前言
1、美国西部70%地区处于干旱状态,部分地区出现“严重干旱”和“极度干旱”；欧洲多国高温突破历史极值,多国粮食产量减产；中国多日发布红色高温预警,大部分地区存在中度至重度干旱。
2、此次全球极端高温天气是拉尼娜现象、北极圈附近和北印度洋海水异常增温以及青藏高原冰雪异常融化所导致的大气环流异常的结果。我国的高温热浪天气主要来源于副热带高压增强和西风带异常扰动两者的综合叠加。
3、通过复盘中美经历的干旱发现,干旱显著降低了各国当年的粮食产量与单产。
4、干旱通过影响作物形态结构、光合作用以及蛋白质合成过程对作物生产造成影响,但危害程度还要取决于干旱发生的季节、作物所处生长期以及作物品种、种植分布等因素。
5、现有较为通用的干旱监测指标包括降水距平百分率、降水Z指标、Bhalme-Mooley 干旱指标和Palmer 干旱指标。其中Palmer 干旱指标是目前最成功的农业干旱指标。
01 异常的夏季：近期旱情概述
近期,北半球经历着史无前例的高温炙烤,印度、巴基斯坦早在4月便已遭受45-50℃的“高温炙烤”,伊拉克和叙利亚部分地区温度突破50℃,加拿大面临49.6℃的高温,7月份加州温度也已飙升至54.4℃；截至8月23日,我国已连续12天发布红色高温预警。即使是北极圈,其7月份的最高气温也达到32.5℃。
持续的高温天气引起了干旱的发生。根据美国国家抗旱中心的监测数据,美国多地如今正遭遇严重干旱,美国西部约70%的地区正处于干旱状态,美国东北部如纽约州、新泽西州等地区出现了“严重干旱”的情况,部分地区甚至遭遇“极度干旱”。截至8月16日,处于干旱的玉米、棉花、大豆、春小麦和冬小麦产区占比分别为28%、61%、24%、18%和56%,这将导致相关农作物产量受损,农作物的生长优良率持续下调。
欧洲作为多年经历高温天气的“老玩家”,也被今年的高温压得喘不过气。多地气温超过40℃。法国巴黎最高气温达40.5℃；葡萄牙、西班牙部分地区气温一度达到47℃；英国多地气温突破历史极值。高温折磨着近半个欧洲大陆,带来重重“烤”验,而干旱也给欧洲农业带来重重考验。目前,欧洲多国已下调农作物产量。欧盟是全球最大的小麦生产、出口地区,其中法国和德国是主要的小麦生产国。在此次干旱影响下,德国小麦产量预计将下降10%左右；法国的软质小麦和硬粒小麦的产量将分别下降4%和14%。作为玉米出口大国的罗马尼亚预计干旱将使玉米减产35%左右。在意大利,干旱已经危及水稻种植,预计损失30%。除主食以外,欧洲的部分特色农产品也正遭受严峻考验,全球橄榄油出口大国西班牙的橄榄收成惨淡,未灌溉地区的产量预计会低于过去五年平均水平的20%,预计橄榄产量将下降三分之一。
我国于今年7月21日首次发布高温预警,8月23日是我国发布高温预警以来的第34天,也是高温红色预警连续鸣响的第12天。伴随高温持续月余,我国各地旱情持续发展。据8月23日中央气象局气象干旱监测,江苏南部、湖北大部、浙江大部、福建大部、江西、湖南、贵州大部、重庆、四川大部、陕西东南部、甘肃东南部和西藏中东部等地存在中度至重度气象干旱,局部特旱。未来一周虽部分地区会有少量降水,对气象干旱缓和有利,但其他大部地区仍维持高温少雨天气,气象干旱将持续发展。
02 气候因子的变异与碰撞：高温天气的成因
如此反常的气候现象很难用简单的线性逻辑去思考,其背后是多种气候因子在一系列生物活动的影响下发生了变异并且以一种非线性的方式碰撞在一起,共同引发了此次极端高温天气。从地理学的视角,高温天气的直接成因就是高压大气系统持续输入热空气。大气环流异常、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象等都对近几年的高温天气有着很大的影响。今年全球极端高温天气是拉尼娜现象、北极圈附近和北印度洋海水异常增温以及青藏高原冰雪异常融化所导致的大气环流异常的结果,而我国的高温热浪天气主要来源于副热带高压增强和西风带异常扰动两者的综合叠加。
首先是两大副高发生了变异。北半球的两大副高原本各自在自己的领地活跃,然而今年夏天,大西洋副高突破了落基山脉的阻挡,不断东伸,与太平洋副高相连；太平洋副高也不断向西延伸作为呼应,至此围绕北半球的副热带高压带大体形成,使得这一整圈都热了起来。
