昌吉州气象干旱特征及其对农业生产的影响分析

叶尔克江·霍依哈孜，阿帕尔·肉孜，周国宏，黄 健

（1.昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002）

近年来，受全球气候变暖的影响，中国极端气候事件频发，区域生态环境退化［1］。极端气象问题引发的气象灾害引起全社会的广泛关注［2］。全球气候变暖加剧了干旱、大风、高温、低温冷害等极端天气事件发生的概率和强度，与降水有关的旱灾是威胁国民经济特别是农业的最主要自然灾害之一［3］。气象干旱是区域范围内因长期无降水或降水异常偏少造成空气干燥、土壤缺水至干涸，进而导致农作物受害和减产的现象，气象干旱对农业生产和粮食安全的影响日益加重［4］。新疆位于中纬度欧亚大陆腹地，属典型的大陆性干旱气候区，干旱是新疆频发的、危害最严重的气候灾害，对经济建设、人民生活及农业生产危害极大，对生态系统构成威胁，且影响范围广、持续时间长、后果严重。近年来，有关新疆气象干旱的研究受到学术界的广泛关注。有研究指出，在全球气候变暖的背景下，新疆的气候由暖干向暖湿转变，极端事件增多［5-9］；许多学者用各类干旱指数对全疆或局部区域的干旱特征进行了研究，得出的结论也不同［10-13］；吴燕峰等［14］研究了1964—2012年石河子市干湿变化特征表明石河子垦区呈暖湿趋势。唐高溶等［15］研究阿勒泰地区作物生育期干湿变化特征表明阿勒泰地区气候总体日趋温暖湿润。这些学者为北疆气候干湿变化的研究提供了丰富的理论依据和经验。但是对气候变化极为敏感的昌吉回族自治州（简称昌吉州），气象干旱变化相关理论研究较少且并不深入。昌吉州为新疆最重要的粮食、畜牧、棉花、水果生产基地，气候变化下干旱演变对昌吉州农业生产过程和生态环境有直接的影响，因此探究昌吉州近60年的干旱时空变化特征及演变，对农业生产和生态安全具有重要意义。

昌吉州位于天山北麓、准噶尔盆地东南缘。位于北纬43°20′—45°00′，东经85°17′—91°32′。地势南高北低，由东南向西北倾斜，南部是天山山地，中部为广袤的冲积平原，北部为浩瀚的沙漠盆地。昌吉州处在欧亚大陆腹地、四周环山的盆地中，降水少、干燥度大、蒸发强烈，气温变化剧烈，为典型的大陆干旱性气候。具有冬季寒冷漫长，夏季炎热，光照充足，热量丰富，气温年较差、日较差大，春、秋季气温变化剧烈，春、夏季多风的特点。昌吉州辖有五县两市，自西向东为西部的玛纳斯县、呼图壁县，中部的昌吉市、阜康市，东部的吉木萨尔县、奇台县、木垒县。东部的奇台、木垒、吉木萨尔3个县为昌吉州主要的粮食生产基地，占昌吉州粮食种植面积的75%以上，东三县河灌区和山区旱地所占比例较大，整体上靠天吃饭的格局未改变。作物生长季如遇高温少雨干旱事件，对农牧业影响较大，近几年在大田调查中发现东三县旱地作物每年受旱灾的影响比较明显，导致农作物减产和品质的降低。因此，迫切需要对昌吉州气象干旱时空变化特征进行分析研究、掌握规律、进行干旱评价及预测。为昌吉州农业生产、开展干旱预报预警业务、防旱抗旱工作提供参考依据。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

