高原夏菜復合氣象災害綜合評判與分析

郭小芹，司馬義·阿不力孜

（1.武威國家氣候觀象臺，甘肅 武威733000；2.哈密市氣象服務中心，新疆 哈密839000）

氣候變化下極端事件頻發，農業生產常常遭遇多種災害影響，這種影響伴隨作物生長過程始末，不僅加劇了農業生產的波動性，還給農業災害研究提出了挑戰[1-3]。與單一災害相比，準確度量多種災害影響要復雜得多[4]，比如高溫下的持續干旱、低溫冷害下的連陰雨，這類災害復合性強，機理復雜，災情嚴重[5]，且隨著氣候變暖，出現頻次明顯增加[6]。高原夏菜生長季正值高溫干旱、低溫陰雨多發時段，加上露地種植，極易成災而減產。隨著高原夏菜產業規模的逐年擴大，近年來種植區域逐漸向河西走廊南北兩翼擴展，生產風險隨之加大。如何定量評估氣象災害對不同種植區域的影響，是產業布局的迫切需要。

農業氣象災害風險評估是對氣象災害發生可能性以及農業產量及經濟損失的一種評估。近年來單一災害評估已有諸多研究[7-8]，復合災害研究尚處于探究階段。由于大部分災損是作物生長過程中多種災害的復合影響，巨災形成也是多個致災因子鏈式觸發的結果[9]，因此如何評估復合影響成為農業災害研究的重要課題。綜合評估是通過一定的數學模型將多個指標“合成”為一個整體性評價值，在很多領域已得到推廣[10-11]。依托高原夏菜生長特征，本文對復合災害進行定義，建立典型災害判別指標，利用綜合評價方法構建評價模型，是對作物生長時段復合災害強度的一種度量方式。評價結果可以作為產量預報、災損評估、災害防御的基礎。

河西綠洲地處青藏高原邊坡地帶，屬溫帶大陸性干旱氣候，降水稀少，光照充足，溫度日較差大，病蟲害少，適合喜溫耐熱蔬菜、半耐寒與耐寒蔬菜生長[12]。河西東部高原夏菜種植始于20 世紀90 年代，2010 年以后規?；a，目前已形成以葉菜類、葉球類、花球類、莖菜類、蔥蒜類為主，以種植、加工、輸出為鏈條的產業帶。作為我國西菜東運、北菜南運優質“菜籃子”主產區，2021 年河西東部蔬菜產業種植面積達5.778×104hm2，產量達3.465×109kg，收益明顯高于小麥、玉米、馬鈴薯。通過復合氣象災害影響的綜合研究，可為產量提升、因地制宜生產提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

河西東部泛指武威綠洲區、祁連山東北緣、石羊河流域，含永昌、涼州、民勤、古浪、天祝5 個行政區。露地高原夏菜生產季為5—9 月，受熱量條件影響，不同區域播種期與收獲期會有一定差異，為便于分析，以7 月15 日為分割點，前期為春茬，后期為夏茬。分析數據包括2010—2021 年逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、日照時數，產量、年景、災損數據均來自農業統計年鑒，試驗數據來自觀測基地。

受祁連山復雜地形影響，河西東部從西北到東南漸次分布著山地、平原、沙漠，地勢西北高東南低，以海拔高度對種植區域劃分，并按照空間布局均一性，選取若干代表站以表征區域基本狀況。典型災害基本特征以及復合災害強度均源于該區域代表站平均值（表1）。

表1 河西東部高原夏菜不同種植區域

1.2 復合氣象災害評價模型

復合災害指在特定時段內多種氣象致災因子并存或相繼出現的一種狀態。如果將每個生產過程視為一個事件，針對每一致災因子出現時間、發生頻次、災害強度、持續時段，按照史培軍[13]對自然災害綜合風險評估的基本思路，可對本次事件多災種進行系統評估。評價結果代表了復合災害相對風險等級[14]。評價值越大，復合災害強度越大。

綜合評價 （Comprehensive Evaluation of Composite Disasters，CED）模型為：

式中：i 表示生長季內氣象災害種類，DIi為某一致災因子風險指數，可稱致災程度（Degree of influence，DI），ωi為該致災因子在評價體系中所占權重。不同災害類型對作物危害機理有所不同，以權重形式可最大程度突出主導因子的作用。

單災種風險評價是復合災害評價模型的基礎。依據風險指數研究結論[15-16]，某一致災因子風險指數可用下式計算：

式中：i 表示致災因子即氣象災害類型，j 表示致災強度等級；qij表示第i 個氣象災害在j 等級上的風險指數；pij為不同等級在該評價體系中所占的權重。

1.3 致災指標

依據高原夏菜生產特征以及跟蹤觀測數據，基于氣象災害表現形式、產生結果，遴選出高溫熱害（P1）、持續干旱（P2）、低溫冷害（P3）、強降水影響（P4）、持續弱光照（P5）5 種典型災害，并按照可能損失程度，定義輕度、中度、重度、特大災害閾值（表2），等級越高，可能災損程度越高。