其次是控制温带的冷暖和旱涝的西风带发生了变异。在西风带上,高压脊和低压槽相伴而生,槽前脊后,伴随着大范围的降雨,而槽后脊前伴随着大范围的下沉气流和晴朗天气。原本的西风带环绕在副热带高气压带和副极地低气压带之间,有效的隔绝了炎热和寒冷。但今年5月,北太平洋和北大西洋沿岸的海水急速增温扩大了北极圈附近的温差,诱发西风带激流紊乱,出现一个个高压脊,将亚热带的酷热沿经线送入温带、寒温带甚至北极地区。目前强大的副热带高压笼罩着我国的南方,同时由于4、5月份青藏高原冰雪异常融化使得南亚高压在夏季增强,有了南亚高压的强力支持,副高持续时间也更长,更加稳定,使得暖湿气流难以进入南方腹地形成降雨。
最后,今年太平洋中东部海水异常变冷而产生的拉尼娜现象也为南方高温的发生提供了重要的气候背景条件。按正常预期,拉尼娜现象自春天过后应逐渐减弱,但五月份东南信风迅速发展,强烈的东南信风将暖水堆积在西太平洋,加剧了热量分布不均,使得太平洋副高加强并且更加偏北,雨带也随之北上。同时,亚欧大陆形成了一条低压槽,随后几天低压槽不断东移,同副高北移共同作用形成了我国北方的降雨,有效削弱了我国北方的高温天气,但这也容易形成北涝南旱的局面。全球高温也是西风带和副热带高压共同作用的结果,西风带紊乱在欧洲和北美形成了“大槽大脊”的局面,大部分地区被高压脊和副热带高压所笼罩,加剧了当地高温干旱的极端天气。
极端天气是众多气候因子的变异和碰撞,也许我们无法判定这种变异和碰撞究竟是偶然还是一种未知的趋势,但如果以地理学的视角去挖掘这背后的底层逻辑,大致可以得到这样一个答案：西风带紊乱和副热带高压加强的根本原因还是全球气候变暖。地球气候系统是一个复杂的系统,人类一系列的活动引发了全球变暖,使得原本正常运行的天气系统发生异常,导致全球各地温度和降水量呈现较大差异,叠加各类天气异常因子集结、共同作用,最后造成各种极端天气频发。
03 历史的复盘：中美干旱对粮食生产的影响
“日光之下并无新事”。历史上,中美曾遭遇了不同程度的干旱,各自农业及畜牧业也受到了不同程度的冲击。通过对历史事件的复盘,我们也许可以站在巨人的肩上对未来做出更好的判断。
1.2012年美国干旱
自当年5月以来,干旱伴随着高温肆虐了美国本土一半以上的土地,中西部地区受灾最严重。2012年6月,干旱蔓延到了美国境内68.8%的地区,“严重”和“极端”干旱面积达到24.3%。7月份,美国大陆80%的面积处于不同程度的干旱状态,处于“严重”和“极端”干旱的土地面积比例上升至45.6%。8月份由于部分地区的降水使得干旱土地面积稍有降低,但仍达到国土面积的77%左右,其中“特大干旱”土地面积的比例超过了6%。到2013年1月,中西部绝大部分地区仍然处于特大干旱状态,直到13年3月,严重干旱的面积才陆续减少。2012年美国干旱究其原因,是由于拉尼娜事件让赤道中东太平洋长时间处于冷水控制下,使得大气产生持续的下沉运动,导致热带、副热带地区大气环流系统发生异常变化。
美国此次干旱同样对农业和畜牧业生产造成了巨大的影响。数据显示,此次干旱使得正分别处于抽丝和开花阶段的玉米和大豆的生长优良率直线下降。根据USDA每周公布的作物生长报告,2012年7月15日,美国玉米生长优良率为31%,大豆优良率为34%；而至7月29日,又分别下降至24%和29%,而一年前的同期,玉米和大豆的优良率均达到60%以上。产量方面,2012年美国玉米产量为107.6亿蒲式耳,比2011年下降12.7%,是2007年以来的最低水平；由于2012年玉米种植面积比2011年增加了4.9%,因此2012年平均每英亩单产将比2011年降低16.6%,是1996年以来最低值。2012年美国大豆产量为82.79百万吨,比2011年下降14.1%；每公顷单产为2686.7公斤,比2011年降低了4.8%,是2009年以来最低值。
2.中国旱灾回顾
