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1990年以来中国小麦农业气象灾害时空变化特征
摘要：农业气象灾害随着全球气候变暖而变得更频繁，本文研究中，通过观察并分析1991至2009年全国农业气象观测站（AMS）的记录，首次研究了各农业气象灾害的发生频数的时空分布。此外，通过比较1991-2000的较冷十年和2000- 2009较暖的十年，讨论气候变化对农业气象灾害的影响。研究发现，干旱是在过去二十年期间最频繁的灾难，以79％的比例占最高且农业气象灾害的频率随气候变化而显著升高。具体地，主要灾害在生育期比在营养生长期发生的更频繁而且农业气象灾害频率的空间分布具有很强的地域性。比如，位于黄土高原和黄河中下游的小麦种植区主要遭受干旱的影响，所有这些结果与中国气候的变化有强烈的联系。此外，健全合适的选项应采取基于全球变暖背景下最新农业气象灾害的变化，以减少农业损失。
关键字：小麦；农业气象灾害；气候变化；干旱；中暑
1引言
中国是农业大国，提高我国的作物产量并确保粮食安全在发展的整个阶段是一项艰难的任务。而且由于各种自然灾害频繁发生及其相对较差的农业技术，农业气象灾害已经对我国的粮食安全给了很大的压力。据报道，由农业气象灾害导致的农业受灾面积达到500-700万公顷，占作物总面积的30%-35%，绝收作物产量损失占每年的总作物面积的8％-10％。随着气候变化的背景下的自然灾害更频繁更强烈的增加，人们对农业气象灾害及其相关影响的担忧也增加。张（1989年）分析了整个中国的农业气象灾害的特点深入研究的其潜在的原因。到2005年，中国国家气象局开始发布“中国气象灾害年鉴”。国家把过去几年所有的气象事件及其损失在已被列入这些书。此外，许多中国学者进行关于农业气象灾害的发生机理，影响，特点的研究，例如基于省级或各大地域进行统计分析研究主要农业气象灾害的空间分布特点及其影响(Lu et al., 2009; Fang et al., 2011)。此外，研究干旱，洪水的影响（Tao et al., 2003; Zhang et al., 2007;Wang et al., 2008; Zhao et al., 2009; Deng et al., 2009; Vimal et al., 2010)和发生在不同区域作物上的极端温度事件 (Craufurd and Wheeler, 2009; Sun and Huang, 2011; Liu et al., 2013)等广泛展开。然而，这样的研究无论是有限的几个省统计年鉴，或在有限的区域，或特定的灾难。目前很少的学者做基于国家详细记录的相关研究。因此 分析农业气象灾害的时空分布特征和了解当今气候变化下的农业风险的更新是非常重要且紧急。这样的知识将有利于相关决策者规划一个合理的策略，准备和防止重大灾害，减缓气候变化，和以确保中国的粮食安全。
小麦产量列在世界上所有的农作物中的第二，它也是生活在中国北方的人们主食。2011年，小麦（主要是冬小麦）的总播种面积已达2427万公顷，占中国农作物总播种面积的21.9％。中国大部分地区种小麦，通常分类为三大主要区域，包括北方的冬小麦，南方冬小麦，南方春小麦。这些区域主要分布在东北，西北的北部，华东和西南地区的东北部。一般情况下，小麦产量随着气候变化有很大波动。例如Cai and Jiang (2011)指出 ，干旱在中国各地频繁发生，以及各种灾害一直主宰着某些地区。具体来说，在淮河-海河流域北部灌浆后期期间的干热风，在长江中下游灌浆时期的热浪，淮河中下游，淮河和海河流域的梅雨和风暴，已经表现出对小麦产量造成严重影响。近日，全球气候变暖表现出对中国大部分地区的气候变化有重要的的影响。因此，自然灾害的发生时间和地点可能随气候变化而改变。因此，本研究的目的是：1）了解1990年至2009年期间生产小麦主的地区的农业气象灾害更新的特点；2）比较在相对冷门的（1991- 2000年）十年和相对热门（2000- 2009年）十年间小麦各不同生育阶段主要灾害。这样的结果将会为防止和减轻有自然灾害导致小麦产量减少提供了科学依据。
2数据来源和方法
在研究中使用两中数据集，其中包括农业气象灾害和生育期，来自1991年至2009年间的中国气象科学数据共享服务系统的网站（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）上农业气象观测农业气象灾害的数据收集于在上述网站上农业气象灾害十天的记录数据。它包含了1991至2009年年农业气象灾害事件，灾难的名称，日期，包括在内的范围和强度，作物种类，面积和受灾农作物百分比的报告。定义每十天在研究站一个记录为一个灾难。总共包括588AMS。在这里用九大类型农业气象灾害来分析农业气象灾害的发生对测站小麦产量的影。这九大灾害有干旱，洪水，连续降雨，暴雨，低温冷害，高温，大风，龙卷风和干热风。通过Matlab软件的协助分析和利用ArcGIS 9.3绘制这些站的空间分布。
