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摘要：利用山东省近50多年的农业旱灾灾情资料和降水资料，分析了干旱灾情和致灾因子的变化特征。结果指出：20世纪70年代后期以来，6—9月份西太平洋副高脊线位置偏南，山东省的汛期降水量有明显的减少趋势，导致干旱灾害的受灾面积明显增大。进入9o年代以后，与1961—1976年相比，干燥度指数普遍增大，半岛东部及黄河以北地区干燥程度增大得最为明显，半岛东部、鲁东南及鲁南的大部分地区由湿润区演变成了半湿润区，而黄河以北绝大部分地区及鲁中北部、半岛西北部的局部地区则由半湿润区演变成了半干旱地区。造成干燥度变化的主要原因是降水量的变化，其次是积温的变化。
关键词：旱灾；降水量；积温；副高脊线；干燥度
中图分类号：S423 文献标识码：A
山东省地处我国东部沿海，是经济比较发达的地区，也是气象灾害频繁而严重的省份之一，据1996年到2004年省民政部门灾情资料统计仅因干旱、洪涝、台风、冰雹、低温、雪灾等气象灾害平均每年农作物受灾面积就达495．5万hm 2，直接经济损失220．7亿元，占各种自然灾害造成总经济损失的97．7％。其中尤以干旱灾害发生最为频繁，对农业生产的影响也最为严重。据资料统计[1]，全省干旱灾害成灾面积占各种自然灾害成灾总面积的48％ ，经济损失占各种灾害损失的40．6％。因此针对山东甚至华北地区干旱及其变化，有不少研究，但大多通过分析降水量变化来分析干旱成因[2-5]，或单纯分析干湿的演变[6-8]。本文利用较长时段旱灾资料，结合降水量及干燥度的变化分析了山东省干旱灾害明显加重的趋势。揭示出由于太平洋海气系统年代际振荡(PDO)，使西太平洋副高脊线的位置发生年代际变化，是干旱化趋势的根本原因。
1 资料
1951—2004年山东省年干旱受灾面积资料来源于山东省民政部门。1951年到2005年6-9月110°E—150°E副高脊线位置来源于国家气候中心。由于山东绝大部分台站是1961年以后建站，因此1951—2004年历年各月平均降水量来源于17个站的平均资料。1961-2005年历年各月平均气温及降水量资料则用了79个台站的资料。
2 干旱灾情变化特征
干旱灾害的主要致灾对象是农业生产，干旱灾害主要由农作物所受的损失来体现。我国民政系统规定农作物收成因灾减产一成以上为受灾。从图1中可以看出，在1951—2004年的55a间，山东省平均每年因旱受灾面积达196．8万hm 2。除1964年外，全省每年都有程度不同的旱灾发生。其中旱灾受灾面积300万hm 2以上的年份有14a，分别为1959，1966，1968，1981，1982，1983，1988，1989，1992，1997，1999，2000，2001，2002年，占统计年数的近1／4，即平均约4a出现一次。干旱最严重的是2002年，全省受灾面积为534．8万hm 2。从山东省农业干旱灾害受灾面积距平累积曲线看出，1976年是一个转折年，以后，山东省的旱灾有明显的加重趋势。在1977—2004年的28a间，全省平均每年因旱受灾面积245．4万hm 2，比前26a(1951—1976年)的平均值增加了100．9万hm 2。如用直线方程拟和其趋势，旱灾受灾面积Y=ll9．2+2．82×J，J为年份数，1951年对应J=l，……2004年对应J=54。可见干旱灾害受灾面积每10a增长28．2万h ，同时有lla出现受灾面积超过300万hm 的严重干旱。在1981—1983年、1988—1989年以及1999—2002年还先后出现了3次严重的连年干旱现象，全省年受灾面积平均在392．4万hm 2，表明山东省的干旱灾害具有较强的持续性。
3 干旱致灾因子特征
3．1 降水量变化
