1961—2015年甘肃省伏旱时空分布特征及影响分析

林婧婧，赵冠男

(1.西北区域气候中心， 甘肃 兰州 730020； 2.江西省气象局， 江西 南昌 330096)

甘肃省地处内陆，降水少、气候干燥、水资源贫乏是影响甘肃省农业和社会经济发展的主要原因。甘肃省每年因干旱灾害造成的经济损失占自然灾害的56%，尤其是近年来河东雨养农业区的降水呈减少趋势，干旱灾害对农业的影响尤其显著[1-9]。

近年来，关于甘肃省春旱和春末夏初旱的发生频率、范围、年代际变化及其对农业的影响已有大量研究：甘肃省20世纪60年代至2008年春旱频率呈增加趋势[10]，春末夏初旱出现的频率和干旱范围在20世纪90年代至2008年均呈增加趋势[11]。一些研究还分析了甘肃省伏旱指数的变化特征[12-13]以及干旱对甘肃省玉米和冬小麦的影响[14-15]。

甘肃省大部分地区为干旱和半干旱气候，特别是河东雨养农业区，是气候变化敏感区域，又是生态环境脆弱区，农作物生长所需的水分主要依靠自然降水，农业生产受降水量变化的影响非常明显。伏期(7—8月)是甘肃省秋季作物生长的需水关键期，降水量直接影响秋季作物的产量和品质。因此本研究拟利用甘肃省80个气象观测站1961—2015年夏季(7—8月)历年降水量资料，分析伏期干旱发生的频率、空间分布和年代际的变化特征，以为伏旱辨识、监测预测和影响评估提供科学依据。

1 资料与方法

基于甘肃省气象干旱规律和旱灾发生情况，考虑到降水量明显偏少是导致干旱发生的最主要原因，在此使用降水距平百分率作为衡量气象干旱程度的主要依据。降水距平百分率是表征某时段降水量较常年值偏多或偏少的指标之一，能直观反映降水异常引起的气象干旱，在气象日常业务中多用于评估月、季、年发生的气象干旱事件。参照中华人民共和国国家标准-气象干旱等级(GB/T2048122006)中降水距平百分率气象干旱指标定义，结合《中国气象灾害大典·甘肃卷》历史干旱记录，制定甘肃省降水距平百分率气象干旱等级划分指标(表1)。

表1 甘肃省降水距平百分率气象干旱等级划分指标

利用甘肃省80个气象观测站1961—2015年夏季(7—8月)历年降水量资料，计算伏期(7—8月)降水距平百分率。伏期常年均值根据世界气象组织规定，采用1981—2010年期间的资料计算。根据定义，某时段降水量距平百分率(Pa)可计算如下：

(1)

考虑到甘肃省河西地区绝大多数是灌溉农业区，降水对农业生产的影响并不十分突出，而河东地区为雨养农业区，受降水影响十分显著。因此，在研究伏旱特征时，分别研究甘肃全省(80个站)、河西地区(19个站)和河东地区(61个站)的伏旱特征，并将研究时段内的干旱站数占总站数的百分比在25%以上的年份确定为区域性干旱年。

伏旱强度指数计算如下[16]：

R0=ΔR+ΔRz

(2)

式中，ΔR为区域平均日降水量距平百分率；ΔRz为正距平站数占总站数的百分率；区域降水强度指数R0即为区域平均日降水量距平百分率与正距平站数占总站数百分率之和。于是伏旱强度指数可表示为：

(3)

干旱灾情数据采用甘肃省1985—2014年灾情普查数据，仅获取伏旱时段(7—8月)的灾情数据。

2 结果分析

2.1 伏旱空间分布格局

甘肃省降水量的空间分布不均，年降水量300 mm以下的地区占全省总面积的58%。而且全省降水量的季节分布不均，年际变化大，导致干旱成为甘肃省最严重的气象灾害。依照干旱出现时间，可分为春旱(3—4月)、春末夏初旱(5—6月)、伏旱(7—8月)和秋旱(9—10月)，其中伏旱出现频率最低。

