陕西省位于105°29'—111°15E',31°42'—39°35'N,地处我国中部内陆腹地,全省面积20.6万km²,南北狭长,地貌类型多样。是东南湿润地区到西北干旱地区的气候过渡带,降水多集中在7—9月,占全年降水量的50%。由气候及地形条件由南至北通常划分为陕北高原、关中平原和陕南秦巴山地3个地区,南北气候差异较大。

本文选择1960—2017年陕西省22个气象站点数据进行研究,气象数据资料为来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)所提供的地面气候资料日值数据集,气象要素包括各气象站点逐日降水量(mm)、平均气温(℃)、最高气温(℃)、最低气温(℃)、日照时数(h)、风速(m/s)和平均相对湿度(%)等。对个别台站的缺测数据采用插补处理后22个气象站点数据较完整,站点空间分布尺度较均匀,其中8个站点位于陕北地区,关中与陕南地区均为7个。进行季节性分析时,3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,1月、2月和上一年的12月为冬季。粮食产量数据来源于陕西省各区县经济统计年鉴。研究区内气象站点分布如图1所示。

图1 陕西省各气象站点分布

陈明荣潜在蒸散值与FAO56-PM潜在蒸散值线性关系拟合很好,决定系数R²为0.72,二者分别与降水量之比而得到的年干燥度,由于相同降水量的介入,而使R²提高到0.98(图2)。表3为按照由FAO56-PM公式计算后重新界定的干湿区划标准,分别对应湿润、半湿润、半干旱、干旱、干燥气候区间的划分界限值。

图2 两种潜在蒸散、干燥度关系

表3 FAO56-PM公式计算的陕西省干湿分区界限值

图3为陕西省各站点年干燥度的变化趋势,其中M-K趋势系数大于0,表明年干燥度呈上升趋势,即气候类型呈干旱化,反之,则趋于湿润; 当趋势系数的绝对值大于1.64时,表明变化趋势达到90%的显著水平。从趋势系数的分布情况可以看出,年干燥度呈上升趋势的站点数大于呈下降趋势的站点数。陕西省地区年干燥度呈上升趋势的站点占68.2%,其中有1个站点达到了90%以上的显著水平,有7个站点呈微弱下降趋势。从年干燥度变化趋势的空间分布差异来看,湿润化站点主要集中分布在陕西南北两端,如陕北地区的神木、榆林、定边和陕南地区的石泉、佛坪、安康、商州,但并未达到显著性水平。

通过计算可得,陕西省各站点1960—2017年平均干燥度D_a的范围为1.03～3.65,按照由FAO56-PM公式重新界定的干湿区划标准(表3)可将其分为4个气候区域,即干旱、半干旱、半湿润和湿润区,多年平均年干燥度等值线见图4,北部为干旱气候,中部为半干旱与半湿润气候,南部偏西为湿润气候。佛坪D_a是1.03,为全省最小,定边D_a是3.65,为全省最大。陕北地区各站点干燥度范围为1.67～3.65,平均为2.54; 关中地区各站点干燥度为1.18～2.24,平均为1.68; 陕南地区各站点干燥度为1.03～1.56,平均为1.20。

图3 陕西省22个气象站点干燥度年际变化趋势

图5A,B,C分别为由FAO56-PM公式计算的年干燥度1.17,1.77,2.36等值线在1960—2017年之间的6个不同年代际的空间分布图。由图5可见,1.17等值线在各年代际变化较为明显,1970s相较于1960s向东南下移至略阳—太白—安康北部,1980s整体向北扩展至太白—佛坪—商州—华山附近,湿润区面积达最大,1990s分界线向南移动至汉中—佛坪—石泉以南,湿润区面积达最小,之后2000s和2010年以后又逐渐向北移动至略阳—汉中—佛坪—安康附近; 1.77等值线在1970s与1960s相比整体向南平移至永寿—武功—蒲城以南,1980s分布在蒲城、咸阳周围,半湿润区面积达最大,1990s明显向南移动至长武—武功—商州—华山附近,半干旱区面积达最大,2000s向北移至永寿—咸阳—蒲城南部一带及洛川周围,2010年以后相较于1960s基本重合。从分界线的分布变化及干燥度分级标准来看,陕北的南部及关中西部为半湿润气候,关中中东部地区为半干旱气候,这与陈明荣之前的研究结果基本一致^[32,36]; 2.36等值线在1970s比1960s略微南移,1980s向西北部移至神木西部,1990s南移至延安北部一带,致干旱区面积最大,2000s略微向北移动,2010年以后向西北移至横山、定边附近,干旱区面积达最小。

