基于Z指数的寿阳县干旱气候特征分析

    杨星星 任睿智 李丹 李武元

    

    

    摘要 ? ?利用寿阳县1961—2018年逐月降水资料，采用降水Z指数作为气象干旱等级指标，分析该地区的干旱变化特征。结果表明，近58年来，寿阳县年气候呈干旱化趋势，出现干旱16年，发生频率为27.6%，1997—2010年期间干旱发生频率最高，干旱程度最为严重;季节干旱中，春季有湿润化趋势可能，夏、秋、冬季呈不明显干旱化趋势;四季干旱发生频率方面，春季为32.8%、夏季为27.6%、秋季为37.9%、冬季为31.0%。春季干旱主要发生在1971—1982年期间，夏季干旱在1965—1974年、1980—1986年、1997—2001年期间旱情最严重，秋季干旱在1994—2010年，冬季干旱在1981—2002年为多发阶段。季节干旱，除冬季外，其他3季干旱都对当地农作物正常生长带来极为不利的影响。

    关键词 ? ?Z指数;农业气象;干旱特征;山西寿阳

    中图分类号 ? ?S162 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A

    文章编号 ? 1007-5739（2020）20-0170-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?开放科学（资源服务）标识码（OSID）

    Abstract ? ?Using the monthly precipitation datas from 1961 to 2018 in Shouyang County and using the Z index of precipitation as an index of meteorological drought grades， the characteristics of drought changes in the area were analyzed. The results showed that the annual climate of Shouyang County had a aridification trend in the past 58 years， drought occurred in 16 years， with a frequency of 27.6%. The highest frequency of drought and the most severe drought appeared during 1997-2010. In seasonal droughts， there was a tendency for humidification in spring and no obvious drought trend in summer， autumn or winter. The seasonal drought frequency was 32.8% in spring， 27.6% in summer， 37.9% in autumn and 31.0% in winter. Spring drought mainly occurred during 1971-1982. Summer drought was the severest during 1965-1974， 1980-1986， and 1997-2001. Autumn drought occurred more frequently during 1994-2010， and winter drought occurred more frequently during 1981-2002. Seasonal drought， with the exception of winter drought， the drought in other season had extremely adverse effects on the normal growth of local crops.

    Keywords ? ?Z index; agrometeorology; drought characteristic; Shouyang Shanxi

    干旱是影響农业最为严重的自然灾害之一。随着全球气候变暖，中国干旱发生的范围不断地扩大，1961—2010年中国干旱年均受灾面积2 323万km2，约占农作物播种总面积的15.6%，特别是21世纪以后干旱成灾率达56%左右，反映出中国农业干旱化趋势严重[1]。近年来，不少学者对中国各区域干旱特征进行了很多研究。祁海霞等[2]对1951—2007年中国干旱发生频率的年代际变化特征及趋势分析认为，20世纪80年代至今是华北区域、黄河流域中游地区干旱高发区;荣艳淑等[3]指出，在全球气候变暖背景下，华北地区20世纪80年代和90年代约1/2的年份出现干旱，90年代华北的干旱频率比80年代更高;王毅荣[4]研究指出，中国黄土高原1961—2000年干旱趋于加重，1973年、1989年为Petitt变点，1973年之前旱年相对较少，1989年之后干旱年份明显增多、干旱加重;王 ?涛等[5]指出，山西省1961—2005年干旱趋势呈增多趋势，且旱年造成的影响大于涝年;郭 ?伟等[6]认为，山西1972—2012年春季和夏季干旱强度均呈下降趋势，夏季下降幅度较春季明显;周晋红等[7]认为，山西重旱年出现在20世纪60年代中期，而大旱和偏旱年大部分出现在20世纪80年代中期;梁进秋等[8]认为，山西省大同市1955—2009年秋季向湿润化发展趋势不明显，春、夏、冬季干旱均有增强趋势。目前，干旱问题已成为许多国内学者研究的重点，但是很多研究都是针对大区域范围内的，而关于县级区域干旱特征研究得不多。寿阳县地处山西省晋中市东北部，是典型的北方旱作农业区。玉米是寿阳县的主要粮食种植作物，干旱缺水是制约当地农业生产稳定与发展的主要气象灾害，发生频率高且造成的损失也非常严重。为了主动适应气候变化，更好地为当地农业生产提供优质气象服务，笔者对寿阳县1961—2018年干旱变化特征和规律进行了研究。

    1 ? ?材料与方法

    1.1 ? ?资料来源

    选用寿阳县气象观测站1961—2018年逐年月降水量资料，季节划分以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季。

    1.2 ? ?研究方法

    1.2.1 ? ?Z指数计算。Z指数计算是某一时段的降水量一般并不服从正态分布，现假设其服从Person-Ⅲ型分布，通过对降水量序列进行正态化处理，将概率密度函数Person-Ⅲ型分布转换为以Z为变量的标准正态分布[9]。具体计算公式为：

