徐敏 孔維財(cái) 徐經(jīng)緯 高蘋 徐萌

摘要：?選用1960-2019年江蘇省69個(gè)基本氣象站逐日觀測資料和全省旱災(zāi)資料，通過計(jì)算逐日作物水分虧缺距平指數(shù)，基于游程理論和小波分析等統(tǒng)計(jì)方法，分析農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)、頻率、強(qiáng)度、范圍的時(shí)空變化特征及其與干旱實(shí)際發(fā)生面積的關(guān)聯(lián)度。結(jié)果表明：近60年全省平均年干旱日數(shù)變化范圍是26～146 d，蘇北、蘇中、蘇南年平均干旱日數(shù)分別為106 d、78 d、58 d，冬季干旱日數(shù)占年干旱總?cè)諗?shù)的比例最高，為32.3%，其次是夏季，中度干旱、重度干旱、特別干旱日數(shù)占近60年干旱總?cè)諗?shù)的比例分別為34%、29%、20%，蘇北中度干旱、重度干旱、特別干旱60年平均發(fā)生頻率分別為8.35%、6.50%、6.66%;干旱強(qiáng)度北強(qiáng)南弱，呈緯向分布，西北部旱情最重，也是最易發(fā)生極端干旱事件的地方;近60年中度干旱、重度干旱、特別干旱平均覆蓋率分別為94.4%、83.0%、54.7%，21世紀(jì)10年代中度干旱及以上等級(jí)干旱發(fā)生范圍最大;年干旱日數(shù)和干旱強(qiáng)度年際波動(dòng)明顯，無明顯線性變化趨勢，總體存在13～17年振蕩周期;干旱歷時(shí)長短和強(qiáng)度大小對實(shí)際受災(zāi)面積、成災(zāi)面積的影響不同，受災(zāi)面積與干旱日數(shù)的相關(guān)性更強(qiáng)，成災(zāi)面積與干旱強(qiáng)度的相關(guān)性更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：?農(nóng)業(yè)干旱;時(shí)空變化特征;游程理論;作物水分虧缺距平指數(shù)

中圖分類號(hào)：?S423??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A??文章編號(hào)：?1000-4440（2021）02-0362-11

Abstract：?Based on the daily observed data of 69 basic meteorological stations in Jiangsu province from 1960 to 2019 and drought data of the whole province， the temporal and spatial variation characteristics of agricultural drought duration， frequency，intensity and range and their correlation with drought area were analyzed by calculating the daily crop water deficit abnormal index and using the Runs Theory and wavelet analysis method. The results showed that， in recent 60 years， the average annual drought days in the whole province varied from 26 d to 146 d. The average drought days in northern， central and southern Jiangsu were 106 d， 78 d and 58 d respectively. The proportion of drought days in winter was the highest （32.3%）， followed by summer. The proportion of moderate drought days， severe drought days and extreme drought days accounted for 34%， 29% and 20% of the total drought days in recent 60 years， respectively. The average frequency of moderate drought， severe drought and extreme drought in northern Jiangsu province were 8.35%， 6.50% and 6.66%， respectively. The drought intensity was strong in the north and weak in the south， and was distributed in latitudinal direction. The drought was the most serious in the northwest， and the northwest was also the place most likely to occur extreme drought events. In recent 60 years， the average coverage rates of moderate drought， severe drought and extreme drought were 94.4%， 83.0% and 54.7%， respectively. In the 10′s of the 21st century， the range of moderate drought and above was the largest. The annual drought days and drought intensity fluctuated obviously， and there was no obvious linear change trend. There was an oscillation period of 13-17 years. The influence of duration and intensity of drought on the actual affected area and disaster area was different. The correlation between affected area and drought days was stronger， and the correlation between disaster area and drought intensity was stronger.

Key words：?agricultural drought;spatial and temporal characteristics;Runs Theory;crop water deficit abnormal index

干旱具有持續(xù)時(shí)間長、影響范圍大、發(fā)生頻率高等特點(diǎn)，是影響中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。農(nóng)業(yè)干旱可直接導(dǎo)致大面積作物減產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致絕收，同時(shí)還會(huì)對農(nóng)田灌溉用水造成巨大壓力。新中國成立后，因干旱造成的多年平均糧食損失約3.000×107 t，約占全國糧食總產(chǎn)量的6.5%，農(nóng)業(yè)干旱已成為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要制約因素之一[1]。據(jù)研究，中緯度地區(qū)氣候暖干化是全球氣候變化最顯著特征[2]，造成的主要問題之一就是干旱問題日趨嚴(yán)重。據(jù)全球氣候模式預(yù)測結(jié)果，21世紀(jì)全球干旱風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)進(jìn)一步增加[3]。在干旱的諸多不利影響中，對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響最為明顯，全球干旱所造成的損失約占?xì)庀鬄?zāi)害的50%以上[4]。農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，關(guān)乎國家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定，因此，農(nóng)業(yè)干旱研究也已成為各國政府和研究人員共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題[5]。

