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我国干旱对农业危害的特奌及其减灾技术

【字体:   2010-04-12 14:47:43   来源: 中国天气网

摘要: 本文全面系统综述了干旱危害特点、标准与类型、气候特征、形成原因和产生机制、对全球气候变暖的响应、监测和预测与预警方法与技术、减灾技术及应对策略等8个方面的研究成果。干旱是一种较长时间尺度的气候灾害。干旱是重大自然灾害之一,也是最严重的气象灾害。大气环流异常是干旱形成的直接原因,气候变暖变干是导致干旱频繁发生的重要原因。当气温升高,地表蒸发量加大;自然降水量减少,土壤水分迅速下降,致使大气干旱和土壤干旱同时发生,从而造成农业生产严重受损。深刻了解干旱的危害特征,为进一步推动深入研究干旱有重要意义,为应对干旱发生发展、监测预测、安全生产、趋利弊害具有重要的指导作用。

关键词: 中国;干旱;危害特奌;减灾技术

引言

在全球气候变暖的背景下, 近百年来, 中国年平均气温升高了0.5~0.8℃, 近50a, 变暖尤其明显, 中国大部分地区呈增温趋势, 以北方增暖最为明显 [1]。地球上有九成自然生态系统的变化与全球变暖有关。气候变暖使中国经济面临四大严峻挑战, 其中挑战之首是极端气候事件趋强趋多 [2]。干旱对全球变暖的响应表现更为突出和敏感, 已成为气候变化研究中的重点和热点问题之一。干旱对人类生存、社会活动、经济发展、工农业生产、水资源、生态环境造成严重威胁。当前, 如何应对气候变化及其影响, 应对极端气候事件趋强趋多, 实现人类与自然和谐相处, 促进经济社会可持续发展, 是世界各国面临的共同挑战。

开展干旱研究已有几十年甚至更长的历史, 研究成果也非常丰富。但全面系统综述这种重大气象灾害多方面的研究成果的报道并不多见。为进一步推动干旱的深入研究, 为监测预测和防灾减灾提供科学的理论支撑, 为实现人与自然和谐的可持续发展, 因此开展这项工作非常有必要, 也非常有意义。

1 危害特点

干旱是指某一地域范围在某一具体时段内的降水量比多年平均降水量显著偏少, 导致该地域的经济活动(尤其是农业生产)和人类生活受到较大危害的现象。它是一种气候灾害, 也是一种持续性的气象灾害 [3-4]

干旱具有发生频率高、持续时间长、影响范围广、严重程度重、后延影响大等特点。它决定了解决干旱问题的复杂性和艰巨性。它涉及到人类生活和国民经济各部门。尤其对农

林牧业生产影响最大。干旱是最严重的气象灾害, 也是重大自然灾害之一, 是世界上广为分布的自然灾害, 全世界有120多个国家受到不同程度的干旱威胁。特大干旱可夺走难以计数的生命, 是导致自然生态和环境恶化的罪魁祸首, 是社会经济特别是农业可持续发展的重大障碍。历史上发生的每一次大旱都给中华民族带来深重灾难。干旱造成粮食损失占所有气象灾害造成粮食损失的60%左右, 造成的经济损失达58%以上。干旱还会对水资源、生态环境、经济社会发展等产生深远的不利影响 [5~10]

 


基金项目:国家科技部公益行业科研专项“西北地区旱作农业对气候变暖的响应特征及其预警和应对技术研究”(编号:GYHY200806021);国家自然基金重点项目“黄土高原陆面过程观测试验研究”(编号:40830957);干旱气象科学研究基金项目“气候变化对高原地区粮食安全生产的影响机理及对策研究”(编号:IAM200811)资助。

作者简介: 邓振镛(1943-), 男, 广东新会人, 高级工程师, 主要从事农业气象、应用气象研究。E-mail: dengzhy23@sohu.com

 

2标准与类型

 

美国气象学会在总结各种干旱定义的基础上将干旱分为4种类型: 气象干旱、农业干

旱、水文干旱和社会经济干旱 [11]

