李 雪

（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210000；2.山東省濟(jì)南市章丘區(qū)氣象局，濟(jì)南 250200）

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，自然氣候?yàn)?zāi)害在全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生。伴隨自然災(zāi)害發(fā)生的通常是較大的經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，中國(guó)每年因自然災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失大約為國(guó)家財(cái)政收入的25%。而農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害是最常見(jiàn)的自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅到中國(guó)的糧食安全［1-3］。農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害一般情況下會(huì)引起農(nóng)作物減產(chǎn)、農(nóng)作物質(zhì)量降低。有關(guān)數(shù)據(jù)揭露中國(guó)因氣象災(zāi)害而造成的農(nóng)作物市場(chǎng)價(jià)值降低量約占當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的5%。隨著全球氣候變暖，每年發(fā)生自然氣象災(zāi)害的頻率在大幅度上升，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展造成的巨大威脅也在與日俱增［4］。農(nóng)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，對(duì)于中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有支撐性的作用［5］。因此，有必要對(duì)中國(guó)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害進(jìn)行研究，將農(nóng)業(yè)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)社會(huì)損失降到最低，從而為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)健運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 冬小麥種植區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

1.1 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

此次研究用到的方法主要有4 種，分別是產(chǎn)量資料處理法、滑動(dòng)平均法、綜合評(píng)價(jià)法以及GIS 空間數(shù)據(jù)分析法。研究中需要對(duì)小麥產(chǎn)量進(jìn)行處理，以分析小麥氣象災(zāi)害。一般情況下農(nóng)作物產(chǎn)量一般由3 個(gè)部分組成，分別是氣象產(chǎn)量、趨勢(shì)產(chǎn)量以及隨機(jī)誤差［6］。這里通過(guò)滑動(dòng)平均法對(duì)產(chǎn)量趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，相對(duì)氣象產(chǎn)量為氣象產(chǎn)量同趨勢(shì)產(chǎn)量間的比值。對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型如式（1）所示。

式中，y表示相對(duì)氣象產(chǎn)量；Yt、Y分別表示趨勢(shì)產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量。減產(chǎn)率則為相對(duì)氣象產(chǎn)量的負(fù)值。M-K 通常用于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，其顯著之處在于不易受到異常數(shù)據(jù)的干擾，對(duì)于突變趨勢(shì)檢驗(yàn)具有極強(qiáng)的應(yīng)用效果。首先假定時(shí)間序列x的樣本容量為n，從而建立一秩序列，建立過(guò)程如式（2）所示。

式中，Sk表示i、j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累加值，此外，需要滿足式（3）。

假設(shè)各時(shí)間序列間具有隨機(jī)獨(dú)立性，并將統(tǒng)計(jì)量定義為式（4）所示的模型。此外，由于冬小麥氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程會(huì)涉及地理空間信息，因此，研究利用ArcGIS 10.2 軟件空間分析平臺(tái)，對(duì)研究對(duì)象的空間屬性進(jìn)行分析。此處主要運(yùn)用軟件中的自然隔點(diǎn)分級(jí)功能、反距離權(quán)重插值等功能，完成冬小麥的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

最后判斷突變點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列趨勢(shì)，其中，用UFi代表標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，顯著性水平用a表示，如果出現(xiàn)，表明序列變化較為明顯，且有UBk= -UFk(k=n,n- 1,…,1)。如 果UBk與UFk在臨界內(nèi)出現(xiàn)交點(diǎn)，那么突變開(kāi)始時(shí)間即為交點(diǎn)時(shí)間?；瑒?dòng)平均法能夠?qū)Ψ瞧椒€(wěn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便。滑動(dòng)平均法在算法參數(shù)選取上具有較大的主觀能動(dòng)性，因此，在計(jì)算過(guò)程中需要依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)變化情況，對(duì)滑動(dòng)平均算法參數(shù)進(jìn)行科學(xué)選取。研究中冬小麥減產(chǎn)率的計(jì)算采用11年滑動(dòng)平均法，即將連續(xù)11年的冬小麥產(chǎn)量序列看成是線性變化函數(shù)，主要反映冬小麥的產(chǎn)量變化趨勢(shì)，產(chǎn)量趨勢(shì)主要通過(guò)滑動(dòng)回歸得到。假定P代表趨勢(shì)產(chǎn)量的步長(zhǎng)，那么趨勢(shì)產(chǎn)量的滑動(dòng)時(shí)間為P年，故該回歸模型主要有n～P+1 個(gè)方程，即1～P，2～P+1，3～P+2，…，n～P+1～n。因此，t時(shí)刻的變量個(gè)數(shù)為P，故該年的趨勢(shì)產(chǎn)量就為變量均值，用yt(P)進(jìn)行表示。

