全球变暖已经成为一个不争的事实，与之相关的科学研究成为近年来的热点。IPCC第四次评估报告^[1]指出，最近100年(1906—2005年)全球地表温度上升了0.74(0.56—0.92)℃，比2001年第三次评估报告的100a(1901—2000年)上升0.6(0.4—0.8)℃有所提高。IPCC报告以及我国气候变化预估分析均表明，气候变化将会造成极端气候事件及气候灾害的频率和强度明显增强，气候灾害影响的区域增多，进而对社会经济可持续发展造成不利影响。长期以来，全球旱涝灾害频繁发生，对人类社会造成了重大的经济损失，严重威胁着社会、经济和环境的可持续发展。我国气象灾害平均每年造成的经济损失占全部自然灾害损失的70%以上，而旱灾是我国当前最主要的农业气象灾害，平均每年旱灾的受灾面积高达2200万hm²，占各种灾害受灾面积的40%以上，粮食损失约120亿kg^{[2, 3]}。由于干旱灾害发生频率高、持续时间长、影响范围广、后延影响大，对环境及农业的危害也非常大，是世界上影响最广、造成农业经济损失最大的自然灾害之一^{[4, 5]}。

近年来，许多学者使用不同的干旱指标对黄淮海地区的干湿状况从不同的角度进行了分析^{[6, 7]}，结果表明，黄淮海地区2000年以来偏干旱的区域面积较20世纪60年代有所增大，与此同时，极端情况相对较少；研究区域内有相当大面积的区域呈现偏干趋势，且干湿区域间的差异有更加显著的趋势，即半干旱区干燥度指数逐渐增大，而半湿润和湿润区的干燥度指数趋向减小。另外，马柱国等人^{[8, 9]}对我国北方地区1951—2000年的干湿状况分析指出近年来华北极端干旱频率显著增加，而极端湿润发生的频率相对减少，且我国北方主要农业区干旱面积呈扩大趋势，特别是华北等地干早面积扩大迅速形势严峻。这些研究很好的揭示了干旱的发展规律，但是研究更多偏向于气象干旱，未考虑农作物生长的阶段性干旱特征，且未能结合全球变化的气候背景。利用气象资料计算得到的相对湿润度指数综合考虑了降水和下垫面的蒸发情况，适用于作物生长季节旬以上尺度的干旱监测和评估^{[10, 11, 12, 13]}。因此，本文以温度、降水等气象数据为基础，使用相对湿润度指数归纳分析了冬小麦生长季及4个季节黄淮海平原干旱的时空变化特征，并且分析干旱特征与气候要素的关系，探究该地区干旱对气候变化的响应。

黄淮海平原属半干旱、半湿润地区，热量资源可满足喜凉、喜温作物一年两熟的要求，该区主要栽种方式是冬小麦—夏玉米。年降水量500—900 mm，季节分配不均，集中在夏季，7—8月的降水量约占全年的45%—65%。秋、冬、春三季均为水分亏缺的干旱期，小麦生长期内缺水达150—200 mm，全年水分支出大于收入，亏缺的水分约400 mm。黄淮海地区冬小麦一般在上年10月份播种，当年6月份收获，整个生育期正值降水量相对稀少时期，生育期间的降水量在125—250 mm之间，占年降水量的25%—29%，自然降水不能满足冬小麦生长的需要，因此冬小麦旱灾频发，一般年份冬春雨雪少，由于冬春气候干燥，积雪不多，所以春季温度上升极快，作物生长发育较迅速。春季干旱是该区小麦生产的一大威胁^{[14, 15, 16]}。

从黄淮海平原及周边筛选出61个(其中黄淮海平原35个站点，周边26个站点)具有1961—2011年完整观测序列的气象站点作为分析对象，各站近50年逐日降水量(mm)、平均气温(℃)、最低气温(℃)、最高气温(℃)、日照时数(h)、风速(m/s)和平均相对湿度(%)等气象数据以及经度、纬度和海拔高度(m)等地理数据由中国气象局提供。研究区域及所选气象站点分布见图 1。

