1971-2015年黃河金三角地區降水變化及對農業生產的影響

裴秀苗, 張祎偉,周運麗,范志宣

(1.山西省運城市氣象局，山西 運城 044000；2.山西省氣候中心，山西 太原 030000)

引言

在全球氣候變暖的大背景下，中國近50年來降水量整體呈減少趨勢[1～3]。研究表明，全球氣候變暖加速了地球系統的水循環，在過去的100年中，干旱與半干旱地區降水量減少，酷熱、干旱和洪澇等極端氣候事件增加[4]，降水量的變化是影響干旱及洪澇變化的最主要的因子，但降水強度和降水日數的時空變化更易引起旱澇加劇[5～6]；由于氣候變暖而引發農業氣象災害、病蟲災害頻頻發生以及水資源短缺加劇等一系列問題, 糧食生產的災害風險加大。2007年以來, 國際上糧食價格大幅上漲, 糧食供需平衡被打破, 許多國家出現了糧食危機, 糧食安全問題擺在了前所未有的突出位置[7]。

近年來,氣象專家就全球和區域氣候變化方面做了大量的研究工作[8～19]，更有學者對省、市甚至縣級降水的變化進行了研究[20～30]。目前，對降水的研究主要集中在降水量的變化趨勢、降水突變、極端降水事件、時空格局以及降水變化對農業生產的影響等方面[31～36]。晏利斌等[9]分析指出，1961-2014年黃土高原降水量變化不明顯，整體呈波動式下降趨勢，秋季、夏季和春季降水量呈減少趨勢，冬季呈弱的增加趨勢，年降水量減少速度最大的地區位于東南部，黃土高原西北部降水變化不明顯；郭慕萍等[10]研究發現，近54年來，我國西北5省(區)總降水量呈下降趨勢，年際間振幅較大，春季和冬季降水處于上升的變化趨勢中，秋季降水在明顯的減少，夏季降水沒有明顯的變化；李天霄等[31]研究發現，黑龍江省農業受澇災影響大于旱災，澇災主要分布在東部的雙鴨山市、鶴崗市和佳木斯市，其未來降水量的下降趨勢可在一定程度上緩解澇災產生的危害；旱災主要分布在黑龍江西部的齊齊哈爾地區，其未來降水量的增加趨勢可在一定程度上緩解旱災產生的危害；王潤科等[32]分析了隴南近50 a的降水變化趨勢發現，降水變化明顯，并且降水變化直接影響到農業生產和糧果安全，有著明顯的關系；李海鳳等[33]指出，莘縣氣候變化對農業的影響利弊共存，春季少雨多風易發生春旱；夏季降水集中，易發生洪澇大風和冰雹，對夏玉米生長不利；秋季降水變率大，易發生秋旱；冬季氣溫高、雨雪少，利于病蟲害蟲卵越冬，易爆發病蟲害。到目前為止，關于黃河金三角地區降水量的變化及其對農業生產影響的研究還未見報道。筆者基于黃河金三角地區45個氣象站近45 a的降水資料，研究其變化特征及其對農業生產的影響，旨在為充分利用水熱資源、合理調整種植制度、提高農業生產可持續性提供指導。

1 資料和方法

1.1 研究區概況

黃河金三角地區位于黃河中游晉陜豫三省交界處，包括陜西省渭南市、河南省三門峽市、山西省運城市和山西省臨汾市(見圖1)，面積5.8萬km2，總人口達1 700萬，屬暖溫帶大陸性季風型氣候，年平均降水量533.5 mm。該地區是一個農業區，農業基礎薄弱，水資源短缺，農業生產還未擺脫“靠天吃飯”的命運。

1.2 資料

研究選取黃河金三角地區4個市45個氣象代表站點1971-2015年的降水量資料，其中山西運城13個站、陜西渭南11個站、河南三門峽4站(三門峽的湖濱區和義馬市沒有氣象站點)、山西臨汾17個站。降水量資料來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)。

