首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 气象学论文 > 气象灾害论文 > 基于时空分布规律进行最近30年来廊坊市冬小麦干旱发生研究

基于时空分布规律进行最近30年来廊坊市冬小麦干旱发生研究

2020-06-03 297 上传者：管理员

摘要：根据1990—2017年3月上旬至6月上旬廊坊市9个县(区)冬小麦产区的逐旬降水资料,以降水距平(Pa)为干旱指标,从时间、空间尺度分析近30年廊坊市冬小麦干旱时空分布特征。研究结果如下:(1)年代发生趋势:廊坊地区冬小麦干旱多发于20世纪90年代,其中1996年发生次数最多;干旱的总体发生次数呈下降趋势;(2)旬变化特征:从3月上旬至6月上旬干旱的总体发生次数呈明显下降趋势;(3)空间分布:干旱发生概率整体呈现南部偏高,中北部偏低;西部低、东部高的空间分布特征。

关键词：
冬小麦
干旱
廊坊市
时空分布
气象灾害
自然灾害
加入收藏

农业是露天生产为主的高风险性产业,我国又是世界上易灾、多灾与灾情严重的国家。干旱是我国最常见的自然灾害之一,具有发生频率高、持续时间长和影响范围广的特点。在农业气象灾害中,旱灾是影响我国粮食生产最严重的自然灾害,频发率占53%[1]。冬小麦是廊坊重要的粮食作物,每年干旱灾害都会给冬小麦生长带来不同程度的影响。特别是21世纪以来,廊坊气候特点为气温升高、降水减少,70%以上的降水主要集中在7—9月份,冬小麦生育期内自然降水不能满足其生长需要,对冬小麦产量造成了明显影响,例如,2000、2001年冬小麦因旱减产10%～30%。

国内外在干旱的监测、指标、预测、影响和减轻防御等方面做了大量的研究[2,3,4,5,6,7]。20世纪90年代以来,我国开展了干旱短期气候预测预警,其中西北、华北地区的干旱预警预测取得了明显的进展与效果,但是主要针对气象干旱。21世纪以来,气象干旱指标在干旱监测预测方面的研究和应用都得到快速发展[8,9,10,11]。本研究依据20世纪90年代以来的农业气象观测资料,探讨廊坊市冬小麦干旱发生规律及其变化趋势,旨在为农业生产适应气候变化、确保小麦安全生产提供科学依据。研究结果对于现代农业生产防灾减灾、趋利避害具有现实意义。

1、研究区概况

廊坊市位于河北省中部偏东部,地处中纬度地带,属暖温带大陆性季风气候,全市年平均日照时数在2660h左右,光热条件可满足冬小麦生长需求;年平均降水量为554.9mm,降水季节分布不均,6—8月份降水量一般可达全年总降水量的70%～80%。冬小麦生育期在10月至翌年6月上旬,自然降水一般不能满足其生长需要。

2、材料与方法

2.1资料来源

研究所用资料来自于廊坊市气象局各地面气象观测站、《中国气象灾害大典(河北卷)》以及霸州市、三河市农业气象观测站资料。

2.2研究方法

2.2.1降水量距平(Pa)

反映的是某时段内的降水量相较常年偏多或偏少的程度,即某时段内的降水同平均状态的偏离程度。它可以反映降水少引起的干旱(表1)。

降水量距平指数的计算公式为:

式中:Pi为某时段降水量;P¯¯¯为计算某时段同期气候平均降水量,n为研究的年数,i=1,2,3,…,n。

表1降水距平指数干旱等级

3、结果与分析

3.1干旱的空间分布特征

统计各站3月上旬至6月上旬各等级干旱发生次数,分析空间分布特征(图1)。

由图1-a可知,1990—2017年近30年冬小麦主要生长季中,固安县发生干旱次数最少,为69次;其次为三河市、香河县、廊坊市区、永清县、大厂回族自治县,发生次数为108～110次;霸州市、大城县、文安县发生次数较多,为112～119次;总干旱发生次数整体呈现南部偏高、中北部偏低,西部低、东部高的空间分布特征。

由图1-b可以看出,轻旱、特重旱的空间分布特征基本一致,整体表现为南北两头偏高,中部偏低。其中固安县发生轻旱次数最少,为17次;文安县发生轻旱次数最多,为37次。香河县特重旱发生次数最少,为20次;大城县特重旱发生次数最多,为38次。

中旱的空间分布整体呈现西部低,南部高的特征。固安县发生中旱次数最少,为16次;大城县发生次数最多,为36次;其他地区发生次数为17～28次。

重旱空间分布呈现西部低、东部高,南北两头偏低、中部偏高的特征,与轻、特重旱分布规律大致相反。其中固安县发生重旱次数最少,为14次;大城、三河、文安、大厂、霸州发生次数较少,范围为17～29次;香河、永清、廊坊发生次数较多。