图 1 黄淮海平原气象站点分布图 Fig.1 The location of meteorological stations in Huang-Huai-Hai Plain

图选项

干旱指标选用《气象干旱等级》标准中所提供的相对湿润度指数(划分等级见表 1)，其计算公式如下：

点击浏览公式

式中，P为某时段降水量(mm)，PE为某时段的可能蒸散量(mm)，本文采用FAO推荐的Penman-Monteith^[17]方法计算，计算公式如下：

点击浏览公式

式中,R_n为作物表面净辐射量(MJ m^-2 d^-1)；G为土壤热通量(MJ m^-2 d^-1)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa·℃)；γ为湿度计常数(kPa/℃)；T为空气平均温度(℃)；U₂为在地面以上2 m高处的风速(m/s)；e_s为空气饱和水汽压(kPa)；e_a为空气实际水压(kPa)。

本文分别分析春、夏、秋、冬四个季节和冬小麦生长季内相对湿润度和气候要素的年际变化与区域变化，其中3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—翌年2月为冬季，10—翌年6月为冬小麦生长季。

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：

其中

在时间序列随即独立的假定下，定义统计量：

式中,UF₁=0，E(s_k)，Var(s_k)是累计数s_k的均值和方差，在x₁,x₂,…,x_n相互独立，且有相同连续分布时，它们可由下式算出：

式中，UF_i为标准正态分布，它是按时间序列x顺序x₁,x₂,…，x_n计算出的统计量序列，给定显著水平α，若UF_i|>U_a,则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列x逆序x_n,x_n-1,…，x₁，再重复上述过程，同时使UB_k=-UF_k，k=n,n-1,…，1，UB=0。

如果UF_k和UB_k两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域^[18]。

从黄淮海地区近50年的相对湿润度的年际变化(表 2)可以看出，春季，冬季，以及冬小麦生长季内表现为不同程度的干旱，相对湿润度均小于-0.4，其中春季及冬小麦生长季内表现为轻旱，冬季表现为中旱；在夏季，无干旱发生，且春季和冬季都有极端干旱发生。春、夏季以及整个生长季都有变湿的趋势，秋季有变干的趋势，但是相对湿润度的变化趋势都不显著；冬季的相对湿润度呈极显著增加，表现为变湿的趋势。

从相对湿润度的区域变化(图 2)可以看出黄淮海地区的四季干旱特征总体表现为春季和冬季较干旱，而且干湿状况的分布均表现为由南向北干旱程度递增的趋势。春季，河北东南部及北京、天津西南部地区为重旱地区；天津东北部、唐山、河北西南部、河南黄河以北及山东兖州以北为中旱区域；在郑州与兖州一带至淮河流域之间的区域表现为轻旱特征；夏季，整个黄淮海地区都表现为湿润的特征。秋季，在整个黄淮海区域的黄河以北地区均表现为轻旱的特征，其余为湿润地区。冬季为黄淮海地区干旱程度最为严重的季节，北京西南部小部分地区出现特旱，而且整个黄河以北区域及济南至泰山一带都表现为重旱的特征，受旱面积达到整个黄淮海区域的一半左右；另外，山东南部及河南开封至西华一带呈中旱的特征；江苏与安徽的淮河以北及河南的驻马店至商丘一带表现为轻旱的特征。由图中可以看出，干旱的分布由南向北呈带状的分布，这主要也与黄淮海流域水系的纬向分布有关，且黄河以北的地区干旱较为严重，淮河以南基本为无旱区域。

图 2 春季、秋季、冬季相对湿润度的区域变化 Fig.2 The region variability of relative moist index in Spring,Autumn and Winter

