西北地区秋季降水量特征与小麦产量的关系分析

刘英 周忠文 邱宁刚 李巧霞

摘要：为了研究西北地区秋季降水空间分布特征和时间变化规律及与小麦产量的关系，利用EOF、REOF，对西北地区119个气象站1961-2016年资料进行了分析。结果表明，西北地区秋季降水量具有明显的空间差异，最少的是青海的冷湖气象站，为0.9 mm，最多的是陕西的石泉气象站，为270.0 mm。西北地区秋季降水量20世纪60、70、80年代和2001-2016年以增加为主，20世纪90年代以减少为主。西北秋季降水量可以分为6个气候区，各代表站降水量演变表明，1960-1970年乌鲁木齐、和田、格尔木多，其他代表站少。三阶曲线演变表明乌鲁木齐2005年以后减少，其他代表站增加。秋季降水量与来年小麦产量呈明显正相关。

关键词：西北地区;秋季降水量;气候特征;小麦产量

中图分类号：P463.1

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 08-0041-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.008

中国西北地区地域辽阔，地形复杂，气候上属于干旱、半干旱气候区，干旱少雨是该区域最重要的自然灾害。西北地区秋季（9-11月，下同）是冬小麦等越冬作物的播种时期，如果降水偏少，将会出现干旱，如果降水偏多，又容易出现秋季连阴雨，都严重影响农业生产。西北地区是中国水资源最贫乏和生态最脆弱的地区，近半个世纪以来，西北地区降水略有增加，不过增加的绝对值并不大，同时降水日数也趋于增多。从降水的年内分布来看，西北地区秋季降水量和雨日大范围减少，平均来讲，中国大多数地区年内降水的变化呈单峰型，在夏季出现最高值，秋季降水量一般多于春季，仅次于夏季，形成一个次高值，在水文上则表现为显著的秋汛。绵绵秋雨带来的阴雨寡照低温天气易对农业生产造成损失，对秋作物生长及夏粮收割、晾晒也会造成负面影响，可使已经成熟的作物发芽霉烂，造成减产甚至绝收。如果持续时间长，还会导致山体裂缝、塌方等较严重的地质灾害和洪涝灾害。

农谚“你有万担粮，我有秋里墒”，可見秋季降水的多寡对西北地区冬小麦播种、出苗、保证苗全苗壮，对当地秋粮生长有着直接影响，丰沛的秋雨对收墒、蓄墒和来年抵御春早起着积极的作用。秋季降水对干旱和半干旱地区有着重要的作用。此外，秋汛可以对江河产流、水库蓄水产生良好的作用。关于西北乃至西部的气候问题，已有很多研究。白虎志等[1]2005年对中国的秋雨进行了气候分区，认为目前又恢复了华西秋雨现象。郭江勇等[2，3]曾对西北东部春旱和河东春季透雨进行过较细致的研究。还有学者[4-12]对西北地区春季和春末夏初降水的时空分布特征进行过细致分析。高飞翔等[13]分析了西北地区气候变化及其对冬小麦产量的影响。张强等[14]认为秋季增温使西北地区对冬小麦的播种期推迟了4-8 d，冬前生长发育速度推迟，春温升高使冬小麦春初提前返青，生殖生长阶段提早，全生育期缩短了6-9 d。张谋草等[15]进行了陇东地区冬小麦产量构成因素的分析，郝祺[16]开展了气候变化对西北地区小麦生产影响的模拟研究，结果表明，近50年来，陕甘宁地区小麦生长期已出现了明显的增温现象，并伴随日照时数和降雨日数的降低，小麦气象产量因暖冬、阴湿寡照和后期高温等呈下降趋势。上述工作对分析气候变化及其成因提供了一定依据，但西北地区秋季降水的分区和变化规律还需要进一步研究，为此利用1961-2016年119个气象站的秋季降水资料，分析其年代际变化规律，为气候预测提供依据。

1 资料与方法

西北地区119个气象站1961-2016年的降水资料均来自中国气象局兰州干旱气象研究所干旱共享数据库，小麦产量因素来源于各省统计年鉴。

采用EOF和REOF分析气象场空间分布特征;采用Morlet小波技术分析时间序列演变的多时间尺度特征;采用常用的相关系数分析，并进行相应的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 西北地区秋季降水的空间分布特征

