前言
1、美國西部70%地區處于干旱狀態,部分地區出現“嚴重干旱”和“極度干旱”；歐洲多國高溫突破歷史極值,多國糧食產量減產；中國多日發布紅色高溫預警,大部分地區存在中度至重度干旱。
2、此次全球極端高溫天氣是拉尼娜現象、北極圈附近和北印度洋海水異常增溫以及青藏高原冰雪異常融化所導致的大氣環流異常的結果。我國的高溫熱浪天氣主要來源于副熱帶高壓增強和西風帶異常擾動兩者的綜合疊加。
3、通過復盤中美經歷的干旱發現,干旱顯著降低了各國當年的糧食產量與單產。
4、干旱通過影響作物形態結構、光合作用以及蛋白質合成過程對作物生產造成影響,但危害程度還要取決于干旱發生的季節、作物所處生長期以及作物品種、種植分布等因素。
5、現有較為通用的干旱監測指標包括降水距平百分率、降水Z指標、Bhalme-Mooley 干旱指標和Palmer 干旱指標。其中Palmer 干旱指標是目前最成功的農業干旱指標。
01 異常的夏季：近期旱情概述
近期,北半球經歷著史無前例的高溫炙烤,印度、巴基斯坦早在4月便已遭受45-50℃的“高溫炙烤”,伊拉克和敘利亞部分地區溫度突破50℃,加拿大面臨49.6℃的高溫,7月份加州溫度也已飆升至54.4℃；截至8月23日,我國已連續12天發布紅色高溫預警。即使是北極圈,其7月份的最高氣溫也達到32.5℃。
持續的高溫天氣引起了干旱的發生。根據美國國家抗旱中心的監測數據,美國多地如今正遭遇嚴重干旱,美國西部約70%的地區正處于干旱狀態,美國東北部如紐約州、新澤西州等地區出現了“嚴重干旱”的情況,部分地區甚至遭遇“極度干旱”。截至8月16日,處于干旱的玉米、棉花、大豆、春小麥和冬小麥產區占比分別為28%、61%、24%、18%和56%,這將導致相關農作物產量受損,農作物的生長優良率持續下調。
歐洲作為多年經歷高溫天氣的“老玩家”,也被今年的高溫壓得喘不過氣。多地氣溫超過40℃。法國巴黎最高氣溫達40.5℃；葡萄牙、西班牙部分地區氣溫一度達到47℃；英國多地氣溫突破歷史極值。高溫折磨著近半個歐洲大陸,帶來重重“烤”驗,而干旱也給歐洲農業帶來重重考驗。目前,歐洲多國已下調農作物產量。歐盟是全球最大的小麥生產、出口地區,其中法國和德國是主要的小麥生產國。在此次干旱影響下,德國小麥產量預計將下降10%左右；法國的軟質小麥和硬粒小麥的產量將分別下降4%和14%。作為玉米出口大國的羅馬尼亞預計干旱將使玉米減產35%左右。在意大利,干旱已經危及水稻種植,預計損失30%。除主食以外,歐洲的部分特色農產品也正遭受嚴峻考驗,全球橄欖油出口大國西班牙的橄欖收成慘淡,未灌溉地區的產量預計會低于過去五年平均水平的20%,預計橄欖產量將下降三分之一。
我國于今年7月21日首次發布高溫預警,8月23日是我國發布高溫預警以來的第34天,也是高溫紅色預警連續鳴響的第12天。伴隨高溫持續月余,我國各地旱情持續發展。據8月23日中央氣象局氣象干旱監測,江蘇南部、湖北大部、浙江大部、福建大部、江西、湖南、貴州大部、重慶、四川大部、陜西東南部、甘肅東南部和西藏中東部等地存在中度至重度氣象干旱,局部特旱。未來一周雖部分地區會有少量降水,對氣象干旱緩和有利,但其他大部地區仍維持高溫少雨天氣,氣象干旱將持續發展。
02 氣候因子的變異與碰撞：高溫天氣的成因