采用昌吉州10个气象观测站1961—2020年降水资料，并收集7个县（市）及蔡家湖（103团）60年农作物干旱灾情资料，资料来源于昌吉州气象局灾情资料库及气象灾害大典。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱指标及分级标准 气象干旱是指持续的不正常的干燥天气导致缺水而引起的严重水文不平衡，其最明显的特征是降雨量持续低于某一正常值。气象干旱是由多方面综合因素造成的结果，从不同的层面考虑有不同的监测方法和指标，评价气象干旱的指标也是多样的，但降水量对干旱的影响最为直接，能够直观地表现出干旱发生的强度，且计算方法简单，因此文中采用《气象干旱等级国家标准》（GB/T 20481—2017）中降水距平百分率干旱指标（表1），选取月、季、年不同时间尺度干旱事件，气象干旱轻重程度分为5个等级：无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱。分析昌吉州近60年气象干旱时空特征。

表1 降水百分率气象干旱等级划分

1.2.2 降水量距平百分率的计算方法 降水距平百分率（P0）是指某段时间的降水量与常年同期降水量相比的百分率。

式中，P为某时间段降水量；为计算时段同期气候平均降水量。本标准中2010年以前取1971—2000年30年 平均值，2010年以后取1981—2010年30年平均值。

式中，Pi为时段i的降水量；n为样本数，n=1～30。

1.2.3 气象数据处理 选取昌吉州10个气象观测站60年（1961—2020年）降水资料，采用趋势分析法、M-K检验法探究1961—2020年昌吉州降水量变化趋势；采用Excel软件进行统计，并用降水距平百分率法计算出各站月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指标选取昌吉州60年逐月、逐季、逐年出现轻旱、中旱、重旱、特旱的事件，出现一次气象干旱事件（轻旱、中旱、重旱、特旱）计1个频次，对所出现的月、季、年气象干旱事件的频次进行累加，计算出各县（区）不同时间尺度气象干旱事件总频次在总时间段中所占频率，利用Excel、Origin和Arcgis 10.2软件绘图分析。

2 结果与分析

2.1 降水量变化特征

60年来，昌吉州降水量呈增加趋势，其气候倾向率为9.5 mm/10年，通过0.01显著性检验。年际变化幅度大，振幅明显（图2a），60年来已增加了57 mm。年降水量多年平均为237 mm，年降水量最大值出现在2015年，为347 mm，最小值出现在1962年，为138 mm，相差208.7 mm。降水量年内分配不均匀，夏季降水量最大，6、7、8月平均降水量分别为33.7、34.1、26.4 mm，合计94.3 mm，占全年总降水量的40%；春季3、4、5月降水量分别为12.0、26.0、30.4 mm，合计为68.4 mm，占全年的29%；秋季9、10、11月降水量分别为20.4、17.3、14.3 mm，秋季合计为52.0 mm，占全年的22%；冬季降水量最小，12、1、2月降水量分别为9.2、6.1、6.7 mm，合计仅有22.2 mm，占全年的9%。

从年代上分析，20世纪60、70年代为降水量相对偏少年代，80年代开始昌吉州降水量逐年增加，进入21世纪降水量增加平缓。由近60年年平均降水量序列的M-K检测（图2b）可以看出，20世纪80年代之前降水量波动较大，且正负值交替出现，80年代开始UF表现为增加趋势，并于1984年与UB曲线有个交点，之后UF曲线于1998年突破了0.05的临界线1.96。这说明20世纪80年代之前降水量整体偏少且变化不稳定，20世纪80年代初开始逐年增加，并且1983年发生了突变性增加，1998年增加明显。突变后（1984—2020年）较突变前（1961—1983年）昌吉州降水量增加了41.3 mm。

运用Arcgis 10.2软件，利用克里金插值法生成昌吉州近60年年平均降水空间分布。由（图2c）可知，降水量空间分布差距较大，降水量呈现山区多于平原，东西部多于中部和北部的格局。西部降水量180～200 mm，中部140～210 mm，东部180～190 mm，北部80～140 mm，山区180～553 mm。