農(nóng)業(yè)干旱是指農(nóng)作物生長的需水量與土壤有效供水量之間因收支不平衡造成的水分短缺現(xiàn)象，干旱程度與氣象、土壤、水資源利用效率、作物本身的蒸散能力等因素都存在一定聯(lián)系，但根本原因還是長期無有效降水引起。探明農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生規(guī)律和成因及災(zāi)變機(jī)制，才能做好農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測-預(yù)警-評估，而要了解不同區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱規(guī)律，首先需要從已有的觀測資料中將干旱事件識(shí)別出來，游程理論是目前識(shí)別干旱的最重要手段[6-7]，能夠?qū)⒏珊禋v時(shí)和干旱強(qiáng)度進(jìn)行有效分離，已在氣象干旱[8]、水文干旱[9]等領(lǐng)域得到了較好應(yīng)用，但在農(nóng)業(yè)干旱中的應(yīng)用還鮮見報(bào)道。在利用游程理論進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱事件識(shí)別過程中，農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)是關(guān)鍵參數(shù)。前人已對農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)做了系列研究，提出了植被干旱響應(yīng)指數(shù)、帕默爾干旱指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)、水分虧缺指數(shù)等[10]，并利用這些干旱指數(shù)對各地干旱時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了分析，其中作物水分虧缺指數(shù)由于能較好反映土壤、作物、氣象三要素的綜合影響，還能反映出作物需水量和降水量之間的匹配關(guān)系，因此在分析小麥[11]、大豆[12]、玉米[13]等單作物生長季的干旱時(shí)空分布特征時(shí)，均有學(xué)者采用此指數(shù)進(jìn)行研究。前人的一系列成果為我們在理論上奠定了基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用上提供了參考。

江蘇省地處長江三角洲地區(qū)，是經(jīng)濟(jì)大省，也是糧食大省[14]。江蘇省處于北亞熱帶與暖溫帶的過渡氣候帶，屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，是中國典型的旱澇災(zāi)害頻發(fā)區(qū)[15]。2019年江蘇省發(fā)生了近年來最嚴(yán)重的一次大范圍春夏秋連旱，河、湖水位嚴(yán)重下降，導(dǎo)致灌溉用水緊張，據(jù)農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計(jì)，全省小麥和油菜受旱面積約達(dá)1.8×105 hm2，旱區(qū)苗情整體偏弱。本研究選用江蘇省為研究區(qū)域，根據(jù)全年作物輪作方式，選取合適的作物系數(shù)，計(jì)算逐日的作物水分虧缺距平指數(shù)，應(yīng)用游程理論從水分虧缺距平指數(shù)序列中分離出干旱強(qiáng)度和干旱歷時(shí)，探究研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱特征變量的時(shí)空變化規(guī)律，以及與農(nóng)業(yè)干旱實(shí)際災(zāi)害面積之間的關(guān)系，以期為區(qū)域防旱減災(zāi)應(yīng)對措施的制定提供科學(xué)依據(jù)，為進(jìn)一步提高作物抗旱性、培育抗旱品種提供理論支持。

1?資料與方法

1.1?資料及來源

研究資料為1960-2019年江蘇省69個(gè)基本氣象站的歷史實(shí)測資料，包括逐日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風(fēng)速、日平均氣壓、日日照時(shí)數(shù)，資料來自江蘇省氣象局。1978-2018年江蘇省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)受災(zāi)面積與成災(zāi)面積，來自江蘇省統(tǒng)計(jì)局。由于江蘇省南北跨度大，按照氣候相似性原則，綜合考慮農(nóng)業(yè)區(qū)劃，江蘇省可分為3個(gè)區(qū)[16]：蘇南（18個(gè)站）、蘇中（34個(gè)站）、蘇北（17個(gè)站），以此分析不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空特征。具體站點(diǎn)信息見圖1。

