薛昌穎，張永濤，劉偉昌

(1.中國氣象局，河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450003;2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南鄭州450003;3.河南省氣象局，河南鄭州450003)

伴隨著全球氣候變暖，近年來極端天氣、氣候事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度都在急劇增加，嚴(yán)重威脅人類的生存和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展［1］。極端干旱由于其更大的危害性而廣泛受到關(guān)注［2］。我國北方近500 a來極端干旱事件概率的變化與古里雅冰芯δ18O含量具有明顯的反相關(guān)關(guān)系［3］，在不同氣候區(qū)極端干旱變化趨勢(shì)不盡相同。東北和華北地區(qū)在1990s年代極端干旱頻率顯著增加［2］，但總體上華北地區(qū)和西北地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率呈下降趨勢(shì)［1，4］，西南地區(qū)發(fā)生頻率則呈增加趨勢(shì)，特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)后，增幅較大［5］。

極端氣候事件表征方法主要有兩種，一種是基于氣候變量的統(tǒng)計(jì)分布，另一種是采用極端氣候事件指數(shù)。基于氣候變量統(tǒng)計(jì)分布的確定方法是由IPCC提出，即將特定區(qū)域在一段時(shí)間內(nèi)某一氣候變量(如溫度、降水)頻次分布＜10%的部分定義為極端氣候事件［6-7］，這一表征方法在研究單一的極端溫度或降水事件中應(yīng)用較多［8-9］。而干旱是由降水和溫度等多因素影響的氣象災(zāi)害，針對(duì)極端干旱的研究多采用指數(shù)的方法，目前應(yīng)用較多的主要有標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPEI)、帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)和地表濕潤(rùn)指數(shù)等。PDSI是20世紀(jì)60年代提出的一種衡量干旱狀況的干旱指數(shù)，它所定義的干旱為在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)的水分供應(yīng)持續(xù)低于氣候上所期望的水分供給。劉珂等［10］、佘敦先等［11］應(yīng)用PDSI指數(shù)分別對(duì)中國夏季和冬季、黃河流域極端干旱特征進(jìn)行了分析。SPEI綜合考慮了降水和蒸散過程，既考慮到了溫度對(duì)干旱趨勢(shì)變化的影響，同時(shí)具有多時(shí)間尺度、多空間比較的優(yōu)點(diǎn)，適于全球變暖背景下干旱特征的分析［12-13］，但在反映極端干旱發(fā)生情況方面，該指標(biāo)尚未被很好證實(shí)。地表濕潤(rùn)指數(shù)是由Humle 等［14］提出，馬柱國等［2］首次將其用于極端干旱研究中。由于其綜合考慮了干旱問題中降水(入)和蒸發(fā)(出)兩個(gè)方面，能更加客觀全面地體現(xiàn)干旱的特征，因此，該指數(shù)在極端干旱研究中應(yīng)用較多，如前面提到的黃小燕［1］、劉文莉［4］和賀晉云［5］等分析西北、華北和西南地區(qū)的極端干旱氣候特征都是采用地表濕潤(rùn)指數(shù)，此外郭佳香等［15］、王興梅等［16］應(yīng)用該指數(shù)分別分析了淮河上中游流域和石羊河流域的極端干旱特征。

河南省是黃淮海夏玉米種植面積最大的省份，其播種面積和總產(chǎn)量約占全國的20%，干旱一直是影響夏玉米生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，近年來呈現(xiàn)出干旱增多加重的趨勢(shì)，如2014年河南省遭遇了嚴(yán)重干旱，受災(zāi)面積達(dá)到180.93萬hm2，絕收面積達(dá)到20.38萬hm2。對(duì)該地區(qū)一般干旱發(fā)生規(guī)律和特點(diǎn)已有很多的研究報(bào)道［17-19］，目前針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)季極端干旱發(fā)生趨勢(shì)的研究尚少。本文擬采用地表濕潤(rùn)指數(shù)法，分析河南省夏玉米生長(zhǎng)季內(nèi)極端干旱時(shí)空變化趨勢(shì)及特征，為該地區(qū)夏玉米生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供一定的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要是河南省各氣象臺(tái)站1971—2016年逐日氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)各臺(tái)站氣象資料的完整性，通過篩選確定84個(gè)站點(diǎn)逐日氣象數(shù)據(jù)包括降水、日照時(shí)數(shù)、平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均風(fēng)速、水汽壓等，均來源于河南省氣象局。數(shù)據(jù)主要用來計(jì)算各氣象站的日潛在蒸散量。

