黄土高原半干旱雨养农业区冬小麦气候适宜度评价——以通渭县为例

气候适宜度可以表征气候条件对作物生长发育的影响程度。利用黄土高原半干旱区通渭县近40 a气象资料和农业气象观测资料,基于模糊数学方法,根据冬小麦各发育时段对温度、水分、光照的需求,对黄土高原半干旱雨养农业区冬小麦全生育期气候适宜度进行评价。结果表明:通渭县近40 a冬小麦全生育期温度适宜度为0.58,停止生长—返青期的温度适宜度最高,达0.95,三叶期—停止生长的温度适宜度低,仅为-0.42,年际间差异小,全生育期温度适宜度以0.019/10 a的速率上升;水分适宜度为0.46,乳熟期—成熟期的水分适宜度最高,为0.66,其次为返青期—拔节期,为0.63,年际间差异大,全生育期水分适宜度以0.017/10 a的速率上升;光照适宜度为0.62,三叶期—停止生长和返青期—拔节期的光照适宜度最高,为0.68,乳熟期—成熟期最低,为0.51,全生育期光照适宜度以0.011/10 a的速率上升;综合适宜度为0.54,返青期—拔节期的综合适宜度最高,为0.70,三叶期—停止生长最低,为-0.36,全生育期综合适宜度以0.014/10 a的速率上升。冬小麦产量与抽穗期—乳熟期温度适宜度、乳熟期—成熟期水分适宜度、乳熟期—成熟期综合适宜度呈显著相关。气候适宜度能够较准确地反映出黄土高原半干旱雨养农业区冬小麦生育期内气象条件的优劣变化。

中国干旱事件成因和变化规律的研究进展与展望

干旱是世界上危害最广泛、最严重的自然灾害之一。中国地处典型季风气候区,干旱灾害的影响尤为突出。国际上对干旱问题已经进行了大量研究,逐渐由对干旱的定性和表象的认识发展到对干旱客观特征的定量认识和形成机理的深入揭示。自新中国成立以来,中国从以往仅对一些重大干旱事件的零散认识逐步发展到与国际干旱研究的完全接轨,干旱研究取得了长足进展。但是,目前对干旱研究取得的科学进展缺乏客观全面的整体认识,对干旱研究的发展方向尚未能充分洞察。为此,基于国际干旱研究现状,系统回顾了新中国成立以来中国干旱研究的历程,总结了中国干旱研究的重要进展,划分出了干旱事件的现象特征和时空分布、干旱形成机理及变化规律、干旱灾害风险和骤发性干旱研究兴起等中国干旱研究的4个主要发展过程。并从干旱事件特征、干旱时空分布、干旱变化规律、干旱成因、干旱影响机制、干旱风险形成过程以及干旱对气候变暖的响应、骤发性干旱的特殊性等方面归纳凝练了中国干旱研究的主要成果。同时,结合干旱研究的国际前沿、热点问题和发展趋势,科学分析了中国干旱研究的不足和问题,提出了中国未来干旱研究需要在加强典型干旱频发区综合性干旱科学试验研究的基础上,对干旱形成的多因子协同影响、陆-气作用对干旱形成发展的作用、骤发性干旱的判别及监测预测、各类干旱之间转换规律及其非一致性特征、关键影响期对农业干旱发展的作用、干旱对气候变暖响应的复杂性、干旱灾害风险的科学评估等重点科学问题上取得突破。