季節劃分標準為： 春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月、冬季12月至次年2月。

1.3 研究方法

采用線性趨勢法[37]分析春季、夏季、秋季、冬季以及年降水量時間序列變化特點；利用Mann-Kendall非參數統計檢驗法[37]對降水進行突變檢驗，判斷可能發生突變的年份，結合累積距平法確定降水突變點；計算各站線性趨勢系數，利用ARCGIS軟件繪制線性趨勢系數的空間分布圖，分析45 a來降水量空間變化差異。

2 結果與分析

2.1 降水量年際變化特征

1971-2015年間黃河金三角地區多年平均降水量為533.5 mm，最小年降水量為306.9 mm，出現在1997年，最大年降水量為834.6 mm，出現在2003年，極差達527.7 mm。從線性擬合和距平變化圖(圖1)可以看出，年降水量整體呈減少趨勢，減少速度為6.669 mm·10 a-1,與全國平均降水量在波動中略有減少的趨勢相似[27]。1980-1985年是本地區降水高值區，1986-2001年是降水低值區，45年間有3年年降水量在400 mm以下，分別是1986年(降水量361.2 mm)、1997年(降水量306.9 mm)和2001年(降水量393.4 mm)，均出現在這個時期；2003年降水出現極大值，2004-2010年又是降水低值區；2011年以后年降水量波動較大，2011和2014年降水量在600 mm以上(分別為687.5 mm和652.8 mm)，分別是第3和第4降水最多年；2012年和2015年降水量在500 mm以下(分別為453.0 mm和488.9 mm)，差值達234.5 mm。

2.2 降水量的年代際變化

黃河金三角地區降水量年代際起伏較大(表1)，整體上呈現減少趨勢，20世紀80年代和2011-2015年代降水偏多，是本地區氣候濕潤期，其中80年代降水最多，平均降水量為566.2 mm；90年代降水最少，平均降水量為493.1 mm，是本地區氣候干旱期。降水最多年代與最少年代極差為44.4 mm。

表1 黃河金三角地區降水距平年代際變化 (mm)

2.3 降水量的季節變化

該地區各季平均降水量分別為：春季100.1 mm、夏季268.3 mm、秋季145.8 mm、冬季19.2 mm，一年中主要降水集中在夏季，占年總降水量的50.3%；其次是秋季，占年總降水量的27.3%；冬季最少，占年總降水量的3.6%；春季占18.8%。

從圖2和表1可以看出，春、秋季降水呈緩慢增加趨勢，增加速度分別為0.82 mm·10 a-1和2.28 mm·10 a-1，夏季和冬季降水呈減少趨勢，減少速度分別為8.96 mm·10 a-1和0.83 mm·10 a-1。從年及各季節降水量的變化趨勢來看，近45年來夏季降水量的減少是促使年降水量減少的主要原因。

夏季6月、7月、8月降水量分別為58.2 mm、111.6 mm和98.6 mm，分別占年總降水量的10.9%、20.9%和18.5%，各月降水均呈減少趨勢，其中7月份降水速度最快，為4.42mm·10 a-1，6月和8月減少速度分別為2.42 mm·10 a-1和2.11 mm·10 a-1。由此可見，7月份降水量的減少對年降水減少的貢獻最大。

圖2c顯示，45年中有29年秋季降水在平均值以下波動，僅有16年大于平均值，其中2011年降水量比平均值偏多207.2 mm，1975年、1983年和2003年降水量偏多100 mm以上，1974年、1984年、1985年和2005降水偏多50～85 mm。降水偏多的年份往往有連陰雨出現。

2.4 降水量空間變化特征

從4個市降水量變化趨勢(圖3)可以看出，年降水量均呈減少趨勢，其中渭南市降水減少趨勢最明顯，減少速度為11.06 mm·10 a-1，其次是臨汾，降水減少速度為6.51mm·10 a-1，運城降水減少速度為5.84 mm·10 a-1，三門峽的減少趨勢最不明顯，減少速度最小，為1.16 mm·10 a-1。