1.2 研究方法

本文選用能夠較好表征地表濕潤(rùn)程度的濕潤(rùn)指數(shù)來分析河南省夏玉米生長(zhǎng)季內(nèi)極端干旱變化特征。河南省夏玉米一般在6月上旬播種，9月底收獲，據(jù)此，確定本文的分析時(shí)段為6—9月，共4個(gè)月份。首先利用逐日氣象資料，計(jì)算出各氣象站的日潛在蒸散量，然后分別統(tǒng)計(jì)6—9月各月的潛在蒸散量，并計(jì)算各月的月降水量，由月潛在蒸散量和月降水量計(jì)算出各月的濕潤(rùn)指數(shù)H。將H的標(biāo)準(zhǔn)變化量≤-0.5的月份定義為極端干旱［2］，統(tǒng)計(jì)1971—2016年以來不同地區(qū)、不同月份極端干旱的發(fā)生情況。

月地表濕潤(rùn)指數(shù)的計(jì)算方法為:

式中，H為月地表濕潤(rùn)指數(shù);P為月降水量(mm);ET0為月潛在蒸散量(mm)。

潛在蒸散量采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)1998年修訂的Pemman-Monteith公式來計(jì)算:大量研究已表明，由于該模型機(jī)理性較強(qiáng)，計(jì)算的潛在蒸散量比較精確，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。ET0的計(jì)算公式為:

式中，ET0為潛在蒸散量(mm·d-1);Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1);G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1);γ為干濕球常數(shù)(kPa·℃-1);Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa·℃-1);U2為2 m高處的風(fēng)速(m·s-1);es為平均飽和水汽壓(kPa);ea為實(shí)際水汽壓(kPa);T為平均氣溫(℃)。

極端干旱頻數(shù):某年6—9月發(fā)生極端干旱的月份數(shù)，因此，本文中其最大值為4。

極端干旱站次百分比:某月份發(fā)生極端干旱的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的百分比，以此來反映干旱發(fā)生的空間范圍。

極端干旱總次數(shù):某站1971—2016年6—9月發(fā)生極端干旱的總月份數(shù)。

周期分析:采用Morlet復(fù)小波分析來確定極端干旱發(fā)生頻率的變化周期［20］。小波變換系數(shù)的實(shí)部包含給定時(shí)間和尺度下，相對(duì)于其他時(shí)間和尺度的信號(hào)強(qiáng)度和位相兩方面信息，而小波方差能反映各種尺度的波動(dòng)及其強(qiáng)弱隨尺度變化的特征。本文選用小波變換系數(shù)實(shí)部和方差兩個(gè)參數(shù)來反映極端干旱的變化周期。

采用Surfer 11.0軟件的Kriging對(duì)各站點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，進(jìn)行極端干旱變化的空間差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤(rùn)指數(shù)時(shí)間變化

