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        基于標準化土壤濕度指數(shù)的貴州省農(nóng)業(yè)干旱評價

        2022-11-28 06:38:06劉振男焦衛(wèi)國王笑宇徐桂弘吳安杰
        中國農(nóng)村水利水電 2022年11期
        關(guān)鍵詞:標準化農(nóng)業(yè)評價

        劉振男,焦衛(wèi)國,王笑宇,徐桂弘,吳安杰

        (1.貴州理工學(xué)院土木工程學(xué)院,貴州貴陽 550001;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,安徽合肥 230036)

        0 引言

        干旱一直是抑制我國社會經(jīng)濟健康發(fā)展的不利因素,破壞力大、持續(xù)期久、隱蔽性強是干旱的典型特征[1,2]。近半個世紀以來,我國有21 年發(fā)生過特大干旱事件,因其造成經(jīng)濟損失約為當(dāng)年GDP 的3%[3]。受氣候變化與人類活動的雙重影響,我國干旱時空演變規(guī)律出現(xiàn)顯著變化,即干旱不再是干旱、半干旱地區(qū)的專屬產(chǎn)物,諸如貴州等濕潤、半濕潤地區(qū)也接連出現(xiàn)干旱問題。如2005 年、2006 年、2009 年及2010 年,貴州省連續(xù)發(fā)生嚴重旱情,造成了巨大的經(jīng)濟損失,嚴重威脅了該地區(qū)的糧食安全與用水安全,成為了當(dāng)?shù)刎酱鉀Q的現(xiàn)實難題。為此,準確識別、模擬貴州省農(nóng)業(yè)干旱過程對其防旱減災(zāi)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

        農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測通常是依據(jù)判定土壤含水量匱乏對農(nóng)作物生長不利影響所實現(xiàn)的[4,5]。因此,學(xué)者們圍繞土壤含水量研制了諸如土壤濕度距平指數(shù)、土壤濕度百分位數(shù)指數(shù)、標準化土壤濕度指數(shù)等大量指標,完成了農(nóng)業(yè)干旱的識別與評價工作。郭燾等[6]基于MODIS 數(shù)據(jù)反演計算了地表含水量指數(shù)對內(nèi)蒙古錫林郭勒的干旱情況進行了有效分析;吳志勇等[7]運用土壤含水量距平指數(shù)對長江流域上游近60 年的歷史干旱事件進行了深度研究;周洪奎等[8]應(yīng)用標準化土壤濕度指數(shù)對黃淮海平原的農(nóng)業(yè)干旱進行了監(jiān)測與評價;楊文靜等[9]同樣采用標準化土壤濕度指數(shù)對灤河流域的農(nóng)業(yè)干旱進行了監(jiān)測與分析。上述研究成果均表明利用土壤含水量構(gòu)造相應(yīng)的干旱指標是準確評價農(nóng)業(yè)干旱的有效手段。截止目前,基于土壤含水量研制的干旱指標在貴州省農(nóng)業(yè)干旱識別與評價中的應(yīng)用鮮有發(fā)現(xiàn),且標準化土壤濕度指數(shù)在眾多該類型指數(shù)中優(yōu)勢明顯。因此,本文基于中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)土壤水分產(chǎn)品計算得到了標準化土壤濕度指數(shù),分析、評價了貴州省農(nóng)業(yè)干旱情勢。

        1 研究區(qū)域與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        貴州省地處我國西南,東徑103°36′~109°31′,北緯24°37′~29°13′之間,有面積在1 000 hm2以上的農(nóng)業(yè)壩子300余個,是典型的多雨、濕潤地區(qū),但近年來干旱事件頻發(fā),由此引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[10-12]。貴州省地勢特征明顯,由西至東順勢走低,平均海拔約1 100 m,山地與丘陵面積占總面積的9成以上,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年內(nèi)氣溫變幅不大,多雨但年內(nèi)分布不均,降水多出現(xiàn)于夏、秋兩季,年均降水量約為1 160.6 mm。境內(nèi)各地陰天日數(shù)一般超過150 d,常年相對濕度在70%以上。氣候不穩(wěn)定,災(zāi)害性天氣種類較多,干旱、秋風(fēng)、凌凍、冰雹等頻度大,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害嚴重。