(1)气象干旱也称大气干旱, 根据中华人民共和国国家标准, 气象干旱是指某时段内, 由于蒸发量和降水量的收支不平衡, 水分支出大于收入而造成的水分短缺现象。常见单要素有降水量指数、降水标准差指数、降水Z指数、标准化降水指数等。常见多要素指数有干燥度、湿润度、德马顿干旱指数、降水温度均一化指数、帕默尔干旱指数等。

(2)农业干旱是指作物生长过程中因水分不足而阻碍作物正常生长而发生的水量供需不平衡现象。可分为土壤干旱和作物干旱。常用指标有降水量、土壤含水量、作物旱情指数和综合性旱情指数4种。

(3)水文干旱是指由降水量和地表水或地下水收支不平衡造成的异常水分短缺现象。利用年(月)径流量、河流日流量、水位等要素作为指标。常用有水文干湿指数、最大供需比指数、水资源总量短缺指数等作指标。

(4)社会经济干旱是指自然系统与人类经济系统中, 水资源供需不平衡而造成的水资源短缺现象。通常拟用损失系数法、水分供需平衡模式等来作指标。

3气候特征

(1)地理分布。纬度、海陆位置和地形是影响干旱地理分布的3种主要因素。从气候类型分为热带干旱与半干旱气候区;副热带干旱与半干旱气候区;温带干旱与半干旱气候区三种类型。从范围分为5大干旱中心, 黄淮海干旱区、华南沿海干旱区、西南干旱区、东北干旱区、西北干旱区[3]

(2)季节强度变化。干旱强度一般以干旱发生次数或频率和持续时间以及干旱影响范围大小来表示。干旱发生频率高、范围广、持续时间长, 干旱就愈严重, 危害也愈大。从干旱发生的季节划分, 有春旱、夏旱、秋旱、冬旱以及持续时间跨2~3个季节的季节连旱等[3]

4形成原因和产生机制

大气环流异常是干旱形成的直接原因。另外, 还有下垫面尤其青藏高原以及洋流和气候系统外部因素强迫作用等共同影响造成的。

(1)西北地区干旱环流主要特征。中国大陆东岸大槽加深, 新疆脊加强, 东亚中纬度北风加强。夏季干旱发生与500hPa西太平洋副热带高压和100hPa南亚高压脊的位置有密切关系, 当脊线偏南, 则西北降水偏少, 产生干旱。在7月下半月至8月上半月, 副热带高压北抬西伸, 可造成陕南、关中、陇南、陇东的伏旱 [12]

(2)东部地区干旱环流主要特征。西太平洋高压脊比常年偏强偏西, 中国大陆低压也比常年偏强, 东南沿海一带气压梯度增大, 夏季风强盛并过早地跃进到华北地区形成的干旱天气。王绍武指出 [13~15], 当7月份太平洋高压偏西时, 长江中游、淮河流域、华北和东北易发生干旱;偏东时, 华西和东南易发生干旱;偏南时, 华南和长江中下游易发生干旱。当大陆低压偏东时, 东北、华北和西南易发生干旱;偏西时, 华北和华南易发生干旱;偏北时, 华北和东北易发生干旱;偏南时, 东南和河套以北地区易发生干旱。近年研究表明, 东部地区的干旱与100hPa青藏高原高压位置反常有关, 当位置愈向东北伸, 东部地区干旱愈严重。

干旱是一种气候现象。当大气环流发生异常时,在一个较长的时段内,降水量比多年平均降水量显著偏少,在干旱季节高温天气频繁发生,高温天气日数增多,促使平均气温上升,导致地表蒸发量增加,土壤水分迅速下降,夏季高温酷暑天气伴随着大气干旱和土壤干旱同时发生,使干旱危害严重程度加大 [16~23]

5对全球气候变暖的响应

(1)东北干旱的响应。当全球平均温度上升1℃时, 东北地区25个站的春季、夏季和秋季大气干旱指数分别上升0.08~0.40、0.00~0.40和0.15~0.55, 上升幅度分别达到4%~16%、0~17%和7%~22%。温度上升、气候变暖是导致大气干旱的重要原因 [24]