利用1961-2016年西北地区119个气象站的秋季降水资料，得出其平均分布如图1所示。青海的冷湖气象站最少，为0.9 mm，陕西的石泉气象站最多，为270.0 mm。降水中心有3个，一个在陕西省的东南部.另一个在青海省的高原地区，第三个在新疆西北部的昭苏，即其空间分布特征是东南部多，青海高原地区和新疆西北部多，其余地方为少雨区，这充分说明了西北地形的复杂性和多元性。东南部的湿舌向西北延伸到合作，再由合作延伸到托勒;河西西部的干舌一支南压到定西附近，另一支南压到格尔木，湿舌、干舌交替出现。东南部的降水中心主要是受副热带天气系统的影响;合作延伸到托勒的相对湿舌是因为其位于青藏高原的背风坡;青海西部、甘肃西部到新疆南部为宽广的少雨区，是因为这些地方更深居内陆，远离海洋，同时受青藏高原的地形影响，降水稀少。到新疆西北部又出现了1个降水中心，是因为受西风气流、天山地形和北部河流、湖泊的影响，水汽输送较好，降水也就较多。

2.2 西北地区秋季降水的气候分区

采用EOF、REOF对1961-2016年西北地区119气象站的秋季降水进行分解。由EOF的各特征向量（图2）可以看出，第一特征向量新疆北部为负值区，其余为正值区，最大中心在兰州，为1.2，反映了新疆北部与其余地方有相反的趋势。第二特征向量新疆的塔城以北和西北的东南部为正值区，其余为大范围的负值区，负值中心在阿克苏和格尔木，分别为-0.6、-0.5.反映了新疆北部、西北东南部的一致性及与其余地方有相反的趋势。第三特征向量新疆大部为正值区，最大中心在乌鲁木齐，为1.0，其余基本为负值区，反映了新疆与西北其余地方具有相反的趋势。第四特征向量格尔木以西为正值区，最大中心在和田，为0.6，格尔木以东为负值区，中心在马鬃山，为-0.5，反映了西北地区秋季降水的东、西部具有相反的趋势。第五特征向量反映了宁夏、青海南部、新疆西部的局地性。

由REOF的各载荷向量（图3）可以看出，第一载荷向量北部为负，南部为正，最大中心在兰州，为0.9，说明西北东南部是降水的敏感区，也是容易发生异常的地方，这里位于青藏高原东北侧，是西北湿润半湿润的东南部向干旱少雨北部荒漠区过渡的地带，降水变率大稳定性小，也是最易出现降水异常的地区之一，而且降水异常对农业生产的影响也十分巨大，因此，这里是典型的西北雨养农业区。第二载荷向量整个西北地区基本为负值区，中心在西南部的和田，为-0.8，这说明西北西南部也是降水的敏感区，是容易发生异常的地方。第三载荷向量整个西北地区也基本为负值区，中心在青海的西宁附近，为-1.0，说明西宁附近也是降水的敏感区，是容易发生异常的地方。第四载荷向量反映了东南部的敏感区。第五载荷向量反映了乌鲁木齐的敏感区。由于西北地区地理环境极其复杂，因此不同区域之间的气候差异也十分明显，用REOF可较好地揭示出这种气候上的差异性，得出该地区秋季几个易出现降水异常的区域。

根据REOF前10个载荷向量的分布特征，可将西北地区秋季降水分为6个区，如图4所示。①北疆区。包括新疆北部和甘肃省的酒泉西部，代表站为乌鲁木齐。②南疆区。主要包括新疆南部，代表站为和田。③河西区。主要包括甘肃西部，代表站为张掖。④高原区。主要包括青海和甘肃的甘南，代表站为格尔木。⑤河东区。主要包括甘肃东部、宁夏南部和陕西北部，代表站为西峰。⑥陕南区。主要包括陕西南部、甘肃南部，代表站为西安。

2.3 西北地区秋季降水的年际及年代际变化规律

利用1961-2016年西北地区119个气象站的秋季降水资料，计算了站平均降水距平，由其时间演变曲线（图5）可以看出，年际变化很明显，最多的是1975年，为95.8 mm，最少的是1991年，为32.5 mm。1961-1965年降水减少，1966-1997年降水缓慢增加，尤其是1979-1997年增加明显，从1998年开始略有减少。1962-1979年3年周期变化规律明显，1979-1983年3年周期变化破坏，表现为2年振荡变化，1983-1997年4年周期明显;从1997年开始再次进入2年振荡变化，可能处在一个过渡阶段，从2001年开始有增加的趋势，是西北地区秋季降水从旱段向多雨段变化的转折点;1975年是一个突变年。