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        中國氣象局全球大氣∕陸面再分析產(chǎn)品(CMA-RA)是由國家氣象信息中心牽頭研制的,更適用于我國實際情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中,全球陸面再分析產(chǎn)品(CMA-RA∕Land)是基于離線的陸面模式研發(fā),并參考國際其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品的標準研發(fā)制備的,該產(chǎn)品包括34 km×34 km、0.5°×0.5°、1.0°×1.0°三種空間分辨率,3 h、1 d、1個月3種時間分辨率,數(shù)據(jù)產(chǎn)品為netCDF 格式,可登錄中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)(http:∕∕data.cma.cn∕)進行檢索下載。已有研究證實,0~10 cm 土層的含水量能夠有效表征農(nóng)業(yè)干旱的實際情況[13,14]。因此,本文采用0.5°×0.5°空間分辨率、1 個月時間分辨率的同化產(chǎn)品“CRA40LAND”中的土壤含水量數(shù)據(jù)(0~10 cm)進行研究,時間跨度為2009年01月至2020年12月。

        1.3 標準化土壤濕度指數(shù)

        標準化土壤濕度指數(shù)(Standardized Soil moisture Index,SSI)是評價農(nóng)業(yè)干旱最有效的指標之一[15],其具體計算原理與標準化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI)等干旱指標相近,即基于已有的概率密度函數(shù)對土壤含水量數(shù)據(jù)序列進行擬合試算,采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗進行評價,進而優(yōu)選出最適合構(gòu)建干旱指標的概率分布函數(shù),通常采用的概率密度函數(shù)包括正態(tài)分布、伽馬分布、皮爾遜III 型分布、廣義極值分布等。若優(yōu)選得到的概率分布不是正態(tài)分布,則需要對土壤含水量數(shù)據(jù)序列的累積分布函數(shù)進行標準化處理。由于研究區(qū)的土壤含水量數(shù)據(jù)序列經(jīng)K-S檢驗(顯著性為0.826)符合正態(tài)分布,因此,月尺度SSI的值可由下式計算:

        式中:SM代表月尺度土壤含水量的數(shù)值;μ代表月尺度土壤含水量的平均值;σ代表月尺度土壤含水量數(shù)值的標準差。

        若SSI的值大于0,則表示濕潤;反之,則表示干旱。依據(jù)世界氣象組織(WMO)建議的干旱等級劃分標準[16],即干旱等級應(yīng)包括輕旱、中旱、重旱以及特旱。若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布且對應(yīng)的干旱指數(shù)進行了標準化操作,則干旱等級可按1σ、1.5σ與2σ作為分隔點進行劃分,故表1 給出了SSI的干旱劃分等級標準。

        表1 標準化土壤濕度指數(shù)(SSI)干旱等級劃分表Tab.1 drought classification table of SSI

        1.4 趨勢分析方法

        圖1 研究區(qū)地理位置圖(摘自貴州省自然資源廳)Fig.1 Location of Guizhou Province

        Mann-Kendall(M-K)檢驗方法作為一種非參數(shù)檢驗方法,其優(yōu)點在于不要求假設(shè)目標數(shù)據(jù)符合任何分布,即可對目標數(shù)據(jù)序列進行長期變化趨勢分析,且計算過程簡便易行,具體原理可參見文獻[17]。本文采用該方法對貴州省農(nóng)業(yè)干旱進行長期趨勢變化分析,關(guān)鍵在于計算評價M-K 的統(tǒng)計量Z值。當(dāng)Z>0 時,代表趨勢上行;反之,代表趨勢下行。若∣Z∣>1.64,說明結(jié)果通過了置信水平為10%的顯著性檢驗;若∣Z∣>2.32,說明結(jié)果通過了置信水平為5%的顯著性檢驗。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 標準化土壤濕度指數(shù)的適用性分析