上述分析表明，昌吉州降水量季节上的集中和不均衡分布造成干旱，春季、秋季和冬季降水量较少，且年际差异大，说明在春季作物播种季节、秋季作物收获期和冬小麦播种期，容易发生春旱或秋旱。而且冬季降水量很少，这会导致土壤含水量不足，影响第二年春季作物播种至出苗期，易形成春旱。

2.2 气象干旱特征

2.2.1 气象干旱月分布特征 分析不同月份昌吉州气象干旱事件发生的频次（表2）可知，60年来各县（市）气象干旱发生的月频次呈波动态势，玛纳斯县6—9月、11月较多，1—2月最多、4月最少，其余月份较平稳；呼图壁县7月最多，1—3月较多，4月最少，其余月份较平稳；阜康市、吉木萨尔县1—10月较多，11—12月较少；昌吉市5—10月较多，12月开始逐渐增加，1月最多，其余月份较平稳；奇台县、木垒县6—8月较多，1月最多，其余月份较平稳。通过以上分析得出，气象干旱主要发生在1月和5—10月，其中，1月最多，发生的频次为242次，其次是7月，发生的频次为232次，11月最少，发生的频次为162次，这与当地降水量的时间分布特征基本一致。昌吉州各地气象干旱月分布特征表明，农作物苗期至成熟期气象干旱出现频次较多。不同干旱程度对出苗率、出苗时间影响程度不同，灌浆成熟期干旱易造成子粒不饱满，千粒重下降，直接影响作物产量和品质。

表2 昌吉州1961—2020年气象干旱月频次 （单位：次）

由图3可以看出，过去的60年来，气象干旱共发生了283次，其中出现轻旱频数为43次，中旱频数为36次，重旱频数为20次，特旱频数最多，为184次，占总数的65%，主要表现在1—2月占47%～52%，6—9月占35%～40%，这说明1—2月、6—9月是昌吉州主要的干旱期。6—9月是昌吉州各县（市）主要作物生长和产量形成关键期，也是农田需水高峰期。此期间出现的阶段性干旱强度大、频率高，对农牧业生产影响较大。

2.2.2 气象干旱季分布特征 分析不同季节昌吉州气象干旱事件发生的频次（表3）可知，近60年各季发生的气象干旱事件频次分别是春季195次、夏季206次、秋季216次、冬季211次。昌吉州气象干旱主要是秋旱，冬旱次之，夏、春旱较少，这与该区域降水量的季节分布特征基本吻合。从县（市）的角度来看，各县（市）发生的气象干旱频次分别为玛纳斯县83次、呼图壁县76次、昌吉市88次、蔡家湖86次、阜康市94次、吉木萨尔县85次、奇台县、木垒县均81次、天池74次、北塔山80次，频率依次为35%、32%、37%、36%、39%、35%、34%、34%、31%、33%，可以看出，阜康市、昌吉市、蔡家湖的气象干旱发生频次较多，天池较少，其余县（市）相差不大。

表3 昌吉州1961—2020年气象干旱季频次（单位：次）

从季尺度气象干旱等级分布情况（图4）来看，近60年春季气象干旱以轻旱为主、特旱次之、中旱及重旱发生频次较少，其中，玛纳斯县、昌吉市、蔡家湖、阜康市、奇台县、木垒县发生轻旱频次较多，为9～12次，其余县（市）较少，为4～6次；夏季气象干旱以轻旱和特旱为主，中旱次之，其中，昌吉市、吉木萨尔县、北塔山发生特旱频次较多，为9～11次，玛纳斯县、呼图壁县发生轻旱频次最多，分别为10次，阜康市特旱和中旱并列出现，分别为11、9次，其余县（市）发生轻旱、特旱、中旱频次均较少；秋季气象干旱以轻旱为主，特旱次之，其中，阜康市、奇台县、木垒县、天池发生轻旱频次较多，阜康市特旱出现最多，为12次；冬季以特旱为主，各地出现频次较多，这与各地冬季气候特征降水量等因素有关。

