遼寧省農(nóng)作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風(fēng)險度

謝華光

(遼寧省朝陽市氣象局，遼寧 朝陽 122000)

0 引言

【研究意義】全球性氣候變暖引起的氣象災(zāi)害問題已受到廣泛關(guān)注[1-2]，可利用水資源的逐漸減少，荒漠化將導(dǎo)致植被逐漸消亡，干旱繼續(xù)加重將導(dǎo)致糧食減產(chǎn)或絕收，影響人類生存[3-5]。中國每年約有40%的面積受氣象災(zāi)害侵?jǐn)_，糧食減產(chǎn)近120億kg，其中干旱受災(zāi)面積2 200萬km2左右[6]。遼寧省位于東北地區(qū)的西南部，除沿海之外以種植業(yè)為主，是東北地區(qū)干旱災(zāi)害較為嚴(yán)重的區(qū)域。因此，研究降水資源變化，了解并掌握其降水資源變化和干旱災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，對適應(yīng)氣候變化進(jìn)程、及時調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高抗風(fēng)險能力和確保糧食生產(chǎn)安全具有重要意義。【前人研究的進(jìn)展】魏鳳英等[7]研究表明，東北地區(qū)夏季干旱頻發(fā)的原因主要是源于環(huán)流背景變化的結(jié)果。張淑杰等[8]報道，東北地區(qū)玉米生育期的干旱頻率呈增加趨勢。謝安等[9]研究認(rèn)為，東北區(qū)干旱化趨勢與全球氣候變暖有關(guān)，全球平均氣溫每上升1℃，中國東北區(qū)的干旱化程度增加5%～20%；最大可達(dá)22%。張淑杰等[10]研究遼寧省旱災(zāi)分布特征及其形成的主要原因認(rèn)為，降水量季節(jié)分布特征是發(fā)生干旱的主要原因?？梢?，干旱災(zāi)害具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)性特征[11-12]，而農(nóng)作物生長季節(jié)干旱災(zāi)害所造成的損失最大?！狙芯康那腥朦c】目前，未見關(guān)于遼寧省農(nóng)作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風(fēng)險度的研究報道。選用干濕指數(shù)作為干旱指標(biāo)，研究1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季(4-9月)干旱頻率和變化趨勢，定量分析農(nóng)作物生長季降水滿足程度及干旱等級?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探明遼寧省農(nóng)作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風(fēng)險度，以期為遼寧省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、規(guī)避干旱風(fēng)險和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中高緯度的東北地區(qū)南部(118°53'～125°46' E，38°43'～43°26' N)，東亞大陸東岸，南瀕黃海與渤海，屬溫帶濕潤和半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)[13]。由于受地理位置影響，參照文獻(xiàn)[14]的方法將遼寧省分為遼東、遼中和遼西3個氣候區(qū)，遼東：長白山脈以東的丹東、撫順和本溪形成的遼東半島濕潤氣候區(qū)，遼中：遼河平原為主的鐵嶺、沈陽、鞍山、遼陽、錦州、葫蘆島、盤錦、營口和大連形成的半濕潤氣候區(qū)，遼西：阜新和朝陽地區(qū)受內(nèi)蒙古高原氣候的影響形成的丘陵半干旱氣候區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

參照文獻(xiàn)[13-14]的氣候分區(qū)結(jié)果，在各氣候區(qū)選取具有代表性的國家級氣象基準(zhǔn)站(丹東、沈陽、朝陽)1951-2020年近70年農(nóng)作物生長季(5-9月)的降水和氣溫資料，由遼寧氣象信息服務(wù)中心提供。

1.3 方法

1.3.1 干旱指標(biāo) 選用干濕指數(shù)(K)[15-16]作為農(nóng)作物生長季節(jié)干旱評估指標(biāo)，計算公式：

K=R/0.16∑Ti

式中，K為干濕指數(shù)(無量綱)，R為5-9月各月降水量，∑Ti為同期≥10℃積溫；干濕指數(shù)(K)的干濕等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及干旱風(fēng)險等級見表1。