如此反常的氣候現象很難用簡單的線性邏輯去思考,其背后是多種氣候因子在一系列生物活動的影響下發生了變異并且以一種非線性的方式碰撞在一起,共同引發了此次極端高溫天氣。從地理學的視角,高溫天氣的直接成因就是高壓大氣系統持續輸入熱空氣。大氣環流異常、厄爾尼諾現象、拉尼娜現象等都對近幾年的高溫天氣有著很大的影響。今年全球極端高溫天氣是拉尼娜現象、北極圈附近和北印度洋海水異常增溫以及青藏高原冰雪異常融化所導致的大氣環流異常的結果,而我國的高溫熱浪天氣主要來源于副熱帶高壓增強和西風帶異常擾動兩者的綜合疊加。
首先是兩大副高發生了變異。北半球的兩大副高原本各自在自己的領地活躍,然而今年夏天,大西洋副高突破了落基山脈的阻擋,不斷東伸,與太平洋副高相連；太平洋副高也不斷向西延伸作為呼應,至此圍繞北半球的副熱帶高壓帶大體形成,使得這一整圈都熱了起來。
其次是控制溫帶的冷暖和旱澇的西風帶發生了變異。在西風帶上,高壓脊和低壓槽相伴而生,槽前脊后,伴隨著大范圍的降雨,而槽后脊前伴隨著大范圍的下沉氣流和晴朗天氣。原本的西風帶環繞在副熱帶高氣壓帶和副極地低氣壓帶之間,有效的隔絕了炎熱和寒冷。但今年5月,北太平洋和北大西洋沿岸的海水急速增溫擴大了北極圈附近的溫差,誘發西風帶激流紊亂,出現一個個高壓脊,將亞熱帶的酷熱沿經線送入溫帶、寒溫帶甚至北極地區。目前強大的副熱帶高壓籠罩著我國的南方,同時由于4、5月份青藏高原冰雪異常融化使得南亞高壓在夏季增強,有了南亞高壓的強力支持,副高持續時間也更長,更加穩定,使得暖濕氣流難以進入南方腹地形成降雨。
最后,今年太平洋中東部海水異常變冷而產生的拉尼娜現象也為南方高溫的發生提供了重要的氣候背景條件。按正常預期,拉尼娜現象自春天過后應逐漸減弱,但五月份東南信風迅速發展,強烈的東南信風將暖水堆積在西太平洋,加劇了熱量分布不均,使得太平洋副高加強并且更加偏北,雨帶也隨之北上。同時,亞歐大陸形成了一條低壓槽,隨后幾天低壓槽不斷東移,同副高北移共同作用形成了我國北方的降雨,有效削弱了我國北方的高溫天氣,但這也容易形成北澇南旱的局面。全球高溫也是西風帶和副熱帶高壓共同作用的結果,西風帶紊亂在歐洲和北美形成了“大槽大脊”的局面,大部分地區被高壓脊和副熱帶高壓所籠罩,加劇了當地高溫干旱的極端天氣。
極端天氣是眾多氣候因子的變異和碰撞,也許我們無法判定這種變異和碰撞究竟是偶然還是一種未知的趨勢,但如果以地理學的視角去挖掘這背后的底層邏輯,大致可以得到這樣一個答案：西風帶紊亂和副熱帶高壓加強的根本原因還是全球氣候變暖。地球氣候系統是一個復雜的系統,人類一系列的活動引發了全球變暖,使得原本正常運行的天氣系統發生異常,導致全球各地溫度和降水量呈現較大差異,疊加各類天氣異常因子集結、共同作用,最后造成各種極端天氣頻發。
03 歷史的復盤：中美干旱對糧食生產的影響
“日光之下并無新事”。歷史上,中美曾遭遇了不同程度的干旱,各自農業及畜牧業也受到了不同程度的沖擊。通過對歷史事件的復盤,我們也許可以站在巨人的肩上對未來做出更好的判斷。
1.2012年美國干旱
