，海拔在1 300～2 400 m，地面覆盖率不足20%，生态环境极为恶劣。当地有明显的大陆性气候特征，降水主要集中在7-9月，占全年降水量的60%～70%。平均水面蒸发量1 210～1 600 mm，干旱指数4～8之间，多年平均气温6.3 ℃，日照时数2 750～3 000 h。

2 资料与方法

2.1 数据来源

在研究区内选取位于宁夏中部的红寺堡、盐池、同心及海原等4个国家基准站，并收集各站点1954年1月1日-2016年12月31日的日降水资料，并对数据进行准确性、代表性分析，对于部分站点缺失数据，采用克里金插值进行插补处理。统计各年份作物生育期(4-10月)的日降水，当次降水量(P)为5 mm

表1 宁夏中部地区主要气象站点信息Tab.1 Information on weather stations in the middle part of Ningxia

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析

小波分析是用一族频率不同的振荡函数作为窗口函数φ(t)对信号f(t)进行扫描和平移。时间序列f(kΔt)(k=1,2,…,N；Δt为取样时间间隔)的小波变换为式(1)。本文采用Morlet小波[21]，小波变换系数表示为式(2)。将时间域上关于a的所有小波变换系数的平方进行积分即为小波方差，式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为时间因子，反映时间平移；Wf(a,b)称为小波变换系数，常数c=6.2。

2.2.2 M-K秩次相关法

对序列趋势变化的定量分析，本文采用Mann-Kendall的秩次相关法[22]。其基本原理是：对时间序列P(i=1，2,…,n)，其任意对偶值(Pi，Pj,j>i)，如果Pi>Pj，则序列绝对上升，反之，则绝对下降．如序列不是单调上升或下降，则有：

(4)

(5)

(6)

式中：f为对偶值呈增长趋势的对数。若m>0，则序列呈上升趋势，反之，则呈下降趋势。m的绝对值越大，说明序列变化趋势越显著。对显著水平α=0.05的临界检验值为±1.96。

2.2.3 气候趋势系数法

年降水系列是符合正态分布或对数正态分布的随机变量。它的变化趋势是指：随着时间的推移，其数值的持续增减状况。逐年时间是递增序列，可看作自然数列1，2,…,n。n个时刻(年)的要素序列与自然数列1，2,…,n具有相关性，如果相关显著，则表示该要素值气候趋势明显，有增加(减少)趋势[23]。要素与自然序列的相关系数可表示为：

(7)

3 结果与分析

3.1 宁夏中部农作物生育期有效降水量年内及年际变化特征

统计多年平均(1954-2016年)作物生育期内(4-10月)的降水量及有效利用量(表2)，并分别绘制柱状图(图1)。从空间分布看，有效降水量自北向南依次增大，由156.2 mm增大至268.7 mm，全区多年平均203.4 mm占4-10月份总降水量的75.25%。其中海原有效降水量最大为268.7 mm，占总降水量的74.69%，红寺堡区全生育期均最小。从时间来看，各站点8月份有效降水量均最大，占总降水量的84.89%～88.16%，其次是7月份，4月份有效降水量最少7.9～12.2 mm，而10月份有效降水量占比最低，全区平均占比75.26%。有效降水量主要集中在7-9月，占统计期的66.7%。全区各月有效降水量范围是10.6 mm(4月)～55.9 mm(8月)。

计算各典型站点有效降水量的统计参量(表3)，可知海原地区最大，多年平均为268.7 mm，最大值达到544.4 mm(1964年)；红寺堡区最小，多年平均为156.2 mm，最小值为35.7 mm(1982年)，全区多年平均为203.4 mm，最大值432.0 mm(1964年)，最小值95.6 mm(1982年)。各地区年际变化程度相当，变异系数变化范围：0.31(海原)～0. 44(红寺堡区)，红寺堡区年际变化最大极值比达12.37。全区变异系数为0.32，极值比为4.52。

表2 宁夏中部农作物生育期降水量及有效降水量变化特征表Tab.2 Variations of precipitation and effective precipitation during the growing season in the middle part of Ningxia

图1 宁夏中部农作物生育期有效降水量及总降水量年内分配Fig.1 Distribution of effective precipitation and total precipitation during the growing season in central Ningxia

变量平均值/mm标准差变异系数最小值/mm中位数/mm最大值/mm极值比偏度峰度盐池200.275.90.3584.5211.4460.25.450.670.65红寺堡156.268.10.4425.9153.5320.312.370.410.23同心188.575.20.3766.8199.6411.26.160.620.39海原268.788.80.31127.5268.2444.34.270.850.95中部干旱带203.469.50.3295.6204.6432.24.520.720.63