圖1為夏玉米季各月濕潤(rùn)指數(shù)的年際變化情況。6—9月各月濕潤(rùn)指數(shù)平均值分別為0.612、1.250、1.057和0.906，可見6月份是相對(duì)最干旱的月份，7月份則是最濕潤(rùn)的月份。1971—2016年間，6月濕潤(rùn)指數(shù)最低的3個(gè)年份分別是1988、1974、2013年，濕潤(rùn)指數(shù)分別為0.081、0.219和0.261;7月濕潤(rùn)指最低的3個(gè)年份分別是2014、2015、1971年，濕潤(rùn)指數(shù)分別為0.417、0.546和0.590;8月份濕潤(rùn)指數(shù)最低的3個(gè)年份分別是1997、2001、1978年，濕潤(rùn)指數(shù)分別為0.272、0.363和0.411;9月份濕潤(rùn)指數(shù)最低的3個(gè)年份分別是1998、1995、2001年，濕潤(rùn)指數(shù)分別為0.129、0.156和0.192。而夏玉米生長(zhǎng)季(6—9月)濕潤(rùn)指數(shù)平均值最低的3個(gè)年份分別為1997、2013、1978 年，平均濕潤(rùn)指數(shù)分別為 0.507、0.564和0.585。如果按6—8月的平均值計(jì)算，濕潤(rùn)指數(shù)最低的3個(gè)年份分別為1997、1986、2014年，濕潤(rùn)指數(shù)分別為0.436、0.554和0.592。2014年作為近年來夏玉米季最嚴(yán)重的干旱年份，其干旱時(shí)段主要集中在6月和7月，特別是7月份，是近46 a來濕潤(rùn)指數(shù)最低的年份。4個(gè)月的濕潤(rùn)指數(shù)均呈現(xiàn)出一定的升高趨勢(shì)，特別是9月份增加趨勢(shì)更明顯。

從濕潤(rùn)指數(shù)年代際變化(圖2)中可以看出，6月份濕潤(rùn)指數(shù)年代際間差異較小，相對(duì)比較穩(wěn)定;7月份2000s以前也相對(duì)穩(wěn)定，但在2000s和2010s波動(dòng)較大，2000s濕潤(rùn)指數(shù)高達(dá)1.592，而2010s顯著下降至0.877;8月和9月均呈現(xiàn)升降交替的年代際波動(dòng)變化，8月在2010s年代是處于下降的階段，而9月則是處于升高的階段。

圖1 1971—2016年河南省夏玉米生長(zhǎng)季(6—9月)濕潤(rùn)指數(shù)年際變化Fig.1 Interannual variations of humid index in summer maize growing season(June-Sept.)in Henan Province during 1971-2016

2.2 極端干旱時(shí)間變化

2.2.1 極端干旱頻數(shù)年際變化 圖3為1971—2016年河南全省逐年極端干旱發(fā)生頻數(shù)的年際變化情況。1971年以來，河南省夏玉米生長(zhǎng)季極端干旱發(fā)生頻數(shù)變化在年均0.08～2.15月之間，發(fā)生次數(shù)最多的年份是1971年，最少的年份是2005年。年際變化傾向率表現(xiàn)出微弱的下降趨勢(shì)，平均每10 a下降0.064月(表1)。

圖2 河南省夏玉米生長(zhǎng)季各月濕潤(rùn)指數(shù)年代際變化Fig.2 Interdecadal variations of humid index in summer maize growing season in Henan Province

圖3 1971—2016年河南省夏玉米生長(zhǎng)季極端干旱發(fā)生頻數(shù)年際變化Fig.3 Interannual variations of frequency of extreme drought in summer maize growing season in Henan Province during 1971-2016

