基于SPI的1960—2014郑州地区玉米生育期的旱情变化

李宝五

摘要：鄭州地区有一半的耕地无灌溉条件，同时土质多为砂壤土，蓄水保墒能力特别差。虽然年均降雨600 mm左右，但季节分布很不均匀同时降雨量呈逐年减少的趋势。该文以郑州地区1960到2014年逐月降雨量数据为基础计算标准化降雨指标，分析了不同时间尺度的spi值的特征。发现55年中郑州地区发生严重干旱6次，中旱5次，轻度干旱2次。在55年中，郑州地区有13年处于干旱的状况，发生干旱频率为，这表明郑州地区干旱频发。对郑州地区玉米的全生育期进行了调查。以一个月为尺度的spi值计算55年里玉米不同生育时期旱情发生的频率。发现在对产量有关键影响的7月份发生干旱的频率为31.5%，其中发生特旱和重旱频率为7.6%。重旱和特旱会造成玉米严重减产。

关键词：干旱；玉米；生育期；标准化降雨指标

在2007的IPCC上，指出从1900年到现在全球平均气温升高了0.74℃[1]。随着日益显著的全球变暖，全球性气候变暖这个环境问题也受到更多方面的关注[2]。由于全球温度的普遍升高，降水量的区域差异更加明显。近五十年来，根据资料中国总的年降水量呈减少趋势[3]；在北方各个流域中以黄河流域的年降水量减少17%的最为明显。进入新世纪以来，全国每年因灾导致的经济损失超过2000亿元，这其中干旱是自然灾害中，影响范围、波及人口、破坏能力最大的[4]。跟其他自然灾害比起来，干旱的特点是：出现次数多、时间持续长、造成破坏大，尤其会对农业生产造成不可挽回的损失[5]。1949年以后，全国修建了大量的农田水利工程，促进了农业科技的飞跃。前所未有的改善了全国的农业生产，对干旱有了一定的防御能力，保持了粮食产量的持续增长。虽然农业生产条件得到了很大的改善，但是由于底子太薄，据统计截至2009年全国有超过50%的农田缺少灌溉设施，生产力水平低下[6]。因此分析近几十年来干旱发生的频率、强度以及范围有很强的实际意义。

国内外很多学者对干旱指标做了大量的研究来分析干旱发生与发展的规律[7]。对于干旱来说，目前没有大家普遍接受的定义。一般来说大家将干旱分为四类气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱[8]。在这四种干旱中，造成其他三种干旱的基本原因是气象干旱。一般，气象干旱就能代表其他三种干旱[9]。研究气象干旱的指标有很多，其中比较有代表性的是：相对湿润指数、标准化降水指数（SPI）、Z指数[10]、帕默尔干旱指数[11]、综合气象干旱指数等。通常都利用以上指标来研究区域干旱的发生与发展规律。通过对不同干旱指标监测区域干旱的效果来讲，基于降水数据的标准化降雨指数SPI具有：计算简单、稳定性高、具有多时间尺度和时空可比性等优势，已经广泛应用于国内外的干旱监测中。

1 研究区

郑州地处河南省中部偏北，西南面地势山区、丘陵居多。同时降雨季节分布不均导致常有干旱发生，西部黄土岗地和低山丘陵的耕地无任何灌水条件，农业生产全靠天然降水[12]。这样无灌溉条件的雨养田占总灌溉面积的将近一半，同时郑州地区耕地的土质多为砂壤土蓄水保水能力差。综上所述，郑州地区农业比较容易受干旱灾害的影响。

2 资料与方法

2.1 数据来源

以来自于中国气象科学数据共享服务网的气象数据和河南省气象局提供的郑州市3个气象站以的逐月降水资料（mm）作为计算SPI指数的基础资料。该资料的时序为1960年到2014年55年的逐月降雨量。

2.2 研究方法

2.2.1 SPI（标准化降雨指标）的原理。SPI指标首先将降雨量进行正态化标准处理，把降雨量的变化用Γ函数来表达，将降雨累计频率标准化来计算出spi值，最终用spi值来划分干旱等级SPI。

根据计算原理，利用matlab程序编写公式，就可以计算出基于1、3、6、12不用时间尺度的SPI 标准值。根据GB/T20481-2006对SPI的干旱等级界定标准如下表1。

2.2.2 结果与分析。选择郑州57083基准站为代表站，选取1960-2014中55年的降水量为基本资料。计算发现1960年到2014年这55年间平均降水量为631.6 mm。通过降水量变化曲线进行初步分析，在1986-1997年12年间只有3年的降水量在平均值以上，其它9年都低于平均值。同时郑州地区年降水量逐年减少、干旱表现出逐年加重趋势。