自當年5月以來,干旱伴隨著高溫肆虐了美國本土一半以上的土地,中西部地區受災最嚴重。2012年6月,干旱蔓延到了美國境內68.8%的地區,“嚴重”和“極端”干旱面積達到24.3%。7月份,美國大陸80%的面積處于不同程度的干旱狀態,處于“嚴重”和“極端”干旱的土地面積比例上升至45.6%。8月份由于部分地區的降水使得干旱土地面積稍有降低,但仍達到國土面積的77%左右,其中“特大干旱”土地面積的比例超過了6%。到2013年1月,中西部絕大部分地區仍然處于特大干旱狀態,直到13年3月,嚴重干旱的面積才陸續減少。2012年美國干旱究其原因,是由于拉尼娜事件讓赤道中東太平洋長時間處于冷水控制下,使得大氣產生持續的下沉運動,導致熱帶、副熱帶地區大氣環流系統發生異常變化。
美國此次干旱同樣對農業和畜牧業生產造成了巨大的影響。數據顯示,此次干旱使得正分別處于抽絲和開花階段的玉米和大豆的生長優良率直線下降。根據USDA每周公布的作物生長報告,2012年7月15日,美國玉米生長優良率為31%,大豆優良率為34%；而至7月29日,又分別下降至24%和29%,而一年前的同期,玉米和大豆的優良率均達到60%以上。產量方面,2012年美國玉米產量為107.6億蒲式耳,比2011年下降12.7%,是2007年以來的最低水平；由于2012年玉米種植面積比2011年增加了4.9%,因此2012年平均每英畝單產將比2011年降低16.6%,是1996年以來最低值。2012年美國大豆產量為82.79百萬噸,比2011年下降14.1%；每公頃單產為2686.7公斤,比2011年降低了4.8%,是2009年以來最低值。
2.中國旱災回顧
我國是干旱災害頻繁發生的國家,旱災的發生具有明顯的時空分布規律。從全國范圍看, 春夏季節旱區主要在黃淮海地區和西北地區;夏秋季節旱區轉移至長江流域, 直至南嶺以北地區;秋冬季節則移至華南沿海;冬春季節再由華南擴大到西南地區。由于季風氣候的影響, 我國旱災發生的頻次與緯度有關。有學者研究我國500年來的氣象資料后發現,低緯度旱災發生頻次較少, 隨著緯度的增加發生的頻次增加, 北緯30°-40°發生的頻次最高, 在40°N以北的地區又有減少的趨勢。由此可見,在我國長江以北至黃河流域是旱災發生的主要地區,全國各省份平均成災面積呈現出“北重南輕、中東部重西部輕”的格局,歷年統計數據也證實了這一點。
我國常用受災率和災害指數強度來衡量干旱對糧食生產單位面積的致災程度。前者為旱災受災面積占總糧食播種面積的比率,后者則表示為成災面積占受災面積的比例。一般而言,糧食單產主要取決于氣象條件的好壞,糧食作物在生長季的不同階段對光照、溫度和水分的要求各不相同,通常干旱等災害的出現,會導致某個或多個要素超過臨界值,從而影響農作物的生長發育,進而導致糧食單產水平的下降,影響糧食產量。圖12和圖13展示了糧食總產量年變化率、糧食單產年變化率與受災率之間顯著的負相關關系。糧食產量和單產的變化率峰值均與受災率的谷值相對應,而其峰值則與糧食產量和單產的變化率的谷值相對應,糧食總產量和單產的變化率隨著受災率的波動而變動,受災率越大,其對糧食產量的負向影響越大。此外,在幾種主要的糧食作物中,無論是從總產量還是從單產上來看,干旱對大豆產量波動的影響最大,其次是玉米、小麥、稻谷。其中,當2007年干旱受災率為27.73%時,糧食單產較2006年降低了4.28%,大豆單產降低了10.32%,玉米單產降低了3%,而小麥也由2006年7.44%的增長率降為0.32%。
3.干旱影響糧食產量的機制和關鍵要素
3.1影響機制