根據(jù)河南省不同地區(qū)生態(tài)氣候特點(diǎn)，劃分為豫北、豫西、豫東、豫中、豫南和豫西南5個(gè)地區(qū)，對(duì)比分析不同地區(qū)的極端干旱發(fā)生情況。從圖4可以看出，除豫南外，其他地區(qū)發(fā)生頻數(shù)最多的年份均是1971年，而豫南地區(qū)則是在1974年發(fā)生次數(shù)最多。從各地區(qū)發(fā)生次數(shù)的多年平均值看(表1)，豫南地區(qū)最高，平均值為1.097月·a-1;其次是豫中地區(qū)，平均值為0.786月·a-1;豫北地區(qū)最低，平均值為0.548月·a-1;豫西南、豫東和豫西分別為0.728、0.710月·a-1和0.683月·a-1。各地區(qū)均呈現(xiàn)一致的微弱下降趨勢(shì)，豫南的下降速度最快，平均每10 a下降0.12月;豫東地區(qū)次之，為0.118月·a-1;下降趨勢(shì)最小的是豫北和豫中，分別為0.034月·a-1和0.036月·a-1。通過比較變異系數(shù)可以反映出各地區(qū)極端干旱發(fā)生頻數(shù)的年際波動(dòng)情況，從表1可知:變異系數(shù)最大的為豫西，其次是豫西南，而后依次為豫北、豫東、豫中和豫南，說明豫西地區(qū)極端干旱發(fā)生頻數(shù)在年際間變化最不穩(wěn)定，波動(dòng)最大，相反豫南地區(qū)則波動(dòng)最小。

2.2.2 極端干旱頻數(shù)年代際變化 從全省平均值看，極端干旱頻數(shù)年代際間呈現(xiàn)出“降-升-降-升”的變化趨勢(shì)(圖5):1970s最高，達(dá)0.92月·a-1，1980s降至0.65月·a-1，1990s又升高至0.79月·a-1;2000s又降至最低值0.53月·a-1，2010s回升至0.75月·a-1。分地區(qū)的變化趨勢(shì)與全省平均基本一致(除豫西南外)，均是呈現(xiàn)為“降-升-降-升”的變化過程，豫西南則是“降-降-升-降”的變化過程。各區(qū)域發(fā)生頻數(shù)最高的年代，除豫北外，其他地區(qū)均是1970s最高，豫北則是1990s最高;發(fā)生頻數(shù)最低的年代，豫西南在1990s，豫南在2010s，其他地區(qū)均在2000s。各個(gè)年代中，豫南的發(fā)生頻數(shù)均高于其他地區(qū)。

2.2.3 極端干旱站次百分比的年際變化 圖6統(tǒng)計(jì)了1971—2016年期間河南省夏玉米生長(zhǎng)季的各月極端干旱站次百分比，可反映干旱發(fā)生的空間范圍。在4個(gè)月份中，6月和9月發(fā)生站次百分比明顯高于7月和8月。6月份平均發(fā)生站次百分比是28.0%，其中有8 a站次百分比在50%以上，1974年、1985年和1988年分別達(dá)到了95.2%、84.5%和86.9%，表明這幾年6月份發(fā)生了全省大范圍的干旱。7月份平均發(fā)生站次百分比為8.2%，僅1971年在 50%以上，達(dá)到 79.8%，其次是 2014年(41.7%)。8月份平均發(fā)生站次百分比為12.0%，1997年最高為59.5%，其次為 1971、1972年，2001年和2002年也較高，均在40%以上。9月份發(fā)生站次百分比平均為24.2%，有10 a在50%以上，高于6月份，而 1971年、1994年和1998年分別達(dá)到了90.5%、82.1%和95.2%。4個(gè)月份的站次百分比隨著年際變化均呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)，每10 a分別減少2.04%、1.73%、2.10%和0.45%，8月和6月的減少趨勢(shì)較9月和7月明顯。

表1 1971—2016年河南省及其分區(qū)域極端干旱發(fā)生頻數(shù)統(tǒng)計(jì)變量Table 1 Statistical variables for frequency of extreme drought in Henan Province and its sub regions in 1971-2016

圖4 1971—2016年河南省不同地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季極端干旱發(fā)生頻數(shù)年際變化Fig.4 Interannual variations of frequency of extreme drought in summer maize growing season in different regions of Henan Province in 1971-2016

圖5 河南省不同地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季極端干旱發(fā)生頻數(shù)年代際變化Fig.5 Interdecadal variations of frequency of extreme drought in summer maize growing season in different regions in 1971-2016

圖6 1971—2016年河南省夏玉米生長(zhǎng)季極端干旱發(fā)生站次百分比年際變化Fig.6 Interannual variations of percentage of extreme drought stations in summer maize growing season in Henan Province in 1971-2016