1.2?研究方法

1.2.1?作物水分虧缺指數(shù)與水分虧缺距平指數(shù)的計(jì)算方法?作物水分虧缺指數(shù)是指外界水分不能滿足作物需水量的部分占作物需水量的比例，該指數(shù)綜合考慮了土壤、作物、氣象三方面因素，對不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱具有較好的適用性[17]。逐日水分虧缺指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：CWDI為水分虧缺指數(shù)（%）;a、b、c、d、e為權(quán)重，根據(jù)GBT 32136-2015 農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)[18]中的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，分別為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10;CWDIj、CWDIj-1、CWDIj-2、CWDIj-3、CWDIj-4分別為第j、j-1、j-2、j-3、j-4時(shí)間單位的水分虧缺指數(shù)（%），其中時(shí)間單位是指10 d為1個(gè)時(shí)間單位，j是指要計(jì)算水分虧缺指數(shù)日期的前面10 d，其余以此類推。CWDIj計(jì)算公式如下：

式中：Pj為某10 d的降水量（mm）;ETcj為某10 d的實(shí)際蒸散量（mm），ETcj計(jì)算公式如下：

式中：ET0為作物參考蒸散量（mm），采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith 公式[19]計(jì)算，kc為作物所處發(fā)育階段的作物系數(shù)。江蘇省是稻麥輪作地區(qū)，且冬小麥和水稻的種植面積遠(yuǎn)大于其他作物，因此上年11月至當(dāng)年5月選用江蘇省冬小麥的作物系數(shù)，當(dāng)年6月至10月選用江蘇省水稻的作物系數(shù)，具體kc數(shù)值詳見GBT 32136-2015 農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)[18]。

由于在不同季節(jié)作物種類不同，蒸散量存在一定差異，因此通過計(jì)算作物水分虧缺距平指數(shù)以消除區(qū)域與季節(jié)差異，逐日水分虧缺距平指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：CWDIa為某時(shí)段作物水分虧缺距平指數(shù)（%）;CWDI為水分虧缺指數(shù)（%）;CWDI————為所計(jì)算時(shí)段同期作物水分虧缺指數(shù)1981-2010年的平均值（%），若CWDI————≤0 ，是指當(dāng)歷史同期的氣候平均降水量與實(shí)際蒸散量總體相當(dāng)甚至水分充盈時(shí)，則水分虧缺距平指數(shù)即為水分虧缺指數(shù)本身;若CWDI————>0，是指當(dāng)歷史同期平均存在水分虧缺時(shí)，則按照距平百分率的算法計(jì)算出水分虧缺指數(shù)距平值。

1.2.2?基于游程理論識(shí)別干旱強(qiáng)度和干旱歷時(shí)?游程理論主要用來揭示隨機(jī)事件持續(xù)發(fā)生的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，定量估計(jì)其持續(xù)歷時(shí)的概率分布和重現(xiàn)期等，它是揭示干旱發(fā)生基本規(guī)律的重要理論方法。以計(jì)算出的逐日CWDIa為基礎(chǔ)，首先根據(jù)干旱判別指標(biāo)[18]，當(dāng)CWDIa>0.40時(shí)則判定為發(fā)生干旱，數(shù)值越大表示干旱程度越強(qiáng);其次利用游程理論從CWDIa時(shí)間序列中分離出歷時(shí)和強(qiáng)度2個(gè)干旱特征量，將干旱歷時(shí)中逐日的CWDIa進(jìn)行累加得到干旱強(qiáng)度（S），圖2中大于0.40的面積為干旱強(qiáng)度（S），。

1.2.3?小波分析方法?20世紀(jì)80年代初，由Morlet提出的一種具有時(shí)-頻多分辨功能的小波分析法，為更好地研究時(shí)間序列問題提供了可能，它能清晰地揭示出隱藏在時(shí)間序列中的多種變化周期。小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號(hào)，該函數(shù)是指具有振蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù)，即小波函數(shù)ψ（t）∈L2（R）且滿足：

式中，ψ（t）為小波函數(shù)，它可通過降尺度的伸縮和時(shí)間軸上的平移構(gòu)成一簇函數(shù)系：

式中，ψa，b（t）為子小波;a為尺度因子，反映小波的周期長度;b為平移因子，反映時(shí)間上的平移。

1.2.4?干旱日數(shù)、干旱發(fā)生頻率、干旱強(qiáng)度的計(jì)算方法?（1）不同時(shí)段干旱日數(shù)：為分析全省總體的干旱日數(shù)年際變化特征，將69個(gè)站點(diǎn)的年干旱日數(shù)進(jìn)行站點(diǎn)平均，得到全省逐年的干旱日數(shù)，對蘇北、蘇中、蘇南區(qū)域的站點(diǎn)分別進(jìn)行區(qū)域平均，得到各區(qū)域逐年干旱日數(shù);對各站點(diǎn)的春季、夏季、秋季、冬季干旱日數(shù)進(jìn)行站點(diǎn)平均，則得到逐年的全省各季節(jié)的干旱日數(shù)。（2）干旱發(fā)生頻率：為分析不同強(qiáng)度干旱發(fā)生頻率的空間分布，首先分別計(jì)算出69個(gè)站點(diǎn)的輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的近60年平均干旱日數(shù)，然后分別除以全年天數(shù)，得到各等級(jí)干旱的平均發(fā)生頻率。（3）干旱強(qiáng)度：對1960-2019年逐年各站所有干旱日的CWDIa值求和后，得到歷年各站的干旱強(qiáng)度值，再對逐年全省各發(fā)生干旱的臺(tái)站CWDIa值求平均后，則得到江蘇省歷年干旱強(qiáng)度;將年干旱強(qiáng)度除以年干旱日數(shù)得到歷年干旱發(fā)生期內(nèi)的日均干旱強(qiáng)度。