由图1-c可以看出,各等级干旱轻旱发生的次数最多,为278次,出现概率为29%;其次是特重旱为242次,出现概率为25%;中、重旱的发生的次数最少,为214～224次,出现概率为22%～23%。

3.2干旱的旬变化特征

空间分布反映了30年间每年3月上旬至6月上旬10个旬出现干旱次数的特征,为了揭示各旬干旱变化特征,统计了1991—2017年各旬各等级干旱出现次数(图2)。

由图2-a可知,3月上旬至6月上旬,干旱总次数整体呈先升后降趋势,其中3月上旬至3月下旬干旱出现最多,范围为124～137次。4月上旬至4月下旬干旱出现次数较多,为94～102次;5旬上旬至6月上旬出现次数最少,为57～82次。

由图2-b可以看出,轻旱主要发生在4月份的各旬和5月下旬,出现概率均在11.5%以上,其他各旬出现概率较低,均在9.4%以下;中旱主要发生在3月中旬和4月上旬至5月上旬,出现概率均在10.7%以上,其他各旬出现概率较低,均在7.9%以下;重旱主要发生在3月份的各旬和5月上中旬,出现概率均在10.7%以上,其他各旬出现概率较低,均在9.4%以下;特重旱集中发生在3月份的各旬,出现概率占到74.8%;其次为4月上旬,出现概率占到10.3%;4月中旬至6月上旬发生次数较少,出现概率在0.4%～3.7%。

3.3干旱的年代变化特征

统计逐年3月上旬至6月上旬各站各等级干旱出现次数,从干旱总次数逐年变化曲线(图3-a)可以看出,1990年发生次数最少,仅1次;1996年发生次数最多,为80次。20世纪90年代,干旱发生次数较多,占总次数的41.3%,从年代发生趋势看,干旱的总体发生次数呈下降趋势。

从轻旱次数逐年变化曲线(图3-b)可以看出,2015年未出现轻旱,1990、1991、2014、2004年发生次数较少,均不到5次,1992、2003年发生次数最多,为22～23次。从年代发生趋势看,轻旱的总体发生次数呈下降趋势。

从中旱次数逐年变化曲线(图3-c)可以看出,1990、2008—2010、2015年均未出现轻旱,1991、1997、1998、2000、2002—2005、2016、2017年发生次数较少,为2～7次,出现概率不足3%,1996、2006年发生次数最多,为23次。从年代发生趋势看,中旱年际间变化较大,总体发生次数呈下降趋势。

从重旱次数逐年变化曲线(图3-d)可以看出,1990、1991、2003、2009、2010、2015年均未出现重旱,1999、2008、2011年发生次数较少,为2次,出现概率不足1%,1996、2006年发生次数最多,为24～28次。从年代发生趋势看,重旱年际间变化较大,下降趋势较小。

从特重旱次数逐年变化曲线图(图3-e)可以看出,1990、1991、1998、2003、2009、2010年均未出现特重旱,1999、2007年发生次数较少,为2～3次,出现概率约1%,1996、2016年发生次数最多,为21～22次,出现概率约9%。从年代发生趋势看,20世纪90年代特重旱发生次数较多,21世纪初发生次数较少,最近几年,随着极端天气增多,特重旱发生次数又开始增加。

3.4与土壤相对湿度分析对比

土壤相对湿度(R)是表征土壤干旱的指标,能直接反映作物可利用水分的状况。该指标的优点是,基于田间实测,客观反映农业旱情。麦田耗水以1m深内的土层为主,其中,耕层0～20cm是主要的供水层,土壤水分含量变幅也最大,本研究中土壤相对湿度指数为逢8取土的10、20cm土层土壤相对湿度的平均值,以百分数表示。

本研究中采用霸州市、三河市农业气象观测站资料,观测地块为有灌溉条件的麦田。

由于越冬期不进行土壤墒情观测,并且有的站点土壤墒情资料不完整,经整理得到三河、霸州气象站1990—2017年旬样本资料,按照土壤相对湿度(R)的干旱等级划分标准(表2)进行统计分析检验,得出冬小麦主要生长季(3月上旬至6月上旬)干旱时空变化规律。

3.4.1各等级干旱的空间分布特征对比

三河、霸州气象站在1990—2017年560个旬样本资料中,三河市发生干旱的次数较多,为69次;霸州市出现次数较少,为32次。这一规律跟降水距平分析得到的干旱总次数空间分布特征一致。