干旱是指因水分的收与支或供与求不平衡而形成的水分短缺现象。山东省属于暖温带季风气候，年际之间季风的不稳定性是造成干旱频繁发生的主要原因之一，当气象要素偏离气候平均状况时，就会形成气象异常，给农业生产造成损失，从而成为气象灾害的致灾因子。而降水量的异常偏少是干旱灾害的主要致灾因子。对旱灾致灾因子特征和规律进行分析，有助于认清灾害发生的物理机制，准确把握旱灾的形成过程，为灾情评估提供基础。
在山东省范围内有17个站资料年限自1951开始观测，根据1951—2004年的历年平均降水量资料，来研究山东降水量的变化特征。山东降水的年内变化极其显著，从冬至夏降水迅速增多，从夏至冬降水又急剧减少。其中夏季(6—8月)降水最多，占全年的63．2％ ，汛期(6—9月)占全年的72．8％ ；秋季(9—11月)和春季(3—5月)降水较少，分别占全年的18．4％和14．39％ ；冬季(12—2月)降水最少，只占全年的4．1％。这表明山东的降水主要集中于汛期，汛期的降水决定着全年的降水。那么一年中那个时期的降水对干旱的发生发展影响最大?计算了山东省逐年干旱受灾面积与其对应的历年不同时段降水之间的相关系数(表1)。
由表1可见，山东省干旱灾害的受灾面积与各季的降水之间存在着负相关关系。其中与夏季降水之间的相关关系最好，相关系数达到-O．73，并通过信度O．O1的显著性检验；其次是与秋季和春季降水的相关关系，相关系数分别为-O．35和-O．25，信度均为O．10；与冬季降水的相关较差。如果把一年再分成汛期与非汛期研究受灾面积与降水之间关系，发现与汛期降水之间的相关关系最好，相关系数达到-O．79，并通过信度O．O1的显著性检验。上述分析结果表明汛期降水的变化程度对山东省旱灾的受灾面积影响最大，其次是与秋季、春季降水的变化程度。以上分析结果与农作物在生长季的需水情况相一致。汛期正是山东夏秋作物的旺盛生长时期，太阳辐射强，气温高，蒸发和蒸腾极为强烈，农作物需水量很大，对降水的变化情况特别敏感。因此，当降水量偏少、持续晴天无雨时，就会形成伏旱，影响农作物的生长发育，受灾面积就会增加，所以，干旱受灾面积与汛期降水距平百分率之间具有显著的负相关关系。秋季是夏秋作物收获和冬小麦播种及发育时期，降水量的正常与否关系到小麦能否适时播种、按时出苗和生长，以及夏秋作物能否正常灌浆成熟的问题，因而当降水量比多年平均值偏低时，就会出现明显的受旱现象。受季风影响，山东省春季雨量稀少，多年平均降水量较低，但过于偏少的降水也会给冬小麦的返青和夏秋作物的播种及生长带来影响。
旱灾灾情虽然受区域防旱抗旱能力和社会经济发展水平等条件的制约和作用，但是，最主要的致灾因子还是降水量的异常偏少。如果用汛期降水进行山东省年受旱面积估计，则其回归方程为：
Y = 656．73—0．952X
式中：Y为山东省年受旱面积估计值(万hm 2)， 为汛期降水(mm)。建立的回归方程可作为干旱灾害的评估和预测模式，为防灾减灾提供决策依据。
图2表示山东省汛期降水量逐年变化情况。由曲线看出，山东汛期的降水量变化波动较大，降水最少年为2002年，仅有216．3 mm，最多年是1964年，达791．4 mm，几乎为最少年的3．7倍。同时，从图2山东省汛期降水量距平累积曲线看出，1978年是一个转折年，与干旱灾害的受灾面积的转折年相近。在这以后，山东省的汛期降水量有明显的减少趋势，1979—2004年的26 a间，全省平均每年6—9月降水为442．3 mm，比前28a(1951—1978年)的平均值520．8 mm减少了
78．6 mm。如用直线方程拟和其趋势，汛期降水量Y，=537.8—1.99×J，J为年份数1951年J＝1……2004年J＝54，线形回归系数1．99，表示每1O a减少19．9 mm，因此导致干旱灾害受灾面积明显的加重趋势。
