東北地區(qū)近50年農(nóng)作物生長季干旱趨勢研究*

陳莉，方麗娟，李帥

(1.黑龍江省哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱150080;2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150030)

在所有自然災(zāi)害中，旱災(zāi)影響的范圍最廣，影響的人口最多。據(jù)民政部統(tǒng)計(jì)，1989－1998年，全國干旱所造成的災(zāi)害在所有氣象災(zāi)害中占50%，1999－2005年，達(dá)到60%以上［1］。東北地處我國中高緯度，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，更是氣候變化較敏感的季風(fēng)氣候區(qū)。近百年來東北溫度增加了1.43℃，是全球增溫率的2倍，全國增溫率的3倍［2］。在氣候變暖的大背景下，東北區(qū)的干旱有所發(fā)展，西部的荒漠化和沙漠化問題比較嚴(yán)重［3］。特別是1990年代中期以后，中國東北地區(qū)進(jìn)入降水相對較少的階段，除1998年嫩江流域出現(xiàn)特大洪水以外，降水一直偏少。1999年以后三年降水持續(xù)偏少，所造成的干旱比有資料以來的任何一個(gè)時(shí)期都要嚴(yán)重［4－6］。近年來，有關(guān)東北地區(qū)干旱加強(qiáng)與否的問題受到了廣泛關(guān)注。孫永罡等［7］應(yīng)用實(shí)測的降水、氣溫和土壤濕度資料分析得出我國東北區(qū)近50年干旱進(jìn)一步發(fā)展;鄒旭愷等［8］利用綜合氣象干旱指數(shù)得出，東北干旱化趨勢顯著。王志偉等［9］采用Z指數(shù)計(jì)算了干旱發(fā)生范圍，指出我國北方主要農(nóng)區(qū)干旱面積呈擴(kuò)大趨勢，且極端年份干旱面積顯著擴(kuò)大。馬柱國等［10］利用地表濕潤指數(shù)分析指出1990年代東北地區(qū)極端干旱頻率顯著增加，且極端干旱頻發(fā)區(qū)往往對應(yīng)著增溫明顯的地區(qū)。但王亞平等［11］的研究表明1960－1979年間，地表干燥度指數(shù)呈增加趨勢;1980－2005年間，大部分地區(qū)地表干旱狀況有所減緩。趙春雨等［12］也指出，近50年遼寧省潛在蒸發(fā)量也呈明顯的減少趨勢。

這些研究結(jié)論不盡相同，究竟東北地區(qū)近年來干旱趨勢是增強(qiáng)還是減緩，尤其對于糧食生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用的農(nóng)作物生長季(5－9月)干旱趨勢發(fā)展情況如何，是本文將要回答的問題。本文以世界糧農(nóng)組織(FAO)1998年修正的Penman－Monteith模型為基礎(chǔ)，采用潛在蒸散量與降水量之比構(gòu)建干燥度指數(shù)，對東北地區(qū)農(nóng)作物生長季干旱趨勢進(jìn)行研究，并結(jié)合歷年東北地區(qū)農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積的變化進(jìn)行對比分析，以揭示東北地區(qū)農(nóng)作物生長季的干旱變化特征。

1 資料與方法

1.1 資料

資料時(shí)段為1960－2008年的5－9月，范圍為東北三省建站較早的72個(gè)國家基本站點(diǎn)，其中黑龍江28個(gè)站，吉林21個(gè)站，遼寧23個(gè)站，站點(diǎn)分布均勻，資料完整，有代表性(圖1)。氣象要素包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、平均相對濕度和降水量等，時(shí)間分辨率為月。東北三省1973－2007年農(nóng)作物播種面積、干旱受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積資料來源于中國種植業(yè)信息網(wǎng)的中國災(zāi)害查詢系統(tǒng)和農(nóng)作物數(shù)據(jù)庫［13］。