2?結(jié)果與分析

2.1?江蘇省農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)的時(shí)空變化特征

2.1.1?年干旱日數(shù)?從圖3a可見，1960-2019年全省年干旱日數(shù)呈波動(dòng)特征，年干旱總?cè)諗?shù)的變化范圍是26 d（1987年）～146 d（1978年），平均干旱日數(shù)為81 d，年干旱日數(shù)超過100 d的年數(shù)共有18年，年干旱日數(shù)少于50 d的年數(shù)共有12年。全省年干旱日數(shù)存在13～17年的振蕩周期（圖3b）。從不同區(qū)域的年際變化來看，蘇北、蘇中、蘇南的年干旱日數(shù)同樣呈波動(dòng)特征，且波動(dòng)規(guī)律基本一致，但數(shù)值存在差異，大小排序?yàn)樘K北年干旱日數(shù)>蘇中年干旱日數(shù)>蘇南年干旱日數(shù)。蘇北、蘇中、蘇南的年干旱總?cè)諗?shù)的變化范圍分別是39 d（1972年）～190 d（1966年）、15 d（1993年）～157 d（1978年）、6 d（1993年）～129 d（1978年），平均干旱日數(shù)分別為106 d、78 d、58 d。

2.1.2?季節(jié)干旱日數(shù)?各季節(jié)干旱日數(shù)的年際變化同樣呈波動(dòng)特征，波動(dòng)規(guī)律不一致，冬季、春季、夏季波動(dòng)幅度明顯大于秋季，春季、夏季、秋季、冬季的近60年平均干旱日數(shù)分別為24 d、22 d、16 d、30 d。從逐年各季節(jié)干旱日數(shù)占年干旱總?cè)諗?shù)的比例來看，冬季總體占比最大（圖3c）。對60年各季節(jié)干旱占比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冬季平均占比為32.3%，春季和夏季平均占比分別為24.8%、24.9%，秋季平均占比為18.0%。

2.1.3?輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的干旱日數(shù)?為比較不同干旱程度的時(shí)間變化特征，按照GBT 32136-2015 農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)[19]，根據(jù)0.400.85（特別干旱）進(jìn)行干旱等級(jí)劃分。對各站點(diǎn)出現(xiàn)輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的日數(shù)分別進(jìn)行站點(diǎn)平均，得到全省逐年4種干旱等級(jí)的干旱日數(shù)，并將各等級(jí)干旱日數(shù)與年干旱總?cè)諗?shù)相比，得到各等級(jí)干旱日數(shù)的占比。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的近60年年干旱日數(shù)變化范圍分別為12 d（1987年）～53 d（1966年）、9 d（1987年）～47 d（1968年）、3 d（1972年）～39 d（1962年）、0 d（2003年）～43 d（1988年），輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱近60年平均干旱日數(shù)分別為30 d、26 d、18 d、15 d，所占年干旱總?cè)諗?shù)的平均比例分別為34%、29%、20%、17%，即輕度干旱占比最大、其次是中度干旱和重度干旱，特別干旱占比最?。▓D3d）。

計(jì)算各年代平均年干旱日數(shù)發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)60年代-21世紀(jì)10年代，全省年代平均干旱日數(shù)、中度干旱和重度干旱年代平均干旱日數(shù)的年代際變化規(guī)律總體一致，均為先降后升，都呈“單谷型”，即20世紀(jì)60年代和70年代最多，21世紀(jì)00年代和10年代為次多，20世紀(jì)80年代和90年代最少（表1）。不同區(qū)域年代平均干旱日數(shù)自北向南遞減，即蘇北>蘇中>蘇南，不同干旱等級(jí)年代平均干旱日數(shù)則是隨著干旱等級(jí)加重干旱日數(shù)隨之減少。

