河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險評估

檀艷靜, 成 林, 郭康軍

(1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室,鄭州 450003; 2.周口市氣象局,河南 周口 466000;3.河南省氣象科學研究所, 鄭州 450003)

引 言

連陰雨是河南省常見的一種農業氣象災害[1],常伴有低溫、寡照、漬澇等,對小麥的播種、生長過程、收割、晾曬等較為不利,尤其是對小麥灌漿及收獲十分不利[2-3],是影響小麥產量和品質的主要農業氣象災害之一。河南省是全國小麥生產第一大省,其種植面積約占全國小麥種植面積的1/4,產量位居全國前列。因此,研究河南省小麥灌漿期連陰雨災害風險評估及區劃具有重要的現實意義。

國內學者目前對連陰雨研究多集中于成因、氣候背景、時空分布特征等方面[4-8]。有不少學者對連陰雨指標也做了不少研究。由于研究的側重點不同,采用的連陰雨指標不統一。有學者僅采用降水日數作為連陰雨致災因子,如成林[9]、徐虹[10]、劉琰琰[11]等選取持續陰雨日數劃分夏玉米連陰雨災害等級指標;金垚等[12]選用持續陰雨日數作為冬小麥灌漿結實期連陰雨判別標準;胡英超等[13]選取最長連續無日照日數、最長連續降水日數、每日日照不足1 h最長持續日數等因子將湖南水稻和油菜連陰雨災害分為輕、中、重3個等級;劉巖嵐等[14]采用持續降水日數確定四川水稻移栽分蘗期連陰雨災害等級。有學者采用2個及以上因子作為連陰雨致災因子,如毛留喜等[15]將華北地區連續3 d及以上有降水且過程雨量超過40 mm定義為一次連陰雨災害;李德等[3]篩選陰雨日數、累計雨量和日照時數3個因子作為安徽省冬小麥灌漿期連陰雨主要致災因子;劉雅星等[1]選取連續降水日數、過程降水量、日照時數對河南省連陰雨標準進行了修訂;韓文靜等[16]選取持續陰雨日數、過程總降水量確定了中國北方蘋果不同發育時期的連陰雨災害指標。確定了連陰雨災害指標后,不少學者開展了連陰雨災害風險評估及區劃的研究。如成林等[9]通過連陰雨日數和產量減產率構建了河南省夏玉米花期連陰雨風險區劃指數;徐虹等[10]選取日降水量、日照時數、土地利用類型、產量變異系數構建了黃淮海地區夏玉米花期連陰雨風險指數;金垚等[12]基于平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時間、連陰雨時間,構建了四川盆區冬小麥灌漿結實期低溫陰雨寡照致災綜合指數;李亞男等[17]統計了麥收期連陰雨頻率、最長連陰雨日數和最大過程雨量,構建了中國冬麥區麥收期連陰雨災害風險評價體系;郭翔等[18]統計連陰雨過程中單日最大降水量、過程降水量和連陰雨持續日數構建油菜花期連陰雨強度指數。

目前對災害風險評估及區劃的研究已有較為成熟的技術,但針對河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害指標及風險評估的研究較少。鑒于此,本文根據河南省冬小麥發育期資料和同期氣象資料,參考相鄰省區開展小麥灌漿期連陰雨災害指標,統計連陰雨發生頻率,利用主成分分析法構建連陰雨風險強度指數,從災害發生頻率、風險強度指數、產量損失率3個方面,重構連陰雨災害風險區劃指數,對河南省冬小麥灌漿期連陰雨進行風險評估與區劃,以期為河南省冬小麥防災減災和糧食安全提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 數 據

為保證數據完整性,文中所用河南省24個農業氣象觀測站1981-2020年冬小麥發育期觀測資料,以及91個氣象觀測站1961-2020年冬小麥開花至成熟期的逐日氣象觀測資料,主要包括降水量、日照時數,上述數據來自河南省氣象局。為了不遺漏災害天氣過程,根據全省冬小麥發育期觀測資料,將全省冬小麥開花至成熟期(即灌漿期)按行政區域劃分為3個區。其中,Ⅰ區包括信陽、南陽、駐馬店,灌漿期為4月25日-5月30日;Ⅱ區包括周口、許昌、漯河、平頂山、鄭州、開封、商丘、新鄉、焦作、濟源,灌漿期為4月30日-6月3日;Ⅲ區包括三門峽、洛陽、鶴壁、安陽、濮陽,灌漿期為5月7日-6月13日(圖1)。災情數據來源于中國氣象災害大典(河南卷)、中國氣象災害年鑒、相關文獻記載及相關報道等。冬小麥歷年產量資料源于河南省統計部門,土地覆蓋數據來源于MODIS的MCD12Q1土地覆蓋類型產品。