圖1 研究選用的東北三省72個(gè)臺(tái)站分布示意圖

1.2 方法

1.2.1 干燥度

據(jù)孟猛等［14］的統(tǒng)計(jì)，自1900年以來，中外學(xué)者陸續(xù)提出了22種干燥度的計(jì)算方法，其中用潛在蒸散量和降水量之比來表達(dá)的較多:

式中:AI為干燥度指數(shù);ET0為潛在蒸散量(mm);P為降水量(mm)。某一地區(qū)的干燥度數(shù)值越大，表明該區(qū)氣候越干燥;反之，干燥度值越小，則氣候越濕潤。

某站生長季(5－9月)干燥度為該站生長季潛在蒸散量與生長季降水量的比值。干燥度的多年平均值為潛在蒸散量多年平均值與降水量多年平均值的比值。

1.2.2 潛在蒸散量

潛在蒸散量是指在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)，下墊面可能達(dá)到的最大蒸發(fā)量。估算潛在蒸散量的模型有很多種，目前較為常用的計(jì)算潛在蒸散量的方法主要有以Penman公式［15］、Priestley－Taylor公式［16］和Thorn－thwaite公式為基礎(chǔ)的估算模型［17］，本文采用世界糧農(nóng)組織(FAO)1998年修正的Penman－Monteith模型［18］，詳見陳莉等［19］的文獻(xiàn)。

1.2.3 氣候統(tǒng)計(jì)方法

氣候統(tǒng)計(jì)方法主要包括經(jīng)驗(yàn)正交展開(EOF)方法［20－21］、MK突變分析方法［22］、趨勢系數(shù)和變化速率分析［23－24］等統(tǒng)計(jì)方法。

2 東北地區(qū)生長季干燥度的空間分布特征

2.1 東北地區(qū)生長季干燥度空間分布特征

圖2顯示了東北地區(qū)5－9月干燥度多年(1960－2008年)均值的空間分布，東北地區(qū)干燥度總體上表現(xiàn)出從西南向東北逐漸減小的變化特征，大值區(qū)位于遼西地區(qū)，其中葉柏壽站干燥度最大，為2.065;小值區(qū)主要位于黑龍江北部，漠河干燥度最小，僅為0.52。東北地區(qū)各站干燥度差別如此之大，主要由于潛在蒸散量差別較大，遼西的葉柏壽5－9月潛熱蒸散量多年均值為832.5 mm，漠河僅為182.5 mm，而兩地的5－9月降水量相差僅52 mm，分別為403 mm和351 mm。

圖2 東北地區(qū)生長季干燥度歷年平均值空間分布(間隔0.25)

2.2 東北地區(qū)生長季干燥度的空間分異特征

對東北地區(qū)5－9月干燥度進(jìn)行了EOF分解，第一特征向量EOF1解釋方差為46.8%，第二特征向量解釋方差為11.1%，前兩個(gè)特征向量累積解釋方差為57.9%。EOF1和EOF2的空間分布特征如圖3所示。從圖中可以看出，第一特征向量全區(qū)符號(hào)相同，反映了空間變化的一致性;第二特征向量南北符號(hào)相反，反映了東北地區(qū)干燥度南北反向變化的特征。

3 東北地區(qū)生長季干燥度的時(shí)間變化特征

3.1 代表東北區(qū)、東北北部、東北南部生長季干燥度時(shí)間序列的定義

由于EOF1的空間特征是全區(qū)大部一致性，且占據(jù)了較大比重，用東北區(qū)全區(qū)72個(gè)站潛在蒸散量的平均值代表東北地區(qū)，該序列命名為AI。

圖3 東北地區(qū)生長季干燥度EOF1(左)和EOF2(右)空間分布圖

EOF2的空間特征反映的是在全區(qū)一致變化的基礎(chǔ)上，南、北反向變化的特征。因此，根據(jù)EOF2的空間分布，以0線為分界線，用分界線以北的34個(gè)站的逐年潛在蒸散量均值與降水量均值之比所組成的序列，代表東北北部干燥度序列，該序列命名為AIN;用分界線以南的38個(gè)站的逐年潛在蒸散量均值與降水量均值之比所構(gòu)成的序列，代表東北南部干燥度序列，命名為AIS。

