北方地区农业气象灾害时空演变规律

 　　气象对农业生产的影响是深远的，尤其一些气象灾害的发生，会给农业生产带来巨大的损失，因此需要采取合理的防范措施，本文主要研究北方地区农业气象灾害时空演变规律。

　　《吉林农业科技学院学报》曾用刊名：(吉林特产高等专科学校学报;吉林农垦特产高等专科学校学报;吉林科技学院学报)(季刊)创刊于1991年，是由吉林省教育厅主管、吉林农业科技学院主办的学术性高等学报类期刊。

　　1　引言

　　在我国北方地区气象灾害主要有干旱、洪涝、暴雪、干热风、霜冻等。由于我国北方农业的脆弱性，加之近年来气候变化加剧,农业灾害频发，及时、准确的农业预报对农作物的产量至关重要。为了能够对我国北方农业灾害发生规律有更深入的了解，对过去几十年的年际变化进行统计分析。分析出农业灾害的时空演变规律，并且推测未来的农业灾害发生趋势，以及各个气象要素对农业气象灾害的影响和相互关系，最终判断出是否可以找出气象要素与灾害的关系，对灾害发生规律进行预测。

　　2　资料来源及方法

　　2.1　资料来源

　　选取《新中国农业60年统计资料》中，1978-2008年的全国以及我国北方省份旱灾、水灾、风雹灾、霜冻灾的成灾面积和受灾面积，用来分析全国以及北方农业灾害的受灾和成灾的趋势。

　　2.2　受灾率和成灾率

　　统计灾情时，所采用的最基本指标是受灾面积和成灾面积，一般来说凡因灾害使农作物产量减产10%(即通常所说的一成)至30%(即三成)的面积均记为受灾面积[1];因灾减产30%(即三成)以上的面积称为成灾面积。受灾率=农作物受灾面积/总播种面积，成灾率=农作物成灾面积/总播种面积 [2]。

　　2.3　小波分析方法

　　小波分析是近年来发展起来的一种数学分析工具，它是泛函分析Fourier分析、样条分析、调和分析、数值分析的最完美的结合。小波变换的连续形式为：

　　此式中，Wf (a, b)为小波系数，a反映尺度，代表小波的周期长度;b表示其在时间上的平移，参数a、b控制着Wf (a, b)的变化，当a不变时，正小波系数表示偏多期，负小波系数表示偏少期;小波系数绝对值越大，时间尺度变化越明显。f(t)为时间序列;ψ*(t)为 ψ(t)的复共轭函数。

　　小波变换的离散形式为：

　　式中，△t为采样间隔。

　　本文采用Morlet小波作为母小波来研究，Morlet小波是高丝包络下的单频率复正弦函数[3]：

　　式中，ω0 为常数。

　　本文用于小波分析的数据，时间序列长度为50 a。

　　3　北方地区农业气象灾害概况

　　我国北方地区经常发生的气象灾害主要有：旱灾、风雹灾、霜冻、低温冷害和寒潮。由于我国北方属于温带季风性气候，灾害具有年际变化显著、季节性强、危害重以及影响范围广等特点。

　　从图1中可以看出，总成灾率在9-30%，从线性趋势表明，1978-2008年北方地区的总成灾率以0.002/10 a的速率波动上升，相比全国低0.8%。旱灾的成灾率以0.008/10 a的速率波动上升，并且在1988年后的波动幅度明显增大，其中2000年的成灾率最高为28%。水灾的成灾率则以0.006/10 a的速率波动下降，并在1998年后波动幅度明显下降，其中1985年的成灾率最高，为14%。风雹灾和霜冻的成灾率分别以0.003/10 a、0.006/10 a的速率波动上升，可以估计我国北方的风雹灾和霜冻的发生有增加的趋势。

　　4　灾情变化趋势及小波分析

　　4.1　中国北方地区灾情趋势及统计

　　张海娜[4]等将灾情指数(P)定义为四种农业气象灾害的影响权重(W)与其相应的灾害等级分值(Ci)成绩的累加，以此作为农业气象灾害综合评估的指标。灾情指数越大，农业生产受到气象灾害的影响就越严重;反之，则受到气象灾害的影响就越轻。

　　图2为经过分析得出灾情指数的年变化，从图中可以看出，1951-2000年我国北方发生重灾的年份分别为1972、1989和2000年。根据该线性趋势表明，灾情指数呈波动增加的趋势，并以0.25/10 a的速度增加。

　　经统计，在1951-2000年我国北方发生大灾的年份有3 a，由重到轻分别是1959、1986、1960年;发生中灾的年份有11 a;发生小灾的年份有12 a;发生轻灾的年份有 15 a。1951-2000年我国北方地区的灾情发生频率由高到低依次为：轻灾>小灾>中灾>中灾和重灾。

　　4.2　中国北方地区灾情指数的小波分析

　　对1951-2000年我国北方地区的灾情指数进行小波分析，发现灾情指数具有多时间尺度相互嵌套的结构的特点，结合图3的小波方差曲线，得到灾情指数主要受3个时间长度影响，分别为5 a、13 a和22 a。在13 a的时间尺度上，灾情指数经历了偏低→偏高→偏低→偏高……共13个循环的交替变化，并且在该时间特征尺度上，灾情指数的变化周期几乎不变，振幅也相似。 2000年在灾情指数偏低的开始阶段。

　　从图3的小波方差曲线可以看出有明显的三个峰值，其中最大的为13 a，为灾情变化的第一主周期。这三个周期的波动控制着1951-2000年我国北方地区的灾情变化特征。

　　由13 a特征时间尺度小波系数(图4)图中可以看出，该特征尺度的小波系数波长和波动周期都比较稳定，波长大约为10 a。根据这个特征，可以预计2014-2017年灾情指数会逐年增加，到2017年左右将是灾情指数最高年。

　　5　小结

　　本文利用全国1951-2000年的成灾面积和受灾面积的数据以及小波分析方法，来分析我国北方的主要四类农业灾害的年际变化趋势以及周期特点，得出以下结论：

　　(1)影响我国北方地区的各类气象灾害中，旱灾影响最为严重，其次是水灾。从成灾率的线性趋势表明：旱灾的成灾率以0.008/10 a的速率波动上升，并且在1988年后的波动幅度明显增大，其中2000年的成灾率最高为28%。除水灾成灾率波动下降外，其余灾害均波动上升。虽然风雹灾和霜冻的成灾率较低，但依然有上升的趋势。北方地区的总成灾率以0.002/10 a的速率波动上升。

　　(2)我国北方的灾情指数呈波动上升趋势，灾情较重的时间段为1960-1968年、1990-2000年。在不同灾情上，轻灾发生次数最高，为 15次;重灾和大灾发生的频率最低，均为3次。发生重灾的年份分别为1972年、1989年和2000年。灾情指数的主要周期为13 a，以0.25/10 a的速度增加，预计2014-2017年灾情指数偏高，维持至2017年。

《北方地区农业气象灾害时空演变规律》

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