2.1.4?不同強(qiáng)度干旱發(fā)生頻率?輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的平均發(fā)生頻率變化范圍分別為5.47%～10.16%、3.86%～9.65%、2.68%～7.73%、2.38%～8.76%。從圖4中可以看出，各地不同強(qiáng)度的干旱發(fā)生頻率總體呈“北高南低”，蘇北輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的平均發(fā)生頻率分別為9.31%、8.35%、6.50%、6.66%，蘇中輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的平均發(fā)生頻率分別為8.13%、7.21%、5.07%、3.62%，蘇南輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的平均發(fā)生頻率分別為6.95%、5.64%、3.58%、2.95%。由此可見，蘇北不同強(qiáng)度的干旱發(fā)生頻率均高于蘇中和蘇南地區(qū)，蘇中和蘇南地區(qū)輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的發(fā)生頻率依次遞減，但蘇北特別干旱的發(fā)生頻率高于重度干旱，需要格外關(guān)注，防旱抗旱措施不容忽視。

2.2?江蘇省農(nóng)業(yè)干旱強(qiáng)度的時(shí)空變化特征

2.2.1?全省平均年干旱強(qiáng)度?從圖5a可以看出，近60年來江蘇省逐年干旱強(qiáng)度呈波動(dòng)式變化，變化范圍是1 459%（1972年）～9 353%（1978年），年干旱強(qiáng)度同樣存在13～17年的振蕩周期。蘇北、蘇中、蘇南的年干旱強(qiáng)度同樣呈波動(dòng)特征，且波動(dòng)規(guī)律基本一致，但數(shù)值存在差異，大小排序?yàn)樘K北年干旱強(qiáng)度>蘇中年干旱強(qiáng)度>蘇南年干旱強(qiáng)度，蘇北、蘇中、蘇南的年干旱強(qiáng)度的變化范圍分別是2 055%（1972年）～13 453%（1968年）、769%（1993年）～9 988%（1978年）、276%（1993年）～8 088%（1978年）。

2.2.2?干旱發(fā)生期內(nèi)全省平均的日均干旱強(qiáng)度?從圖5b可以看出，近60年來全省的日均干旱強(qiáng)度變化范圍是51%（1985年）～75%（1973年），屬于輕度干旱、中度干旱、重度干旱級(jí)別的年數(shù)分別為9年、48年、3年。其中1973年的日均干旱強(qiáng)度為近60年之最，達(dá)重度干旱級(jí)別。雖然1978年的年干旱強(qiáng)度為歷史最強(qiáng)，但日均干旱強(qiáng)度是64%，為中度干旱級(jí)別。從干旱持續(xù)天數(shù)來看，1973年的干旱期為84 d，1978年的干旱期為146 d，后者的累積效應(yīng)明顯大于前者。從日干旱強(qiáng)度的區(qū)域差異來看，仍然是蘇北地區(qū)最強(qiáng)，變化范圍是53%（1972年）～77%（2010年、2011年），屬于輕度干旱、中度干旱、重度干旱級(jí)別的年數(shù)分別為2年、42年、16年，1973年蘇北的日干旱強(qiáng)度是74%，同樣達(dá)重度干旱級(jí)別，但稍弱于2010年和2011年。由此可見，干旱持續(xù)日數(shù)和日干旱強(qiáng)度都對干旱發(fā)生程度具有非常重要的影響，且發(fā)生程度還與所在區(qū)域相關(guān)。

2.2.3?中度干旱、重度干旱、特別干旱的空間覆蓋率?中度干旱以上等級(jí)旱情易對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響[20]，因此，為了分析中度干旱及以上等級(jí)干旱的發(fā)生范圍的變化情況，將歷年達(dá)中度干旱、重度干旱、特別干旱級(jí)別的氣象站點(diǎn)數(shù)分別除以全省總站點(diǎn)數(shù)得到歷年各等級(jí)干旱覆蓋率（圖5c）。從圖5c中可以看出：近60年來，全省中度干旱、重度干旱、特別干旱覆蓋率變化范圍分別是55.1%～100.0%、27.5%～100.0%、0～98.6%，60年平均覆蓋率分別為94.4%、83.0%、54.7%，重度干旱和特別干旱的覆蓋率年際變化大，中度干旱覆蓋率相對較穩(wěn)定。由于輕度干旱每年全省各地基本都有發(fā)生，所以圖5c中未給出。從覆蓋率年代際變化來看（表1），21世紀(jì)10年代中度干旱和重度干旱覆蓋率均位列歷史同等級(jí)干旱之最，分別為97.4%、89.0%，特別干旱覆蓋率位列歷史同等級(jí)干旱第二（57.7%）。由此可見，21世紀(jì)10年代中度干旱及以上等級(jí)干旱發(fā)生范圍有所擴(kuò)大。