        貴州省實際干旱情況收集自由中國水利部每年定時發(fā)布的《中國水旱災(zāi)害公報》,網(wǎng)址為http:∕∕www.mwr.gov.cn∕sj∕tjgb∕zgshzhgb∕,自2019 年起,更名為《中國水旱災(zāi)害防御公報》。據(jù)統(tǒng)計,在2009 年至2020 年的12 年間,貴州省共有5 年出現(xiàn)了干旱情況,分別發(fā)生于2009 年、2010 年、2011 年、2012 年及2014年。為了提高標準化土壤濕度指數(shù)在干旱識別中的靈敏度,以SSI≤-0.5 作為干旱發(fā)生的判別條件,以其持續(xù)的時間作為干旱歷時,以其最小值作為干旱強度的判別條件。

        貴州省實際的干旱情況與標準化土壤濕度指數(shù)間的對比情況如表2 與圖2 所示。由表2 與圖2 可知,采用SSI對貴州省旱情進行識別的結(jié)果與實際情況大體相同,不僅干旱歷時評價客觀,且干旱強度也較為準確。相較之下,SSI對2009年至2010年的秋冬春三季連旱與2011 年至2012 年的連旱評價更為精準,尤其是在干旱強度評價方面優(yōu)勢明顯,如《中國水旱災(zāi)害公報》里有3 次明確指出最嚴重旱情出現(xiàn)的時間分別為2010 年3月與4 月、2011 年9 月及2012 年3 月,而SSI的最小值對應(yīng)的時間亦為2010 年3 月、2011 年9 月及2012 年3 月。上述結(jié)果表明,月尺度標準化土壤濕度指數(shù)對研究區(qū)的干旱評價具有較好的適用性與可信度。

        圖2 貴州省標準化土壤濕度指數(shù)月均值時間序列Fig.2 Time series of monthly SSI in Guizhou Province

        表2 標準化土壤濕度指數(shù)(SSI)與實際旱情對比統(tǒng)計表Tab.2 Comparative statistics between SSI and actual drought

        2.2 標準化土壤濕度指數(shù)監(jiān)測干旱過程的能力分析

        以2009 年9 月至2010 年4 月發(fā)生的秋冬春三季連旱為例,分析月尺度SSI對干旱全過程的監(jiān)測能力。《中國水旱災(zāi)害公報》顯示:貴州省于2009 年9 月中旬開始出現(xiàn)旱情,旱情先發(fā)于貴州省銅仁、遵義、畢節(jié)、黔東南、黔南等地,即貴州省東北部、北部、西北部及東南部,直至2009 年12 月旱情開始蔓延至全省,2010年3月與4月,貴州省西部及南部旱情等級達到特旱。

        圖3給出了貴州省2009年9月至2010年4月干旱事件演變過程情況。從時間角度分析,本次旱情從2009 年9 月開始發(fā)生[圖3(a)],并逐漸加重,直至2010 年3 月達到峰值[圖3(g),-3.018 5,特旱],而后旱情有所緩解;從空間角度分析,本輪旱情發(fā)源于貴州省東北部,旱情等級為重旱,同時東南部也出現(xiàn)了中旱[圖3(a)],2009 年11 月旱情蔓延至全省,大部分地區(qū)的旱情等級為中旱[圖3(c)],2010 年3 月旱情逐漸加重,西部與南部地區(qū)的旱情等級普遍達到特旱,東部地區(qū)的旱情已開始有所減弱。綜上可知,月尺度SSI的時空演變特征與實際情況高度一致,唯有旱情蔓延至全省的時間較實際情況提前了1個月,表明標準化土壤濕度指數(shù)能夠有效反映實際的干旱情況,時間響應(yīng)及時、空間表征客觀,是捕捉貴州省旱情時空發(fā)展規(guī)律的有效指標。

        圖3 2009-2010年貴州省旱情時空演變過程Fig.3 Temporal and spatial evolution of drought in Guizhou Province from 2009 to 2010