生育期数据集收集于每十日的纪录生育期和农田土壤湿度的中国的数据库中，在中国气象数据的网站共享服务系统上（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）。该数据集包括作物品种信息和每个农业气象观测站生育期信息。选测站小麦种植记录用来分析小麦生育期（包括冬小麦和春小麦）包括播种，育苗，分蘖，七叶，拔节，乳熟，抽穗，和成熟阶段。首先，为了了解主要农业气象的空间分布，我们统计在每个生长阶段农业气象灾害频率。然后，为了了解二十年间在农业气象灾害的变化，本文研究把1991-2009的时期划分为两个时期，前面十年（1991- 2000）和（2000-2009）更暖和的十年。在两个时期之间灾难频率的这种差异被用来表示气候变化对农业气象灾害频率的影响(Tao et al., 2012)。
3结论
3.1 综述1991-2009期间不同农业气象灾害的发生频率
这里总共有246站汇报5902灾害，所有农业气象观测站平均每站为23.99和平均每年为23.99。这种统计结果列于表1中。显示干旱的频率最高79.21％，这表明水分短缺是对于小麦生产的中国来说是一个主要压力。大风发生频繁为5.57％居第二，其次是暴雨（2％），洪水（1.29％）和连阴雨（2.73％）。总的来说，由降水异常造成灾害以占总灾害90.8％，这表明水分条件（太少或太多）是小麦受灾主要的原因。小麦主要种植于半湿润气候区(Shen et al., 2009)，缺乏水资源是一个普遍的问题并且由于季风而形成的季节性差异降水使得这一问题更加严重。此外，小麦是一种抗旱能力比玉米还差的C3作物(Ward et al., 1995)，因此在中国干旱已成为小麦生产的最严重的灾难。至于其他的极端气候事件，如冰雹和暴雨，这些事件通常发生在北部内陆地区，从四月到十月，即小麦生长期。于是严重的冰雹和暴雨会打倒农作物并对小麦产量造成巨大的损坏。此外，也有很多农业气象观测站位于江淮（长江-淮淮）流域，梅雨季是那里典型的气候。这样的气候一般伴随着连续的阴雨天气，严重的影响小麦产量。由风造成的所有灾难之中大风频率为3.91％，风会吹倒小麦而造成产量损失，特别是干热风。伴随低湿度的炎热环境里通常会在成熟期导致的小麦巨大亏损。干热风频率占3.27％，其次为冻害（1.32％），极端高温（0.64％）和龙卷风（0.05％）。可以用龙卷风在中国很少发生可来解释对小麦的龙卷风灾害发生频率低。龙卷风主要发生在很少种小麦的东南沿海地区，总之，与温度有关的灾害对小麦生产的整个过程影响相对较少。
3.2农业气象灾害的空间分布和相关生长时期分布
图1表明不同农业气象灾害在小麦生长时期的空间和生育期频次。它清楚地表明，大多数灾难发生在北方地区，特别是在沿秦岭-淮河线以北地区。甘肃省环县站总共172次灾害，其中167次为旱灾成为旱灾记录最多的地方。
此外，结果显示9个站已记录的灾害超过100个，其中7个位于山东省境内。从表2中，我们可以发现灾害发生在每个阶段。在繁殖期（包括拔节，抽穗，乳熟和成熟阶段）的频率远远高于在营养期（包括生长阶段的其余部分）。具体而言，在繁殖期，灾害频率为74.86％，其中包括从拔节到抽穗的35.02％和从分蘖到成熟期的39.85％。相反25.14％为营养期，包括从播种到幼苗期间为11.24％和分蘖到七叶期间为13.90％，因此小麦在生育期的生产对所有农业气象灾害比其他任何时期更敏感。
3.3小麦种植区主要农业气象灾害的特征
不同类型的灾害具有独特的时空分布特征。因为四种类型的气象灾害干旱，干热的风，暴雨，冰雹的总频率达到总灾害的90.05％，所以被选为重大灾害来描述小麦种植区农业气象灾害的特征。不同发生灾害频率的两个十年为冷期（1991- 2000年）和暖期（2000- 2009年），通过两个时期的比较了解气候变化对农业气象灾害影响特点。
3.3.1两个时期小麦干旱灾害及其发生频率的变化