本章首先以1年为时间尺度计算SPI指标，然后进行干旱等级划分，分析地区的旱情演变规律。根据SPI指标的计算方法，得出1960-2014年55年间SPI值化如图2所示，根据表1《气象干旱等级标准》表，得到这55年干旱等级如图3所示。

在1960-2014年的55年中，郑州地区发生严重干旱6次，中旱5次，轻度干旱2次。实际上，郑州地区每年四季各季都会发生不同干早现象，尤其是。为了更好地服务于农业，下面我们以一个月为尺度，研究郑州玉米生育期内5月份到9月份的旱情发生规律，对旱情演进状况进行分析。

3 郑州地区夏玉米生育期内干旱分析

下面以1个月为尺度，根据标准化降水指标SPI，分析统计郑州夏玉米生育期内不同干旱持续期的周期，干旱持续期的次数、干旱强度、干旱发生频率和发生周期。

3.1 旱情发生频率

在1960年到2014年55年间只有72年10月份到73年10郑州地区没有发生任何等级的干旱，其他的年份或多或少都有不同等级的干旱发生。

接下来对郑州夏玉米生育期4-9月份的旱情进行统计，各月份发生旱情频率如下表2。

3.2 玉米不同生产时期耗水调查

以玉米各个生产时期为基准观测玉米的全生育期，实际观测玉米各个生育期如表3所示。

对于郑州地区夏玉米来说，玉米不同生育期的耗水变化，主要受气候因素的影响。出苗期时由于植株小对耕地的覆盖少，这个时期耗水主要是土壤蒸发，受天气影响比较大，这个阶段的耗水量最小。进入拔节期与抽穗期以后，气温也逐渐上升。这个阶段是耗水量最大的阶段。拔节期以后每日耗水量开始慢慢减少。因此拔节与抽穗期是玉米整个生育期内最耗水的时期也是影响玉米产量的关键时期。通过表2、表3我们可以知道玉米不同生育期发生干旱的频率。

4 結论

分析表明，郑州地区年降水量逐年减少、干旱表现出逐年加重的趋势。在1960-2014年的55年中，郑州地区发生严重干旱6次，中旱5次，轻度干旱2次。在55年中，郑州地区有13年处于干旱的状况，在SPI值以1一年为尺度的干旱频率为，这表明郑州地区干旱频发。实际上，郑州地区每年四季各季都会发生不同干早现象。

对于无灌溉条件地区来说，夏玉米的产量跟拔节和抽穗期的降雨量相关性最大，这段时期如果没有降雨造成土壤墒情不足，会造成严重减产。在郑州地区根据我们对玉米全生育期的调查，对玉米产量起关键作用的月份是7月份。然而7月份发生轻旱的频率为11.1%，中旱的频率为13%，重旱和特旱的频率分别为5.6%和1.8%。总的来说干旱发生的频率为31.5%。一旦发生重旱和特旱将会造成玉米的严重减产。

参考文献

[1] IPCC. Climate Change 2007：Summary of Policymakers[M]. Cambridge，UK：Cambridge University Press，2007.

[2] 靳立亚，符娇兰，陈发虎. 近44年来中国西北降水量变化的区域差异以及对全球变暖响应[J]. 地理科学，2005，10（5）：567-572.

[3] 孟秀敬，张士锋，张永勇. 河西走廊57年来气温和降水时空变化特征[J]. 地理学报，2012，67（11）：1482-1492.

[4] 冯金社，吴建安. 全国旱灾形势和减轻旱灾风险的主要对策[J]. 灾害学，2008，23（2）：34-36.

[5] 成福云. 干旱灾害对21世纪初全国农业发展的影响探讨[J]. 水利发展研究，2002，2（10）：55-56.

[6] 中国. 2009年旱情报告（上篇），2009（01）.

[7]Richard R，Heim Jr. A review of twentieth-century drought indices used in the United States [J]. Bulletin of American Meteorological Society，2002，83（8）：1149-1165.

[8] 李玉中，程延年，安顺清. 北方地区干早规律及抗旱综合技术[M]. 北京中国农业科学技术出版社，2002.

[9] 张 强，鞠笑生，李淑华，等. 三种干旱指标的比较和新指标的确定[J]. 气象科1998（2）：48-52.

[10] 朱炳援，谢金南，邓振铺. 西北干旱指标研究的综合评述[J]. 甘肃气象，1998，16（1）：35-37.

[11] 安顺清，邢久星. 修正的帕默尔干旱指数及其应用[J]. 气象，1985，11（12）：17-19.

[12] 郑州市统计局郑州市统计年鉴. 中国统计出版社，2014.