3.2 東北地區(qū)生長季干燥度的氣候趨勢變化

從東北地區(qū)生長季干燥度距平5點(diǎn)高斯滑動(dòng)平均曲線得出，1962－1975年東北地區(qū)較為濕潤，1976－1982年較為干燥，1983－1996年較為濕潤，1997年以后較為干燥。

從1960－2008年的均值來看，東北地區(qū)生長季降水量與潛在蒸散量相當(dāng)，干燥度為1.02;東北南部生長季略干，干燥度為1.06，而東北北部總體來看較為濕潤，降水量明顯大于潛在蒸散量，干燥度為0.78，降水量比潛在蒸發(fā)量多近30%(表1)。

表1 1960－2008年東北區(qū)、東北北部、東北南部生長季(5－9月)干燥度的平均值、趨勢系數(shù)和變化速率

從表1中的變化速率和趨勢系數(shù)可以看到，1960－2008年東北地區(qū)生長季干燥度呈增加趨勢(通過0.01顯著性檢驗(yàn))，變化速率為0.056/10a。東北北部、東北南部5－9月干燥度也均呈增加趨勢(通過0.05顯著性檢驗(yàn))，變化速率分別為0.042/10a和0.058/10a?？梢姈|北地區(qū)生長季干燥度近50年增加趨勢是顯著的。

3.3 東北地區(qū)5－9月干燥度的突變分析

為了保證序列的平穩(wěn)性，對AI、AIN、AIS三條序列分別進(jìn)行了5點(diǎn)高斯滑動(dòng)處理，圖4給出了MK分析結(jié)果。東北地區(qū)5－9月干燥度在1976、1996年發(fā)生了突變，且在2003年增加趨勢通過了顯著性檢驗(yàn);東北南部發(fā)生突變時(shí)間為1992－1993年，且在2001年增加趨勢通過了顯著性檢驗(yàn);東北北部C1和C2曲線在1990年代后期出現(xiàn)多個(gè)交叉點(diǎn)，為了去除雜點(diǎn)，改變序列長度，選取1965－2006年、1966－2006年、1971－2006年滑動(dòng)平均序列進(jìn)行MK突變檢測，結(jié)果表明，1999、2002年這兩個(gè)交叉點(diǎn)很不穩(wěn)定，最終確定2005年為東北北部突變開始年份。

4 東北地區(qū)農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積的變化

表2列出了1973－2007年遼寧、吉林、黑龍江三省農(nóng)作物播種面積分別占農(nóng)作物總播種面積的比例。從各年代均值可以看到，從1970年代開始，遼寧所占比例逐步下降，黑龍江省所占比例逐步升高。

表2 東北三省各年代農(nóng)作物播種面積占總播種面積的比例%

圖4 東北區(qū)、東北北部、東北南部序列生長季潛在蒸散量的Mann－Kendall突變檢驗(yàn)曲線(實(shí)線為C1，虛線為C2)