表2土壤相对湿度(R)的干旱等级划分

3.4.2各等级干旱的旬变化特征对比

由图4-a可以看出,6月上旬干旱出现次数最多,4月下旬至5月下旬次之;3月上旬至4月中旬较少。由图4-b、图4-c可以看出,旱情主要发生在4月下旬至6月上旬,其中,重旱及以上旱情主要发生在6月上旬,出现概率最高为38.5%;3月上旬至4月中旬未出现重旱以上旱情,旱情以轻旱、中旱为主。这一规律跟降水距平分析得到的干旱的旬变化特征几乎相反,分析主要原因为三河、霸州2个气象站观测点均为灌溉条件便利的地段,田间管理措施得当,3月上旬至4月中旬麦田浇返青水,及时补充土壤水分,未出现重旱以上旱情;4月下旬至5月下旬,随着气温升高,土壤表层蒸发量增加,出现干旱的概率增加;6月上旬冬小麦进入成熟期,为防止倒伏和贪青晚熟降低产量,不适合浇水,而此时气温高,蒸发量大,重旱及以上旱情出现概率大大增加。

3.4.3干旱的年代变化特征对比

从干旱次数年际变化来看,各等级干旱总次数呈增加趋势(图5-a);1991—2000年26次,2001—2010年37次,2011—2017年36次,干旱频发期位于21世纪,20世纪90年代干旱发生次数相对较少。其中2002、2016年发生的次数最多,为10次;从轻、中旱次数逐年变化曲线图(图5-b)可以看出,2002、2015年发生的次数最多,为9～10次;由图5-c可知,重、特重干旱只出现在1996、1997、2001、2016、2017年份,其中2016、2017年发生的次数较多,为4～5次,出现概率为30.8%～38.5%,其他年份均出现1次。因此1990—2017年中干旱程度较重和范围较广的年份为2002、2015、2016、2017年。

表3三河市、霸州市气象站观测点的干旱分析结果对比

从各等级干旱出现的次数来看,轻旱出现次数最多,占干旱总次数的50%以上(图5-d),其次为中旱,大部分年份占总干旱次数的30%以上,重、特重干旱出现次数最少,占总干旱次数的12%。这一规律跟降水距平分析得到的干旱年代变化特征对比发现,干旱程度较重和范围较广的年份为1996、2002、2016年。轻旱最严重的年份是2002年;中旱、重旱最严重的年份是1996年;特重旱最严重的年份是1996、2016年。有灌溉条件的麦田,发生重旱及以上干旱的概率大大降低。

4、结论与讨论

廊坊地区冬小麦干旱年代发生趋势:多发于20世纪90年代,其中1996年发生次数最多,干旱的总体发生次数呈下降趋势;旬变化特征:从3月上旬至6月上旬干旱的总体发生次数呈明显下降趋势;空间分布特征:干旱发生概率整体呈现南部偏高、中北部偏低,西部低、东部高的空间分布特征。

本研究只采用降水距平作为冬小麦干旱指标,优点是方法简单明了、资料容易获取、意义明确,但该指标仅考虑了单一的降水量因子,没考虑蒸发、下垫层、灌溉及其他相关因素的影响。通过与土壤相对湿度作为冬小麦干旱指标分析结果对比,有灌溉条件的麦田,发生重旱及以上干旱的概率大大降低。

考虑到降水时空分布的不均匀性,降水距平指标只能大致反映干旱发生的趋势,也不能直接表征作物遭受干旱的影响程度。同时,由于降水时空分布的不均匀性,降水量偏多的季节仍可能出现严重干旱,这是因为有较长连续无降水时段的存在;而如果降水的时空分布比较均匀,则降水量偏少的年份也可能无旱灾发生,因而在干旱时空分布特征分析上存在一定的局限性。随着社会发展进步,21世纪以来,廊坊地区大部分冬小麦田有灌溉条件,防旱抗旱能力较强,但干旱灾害依旧存在,冬小麦干旱灾害防御应采取合理布局小麦品种、合理灌溉、加强田间管理、提高抗旱预警能力等综合措施。

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):80-84.

[2]胡实,莫兴国,林忠辉.未来气候情景下我国北方地区干旱时空变化趋势[J].干旱区地理,2015,38(2):239-248.

[4]张强,张良,崔显成,等.干旱监测与评价技术的发展及其科学挑战[J].地球科学进展,2011,26(7):763-778.

[6]张庆云,陶诗言,彭京备.我国灾害性天气气候事件成因机理的研究进展[J].大气科学,2008,32(4):815-825.

[8]赵丽,冯宝平,张书花.国内外干旱及干旱指标研究进展[J].江苏农业科学,2012,40(8):345-348.

[9]张强,姚玉璧,李耀辉,等.中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望[J].地球科学进展,2015,30(2):196-213.

[10]邹旭恺,张强,王有民,等.干旱指标研究进展及中美两国国家级干旱监测[J].气象,2005,31(7):6-9.

[11]王劲松,李耀辉,王润元,等.我国气象干旱研究进展评述[J].干旱气象,2012,30(4):497-508.

马春平,杨帅,白千川,赵博宇.近30年廊坊市冬小麦干旱时空分布规律[J].江苏农业科学,2020,48(08):252-260.

基金:河北省廊坊市气象局自立项目(编号:201712).