圖1 研究區域內氣象站點分布圖及冬小麥灌漿期分區示意圖

1.2 連陰雨氣象指標

根據農業氣象觀測規范和冬小麥生產過程中的實際特點,考慮災害發生年份對冬小麥的影響程度,參考以往連陰雨災害指標[3,9,12],并從農業生產氣象服務角度考慮,采用如下連陰雨氣象災害指標。

過程指標: 連續3 d或3 d以上有降水(日降水量≥0.1 mm)作為一次連陰雨過程;在>3 d的連陰雨過程中,允許1 d無降水且該日日照<2 h或者1 d有微量降水且該日日照<4 h。若一次連陰雨過程發生在開花始期或成熟期前后,以連陰雨實際持續日數的2/3日數所在時段,確定是否屬于灌漿期連陰雨。

1.3 連陰雨災害因子統計方法

按照連陰雨過程指標判別方法,分別統計各站點每年每次連陰雨過程中的連陰雨日數、總雨量和總日照時數,然后按照公式(1)-(3),統計各站歷年連陰雨過程均日數、過程均雨量、過程均日照時數[16],并統計連陰雨年均過程次數。然后由各站點逐年過程均日數、過程均雨量、過程均日照時數統計得出各站點1961-2020年多年平均值。

各站點逐年過程均日數:

(1)

式(1)中,DL為每年連陰雨過程均天數,DZ為每年多次連陰雨過程總天數,FZ為每年發生連陰雨過程總次數。

各站點逐年過程均雨量:

(2)

式(2)中,RL為每年連陰雨過程均雨量,RZ為每年多次連陰雨過程總雨量,FZ為每年發生連陰雨過程總次數。

各站點逐年過程均日照時數:

(3)

式(3)中,SL為每年連陰雨過程均日照時數,SZ為每年多次連陰雨過程總日照時數,FZ為每年發生連陰雨過程總次數。

各站點年均過程次數:

(4)

1.4 連陰雨災害發生頻率

連陰雨災害發生頻率:

(5)

式(5)中,P為連陰雨災害發生頻率,M為發生連陰雨災害年數,N為統計年數。

1.5 連陰雨災害風險強度指數

根據已有研究[3,9,12],連陰雨災害對冬小麥灌漿的影響與危害,不僅與連陰雨過程持續日數有關,還與連陰雨過程期間的雨量和日照時數密切相關。因此本文選擇連陰雨持續日數、降雨量、日照時數3個致災因子,即過程均日數DL、過程均雨量RL、過程均日照時數SL,采用主成分分析法[3,19-20],將3個致災因子重建為1個表示連陰雨災害的綜合指數,主成分分析法的詳細介紹可參考文獻[3]和[19]。

將各站逐年連陰雨風險強度指數按照極差法[21]進行歸一化處理,以此代表連陰雨災害風險強度指數I。小麥灌漿期連陰雨風險強度指數由連陰雨日數、過程降水量、日照時數構成,可表征遭受連陰雨災害過程的強烈程度,采用TS評分法進行檢驗[22]。

1.6 產量損失率

農作物產量可由氣象產量、趨勢產量及隨機誤差3部分組成[23-24]。其中,隨機誤差可忽略不計,趨勢產量可用統計滑動平均法、一元線性擬合法等多種方法擬合,氣象產量是由生長季內多種氣象要素影響的產量。本文采用5年滑動平均并結合分段直線模擬的方法[2],分離趨勢產量和氣象產量,并計算相對氣象產量,其擬合效果優于5年滑動平均法和分段直線模擬法(圖略)。公式如下:

(6)