表2 高原夏菜致災因子判別指標及分級標準

從典型災害影響看，高溫熱害出現頻次最多，輕度、中度、重度、特大等級中最多日數依次為38、15、10、3 d，在高溫影響下持續干旱頻頻出現，最長持續時間為59 d，且在一個生產季里會出現2～3 次過程，成為影響高原夏菜生長極其重要的因素。由表2可知，極端事件均出現在近幾年，除了低溫冷害以外，其余指標均打破近60 年氣象記錄。

典型災害影響是出現頻次與致災強度的綜合體現。除了強降水影響以外，致災因子判別指標還表征了災害的持續性，如連續無降水以及持續弱光照日數，是長時間累積值。盡管高溫熱害與低溫冷害僅表征閾值出現日數，但從溫度變化上看，日最高（低）溫度一定是與前一日基礎值相關聯的變量，后一閾值是基于前期基礎值的變化，因此這2 個指標也可以看成是某一閾值隨時間的變量，累計日數越多，基礎溫度越高，災害強度越大。

2 結果與分析

2.1 典型災害及致災等級的權重確定

依據高原夏菜生長特點以及種植專家意見，基于AHP 層次分析法[17]，對不同災害類型、不同致災程度分別打分，1 為同等重要，2～8 為相對重要，9 為極端重要，通過比較，構造兩類指標G-P 判別矩陣，二者均通過一致性檢驗，說明兩種判斷矩陣均成立。

特征向量表征了不同致災因子和致災程度的權重。由表3 可知，典型災害中高溫熱害最嚴重，若疊加持續干旱，將會嚴重影響高原夏菜生長；在不同影響程度上（表4），特大災害影響極大，若疊加重度災害，會對種植區域產業發展構成嚴重威脅。

表3 高原夏菜生長季典型災害G-P 判斷矩陣

表4 高原夏菜生長季災害等級G-P 判斷矩陣

2.2 不同區域典型災害變化特征

對研究時段高原夏菜典型災害出現頻率進行分析，發現多種災害并發高發特征非常顯著。高溫熱害頻繁影響沙川地帶，在晴熱天氣下沿沙區春茬持續干旱次數明顯偏多。低溫冷害主要出現在春茬苗期，幾乎影響所有生產區域。持續弱光照對山區地帶春茬影響最重，夏茬影響多出現在秋季連陰雨期間。春茬中高溫熱害、持續干旱、低溫冷害在沿沙區每年都有，沿川區明顯偏多（97%、61%、83%）；山區地帶低溫冷害、持續弱光照每年都有；淺山區低溫冷害每年發生。夏茬中高溫熱害在沙川地帶每年都有，沿沙區持續干旱、低溫冷害頻繁出現（67%、58%），沿川區低溫冷害明顯（58%），淺山區受高溫熱害、持續弱光照影響（75%、67%）；山區低溫冷害、持續弱光照偏多（83%、50%）。

2.3 復合災害強度閾值指標以及分析

為了消除量綱以及數據在取值范圍上的雙重影響，在復合災害評價之前，對各類典型災害風險指數進行標準化處理。采用離差法［0，1］線性變換，并對不同區域復合災害逐年評價，通過閾值指標，實現復合災害強度評判（表5），以此量化高原夏菜生長季節復合災害強度，并對可能災損程度做出判識。

表5 高原夏菜生長季復合災害強度判定指標

對2010—2021 年高原夏菜生產季災損程度進行分析，從出現頻次上可以看出無災、輕度災、中度災、重度災、特大災的基本特征。春茬中累計次數依次為6、31、4、2、5 次，其中特大災、重度災在沿沙區出現4 次、沿川區出現2 次、淺山區出現1 次。夏茬中依次為6、28、4、4、6 次，其中特大災、重度災在沿川區出現4 次、沿沙區出現3 次、淺山區出現2 次、山區出現1 次。特大災、重度災是影響區域災損程度的主要因素。

2.4 不同種植季復合災害強度特征

春茬中沿沙區溫度逐年攀升（0.298 ℃·a-1，P＜0.01），災害強度明顯增加（0.029·a-1，P＜0.05），2014、2017、2021 年出現特大災，2020 年出現重度災，復合災害已嚴重威脅到產業發展（圖1a）。沿川區2017 年出現23 d 高溫天氣、45 d 持續干旱而表現出特大災，2016 年為重度災（圖1a）；山區未出現過重大災害；淺山區僅在2017 年出現特大災（圖1b）。

圖1 2010—2021 年高原夏菜不同區域復合災害強度變化

夏茬中沿川區2016、2018 年為特大災，2010、2021 年為重度災，成災次數明顯偏多；沿沙區2021年為重度災，2010、2018 年為特大災（圖1c）。2018年高溫持續16 d 以上，最高溫度達到40.5 ℃，區域性強降水打破歷史極值，在多種災害脅迫下，沿沙區平均畝產減少13%左右。山區、淺山區特大災均出現在2010 年，受持續低溫以及弱光照影響，幼苗期延遲10～15 d，生產過程一度受阻（圖1d）；淺山區在2011 年出現重度災。

