葉爾克江·霍依哈孜,阿帕爾·肉孜,周國宏,黃 健
(1.昌吉州氣象局,新疆 昌吉 831100;2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)
近年來,受全球氣候變暖的影響,中國極端氣候事件頻發(fā),區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化[1]。極端氣象問題引發(fā)的氣象災(zāi)害引起全社會的廣泛關(guān)注[2]。全球氣候變暖加劇了干旱、大風、高溫、低溫冷害等極端天氣事件發(fā)生的概率和強度,與降水有關(guān)的旱災(zāi)是威脅國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)的最主要自然災(zāi)害之一[3]。氣象干旱是區(qū)域范圍內(nèi)因長期無降水或降水異常偏少造成空氣干燥、土壤缺水至干涸,進而導(dǎo)致農(nóng)作物受害和減產(chǎn)的現(xiàn)象,氣象干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全的影響日益加重[4]。新疆位于中緯度歐亞大陸腹地,屬典型的大陸性干旱氣候區(qū),干旱是新疆頻發(fā)的、危害最嚴重的氣候災(zāi)害,對經(jīng)濟建設(shè)、人民生活及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害極大,對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅,且影響范圍廣、持續(xù)時間長、后果嚴重。近年來,有關(guān)新疆氣象干旱的研究受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。有研究指出,在全球氣候變暖的背景下,新疆的氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變,極端事件增多[5-9];許多學(xué)者用各類干旱指數(shù)對全疆或局部區(qū)域的干旱特征進行了研究,得出的結(jié)論也不同[10-13];吳燕峰等[14]研究了1964—2012年石河子市干濕變化特征表明石河子墾區(qū)呈暖濕趨勢。唐高溶等[15]研究阿勒泰地區(qū)作物生育期干濕變化特征表明阿勒泰地區(qū)氣候總體日趨溫暖濕潤。這些學(xué)者為北疆氣候干濕變化的研究提供了豐富的理論依據(jù)和經(jīng)驗。但是對氣候變化極為敏感的昌吉回族自治州(簡稱昌吉州),氣象干旱變化相關(guān)理論研究較少且并不深入。昌吉州為新疆最重要的糧食、畜牧、棉花、水果生產(chǎn)基地,氣候變化下干旱演變對昌吉州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程和生態(tài)環(huán)境有直接的影響,因此探究昌吉州近60年的干旱時空變化特征及演變,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)安全具有重要意義。
昌吉州位于天山北麓、準噶爾盆地東南緣。位于北緯43°20′—45°00′,東經(jīng)85°17′—91°32′。地勢南高北低,由東南向西北傾斜,南部是天山山地,中部為廣袤的沖積平原,北部為浩瀚的沙漠盆地。昌吉州處在歐亞大陸腹地、四周環(huán)山的盆地中,降水少、干燥度大、蒸發(fā)強烈,氣溫變化劇烈,為典型的大陸干旱性氣候。具有冬季寒冷漫長,夏季炎熱,光照充足,熱量豐富,氣溫年較差、日較差大,春、秋季氣溫變化劇烈,春、夏季多風的特點。昌吉州轄有五縣兩市,自西向東為西部的瑪納斯縣、呼圖壁縣,中部的昌吉市、阜康市,東部的吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘縣。東部的奇臺、木壘、吉木薩爾3個縣為昌吉州主要的糧食生產(chǎn)基地,占昌吉州糧食種植面積的75%以上,東三縣河灌區(qū)和山區(qū)旱地所占比例較大,整體上靠天吃飯的格局未改變。作物生長季如遇高溫少雨干旱事件,對農(nóng)牧業(yè)影響較大,近幾年在大田調(diào)查中發(fā)現(xiàn)東三縣旱地作物每年受旱災(zāi)的影響比較明顯,導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)的降低。因此,迫切需要對昌吉州氣象干旱時空變化特征進行分析研究、掌握規(guī)律、進行干旱評價及預(yù)測。為昌吉州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、開展干旱預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)、防旱抗旱工作提供參考依據(jù)。