2.2.4?干旱發(fā)生期內(nèi)各站點(diǎn)日均干旱強(qiáng)度和日極大干旱強(qiáng)度?圖6a顯示，江蘇省各站點(diǎn)日均干旱強(qiáng)度60年平均值總體呈緯向分布，由南向北旱情逐漸加重。日均干旱強(qiáng)度最大的區(qū)域在淮北北部，為64.2%～67.7%，中心位于西北部地區(qū)，包含沛縣、豐縣、邳州等地;日均干旱強(qiáng)度次之的區(qū)域在沿淮地區(qū)，為61.8%～64.2%;江淮之間大部和蘇南地區(qū)的日均干旱強(qiáng)度是57.2%～61.8%，南部日均干旱強(qiáng)度弱于北部，最小值出現(xiàn)在宜興?？梢?，1960-2019年江蘇省西北部日均干旱強(qiáng)度最大，農(nóng)業(yè)干旱總體較重。

圖6b顯示，各地逐年日極大干旱強(qiáng)度60年平均值均在76.3%以上，空間分布特征與日均干旱強(qiáng)度的分布特征一致，強(qiáng)度也是自南向北增強(qiáng)?；幢钡貐^(qū)日極大干旱強(qiáng)度都在86.1%以上，其中淮北西北部為高值中心，沛縣和豐縣均為94.1%;蘇南地區(qū)的日極大干旱強(qiáng)度相對弱一些，大部分地區(qū)在80.2%以下。可見，西北部也是發(fā)生極端干旱最強(qiáng)的地方。

2.3?江蘇省農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度與農(nóng)業(yè)實(shí)際受災(zāi)情況的相關(guān)性

根據(jù)江蘇省統(tǒng)計(jì)局提供的1978-2018年江蘇全省干旱數(shù)據(jù)，在2003年前干旱面積明顯大于2003年之后的干旱面積。2003年之前干旱受災(zāi)面積變化范圍是1.400×105～4.969×106 hm2（平均值為1.143×106 hm2），成災(zāi)面積變化范圍是2.600×104～1.613×106 hm2（平均值為4.270×105 hm2），尤其是1978年、1988年、1994年、2000年出現(xiàn)了歷史極端干旱，干旱受災(zāi)面積、成災(zāi)面積分別為4.969×106 hm2、8.890×105 hm2，2.850×106 hm2、1.613×106 hm2，2.954×106 hm2、1.346×106 hm2，1.901×106 hm2、1.360×106 hm2;2003年之后干旱受災(zāi)面積變化范圍是6.00×103～5.99×105 hm2（平均值為2.59×105 hm2），成災(zāi)面積變化范圍是0～2.41×105 hm2（平均值為1.00×105 hm2）。

由于歷年全省農(nóng)作物總播種面積并不固定，而是存在“先降后升”的變化特征，變化范圍是6.213 6×106～8.747 0×106 hm2（多年平均值是7.861 7×106 hm2），因此為了更好地揭示干旱發(fā)生面積與干旱日數(shù)和干旱強(qiáng)度之間的關(guān)系，計(jì)算了歷年受災(zāi)和成災(zāi)面積占總播種面積的比例。從圖7可見，歷年受災(zāi)和成災(zāi)面積占總播種面積的比例存在波動(dòng)變化，受災(zāi)和成災(zāi)面積占比高的年份總體是年干旱日數(shù)多、旱期日均干旱強(qiáng)度強(qiáng)。受災(zāi)面積比例與年干旱日數(shù)和旱期日均干旱強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)分別是0.466、0.410，分別通過了0.002、0.010的顯著性檢驗(yàn);成災(zāi)面積比例與年干旱日數(shù)和旱期日均干旱強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)分別是0.364、0.497，分別通過了0.020、0.001的顯著性檢驗(yàn)?？梢姡転?zāi)面積與干旱日數(shù)的相關(guān)性更強(qiáng)，成災(zāi)面積與干旱強(qiáng)度的相關(guān)性更強(qiáng)。1988年成災(zāi)面積比例最高，為19.2%，對應(yīng)的干旱日數(shù)和旱期日均干旱強(qiáng)度分別是126 d、73.6%，兩者在歷史上分別位列第2、第1;1978年雖然受災(zāi)面積比例最大，但成災(zāi)面積比例是10.4%，位列歷史第4，主要是因?yàn)殡m然干旱日數(shù)最多，長達(dá)146 d，但日均干旱強(qiáng)度并不是最強(qiáng)，屬中度干旱級(jí)別;2003年以來，無論是受災(zāi)面積占比還是成災(zāi)面積占比均處于低位，但年干旱日數(shù)和日均干旱強(qiáng)度并非處于歷史低位，這可能與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提升以及農(nóng)田水利設(shè)施的不斷投入有關(guān)，使得農(nóng)田灌溉能力逐步增強(qiáng)，在有足夠水源的情況下，通過灌溉有效緩解了旱情。