我国是干旱灾害频繁发生的国家,旱灾的发生具有明显的时空分布规律。从全国范围看, 春夏季节旱区主要在黄淮海地区和西北地区;夏秋季节旱区转移至长江流域, 直至南岭以北地区;秋冬季节则移至华南沿海;冬春季节再由华南扩大到西南地区。由于季风气候的影响, 我国旱灾发生的频次与纬度有关。有学者研究我国500年来的气象资料后发现,低纬度旱灾发生频次较少, 随着纬度的增加发生的频次增加, 北纬30°-40°发生的频次最高, 在40°N以北的地区又有减少的趋势。由此可见,在我国长江以北至黄河流域是旱灾发生的主要地区,全国各省份平均成灾面积呈现出“北重南轻、中东部重西部轻”的格局,历年统计数据也证实了这一点。
我国常用受灾率和灾害指数强度来衡量干旱对粮食生产单位面积的致灾程度。前者为旱灾受灾面积占总粮食播种面积的比率,后者则表示为成灾面积占受灾面积的比例。一般而言,粮食单产主要取决于气象条件的好坏,粮食作物在生长季的不同阶段对光照、温度和水分的要求各不相同,通常干旱等灾害的出现,会导致某个或多个要素超过临界值,从而影响农作物的生长发育,进而导致粮食单产水平的下降,影响粮食产量。图12和图13展示了粮食总产量年变化率、粮食单产年变化率与受灾率之间显著的负相关关系。粮食产量和单产的变化率峰值均与受灾率的谷值相对应,而其峰值则与粮食产量和单产的变化率的谷值相对应,粮食总产量和单产的变化率随着受灾率的波动而变动,受灾率越大,其对粮食产量的负向影响越大。此外,在几种主要的粮食作物中,无论是从总产量还是从单产上来看,干旱对大豆产量波动的影响最大,其次是玉米、小麦、稻谷。其中,当2007年干旱受灾率为27.73%时,粮食单产较2006年降低了4.28%,大豆单产降低了10.32%,玉米单产降低了3%,而小麦也由2006年7.44%的增长率降为0.32%。
3.干旱影响粮食产量的机制和关键要素
3.1影响机制
干旱是以长期降水亏缺为主要特征的极端气候事件,进而导致土壤水分亏缺、蒸发量减少,地表温度升高,进一步加剧土壤水分亏缺,形成正反馈过程。干旱条件下,土壤水分含量低于作物生长所需水量时,会对作物的生长活动产生系列影响使得生长状况受到限制,并出现作物长势下降,导致作物产量减少或失收。具体表现为以下三个方面：
(1)干旱影响作物的形态结构。作物生长过程中所需水分由根系吸收与叶面蒸腾维持平衡,根系大、密、深是抗旱作物的基本特征。在长期干旱的情况下,植物叶片会发生萎蔫、卷曲,使得叶片面积变小而减少蒸腾,严重的还会枯黄脱落,使植物地上部分的生长受到抑制,根冠比增加。
(2)干旱影响作物光合作用正常进行。叶片缺水会影响叶绿素的合成,还会促进已生成的叶绿素加速分解,使得植物叶片中叶绿素含量减少,造成叶片发黄。另外,干旱时作物为减少水分蒸腾会调节叶片气孔开度,气孔保卫细胞水势降低,使气孔关闭,阻碍了二氧化碳的扩散及其透过性,使得作物绿色叶片的光合能力降低,影响有机质合成,干物质积累少,供给器官生长的营养物质不足,最终对作物产量产生影响。
(3)干旱会削弱作物的蛋白质合成过程,增强其分解过程,影响脯氨酸的形成及氮素来源。干旱还对细胞的分裂和细胞体积的增长有明显的抑制,从而影响作物正常的生长发育使产量降低。
3.2影响干旱危害程度的关键要素
干旱轻则影响农作物正常生长发育,重则导致作物死亡,使农作物减产或失收。但是干旱对农业生产的影响和危害程度与其发生季节、时间长短、作物所处的生长期、作物品种以及种植分布等因素有关,这些因素的差异也导致了干旱对不同地区的危害程度不同。
(1)发生季节。在我国,2-4月是早稻播种、插秧以及旱地作物种植的繁忙季节,此时农业用水明显增多,如果水分不足就会影响春季农业生产。春旱往往造成早稻缺水耕田,不能适时播种、插秧,使春种作物缺苗断垄,影响春收作物后期的正常生长；夏旱影响夏种作物的出苗和生长,影响早稻和春玉米正常灌浆及晚稻的移栽成活；秋旱会影响晚稻和其它秋收作物的生长发育和产量形成；冬旱则影响冬种作物播种、出苗及其生长发育。
(2)作物所处的生长期。植物的生长发育过程大致可以分为五个阶段,即萌芽期、幼苗期、营养期、生殖期、衰老期。植物对干旱最敏感的阶段是在生殖期,这一时期是植物开花结果的重要时期,在生殖生长期遭遇干旱会明显延迟作物的生长发育。例如水稻若在开花期遭遇干旱会导致其抽穗数下降明显,产量明显降低。