采用昌吉州10個氣象觀測站1961—2020年降水資料,并收集7個縣(市)及蔡家湖(103團)60年農(nóng)作物干旱災(zāi)情資料,資料來源于昌吉州氣象局災(zāi)情資料庫及氣象災(zāi)害大典。
1.2.1 干旱指標及分級標準 氣象干旱是指持續(xù)的不正常的干燥天氣導(dǎo)致缺水而引起的嚴重水文不平衡,其最明顯的特征是降雨量持續(xù)低于某一正常值。氣象干旱是由多方面綜合因素造成的結(jié)果,從不同的層面考慮有不同的監(jiān)測方法和指標,評價氣象干旱的指標也是多樣的,但降水量對干旱的影響最為直接,能夠直觀地表現(xiàn)出干旱發(fā)生的強度,且計算方法簡單,因此文中采用《氣象干旱等級國家標準》(GB/T 20481—2017)中降水距平百分率干旱指標(表1),選取月、季、年不同時間尺度干旱事件,氣象干旱輕重程度分為5個等級:無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱。分析昌吉州近60年氣象干旱時空特征。
表1 降水百分率氣象干旱等級劃分
1.2.2 降水量距平百分率的計算方法 降水距平百分率(P0)是指某段時間的降水量與常年同期降水量相比的百分率。
式中,P為某時間段降水量;為計算時段同期氣候平均降水量。本標準中2010年以前取1971—2000年30年 平均值,2010年以后取1981—2010年30年平均值。
式中,Pi為時段i的降水量;n為樣本數(shù),n=1~30。
1.2.3 氣象數(shù)據(jù)處理 選取昌吉州10個氣象觀測站60年(1961—2020年)降水資料,采用趨勢分析法、M-K檢驗法探究1961—2020年昌吉州降水量變化趨勢;采用Excel軟件進行統(tǒng)計,并用降水距平百分率法計算出各站月、季、年降水距平百分率,按降水距平百分率干旱指標選取昌吉州60年逐月、逐季、逐年出現(xiàn)輕旱、中旱、重旱、特旱的事件,出現(xiàn)一次氣象干旱事件(輕旱、中旱、重旱、特旱)計1個頻次,對所出現(xiàn)的月、季、年氣象干旱事件的頻次進行累加,計算出各縣(區(qū))不同時間尺度氣象干旱事件總頻次在總時間段中所占頻率,利用Excel、Origin和Arcgis 10.2軟件繪圖分析。
60年來,昌吉州降水量呈增加趨勢,其氣候傾向率為9.5 mm/10年,通過0.01顯著性檢驗。年際變化幅度大,振幅明顯(圖2a),60年來已增加了57 mm。年降水量多年平均為237 mm,年降水量最大值出現(xiàn)在2015年,為347 mm,最小值出現(xiàn)在1962年,為138 mm,相差208.7 mm。降水量年內(nèi)分配不均勻,夏季降水量最大,6、7、8月平均降水量分別為33.7、34.1、26.4 mm,合計94.3 mm,占全年總降水量的40%;春季3、4、5月降水量分別為12.0、26.0、30.4 mm,合計為68.4 mm,占全年的29%;秋季9、10、11月降水量分別為20.4、17.3、14.3 mm,秋季合計為52.0 mm,占全年的22%;冬季降水量最小,12、1、2月降水量分別為9.2、6.1、6.7 mm,合計僅有22.2 mm,占全年的9%。
從年代上分析,20世紀60、70年代為降水量相對偏少年代,80年代開始昌吉州降水量逐年增加,進入21世紀降水量增加平緩。由近60年年平均降水量序列的M-K檢測(圖2b)可以看出,20世紀80年代之前降水量波動較大,且正負值交替出現(xiàn),80年代開始UF表現(xiàn)為增加趨勢,并于1984年與UB曲線有個交點,之后UF曲線于1998年突破了0.05的臨界線1.96。這說明20世紀80年代之前降水量整體偏少且變化不穩(wěn)定,20世紀80年代初開始逐年增加,并且1983年發(fā)生了突變性增加,1998年增加明顯。突變后(1984—2020年)較突變前(1961—1983年)昌吉州降水量增加了41.3 mm。