以1973－2007年東北三省干旱受災(zāi)、成災(zāi)、絕收面積與總播種面積的比例序列為基礎(chǔ)，進(jìn)行了近35年東北地區(qū)干旱受災(zāi)情況的趨勢系數(shù)分析(表3)，得出:近35年來東北地區(qū)干旱受災(zāi)面積占總播面積比例趨勢不明顯，成災(zāi)、絕收比例呈上升趨勢;黑龍江省受旱災(zāi)面積比例的變化趨勢為負(fù)，這種結(jié)論與前面分析的東北地區(qū)干旱化加強(qiáng)的趨勢是不相符的。究其原因，本文認(rèn)為主要是1980年代中期以來的氣候變暖以及人類主觀原因共同造成的農(nóng)業(yè)品種結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。以黑龍江省為例，在氣候變暖的背景下，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，水稻面積由1973年的12.9萬hm2(占當(dāng)年總播種面積的1.6%)，增長到2007年的225.3萬hm2(占當(dāng)年總播種面積近20%)，增長了近17倍，而除水稻以外的農(nóng)作物播種面積占總播種面積的比例則由1973年的98.4%，下降至2007年81.1%。遼寧、吉林水稻播種面積占總播種面積的比例也呈上升趨勢。由于水稻栽培以水利灌溉為基礎(chǔ)，受降水影響不大，因此在分析多年農(nóng)作物干旱影響面積占播種面積的比例變化時(shí)，我們應(yīng)排除水稻面積增加的影響。具體做法是用東北三省總播種面積減去水稻面積，得到不包括水稻在內(nèi)的播種面積(以下簡稱旱作農(nóng)作物播種面積)作為分母，用干旱受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積作為分子，分別得到各項(xiàng)占旱作農(nóng)作物播種面積的比例，然后進(jìn)行分析。

表3 東北三省干旱受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積占總播種面積比例序列的趨勢系數(shù)

對東北地區(qū)干旱受災(zāi)、成災(zāi)、絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積的比例進(jìn)行了計(jì)算，各年代均值如表4所示，1973－2007年受災(zāi)面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例平均為24.52%，而成災(zāi)面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例平均為11.6%，絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例平均為2.01%。

表4 東北地區(qū)受災(zāi)、成災(zāi)和絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例的各年代平均值%

對干旱受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例序列的趨勢系數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明各項(xiàng)均呈增加趨勢，受災(zāi)面積比例、成災(zāi)面積比例和絕收面積比例的變化速率分別為1.2%/10a、3.3%/10a和1.4%/10a，其中絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例的增加趨勢通過了0.05顯著性檢驗(yàn)，而成災(zāi)面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例的增加趨勢通過了0.1顯著性檢驗(yàn)。

根據(jù)以上對東北地區(qū)干旱發(fā)展趨勢的分析，我們知道，1996年是一個(gè)突變年。為此以1996年為分界線，對干旱受災(zāi)、成災(zāi)和絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例的均值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表5所示。1997－2007年相對于1973－1996年，干旱受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例均增加較明顯，尤其是成災(zāi)面積和絕收面積，1997－2007年占旱作農(nóng)作物播種面積比例分別是1973－1996年均值的1.99倍和5.58倍，上升幅度非常明顯。這種結(jié)果，與前面所分析的東北地區(qū)干旱化趨勢是相一致的，從而證明了前面所采用的干燥度公式來評價(jià)東北地區(qū)干旱是符合實(shí)際的。

表5 突變年前后受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積占旱作農(nóng)作物播種面積比例的變化%

5 結(jié)論

1960－2008 年間，東北地區(qū)生長季干燥度的變化存在明顯的一致性，在變化一致的基礎(chǔ)上，具有南北反向變化的特點(diǎn)。東北區(qū)1962－1975年較濕潤，1976－1982年較干燥，1983－1996年較濕潤，1997年以后較干燥。無論是東北全區(qū)，還是東北南部、東北北部，以干燥度為表征的生長季干旱情況均呈顯著的增強(qiáng)趨勢，與實(shí)際干旱成災(zāi)面積、絕收面積占不包括水稻在內(nèi)的農(nóng)作物播種面積比例的顯著增加趨勢相一致。這與同樣采用Penman－Monteith模型對東北地區(qū)干旱狀況進(jìn)行分析的文獻(xiàn)［11］的結(jié)論(近20余年降水增加和潛在蒸散減少，東北三省大部分地區(qū)地表干旱狀況有所減緩。)不同。文獻(xiàn)［11］分析時(shí)間對象是整年，由于Penman－Monteith模型規(guī)定的下墊面是完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地，因此從這一點(diǎn)上，本文所分析的農(nóng)作物生長季更符合模型的規(guī)定。

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