        2.3 貴州省干濕演變趨勢分析

        由于M-K 檢驗的統(tǒng)計值Z能夠反映干濕變化趨勢,Z值為正表示濕潤,反之為干旱。為此,圖4 給出了2009 年01 月至2020 年12 月間貴州省SSI的Z值空間分布情況。由圖4 可知,貴州省總體上呈現(xiàn)出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢。具體表現(xiàn)為:貴州省變濕的地區(qū)主要集中在西北部、西南部等地,且大部分地區(qū)通過了置信水平為10%的顯著性檢驗,特別是畢節(jié)地區(qū)通過了置信水平為5%的顯著性檢驗;與此同時,貴州省東南部地區(qū)表現(xiàn)出了變干趨勢,且部分區(qū)域通過了置信水平為10%的顯著性檢驗。可見,未來貴州省應(yīng)加強東南部地區(qū)的防旱減災(zāi)工作力度。

        圖4 貴州省標準化土壤濕度指數(shù)序列統(tǒng)計值Z空間分布Fig.4 Spatial distribution of SSI series of Z in Guizhou Province

        為了進一步為當(dāng)?shù)馗珊殿A(yù)警防治工作提供有效信息,以每年首次出現(xiàn)SSI≤-0.5 的時間作為干旱發(fā)生月份,統(tǒng)計了干旱發(fā)生月份與其對應(yīng)的頻率值,以最大頻率為標準,遴選出各格點干旱最可能開始發(fā)生月份,據(jù)此繪制了貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份的空間分布。由圖5 可知,貴州省西北地區(qū)干旱起始時間主要集中在1 月份,東部及東南地區(qū)干旱起始時間主要發(fā)生在2 月份,中部地區(qū)干旱起始時間通常出現(xiàn)在3 月份與4 月份,西南地區(qū)干旱起始時間大多集中在4月份。

        圖5 貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份空間分布Fig.5 Spatial distribution of the most likely onset of drought in Guizhou Province

        3 討論

        由于貴州省是典型喀斯特地貌,導(dǎo)致其土壤水分情況較其他地區(qū)更難探明,進而使農(nóng)業(yè)干旱研究進程相對遲緩。為此,本文基于中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)土壤水分產(chǎn)品,計算了月尺度SSI,從SSI與實際災(zāi)害記錄對比、SSI監(jiān)測干旱過程能力以及SSI表征干濕趨勢變化角度,綜合評價了SSI監(jiān)測貴州省農(nóng)業(yè)干旱的適用性與可靠性,研究成果可為貴州省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測以及抗旱減災(zāi)工作提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

        雖然研究取得了一些成果,但尚有不足。土壤含水量數(shù)據(jù)是基于同化模型模擬所得,空間分辨率僅為0.5°,無法全面刻畫研究區(qū)土壤水分空間分布細節(jié)信息,今后可采用降尺度等方法提高數(shù)據(jù)精度,以便更準確、客觀地監(jiān)測研究區(qū)干旱空間分布情況。另外,基于土壤含水量構(gòu)建的農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)種類繁多,本文僅圍繞SSI展開了相關(guān)研究,未對SSI與其他同類型干旱指數(shù)間的差異性進行對比分析,后續(xù)可就此開展專題討論。

        4 結(jié)論

        基于中國氣象局全球陸面再分析產(chǎn)品(CMA-RA∕Land)對貴州省的土壤含水量進行了提取處理,并據(jù)此計算了標準化土壤濕度指數(shù)對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱進行了評價分析。結(jié)果表明:

        (1)標準化土壤濕度指數(shù)能夠準確評價貴州省近10年的農(nóng)業(yè)干旱情況,可作為研究區(qū)監(jiān)測農(nóng)業(yè)干旱的有效指標;

        (2)標準化土壤濕度指數(shù)在監(jiān)測重旱以上旱情過程方面能力突出,通過與2009-2010 年秋冬春三季連旱實測災(zāi)害記錄對比發(fā)現(xiàn),該指數(shù)在描述農(nóng)業(yè)干旱時空演變規(guī)律中,時間響應(yīng)及時、空間表征客觀;

        (3)貴州省干濕演變趨勢特征明顯,總體上呈現(xiàn)出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢,尤其是研究區(qū)東南部等地未來發(fā)生干旱的可能性較大,當(dāng)?shù)貞?yīng)進一步加強防旱減災(zāi)工作力度。

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