2.4 西北地区秋季降水与来年小麦产量的相关分析

秋季气温一般较低，土壤蒸发也较少，所以，秋季的有效降水对西北地区冬小麦越冬前积蓄底墒十分重要，充足的底墒不但对冬小麦的安全越冬有利，而且对抵抗来年的春旱也十分重要。所以秋季降水量的不断减少对冬小麦的播种和出苗以及安全越冬和抵抗春旱都十分不利。

小麦是中国西北地区主要的粮食作物。西北地区的小麦播种面积约392万hm2，占全国小麦面积的16%。西北五省（区）小麦播种面积占粮食播种面积的比例长期以来一直保持在40%-65%的水平。近年来，随着农业种植结构的调整，小麦面积在粮食播种面积中的比例趋于下降。1982年，陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆小麦播种面积的比例分别为40.15%、51.46%、54.87%、43.27%和65.33%. 2007年分别下降为36.92%、36.55%、51.03%、27.29%和43.93%。西北地区既种植冬小麦，也种植春小麦。从种植比例来看，陕西几乎全部种植冬小麦，而青海几乎全部种植春小麦;在甘肃和新疆，冬小麦种植比例较大，春小麦比例较小;宁夏春小麦种植比例较大，冬小麦比例较小。据统计年降水量的系数为0.117，且在5%水平上显著，表明年降水量增加1%，小麦产量能增长0.117%。

利用1961-2016年西北地区119个气象站的秋季降水量与小麦产量资料，进行相关分析，发现秋季降水量与来年小麦的产量呈正相关，其中高原区相关性最明显，通过0.05的显著性检验，南疆地区次之，河西地区和北疆地区有正相关关系但不明显。

3 小结与讨论

1）西北地区秋季降水量分布具有明显的空间差异，最少的是青海的冷湖气象站，为0.9mm，最多的是陕西的石泉气象站，为270.0 mm。通过EOF和REOF分析，西北地区秋季降水可以分为6个气候区，秋季降水量与小麦产量呈正相关。

2）干旱缺水是制約西北地区小麦可持续发展的主要因素。西北地区东部属于典型的雨养农业区，有效灌溉面积很小，秋季降水对小麦蓄墒非常重要，它不仅影响冬小麦的出苗，而且会影响春季作物的播种[17]。宜选择耐寒、耐旱的强冬性、冬性类型，抗病（条锈、黄矮、红矮、全蚀、秆黑粉等病），抗倒伏，抗青干，中早熟、稳产、高产、品质好的小麦品种。坡地种植还需要耐瘠。

3）通过分析西北地区小麦产量与秋季降水量的关系，对于充分利用气候变化规律，趋利避害，调整农作物布局有着重要的意义;播种前根据土壤墒情适时播种，墒情好，整地质量高，在冬季高寒有大风、积雪的地方，播种时保留沟垄;表墒欠佳的，整地粗糙，土块大且多，要随播随镇压提墒，耱平保墒;坡地推广山地水平沟种植法。

4）西北地区气候干旱，水资源严重短缺，且水土资源不匹配，成为制约农业生产最突出的问题。土地广阔的干旱地区，如新疆、青海北部、甘肃河西走廊、宁夏北部，降水量在200 mm以下，没有灌溉就没有农业;农耕地集中的黄土高原地区，降水量多在400-500 mm，可进行雨养农业，但降水集中，水土流失严重，水分对农业生产限制大;而陕南、陇南和青南山地，降水量虽在500 mm以上，但山大沟深耕地少，适宜从事农耕生产的土地十分有限。通过兴修梯田、条田、坝地，建设雨水集流工程，拦截、保蓄当地的天然降雨，使有限的降水更好地在生产中发挥作用。

5）西北地区地域宽广，东西气候差异大，尤其冬小麦实际生育期有很大的差异性，秋季降水量的年际变化和成因是需要进一步研究解决的问题。在生态环境局部改善、整体恶化的情况下，西北地区农业的可持续发展必须要把生态建设放在重要位置。

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基金项目：干旱气象科学研究基金项目（IAM201811）;甘肃省气象局科研项目（GSMACg2018-15）

作者简介：刘英（1975-），女，甘肃西峰人，高级工程师，主要从事天气预报及应用气象等研究，（电话）13909345296（电子信箱）gshx_ly@163.com;通信作者，周忠文（1974-），男，甘肃宁县人，高级工程师，主要从事农业气象研究与服务工作，（电话）13909345296（电子信箱）gsznzzw@163.com。