3?討論

通過計(jì)算逐日作物水分虧缺距平指數(shù)，基于游程理論有效識(shí)別農(nóng)業(yè)干旱的強(qiáng)度和歷時(shí)，揭示了江蘇省近60年來干旱歷時(shí)天數(shù)、旱情強(qiáng)度、覆蓋范圍的變化規(guī)律，及與全省農(nóng)業(yè)干旱實(shí)際災(zāi)害面積之間的關(guān)系。具體結(jié)論如下：（1）1960-2019年全省年干旱日數(shù)呈波動(dòng)特征，沒有明顯的線性變化趨勢，存在13～17年的振蕩周期。近60年年干旱日數(shù)變化范圍是26 d（1987年）～146 d（1978年）;年干旱日數(shù)在空間上呈“北多南少”的分布特征，蘇北、蘇中、蘇南年平均干旱日數(shù)分別為106 d、78 d、58 d;春季、夏季、秋季、冬季干旱日數(shù)占年干旱總?cè)諗?shù)的平均比例分別為24.8%、24.9%、18.0%、32.3%，即冬季發(fā)生干旱的日數(shù)最多;輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱日數(shù)占年干旱總?cè)諗?shù)的平均比例分別為34%、29%、20%、17%;全省年代平均干旱日數(shù)、中度干旱和重度干旱年代平均干旱日數(shù)的年代際變化規(guī)律總體一致，均為先降后升;各地不同強(qiáng)度的干旱發(fā)生頻率總體呈“北高南低”，蘇北輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的平均發(fā)生頻率分別為9.31%、8.35%、6.50%、6.66%，蘇中輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的平均發(fā)生頻率分別為8.13%、7.21%、5.07%、3.62%，蘇南輕度干旱、中度干旱、重度干旱、特別干旱的平均發(fā)生頻率分別為6.95%、5.64%、3.58%、2.95%。（2）1960-2019年全省年干旱強(qiáng)度和旱期日均干旱強(qiáng)度都呈波動(dòng)特征，同樣沒有明顯的線性變化趨勢，變化范圍分別是1 459%（1972年）～9 353%（1978年）、51%（1985年）～75%（1973年），近60年來也存在13～17年的振蕩周期。年干旱強(qiáng)度和旱期日均干旱強(qiáng)度60年平均值總體呈緯向分布格局，由南向北旱情逐漸加重，其中西北部農(nóng)業(yè)干旱總體較重，也是最易發(fā)生極端最強(qiáng)干旱的地方，沛縣和豐縣日極大干旱強(qiáng)度60年平均值均高達(dá)94.1%。近60年中度干旱、重度干旱、特別干旱平均覆蓋率分別為94.4%、83.0%、54.7%，中度干旱覆蓋率相對較穩(wěn)定，重度干旱和特別干旱的覆蓋率年際變化大。21世紀(jì)10年代中度干旱及以上等級(jí)干旱發(fā)生范圍要大于其他年代，中度干旱和重度干旱覆蓋率均位列歷史同等級(jí)干旱之最（分別為97.4%、89.0%），特別干旱覆蓋率位列歷史同等級(jí)干旱第二（57.7%）。（3）在2003年前干旱面積明顯大于2003年之后的干旱面積。1978-2002年干旱受災(zāi)面積和成災(zāi)面積的變化范圍分別是1.400×105～4.969×106 hm2、2.600×104～1.613×106 hm2，尤其是20世紀(jì)70年代、80年代、90年代及21世紀(jì)00年代均出現(xiàn)了歷史極端干旱年份;2003-2018年干旱受災(zāi)面積和成災(zāi)面積的變化范圍分別是6.00×103～5.99×105 hm2、0～2.41×105 hm2。受災(zāi)和成災(zāi)面積占比高的年份總體年干旱日數(shù)多、旱期日均干旱強(qiáng)度強(qiáng)，受災(zāi)面積與干旱日數(shù)的相關(guān)性更強(qiáng)，成災(zāi)面積與干旱強(qiáng)度的相關(guān)性更強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.466、0.497。