图选项

由图 3(a)可以看出，从1961到2011年黄淮海地区在冬小麦生长季内的相对湿润度除个别年份外均小于-0.4，即表现为干旱的特征，且从相对湿润度的5a滑动平均可以看出，近50年该地区有变湿的趋势，但是趋势不明显。为了把握近50年冬小麦生长季内干旱变化规律，对相对湿润度的年际变化做MK突变检验(图 3b)，结果发现，在上下两条±1.96(α=0.05)的置信线内，1961—2011年黄淮海地区相对湿润度的UF与UB两条曲线在1978年相交，即1978年为突变开始的年份，1989年往后UF曲线趋势超过了1.96(α=0.05)的信度线，即1989—2011年为出现突变的时间区域。因此，分别将1961—1988年和1989—2011年两个时段作趋势分析(图 3c)，由图可知，在1961—1988年，相对湿润度呈现增加的趋势，也就是干旱减弱的趋势。而在1989—2011年，相对湿润度呈明显减小的趋势，即出现干旱加重的趋势。总之，虽然在整个分析期内冬小麦生长季干旱减轻，但是在近20年干旱出现了加重，且干旱加重的趋势为一种突变现象。

图 3 冬小麦生长季内相对湿润度的年际变化 Fig.3 The annual variation of relative moist index in winter wheat growing season

图选项

从图 4(a)中可以看出，黄淮海地区冬小麦生长季内的干湿特征的空间分布也呈现从南向北逐渐变干的趋势。其中，除秦皇岛以外，整个黄河以北地区均为中旱地区；山东中南部、河南中东部与江苏和安徽的西北小部分区域，表现为轻旱的特征；其余区域无干旱发生。从图 4(b)为相对湿润度的线性趋势分布，从图中可以看出，黄淮海地区除个别站点外相对湿润度均有增加的趋势，且趋势的分布从河南向西南方向及东北方向均有增加趋势，即河南省变湿的趋势最弱，而京津唐地区及安徽、江苏北部变湿的趋势较大，北京、保定、塘沽、黄骅、济南及西华和商丘的相对湿润度有显著增加的趋势。

图 4 冬小麦生长季内相对湿润度的区域变化 Fig.4 The region variability of relative moist index in winter wheat growing season

图选项

黄淮海地区降水主要集中在夏季，春、冬两季降水较少，所以从1961年到2011年这50年间，4个季节及冬小麦生长季的干旱发生的频率差别很大(图 5)。在春季，无旱的年份只有10%，轻旱和中旱的年份分别占到了36%和40%，其中2007—2010年这4a持续发生轻旱，中旱持续时间最长的则为1992—1996年连续5a；重旱发生的年份也占到了14%，分别为1962、1965、1968、1978、1981年及2000—2001年，这与中国气象灾害大典所记载的重大干旱灾害事件中黄淮海地区春旱的年份基本相符^[2]。夏季，基本无干旱年份。在秋季，无旱的年份占到了一半，轻旱和中旱的年份分别占38%和8%，其中1978—1982年持续5a发生轻旱，重旱发生的年份只有4%，分别为1966年和1998年；冬季，由于降水较少，干旱发生的频率也最大，无旱的年份只占10%，轻旱和中旱的频率分别为16%和28%，重旱的频率高达40%，其中1969—1973年连续5a都为重旱年份，在1962、1967和1976这3个年份，都发生了特级干旱；在整个冬小麦生长季，无旱的频率只有6%，轻旱和中旱的频率分别为68%和26%，其中轻旱从1999—2009年持续了11a之久，1964—1967年这4a则持续表现为中等干旱。

图 5 四个季节及冬小麦生长季内不同程度干旱的发生频率 Fig.5 The frequency of different drought in four seasons and winter wheat growing season

