高原夏菜复合气象灾害综合评判与分析

郭小芹，司马义·阿不力孜

（1.武威国家气候观象台，甘肃 武威733000；2.哈密市气象服务中心，新疆 哈密839000）

气候变化下极端事件频发，农业生产常常遭遇多种灾害影响，这种影响伴随作物生长过程始末，不仅加剧了农业生产的波动性，还给农业灾害研究提出了挑战[1-3]。与单一灾害相比，准确度量多种灾害影响要复杂得多[4]，比如高温下的持续干旱、低温冷害下的连阴雨，这类灾害复合性强，机理复杂，灾情严重[5]，且随着气候变暖，出现频次明显增加[6]。高原夏菜生长季正值高温干旱、低温阴雨多发时段，加上露地种植，极易成灾而减产。随着高原夏菜产业规模的逐年扩大，近年来种植区域逐渐向河西走廊南北两翼扩展，生产风险随之加大。如何定量评估气象灾害对不同种植区域的影响，是产业布局的迫切需要。

农业气象灾害风险评估是对气象灾害发生可能性以及农业产量及经济损失的一种评估。近年来单一灾害评估已有诸多研究[7-8]，复合灾害研究尚处于探究阶段。由于大部分灾损是作物生长过程中多种灾害的复合影响，巨灾形成也是多个致灾因子链式触发的结果[9]，因此如何评估复合影响成为农业灾害研究的重要课题。综合评估是通过一定的数学模型将多个指标“合成”为一个整体性评价值，在很多领域已得到推广[10-11]。依托高原夏菜生长特征，本文对复合灾害进行定义，建立典型灾害判别指标，利用综合评价方法构建评价模型，是对作物生长时段复合灾害强度的一种度量方式。评价结果可以作为产量预报、灾损评估、灾害防御的基础。

河西绿洲地处青藏高原边坡地带，属温带大陆性干旱气候，降水稀少，光照充足，温度日较差大，病虫害少，适合喜温耐热蔬菜、半耐寒与耐寒蔬菜生长[12]。河西东部高原夏菜种植始于20 世纪90 年代，2010 年以后规模化生产，目前已形成以叶菜类、叶球类、花球类、茎菜类、葱蒜类为主，以种植、加工、输出为链条的产业带。作为我国西菜东运、北菜南运优质“菜篮子”主产区，2021 年河西东部蔬菜产业种植面积达5.778×104hm2，产量达3.465×109kg，收益明显高于小麦、玉米、马铃薯。通过复合气象灾害影响的综合研究，可为产量提升、因地制宜生产提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

河西东部泛指武威绿洲区、祁连山东北缘、石羊河流域，含永昌、凉州、民勤、古浪、天祝5 个行政区。露地高原夏菜生产季为5—9 月，受热量条件影响，不同区域播种期与收获期会有一定差异，为便于分析，以7 月15 日为分割点，前期为春茬，后期为夏茬。分析数据包括2010—2021 年逐日平均温度、最高温度、最低温度、降水量、日照时数，产量、年景、灾损数据均来自农业统计年鉴，试验数据来自观测基地。

受祁连山复杂地形影响，河西东部从西北到东南渐次分布着山地、平原、沙漠，地势西北高东南低，以海拔高度对种植区域划分，并按照空间布局均一性，选取若干代表站以表征区域基本状况。典型灾害基本特征以及复合灾害强度均源于该区域代表站平均值（表1）。

表1 河西东部高原夏菜不同种植区域

1.2 复合气象灾害评价模型

复合灾害指在特定时段内多种气象致灾因子并存或相继出现的一种状态。如果将每个生产过程视为一个事件，针对每一致灾因子出现时间、发生频次、灾害强度、持续时段，按照史培军[13]对自然灾害综合风险评估的基本思路，可对本次事件多灾种进行系统评估。评价结果代表了复合灾害相对风险等级[14]。评价值越大，复合灾害强度越大。

综合评价 （Comprehensive Evaluation of Composite Disasters，CED）模型为：

式中：i 表示生长季内气象灾害种类，DIi为某一致灾因子风险指数，可称致灾程度（Degree of influence，DI），ωi为该致灾因子在评价体系中所占权重。不同灾害类型对作物危害机理有所不同，以权重形式可最大程度突出主导因子的作用。

单灾种风险评价是复合灾害评价模型的基础。依据风险指数研究结论[15-16]，某一致灾因子风险指数可用下式计算：

式中：i 表示致灾因子即气象灾害类型，j 表示致灾强度等级；qij表示第i 个气象灾害在j 等级上的风险指数；pij为不同等级在该评价体系中所占的权重。

1.3 致灾指标

依据高原夏菜生产特征以及跟踪观测数据，基于气象灾害表现形式、产生结果，遴选出高温热害（P1）、持续干旱（P2）、低温冷害（P3）、强降水影响（P4）、持续弱光照（P5）5 种典型灾害，并按照可能损失程度，定义轻度、中度、重度、特大灾害阈值（表2），等级越高，可能灾损程度越高。