式（6）中，P表示偶數(shù)，式（7）中P表示奇數(shù)。綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)加權(quán)平均對(duì)多因子災(zāi)害進(jìn)行評(píng)價(jià)，各因子對(duì)總評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度不同，因此，需要確定對(duì)應(yīng)的權(quán)重指數(shù)，進(jìn)行因子量化與乘數(shù)累積，對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型如式（8）所示。

式中，H對(duì)評(píng)價(jià)因子總量化值進(jìn)行表示；Xi代表i項(xiàng)指標(biāo)的量化值；Wi指i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；n代表評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量。

1.2 氣候?yàn)?zāi)害指標(biāo)確定

為了對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精確評(píng)估，需要結(jié)合農(nóng)作物的特點(diǎn)與氣象特征，選取科學(xué)客觀的災(zāi)害指標(biāo)［7］。由于氣象指數(shù)法的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)捷，對(duì)時(shí)間尺度要求寬松，故此次研究在建立災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用氣象指數(shù)法對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害進(jìn)行時(shí)空特征分析［8］。最終確定的災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)有3個(gè)，即干旱、熱干風(fēng)以及晚霜凍。由于小麥自身含水狀況可以反映環(huán)境的干旱程度，故需要對(duì)小麥的水分虧缺指數(shù)進(jìn)行計(jì)算［9］。虧缺水分計(jì)算從小麥發(fā)育初期首日算起，即生長(zhǎng)期的前50 d，以10 d 作為1 個(gè)計(jì)量周期，小麥的水分虧缺指數(shù)計(jì)算方法如式（9）所示。

式中，ICWDs,i表示農(nóng)作物位于生長(zhǎng)階段i天的累計(jì)水分虧缺指數(shù)（%）；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別表示第i、i- 1、i- 2、i- 3、i- 4 時(shí)間單位；權(quán)重系數(shù)分別用a、b、c、d、e表示，取值依次為0.31、0.26、0.21、0.16、0.11，故小麥的水分虧缺計(jì)算方法如式（10）所示。

式中，CWDIi代表i天的水分虧缺指數(shù)；i時(shí)間單位內(nèi)的降水量用Pi表示；i時(shí)間單位內(nèi)的需水量（mm）用ETCi表示。計(jì)算模型如式（11）所示。

式中，ETOi對(duì)參考作物蒸散進(jìn)行表示，同時(shí)利用FAO 模型進(jìn)行表示；Kc表示冬小麥系數(shù)。

式中，es表示飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)際水汽壓（kPa）；U2表示高處風(fēng)速（m/s）；Δ表示飽和水汽壓曲線斜率；γ表示干濕表常數(shù)（kPa/℃）；Rη表示地表凈輻射［MJ/（m2·d）］；G表示土壤熱通量；Tmean表示平均日氣溫（℃）。結(jié)合上述模型與土壤濕度分類標(biāo)準(zhǔn)，此次研究將冬小麥的干旱等級(jí)劃分為4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

由表1 可知，冬小麥一共分為5 個(gè)干旱類型，分別為特旱、重旱、中旱、輕旱以及無(wú)旱。由于中國(guó)的冬小麥常遭遇的多為高溫低濕型的干熱風(fēng)，故此處參考?xì)庀笮袠I(yè)中的溫度、濕度以及風(fēng)速等分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合冬小麥的自身情況對(duì)其干熱風(fēng)等級(jí)進(jìn)行劃分［10，11］，劃分結(jié)果如表2 所示。此外，小麥在拔節(jié)后的抗霜凍能力會(huì)大幅度降低，加之中國(guó)種植冬小麥的區(qū)域大多冷空氣較多，氣溫普遍偏低，使得氣溫遠(yuǎn)低于冬小麥的抗寒能力區(qū)間，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)霜凍，嚴(yán)重影響冬小麥的產(chǎn)量，因此，霜凍指標(biāo)選取拔節(jié)后的日最低氣溫，詳細(xì)的分類等級(jí)如表2 所示。