图选项

图 6为1961—2010年黄淮海地区干旱发生频率的区域分布，从图中可以看出，干旱频率的区域分布与干旱强度的区域分布有相似的规律，从南到北干旱发生的频率逐渐递增，且春季和冬季高频干旱发生的区域面积最大，京津、河北、山东及河南北部干旱发生的频率都达到80%以上，其余区域受旱频率也基本都达到了50%以上，仅安徽中部小片区域频率在40%以下；夏季，只有北京、河北及河南中北部地区的干旱发生频率在20%—40%，其余地区都在20%以下；秋季，干旱频率高于80%的区域主要为北京西部、天津南部及河北东部地区，干旱程度明显低于春冬两季，另外，干旱频率为60%—80%的区域只要分布在京津唐、河北南部及山东北部，河南东南部及安徽、江苏大部分区域的受旱频率都在40%以下。从整个冬小麦生长季的干旱频率分布来看，低频的区域面积要大于春冬两季，安徽的中北部、河南驻马店以南及江苏西部小部分区域的干旱频率都低于40%，但是，高频的区域仅次于春冬两季，京津、河北、河南中北部及山东的大部分区域的干旱频率都达到了80%—100%，另外，商丘、日照以南，驻马店、淮安以北区域的干旱频率也达到了40%—80%。

图 6 4个季节 (a，b，c，d) 及冬小麦生长季 (e) 干旱发生频率的区域分布 Fig.6 The region variability of drought frequency in four seasons (a,b,c,d,) and winter wheat growing season (e)

图选项

从表 3中可以看出，近50年来，4个季节与冬小麦生长季内日平均温度都有增加的趋势，这与近些年来气候变暖的事实相符，除夏季外日平均温度增加的趋势都通过了α<0.01的显著性检验，其中冬季的日平均温度增幅达0.420 ℃/10 a。4个季节和冬小麦生长季内的太阳辐射量、平均相对湿度和风速都表现出了减小的趋势，太阳辐射量和风速在4个季节和冬小麦生长季的变化趋势都通过了α<0.01的显著性检验，其中太阳辐射量在夏季的减幅达-0.728 MJ m^-2 d^-1 10 a^-1，风速在春季、冬季及冬小麦生长季的减幅都达到-0.200 m s^-1 10 a^-1以上；RH在冬小麦生长季减小的趋势通过了α<0.05的显著性检验，减幅为-0.687%/10 a。降水量的变化表现为夏秋两季减少，春季、冬季和冬小麦生长季内的降水量呈增加的趋势，其中冬季的变化趋势通过了α<0.01的显著性检验，为5.538 mm/10a。

从4个季节和冬小麦生长季内的相对湿润度与相应时段各气候要素之间的相对系数来看，相对湿润度的年际变化与降水量、太阳辐射与平均相对湿度这3个气候要素的相关性最大，其中与4个季节和冬小麦生长季的降水量的相关系数都达到了0.97以上，且都通过了α<0.01的显著性检验。另外，从表中可以看出相对湿润度与温度、辐射和风速都呈负相关，与相应时段太阳辐射量的相关性表现为春 季和冬季较高，达到了-0.588和-0.554，夏、秋季和生长季次之，相关性都通过了α<0.01的显著性检验；与平均相对湿度的相关性则呈现出从春季到冬季再到冬小麦生长季逐渐递减的规律，其中春季的相关系数最大，达到0.674，生长季的最小，为0.468；相关性也都通过了α<0.01的显著性检验。另外，相对湿润度的变化与相应时段的平均风速也表现出一定的相关性，其中和冬季的相关系数通过了α<0.01的显著性检验，达到了-0.244，与冬小麦生长季的相关系数通过了α<0.05的显著性检验，为-0.209；与平均温度的相关系数在春季和夏季通过了α<0.05的显著性检验，相关系数分别为-0.287和-0.391，由此可知黄淮海平原在春、夏两季将会随着温度的升高呈干旱化的趋势。通过以上分析可知，在全球气候变暖的这样一个气候变化的背景下，黄淮海地区的平均温度有升高的趋势，太阳辐射、平均相对湿度与风速则有降低的趋势；相对湿润度的年际变化与降水、太阳辐射和相对湿度的变化极显著相关，即黄淮海地区的干旱的特征对这3个气候要素的变化最为敏感，其次，风速在冬季和冬小麦生长季也与相对湿润度表现出显著的相关性。