图4 陕西省多年平均年干燥度等值线分布图

图5 陕西省各年代际年干燥度1.17,1.77,2.36等值线分布

分别对陕北、关中、陕南3个地区干燥度年际变化进行MK趋势分析,发现陕北、陕南地区近58 a干燥度呈略微下降趋势,关中地区呈略微增加趋势; 图6分别为3个地区干燥度年际变化MK突变检验,与滑动T检验结果结合分析发现1974年是关中地区干燥度突变点,1976年、2011年为陕南地区突变点,陕北地区无突变点。计算各地区各年代际干燥度值发现1991—2000年陕西省3个区域干燥度均最大,1981—1990,2011—2017年全省干燥度都较小。

陕西省从1960—2017年近58 a来干旱发生频率为60.3%,全省各年代干旱频率线性倾向率为0.14%/10 a(表4),说明陕西省内干旱频率整体上为增加趋势。从表4可以看出,随年代际增加,干旱频率在1960—2000年之间呈波动变化,2000年之后又逐渐减小,在1991—2000年之间干旱频率达最大,为63%,其次是1971—1980年,61.7%。陕西省春季、秋季干旱频率趋势率为正,夏季、冬季趋势率为负,表明全省春旱、秋旱发生频率有增加趋势,夏旱、冬旱发生频率有减少趋势,其中春季最大,为1.79%; 春旱频率在2001—2010年最大,达74.2%,夏旱频率在1981—1990年之间最小,为36.1%,冬旱频率在1960—1970年之间最大,达89.9%,春、夏、冬旱频率随年代际增加呈波动变化,而秋旱频率呈先增后减的趋势,在1991—2000年之间达最大,为49.9%。

图6 陕北、关中、陕南地区干燥度年际变化M-K突变检验

表4 陕西省各年代际季节性干旱频率

对陕西省各气象站点的干旱发生频率进行计算并做克里金插值后得到干旱频率的空间分布情况(图7)。由图7中可以看出近58 a陕西省年干旱发生频率分布规律大致为:陕北地区普遍较大,范围在60%～80%,年干旱频率最大值在横山和定边附近,达到了80%以上; 陕南地区整体较小,在44%～55%范围内,干旱频率最大值在商州附近,为54.2%左右,石泉、佛坪附近干旱发生频率最低,为44%左右; 关中地区介于陕北与陕南之间,范围在45%～70%,蒲城附近干旱发生频率最大,为68%左右。全省干旱频率从北向南呈从陕北向关中先逐渐减小后又略微增大,从关中向陕南又逐渐减小的分布格局。陕北西北部地区干旱发生频率最大,关中中部地区比东西部干旱频率大,陕南中部干旱发生频率最小。陕西省年干旱频率空间分布差异较为明显。