表1 干濕指數(shù)(K)及干旱風(fēng)險度(F)氣象干旱等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 降水滿足度 積分濕潤指數(shù)(I)是農(nóng)業(yè)作物生長季實際耗水量與大氣降水量之間的函數(shù)關(guān)系。積分濕潤指數(shù)方法評價降水滿足度適用于季節(jié)性降水的北方地區(qū)[16]，可采用此方法評價大氣降水對農(nóng)作物生長季需水的滿足程度。

I=100∑(Kiti)/∑ti

式中，I為積分濕潤指數(shù)，即大氣降水對農(nóng)作物生長季需水的滿足程度(%)；Ki是干濕指數(shù)，ti為月平均氣溫；∑ti為月平均氣溫之和。

1.3.3 干旱風(fēng)險度 分析每年農(nóng)作物生長季的干旱風(fēng)險程度，參照文獻(xiàn)[17]的方法引入干旱風(fēng)險度概念，并進(jìn)行歸納和調(diào)整。計算公式：

Fj=max(F5ji；F6ji；F7ji；F8ji；F9ji)

式中，F(xiàn)ji=(0.9-Kji)×100，K<0.9，F(xiàn)j為某地區(qū)作物生長季最大干旱風(fēng)險度(%)，F(xiàn)ji代表某地區(qū)某月的干旱風(fēng)險度，F(xiàn)5ji、F6ji、F7ji、F8ji、F9ji分別代表5-9月各月干旱風(fēng)險度；0.9為干濕閾值，當(dāng)K≥0.9時取值均為0.9。

1.3.4 降水量(R)、積分濕潤指數(shù)(I)和干濕指數(shù)(K)的變化趨勢及氣候突變檢驗 參照文獻(xiàn)[18]的方法，采用一元線性回歸和非參數(shù)檢驗方法(Mann-Kendall,M-K)分析不同區(qū)域、農(nóng)作物不同生長時期R、I和K隨時間的變化趨勢及氣候突變狀況。非參數(shù)檢驗設(shè)定顯著水平為0.05，臨界值為±1.96，若UF曲線與UB曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界值之間，則序列數(shù)據(jù)隨時間變化趨勢明顯，交點對應(yīng)的時間即為氣候的突變點。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)作物生長季降水量的變化

從圖1看出，遼寧省降水分布呈東南多西北少的特點，在農(nóng)作物生長季節(jié)(5-9月，下同)，遼東年平均降水量為797.90 mm，遼中為560.90 mm，遼西為409.40 mm。遼寧省農(nóng)作物生長季歷年降水量呈減少趨勢，經(jīng)一元線性回歸分析，1951-2020年遼東、遼中和遼西降水量分別線性減少175.90 mm、149.80 mm和61.10 mm，分別占農(nóng)作物生長季降水量的22.10%、26.70%和14.90%。經(jīng)Mann-Kendall檢驗，1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季降水序列的原序列(UF)與反序列(UB)在0.05顯著水平內(nèi)相交于1979/1980年，發(fā)生由高至低突變，突變后(1980-2020年)較突變前(1951-1979年)降水量平均減少約60.00 mm，其中，遼東、遼中和遼西分別減少82.00 mm、59.00 mm和38.00 mm。

圖1 1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季降水量的年變化及M-K突變檢驗

2.2 農(nóng)作物生長季的降水滿足度

從圖2可知，隨著農(nóng)作物生長季降水量的減少，降水對農(nóng)作物的滿足程度(I)呈顯著下降趨勢。經(jīng)一元線性回歸分析，遼東降水滿足度傾向率為-5.64%/10a(r=-0.278，P>0.01)，近70年里，下降39.50%；遼中降水滿足度傾向率為-5.52%/10a(r=-0.518，P>0.01)，近70年里，下降38.60%；遼西降水滿足度傾向率為-2.52%/10a(r=-0.227，P>0.05)，近70年里，下降17.60%。經(jīng)Mann-Kendall檢驗，1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季降水滿足度序列的原序列(UF)與反序列(UB)在0.05顯著水平相交于1979/1980年，發(fā)生由高至低突變，突變后(1980-2020年)較突變前(1951-1979年)降水滿足度平均下降約15.60%，其中遼東、遼中和遼西分別下降18.60%、17.10%和11.00%。