運用Arcgis 10.2軟件,利用克里金插值法生成昌吉州近60年年平均降水空間分布。由(圖2c)可知,降水量空間分布差距較大,降水量呈現(xiàn)山區(qū)多于平原,東西部多于中部和北部的格局。西部降水量180~200 mm,中部140~210 mm,東部180~190 mm,北部80~140 mm,山區(qū)180~553 mm。
上述分析表明,昌吉州降水量季節(jié)上的集中和不均衡分布造成干旱,春季、秋季和冬季降水量較少,且年際差異大,說明在春季作物播種季節(jié)、秋季作物收獲期和冬小麥播種期,容易發(fā)生春旱或秋旱。而且冬季降水量很少,這會導(dǎo)致土壤含水量不足,影響第二年春季作物播種至出苗期,易形成春旱。
2.2.1 氣象干旱月分布特征 分析不同月份昌吉州氣象干旱事件發(fā)生的頻次(表2)可知,60年來各縣(市)氣象干旱發(fā)生的月頻次呈波動態(tài)勢,瑪納斯縣6—9月、11月較多,1—2月最多、4月最少,其余月份較平穩(wěn);呼圖壁縣7月最多,1—3月較多,4月最少,其余月份較平穩(wěn);阜康市、吉木薩爾縣1—10月較多,11—12月較少;昌吉市5—10月較多,12月開始逐漸增加,1月最多,其余月份較平穩(wěn);奇臺縣、木壘縣6—8月較多,1月最多,其余月份較平穩(wěn)。通過以上分析得出,氣象干旱主要發(fā)生在1月和5—10月,其中,1月最多,發(fā)生的頻次為242次,其次是7月,發(fā)生的頻次為232次,11月最少,發(fā)生的頻次為162次,這與當?shù)亟邓康臅r間分布特征基本一致。昌吉州各地氣象干旱月分布特征表明,農(nóng)作物苗期至成熟期氣象干旱出現(xiàn)頻次較多。不同干旱程度對出苗率、出苗時間影響程度不同,灌漿成熟期干旱易造成子粒不飽滿,千粒重下降,直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。
表2 昌吉州1961—2020年氣象干旱月頻次 (單位:次)
由圖3可以看出,過去的60年來,氣象干旱共發(fā)生了283次,其中出現(xiàn)輕旱頻數(shù)為43次,中旱頻數(shù)為36次,重旱頻數(shù)為20次,特旱頻數(shù)最多,為184次,占總數(shù)的65%,主要表現(xiàn)在1—2月占47%~52%,6—9月占35%~40%,這說明1—2月、6—9月是昌吉州主要的干旱期。6—9月是昌吉州各縣(市)主要作物生長和產(chǎn)量形成關(guān)鍵期,也是農(nóng)田需水高峰期。此期間出現(xiàn)的階段性干旱強度大、頻率高,對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)影響較大。
2.2.2 氣象干旱季分布特征 分析不同季節(jié)昌吉州氣象干旱事件發(fā)生的頻次(表3)可知,近60年各季發(fā)生的氣象干旱事件頻次分別是春季195次、夏季206次、秋季216次、冬季211次。昌吉州氣象干旱主要是秋旱,冬旱次之,夏、春旱較少,這與該區(qū)域降水量的季節(jié)分布特征基本吻合。從縣(市)的角度來看,各縣(市)發(fā)生的氣象干旱頻次分別為瑪納斯縣83次、呼圖壁縣76次、昌吉市88次、蔡家湖86次、阜康市94次、吉木薩爾縣85次、奇臺縣、木壘縣均81次、天池74次、北塔山80次,頻率依次為35%、32%、37%、36%、39%、35%、34%、34%、31%、33%,可以看出,阜康市、昌吉市、蔡家湖的氣象干旱發(fā)生頻次較多,天池較少,其余縣(市)相差不大。
表3 昌吉州1961—2020年氣象干旱季頻次(單位:次)
從季尺度氣象干旱等級分布情況(圖4)來看,近60年春季氣象干旱以輕旱為主、特旱次之、中旱及重旱發(fā)生頻次較少,其中,瑪納斯縣、昌吉市、蔡家湖、阜康市、奇臺縣、木壘縣發(fā)生輕旱頻次較多,為9~12次,其余縣(市)較少,為4~6次;夏季氣象干旱以輕旱和特旱為主,中旱次之,其中,昌吉市、吉木薩爾縣、北塔山發(fā)生特旱頻次較多,為9~11次,瑪納斯縣、呼圖壁縣發(fā)生輕旱頻次最多,分別為10次,阜康市特旱和中旱并列出現(xiàn),分別為11、9次,其余縣(市)發(fā)生輕旱、特旱、中旱頻次均較少;秋季氣象干旱以輕旱為主,特旱次之,其中,阜康市、奇臺縣、木壘縣、天池發(fā)生輕旱頻次較多,阜康市特旱出現(xiàn)最多,為12次;冬季以特旱為主,各地出現(xiàn)頻次較多,這與各地冬季氣候特征降水量等因素有關(guān)。