表1 冬小麥干旱分類等級(jí)

由表2 可知，冬小麥的干熱風(fēng)可分為4 個(gè)等級(jí)，分別是特重干熱風(fēng)、重干熱風(fēng)、中等干熱風(fēng)以及輕干熱風(fēng)，分類依據(jù)為日最高氣溫、14 時(shí)風(fēng)速以及14 時(shí)相對(duì)濕度。冬小麥的晚霜凍可以分為2 個(gè)等級(jí)，分別是重度和輕度，分類依據(jù)有2 個(gè)，即分別是拔節(jié)后天數(shù)以及拔節(jié)后的日最低氣溫。根據(jù)不同的拔節(jié)后天數(shù)，參照不同的霜凍分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［12］對(duì)冬小麥的霜凍情況進(jìn)行分級(jí)。

表2 冬小麥干熱風(fēng)與晚霜凍分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥種植區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)空特征

此處以構(gòu)建的冬小麥種植區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型為依據(jù)，選取河南省的14 個(gè)站點(diǎn)作為背景，對(duì)其冬小麥氣象災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。河南省屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，四季較為分明，春季干旱、夏季炎熱多雨、秋季日照充足、冬季較為寒冷，存在寒霜期，河南省的糧食一般為兩熟制。研究中所需的氣象資料、冬小麥產(chǎn)量資料以及相關(guān)的其他資料均來(lái)自于河南省統(tǒng)計(jì)年鑒。評(píng)估農(nóng)作物氣象風(fēng)險(xiǎn)的第一步是分析當(dāng)?shù)氐臅r(shí)空特征，故利用冬小麥種植區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)河南省的時(shí)空特征進(jìn)行分析，其干旱指標(biāo)對(duì)應(yīng)的時(shí)空特征分析結(jié)果如圖1 所示。

由圖1 可知，近39年（1980—2018年）河南省干旱的覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，有顯著上升的趨勢(shì)?？赡茉蛟谟诤幽鲜〗陙?lái)氣候逐漸回暖，常年降水不足，氣溫的回升和雨水的缺乏致使省內(nèi)出現(xiàn)大批量的旱區(qū)。在取樣區(qū)間旱區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)河南省，平均覆蓋率高達(dá)98%，按照線性傾向計(jì)算，干旱覆蓋率以64%的速度上升，尤其是20 世紀(jì)90年代以來(lái)，大規(guī)模干旱的發(fā)生率在迅速增加。

圖1 河南省干旱時(shí)空特征

通過(guò)冬小麥種植區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型得到河南省干熱風(fēng)與晚霜凍時(shí)空特征，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，河南省輕度干熱風(fēng)的發(fā)生范圍幾乎達(dá)到了極大值，總體上涵蓋了河南省50%的站點(diǎn)。重度干熱風(fēng)發(fā)生范圍也幾乎占據(jù)了河南省的1/4。此外，除了1984、1985、1991年之外，河南省每年都會(huì)發(fā)生干熱風(fēng)。尤其是1992年以及2002年，其輕度型干熱風(fēng)發(fā)生范圍幾乎達(dá)90%，1992、1994年以及2005年重度干熱風(fēng)發(fā)生范圍也較高，近70%。輕度型干熱風(fēng)的總發(fā)展趨勢(shì)是波浪形，即表現(xiàn)為前期下降，中期逐漸上升，后期又開(kāi)始下降，前、中、后期分別對(duì)應(yīng)20 世紀(jì)80年代、20 世紀(jì)90年代以及21世紀(jì)10年代。從晚霜凍角度來(lái)看，各年代均表現(xiàn)出輕度晚霜凍的發(fā)生范圍大于重度晚霜凍。21 世紀(jì)以前，輕度晚霜凍的發(fā)展趨勢(shì)較為平緩，其發(fā)生站次數(shù)逐漸降低并趨于穩(wěn)定，進(jìn)入21 世紀(jì)以后，輕度晚霜凍的發(fā)生范圍逐漸擴(kuò)大。重度晚霜凍在20 世紀(jì)80—90年代發(fā)生范圍較大。2 種類型的晚霜凍發(fā)生范圍最小值皆出現(xiàn)在21 世紀(jì)00—10年代，且發(fā)生范圍呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖2 河南省干熱風(fēng)與晚霜凍時(shí)空特征