圖2 1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季降水滿足度的年際變化及M-K突變檢驗

2.3 農(nóng)作物生長季干濕指數(shù)的年際變化

從圖3看出，1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季干濕指數(shù)(K)呈顯著減小趨勢。經(jīng)一元線性回歸分析，遼東干濕指數(shù)傾向率為-0.052/10a(r=-0.298，P>0.01)，近70年里，下降0.36；遼中部干濕指數(shù)傾向率為-5.520/10a(r=-0.335，P>0.01)，近70年里，下降0.32；遼西干濕指數(shù)傾向率為-2.515/10a(r=-0.227，P>0.05)，近70年里，下降0.21。經(jīng)Mann-Kendall檢驗，遼寧省1951-2020年農(nóng)作物生長季干濕指數(shù)序列的原序列(UF)與反序列(UB)在0.05顯著水平相交于1979/1980年，發(fā)生由高至低突變，平均減小約0.14，突變后遼東、遼中和遼西分別減小0.18、0.13和0.10，干旱程度升高約1個等級。

圖3 1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季干濕指數(shù)的年際變化及M-K突變檢驗

M-K mutation test

2.4 農(nóng)作物生長季的干旱風(fēng)險度

從表2可知，1951-2020年遼東、遼中和遼西農(nóng)作物生長季干旱風(fēng)險程度的變化。遼東：農(nóng)作物生長季最大干旱風(fēng)險度的年際變化為2.00%～87.00%，平均47.90%，呈上升趨勢，傾向率為1.23%/10a，近70年增加8.6百分點。經(jīng)Mann-Kendall檢驗，1979/1980年為突變點，突變后干旱風(fēng)險度平均升高7.20百分點。從各月干旱風(fēng)險度變化看，遼東地區(qū)干旱主要發(fā)生在5月、6月和9月，干旱風(fēng)險度均在20%以下，其中5月干旱風(fēng)險度減小3.20百分點，6月增加3.40百分點，9月增加3.8百分點。遼中：農(nóng)作物生長季最大干旱風(fēng)險度年際變化為5.6%～89.9%，平均51.80%，呈顯著上升趨勢，傾向率為2.31%/10a，近70年增加16.2百分點。經(jīng)Mann-Kendall檢驗，以1979/1980年為突變點，突變后干旱風(fēng)險度平均升高8.40百分點。從各月干旱風(fēng)險度變化看，以5月、6月和9月干旱最嚴(yán)重，各月干旱風(fēng)險度為7.90%～28.40%，5月干旱風(fēng)險度線性增加2.00百分點，8月和9月則顯著增加2.60百分點和3.90百分點。遼西：農(nóng)作物生長季最大干旱風(fēng)險度年際變化為28.20%～90.00%，平均63.10%，呈顯著上升趨勢，傾向率為1.55%/10a，近70年增加10.20百分點。經(jīng)Mann-Kendall檢驗，以1979/1980年為突變點，突變后干旱風(fēng)險度平均升高4.90百分點。從各月干旱風(fēng)險度變化看，各月干旱出現(xiàn)概率均較多，且干旱非常嚴(yán)重，各月干旱風(fēng)險度為14.60%～47.20%，5月和9月發(fā)生概率在90%以上，6月為10年6旱，7月為10年4旱，8月為10年5旱； 7月和9月干旱風(fēng)險度顯著升高，分別增加2.80百分點和4.60百分點；輕旱-重旱平均出現(xiàn)3.7次/a，每年平均發(fā)生干旱的概率為61.7%；中旱-重旱平均出現(xiàn)2.70次/a，概率為45.00%；重旱以上出現(xiàn)1.40次/a，概率為23.30%。