2.2.3 氣象干旱年分布特征 用年尺度計算,選取60年氣象干旱事件進行分析,若1年內(nèi)3個縣(市)同時發(fā)生氣象干旱事件,則認為是1次區(qū)域性氣象干旱事件。分析發(fā)現(xiàn),60年來有20年發(fā)生了區(qū)域性氣象干旱,分別是1962、1965、1967、1968年,1973—1975年,1977、1981、1985、1986、1989、1991、1995、1997、2001、2008、2014年,2019—2020年。從20世紀90年代至2010年為氣象干旱事件(年尺度)發(fā)生的頻次減少年代。近11年(2010—2020年)干旱事件又逐年增加,11年出現(xiàn)3次區(qū)域性干旱,這與氣候變暖背景下極端氣候事件的增多、降水量的逐年變化及分布不均衡、河流來水量明顯偏少、資源性缺水等密切相關(guān)。
從年尺度氣象干旱等級分布情況(圖5)來看,60年來昌吉州氣象干旱以輕旱和特旱為主,中旱次之,重旱出現(xiàn)較少。其中,蔡家湖、奇臺縣發(fā)生輕旱的頻次最多,分別出現(xiàn)11次和10次,吉木薩爾縣、木壘縣次之,為8次;阜康市發(fā)生特旱頻次最多,為11次,瑪納斯縣、吉木薩爾縣、奇臺縣、天池站、北塔山站次之,出現(xiàn)7~8次;呼圖壁縣、昌吉市出現(xiàn)中旱頻次較多,分別為6次和7次;其余縣發(fā)生較少。
昌吉州是典型的干旱地區(qū),降水少,且分布不均勻,昌吉州歷史上的嚴重干旱是由長期少雨造成的。干旱災(zāi)害是昌吉州發(fā)生頻繁、持續(xù)時間長的一種氣象災(zāi)害,根據(jù)昌吉州氣象局災(zāi)情資料庫及氣象災(zāi)害大典記載的昌吉州1961—2020年災(zāi)害情況,結(jié)合降水距平百分率的逐月、季、年氣象干旱評價結(jié)果,將歷史旱災(zāi)情況與干旱指標評價結(jié)果進行對比,具體情況見表4,其中,大旱指的是重旱和特旱,旱指的是輕旱和中旱。從表4可以看出,昌吉州1961—2020年發(fā)生旱災(zāi)的年數(shù)為26年,其中,重大旱災(zāi)年數(shù)為9年,將干旱指標評價中的特旱和重旱標準作為評定重大旱災(zāi)的標準,中旱和輕旱評定為一般旱災(zāi)的標準,從而得到降水距平百分率的干旱評價結(jié)果。降水距平百分率評定的旱災(zāi)年與歷史旱災(zāi)年吻合年數(shù)為21年,吻合率達80%,說明降水距平百分率與實際干旱過程吻合得較好,能基本反映昌吉州的干旱情況。
表4 1961—2020年昌吉州歷史旱災(zāi)情況與干旱指標評價結(jié)果對比
統(tǒng)計1961—2020年昌吉州農(nóng)區(qū)7個縣(市)及蔡家湖(103團)的干旱災(zāi)情,對各縣(市)60年氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積進行累加,詳細分析其對農(nóng)作物生產(chǎn)的影響。結(jié)果(圖6)表明,近60年受氣象干旱影響,奇臺縣、吉木薩爾縣、木壘縣、阜康市農(nóng)作物成災(zāi)面積較大,受災(zāi)程度嚴重,蔡家湖、昌吉市次之,瑪納斯縣、呼圖壁縣較小,受災(zāi)程度輕。這與地區(qū)氣候特征差異、降水不均衡、水資源分布、地形地貌、種植結(jié)構(gòu)、灌溉模式不同有一定的關(guān)系。
從昌吉州1961—2020年氣象干旱造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積年際變化來看,氣象干旱災(zāi)害造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積呈弱減少趨勢,減少不明顯,未通過顯著性檢驗。歷史旱災(zāi)主要發(fā)生在20世紀60—80年代,進入20世紀90年代逐年減少,到2010年后區(qū)域性氣象干旱有所增加,但未產(chǎn)生災(zāi)害,這與近年來干旱監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警能力的提高,干旱狀況評估的及時開展、人工增雨作業(yè)的適時進行、合理開發(fā)利用空中水資源以及種植結(jié)構(gòu)和種植模式的調(diào)整等密不可分。其中,1962、1974、1980、1989、1991、1997、2008、2020年成災(zāi)面積較大。不同氣象干旱年造成農(nóng)作物受災(zāi)面積的不同與氣象干旱災(zāi)害的嚴重程度及干旱發(fā)生時農(nóng)作物生長發(fā)育時期的不同有一定關(guān)系。
