周賀玲李麗平高 霞陳 敏

(1.南京信息工程大學,江蘇南京 210044;2.廊坊市氣象局,河北廊坊 065000;3.保定市氣象局,河北保定 071000)

廊坊市冬小麥干旱氣候分析＊

周賀玲1,2李麗平1高 霞3陳 敏2

(1.南京信息工程大學,江蘇南京 210044;2.廊坊市氣象局,河北廊坊 065000;3.保定市氣象局,河北保定 071000)

利用廊坊市1965-2008年的常規(guī)氣象觀測資料,采用小波分析、降水距平百分率等方法,詳細分析冬小麥全生育期需水量的年際變化、冬小麥不同生育階段需水量與同期降水的關系,以及冬小麥干旱的特點,并且通過分析多年降水、氣溫和蒸發(fā)量的變化研究廊坊市干旱的氣候特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn):冬小麥需水量具有緩慢減少的趨勢,冬小麥各生育階段均存在用水缺口,近年來在冬小麥生長后期干旱比較明顯。降水量的減少,氣溫的上升,冬小麥生育期蒸發(fā)量大等因素,是造成廊坊市冬小麥干旱的主要氣候因素。

冬小麥;需水量;干旱氣候

氣候變化所導致的氣溫升高、極端氣候事件的頻發(fā),已引起全世界的關注。它帶來的問題之一就是全球干旱越來越嚴重,干旱是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害較大的自然災害[1],大量事實揭示了我國北方干旱趨于嚴重[2-6]。廊坊市處在華北平原的北部暖溫帶半干旱半濕潤季風氣候區(qū),近年來正在經(jīng)歷氣候變化帶來的挑戰(zhàn)和考驗,連年干旱,造成廊坊市地表水不足,地下水嚴重超采,水位不斷下降,靠提取地下水的廊坊市主要農(nóng)作物冬小麥的灌溉,澆地成本越來越高,用水矛盾日趨尖銳,因此研究廊坊市冬小麥干旱的氣候特征,對于實現(xiàn)廊坊的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

計算作物需水量、蒸發(fā)量的方法已經(jīng)很多[7],李應林等[8]分析了我國春玉米水分的供需狀況,閩瑾如、鐘兆站等[9-10]對北方旱區(qū)主要農(nóng)作物水分供需狀況做了分析,張旭東等[11]對甘肅河東小麥需水規(guī)律進行了研究。本文預從計算冬小麥生長期的理論需水量入手,分析廊坊市冬小麥干旱的特征以及造成干旱的主要氣候因素。

1 資料與技術方法

1.1 所用資料

1965-2008年廊坊市逐日的常規(guī)氣象觀測資料(包括降水量、氣溫、風速、日照以及蒸發(fā)量等)。

1.2 技術方法

(1)根據(jù)FAO推薦的Penman-Moteith方程,利用歷史上的日氣象數(shù)據(jù)計算參考作物蒸散量。農(nóng)作物系數(shù)Kc采用河北藁城的實驗數(shù)據(jù)[12],再利用公式ETm=ET”0＊Kc計算作物需水量(見表1)。ET0計算方法參見[12]。

表1 冬小麥Kc的取值

表2 冬小麥干旱指標

圖1 1966-2008年冬小麥全生育期需水量變化

2 冬小麥生育期情況

2.1 冬小麥全生育期需水量年際變化

由于冬小麥全生育期跨年,約定用冬小麥收獲年代表每個全生育年。多年來冬小麥全生育期的平均需水量為686.3mm,需水量具有減少趨勢(見圖1)。20世紀60年代的五年中,1966、1967年的全生育期需水量高于平均值,其余年份比平均值低;20世紀70年代除1970與1979年外,其余年份需水量均高于平均值;20世紀80年代只有1980、1984、1985年與1987年的需水量低于平均值;20世紀90年代只1996年需水量高于平均值;2000-2008年之間2002、2003、2006、2008的需水量低于平均值,而其余五年比平均值高。40年中需水量最少為610.48mm,出現(xiàn)在1979年;需水量最多為778.67mm,出現(xiàn)在1972年。

2.2 冬小麥不同生育階段需水量及降水

由于冬小麥的不同生育期特點,以及當?shù)氐臍夂蜃兓?冬小麥的生育階段需水量有明顯的時間分布特征表3。(注:生育期取廊坊地區(qū)霸州市多年的平均值,分析均假設降水量被土壤完全吸收)。