从1991年到2009年，在小麦种植区的185 农业气象灾害观测站报道旱灾，占全部246测站的75.2％（表3）。这些站点主要分布在中国东部，尤其是在中国北方平原和黄土高原（图2a和2b）。总的频数为4695，每站每年平均发生频数1.33。有些28％的干旱在营养生长期发生，而72％发生在生育期（图2a）。旱灾在温暖的十年（2000- 2009年）比寒冷的十年（1991- 2000年）显著增加了，其中185测站记录了干旱。在122测站的频率温暖的十年内增加而它并没有显示在剩下的23测站的任何变化。在黄河流域的干旱频数在增加，东北和西南地区在繁殖期期间增加（例如，在126个测站在生育期期间干旱频数已达到1389次，而那些在营养生长期的62测站达到了351次）。在营养生长期干旱频数降低的区域主要分布在沿淮河流域（例如，60个测站在营养生长期减少频数相加为438次，而36个测站在生育期期间减少频数相加为240次）（图2c）。
3.3.2干热风
干热风是一种小麦的典型的灾难，它通常在小麦成熟之前造成小麦产量巨大的损失。干热风主要出现在黄淮平原，自西北向中国北方，甚至还出现在云贵高原（图3a和3b）。1991至2009年期间50个车站总共有193次条记录，平均每年20站受影响。所有这些灾害发生在小麦生殖期（表3）。从图3c的频数变化清楚地表明发生频数在26个车站已增加，尤其是在山东半岛，西北更西的地区和云贵高原一小部分。共有17个站频数出现降低，主要分布在山东半岛西部，中部和中国西北地区的东部地区。
3.3.3暴雨
至于暴雨在1991至2009期间64站共有118个记录，平均每年20站受影响。在这些记录中88.1％发生在繁殖期，只有一小部分发生在营养期（表3），在接下来的温暖十年内（2000- 2009年）灾害频数明显增加。（图4a和4b）共有53站表明在后面十年的频数的比前面十年高（图4c）。暴雨通常在前面十年内出现在华中华东地区。后面十年在中国东北，西北和黄河中下游地区特别是黄土高原和四川盆地的频数增加了。然而发现中国北方平原的中部的频数却在降低。
3.3.4冰雹
冰雹也是在中国小麦种植区频繁发生灾难，尤其是在黄淮平原中部和西部地区。在过去十年中，东北，新疆，西藏等地方记录了冰雹灾害（图5A和5B）。在1991-2009期间117站共记录冰雹329次，其中96.4％冰雹出现在小麦生殖期。从图5c中的频数增大的趋势可以清楚地看出两个十年之间不同的特征。
显示频数变化112个测站中97个测站在温暖的十年中频数增大，约占所有测站的82.9％。而且增加雹的地区主要分布在黄土高原的西部地区和黄淮海平原东部沿海地区，并且主要发生在生期期。
4结论
1991年至2009年期间两个十年之间频数，时空分布和小麦农业气象灾害的差异进行了分析。结果表明：
（1）1991年至2009年在中国主要小麦种植区经常遭受的农业气象灾害，平均每年每个站记录310次。研究表明中国北方是农业气象灾害最频繁的地区，尤其是对沿秦岭 - 淮河以北地区。
- 不同的农业气象灾害之间的频次存在明显的差异，如频次最高的干旱，随后干热风，冰雹和暴雨。此外，这样的灾害在生殖期比在营养生长期发生更加频繁。
- 大多数灾害发生的频次在早期的十年（1991-2000年）比后期十年（2000-2009年）高。并且不同灾害有不同时空分布和地域特点。一般来说频次增加在生育期。频次增加明显的区域包括在山东半岛的干热风，干旱，暴雨，西北的东部地区冰雹。
5讨论
以前的学者把农业气象灾害的频繁归功于近几十年的气候变化和随之而来的气候的不稳定性的增加。这种不稳定性造成了极端事件，如暴雨，冰雹，干旱(Zhang et al., 1989; Salingera et al., 2000)。最近，一些研究人员分析了一些气候要素的时空分布发现降水在东北南部，华北，西北东部，西南地区东北部和华东北部地区呈下降趋势，其余区域变化不明显或有所增加趋势(Ren et al., 2005; Li et al., 2009; Zhai et al., 2005)。小麦干旱灾害频次增加的地方和降水减少的地方基本一致（图2a，2b和2c），这表明不同类型的灾害的空间分布和本地气候的趋势之间有很强的关系。这种强烈的相关性突出了气候变化中国农业气象灾害的影响。因此，了解气候变化的特征和最近中国农业气象灾害的特点是非常必要的，并合理安排气候变化的背景下的小麦的种植，以减轻和防止极端事件对小麦产量潜在的损失。
参考书目
Cai J, Jiang D, 2011. The effect of climate change on winter wheat production in China. Journal of
gro-Environment Science, 30(9): 1726–1733. (in Chinese)<br
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