本研究利用昌吉州10個氣象站,60年(1961—2020年)降水及干旱災(zāi)情資料,計算各氣象站月、季、年降水距平百分率,按降水距平百分率干旱指標選取干旱事件,分析不同時間尺度氣象干旱的時空特征,并計算氣象干旱日數(shù)及農(nóng)作物成災(zāi)面積的逐年變化趨勢,研究氣象干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,得出以下結(jié)論。
1)近60年昌吉州降水量呈增加趨勢,年內(nèi)分布不均衡,夏季降水量最大,主要集中在6、7月,冬季降水量最小;從年代上來看,20世紀60、70年代為降水量相對偏少年代,20世紀80年代開始逐年增加,進入21世紀降水量增加平緩;通過M-K檢驗可以看出,20世紀80年代之前降水量整體偏少且變化不穩(wěn)定,20世紀80年代初開始逐年增加,并且1983年發(fā)生了突變性增加,1998年增加明顯;在空間分布上呈現(xiàn)東西差距較大,降水量山區(qū)多于平原,東部和西部多于中部的分布格局。
2)以降水距平百分率標準為基礎(chǔ),從月、季、年不同時間尺度對昌吉州氣象干旱時空分布特征進行詳細分析可知,月尺度上,各氣象站氣象干旱頻次1—2月和5—10月較多,其中1月最多,7月次之,11月最少,干旱等級以特旱為主;季尺度上,氣象干旱主要是秋旱,冬旱次之,主要以輕旱為主,特旱次之;60年來有20年發(fā)生了干旱事件,均以輕旱和特旱為主,中旱次之,重旱出現(xiàn)較少。從20世紀90年代至2010年氣象干旱事件發(fā)生的頻次減少,近11年(2010—2020年)干旱事件又逐年增加,這與氣候變暖背景下極端氣候事件的增多、降水量的逐年變化及分布不均衡、河流來水量明顯偏少、資源性缺水等密切相關(guān)。
3)根據(jù)昌吉州氣象局災(zāi)情資料庫及氣象災(zāi)害大典記載的昌吉州1961—2020年災(zāi)害實際情況,結(jié)合降水距平百分率的逐月、季、年氣象干旱評價結(jié)果,對歷史旱災(zāi)情況與干旱指標評價結(jié)果進行對比可知,降水距平百分率評定的旱災(zāi)年與歷史旱災(zāi)年吻合年數(shù)為21年,吻合率達80%,說明降水距平百分率與實際干旱過程吻合得較好,能基本反映昌吉州的干旱情況。
4)近60年受氣象干旱影響,阜康市、吉木薩爾、奇臺、木壘縣農(nóng)作物成災(zāi)面積較大,受災(zāi)程度嚴重,蔡家湖、昌吉市次之,瑪納斯縣、呼圖壁縣較小,受災(zāi)程度輕。氣象干旱災(zāi)害造成的農(nóng)作物成災(zāi)面積呈弱減少趨勢,減少不明顯,未通過顯著性檢驗。歷史旱災(zāi)主要發(fā)生在20世紀60—80年代,進入20世紀90年代逐年減少,到2010年后區(qū)域性氣象干旱有所增加,但未產(chǎn)生災(zāi)害,這與近年來干旱監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警能力的提高,干旱狀況評估的及時開展、人工增雨作業(yè)的適時進行、合理開發(fā)利用空中水資源以及種植結(jié)構(gòu)和種植模式的調(diào)整等有關(guān)。
本研究以降水距平百分率標準為基礎(chǔ),從月、季、年不同時間尺度對昌吉州氣象干旱時空分布特征進行了詳細分析,并研究氣象干旱對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,突破了新疆傳統(tǒng)的從某一種時間尺度對氣象干旱進行研究的思維,降水距平百分率指標在昌吉州的適用性評價,對氣象干旱的監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警有了新的指導(dǎo)意義。用降水距平百分率作為選取氣象干旱的標準,直觀、簡單、容易理解,但是干旱是由諸多因素造成的,如氣溫、蒸發(fā)、土壤墑情、灌溉條件、種植結(jié)構(gòu)、植物生育期的抗旱能力以及工業(yè)和城市用水等。為了更深入更客觀地了解氣象干旱發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律,提高干旱預(yù)報、預(yù)警服務(wù)能力以及干旱的防治能力,需要建立適合當?shù)匕T多因素的干旱指標綜合模型,以期進一步揭示昌吉州氣象干旱的變化規(guī)律,提高氣象干旱的監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警及防治能力。