全省伏旱发生频率在10%～55%之间(图1)，河西走廊伏旱发生频率为30%～55%，平均2～5 a一遇，是全省伏旱发生频率最高的区域。在陇中北部、陇东和陇南大部，伏旱发生频率为30%～40%，平均3 a一遇，是伏旱发生频率次高区。陇中南部和甘南高原伏旱发生频率为20%～30%，平均3～5 a一遇，是伏旱发生频率最低的区域。

2.2 伏旱的年代际变化

甘肃全省、河西和河东近55 a伏旱发生频率的年代际变化较为稳定，均呈弱的增加趋势。其中，全省近55 a伏旱发生的频率为51%，河西旱作农业区伏旱的发生频率为63%，河东雨养农业区伏旱的发生频率为43%(表2)。

甘肃省区域性伏旱频率分析发现，全省重大伏旱的发生频率为5%，20世纪60年代至80年代没有发生重大伏旱，20世纪90年代和21世纪初发生重大伏旱的频率均为10%，自20世纪90年代起发生重大伏旱的频率开始增加，2011年以后发生重大伏旱的频率达到最大。河西重大伏旱发生频率在21世纪初减小；而河东重大伏旱的发生频率与甘肃全省基本相同，均自20世纪90年代起开始增加。

图1 1961—2015年甘肃省伏旱发生频率空间分布

Fig.1 Spatial distribution of summer drought occurrence frequency in Gansu Province during 1961—2015

2.3 伏旱演变趋势

甘肃全省近55 a发生伏旱站数占总站数比在1961—1985年间呈下降趋势，倾向率为-9.6%·10a-1，1986—2015年间呈弱的增加趋势。

甘肃全省和河东发生伏旱站数占总站数比的年代际变化趋势基本相同，在20世纪60年代和80年代，发生伏旱站数占总站数比均呈先增加后减少趋势，70年代呈减少趋势；90年代以后呈先减小后增加趋势。河西发生伏旱站数占总站数比在20世纪60年代呈减小趋势，70年代呈先增加后减小趋势，80年代以后与甘肃全省、河东的年代际变化趋势相同。

全省伏旱发生大旱以上的区域，在20世纪60年代初主要出现在酒泉、武威和庆阳三市，之后缩小；进入70年代初，则较为均匀地出现在河东大部分地区，在70年代中后期，主要集中出现在酒泉市和武威市；80年代初期转移到陇中的白银、兰州和临夏三市(州)，中后期则主要集中在酒泉市和张掖市；1991年开始河西西部、陇中大部和南部地区出现大范围伏旱，随后发展为河东大部地区；90年代末期至2013年，伏旱向河西地区延伸，范围先扩大后缩小，近两年又出现扩大趋势。

发生伏旱站数占总站数百分比的演变趋势主要可分为五个时期(图2)：(1) 1961—1970年，伏旱站数占总站数的百分比在29.5%，呈减小趋势，平均每10 a减小17.9%；(2) 1971—1979年，伏旱站数占总站数的百分比在31.2%左右，呈显著减小趋势，平均每10 a减小61.4%；(3) 1981—1991年，伏旱站数占总站数的百分比在36%左右，呈增加趋势，平均每10 a增加19.1%；(4) 1992—2002年，伏旱站数占总站数的百分比在33.6%左右，呈显著增加趋势，平均每10 a增加52.2%；(5) 2003—2015年，伏旱站数占总站数的百分比在32%左右，呈增加趋势，平均每10 a增大25.4%。

在五个伏旱演变明显时段，发生伏旱站数占总站数比的平均值呈先增加后减小变化趋势，尤其是在1981—1991年，共有4 a伏旱站数占总站数比大于50%，其中70%以上的有2 a。