    1.2.2 ? ?旱涝等级划分。根据Z指数的正态分布曲线，将旱涝强度划分为7个不同等级并确定相应的Z指数界限值。Z值旱涝等级划分见表1。

    2 ? ?结果与分析

    2.1 ? ?年际干旱特征分析

    依据1961―2018年寿阳县年降水资料，计算得出58年来降水Z指数序列。从图1可知，Z指数呈下降趋势，下降速率为0.05/10 a，说明年气候向干旱化趋势发展，1997—2010期间年干旱发生频率最高，14年中发生干旱7年，几乎每隔2年就发生一次干旱。58年中，寿阳县发生干旱16年，干旱发生频率27.6%，即平均3.6年遇一次干旱，其中发生偏旱年份有1980年、1984年、1989年等8年，大旱年份有1965年、1968年、1974年、2000年、2001年共5年，重旱年份有3年，分别为1972年、1986年、1997年，具体情况见表2。

    2.2 ? ?季节干旱特征分析

    2.2.1 ? ?春季。从图2（a）可以看出，1961—2018年寿阳县春季Z指数呈上升趋势，上升速率0.05/10 a，说明春季未来向湿润化趋势发展。1971—1982年为春季干旱主要发生阶段，12年中发生干旱8年，其中1971—1974年为4年连旱，1981—1982年为2年连旱，2000—2005年期间也是春季干旱多发阶段，6年集中发生了4年干旱，且为两段连旱，分别是2000—2001年、2004—2005年，其余时间除1961—1962年出现了连旱外，发生干旱的年份较少，说明春季干旱具有明显阶段性和连续性。由表3可知，58年中，春季发生干旱19年，干旱发生频率为32.8%，3年遇一次春旱。其中，偏旱发生年份最多，有12年，占干旱年份的63.2%;大旱和重旱分别发生了4年和3年，1962年、1972年、2000年为春季3个重旱年份。

    2.2.2 ? ?夏季。从图2（b）可以看出，1961—2018年寿阳县夏季Z指数呈下降趋势，下降速率为0.02/10 a，说明夏季向干旱化趋势发展。夏季干旱发生时间比较分散，主要出现在4个阶段，分别为1965—1974年、1980—1986年、1997—2001年和2008—2015年期間均出现了4年干旱，尤其是前3段干旱程度最为严重，都以大旱或重旱年份出现，其中1984—1986年、2000—2001年、2014—2015年都是连年大旱。由表3可知，58年中，夏季发生干旱16年，干旱发生频率为27.6%，3.6年遇一次夏旱。其中，偏旱5年;大旱发生年份最多，为8年，占干旱年份的50.0%;重旱3年，分别为1965年、1972年、1997年。说明夏季虽然是降水集中季节，但是大旱或重旱出现的年份频率非常高。

    2.2.3 ? ?秋季。从图2（c）可以看出，1961—2018年寿阳县秋季Z指数呈下降趋势，下降速率为0.03/10 a，说明秋季也向干旱化趋势发展。秋季干旱阶段性和持续性也比较明显，1965—1998年期间几乎是每隔4～5年就发生一次干旱或2～3年连旱，如1965—1966年、1972年、1974年、1979—1981年和1986—1988年。1994—2010年是秋旱主要发生阶段，15年中发生干旱9年，其中1996—1999年为4年连旱，之后基本每隔1年就发生一次干旱，直至2011年以来，秋季干旱明显减少，仅在2018年出现了一次干旱。由表3可知，58年中，秋季发生干旱22年，干旱发生频率为37.9%，2.6年遇1次干旱。其中，偏旱发生年份最多，为14年，占干旱年份的63.6%;大旱发生7年;重旱只有1年，出现在1998年。

    2.2.4 ? ?冬季。从图2（d）可以看出，1961—2018年寿阳县冬季Z指数也呈下降趋势，下降速率仅为0.01/10 a，说明冬季向干旱化趋势发展，但不明显。1981—2002年是冬季干旱主要发生阶段，22年中发生干旱11年，基本是每隔1年就发生1次干旱，当中1983—1984年、1996—1997年为连续2年干旱。由表3可知，58年中，冬季发生干旱18年，干旱发生频率31.0%，3.2年遇一次干旱。其中，偏旱发生最高，为10年;大旱7年;重旱只有1年，发生在1999年。

    在分析各个季节旱情中，有的年份跨季节干旱时有发生。经统计，2季以上连旱发生频率25.9%，其中3个季节连旱4年，分别为1968年冬春夏连旱，1972年、1974年、2001年为春夏秋连旱;2个季节连旱11年，其中1961年、1971年、1981年为冬春连旱，1965年、1980年、1986年、1997年、2008年、2010年均为夏秋连旱，2000年和2014年为春夏连旱。