從各縣(市、區)線性趨勢系數分布(圖4)來看，臨汾市的永和、隰縣、霍州、古縣、浮山、曲沃、侯馬和運城市的新絳、絳縣、垣曲以及三門峽的盧氏等11個縣(市、區)線性趨勢系數為正，說明這些地區降水量呈增加趨勢，其余大部分地區線性趨勢系數為負，降水量呈減少趨勢。

2.5 降水量突變分析

用Mann-Kendall和累積距平法對黃河金三角地區1971-2015年的降水量序列進行分析，由圖5a可以看出，1971-1981年、1991-2015年內UF<0，表明在該時期年降水量呈減少趨勢，且UF曲線在2002年超過了α=0.05顯著水平，表明降水呈顯著減少趨勢；1982～1990年內UF>0，表明在該時期年降水量呈增加趨勢；UF和UB曲線于α=0.05顯著水平線內在1972年和1989年相交，判斷突變點可能出現在1972年或者1989年。累積距平分析結果顯示(圖5b)，年降水量累積距平在1971-1985年間呈上升趨勢，1986年以后呈下降趨勢，說明黃河金三角地區年降水量經歷了上升～下降的過程，突變發生在20世紀80年代。綜合兩種檢驗方法，判斷該地區年降水量在1989年發生了由多到少的突變。

春季：1971-2003年內UF>0(各季降水M-K圖略)，2004-2015年UF<0，而且UF曲線始終沒有超過α=0.05顯著水平線，表明春季降水經歷了增加到減少的過程，沒有發生突變。

夏季：1971-1975年、1997-2015年內UF<0，1976-1996年內UF>0，且UF曲線沒有超過α=0.05顯著水平線，表明降水經歷了減少～增加～減少的過程，沒有發生突變。

秋季：1973-1976年、1984-1987年內UF>0，其余年份UF<0，UF曲線始終沒有超過α=0.05顯著水平線，表明秋季降水經歷了增加～減少～增加～減少的過程，沒有發生突變。

冬季：1971-2015年間冬季整體上UF<0，且UF曲線在1983-1988年和1999年間超過α=0.05顯著水平線，UF和UB曲線相交于1973年、1976年、2000年、2012年和2015年，表明冬季降水發生了突變，突變點可能出現在相交點里。從累積距平(圖略)可以看出，1971-1979年、1989-1990年、2001-2009年冬季降水量呈現增加趨勢；1980-1988、1991-2000年、2010-2015年降水量呈減少趨勢。綜合兩種檢驗方法，判斷黃河金三角地區冬季降水量出現兩次突變，其中1976年前后發生了降水由多到少的突變，2000年前后則是由少到多的突變。

3 對農業生產的影響分析

黃河金三角地區是一個農業區，一年二熟制，主產冬小麥和玉米。隨著農業經濟結構調整，經濟林果業迅速發展，目前該地區已經成為我國經濟林果黃金地帶，作為種植面積和產量均處于領先地位的蘋果是該地區農業經濟支柱。作為弱勢產業的農業受氣候變化影響較為嚴重，該地區農業基礎薄弱，水資源短缺，農業生產還未擺脫“靠天吃飯”的命運，因此，在氣候變暖、降水量減少、極端氣候事件頻發的大背景下，農業氣象災害發生的頻率和強度呈現上升的態勢，農業生產受到很大的沖擊。

