遼寧中西部氣候干旱周期及降水滿足程度研究

高淑新+陳鵬心+侯婉婷

摘要：采用沈陽(yáng)、錦州、阜新、葫蘆島、朝陽(yáng)、赤峰等市18個(gè)氣象站1960-2015年氣候資料，運(yùn)用氣候傾向率、干濕指數(shù)和積分濕潤(rùn)指數(shù)等氣候診斷分析方法，研究4～9月氣候干旱變化及降水的農(nóng)業(yè)滿足度。結(jié)果表明，遼寧中西部地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季干濕指數(shù)逐年減小，氣候干旱化明顯。中南部平原沿海區(qū)近20年（1996-2015年）氣候干旱化程度增加12.5%，西北部低山丘陵區(qū)氣候干旱化程度增加11.7%。遼寧中西部地區(qū)中、重度干旱年存在9～11年的準(zhǔn)周期。降水的農(nóng)業(yè)滿足程度整體下降，線性下降14.3%；近20年降水的農(nóng)業(yè)滿足程度平均下降13.4%，干旱氣候年增加7.3%～9.1%。遼寧中西部地區(qū)降水減少導(dǎo)致農(nóng)業(yè)需水滿足度下降，干旱頻率增加，對(duì)大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已構(gòu)成威脅。因此，應(yīng)加強(qiáng)水資源管理和應(yīng)用，提高水資源利用率和保護(hù)，適應(yīng)氣候變化調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，以防御干旱災(zāi)害所帶來(lái)的損失。

關(guān)鍵詞：干旱；降水；濕潤(rùn)指數(shù)；農(nóng)業(yè)滿足度；遼寧

中圖分類號(hào)：S423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）22-4289-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.020

Abstract： Adopting the 1960-2015 climatic data from 18 meteorological bureaus of Shenyang， Jinzhou， Fuxin， Hulu Island， Chaoyang， Chifeng cities and the climate diagnostic analysis with the indexes of climate tendency rate， aridity index and integral humidity index， both climate change and precipitation of agricultural satisfaction from April to September were researched. The results showed that the aridity index of crop growing season in central and western in Liaoning province had decreased year by year and the climate turn to be drought obviously. The climate drought degree of central and southern coastal plain（1996-2015） had increased 12.5% in recent 20a. The climate drought degree of hilly region of northwest area had increased 11.7%. In the midwest area of Liaoning the moderate and severe drought years had quasi-period last for 9～11a. The general agricultural satisfaction had overall decline and linear descent for 14.3%. In recent 20a， the agricultural satisfaction of precipitation had average decline for 13.4% which increased 7.3%～9.1% arid climate year. The precipitation decrease of midwest area of Liaoning leads to the agricultural water demand satisfaction declined and increased the drought frequency， which had been a threat to agricultural production. Therefore， the water resource management and application， water resource availability and protection needed to enhance， which could adjust the agricultural structure due to the climate change and prevent the drought loss.

Key words： drought； precipitation； humidex； agricultural satisfaction； Liaoning

近年來(lái)受全球氣候變暖[1，2]的影響，全國(guó)各地光照、氣溫、降水呈現(xiàn)較大的變化[3-5]，遼寧中西部地區(qū)氣溫呈升高、降水和光照呈減少趨勢(shì)[6-8]，暖干旱化日趨嚴(yán)重[9，10]。遼寧中西部地區(qū)氣象災(zāi)害是造成糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)的主要原因，因少雨而造成作物干旱的影響范圍最廣，損失也最大。氣候?qū)е滤Y源變化給農(nóng)業(yè)帶來(lái)一系列影響，引起越來(lái)越多的關(guān)注[11-13]。IPCC 2007年評(píng)估報(bào)告指出，未來(lái)干旱區(qū)域可能增加，加劇農(nóng)業(yè)旱災(zāi)可導(dǎo)致農(nóng)田退化，造成作物受損和減產(chǎn)[2]。1950年以來(lái)，根據(jù)李茂松等[14]研究，北方農(nóng)業(yè)區(qū)干旱范圍擴(kuò)大趨勢(shì)明顯，中國(guó)每年農(nóng)田旱災(zāi)面積約占全國(guó)播種總面積的14.9%，其中成災(zāi)面積約占全國(guó)播種面積的6.3%[15，16]。根據(jù)1983-2009年的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，1999-2001年連續(xù)3年干旱災(zāi)害影響到十幾個(gè)省，與1959-1961年連續(xù)3年干旱相比，3年平均成災(zāi)面積增加30%左右，是建國(guó)以來(lái)干旱最嚴(yán)重的一次。以遼寧地區(qū)來(lái)看，20世紀(jì)60年代以來(lái)，降水出現(xiàn)減少趨勢(shì)。根據(jù)沈陽(yáng)市、大連市、丹東市、遼陽(yáng)市、葫蘆島市、朝陽(yáng)市等地區(qū)1960-2015年的年降水量年際變化分析，氣候傾向率介于-11.0～ -15.0 mm/10年之間，各地年代際平均降水量減少40～90 mm。全省干旱普遍，且逐年擴(kuò)大[15，17]。干旱受災(zāi)面積由20世紀(jì)50年代的1.1%（占全省耕地總面積）到80年代的28%，再到21世紀(jì)00年代干旱受災(zāi)面積20%～40%，旱災(zāi)周期縮短頻率增加，危害加重的趨勢(shì)十分明顯[9]。endprint