图7 陕西省年、春、夏季干旱发生频率空间分布

春季干旱发生频率地区差异较大,陕北北部和中部是干旱频率最大的区域,为81%～92%,最大频率出现在定边附近,达92.3%左右,表明陕北地区春季极易发生干旱,干旱频率呈由北向南逐渐减小分布; 陕南地区干旱频率普遍较小,在46%～54%范围内,其中频率最小的为佛坪、安康附近,为46%左右,干旱频率呈西北向东南逐渐减小趋势; 关中地区除华山附近外,均在50%～78%范围内,东部华山附近干旱频率最小,为40%左右,西、中部蒲城附近最大,达到了78%,干旱频率呈从中部向东西两边递减分布。陕西省春季干旱发生频率南北跨度较大,最大可相差约50%左右。夏季干旱频率空间分布特征与年干旱频率大致相同,陕北北部与关中中西部是干旱发生频率较大的地区,陕南的西南部一带是频率最小的地区。陕北地区干旱发生频率最大,范围为36%～67%,关中地区为26%～60%,陕南地区为20%～41%。秋季干旱频率陕北地区最大,关中地区除蒲城附近较高,呈中部高于西部,东部最小分布,陕南地区干旱频率较小,呈从东向西逐渐减小分布。冬季干旱发生频率空间分布地区差异较大,陕北地区频率最大,其次是关中与陕南西部的太白、略阳一带和东南部安康、石泉附近,频率最小的地区在华山附近,冬季干旱在全省范围内普遍发生且频率在各季节中最大。

陕西省微旱发生频率呈南大北小的特征(图8),整体为从西北向东南逐渐增大的趋势,微旱频率较大的地区为关中东部与陕南东南部地区,全省微旱发生频率最大的是华山附近,达9.1%左右,最小为定边、横山附近,不到4%。陕西省全省微旱发生频率整体较低,各站点均不到10%。图9显示微旱在夏季发生频率最大,达9.8%,其次为秋季,7.8%,表明陕西省微旱多出现在夏、秋两季。中旱发生频率呈中部大南北小的空间分布特点(图8),从陕北向关中先逐渐增大,之后又向陕南逐渐减小,关中中部和东部地区为中旱主要发生地区,频率最大的是华山和长武附近,为9%左右,最小为定边附近,仅3.1%,其次是关中的太白附近。全省中旱发生频率与微旱相同,整体较低,不到10%。中旱在夏季发生频率最大(图9),达8.6%,其次为秋季,6.2%左右,表明陕西省中旱多出现于夏季。大旱发生频率空间分布特征为北大南小(图8),关中地区由中部向东西两边逐渐减少。大旱发生频率较大地区主要为陕北和关中中部,频率最大点为定边附近,达到了73%,最小为华山附近,为21%左右。全省大旱发生较为频繁,大旱发生频率远大于微旱和中旱。大旱发生频率在冬季最大(图9),达81%,其次为春季,54.8%,最后是夏季与秋季,为30%左右。

图8 陕西省不同等级干旱发生频率空间分布

图9 陕西省各季节不同等级干旱发生频率

表5 陕西省各站点不旱年数与暖半年各季旱年数统计

具体探究气象干旱对单位面积粮食产量的影响,考虑到关中与陕南地区可通过灌溉来调节作物需水量,会在一定程度上减弱干旱对粮食作物造成的不良影响,所以在这里特别就以旱作为主的陕北地区作为研究对象,分析干燥度及降水量单位面积粮食产量的影响。其中粮食单产所统计的作物种类包括谷物、豆类和薯类。对陕北各县整体分析,粮食单产与干燥度的直线回归的决定系数是0.588,达极显著水平,与降水量的直线回归的决定系数是0.437,达显著水平。年干燥度每下降0.1个单位,粮食产量增加约56 kg/hm²,降水量每增加10 mm,粮食产量增加约30.2 kg/hm²。

图 10分别为陕北地区2005—2017年单位面积粮食产量与年干燥度和年降水量的年际变化趋势对比。陕北地区单位面积粮食产量呈较明显上升趋势,年干燥度呈微弱下降趋势,两者都通过显著性检验,达到了99%置信度,通过相关性分析发现两者呈强负相关,且通过了0.01的显著性检验,说明陕北地区干燥度对粮食产量的影响显著,干燥度越小,单位面积产量越大。年降水量13 a间呈波动变化,整体呈上升趋势,通过分析单位面积粮食产量与年降水量之间的相关性,发现两者呈较强正相关,且通过了0.05的显著性检验,说明陕北地区降水量对粮食产量的影响较为显著,降水量越大,单位面积产量越大。

图 10 陕北地区年干燥度、年降水量与单位面积粮食产量年际变化