干旱形成机制与预测理论方法及其灾害风险特征研究进展与展望

在全球变暖背景下,干旱事件发生的频率和强度不断增大、影响不断加重,干旱发生规律的异常性和机制的复杂性也更为突出,对干旱形成机制、预测理论方法及灾害风险变化规律等方面都提出了新的挑战,也制约了当前干旱预测、预警及其灾害防控能力的提高。近年来,在国家重点基础研究发展计划(973计划)课题等多个国家级项目支持下,已在干旱灾害形成机制与预测理论方法及其风险特征方面取得了一系列新成果。通过动力诊断、数值模拟和田间试验等方法,开展了干旱形成的多因子协同作用和多尺度叠加机制、干旱致灾过程的逐阶递进特征,以及干旱灾害风险分布演化的主控因素等方面的研究。对如下几方面的新进展进行了系统总结归纳:(1)厘清了全球变暖背景下青藏高原热力、海温、夏季风、遥相关等多因子对干旱形成的作用机制。(2)发现了降水亏缺时间尺度和农作物不同生长阶段的干旱敏感性规律。(3)揭示了变暖背景下典型区域干旱灾害风险分布及其变异的新特征;构建了干旱灾害风险新概念模型。(4)研发了东亚季风区的季节和次季节干旱集成预测系统。在总结归纳已取得研究成果的基础上,对未来干旱形成机制及其灾害风险科学研究进行了展望,提出了5个重点研究方向:(1)多因子联动及其多尺度叠加效应对干旱形成的影响;(2)系统整合人类活动和决策以及相关反馈的气候模式研究;(3)揭示陆-气耦合和大气环流协同作用对干旱的影响;(4)认识干旱灾害对粮食安全和生态安全影响的关键过程;(5)提高不同气候情景下干旱预估的准确度。

石羊河流域气候变化及其对植被指数的影响

研究气候变化对植被覆盖的影响,对干旱区生态环境保护具有重要意义。以石羊河流域2000-2020年逐月气温、降水、日照、蒸发和NASA GIMMS归一化植被指数(NDVI)资料为基础,首先运用线性趋势法分析了气温、降水量、日照时数、蒸发量与NDVI的年、季节变化趋势,然后采用相关系数法研究了气候要素对NDVI的影响。结果表明:石羊河流域及各地年气温呈明显上升趋势,春、夏、秋季气温呈上升趋势,冬季(除民勤外)呈下降趋势;全流域及永昌、古浪、天祝年降水量呈增多趋势,民勤、凉州呈减少趋势,各季节降水量变化趋势不太一致;年日照时数除古浪呈增多趋势外,全流域及其他各地呈减少趋势,各季节日照时数变化趋势很不一致;年蒸发量除凉州呈减少趋势外,全流域及其他各地呈增多趋势,各季节蒸发量变化趋势也不太一致。石羊河流域及各地年NDVI呈显著增长趋势,除凉州春季外,各季节也呈增长趋势。年、季气温和降水量与NDVI基本呈正相关,气温、降水量对NDVI具有正贡献。年、季日照时数和蒸发量与NDVI相关性的正负差异较大,总体来看,日照时数对NDVI具有负贡献,蒸发量对NDVI具有正贡献。研究结果将为石羊河流域提高气候资源的利用率、调整种植结构和改善生态环境提供科学的参考依据。

西北干旱区和黄土高原大气边界层特征对比及其对气候干湿变化的响应

利用西北干旱区民勤、黄土高原平凉和榆中3站2006—2009年1、4、7月和10月逐日08:00时和20:00时探空资料、降水和日最高气温,计算和对比分析了最大混合层厚度(ML)、逆温层特征和垂直温湿场及其对干湿气候变化形成的影响.结果表明:最大混合层厚度与最高地气温差关系较为密切,呈显著正相关,干旱区民勤较密切其相关系数达0.92.最大混合层厚度4月最深厚,干旱区民勤高达2 871m,明显高于黄土区两站200～400m左右,平凉最为浅薄,1月不足1 000m;但日降水量≥5mm的降水发生时榆中较深厚,高于其他两站300～400m.强降水发生前后干旱区湿度变化大,发生时高低空湿度迅速增大,而黄土高原变化湿度小,榆中中低层增湿较明显.干旱区近地层较干,但有降水时中高层增湿较黄土高原显著.干湿气候变化与最大混合层厚度、逆温层的频数和强度、近地面层的干湿程度关系密切,混合层越深厚,逆温层多而强,近地层越干,干旱加剧.