2.2.4 極端干旱站次百分比的年代際變化 圖7反映了各月站次百分比的年代際變化情況。6月、7月和8月站次百分比最高的年代均是1970s，而9月份則是1990s最高。各個(gè)月份間并沒有呈現(xiàn)出一致的年代際變化趨勢(shì)，但總體上除8月份外，2010s相對(duì)于2000s均表現(xiàn)為回升的趨勢(shì)。6月份，從1970s至2000s逐漸下降，2000s相對(duì)于1970s的最高值下降了39%，而2010s有大幅回升，僅比1970s低4.2%;同樣，7月和9月，2010s相對(duì)于最高值僅分別降低5.4%和30.7%，表明夏玉米季的6、7月和9月近年來干旱的空間發(fā)生范圍又呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢(shì)。8月份，2010s是站次百分比最低的年代，相對(duì)于1970s下降了64.5%。

2.3 極端干旱空間變化

2.3.1 1971—2016年極端干旱總次數(shù)空間分布

圖8為各站點(diǎn)夏玉米季在46 a中發(fā)生極端干旱的總次數(shù)分布情況?？偞螖?shù)最大值為62，出現(xiàn)在光山，最小值為18，出現(xiàn)在林州。空間上呈現(xiàn)為由南向北遞減的趨勢(shì)，信陽大部地區(qū)總次數(shù)在40以上;駐馬店、擴(kuò)和、許昌、平頂山、南陽南部和周口東南部地區(qū)總次數(shù)在35～40之間，豫北以及豫西的三門峽、南陽西北部發(fā)生次數(shù)最少，在30以下;其他地區(qū)在30～35之間。

2.3.2 1971—2016年各月極端干旱發(fā)生次數(shù)空間分布 從各月極端干旱發(fā)生次數(shù)分布情況看(圖9)，6月和9月發(fā)生次數(shù)高于7月和8月，全省平均值分別為12.9和11.2，而7月和8月僅為3.8和5.5。6月份極端干旱次數(shù)的空間分布與其他月份也有所不同:發(fā)生次數(shù)最多的地區(qū)以中西部為主，主要分布在鄭州、平頂山、許昌以及洛陽等地，總次數(shù)在16次以上，其中郟縣最高(21次)，其次是鄭州(20次);南陽東南部、駐馬店和信陽東部以及豫北的局部地區(qū)發(fā)生次數(shù)最少，在10次以下;其他地區(qū)在10～16次之間。7月、8月和9月的空間分布大致都呈現(xiàn)為由南向北逐漸減少的趨勢(shì)，發(fā)生次數(shù)最多的地區(qū)主要在信陽及南陽等地，最大值分別為13、18和25，分別出現(xiàn)在信陽站、固始站和光山站;發(fā)生次數(shù)最少的地區(qū)主要分布在豫北、豫西和豫中大部地區(qū)。

2.4 極端干旱周期變化

圖10為1971—2016年河南全省及不同地區(qū)夏季極端干旱發(fā)生頻率的復(fù)值Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部與方差分布圖，通過兩者的結(jié)合來進(jìn)行周期分析。全省范圍內(nèi)，極端干旱存在明顯的4～8 a周期變化，該周期在全省不同地區(qū)中均有體現(xiàn)。但不同地區(qū)間極端干旱發(fā)生周期也有所不同:豫東和豫西南存在3個(gè)周期，其他地區(qū)則均是2個(gè)周期;豫東地區(qū)的后2個(gè)周期分別為8～13 a和15～20 a，豫西南的后2個(gè)周期分別為11～15 a和21～25 a;豫北、豫西、豫中和豫南地區(qū)的次周期分別為16～20 a、11～15 a、17～21 a和 9～13 a。

圖7 河南省夏玉米生長(zhǎng)季極端干旱發(fā)生站次百分比年代際變化Fig.7 Interdecadal variations of percentage of extreme drought stations in summer maize growing season in Henan Province in 1971-2016