(3)作物品种。温度影响作物的生长发育和最终产量,作物生长、繁殖以及整个生长发育期都需要在一定的温度范围内才能进行,通常农作物发育要求的温度通常为20-30℃。作物的各种生理活动都要求有三基点温度,即最低温度、最适温度和最高温度。在最适温度下,作物生长发育迅速而且良好,在最高和最低温度下,作物停止生长发育,但仍然能够维持生命,低于最低温度或超过最高温度时,作物很可能死亡。不同作物对温度的适应性不同,这也使得面临干旱时不同作物的减产情况不同,例如小麦的最高温度为30-32℃,水稻的是36-38℃,而玉米则是40-44℃。另外,即使是同一类作物,那些本身根系比较繁密的抗旱品种遭受干旱的影响也会比一般品种要小。
(4)种植分布。实际上,干旱强度大的地区其对应的粮食灾损量并不一定大,这主要是由于各地区的粮食灾损量不仅受到该地区干旱强度的影响,还与该省的种植结构和粮食作物播种面积有关。例如,美国玉米和大豆种植范围较为集中,集中分布在美国五大湖沿岸,因此在2012年旱灾来临之时,粮食产量受到巨大影响；而干旱强度大但粮食种植面积小的地区,其粮食灾损量也会相应较小。
04 我们能做什么？：干旱监测指标
人类自诞生以来,遭遇过许多自然灾害,并且都无一例外地平稳度过。这其中既有人性乐观不服输的内在心理因素,也有人类主观能动性的体现的结果。正如在经历海啸、地震后分别发明了海啸预警系统和地震预警系统,人类在面对干旱时同样也发明了许多可以用来预警干旱发生的前瞻性指标。
由于干旱设计的时空分布多样,范围广泛,使得单一的干旱定义很难满足各行业、各部门需求。美国气象学会在总结各种干旱定义的基础上,将干旱分为气象干旱、农业干旱、干旱、社会经济干旱。本文重点介绍气象干旱监测指标。
气象干旱是指某段时间内,由于蒸发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现象。目前,国内外常见的气象干旱指标主要有降水距平百分率、降水Z指标、Bhalme-Mooley干旱指标、Palmer干旱指标。
1、降水距平百分率。降水距平百分率指标是指某时段降水量与同期气候平均降水量之差除以同期气候平均降水量的百分比。降水距平百分率以历史平均水平为基础确定旱涝程度,反映了某时段降水量相对于同期平均状态的偏离程度,计算简单,应用广泛。但是该指标对平均值的依赖性较大,对于降水时空分布极不均匀的西北地区,则不宜使用统一的降水距平百分率作为标准。
2、降水Z指标。Z指标是我国使用最为广泛的气象干旱指标之一,它是在假定降水量服从Person-Ⅲ型分布的基础上提出的,通过对降水量进行频率分析来确定干旱的程度。通过对降水量进行正态化处理,可将概率密度函数Person-Ⅲ型分布转换为以Z为变量的标准正态分布。Z指数没有考虑到降水量年内分配不均等是影响干旱的重要原因这一关键。另外,Z指标只能评估某一特定时段内的旱涝情况,不能判定干旱的起止时间和发生过程。
3、Bhalme-Mooley干旱指标。Bhalme等在1980年提出了BMDI指标。该指标采用n个月的降水量资料,考虑到了降水量的年内分配,较年降水量的指标更加合理。BMDI指标仅考虑了降水量,可视为Palmer指标的简化形式。
4、Palmer干旱指标(PDSI)。1965年Palmer将前期降水、水分供给、水分需求结合在水文计算系统中,提出了基于水平衡的干旱指数PDSI,它是干旱研究史上的里程碑,是目前国际上应用最为广泛的气象干旱指标。该指标不仅引入了水量平衡概念,考虑了降水、蒸散、 径流、土壤含水量等条件,同时也涉及到一系列农业干旱问题,具有较好的时间、空间可比性。PDSI建立了一套完整的确定干旱持续时间的规则,能保证在以月为时间尺度上确定干旱的起始时刻和终止时刻。自建立之初,PDSI就被广泛应用到各个领域用以评估和监测较长时期的干旱,同时也是衡量土壤水分和确定干旱始终时刻最有效的工具。PDSI尽管被看成是气象干旱指标,但它考虑到了降水、蒸散发以及土壤水分等条件,所有这些都是农业于旱和水文干旱的决定因素,因此也可将PDSI作为农业干旱指标和水文干旱指标。PDSI是目前最成功的农业干旱指标。