黄土高原半干旱区物候变化特征及其对气候变暖的响应

利用黄土高原半干旱区1994-2014年典型植物物候和气温资料,通过相关分析等方法分析典型植物展叶始期、展叶盛期、开花始期、开花盛期等春季物候期和叶初变期、叶全变期、落叶始期、落叶末期等秋季物候期的变化特征,以揭示黄土高原典型植物物候期对气候变暖的响应规律。结果表明:(1)在展叶期,草本植物历史最早和最晚出现日期相差20~36d,木本植物为20~38d;(2)草本植物春季物候期表现为明显的提前趋势,木本植物物候期的变化趋势差异较大,牡丹、旱柳展叶始期提前趋势明显;草本植物叶变色始期、黄枯始期以及木本植物落叶始期等秋季物候期的推迟趋势明显;(3)研究期内牡丹生长季的变化趋势不明显,其余典型植物生长季均一致表现为显著延长趋势(P<0.05);(4)典型植物开花始期对前1月、前第3月(车前草为当月)以及春季(3-5月)气温的响应明显,春季气温每升高1℃,植物开花始期提前5~8d。研究结果表明黄土高原草本植物对气候变暖的响应比木本植物更明显,因此,在黄土高原生态脆弱区,选用对气候变化反应较为迟钝的杏树、榆树等乔木进行地区生态恢复重建较适宜。

泛中亚干旱区气候变化特征分析

利用Climatic Research Unit(CRU)1949—2018年最新0.5°×0.5°网格点月均数据集,主要从EOF分解、小波分析的角度,讨论了泛中亚干旱区近70 a的气候变化特征。结果表明:(1)泛中亚干旱区近70 a降水以1.393 mm·(10a)-1的速率呈增加趋势,夏季降水呈减少趋势,其余三季为增加趋势,其中冬季最明显[0.834 mm·(10a)-1],同时冬季增温幅度也最大[0.360℃·(10a)-1];(2)降水距平场的EOF分析表明:泛中亚干旱区降水变化趋势呈整体一致性(降水第一模态),西南-东北反向变化特征(降水第二模态),由西向东“-+-”交替分布特征(降水第三模态),3个模态都存在显著的准3 a周期,第一模态还存在5~7 a和准12 a周期,第三模态存在准7 a变化周期;(3)温度距平场的EOF分析表明:温度距平变化表现出整体一致性(温度第一模态),东-西反向变化特征(温度第二模态),第一模态具有显著的准2 a、8~10 a周期,第二模态具有明显的2~4 a、准5 a周期。传统意义上的暖季并没有呈现出比较明显的增温多雨,冷季反而增温幅度更大,降水增加更明显。哈萨克斯坦中部、土库曼斯坦及蒙古国大部干旱化趋势明显,哈萨克斯坦东西两侧、我国新疆北部以及帕米尔高原的部分地方表现出显著的湿润化趋势,我国西北大部地区总体呈弱的湿润化趋势。随着亚洲夏季风的减弱,冷季降水增量高于暖季,这似乎说明亚洲冬季风对泛中亚干旱区降水的影响正在加大。本研究结果旨在加深对泛中亚干旱区气候变化特征的认识,为进一步防灾减灾、合理应对气候变化、坚持可持续发展战略提供科学依据。

气候变化对中国农业旱灾损失率的影响及其南北区域差异性

在全球变暖背景下,干旱灾害对中国农业生产的影响日益严重,然而由于旱灾损失的复杂性及其显著的区域差异,至今对中国农业旱灾损失规律及其影响机制的认识十分有限。文中利用1961年以来中国农业干旱灾害的灾情资料和常规气象资料,系统分析了近50年来中国农业干旱灾害不同受灾强度分布比率和综合损失率等指标的变化趋势及其在北方和南方的区域差异,研究了20世纪90年代的气温突变对农业旱灾损失率的影响特征,探讨了农业旱灾综合损失率对气温和降水等气候要素变化的依赖关系及其在气候空间的分布特征。结果发现,在气候变化背景下,近50年来中国农业旱灾综合损失率平均每10 a约增加0.5%,风险明显增大。而且,北方综合损失率每10 a约增加0.6%,高出南方1倍,风险增大的速度明显比南方快;北方农业旱灾几乎在很宽松的气温条件下就可以发生,而南方更多发生在气温较高的年份。并且,在气温突变后,变化趋势明显加剧,全中国综合损失率约增加了0.9%,风险明显增高;而且北方综合损失率的增值高达1.8%,是南方的4倍还多,气候突变对北方农业旱灾风险的影响明显比南方更凸出。综合损失率在北方对降水变化的响应要更敏感,而在南方对气温变化的响应更敏感。同时,关键影响期降水对综合损失率的影响比全年降水影响更显著;北方的关键影响期作用比南方更凸出。这些新的科学认识对中国农业旱灾防御具有重要意义。