2.4 伏旱强度变化

利用区域降水强度指数分析伏旱时段特征。在气候分析中规定，盛夏连续10 d以上区域降水指数小于0，且时段内累计区域降水强度指数的和≤-800%，则称之为伏旱时段，伏旱开始/结束日为区域降水强度指数稳定通过小于/大于0的伏旱时段开始/结束日期。伏旱开始日与结束日之间的天数为伏旱日数。因此，近55 a甘肃省伏旱最早在7月初已形成干旱(表3)，最晚出现在8月22日，平均开始日期为8月1日。伏旱最长持续时间为15 d(1965年)，其次为1991年(13 d)，平均持续时间为11.4 d。

表2 1961—2015年甘肃省各年代伏旱发生频率/%

注：表中干旱频率是轻旱、大旱和重旱的总频率。

Note: The drought frequency in the table is the total frequency of light drought, heavy drought and severe drought.

图2 1961—2015年甘肃省发生伏旱站数占总站数的百分比历年变化

Fig.2 The yearly variations of summer drought station percentage in Gansu Province during 1961—2015

通过伏旱强度指数划分伏旱等级(表4)，在过去55 a中，无伏旱43 a(占78.2%)，未出现轻伏旱，中伏旱7 a(占12.7%)，强伏旱3 a(5.5%)。无伏旱主要出现在20世纪80年代以前，中伏旱主要出现在20世纪70、80年代初、90年代后期至21世纪初，重伏旱主要出现在1965、1991和2000年。自20世纪80年代以来，共有7 a伏旱强度大于中伏旱。

表3 1961—2015年甘肃省伏旱起始日、伏旱天数及累计区域降水强度指数

2.5 作物受旱特征分析

河西走廊是甘肃全省伏旱发生频率最高的区域，由于是灌溉农业区，只要上年冬前灌溉比较好，对春播作物的影响并不十分严重。甘肃河东地区是旱作农业区，农作物所需的水分主要依靠自然降水，虽然河东地区伏旱出现频率相对偏小，但往往影响秋粮作物的生长，是伏旱对农业生产影响最严重的区域，加之夏季的持续高温天气，对花期玉米开花授粉、马铃薯块茎膨大和中药材生长有一定影响，给农业生产造成一定损失。

在20世纪90年代和2005年左右，农作物受灾面积波动较大，历年受灾面积变化和重旱站数百分比的变化趋势相似，采用降水距平百分率的伏旱重旱范围呈减小趋势，为-0.6%·10a-1，农作物受灾面积呈1.1万hm2·10a-1的增加趋势(图3)。

表4 1961—2015年甘肃省伏旱强度等级

图3 1985—2014年甘肃省重旱站数占总站数百分比和作物受灾面积的历年变化

Fig.3 The yearly variations of severe summer drought station percentage and the affected area of crops in Gansu Province during 1985—2015

甘肃省灾情普查数据表明，20世纪80年代以来，全省伏旱受灾地区主要为武威、张掖、白银、定西、甘南、金昌、兰州、临夏、陇南、平凉、庆阳和天水等12个市(州)，主要受灾农作物有玉米、小麦、糜子、洋芋、豌豆、油菜、大豆、胡麻、蚕豆、高粱等。2000年伏旱是全省大范围的严重干旱，重旱区主要分布在武威以东地区，是我国北方夏旱区的一部分。近50 a中，大范围前伏干旱共出现4次(1973、1982、1991、2000年)，其中2000年是第4次出现，干旱强度为近50 a所罕见。严重的前伏干旱使6月下旬雨后播种的小秋作物不能出苗或出苗后枯萎、死亡，对大秋作物的正常生长造成很大的不良影响，秋粮减产。2015年定西市和庆阳市受伏旱影响较大。全省有39站出现35℃以上高温，白银市、庆阳市、平凉市东部、天水市渭北地区等地旱情发展程度的加重，影响了马铃薯的块茎膨大、玉米的开花授粉及苹果的果实生长。