冬小麥生育期分為如下幾個階段:播種、出苗、分蘗、越冬、返青、拔節(jié)、抽穗、開花、收獲。廊坊市的冬小麥9月下旬末開始播種,6月上、中旬開始收獲,總生育期為255天左右。在冬小麥的生長期內(nèi)多年平均降水量為128.9 mm,而全生長期多年平均需水量686.3mm,存在557.4mm的用水缺口。由表3可以看出:冬小麥各生育階段均存在需水缺口。播種-返青階段需水量較少,同期降水量雖不能滿足需要,但用水缺口較小;小麥返青-收獲階段,是小麥的關鍵生長期,廊坊正值春季到夏初季節(jié),由于氣溫升高,大風日數(shù)增多,使得本地的蒸發(fā)量巨增,需水量占全生育期的85.1%,需水量與降水量差值明顯增大,共缺水504.3mm。冬小麥的需水量在開花—收獲期最多占全生育期的31.6%,播種—出苗期需水量最少僅占全生育期需水量的2.5%,需水量最多的時期在生長的后期。

2.3 冬小麥干旱分析

1965-2008年冬小麥共經(jīng)歷了43個全生育期,通過計算生育期降水負距平百分率,發(fā)現(xiàn)共有23個全生育期出現(xiàn)了不同程度的干旱,其中輕旱3次,中旱8次,重旱9次,嚴重干旱3次,占干旱發(fā)生頻率依次為13.0%,34.8%,39.1%,13.0%,可見廊坊市發(fā)生的冬小麥干旱主要以中旱及重旱為主,1996年廊坊的干旱最嚴重,降水負距平低于-78%。20世紀60年代除了1969年降水偏多外,其余年均屬于中度以上干旱年;20世紀70年代1971、1972、1974、1975、1976年為中度以上干旱年;20世紀80年代1981、1982、1984、1985、1986年為中度以上干旱年,1988年輕旱;20世紀90年代1994年輕旱,1992、1993、1995、1996年為中度以上干旱年;2000-2008年之間2007年輕旱,2000、2001、2006年中度以上干旱。

廊坊市冬小麥不同生育階段降水距平的年代際變化明顯(見表4),播種到出苗期在20世紀60年代和80年代降水距平百分率均小于-55%,為嚴重干旱年代;出苗～分蘗期除了2000-2008年降水距平為正,降水偏多外,其余年代為中度以上干旱;分孽～越冬期的干旱年代是20世紀60年代、80年代、90年代;越冬～返青期的干旱年代是20世紀60年代與80年代,均為中度以上干旱年代;返青～拔節(jié)期的干旱年代是除了20世紀70年代以外的所有年代;拔節(jié)～抽穗期在60、70年代為中度以上干旱;抽穗～開花期的干旱年代是80年代與2000-2008年;開花～收獲期的干旱年代是60年代、80年代與2000-2008年。由前面的分析知,返青-收獲階段需水量占全生育期的85.1%,而2000年后除了拔節(jié)～抽穗期降水略偏多外,其余生育階段降水距平均為負,說明近年來在冬小麥生長的后期干旱比較嚴重。

表3 1965-2008年廊坊市多年平均的冬小麥生育階段需水量與降水分布

表4 廊坊市冬小麥不同生育期降水距平的年代變化

3 廊坊市干旱氣候分析

3.1 降水量的變化特征

廊坊市多年平均降水量為535.7mm,年內(nèi)降水量分布不均,在1-5月份多年平均降水量為67.7mm,占年降水量的12.6%;6-8月是廊坊的雨季,多年平均降水量為385.3mm,占全年降水的72.0%;9-12月多年平均降水量為82.7mm,占年降水量的15.4%。

年降水總的來說是趨于減少(見圖2),特別是1997年以來年降水量減少的非常顯著,除了2004年降水為555.6 mm高于多年平均值外,其余11年降水量均低于平均值。從年代際的變化來看,年平均降水量在20世紀70年代最高為602.7 mm,而進入21世紀(2000年以后)年平均降水量則只有439.2 mm。年際降水差別也很大,1994年降水量最大為1 087 mm,1972年降水量最小只有273.8 mm。降水是農(nóng)田用水的主要來源,而降水的年內(nèi)、年際差別很大,一年四季都有旱災發(fā)生的可能,降水量的變化是影響干旱以及洪澇變化的最主要的因子,近年來降水的減少使廊坊市冬小麥生長后期的干旱明顯。

圖2 廊坊市1965-2008年降水量的年變化

3.2 氣溫的變化

廊坊市多年日平均氣溫為12.0℃,并呈現(xiàn)出上升的趨勢(見圖3),線性趨勢為每年增加0.05℃。1997-2008年平均氣溫均大于等于12.8℃,而1997年前的32年中只有1994年的平均氣溫大于12.8℃。從年代變化來看,平均氣溫由60年代的11.2℃升高到2000年后的13.0℃。