春茬風險指數最大值為0.518（2017，特大災），次大值為0.369（2014，中度災）。從多年平均值看，沿沙區、沿川區復合災害強度最重（0.322、0.291），淺山區最輕（0.183）。不同區域復合災害強度均呈增加趨勢，但僅有沿沙區通過顯著性檢驗。夏茬風險指數最大值為0.536（2010 年，特大災），次大值為0.407（2018 年，重度災），復合災害強度總體偏大。與春茬相比，沿川區、沿沙區略輕，山區略重，淺山區明顯偏重。從趨勢上看，沿川區、沿沙區呈上升趨勢，山區、淺山區呈下降趨勢，但均未通過顯著性檢驗。

氣象災害是農業損失的首要影響因素。從復合災害平均強度看，夏茬比春茬偏高，主要原因是高溫干旱持續出現，且往往跨越2 個生產季；從復合災害強弱上看，春茬依次為沿沙區、沿川區、淺山區、山區，夏茬依次為沿沙區、沿川區、山區、淺山區；在整個生產季里，沿沙區、沿川區災害強度持續偏高，使高原夏菜生產面臨極大的不確定性。

2.5 個例分析

以天祝藏族自治縣區抓喜秀龍鄉蔬菜基地（37.1°N，102.5°E，海拔2 810 m）為試驗點，生產季（5—9 月）平均溫度為12.4 ℃，最高溫度為32.9 ℃，最低溫度為-8.0 ℃，降水量為315 mm，平均風速為1.4 m/s，日照時數為1 020 h，≥10 ℃積溫為1 616 ℃。從2018 年起項目組就對高海拔冷涼山區優質白皮蒜苗跟蹤觀測，2021 年定植期始于6 月中旬，采收期為9 月中旬，首次采樣（7 月20 日）正值花芽鱗芽分化期，6 個樣本區（3 m×3 m）蒜苗生長量正常。從歷年觀測數據看，從該生育期到蒜薹伸長期（7 月30日），各指標均應持續增長，可7 月31 日檢測結果卻明顯下滑（表6）。經過分析，這一結果與前期氣象條件密切關聯。7 月24—28 日試驗區出現連陰雨，過程降水量為28.9 mm，累積日照為4.1 h，屬于持續弱光照中度災害，風險指數為0.857；9 月5—11 日試驗區出現持續低溫，最低溫度為0.9 ℃，屬于低溫冷害輕度災害，風險指數為0.102。選取抓喜秀龍測站逐日氣象資料，對種植時段復合氣象災害綜合評價，結果為0.370（中度災害）。2021 年蒜苗每公頃產量為39 750～42 000 kg，比上年度減產5%～8%，評價結果得到驗證。

表6 2021 年高海拔冷涼山區白皮蒜苗生長量

3 結論

河西東部高原夏菜露地生長階段正值氣象災害頻發期。將高溫熱害、持續干旱、低溫冷害、強降水影響以及持續弱光照作為典型災害，按照可能損失程度，劃分輕度、中度、重度、特大災害閾值指標，通過復合災害影響評價，揭示了不同生產季不同地域的成災特征，得到以下結論：

（1）沿川區、沿沙區高溫熱害最典型，加上持續干旱，復合災害程度將會進一步加劇。復合災害強度在春茬沿沙區中明顯增加（0.029·a-1，P＜0.01），已經威脅到產業發展；春茬中復合災害強度由大到小依次為沿沙區、沿川區、淺山區、山區，夏茬依次為沿沙區、沿川區、山區、淺山區，且夏茬受災程度明顯高于春茬。

（2）對高原夏菜典型氣象災害進行多災種綜合評價，評價結果代表了一定時段復合氣象災害影響強度，這種方法有別于文獻[2，10]中對單一災害的度量，也是對文獻[13，14]中風險度量的具體化應用。依據評價結果，高原夏菜生產需因時因地制宜。如選擇適宜播種期，盡量避開晚霜凍對春季幼苗大面積凍害；適時灌溉，減輕高溫熱害、持續干旱對沙川地帶的危害程度，尤其在春末夏初“卡脖子”旱期，盡可能保障植株水分所需；以適應性、抗逆性為原則，適度調整種植產品，盡可能使種植品種適應區域氣候變化的要求。

（3）利用高海拔冷涼地區優質氣候資源，高原夏菜帶動了河西東部農業產業化快速發展。伴隨種植規模的逐步擴大，高原夏菜生產區域逐漸延伸至沿川區、沿沙區，在復合災害影響下生產過程呈現出很多不確定性，災害類型、發生時段、影響程度、地域差異等還需要進一步分析驗證，如播種期條件、產量與品質指標、區域產品差異化等。隨著氣候變暖與極端氣候事件頻發，復合災害影響評價將會成為趨勢，相關研究將會提升農業災損的科學度量。