式(6)中,Yd表示相對氣象產量,Y和Yt分別表示實際產量和趨勢產量。當Yd為負值時,表示減產率,其絕對值大小,在一定程度上反映了連陰雨等災害所造成的小麥產量損失率。因此本文以Yd負值的絕對值代表連陰雨發生年份的冬小麥產量損失率。

1.7 連陰雨風險區劃指數

冬小麥灌漿期連陰雨災害發生頻率可表征其危險性,連陰雨災害風險強度可在一定程度上反映連陰雨的發生強度,產量損失率可表示作物的易損性特征。河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險區劃指數采用加法[9]表達:

M=P+I+Yd

(7)

式(7)中,M為連陰雨災害風險區劃指數,P為連陰雨災害發生頻率,I為歸一化后的連陰雨災害風險強度指數,Yd為多年平均產量損失率。

本文采用ArcGIS 10.1反距離插值法(IDW),將各站點連陰雨發生頻率、多年平均風險強度指數、多年平均產量損失率及風險區劃指數進行空間差值,并疊加河南省土地利用類型。根據ArcGIS 10.1自然斷點法,將河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害發生頻率、風險強度指數、產量損失率、風險區劃指數分別劃分為3個等級。

2 結果與分析

2.1 冬小麥灌漿期連陰雨災害特征分析

河南省冬小麥灌漿期連陰雨多年平均過程均日數呈現西南高、東北低的空間分布(圖2a),河南省連陰雨過程均日數在3.4～4.1天。豫西、南陽、許昌南部、駐馬店西部、信陽西北部地區過程均日數最多,為3.8～4.1天;濮陽、商丘、周口東北部地區日數最少,為3.4～3.6天;其他地區為3.6～3.8天。河南省冬小麥灌漿期連陰雨多年平均過程均雨量空間分布規律不明顯(圖2b),河南省連陰雨過程均雨量為17.3～39.8 mm。信陽部分地區、濮陽北部、新鄉和鄭州局部地區過程均雨量最多,為30.0～39.8 mm;豫東、豫西、南陽中部等地區過程均雨量最少為17.3～25.0 mm;其他地區為25.0～30.0 mm。河南省冬小麥灌漿期連陰雨多年平均過程均日照時數呈北多南少空間分布(圖2c),河南省連陰雨過程均日照時數在4.9～13.6 h。安陽、濮陽、新鄉部分地區過程均日照時數最多,為9.5～13.6 h;周口、駐馬店東部、信陽、南陽局部地區過程均日照時數最少,為4.9～7.5 h;其他地區的為7.5～9.5 h。河南省冬小麥灌漿期連陰雨年均過程次數呈南高、北低空間分布(圖2d),河南省連陰雨年均過程次數在0.4～1.1次。南陽、信陽、駐馬店年均過程次數最多,為0.8次以上;三門峽、洛陽、平頂山、漯河、許昌、周口次數多為0.6～0.8次;其他地區年均過程次數最少,為0.4～0.6次。

圖2 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均過程均日數(a)、過程均雨量(b)、過程均日照時數(c)、年均過程次數(d)分布圖

2.2 冬小麥灌漿期連陰雨發生頻率分析

河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害發生頻率呈現南部高、北部低的緯向型分布特征。高發區域主要分布在豫南區域即南陽、信陽、駐馬店,發生頻率在67%以上,占全省總面積的41.0%,該結果與武建華等[25]研究結果較為一致。中發區域主要分布在中部地區,即三門峽、洛陽、平頂山、許昌、漯河、周口,發生頻率為54%～67%,占全省總面積的29.8%。其他地市為低發區域,發生頻率在54%以下,占全省總面積的29.2%(圖3)。

圖3 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均發生頻率分布圖

2.3 冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數分析

由各站逐年冬小麥連陰雨風險強度統計河南省逐年區域平均風險強度指數(圖4)。根據統計結果,1974、1983、1985、1987、1990、1991、1992、1998、2002、2005、2009、2013、2018、2020年共14年河南省發生了較強的冬小麥灌漿期連陰雨災害。其中,1974、1990、2005、2020年未找到有關連陰雨災害的相關記載或文獻記錄,計為空報;1983、1985、1987、1992年與《中國氣象災害大典(河南卷)》記載一致,2018年與中國氣象災害年鑒一致,2009、2013年與河南省十大天氣氣候事件記載一致,1998、2002年與相關文獻記載一致,1991年與中國氣象報記載一致。統計的風險強度指數與連陰雨過程均日數DL、過程均雨量RL、過程均日照時數SZ的相關系數分別為0.887(P≤0.01)、0.961(P≤0.01)、0.511(P≤0.01),同時TS得分為0.71。由此可判斷,本文構建的冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數可在一定程度上反映河南省灌漿期連陰雨災害發生程度。