    2.3 ? ?干旱对寿阳县农业生产的影响及其对策

    寿阳县是雨养农业区，农业生产全部“靠天吃饭”，玉米是主要种植农作物，降水量及其分布直接关系到农作物是否正常生长及粮食产量的高低。经上述研究，近58年中，只有13年在各个季节无旱灾，剩余年份都在不同季节出现了干旱。在季节干旱中，春旱主要影响玉米适时播种出苗，尤其是4月上中旬期间发生干旱，后期又无降水来补充，会影响农作物正常播种，造成粮食减产。寿阳县1962年春季大旱，到6月底受旱面积达2万hm2 [10]。夏旱主要影响时段在6月下旬至8月中旬期间，此时玉米处于拔节—抽穗—乳熟期，干旱少雨，会出现“卡脖旱”，若出现重旱减产最严重[11-12]。秋旱主要影响玉米后期灌浆和籽粒饱满，最后造成减产。如果出现跨季节连旱，尤其是农作物生长季节，则会造成致命的打击。《晋中气象志》[13]记载1986年寿阳县春夏秋三季连旱，降水仅为286.5 mm，较常年减少40.2%，造成5.3万hm2大秋作物普遍受旱，旱灾较重的达3.9万hm2，坡地玉米全部枯死，98个村、1.6万人、1 700头大牲畜饮水困难。

    寿阳县是以大秋作物为主的农业区，又是以干旱为主要特征的气候区，因而应对干旱气候变化应采取相应的抗旱措施，从而对农业生产发展起到推动作用。旱作农业的核心是要千方百计保蓄土壤水分。近年来，大力推行地膜覆盖和生物覆盖栽培技术，不仅保墒作用显著，增温作用也很明显。另外，实施秋田深耕、增施有机肥、培肥地力、以肥调水等措施可提高有限降水的利用率，次年春季耙耱保墒、浅犁保墒、镇压提墒也是保蓄土壤水分的有效途径。在严重干旱的情况下，抓住有利的天气条件实施人工增雨作业，是缓解干旱的最有效、最经济的措施。

    3 ? ?结论与讨论

    寿阳县1961—2018年降水Z指数以0.05/10 a的速率下降，年气候向干旱化趋势发展，58年中出现了16年干旱，发生频率27.6%，平均3.6年遇一次干旱，1997—2010年期间为年干旱主要发生时期。

    在寿阳县1961—2018年四季干旱中，春季降水Z指数以0.05/10 a速率上升，未来向湿润化趋势发展，夏、秋、冬3季则分别以0.02、0.03、0.01/10 a速率下降，向干旱化趋势发展，但不明显。58年中，秋季干旱发生频率最高，其次是春季，冬季低于春季，夏季最低。春旱主要发生在1971—1982年期间，夏旱在1965—1974年、1980—1986年、1997—2001年期间最严重，秋旱和冬旱主要发生阶段分别为1994—2010年和1981—2002年。

    研究表明，寿阳县春季向湿润化趋势发展，对春播非常有利，夏秋冬季干旱趋势还会进一步发展。因此，发展旱作农业，在依靠天然降水的同时，必须采取相应的节水措施，如地膜覆盖、培肥地力、集雨灌溉、深翻改土等方法，提高降水的有效利用率;同时要有计划地培育和选用抗旱品种，积极开展人工增雨作业，使干旱气候条件得以改善，最大程度地减轻旱灾对农业生产造成的经济损失。

    依据降水Z指数划分干旱等级，主要考虑了降水因子，在一定程度上反映了气象干旱的特征，而对农业形成干旱，还受到气温、蒸发、土壤湿度等气象因子以及自然条件和人类活动的影响，这些还有待于今后进一步的深入研究。

    4 ? ?参考文献

    [1] 周广胜.气候变化对中国农业生产影响研究展望[J].气象与环境科学，2015，38（1）：80-94.

    [2] 祁海霞，智协飞，白永清.中国干旱发生频率的年代际变化特征及趋势分析[J].大气科学学报，2011，34（4）：447-455.

    [3] 荣艳淑，余锦华，段丽瑶.20世纪80和90年代华北干旱特征及成因分析[J].高原气象，2007，26（2）：319-324.

    [4] 王毅荣.中国黄土高原地区干旱特征[J].干旱区地理，2008，31（1）：38-42.

    [5] 王涛.朱敏嘉，崔爱萍，等.山西近45年降水变化对旱涝的影响分析[J].山西农业科学，2010，38（12）：61-63.

    [6] 郭伟，李莹，杜莉丽.基于SPI的山西省1972—2012年春夏干旱特征及对玉米产量的影响分析[J].干旱地区农业研究，2018，36（1）：230-236.

    [7] 周晋红，李丽平，秦爱民.山西气象干旱指标的确定及干旱气候变化研究[J].干旱地区农业研究，2010，28（3）：240-247.

    [8] 梁进秋，任璞，郭雪梅，等.大同市气象干旱变化趋势分析[J].中国农学通报，2011，27（3）：488-492.

    [9] 鞠笑生，楊贤为，陈丽娟，等.我国单站旱涝指标确定和区域旱涝级别划分的研究[J].应用气象学报，1997，8（1）：26-32.

    [10] 耿怀英，曹才瑞.自然灾害与防灾减灾[M].北京：气象出版社，2000：180-182.

    [11] 姜鹏，李曼华，薛晓萍，等.不同时期干旱对玉米生长发育及产量的影响[J].中国农学通报，2013，29（36）：232-235.

    [12] 张祖光，郝卫平，李昊儒，等.山西省春玉米生育期干旱特征分析[J].中国农业气象，2015，36（6）：754-761.

    [13] 朱俊峰.晋中市气象志[M].北京：气象出版社，2014：346.