中国气候态变化特征及其对气候变化分析的影响

利用1961-2012年中国2000多个气象站气温、降水量资料,对1971-2000年、1981-2010年气候态与气候标准态进行了对比,分析了不同气候态下气象要素的基本特征,并运用气候评价等级指标和极值标准对中国历年基本气象要素数据进行了定量分析。结果表明:(1)1971-2000年、1981-2010年所描述的气候态与气候标准态相比,分别表现为略偏高和略偏低,由此对气候分析和评价产生减轻或加重的影响;(2)不同气候态下,气温等级中异常偏冷的频率均增大,异常偏热的频率有所不同;(3)在分析中国同时期同类要素极端高值出现概率时,采用不同气候态分析的结果出现了截然相反的变化,然而在分析气象要素极端低值概率时则一致出现概率增多现象,1981-2010年气候态的增多现象更为明显。

DSSAT模型在中国农业与气候变化领域应用进展

为了掌握农业转移支持决策系统(Decision Support System for Agrotechnology Transfer,DSSAT)模型在国内农业与气候变化领域的研究进展,更好地让模型在今后气候变化对农业生产影响评估和适应研究中应用,笔者以近年来国内的研究和实践为基础,通过梳理模型应用的相关研究案例、方法和成果,从DSSAT模型本地化适用性验证、数据库构建、参数订正和优化方案、气候变化影响评估及适应的应用等方面全面总结了模型的应用进展。结果表明:DSSAT模型在中国应用比较广泛,包括不同地区和不同作物之间;利用DSSAT模型研究气候变化对农业生产的影响的研究较多,研究结果比较丰富。但模型在应用中存在研究方法和结果比较分散、应用的作物种类有限、数据需求量大而试验数据有限等问题,这些都需要在今后的研究中不断完善解决。

干旱条件下马铃薯叶片光合特征对叶室温度的响应

通过Li-6400便携式光合仪设置叶室温度分别为22、25、28、31和34℃,模拟叶片局部温度,测定马铃薯块茎膨大期充分供水(土壤含水量保持80%田间持水量,对照处理)和干旱(土壤含水量在65%田间持水量时开始持续干旱)条件下叶片光合特征的光响应曲线,研究干旱条件下马铃薯叶片光合特征对叶室温度的响应特征。结果表明:充足灌溉条件下马铃薯在25℃时具有较大的光合潜能,且对弱光的利用最强,22℃条件下马铃薯叶片对光环境适应最强,28℃条件下马铃薯叶片活性最好,而干旱胁迫处理明显降低了马铃薯的最大光合能力、弱光的利用能力和叶片活性。随着温度升高,充足灌溉条件下马铃薯叶片净光合速率和气孔导度先升后降,在25℃达到最大,此时蒸腾速率最小,水分利用效率较高,说明此温度条件下马铃薯表现出较强的水、气调节能力,对环境的适应能力最强,25℃下马铃薯光合作用较为适宜,其次是22℃,而干旱胁迫马铃薯叶片在22℃条件下净光合速率最大、蒸腾速率最小、气孔导度较大、水分利用效率最高,此温度条件为干旱胁迫下马铃薯适应能力最适温度。温度高于31℃对马铃薯光合作用不利。

中国南方干旱灾害风险特征及其防控对策

应用中国南方区域14省区市252个国家基本气象站1961—2015年逐日地面气象观测资料及干旱灾害资料,研究中国南方干旱灾害影响的时空变化特征,分析中国南方干旱灾害风险变化特征,提出干旱灾害风险防控策略与防御对策。结果表明:近55年中国南方区域降水量呈现波动变化,降水量线性拟合趋势特征不明显。但进入21世纪后南方区域平均降水量明显偏少,且平均降水量年际振荡幅度增大。近55年研究区气温呈显著上升趋势,南方平均地表气温升高速率高于全球地表升温速率;研究区气温从1976年开始持续上升,气温升高的突变年在1997年。重旱风险高发区主要集中于西南,随着气候变暖,干旱灾害频率、强度和受旱面积均增加,干旱灾害风险增大。气温突变后次高干旱灾害风险区明显扩大。未来10年(2016—2025年)中国南方地区的干旱发生频率可能升高。因此,要加强干旱灾害风险管理,生态环境脆弱区域实施生态环境修复,农业主产区域以保障粮食安全为主,解决水资源时空分布不均和资源供需加剧矛盾,提高干旱灾害风险防控水平。