(2)华北干旱的响应。华北地区降水在1965年前后发生一次气候跃变, 1965年以后华北地区降水量明显减少, 80年代比50年代降水约减少20%左右, 平均年降水量比50年代约减少了1/3左右, 出现了干旱化趋势, 这种趋势一直延续到90年代 [25~26]

(3)西北干旱的响应。1986年是西北地区气候变化明显转折的年份, 西北地区年降水量1987~2003年与1961~1986年相比, 西部呈增多趋势, 东部呈减少趋势, 增多区与减少区的分界线(差值的0mm等值线)与黄河走向基本平行。年降水量增多区包括新疆、青海北部和甘肃河西的中东部, 其中新疆的北疆和南疆年降水量增加5~30mm、天山山区增加30~90mm, 是增加最多的地方;青海北部增多5~40mm;甘肃河西的中东部增加10mm左右。年降水量减少区域包括青海南部、甘肃的河东、宁夏和陕西。其中青海南部减少5~38mm;甘肃河西西部和南疆的罗布泊地区减少10mm左右;甘肃的河东、宁夏和陕西分别减少10~82mm、10~50mm和50~177mm, 其中陕南减少70~177mm, 是降水量减少最多的地方。西北地区西部呈暖湿趋势, 东部呈暖干趋势。东部降水持续偏少, 土壤水分亏缺增加, 干旱大面积频繁发生 [27~32]

6监测技术与方法

干旱监测可分为地面监测和遥感监测两部分。

(1)地面监测。由于干旱地面监测目标和对象涉及到大气圈、水圈、生物圈、冰冻圈和岩石圈五大圈层中水的各种形态变化及与之密切相关的各种生物和物理过程。因此, 监测内容必然包括SPAC系统中各种过程的机理、相互关系及过程所对应的每一个对象和各界面过程。监测项目和内容包括空气温湿度和降水等基本气象要素观测;空中水、地下水和地表水监测;土壤水分和降水渗透深度测定;水面蒸发量和土壤蒸散量观测;作物生理及长势监测, 它包括叶温或冠层温度、茎秆直径、叶水势、茎水势、叶片含水量、叶片气孔阻力、叶绿素、作物光谱反射率、生长量(叶面积和干物重)、作物生育期、产量要素和产量。还有干旱灾害调查[3]

(2)遥感监测。卫星遥感技术迅速发展和完善, 为宏观、快速、动态、大范围、多时相地监测干旱, 尤其土壤水分和作物长势提供了可能。目前采用的方法有: 基于土壤热惯量模型的干旱监测方法;基于植被指数的干旱监测方法, 基于土地表面温度的干旱监测方法;集成植被指数与土地表面温度的干旱监测方法;基于微波遥数据的土壤水分反演;地表蒸散定量遥感监测等[3]

7预测与预警技术和方法

干旱短期气候预测方法有经验统计、数理统计、物理统计、动力数值和动力数值与物理统计相结合的预测方法。数理统计方法的定性预测, 大致有利用相关、相似和韵律关系等方法;定量预测大致概括有几大类: 时间序列模型、动态系统模型、多元回归模型、变量场方法和神经网络等[11]

物理统计方法的基本思路是通过对影响因子的具体分析, 建立具有一定物理意义和天气气候系统概念比较清楚的预报概念模型。目前, 干旱短期气候预测技术正向物理统计与动力数值方法相结合的新阶段发展。20世纪90年代以来, 通过研究、业务试验和推广应用的全球气候模式和区域气候模式已成为一个新兴的研究领域和预测工具, 它代表了未来发展方向。集成预报方法可获得优于单个预报的效果, 近年来受到重视, 数值模式产品与统计预测的集成是一种新趋势[11]

建立干旱气候预测系统。20世纪80年代末以后, 相继建立了以物理统计方法为主的业务系统, 它集资料库、因子库、方法库、图形库及资料加工处理、相关集成预报、统计分析预报、专家系统预报、动力模式预报以及预报评分检验等多个子系统于一体, 形成了一个完整的客观化、自动化的业务流程, 使干旱短期气候预测向现代化迈进了一大步, 基本结束了短期气候预测制作过程的手工和半手工操作的局面[3]