表2 高原夏菜致灾因子判别指标及分级标准

从典型灾害影响看，高温热害出现频次最多，轻度、中度、重度、特大等级中最多日数依次为38、15、10、3 d，在高温影响下持续干旱频频出现，最长持续时间为59 d，且在一个生产季里会出现2～3 次过程，成为影响高原夏菜生长极其重要的因素。由表2可知，极端事件均出现在近几年，除了低温冷害以外，其余指标均打破近60 年气象记录。

典型灾害影响是出现频次与致灾强度的综合体现。除了强降水影响以外，致灾因子判别指标还表征了灾害的持续性，如连续无降水以及持续弱光照日数，是长时间累积值。尽管高温热害与低温冷害仅表征阈值出现日数，但从温度变化上看，日最高（低）温度一定是与前一日基础值相关联的变量，后一阈值是基于前期基础值的变化，因此这2 个指标也可以看成是某一阈值随时间的变量，累计日数越多，基础温度越高，灾害强度越大。

2 结果与分析

2.1 典型灾害及致灾等级的权重确定

依据高原夏菜生长特点以及种植专家意见，基于AHP 层次分析法[17]，对不同灾害类型、不同致灾程度分别打分，1 为同等重要，2～8 为相对重要，9 为极端重要，通过比较，构造两类指标G-P 判别矩阵，二者均通过一致性检验，说明两种判断矩阵均成立。

特征向量表征了不同致灾因子和致灾程度的权重。由表3 可知，典型灾害中高温热害最严重，若叠加持续干旱，将会严重影响高原夏菜生长；在不同影响程度上（表4），特大灾害影响极大，若叠加重度灾害，会对种植区域产业发展构成严重威胁。

表3 高原夏菜生长季典型灾害G-P 判断矩阵

表4 高原夏菜生长季灾害等级G-P 判断矩阵

2.2 不同区域典型灾害变化特征

对研究时段高原夏菜典型灾害出现频率进行分析，发现多种灾害并发高发特征非常显著。高温热害频繁影响沙川地带，在晴热天气下沿沙区春茬持续干旱次数明显偏多。低温冷害主要出现在春茬苗期，几乎影响所有生产区域。持续弱光照对山区地带春茬影响最重，夏茬影响多出现在秋季连阴雨期间。春茬中高温热害、持续干旱、低温冷害在沿沙区每年都有，沿川区明显偏多（97%、61%、83%）；山区地带低温冷害、持续弱光照每年都有；浅山区低温冷害每年发生。夏茬中高温热害在沙川地带每年都有，沿沙区持续干旱、低温冷害频繁出现（67%、58%），沿川区低温冷害明显（58%），浅山区受高温热害、持续弱光照影响（75%、67%）；山区低温冷害、持续弱光照偏多（83%、50%）。

2.3 复合灾害强度阈值指标以及分析

为了消除量纲以及数据在取值范围上的双重影响，在复合灾害评价之前，对各类典型灾害风险指数进行标准化处理。采用离差法［0，1］线性变换，并对不同区域复合灾害逐年评价，通过阈值指标，实现复合灾害强度评判（表5），以此量化高原夏菜生长季节复合灾害强度，并对可能灾损程度做出判识。

表5 高原夏菜生长季复合灾害强度判定指标

对2010—2021 年高原夏菜生产季灾损程度进行分析，从出现频次上可以看出无灾、轻度灾、中度灾、重度灾、特大灾的基本特征。春茬中累计次数依次为6、31、4、2、5 次，其中特大灾、重度灾在沿沙区出现4 次、沿川区出现2 次、浅山区出现1 次。夏茬中依次为6、28、4、4、6 次，其中特大灾、重度灾在沿川区出现4 次、沿沙区出现3 次、浅山区出现2 次、山区出现1 次。特大灾、重度灾是影响区域灾损程度的主要因素。

2.4 不同种植季复合灾害强度特征

春茬中沿沙区温度逐年攀升（0.298 ℃·a-1，P＜0.01），灾害强度明显增加（0.029·a-1，P＜0.05），2014、2017、2021 年出现特大灾，2020 年出现重度灾，复合灾害已严重威胁到产业发展（图1a）。沿川区2017 年出现23 d 高温天气、45 d 持续干旱而表现出特大灾，2016 年为重度灾（图1a）；山区未出现过重大灾害；浅山区仅在2017 年出现特大灾（图1b）。

图1 2010—2021 年高原夏菜不同区域复合灾害强度变化

夏茬中沿川区2016、2018 年为特大灾，2010、2021 年为重度灾，成灾次数明显偏多；沿沙区2021年为重度灾，2010、2018 年为特大灾（图1c）。2018年高温持续16 d 以上，最高温度达到40.5 ℃，区域性强降水打破历史极值，在多种灾害胁迫下，沿沙区平均亩产减少13%左右。山区、浅山区特大灾均出现在2010 年，受持续低温以及弱光照影响，幼苗期延迟10～15 d，生产过程一度受阻（图1d）；浅山区在2011 年出现重度灾。