3．2 干燥度的变化
干燥度是分析干湿程度的指标。干燥度K定义为：日平均气温大于等于1O℃期间的积温ΣT≥10℃与同期降水量尺之比乘以经验系数0．16，即：K=0．16×ΣT≥10℃／R，气候学上通常认为当K小于1．0时为湿润，K值介于1．0和1．5之间为半湿润，K值介于1．5和2．0之间为半干旱，当K值大于2．0时为干旱。该指标将降雨量与温度考虑在一起，而温度与蒸发又密切相关，因此是同时考虑了水分收支的指标，我国大量的气候资料及有关著作、研究成果论述，大都在这个区划的框架下进行的[9-10]。
上面分析指出1976年以后山东省汛期降水量有明显减少的趋势，相应干旱明显加重，那么其干湿演变情况如何呢?首先分析1961—1976年干湿情况，然后分析1977年以后干湿变化情况，为分析年代际变化，将1977—2005年分成1977—1990，1991—2005年两段分别讨论。
1961—1976年K等值线基本上呈东北一西南走向，由沿海地区向内陆递增，最大值出现在鲁西北地区，为1．3～1．5之间，与多年平均的年降水量分布相似，图略。在这段时间，鲁南大部、鲁东南、半岛东部K值小于1．0，属于湿润区，其他大部分地区属于半湿润区，仅有鲁西北的德州K值为1．52属于半干旱区(图3(a))。
1977—1990年K等值线分布特点与1961— 1976年相似，只是K值普遍增大，鲁西北、半岛西北部、鲁中北部K值为1．5以上，最大值出现在鲁西北的德州K值为1．70；说明这些地区由半湿润区演变成了半干旱地区。而半岛东部及鲁东南沿海地区K值在1．0～1．1之间，说明这些地区由湿润区演变成了半湿润地区(图3(b))。分析干旱化原因：一是1977—1990年气温升高使日平均气温大于10℃期间的积温增大所致，大部分地区积温增大1％左右，鲁东南局部地区最大增加了4％ ；二是降水量减少，日平均气温大于10℃ 期间的各站降水量在1961—1976年基础上减少百分率，半岛大部地区减少20％ ～25％之间，鲁南、鲁西北北部减少在20％左右，鲁中、鲁西南地区则减少10％左右。可见，1977—1990年干燥度指数增大主要原因还是降水量减少。
进入20世纪90年代以后，全球气候变暖加剧[11-12]，干燥度指数变化如何?从1991—2005年年平均干燥度等值线可以发现(图3(c))，其分布特点与1977—1990年相比，半干旱地区面积缩小了，仅限于黄河以北绝大部分地区及鲁中北部、半岛西北部的局部；鲁东南出
现局部湿润区。分析原因发现，尽管这段时期日平均气温大于10℃期间的积温增大相对较明显，大部分地区积温增大3％ ～4％，半岛东部、鲁南局部、鲁中局部地区增加5％ ～8％ ；但大部地区如鲁中、鲁南、半岛西部、鲁西北东南部降水量有所增加，使这些地区K值有所减小，造成黄河以南的半干旱区变为了半湿润区，鲁东南局部的半湿润区变为湿润区。同时值得注意的是鲁西北西北部及半岛东部降水量在1977—1990年减小的基础上进一步减小，这两部分地区K值继续加大，干旱程度加重了，特别是黄河以北地区更明显，鲁西北的临清K值最大达到1．84。
综上所述，造成干燥度变化的主要原因还是降水量变化，其次是积温变化所致。进入20世纪90年代以后与1961—1976年相比，干燥度指数普遍增大，半岛东部及黄河以北地区干燥程度增加最大，半岛地区东部由湿润区演变成半湿润区，鲁东南及鲁南的湿润区大部分地区变成半湿润区，而黄河以北绝大部分地区及鲁中北部、半岛西北部的局部则由半湿润区演变成了半干旱地区。这与文献[5]所得结论“华北地区在近20a和50a时段上均表现为一个干旱化的趋势一致”。
3．3 西太平洋副高脊线的变化
山东位于华东沿海，受海洋和大陆共同影响，季风气候特点显著。全年降水量主要集中在汛期，而山东汛期降水与副高关系密切[13-14]。副高北抬西伸，西南季风向山东省发展是雨季开始的主要特征之一[15]。