8减灾技术及应对策略

首先, 要加强干旱灾害生态环境动态监测预测工作, 为决策部门合理开发、建设规划提供宏观决策科学依据。第二, 要加强干旱灾害风险评估。包括评估技术方法、评估模型、评估指标、风险水平等级分布及分区等, 以便得出危害程度及今后防御措施办法。第三, 提高水资源利用效率。(1)开发土壤水库, 增加土壤水库库容。采用深耕多蓄雨水;早秋耕蓄纳秋雨;耙耱保墒提高持水能力等措施。(2)实施集雨节灌农业。在年降水量400~700mm的半干旱半湿润地区, 修建雨水流集场和蓄水窖, 将流失的雨水收集利用。(3)积极推广节水灌溉技术。在工程节水、农艺节水和科学用水管理等方面做文章。(4)大力推广旱作地膜覆盖技术。它集增温保墒、集水调水、边行优势等生态效应于一体的高效综合生产栽培技术。(5)发展设施农业。温室和塑料大棚在北方不但有增加热量的功能, 在抗旱中也发挥了明显的作用 [24, 3, 11]

3结论与讨论

(1) 干旱是我国最严重的气象灾害。全面系统综述了干旱危害特点、标准与类型、气候特征、形成原因和产生机制;对全球气候变暖响应、监测和预测与预警方法与技术、减灾技术及应对策略等8个方面的研究成果,对于深刻了解中国干旱的危害非常有益,为进一步推动深入研究干旱有重要意义。

(2)干旱的危害特征。干旱是一种较长时间尺度的气候灾害。干旱是重大自然灾害之一,是气象灾害之首。大气环流异常是干旱形成的直接原因,气候变暖变干是导致干旱频率发生的重要原因。当气温升高,地表蒸发量加大;自然降水量减少,土壤水分迅速下降,致使大气干旱和土壤干旱同时发生,从而造成农业生产严重受损。

(3)干旱虽说已研究了几十年或上百年, 但有些问题仍未得出令人信服的结论。如形成机理和产生原因有待深入探明;两种灾害的预测强信号有待进一步研究;预测水平和准确率还有待进一步提高等。

作者:邓振镛1  倾继祖1 黄蕾诺1  奚立宗2 徐金芳3

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所, 甘肃省(中国气象局)干旱气候变化与减灾重点(开放)实验室, 甘肃 兰州 730020;2. 甘肃省气象局, 甘肃 兰州 730020;3.甘肃省气象信息中心, 甘肃 兰州 730020)

 

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Summary of Research on Damage Characteristics of Drought in China

DENG Zhenyong1, QUE Jizuo1, HUANG Leinuao1, XI Lizong2, XU Jinfang3

(1.Lanzhou Institute of Arid Meteorology, Key Open Laboratory of Arid climate Change and Reducing Disaster, China Meteorological Administration, Key Laboratory of Arid climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province, Lanzhou, 730020, Gansu , China; 2.Gansu  Meteorological Bureau, Lanzhou 730020, Gansu, China ;3.Gansu Meteorological Bureau Center of Information, Lanzhou, 730020, Gansu, China)

 

Abstract: This paper summarized the research results on drought in eight aspects including the characteristics of damage, type and standard, climatic characteristics, causes and mechanism of formation, responses to global changes, methodologies of early warning and monitoring, disaster reduction technology and countermeasures. Drought is a long lasting, major natural disaster and the most damaging climatic disaster. Research results showed that atmospheric circulation anomalies are the major cause for the formation of drought disaster. Global climate warming and drying exacerbate the severity and increase the occurrence of drought. With temperature rising, the earth surface evaporation is increased, whereas the amount of precipitation is decreased. Consequently, the soil moisture content is decreased and agriculture production incurs serious damage. Hence, a deep understanding of the characteristics of drought is important in promoting further in-depth studies, providing guidance to better cope with the onset and development, monitor and forecast of drought disasters, to ensure a secure agriculture production and minimize damages.

 

Key words: China; drought; damage characteristics; review

 

 

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