3.1 夏季降水量減少，伏旱發生率提高

夏季降水量減少，導致伏旱發生幾率增高，有利于冬小麥等夏收作物的收獲和晾曬，但對大秋作物和經濟林果的生長極為不利，影響幼果果實的膨大，提高了后期裂果的潛在風險；并對果實著色帶來不利，從而降低了果品的品質和產量。7-8月是秋糧產量形成的關鍵時期，此時玉米處于拔節、抽穗、開花授粉期，仲夏降水減少，“卡脖旱”發生概率增加，影響玉米等秋糧的生殖生長，干旱嚴重時玉米的雄穗抽不出或欠佳，雌穗吐絲困難，不能正常受精，造成禿頂、花粒少、空稈多，產量降低。另一方面，夏季降水減少，伏旱風險增加、范圍擴大，使得農業生產需水量急增，地下水開采加劇，水位下降，研究區內水資源呈現減少的態勢。

3.2 秋季降水呈增加趨勢，影響果品品質

分析發現，黃河金三角地區秋季降水呈增加趨勢，連陰雨出現概率增加。幼果期干旱少雨，蘋果不能充分膨大，果皮增厚，秋季遭遇連陰雨，容易出現果面裂紋，影響果品品質[38]。另外，秋季是該地區秋糧成熟、收獲時期，連陰雨天氣容易造成秋作物貪青晚熟，成熟的秋作物因無法及時收獲、晾曬而發生霉變，同時長時間的連陰雨容易引起土壤過濕，秋播期推遲，不利于形成冬前壯苗。2018年處于黃河金三角地區的夏季干旱，秋季遇連陰雨，尤其是運城市遭遇長達11 d的長連陰雨(9月9～19日)，且降水量較大，過程平均降水量為137.9 mm，其中萬榮最大，為165.8 mm，導致80%以上蘋果果面出現裂紋，商品價值降低。

3.3 降水分布不均，階段性干旱發生概率增加

黃河金三角地區降水變化時空分布不均，冬夏季降水呈減少趨勢，春秋季呈增加趨勢，且各地減少程度不同，渭南市降水減少最多，三門峽市減少最少，一年中主要降水集中在夏季，因此往往出現階段性干旱，無形中加大了水分供需矛盾, 對產量的形成產生明顯的負面影響 。

4 結論

(1)黃河金三角地區降水的基本特點是冬春季干燥少雨雪，夏秋季降水較多。一年內的降水主要集中在7-9月，降水量為292.6mm，占全年總降水量的50.3%。與全國平均降水量在波動中略有減少的趨勢相似，黃河金三角地區近45年降水量呈波動減少趨勢，減少速度為6.685 mm·10 a-1。Mann-Kendall突變檢驗和累積距平法分析表明，1971-2015年間黃河金三角地區年降水量呈現先升后降的趨勢，降水突變發生在1989年前后。春、夏、秋季降水未發生突變，冬季降水在1976年和2000年發生了兩次突變。

(2)黃河金三角地區各季降水量變化趨勢不一致，春、秋季降水呈緩慢增加趨勢，夏季和冬季降水呈減少趨勢，在年降水量變化趨勢中，夏季降水量的變化貢獻最大。大多數年份秋季降水量在平均值以下波動，但降水偏多的年份往往有連陰雨，降水量特大。

(3)降水量年代際間經歷了多～多～少～少～多的變化過程，20世紀70-80年代和2011年后降水較多，其中80年代降水最多；90年代降水最少，2010年以后降水量處于高值區。

(4)黃河金三角地區各市降水量均呈減少趨勢，其中渭南市減少速度最明顯，其次是臨汾，三門峽減少速度最??；臨汾市的永和、隰縣、霍州、古縣、浮山、曲沃、侯馬和運城市的新絳、絳縣、垣曲以及三門峽的盧氏等11個縣(市)降水量呈增加趨勢。

(5)降水量變化對農業生產的影響是多尺度、全方位的，正負面影響并存，負面影響更甚。夏季降水量的減少提高了伏旱的發生概率，對秋糧、經濟林果影響重大；秋季降水的增加，尤其是秋季連陰雨發生幾率的增多，有利于冬小麥的播種、出苗，但對秋糧、經濟林果的成熟、收獲帶來不利影響；秋季長連陰雨容易引起土壤過濕，秋播期推遲，不利于形成冬前壯苗。