表2 1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季的干旱風(fēng)險度變化

3 討論

遼寧地區(qū)氣溫升高，升高的幅度接近全國平均水平[1,19]。研究結(jié)果表明，1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季降水量呈顯著減少趨勢，1979/1980年發(fā)生減少突變，突變后遼東、遼中和遼西農(nóng)作物生長季降水量分別減少82.0 mm、59.0 mm和38.0 mm，與劉曉靜等[20-23]的研究結(jié)果一致；農(nóng)作物生長季降水量滿足程度呈下降趨勢，1979/1980年發(fā)生下降突變，平均下降15.6%，突變后遼東、遼中和遼西分別下降18.6%、17.1%和11.0%；農(nóng)作物生長季干濕指數(shù)呈顯著遞減趨勢，1979/1980年發(fā)生減小突變，平均減少約0.14，突變后遼東、遼中和遼西分別減少0.18、0.13和0.10；農(nóng)作物生長季干旱風(fēng)險度呈顯著上升趨勢，1980年后，遼東干旱風(fēng)險度升高7.2百分點，其中6月增加3.4百分點，9月增加3.8百分點；遼寧中部干旱風(fēng)險度升高8.4百分點，其中5月增加2.0百分點，8月和9月增加2.6百分點和3.9百分點；遼中干旱風(fēng)險度升高4.9百分點，遼西是干旱非常嚴(yán)重的地區(qū)，5月和9月發(fā)生概率為90%以上，6月為10年6旱，7月為10年4旱，8月為10年5旱，1980后7月和9月干旱風(fēng)險度顯著升高，分別增加2.8百分點和4.6百分點；與王濤等[14]的研究結(jié)果一致。大氣降水對農(nóng)作物生長尤為重要，在氣溫升高、降水減少的氣候條件下，暖干旱化趨勢明顯[24-25]。研究所采用的干濕指數(shù)、積分濕潤指數(shù)(降水的農(nóng)作物滿足度)、干旱風(fēng)險度方法是在劉振宏等[17,26]研究基礎(chǔ)上總結(jié)制定的干旱分級標(biāo)準(zhǔn)，并從方法上做了新的拓展?？陀^真實地反應(yīng)了遼寧省東、中、西部干旱的發(fā)生頻率和強(qiáng)度，干旱分析結(jié)果與歷史記載干旱發(fā)生狀況基本一致，其中5月是農(nóng)作物苗期，9月是成熟期，為干旱最嚴(yán)重時期，遼寧7-8月多雨季節(jié)與農(nóng)作物旺盛生長期相重合，干旱頻率和強(qiáng)度低于其他時期。遼寧干旱化日趨嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整勢在必行。干旱風(fēng)險度是對不同時段出現(xiàn)干旱以及干旱程度的考量，其方法還需進(jìn)一步深入研究，以更加準(zhǔn)確地明確干旱的變化特征。研究結(jié)果為了解遼寧地區(qū)大氣降水的變化狀態(tài)，掌握干旱變化特征，認(rèn)知干旱的嚴(yán)重程度，規(guī)避干旱風(fēng)險的農(nóng)業(yè)管理奠定基礎(chǔ)，為“三農(nóng)”及糧食生產(chǎn)安全以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和防旱減災(zāi)提供參考。

4 結(jié)論

1951-2020年遼寧省農(nóng)作物生長季降水量呈顯著減少趨勢，1979/1980年發(fā)生減少突變，平均減少約60.00 mm；農(nóng)作物生長季降水量滿足程度呈下降趨勢，1979/1980年發(fā)生下降突變，平均下降15.6%；農(nóng)作物生長季干濕指數(shù)呈顯著遞減趨勢，1979/1980年發(fā)生減小突變，平均減小0.14；農(nóng)作物生長季干旱風(fēng)險度呈顯著上升趨勢。