2.2 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估

根據(jù)干旱、干熱風(fēng)及晚霜凍災(zāi)害指標(biāo)，求出河南省14 個(gè)站點(diǎn)各災(zāi)害的發(fā)生頻次與中值，且把頻次和中值乘積作為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性的衡量指標(biāo)，同時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)化公式對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用ArcGIS 對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行空間插值，相關(guān)處理后得到了如圖3 所示的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果。

由圖3 可知，河南省干旱風(fēng)險(xiǎn)性表現(xiàn)為由南至北逐漸增高的趨勢(shì)，其中主要的干旱高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在開(kāi)封、安陽(yáng)等地，干旱風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.64，1.00］，可能的原因在于這些區(qū)域具有較高的緯度，常年缺少降雨。干旱中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在河南省東部，干旱風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.51，0.64）。干旱低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中分布在河南省南部一帶，南部常年降水豐富，發(fā)生干旱的可能性較低。河南省其他地區(qū)為干旱次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)間為［0.36，0.51）。

圖3 河南省冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)性分布

對(duì)河南省的干熱風(fēng)以及晚霜凍進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如圖4 所示。由圖4a 可知，河南省的干熱風(fēng)分布較廣，整體較為擴(kuò)散，主要的干熱風(fēng)高風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)集中在河南省的北部以及中部，對(duì)應(yīng)的干熱風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.66，1.00］。干熱風(fēng)中高值區(qū)集中分布在河南省的平原地區(qū)，該區(qū)風(fēng)速偏大，常年氣候干燥，干熱風(fēng)現(xiàn)象較為明顯。干熱風(fēng)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在河南省的南部，南部降雨充沛，有較大的空氣濕度，發(fā)生干熱風(fēng)的可能性較低。次低干熱風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)分布在河南省西部，西部常年降水，有最大的空氣濕度，不易發(fā)生干熱風(fēng)。由圖4b 可知，河南省的晚霜凍總體上表現(xiàn)為自西而東逐漸降低的趨勢(shì)，晚霜凍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在河南省的丘陵地區(qū)，對(duì)應(yīng)的晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.61，1.00］，丘陵區(qū)常集聚有大量冷空氣，氣溫普遍不高，因此發(fā)生晚霜凍的可能性較大。晚霜凍低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在河南省的南部，南部平均氣溫偏高，常年風(fēng)險(xiǎn)值低于0.23。河南省的北部是晚霜凍中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，該區(qū)冷空氣流入較多，且地勢(shì)平坦，區(qū)域內(nèi)空氣流動(dòng)性大，整體氣溫偏低，該區(qū)發(fā)生晚霜凍的可能性較小，晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.23，0.39）。

圖4 河南省干熱風(fēng)以及晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3 小結(jié)

在對(duì)冬小麥氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究中，最為關(guān)鍵的在于確定災(zāi)害指標(biāo)。本研究在結(jié)合農(nóng)作物自身特點(diǎn)與中國(guó)地理特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了冬小麥種植區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，該模型詳細(xì)闡述了研究所用方法，并對(duì)冬小麥災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了篩選，最終確定的災(zāi)害指標(biāo)主要為干旱、干熱風(fēng)以及晚霜凍。以典型的冬小麥種植區(qū)河南省為例，對(duì)冬小麥災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，河南省干旱風(fēng)險(xiǎn)性表現(xiàn)為自南而北逐漸增高的趨勢(shì)，其中主要的干旱高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在開(kāi)封、安陽(yáng)等地，干旱風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.64，1.00］。河南省的干熱風(fēng)分布較廣，整體較為擴(kuò)散，主要的干熱風(fēng)高風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)集中在河南省的北部以及中部，對(duì)應(yīng)的干熱風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.66，1.00］。河南省的晚霜凍總體上表現(xiàn)為由西而東逐漸降低的趨勢(shì)，晚霜凍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在河南省的丘陵地區(qū)，對(duì)應(yīng)的晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)性值為［0.61，1.00］。本研究對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的預(yù)防具有一定的參考意義，但對(duì)時(shí)空特征分布的研究還存在取樣數(shù)據(jù)較少、試驗(yàn)精度不夠高的問(wèn)題，還有待更進(jìn)一步的證實(shí)研究。