3 讨 论

甘肃省地处干旱半干旱气候区，农作物生长所需的水分主要依靠自然降水。而伏期(7—8月)是甘肃省秋季作物生长的需水关键期，伏旱的发生发展对秋季作物的产量和品质影响重大。尽管已有一些研究者分析了甘肃省伏旱指数的变化特征[12-13]以及干旱对甘肃省玉米和冬小麦的影响[14-15]，但关于甘肃省伏旱发生的频率、范围和年代际变化的统计分析仍较少。本研究指出，1961—2015年甘肃全省、河西和河东的伏旱发生频率呈缓慢增加趋势，但伏旱强度的变幅自20世纪80年代以来显著增大；伏旱发生频率的空间分布为河西走廊最高，陇中北部、陇东和陇南次之，陇中南部和甘南高原最小，但伏旱发生范围在1961—1995年期间呈明显缩小趋势，而在1996—2015年期间呈扩大趋势。同时，对比甘肃全省伏期大气降水数据和严重伏旱的文献记录资料发现，甘肃省伏旱致灾与大气降水有密切联系，基于降水距平百分率给出的伏旱频率空间分布能很好地描述伏旱发生的区域范围，且与杨晓华[13]的伏旱指数分区结果相似，表明了降水距平百分率指标研究伏旱的可行性。本研究利用伏旱强度指数较为详细地描述了甘肃省伏旱发生的时间和强度，与已有研究结果相似[6,12]，有助于较全面分析伏旱的时空特征。但是，这些指标仍不能很好地阐明甘肃全省自20世纪80年代以来的伏旱异常变化成因，未来需要进一步分析研究。

4 结 论

本研究利用甘肃省80个气象观测站1961—2015年伏期(7—8月)历年降水量资料对伏旱发生的频率、范围和年代际变化进行了统计分析，主要得到如下结论：

(1) 甘肃省伏旱发生频率在10%～55%之间，河西走廊为30%～55%，是频率最高区；陇中北部、陇东和陇南大部30%～40%，是伏旱发生频率次高区；陇中南部和甘南高原20%～30%，是伏旱发生频率最小区。甘肃全省和河东的伏旱发生频率自20世纪90年代开始增加，2011年以后达到最大；全省和河东重大伏旱频率在20世纪90年代以后增大，河西自2000年起减小。

(2) 近55 a中，甘肃省伏旱最早在7月初已形成干旱，最晚出现在8月22日，平均开始日期为8月1日，平均持续时间为11.4 d。伏旱范围在1961—1995年期间呈明显的缩小趋势，在1986—2015年期间呈扩大趋势，且在20世纪80年代以后，全省、河东和河西区域的年代际变化趋势相同，均是在70年代呈减少趋势，80年代先增加后减少，90年代以后先减小后增加。

(3) 全省发生伏旱站数占总站数百分比的演变趋势主要有五个明显时段，发生伏旱站数占总站数比的平均值呈先增加后减小变化趋势，尤其是在1981—1991年，共有4 a伏旱站数占总站数比大于50%，其中70%以上的有2 a。

发生大旱以上区域，主要从20世纪60年代河西西部和庆阳市，扩大至河东大部地区，再向河西缩小，在80年代由陇中地区西移至河西西部，1991年起向东部大范围扩大，20世纪90年代末至2013年向河西地区缩小，近两年又呈扩大趋势。

(4) 甘肃全省未出现轻伏旱。轻伏旱主要出现在20世纪80年代以前，20世纪80年代以后伏旱强度指数变化的幅度明显增大，发生中伏旱的有7 a、重伏旱有3 a(1965、1991和2000年)，其中1965年伏旱持续时间为历史最长(15 d)，其次为1991年(13 d)。全省20世纪60年代初、80年代中期、1994年和2000年出现严重的伏旱或连旱，导致了1985—2015年甘肃省农作物产量下滑，且受灾面积呈增加趋势。

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