圖8 1971—2016年河南省夏玉米生長(zhǎng)季極端干旱總次數(shù)空間分布Fig.8 Spatial distribution of total number of extreme droughts in summer maize growing season in Henan Province from 1971 to 2016

圖9 1971—2016年河南省夏玉米生長(zhǎng)季各月極端干旱發(fā)生次數(shù)空間分布Fig.9 Spatial distribution of total number of extreme droughts in each month(June-Sept.)in Henan Province from 1971 to 2016

3 討論與結(jié)論

本文采用地表濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)河南省夏玉米生長(zhǎng)季的極端干旱特征進(jìn)行了初步分析。從各月地表濕潤(rùn)指數(shù)的年際變化分析可以看出，1971、1986、1997、2014年是近46 a中最為干旱的年份，2014年河南省干旱最嚴(yán)重的月份是7月份。利用標(biāo)準(zhǔn)化濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)極端干旱進(jìn)行判識(shí)，2014年極端干旱主要發(fā)生在6月和7月，發(fā)生站次比例分別為26.2%和41.7%，8月和9月未達(dá)到極端干旱水平;1971年7月、8月和 9月達(dá)到極端干旱站點(diǎn)比例分別為79.8%、45.2%和90.5%，可見1971年干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生范圍也廣，2014年7月干旱程度歷史最重，但比1971年持續(xù)時(shí)間短，因此，從整個(gè)生長(zhǎng)季看極端干旱發(fā)生頻數(shù)少于1971年，這些結(jié)論與歷史實(shí)際情況吻合［21］，表明地表濕潤(rùn)指數(shù)能夠較好地反映出月尺度的極端干旱發(fā)生情況。

圖10 極端干旱發(fā)生頻率小波系數(shù)實(shí)部(左)和方差(右)Fig.10 Real(left)and variance(right)of wavelet coefficients for extreme drought

續(xù)圖10 極端干旱發(fā)生頻率小波系數(shù)實(shí)部(左)和方差(右)Continued fig.10 Real(left)and variance(right)of wavelet coefficients for extreme drought

在以往夏玉米生長(zhǎng)季干旱問題的研究中［22-25］，專門針對(duì)極端干旱發(fā)生特征的分析較少。本文利用地表濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)河南省夏玉米季極端干旱發(fā)生的時(shí)空特征進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論:

1)近46 a來，河南省夏玉米季極端干旱發(fā)生頻數(shù)呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，與劉文莉等［4］分析的華北平原夏季極端干旱發(fā)生頻率年際變化趨勢(shì)一致。近46 a來，河南省夏玉米季極端干旱發(fā)生頻數(shù)在年均0.08～2.15月之間，發(fā)生頻數(shù)最多的年份是1971年，最少的年份是2005年;近10 a中，2009年和2013年也是極端干旱發(fā)生較多的年份;年代際變化以1970s最高，2000s最低，2010s年代呈現(xiàn)回升的趨勢(shì)。在各月份中，6月和9月極端干旱發(fā)生次數(shù)高于7月和8月。2)從極端干旱發(fā)生的空間范圍看，1971年以來，夏玉米生長(zhǎng)季干旱發(fā)生總次數(shù)空間上呈現(xiàn)由南向北逐漸遞減的分布特征，但6月份的高值區(qū)則主要分布在豫中和豫西地區(qū)。6月和9月極端干旱發(fā)生站次百分比明顯高于7月和8月，且6、7月和9月的發(fā)生站次百分比在2010s呈現(xiàn)回升趨勢(shì)。

3)盡管極端干旱發(fā)生頻數(shù)年際變化呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)，但無論發(fā)生頻數(shù)還是站次百分比在2010s均呈現(xiàn)回升的趨勢(shì)，而且6、7月和9月發(fā)生干旱的站次百分比仍然較高，這些都應(yīng)該引起玉米生產(chǎn)上的關(guān)注和重視。