春茬风险指数最大值为0.518（2017，特大灾），次大值为0.369（2014，中度灾）。从多年平均值看，沿沙区、沿川区复合灾害强度最重（0.322、0.291），浅山区最轻（0.183）。不同区域复合灾害强度均呈增加趋势，但仅有沿沙区通过显著性检验。夏茬风险指数最大值为0.536（2010 年，特大灾），次大值为0.407（2018 年，重度灾），复合灾害强度总体偏大。与春茬相比，沿川区、沿沙区略轻，山区略重，浅山区明显偏重。从趋势上看，沿川区、沿沙区呈上升趋势，山区、浅山区呈下降趋势，但均未通过显著性检验。

气象灾害是农业损失的首要影响因素。从复合灾害平均强度看，夏茬比春茬偏高，主要原因是高温干旱持续出现，且往往跨越2 个生产季；从复合灾害强弱上看，春茬依次为沿沙区、沿川区、浅山区、山区，夏茬依次为沿沙区、沿川区、山区、浅山区；在整个生产季里，沿沙区、沿川区灾害强度持续偏高，使高原夏菜生产面临极大的不确定性。

2.5 个例分析

以天祝藏族自治县区抓喜秀龙乡蔬菜基地（37.1°N，102.5°E，海拔2 810 m）为试验点，生产季（5—9 月）平均温度为12.4 ℃，最高温度为32.9 ℃，最低温度为-8.0 ℃，降水量为315 mm，平均风速为1.4 m/s，日照时数为1 020 h，≥10 ℃积温为1 616 ℃。从2018 年起项目组就对高海拔冷凉山区优质白皮蒜苗跟踪观测，2021 年定植期始于6 月中旬，采收期为9 月中旬，首次采样（7 月20 日）正值花芽鳞芽分化期，6 个样本区（3 m×3 m）蒜苗生长量正常。从历年观测数据看，从该生育期到蒜薹伸长期（7 月30日），各指标均应持续增长，可7 月31 日检测结果却明显下滑（表6）。经过分析，这一结果与前期气象条件密切关联。7 月24—28 日试验区出现连阴雨，过程降水量为28.9 mm，累积日照为4.1 h，属于持续弱光照中度灾害，风险指数为0.857；9 月5—11 日试验区出现持续低温，最低温度为0.9 ℃，属于低温冷害轻度灾害，风险指数为0.102。选取抓喜秀龙测站逐日气象资料，对种植时段复合气象灾害综合评价，结果为0.370（中度灾害）。2021 年蒜苗每公顷产量为39 750～42 000 kg，比上年度减产5%～8%，评价结果得到验证。

表6 2021 年高海拔冷凉山区白皮蒜苗生长量

3 结论

河西东部高原夏菜露地生长阶段正值气象灾害频发期。将高温热害、持续干旱、低温冷害、强降水影响以及持续弱光照作为典型灾害，按照可能损失程度，划分轻度、中度、重度、特大灾害阈值指标，通过复合灾害影响评价，揭示了不同生产季不同地域的成灾特征，得到以下结论：

（1）沿川区、沿沙区高温热害最典型，加上持续干旱，复合灾害程度将会进一步加剧。复合灾害强度在春茬沿沙区中明显增加（0.029·a-1，P＜0.01），已经威胁到产业发展；春茬中复合灾害强度由大到小依次为沿沙区、沿川区、浅山区、山区，夏茬依次为沿沙区、沿川区、山区、浅山区，且夏茬受灾程度明显高于春茬。

（2）对高原夏菜典型气象灾害进行多灾种综合评价，评价结果代表了一定时段复合气象灾害影响强度，这种方法有别于文献[2，10]中对单一灾害的度量，也是对文献[13，14]中风险度量的具体化应用。依据评价结果，高原夏菜生产需因时因地制宜。如选择适宜播种期，尽量避开晚霜冻对春季幼苗大面积冻害；适时灌溉，减轻高温热害、持续干旱对沙川地带的危害程度，尤其在春末夏初“卡脖子”旱期，尽可能保障植株水分所需；以适应性、抗逆性为原则，适度调整种植产品，尽可能使种植品种适应区域气候变化的要求。

（3）利用高海拔冷凉地区优质气候资源，高原夏菜带动了河西东部农业产业化快速发展。伴随种植规模的逐步扩大，高原夏菜生产区域逐渐延伸至沿川区、沿沙区，在复合灾害影响下生产过程呈现出很多不确定性，灾害类型、发生时段、影响程度、地域差异等还需要进一步分析验证，如播种期条件、产量与品质指标、区域产品差异化等。随着气候变暖与极端气候事件频发，复合灾害影响评价将会成为趋势，相关研究将会提升农业灾损的科学度量。