溫克剛等[21]利用2008年之前的旱情記錄資料對江蘇省各季節(jié)發(fā)生干旱的頻次進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：江蘇省冬旱平均5年2遇，夏旱平均4年1遇，春旱、秋旱平均10年1～2遇，但未對各地不同強(qiáng)度的干旱發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本研究通過詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)蘇北的特別干旱發(fā)生頻率高于重度干旱發(fā)生頻率，發(fā)生頻率可以更直觀地反映各地干旱發(fā)生的可能性。氣象干旱是農(nóng)業(yè)干旱的源頭和關(guān)鍵誘因，兩者之間存在緊密關(guān)聯(lián)性。本研究發(fā)現(xiàn)的江蘇省農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生頻率“北高南低”，氣象干旱持續(xù)日數(shù)和干旱強(qiáng)度沒有明顯的線性變化趨勢以及1978年的年干旱強(qiáng)度最強(qiáng)等特征均與包云軒等[22]的分析結(jié)果相一致。但農(nóng)業(yè)干旱的本質(zhì)是作物生育期內(nèi)水分供需不平衡，所以氣象干旱的時(shí)空分布規(guī)律并不能完全表征農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)空分布特征。包云軒等[22]指出“各等級(jí)氣象干旱日數(shù)冬季多夏季少”。而本研究采用的是水分虧缺距平指數(shù)，考慮了稻麥兩大作物的實(shí)際蒸散量，發(fā)現(xiàn)夏季干旱日數(shù)占全年干旱日數(shù)的比例并不是4個(gè)季節(jié)中最少的，而是僅次于冬季。夏季6-8月是水稻移栽-分蘗-拔節(jié)孕穗的關(guān)鍵生長期，其中拔節(jié)孕穗期是水稻一生中生理需水最多的時(shí)期，而且氣溫高，作物蒸散量也較大，若缺水易導(dǎo)致穗粒數(shù)減少。張旭暉等[23]采用水分盈虧量和標(biāo)準(zhǔn)蒸散量的比值作為干旱指標(biāo)，對江蘇省不同區(qū)域各季節(jié)農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生概率進(jìn)行了初步分析，但未對不同等級(jí)的干旱日數(shù)和干旱強(qiáng)度特征進(jìn)行研究，并且所用的氣象資料時(shí)段是1960-1998年，距今已有20多年。尤新媛等[11]利用水分虧缺指數(shù)對江蘇省1981-2010年冬小麥生長季干旱時(shí)空特征進(jìn)行了分析，而本研究中不僅考慮冬小麥生長季，也考慮水稻生長季的干旱特征，即對全年的農(nóng)業(yè)干旱特征進(jìn)行了分析。王錦杰等[24]利用MODIS數(shù)據(jù)基于植被健康指數(shù)對2001-2018年江蘇省農(nóng)業(yè)干旱特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：多年平均整體干旱面積占比為36.08%，綜合干旱頻率和干旱面積2個(gè)指標(biāo)，夏季是江蘇省農(nóng)業(yè)干旱易發(fā)季節(jié)，發(fā)生頻率高。盡管王錦杰等[24]的研究對象是所有植被，但通過衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)夏季是農(nóng)業(yè)干旱易發(fā)季節(jié)，該結(jié)論與本研究得出的夏季干旱特征是比較吻合的。

以上對比分析結(jié)果表明將游程理論和CWDIa相結(jié)合可以有效分離出農(nóng)業(yè)干旱的歷時(shí)和強(qiáng)度，能較好地揭示出不同區(qū)域、不同等級(jí)農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生時(shí)長、旱情強(qiáng)度、發(fā)生頻率、覆蓋范圍等的時(shí)空分布特征，以及干旱歷時(shí)長短和干旱強(qiáng)度大小對實(shí)際受災(zāi)面積、成災(zāi)面積的影響差異。本研究結(jié)果可為農(nóng)業(yè)用水管理、抗旱應(yīng)急措施制定、作物種植區(qū)劃等提供理論支撐。研究中也存在一定不足，由于農(nóng)田灌溉量數(shù)據(jù)不易獲取，所以在計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)時(shí)，并未考慮農(nóng)田灌溉因素[25-26]，同時(shí)也未考慮土壤類型[27]、植被覆蓋率[28]等影響因素。土壤類型決定了蓄水能力，季節(jié)性植被覆蓋率在一定程度上也對地表蒸散、降水分布、干旱程度有影響。今后可以從以下2個(gè)方面進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)干旱特征分析的客觀性，一是融合考慮更多影響干旱發(fā)生程度的因素，二是可以從干旱事件過程的角度，即不僅僅單純統(tǒng)計(jì)干旱日數(shù)，而是從干旱持續(xù)時(shí)長的角度，剝離出持續(xù)不同時(shí)長的干旱事件，與歷史實(shí)際干旱災(zāi)情相對照，以期尋找出不同干旱時(shí)長下的定量影響程度。

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（責(zé)任編輯：張震林）