昌吉州氣象干旱特征及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響分析

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)的氣象災害引起全社會的廣泛關注［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，與降水有關的旱災是威脅國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)的最主要自然災害之一［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害，對經(jīng)濟建設、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，有關新疆氣象干旱的研究受到學術界的廣泛關注。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的影響比較明顯，導致農(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、進行干旱評價及預測。為昌吉州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、開展干旱預報預警業(yè)務、防旱抗旱工作提供參考依據(jù)。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

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)作物干旱災情資料，資料來源于昌吉州氣象局災情資料庫及氣象災害大典。

1.2 研究方法

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。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量變化特征

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 氣象干旱特征

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。

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。

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。

2.3 降水距平百分率評價氣象干旱結(jié)果與實際歷史記載對比分析

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。干旱災害是昌吉州發(fā)生頻繁、持續(xù)時間長的一種氣象災害，根據(jù)昌吉州氣象局災情資料庫及氣象災害大典記載的昌吉州1961—2020年災害情況，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)生旱災的年數(shù)為26年，其中，重大旱災年數(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的標準，中旱和輕旱評定為一般旱災的標準，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年與歷史旱災年吻合年數(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年昌吉州歷史旱災情況與干旱指標評價結(jié)果對比

2.4 氣象干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響

統(tǒng)計1961—2020年昌吉州農(nóng)區(qū)7個縣（市）及蔡家湖（103團）的干旱災情，對各縣（市）60年氣象干旱造成的農(nóng)作物成災面積進行累加，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)作物成災面積較大，受災程度嚴重，蔡家湖、昌吉市次之，瑪納斯縣、呼圖壁縣較小，受災程度輕。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系。

從昌吉州1961—2020年氣象干旱造成的農(nóng)作物成災面積年際變化來看，氣象干旱災害造成的農(nóng)作物成災面積呈弱減少趨勢，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)生災害，這與近年來干旱監(jiān)測、預報預警能力的提高，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年成災面積較大。不同氣象干旱年造成農(nóng)作物受災面積的不同與氣象干旱災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系。

3 小結(jié)與討論

本研究利用昌吉州10個氣象站，60年（1961—2020年）降水及干旱災情資料，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??；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，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。

3）根據(jù)昌吉州氣象局災情資料庫及氣象災害大典記載的昌吉州1961—2020年災害實際情況，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年與歷史旱災年吻合年數(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)作物成災面積較大，受災程度嚴重，蔡家湖、昌吉市次之，瑪納斯縣、呼圖壁縣較小，受災程度輕。氣象干旱災害造成的農(nóng)作物成災面積呈弱減少趨勢，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)生災害，這與近年來干旱監(jiān)測、預報預警能力的提高，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。

本研究以降水距平百分率標準為基礎，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、預報、預警有了新的指導意義。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，提高干旱預報、預警服務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、預報、預警及防治能力。