(1)1961—2011年冬小麦生长季内黄淮海地区有干旱缓解的趋势。在1961—1988年，相对湿润度呈现增加的趋势，也就是干旱减弱的趋势。而在1989—2011年，相对湿润度呈明显减小的趋势，即出现干旱加重的趋势。总之，虽然在整个分析期内冬小麦生长季干旱减轻，但是在近20年干旱出现了加重，且干旱加重的趋势为一种突变现象。

(2)黄淮海地区1961年以来，春季、冬季以及冬小麦生长季内均表现为不同程度的干旱，干旱频率都达到90%以上，其中春、冬两季最为干旱，3个时段整个黄淮海中北部地区都为高频干旱区域，且四个季节及冬小麦生长季干旱程度及干旱频率的区域分布均表现为由南向北递增的趋势。

(3)相对湿润度的年际变化与降水、太阳辐射和相对湿度的变化极显著相关，即黄淮海地区的干旱的特征对这三个气候要素的变化最为敏感。

本研究所采用的相对湿润度指数真实客观的反应了干旱的发生强度，干旱的季节和区域分布结果与历史记载的黄淮海平原干旱的发生规律与特征基本相符，其中春旱最为严重，河北、河南与山东等地多以春旱为主，山东与河南秋旱频率也较高^{[19, 20, 21]}，研究结果能够从气象干旱的角度为黄淮海平原的农业生产提供一定的抗旱依据，对于冬小麦生产来说，研究并未考虑当地土壤墒情、灌溉、耕作、社会经济等因素，结果所反映的干旱特征在冬小麦生产过程中并不能代表实际的农业干旱情况，尤其是冬季的干旱，由于冬季麦苗需水量不大，叶面积小进而蒸发量小，再加上黄淮海平原大部分麦区都有浇冻水的习惯，所以即使文章得出的结论为冬季的气象干旱非常严重，但实际生产中只要冻水浇的适时适量，土壤底墒良好，小麦根扎的好，就能够抗御一定程度的干旱^[22]。因此，想要进一步识别冬小麦生长过程中的干旱特征，应从农业干旱的角度入手，在计算相对湿润指数时将作物参考蒸散量订正为冬小麦实际蒸散量^[10]，则能更好的反应冬小麦生产中的干旱状况。另外，黄淮海平原降水以及蒸散在空间上的不平衡性^[23]，导致黄淮海平原干旱特征南北差异明显。一些学者^{[7, 9]}的研究结果表明，黄淮海地区有相当大的区域呈现偏干旱趋势，这与本文该区域近50年来在冬小麦生长季内有变湿的趋势有所差别，主要原因是由于黄淮海地区50年来降水在减少^[24]，且该地区的降水主要集中在7—8月^[15]，而本文得出的结果是在冬小麦生长季内降水有增加的趋势，所以夏秋两季降水减少导致全年的干旱特征有增加的趋势，而冬小麦生长季的干旱特征则表现为减弱的趋势。研究表明相对湿润度与风速也表现出一定的相关性，这主要是由于风速会影响下垫面的蒸发，从而导致相对湿润度的变化。另外，应对气候变化已越来越受到重视^[25]，且气候变化的影响具有明显的季节性和区域差异性^[26]，文中结论表明黄淮海平原在春、夏两季随着温度的升高有干旱化的趋势。因此，在未来的农业生产中，不但要建立极端天气气候事件与自然灾害的早期预警系统，完善区域性农业科学管理与生产决策支撑体系，也应通过选择抗旱性较强的品种及调整耕种方式和管理措施，尤其是针对黄淮海平原春季干旱的灌溉设施等对策来适应气候变化^{[27, 28, 29]}。