干旱是以長期降水虧缺為主要特征的極端氣候事件,進而導致土壤水分虧缺、蒸發量減少,地表溫度升高,進一步加劇土壤水分虧缺,形成正反饋過程。干旱條件下,土壤水分含量低于作物生長所需水量時,會對作物的生長活動產生系列影響使得生長狀況受到限制,并出現作物長勢下降,導致作物產量減少或失收。具體表現為以下三個方面：
(1)干旱影響作物的形態結構。作物生長過程中所需水分由根系吸收與葉面蒸騰維持平衡,根系大、密、深是抗旱作物的基本特征。在長期干旱的情況下,植物葉片會發生萎蔫、卷曲,使得葉片面積變小而減少蒸騰,嚴重的還會枯黃脫落,使植物地上部分的生長受到抑制,根冠比增加。
(2)干旱影響作物光合作用正常進行。葉片缺水會影響葉綠素的合成,還會促進已生成的葉綠素加速分解,使得植物葉片中葉綠素含量減少,造成葉片發黃。另外,干旱時作物為減少水分蒸騰會調節葉片氣孔開度,氣孔保衛細胞水勢降低,使氣孔關閉,阻礙了二氧化碳的擴散及其透過性,使得作物綠色葉片的光合能力降低,影響有機質合成,干物質積累少,供給器官生長的營養物質不足,最終對作物產量產生影響。
(3)干旱會削弱作物的蛋白質合成過程,增強其分解過程,影響脯氨酸的形成及氮素來源。干旱還對細胞的分裂和細胞體積的增長有明顯的抑制,從而影響作物正常的生長發育使產量降低。
3.2影響干旱危害程度的關鍵要素
干旱輕則影響農作物正常生長發育,重則導致作物死亡,使農作物減產或失收。但是干旱對農業生產的影響和危害程度與其發生季節、時間長短、作物所處的生長期、作物品種以及種植分布等因素有關,這些因素的差異也導致了干旱對不同地區的危害程度不同。
(1)發生季節。在我國,2-4月是早稻播種、插秧以及旱地作物種植的繁忙季節,此時農業用水明顯增多,如果水分不足就會影響春季農業生產。春旱往往造成早稻缺水耕田,不能適時播種、插秧,使春種作物缺苗斷壟,影響春收作物后期的正常生長；夏旱影響夏種作物的出苗和生長,影響早稻和春玉米正常灌漿及晚稻的移栽成活；秋旱會影響晚稻和其它秋收作物的生長發育和產量形成；冬旱則影響冬種作物播種、出苗及其生長發育。
(2)作物所處的生長期。植物的生長發育過程大致可以分為五個階段,即萌芽期、幼苗期、營養期、生殖期、衰老期。植物對干旱最敏感的階段是在生殖期,這一時期是植物開花結果的重要時期,在生殖生長期遭遇干旱會明顯延遲作物的生長發育。例如水稻若在開花期遭遇干旱會導致其抽穗數下降明顯,產量明顯降低。
(3)作物品種。溫度影響作物的生長發育和最終產量,作物生長、繁殖以及整個生長發育期都需要在一定的溫度范圍內才能進行,通常農作物發育要求的溫度通常為20-30℃。作物的各種生理活動都要求有三基點溫度,即最低溫度、最適溫度和最高溫度。在最適溫度下,作物生長發育迅速而且良好,在最高和最低溫度下,作物停止生長發育,但仍然能夠維持生命,低于最低溫度或超過最高溫度時,作物很可能死亡。不同作物對溫度的適應性不同,這也使得面臨干旱時不同作物的減產情況不同,例如小麥的最高溫度為30-32℃,水稻的是36-38℃,而玉米則是40-44℃。另外,即使是同一類作物,那些本身根系比較繁密的抗旱品種遭受干旱的影響也會比一般品種要小。