圖4 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數時間分布圖

河南省冬小麥灌漿期連陰雨風險強度指數基本呈南部偏高、北部偏低的分布特征(圖5)。高值區主要分布在南陽西部、信陽、駐馬店、許昌南部和平頂山北部、焦作西部等地區,風險強度指數為0.20～0.34,占全省總面積的32.1%;中值區主要分布在南陽和駐馬店局部、周口、漯河、鄭州及焦作東部、鶴壁等地區,風險強度指數在0.15～0.20,占全省總面積的41.1%;低值區主要分布在開封東部、商丘西部、新鄉、安陽、濮陽等地區,風險強度指數在0.15以下,占全省總面積的26.8%。

圖5 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均風險強度指數分布圖

2.4 冬小麥灌漿期遭受連陰雨后產量損失率分析

河南省冬小麥灌漿期連陰雨產量損失率空間上呈西部偏高、中部偏低分布(圖6)。高值區主要分布在南陽東部和許昌、平頂山及洛陽局部等地區,產量損失率在4.0%以上,占全省總面積的13.0%;低值區主要分布在駐馬店北部、漯河和許昌一帶及周口、焦作等地區,產量損失率在3.0%以下,占全省總面積的18.0%;其他地區為中值區,產量損失率為3.0%～4.0%,占全省總面積的69.0%。

圖6 1961-2020年河南省冬小麥灌漿期連陰雨平均產量損失率空間圖

2.5 冬小麥灌漿期連陰雨風險區劃

河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險呈西南部偏高、中東部偏低分布(圖7)。河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害中,中、低風險區面積占全省總面積的90.3%,表明河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險等級一般。高風險區主要分布在南陽東部和許昌、平頂山及洛陽局部等地區,占全省總面積的9.7%;中風險區主要分布在信陽、駐馬店、平頂山、洛陽及豫北局部等地區,占全省總面積的44.1%;低風險區主要分布在周口、許昌、商丘、焦作、濮陽、安陽局部等地區,占全省總面積的46.2%。

圖7 河南省冬小麥灌漿期連陰雨風險區劃空間圖

3 結 論

本文基于1981-2020年河南省24個農業氣象觀測站點冬小麥發育期數據、1961-2020年河南省91個站點日氣象數據及冬小麥縣級歷年產量數據,統計分析河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害特征,由連陰雨過程均日數、過程均雨量、過程均日照時數構建河南省冬小麥連陰雨風險強度指數,采用ArcGIS自然斷點法對冬小麥灌漿期連陰雨發生頻率、風險強度指數、產量損失率及風險區劃指數進行分類,結論如下。

(1)河南省冬小麥灌漿期連陰雨過程均日數、過程均日照時數、年均過程次數空間分布規律明顯,均呈帶狀分布,過程均雨量空間分布規律不明顯。河南省南部地區冬小麥灌漿期連陰雨年均發生日數、過程雨量、年均發生次數最多。

(2)本文構建的連陰雨風險強度指數對河南省連陰雨災害有較高的識別能力,可反映河南省連陰雨災害發生程度。河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害發生頻率、風險強度指數均呈現南部偏高、北部偏低的緯向型分布特征,中、高發生區域占比70.8%,中、高風險強度指數區域占比73.2%;河南省冬小麥灌漿期遭受連陰雨后產量損失率空間上呈西部偏高、中部偏低趨勢,中、低損失率區域占比87.0%。

(3)河南省冬小麥灌漿期連陰雨災害風險空間上呈西南部偏高、中東部偏低分布。中、低風險區域占比90.3%,高風險區主要分布在南陽東部地區,研究區域冬小麥灌漿期連陰雨風險等級為一般。