为了进一步探讨夏季西太平洋副高脊线位置与汛期降水年代际变化的关系，算出1951—2005年6—9月平均西太平洋副高脊线纬度的和与汛期降水的相关系数为0．40，通过信度0．05的显著性检验。1951—2005年6—9月西太平洋副高脊线纬度和平均98．6，一般6—9月脊线偏北(脊线纬度和大于98．6)，汛期降水偏多，脊线偏南(脊线纬度和小于98．6)，汛期降水偏少，55a中有39a汛期降水距平与脊线纬度和距平同号，占7l％。其中汛期降水偏少2成以上的年份12a，有9a脊线偏南，占75％ ，汛期降水偏多2成以上的年份11a，lOa脊线偏北，占9l％ 。个别年份不符合这一规律，因为每年西太平洋副高形态各异，有的年份脊线过于偏北，山东处于西太平洋副高控制之下，降水可能偏少，还有的年份脊线尽管偏北，但整体偏东，降水也可能偏少。
从6—9月西太平洋副高脊线纬度和距平累积曲线图4看出，1977年是一个转折年，与干旱灾害受灾面积的转折年一样。1951—1976年，距平累积波浪式增加，6—9月西太平洋副高脊线纬度和平均100．3，位置偏北，汛期降水处于年代际变化的偏多时段，干旱较轻；1977—2005年距平累积波浪式减少，6—9月西太平洋副高脊线纬度和平均97．0，西太平洋副高脊线位置偏南，汛期降水处于年代际变化的偏少时段，干旱加重。
以上事实说明：山东省农业干旱灾害受灾面积、汛期降水量、西太平洋副高脊线的位置在1976—1978年发生了一次突变，突变时间与PDO(太平洋海气系统年代际振荡)位相转换基本一致。大量的观测资料分析表明，1976／1977年前后北太平洋海洋大气状况出现了一次显著的年代际突变，在海洋方面，热带中东太平洋海表温度(SST)出现年代际异常增暖，而在北太平洋中西部SST异常变冷，阿拉斯加湾及北美西岸SST却增加。对应着北太平洋SST的这种异常变化型，大气则表现为北太平洋地区海平面气压(SLP)和500 hPa高度场明显降低，阿留申低压异常加深、东移并偏南[16-17]。作者曾经分析得出，冬季北太平洋地区100 hPa，500 hPa高度场明显偏低，则黄淮地区汛期降水量将偏少[18]，因此1976／1977年前后PDO由冷位相转变为暖位相，可能是山东省农业干旱灾害受灾面积增加、汛期降水量减少、西太平洋副高脊线的位置偏南的主要原因。
值得注意的是2003—2005年连续3a汛期降水量较常年偏多，分别较常年偏多104．2 mm，1 14．4 mm，134．8 mm，同时1999年后6—9月西太平洋副高脊线纬度和距平累积有增加的迹象。但从另一方面来讲，山东1993—1996年也丛连续4a汛期降水量较常年偏多，分别较常年偏多50．8 mm，15．4 mm，33．3 mm，29．6mm，但随后从1997—2002年又进入汛期降水量偏少时段，并且2002年汛期降水量创近52a历史最少降水量；而且姜大膀预测指出2l世纪前30a中国大陆夏季降水量除青藏高原大部(尤其是西南部)、大陆东南部、及河套大部分地区夏季降水量增加0 1～0 8mm／d，西南局部降水量小幅减小外，大陆其余地区降水量则没有明显的变化[19]。所以山东是否从2003年开始进入长时期的丰水时段，值得关注与进一步研究。
4 结论
(1)干旱灾害是山东省的主要气象灾害之_-，是影响农业经济可持续发展的重要因素。1976年以后，山东省的旱灾有明显的加重趋势，在1977—2004年的28a间，全省平均每年受旱灾面积245．4万hm 2，比1951—1976年的平均值增加了100.9万hm 2。
(2)汛期降水的变化程度对山东省旱灾的受灾面积影响最大。旱灾受灾面积与汛期降水之间的相关系数达到-0．79，并通过信度0．01的显著性检验。1978年以后，山东省的汛期降水量有明显的减少趋势，导致干旱灾害的受灾面积明显加重趋势。