(4)種植分布。實際上,干旱強度大的地區其對應的糧食災損量并不一定大,這主要是由于各地區的糧食災損量不僅受到該地區干旱強度的影響,還與該省的種植結構和糧食作物播種面積有關。例如,美國玉米和大豆種植范圍較為集中,集中分布在美國五大湖沿岸,因此在2012年旱災來臨之時,糧食產量受到巨大影響；而干旱強度大但糧食種植面積小的地區,其糧食災損量也會相應較小。
04 我們能做什么？：干旱監測指標
人類自誕生以來,遭遇過許多自然災害,并且都無一例外地平穩度過。這其中既有人性樂觀不服輸的內在心理因素,也有人類主觀能動性的體現的結果。正如在經歷海嘯、地震后分別發明了海嘯預警系統和地震預警系統,人類在面對干旱時同樣也發明了許多可以用來預警干旱發生的前瞻性指標。
由于干旱設計的時空分布多樣,范圍廣泛,使得單一的干旱定義很難滿足各行業、各部門需求。美國氣象學會在總結各種干旱定義的基礎上,將干旱分為氣象干旱、農業干旱、干旱、社會經濟干旱。本文重點介紹氣象干旱監測指標。
氣象干旱是指某段時間內,由于蒸發量和降水量的收支不平衡,水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現象。目前,國內外常見的氣象干旱指標主要有降水距平百分率、降水Z指標、Bhalme-Mooley干旱指標、Palmer干旱指標。
1、降水距平百分率。降水距平百分率指標是指某時段降水量與同期氣候平均降水量之差除以同期氣候平均降水量的百分比。降水距平百分率以歷史平均水平為基礎確定旱澇程度,反映了某時段降水量相對于同期平均狀態的偏離程度,計算簡單,應用廣泛。但是該指標對平均值的依賴性較大,對于降水時空分布極不均勻的西北地區,則不宜使用統一的降水距平百分率作為標準。
2、降水Z指標。Z指標是我國使用最為廣泛的氣象干旱指標之一,它是在假定降水量服從Person-Ⅲ型分布的基礎上提出的,通過對降水量進行頻率分析來確定干旱的程度。通過對降水量進行正態化處理,可將概率密度函數Person-Ⅲ型分布轉換為以Z為變量的標準正態分布。Z指數沒有考慮到降水量年內分配不均等是影響干旱的重要原因這一關鍵。另外,Z指標只能評估某一特定時段內的旱澇情況,不能判定干旱的起止時間和發生過程。
3、Bhalme-Mooley干旱指標。Bhalme等在1980年提出了BMDI指標。該指標采用n個月的降水量資料,考慮到了降水量的年內分配,較年降水量的指標更加合理。BMDI指標僅考慮了降水量,可視為Palmer指標的簡化形式。
4、Palmer干旱指標(PDSI)。1965年Palmer將前期降水、水分供給、水分需求結合在水文計算系統中,提出了基于水平衡的干旱指數PDSI,它是干旱研究史上的里程碑,是目前國際上應用最為廣泛的氣象干旱指標。該指標不僅引入了水量平衡概念,考慮了降水、蒸散、 徑流、土壤含水量等條件,同時也涉及到一系列農業干旱問題,具有較好的時間、空間可比性。PDSI建立了一套完整的確定干旱持續時間的規則,能保證在以月為時間尺度上確定干旱的起始時刻和終止時刻。自建立之初,PDSI就被廣泛應用到各個領域用以評估和監測較長時期的干旱,同時也是衡量土壤水分和確定干旱始終時刻最有效的工具。PDSI盡管被看成是氣象干旱指標,但它考慮到了降水、蒸散發以及土壤水分等條件,所有這些都是農業于旱和水文干旱的決定因素,因此也可將PDSI作為農業干旱指標和水文干旱指標。PDSI是目前最成功的農業干旱指標。