2.2.3 气象干旱年分布特征 用年尺度计算，选取60年气象干旱事件进行分析，若1年内3个县（市）同时发生气象干旱事件，则认为是1次区域性气象干旱事件。分析发现，60年来有20年发生了区域性气象干旱，分别是1962、1965、1967、1968年，1973—1975年，1977、1981、1985、1986、1989、1991、1995、1997、2001、2008、2014年，2019—2020年。从20世纪90年代至2010年为气象干旱事件（年尺度）发生的频次减少年代。近11年（2010—2020年）干旱事件又逐年增加，11年出现3次区域性干旱，这与气候变暖背景下极端气候事件的增多、降水量的逐年变化及分布不均衡、河流来水量明显偏少、资源性缺水等密切相关。

从年尺度气象干旱等级分布情况（图5）来看，60年来昌吉州气象干旱以轻旱和特旱为主，中旱次之，重旱出现较少。其中，蔡家湖、奇台县发生轻旱的频次最多，分别出现11次和10次，吉木萨尔县、木垒县次之，为8次；阜康市发生特旱频次最多，为11次，玛纳斯县、吉木萨尔县、奇台县、天池站、北塔山站次之，出现7～8次；呼图壁县、昌吉市出现中旱频次较多，分别为6次和7次；其余县发生较少。

2.3 降水距平百分率评价气象干旱结果与实际历史记载对比分析

昌吉州是典型的干旱地区，降水少，且分布不均匀，昌吉州历史上的严重干旱是由长期少雨造成的。干旱灾害是昌吉州发生频繁、持续时间长的一种气象灾害，根据昌吉州气象局灾情资料库及气象灾害大典记载的昌吉州1961—2020年灾害情况，结合降水距平百分率的逐月、季、年气象干旱评价结果，将历史旱灾情况与干旱指标评价结果进行对比，具体情况见表4，其中，大旱指的是重旱和特旱，旱指的是轻旱和中旱。从表4可以看出，昌吉州1961—2020年发生旱灾的年数为26年，其中，重大旱灾年数为9年，将干旱指标评价中的特旱和重旱标准作为评定重大旱灾的标准，中旱和轻旱评定为一般旱灾的标准，从而得到降水距平百分率的干旱评价结果。降水距平百分率评定的旱灾年与历史旱灾年吻合年数为21年，吻合率达80%，说明降水距平百分率与实际干旱过程吻合得较好，能基本反映昌吉州的干旱情况。

表4 1961—2020年昌吉州历史旱灾情况与干旱指标评价结果对比

2.4 气象干旱对农业生产影响

统计1961—2020年昌吉州农区7个县（市）及蔡家湖（103团）的干旱灾情，对各县（市）60年气象干旱造成的农作物成灾面积进行累加，详细分析其对农作物生产的影响。结果（图6）表明，近60年受气象干旱影响，奇台县、吉木萨尔县、木垒县、阜康市农作物成灾面积较大，受灾程度严重，蔡家湖、昌吉市次之，玛纳斯县、呼图壁县较小，受灾程度轻。这与地区气候特征差异、降水不均衡、水资源分布、地形地貌、种植结构、灌溉模式不同有一定的关系。

从昌吉州1961—2020年气象干旱造成的农作物成灾面积年际变化来看，气象干旱灾害造成的农作物成灾面积呈弱减少趋势，减少不明显，未通过显著性检验。历史旱灾主要发生在20世纪60—80年代，进入20世纪90年代逐年减少，到2010年后区域性气象干旱有所增加，但未产生灾害，这与近年来干旱监测、预报预警能力的提高，干旱状况评估的及时开展、人工增雨作业的适时进行、合理开发利用空中水资源以及种植结构和种植模式的调整等密不可分。其中，1962、1974、1980、1989、1991、1997、2008、2020年成灾面积较大。不同气象干旱年造成农作物受灾面积的不同与气象干旱灾害的严重程度及干旱发生时农作物生长发育时期的不同有一定关系。