(3)1961—1976年山东整体上属于湿润区或半湿润区。而进人20世纪90年代以后干燥度普遍增大，与1961—1976年相比，半岛东部及黄河以北地区干燥程度增加最大，半岛地区东部由湿润区演变成半湿润区，鲁东南及鲁南的湿润区大部分地区变成半湿润区，而黄河以北绝大部分地区及鲁中北部、半岛西北部的局部则由半湿润区演变成了半干旱地区；与1977—1990年相比，大部地区如鲁中、鲁南、半岛西部、鲁西北东南部降水量有所增加，半干旱地区面积缩小了，但鲁西北西北部及半岛东部降水量进一步减小K值继续加大，干旱程度加重了。造成干燥度变化的主要原因是降水量变化，其次是积温变化所致。
(4)1977年以后，6—9月西太平洋副高脊线位置偏南，汛期降水处于年代际变化的偏少时段，干旱加重。1976／1977年前后PDO由冷位相转变为暖位相，可能是山东省农业干旱灾害受灾面积增加、汛期降水量减少、西太平洋副高脊线的位置偏南的主要原因。
参考文献：
[1] 高秉伦，等．山东省主要自然灾害及减灾对策[M]．北京：地震出版社，1994：49．
[2] 蒋红花．山东省干旱灾害的变化特征及相关分析[J]．灾害学，2000，15(3)：51—55．
[3] 杨志刚．山东省干旱演变规律及其影响[J]．气象，1996，22(5)：25—29．
[4] 孙安健．华北平原地区夏季严重旱涝特征诊断分析[J]．大气科学，2000，24(3)：393—402．
[5] 魏风英．华北地区干旱强度的表征形式及其气候变异[J]．自然灾害学报，2004，13(2)32-38．
[6] 马柱国．近代中国北方干湿变化趋势的多时段特征[J]．大气科学，2005，29(5)：671-681．
[7] 杨建平．近5O年中国干湿气候界线的lO年际波动[J]．地理学报，2002，57(6)：655—661．
[8] 郭建平，高素华．中国北方地区干旱化趋势与防御对策研究[J]．自然灾害学报，2OOl，lO(3)32-36．
[9] 陈建伟，等．湿润指数与干燥度关系的探讨[J]．中国沙漠，1996，16(1)：79—82．
[1O] 张莉，等．我国北方沙尘天气演变趋势及其气候成因分析[J]．应用气象学报，2005，16(5)：583-592．
[11] 陈隆勋．中国近8O年来气候变化特征及其形成机制[J]．气象学报，2004，62(5)：634—646．
[12] 李国琛．全球气候变暖成因分析[J]．自然灾害学报，2005，14(5)39-42．
[13] 杨晓霞．海温场与副热带高压及山东夏季降水关系分析[J]．南京气象学院学报，1997，20(2)：243-247．
[14] 奚秀芬．ENSO现象与初夏副高位置及山东半岛夏季降水的关系[J]．海洋预报，1994，ll(1)：35-41．
[15] 黎清才．山东省雨季开始标准的研究[J]．山东气象，2003，23(1)：17—19．
[16] 朱益民，杨修群．太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系[J]．气象学报，2003，61(6)：641-654．
[17] 杨修群．太平洋年代际振荡的研究进展[J]．大气科学，2004，28(6)：979—992．
[18] 薛德强．黄淮地区汛期降水预测的一种前兆信号[J]．气象，2006，32(4)：llO—ll5．
[19] 姜大膀，王会军．SRESA2情景下中国气候未来变化的多模式集合预测结果[J]．地球物理学报，2004，47(5)：776—784
作者简介：薛德强(1964-)，男，教授级高级工程师，主要从事气候分析预测研究．
来源：《自然灾害学报》 | 