3.2 宁夏中部农作物生育期有效降水量年代际变化

分别计算各地区总降水量及有效降水量各年代的平均值及相对多年平均的距平值(表4)。从表4中可知宁夏中部干旱带20世纪50-60年代属于丰水期，正累积距平分别为100.6和238.7 mm，70年代是显著的枯水期，负累积距平值达-226.1 mm，有效降水量显著低于多年平均。80年代及90年代有小幅负距平，属于一般年型，分别为-16.6和-28.1 mm。21世纪前十年是一个显著的枯水年，累积距平达-178.1 mm，占年代平均值的89.9%。2010年以来，有效降水量有所增加，总降水量的变化过程与有效降水量的变化过程相似，2011-2016年累计正距平123.3 mm。

表4 宁夏中部有效降水量年代际变化特征Tab.4 Decadal variation characteristics of effective precipitation in central Ningxia

3.3 宁夏中部有效降水量周期分析

将宁夏中部干旱带61 a(1954-2016年)有效降水量系列进行中心化处理，并用Morlet小波进行变换，分别取不同的a和b值计算小波变换的模平方和实部。绘制小波变换实部时频分布(图2)，从图中可以看出有效降水量在整个研究时段均显著存在3、6及10 a周期尺度；在20世纪50-60年代以及80年代末期与90年代中期以6 a主周期为主，70年代、80年代直至目前，主要以10 a振荡周期为主，且正负位相交替出现。绘制小波变换系数实部变化过程(图3)，显示3及6 a尺度的小波变换系数实部变化过程，有效降水量丰枯变化较为频繁。10 a尺度的小波变换实部变化过程相对平稳，50年代中期至60年代末期，处于丰水时段，70年代以来有效降水量减少，且分别在1958年、1968年、1986年、1990年和2001年发生丰枯突变。综上可知，在整个分析期内，有效降水量系列存在3、6和10 a主周期，实际降水系列变化周期基本与有效降水量系列相似。

3.4 宁夏中部有效降水量变化趋势分析

采用M-K秩次相关法及气候趋势系数法计算各分地区作物生育期内(4-10月)有效降水量及总降水量增减趋势的量度值及其趋向率(表5)。从表5中可知，各地未来有效降水量均呈减少趋势，变幅为2.2～5.2 mm/(10 a)，红寺堡区降幅最大，同心县相对较小，全区的降幅为3.5 mm/(10 a)。4-10月份降水盐池有增加趋势，但不显著(未通过P=0.05显著性检验)，中部干旱带全区总体节水呈显著减少趋势(通过P=0.05显著性检验)。盐池降水减幅最小为0.8 mm/(10 a)，海原减幅最大8.8 mm/(10 a)，中部干旱带整体以5.3 mm/(10 a)在减少。

图3 Morlet小波变换系数实部变化过程Fig.3 The change process of real-plural of Morlet wavelet transform coefficient

4 结论与分析

依据宁夏中部干旱带境内典型站点1954-2016年计61 a的日降水资料，按照规范要求整理了4-10月作物生育期内的有效降水量，结合Morlet小波分析，Mann-kendell秩次相关法及气候趋势系数法等方法，分析了宁夏中部干旱带有效降水量的多时间尺度变化特征及其未来趋势，结果认为宁夏中部农作物生育期有效降水量自北向南依次增大，由156.2 mm增大至268.7 mm，全区多年平均216 mm，占总降水量的75.25%。8月份的有效降水量最大占总降水量的84.89%～88.16%，全区变异系数为0.32，极值比相对较小为4.52。20世纪50-60年代属于丰水期，正累积距平分别为100.6和238.7 mm，70年代是显著的枯水期，2010年以来，有效降水量有所增加。

表5 宁夏中部有效降水量变化趋势及其趋向率Tab.5 Analysis of trends and the ratio variation of effective precipitation in central Ningxia

分析认为，宁夏中部干旱带有效降水量在整个研究时段显著存在3、6及10 a周期尺度，与已有研究结论[24]“近50年宁夏中部干旱区有效降水量主要存在5～7 a的周期,其次是2～3 a的周期”相近。且丰枯变化较为频繁，且分别在1958年、1968年、1986年、1990年和2001年发生丰枯突变。各地未来有效降水量均呈减少趋势，与张智[24]“近50年宁夏中部干旱区可利用降水量均呈减少趋势”结论一致。利用趋势系数分析法得出中部干旱带有效降水量减幅为2.2～5.2 mm/(10 a)，红寺堡区降幅最大，同心县较小，全区降幅3.5 mm/(10 a)。中部干旱带4-10月份总降水也呈显著减少趋势(通过P=0.05显著性检验)，降水呈减少趋势的概率为75%[25]，降幅为5.3 mm/(10 a)，其中盐池降水减幅最小0.8 mm/(10 a)，海原减幅最大8.8 mm/(10 a)。

通过对宁夏中部干旱带近60年来主要作物生育期(4-10月)内的总降水及有效降水量的多时间尺度分析，探明当地降水可利用量的现状、丰枯变化周期及其未来趋势与变化梯度，对当地农业种植的合理灌溉及农业水资源科学管理提供有益借鉴和科学指导。