近50年来祁连山区气候变化特征研究

根据祁连山区海拔2800 m以上的5个气象站点的气温及降水资料,分析了近50年的气候变化。研究表明,50年来祁连山区年平均气温呈上升趋势,突变出现在1980年代中期,1980年代中期以前增温缓慢,以后增温明显加快。冬季变暖的趋势远大于夏季,夜间升温幅度远大于白天,祁连山区气温以东西两段增温幅度最大;祁连山区降水量呈增加趋势,少雨年在1960年代和1970年代,多雨年在近20年,春季和夏季有明显上升趋势,祁连山西段降水量增加幅度明显。

气候变暖对西北干旱区农作物种植结构的影响

采用年平均气温与冬小麦、春小麦、玉米和棉花种植面积的相关分析得出:年平均气温与新疆冬小麦种植面积呈显著负相关,与西北干旱区大部地方春小麦种植面积呈显著负相关,与西北干旱区大部地方玉米种植面积呈显著正相关,与新疆和甘肃河西棉花种植面积呈显著正相关。气候变暖、热量资源增加,使喜凉的春小麦和冬小麦种植面积呈迅速减少趋势,喜温的玉米和棉花种植面积呈迅速扩大,夏秋作物种植结构发生明显改变。

修订后水分盈亏指数在甘肃省冬小麦干旱监测中的应用

提高西北旱作农业干旱监测准确性和时效性,对农业生产防灾减灾有重要意义。利用甘肃省3个农业气象观测站长期土壤水分和冬小麦生育状况观测资料、1971—2016年43个冬小麦种植县气象观测资料及产量资料,基于冬小麦播前底墒和生育期水分盈亏量修订了作物水分盈亏指数,并确定了干旱等级指标,改进后作物水分盈亏指数与土壤贮水和冬小麦减产率高度相关,能更准确的反映甘肃省冬小麦干旱实况,并利用ArcGIS分析了近46 a甘肃省冬小麦不同生育期、不同等级干旱发生频率的时空分布特征。结果表明:甘肃省冬小麦从播种至开花期随着发育期推移,呈现干旱频率增加、范围扩大的趋势,多以中旱居多,其中拔节一开花期发生面积最大,陇中、庆阳市北部、平凉市西部、天水市西部、陇南市南部干旱出现频率较高;开花一成熟期随着降水量增加干旱发生频率减少、程度减轻。

干旱半干旱区边界层变化特征及其影响因子分析

利用中国西北干旱区民勤、半干旱区榆中和半干旱半湿润区平凉三站2006 2012年逐日08：00和20：00（北京时）探空资料,及1961-2012年地面要素资料,应用位温廓线法计算和对比分析了对流边界层厚度、稳定边界层厚度的时间变化特征及其影响因子。结果表明,对流边界层厚度中民勤的较深厚,最厚出现在5-6月,达3300 m以上;平凉的较浅薄,最厚出现在4-6月,平凉最厚达2700m,榆中达2300 m;稳定边界层厚度中干旱区民勤较低约在500 m,而半干旱区的榆中较厚在1200~1400 m。边界层厚度与最高地温差关系较为密切,呈显著正相关,干旱区民勤较密切,其相关系数接近0.9,而平凉还与风速密切相关,榆中对流边界层厚度与极大风速的相关系数高达0.8以上。近50年来边界层厚度在民勤和平凉呈减少趋势,而在榆中呈增加趋势,其原因是尽管近50年来最高地温差均在线性增加,但风速仅榆中增加,平凉白天降水量减小较为显著。影响边界层厚度的主要因子是最高地温差和风速,平凉还与白天降水量有关。