圖3 廊坊市1965-2008年日平均氣溫的變化

為了更加詳細的分析氣溫的周期變化與突變情況,對1965-2008年年平均氣溫進行小波變換(見圖4)發(fā)現(xiàn),廊坊市氣溫在20a左右時間尺度上存在正負閉合中心交替的特征,即廊坊的氣溫變化存在20a周期振蕩,年代際變化特征非常明顯。20a周期對應兩個氣溫偏高階段為1974-1980年和1993-2008年,兩個氣溫偏低階段為1965-1973年與1981-1992年。另外在20a大尺度背景下存在一個6a左右尺度小周期振蕩。90年代以后小波系數(shù)為正,且明顯變大,對應42a周期2008年小波系數(shù)達到最大為2.24。IPCC對近100年地球的氣溫變化事實進行評估,認為全球增暖趨勢為0.3℃/100a-0.6℃/100a,王紹伍等人的研究認為中國氣溫也有增暖的趨勢,在全球氣候變暖的大背景下,90年代以后廊坊市也進入異常偏暖期,氣溫升高,會促使土壤蒸發(fā)和植物蒸騰進一步加劇,冬小麥旱情會變得越來越突出。

圖4 1965-2008年廊坊市年平均氣溫小波系數(shù)實部

3.3 蒸發(fā)量與降水的月變化

農(nóng)田蒸散量是指在自然條件下,植被蒸騰和土壤蒸發(fā)所能消耗的水量。影響田間實際蒸散量的主要因素除了氣溫外,還有蒸發(fā)等因素。廊坊市多年平均日蒸發(fā)量為4.6mm,蒸發(fā)最強烈的月份是5月和6月。分析蒸發(fā)和降水的逐月變化(見圖5),可以看出,每月蒸發(fā)量均大于降水量,5、6月份蒸發(fā)量與降水量的差值明顯高于其他月,5月蒸發(fā)量最大,與降水量的差值也最大為218.5毫米。蒸發(fā)量遠遠超過天然降水量,特別是在冬小麥抽穗到收獲的關鍵時期,蒸發(fā)量最大,很容易發(fā)生干旱。

圖5 廊坊市1965-2008年蒸發(fā)、降水逐月變化圖

4 結(jié) 論

(1)43年來廊坊市冬小麥全生育期需水量呈緩慢減少的趨勢。冬小麥需水量最多的時期在生長的后期。冬小麥各生育階段均存在需水缺口,整個生長期多年平均存在557.4mm的缺水。

(2)在冬小麥43個全生育期中,有23個出現(xiàn)了不同程度的干旱,廊坊市發(fā)生的冬小麥干旱主要以中旱及重旱為主,87%屬于中度以上的干旱。近年來在冬小麥需水量最多的生長后期干旱比較嚴重。

(3)降水量的逐年減少,年平均氣溫的上升趨勢,以及劇烈蒸發(fā),是造成廊坊市冬小麥干旱的主要氣候因素。

(4)秋、冬、春是廊坊市降水量明顯偏少的三個季節(jié),天然降水遠遠不能滿足冬小麥正常生長需要,因此針對本地的氣候特點,調(diào)配冬小麥不同生育階段的用水,進行合理灌溉是實現(xiàn)冬小麥豐收的重要保障。

(編輯:于 杰)

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AbstractBased on originalmeteorological observation data in Langfang Station during 1965-2008,inter-annual variation of winter wheat needingwater in whole growth period,the relationship bet ween needingwater during different growth stages and precipitation,and characteristic ofwinterwheat drought are analyzed in detail by usingwavelet analysis and rainfall anomaly percentage methods.And climate features of drought in Langfang city are researched through analyzing precipitation and temperature and evaporation for 44 years.The results show that:winterwheat needing water has decline trend slowly,water gap exists during different growth stages of winter wheat,and winterwheat drought in recent years is obvious during late growth period.Precipitation reduction,temperature rise,and large evaporation in growth period are main climate reasonswhywinterwheat drought ofLangfang city occur.

Key wordswinterwheat;needingwater;drought cli mate

Drought Cli mate Analysis ofW interW heat in Langfang C ity

ZHOU He-ling1,2LI L i-ping1GAO X ia3CHEN M in2
(1.NanjingUniversity of Infor mation Science Technology,Nanjing Jiangsu 210044,China;
2.LangfangMeteorologicalBureau,Langfang Hebei 065000,China;
3.BaodingMeteorologicalBureau,Baoding Hebei 071000,China)

S342.1;P462

A

1002-2104(2010)03專-0469-04

2010-01-20

周賀玲,碩士生,高級工程師,主要研究方向為可持續(xù)發(fā)展天氣氣候與環(huán)境

＊廊坊市科技局軟科學研究項目(NO.2006050313)