3 小结与讨论

本研究利用昌吉州10个气象站，60年（1961—2020年）降水及干旱灾情资料，计算各气象站月、季、年降水距平百分率，按降水距平百分率干旱指标选取干旱事件，分析不同时间尺度气象干旱的时空特征，并计算气象干旱日数及农作物成灾面积的逐年变化趋势，研究气象干旱对农业生产的影响，得出以下结论。

1）近60年昌吉州降水量呈增加趋势，年内分布不均衡，夏季降水量最大，主要集中在6、7月，冬季降水量最小；从年代上来看，20世纪60、70年代为降水量相对偏少年代，20世纪80年代开始逐年增加，进入21世纪降水量增加平缓；通过M-K检验可以看出，20世纪80年代之前降水量整体偏少且变化不稳定，20世纪80年代初开始逐年增加，并且1983年发生了突变性增加，1998年增加明显；在空间分布上呈现东西差距较大，降水量山区多于平原，东部和西部多于中部的分布格局。

2）以降水距平百分率标准为基础，从月、季、年不同时间尺度对昌吉州气象干旱时空分布特征进行详细分析可知，月尺度上，各气象站气象干旱频次1—2月和5—10月较多，其中1月最多，7月次之，11月最少，干旱等级以特旱为主；季尺度上，气象干旱主要是秋旱，冬旱次之，主要以轻旱为主，特旱次之；60年来有20年发生了干旱事件，均以轻旱和特旱为主，中旱次之，重旱出现较少。从20世纪90年代至2010年气象干旱事件发生的频次减少，近11年（2010—2020年）干旱事件又逐年增加，这与气候变暖背景下极端气候事件的增多、降水量的逐年变化及分布不均衡、河流来水量明显偏少、资源性缺水等密切相关。

3）根据昌吉州气象局灾情资料库及气象灾害大典记载的昌吉州1961—2020年灾害实际情况，结合降水距平百分率的逐月、季、年气象干旱评价结果，对历史旱灾情况与干旱指标评价结果进行对比可知，降水距平百分率评定的旱灾年与历史旱灾年吻合年数为21年，吻合率达80%，说明降水距平百分率与实际干旱过程吻合得较好，能基本反映昌吉州的干旱情况。

4）近60年受气象干旱影响，阜康市、吉木萨尔、奇台、木垒县农作物成灾面积较大，受灾程度严重，蔡家湖、昌吉市次之，玛纳斯县、呼图壁县较小，受灾程度轻。气象干旱灾害造成的农作物成灾面积呈弱减少趋势，减少不明显，未通过显著性检验。历史旱灾主要发生在20世纪60—80年代，进入20世纪90年代逐年减少，到2010年后区域性气象干旱有所增加，但未产生灾害，这与近年来干旱监测、预报预警能力的提高，干旱状况评估的及时开展、人工增雨作业的适时进行、合理开发利用空中水资源以及种植结构和种植模式的调整等有关。

本研究以降水距平百分率标准为基础，从月、季、年不同时间尺度对昌吉州气象干旱时空分布特征进行了详细分析，并研究气象干旱对该地区农业生产的影响，突破了新疆传统的从某一种时间尺度对气象干旱进行研究的思维，降水距平百分率指标在昌吉州的适用性评价，对气象干旱的监测、预报、预警有了新的指导意义。用降水距平百分率作为选取气象干旱的标准，直观、简单、容易理解，但是干旱是由诸多因素造成的，如气温、蒸发、土壤墒情、灌溉条件、种植结构、植物生育期的抗旱能力以及工业和城市用水等。为了更深入更客观地了解气象干旱发生、发展的规律，提高干旱预报、预警服务能力以及干旱的防治能力，需要建立适合当地包含诸多因素的干旱指标综合模型，以期进一步揭示昌吉州气象干旱的变化规律，提高气象干旱的监测、预报、预警及防治能力。