甘肃省马铃薯晚疫病气象条件等级预报

利用甘肃省马铃薯晚疫病监测资料,分析马铃薯晚疫病的发生发展与气象条件的关系,确定影响马铃薯晚疫病的主要气候生态因子。结果表明,相对湿度、降水量、气温与马铃薯晚疫病发病率呈正相关,相对湿度增大、降水增加、气温升高有利于晚疫病发生发展;日照时数、平均风速与马铃薯晚疫病发病率呈负相关,天气晴朗、日照充足,风速增大、空气交换加快不利于晚疫病发生发展。当可控条件一定时,气象条件是马铃薯晚疫病发生发展的主导因素。采用甘肃马铃薯晚疫病发生的病害资料与马铃薯晚疫病发生密切相关的温度、湿度等气象资料,建立了马铃薯晚疫病发生的气象条件等级预报模型。经检验,预报方程准确可用。

半干旱区典型木本植物春季物候与气候要素的关系

利用半干旱区1994—2017年典型木本植物春季物候和同期气候资料,采用相关分析等方法分析牡丹(Paeonia suffruticoss)、旱柳(Salix matsudana)、杏树(Prunus armeniaca)、榆树(Ulmus pumila)4种典型木本植物芽膨大期、芽开放期、花序或花蕾出现期3个春季物候期的变化特征,以揭示半干旱区典型木本植物春季物候期与气候要素的关系。结果表明,(1)研究期内,4种木本植物相同物候期最晚和最早出现日期相差达22～40d,榆树典型春季物候期的出现时间最早;旱柳、杏树出现时间相当,为4种典型木本植物最晚。(2)研究期内,牡丹、杏树芽膨大期的线性变化趋势不显著,其余木本植物春季物候期均表现为提前趋势,榆树芽膨大期提前趋势最为明显(线性倾向率为-8.56 d·10a^(-1),P<0.01)。(3)典型木本植物春季物候期与气温总体表现为负相关,杏树花序或花蕾出现期对气温变化的响应较其他3种木本植物更为迟钝。(4)降水对春季物候期的影响不显著,春季物候期与日照及地面温度主要表现为负相关。研究结果对丰富黄土高原半干旱区物候与气候要素变化关系研究及物候期预报具有一定意义。

环县55年气温降水变化趋势及对干旱影响分析

为了应对气候变化,探讨环县干旱发展规律,达到趋利避害,合理开发利用气候资源的目的。利用甘肃省环县1957—2012年的55年气温、降水资料,用最小二乘法计算了1957年以来的平均气温、最高气温、最低气温和平均降水量、降水日数的气候倾向率,结果表明:环县20世纪80年代中期以后气候变暖已成事实,气温变化趋势与同期中国气温变化趋势基本一致,增温率为0.385℃/10 a,平均最高温度增温率高达0.597℃/10 a,显著高于全国增温率,通过YAMAMOTO、累积距平等方法检验1987年是气候突变点,1987—2012年与1957—1986年相比,平均温度增加了1.2℃,冬季增加了1.3℃;环县年降水量有减少的趋势,倾向率为-14.013 mm/10 a,其中春、夏、秋季降水量都呈减少趋势,秋季减少最显著;气候变暖,降水减少后大旱、大涝的极端气候事件明显增多,1987年气候变暖后大旱的概率增加5%,大涝概率增加3%。

甘肃省乌鞘岭风的变化特征及大风日演变规律

利用甘肃省天祝县乌鞘岭站1971—2020年的逐日平均风速、风向及月大风日数资料,运用线性回归方法分析风要素的年、季、月变化特征及演变趋势。结果表明,乌鞘岭年平均风速呈波动减小趋势,气候倾向率为-0.015 m(/s·10年);春季平均风速最大,冬季次之,夏、秋季较小,春、夏、冬三季平均风速呈减小趋势,秋季呈弱的增大趋势;月平均风速4月为高峰值,11月为低谷值。乌鞘岭年、季、月风向频率的变化相对一致,静风的风向频率均占8%左右,主导风向均包含北风(N)、西北风(NW)、北西北风(NNW)和南东南风(SSE)。乌鞘岭年大风日数呈波动减少趋势,气候倾向率为-0.883 d/10年;春季大风日数最多,夏、冬季次之,秋季最少,春、夏、秋三季大风日数呈减少趋势,冬季呈弱的增多趋势;月大风日数4月为高峰值,10月为低谷值。