降水資源是水資源的重要組成部分，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要支撐和保證。氣候變化對(duì)水循環(huán)的改變，導(dǎo)致降水減少、時(shí)空分布不均，對(duì)農(nóng)業(yè)水資源的有效供應(yīng)產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而加劇了有效利用水資源的不確定性和脆弱性。氣候變化對(duì)不同地區(qū)、不同時(shí)間尺度的水資源和農(nóng)業(yè)利用的影響存在很大的差異性。因此，進(jìn)一步揭示氣候變化對(duì)中國(guó)各地區(qū)大氣降水資源影響的特征、不同空間尺度的水資源和水分平衡影響規(guī)律，以及對(duì)不同地區(qū)不同土壤類型和典型農(nóng)作物的田間水分供需平衡關(guān)系等，將成為中國(guó)農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化、水資源減少亟需解決的重要問(wèn)題。

遼寧中西部屬于西南部沿海及中部平原向遼寧西部丘陵延伸地帶，針對(duì)這一區(qū)域降水的農(nóng)業(yè)滿足程度還未深入闡述和研究，因此，采用沈陽(yáng)市、阜新市、錦州市、葫蘆島市、朝陽(yáng)市、赤峰市等18個(gè)氣候監(jiān)測(cè)站資料，研究該區(qū)域降水的農(nóng)業(yè)滿足程度和氣象干旱變化，可為這一地區(qū)干旱災(zāi)害防御、有計(jì)劃地利用水資源、提高水資源利用率、適時(shí)農(nóng)作物灌溉提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧中西部包括沈陽(yáng)市、阜新市、錦州市、葫蘆島市和朝陽(yáng)市地區(qū)，占遼寧省總面積的1/2，其南部臨海，北部與內(nèi)蒙古接壤，西部與河北省為鄰。該區(qū)域地勢(shì)從東到西是由平原逐漸進(jìn)入丘陵山區(qū)，從南到北是由沿海向內(nèi)陸進(jìn)深。依據(jù)表1年平均氣溫、年降水量地域分布狀況，將遼寧中西部地區(qū)劃分為兩個(gè)差異明顯的氣候區(qū)[18]。該區(qū)域農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)在4～9月。

1.2 資料來(lái)源

本研究集遼寧省沈陽(yáng)市、阜新市、錦州市、葫蘆島市、朝陽(yáng)市及內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市等18個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站1960-2015年近56年氣溫、降水資料，依據(jù)逐日平均氣溫、逐日降水量氣候資料，統(tǒng)計(jì)4～9月農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期各月平均氣溫高于0 ℃積溫和月降水量，作為本研究闡述的依據(jù)。

1.3 分析方法

采用傾向率方法、標(biāo)準(zhǔn)偏差方法對(duì)降水、濕潤(rùn)指數(shù)、積分濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行氣候特征變化分析，運(yùn)用累積距平[19，20]方法對(duì)旱災(zāi)年進(jìn)行周期分析。

1.3.1 干濕指數(shù) 干濕指數(shù)[21]用同一時(shí)間尺度同一地點(diǎn)的降水與農(nóng)業(yè)需水之比來(lái)表示，公式為：

K=R/W （1）

式中，K為干濕指數(shù)，R為降水量，W=0.16∑ti代表農(nóng)業(yè)需水（耗水）量，∑ti為>0 ℃積溫。表2為干濕指數(shù)的旱澇分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]。

1.3.2 積分濕潤(rùn)指數(shù) 通過(guò)積分濕潤(rùn)指數(shù)（I）來(lái)體現(xiàn)降水的農(nóng)業(yè)滿足度。積分濕潤(rùn)指數(shù)是亓來(lái)福等[22]評(píng)價(jià)中國(guó)農(nóng)業(yè)干旱狀況所運(yùn)用的指標(biāo)，適用于降水集中的北方地區(qū)氣候評(píng)價(jià)。它是基于熱量分布規(guī)律研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期間需水（耗水）量變化的簡(jiǎn)便方法，定義為積分濕潤(rùn)指數(shù)。表達(dá)式為：

I=100∑（KiTi）/∑Ti （2）

式中，I為積分濕潤(rùn)指數(shù)，用百分?jǐn)?shù)表示，代表降水對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期（4～9月）需水的滿足程度；K是濕潤(rùn)指數(shù)；T為月平均氣溫；i=4、5、6、7、8、9月。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物生長(zhǎng)季節(jié)旱澇時(shí)空變化

2.1.1 旱澇氣候類型分布 由表3可知，遼寧中西部地區(qū)各地農(nóng)作物生長(zhǎng)季（4～9月）累年平均干濕指數(shù)（K）在0.70～1.01，呈現(xiàn)由中部平原向西部丘陵逐步遞減，從沿海向內(nèi)陸逐步遞減的區(qū)域變化過(guò)程。依據(jù)表2濕潤(rùn)指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，在農(nóng)作物生長(zhǎng)季，中南部平原沿海區(qū)屬于正常氣候類型，西北部低山丘陵區(qū)屬于輕干旱氣候類型。

從各地農(nóng)作物生長(zhǎng)季各月干濕指數(shù)時(shí)間分布來(lái)看，中南部平原沿海區(qū)4、6、9月屬于輕干旱氣候類型，5月屬于中干旱氣候類型，7、8月屬于中濕潤(rùn)氣候類型。西北部低山丘陵區(qū)4、5月屬于重干旱氣候類型，6、8月為輕干旱氣候類型，7月屬于正常氣候類型，9月屬于中干旱氣候類型。

2.1.2 氣候干濕指數(shù)年際變化 遼寧中西部地區(qū)氣候干濕指數(shù)呈減小趨勢(shì)，氣候濕潤(rùn)程度逐漸趨向干旱化。其中，圖1a顯示中南部平原沿海區(qū)氣候傾向率為-0.023 mm/10年，1960-2015年氣候干濕程度線性下降0.129，氣候濕潤(rùn)程度由原來(lái)的正常轉(zhuǎn)變?yōu)檩p干旱類型。圖1b顯示西北部低山丘陵區(qū)氣候傾向率為-0.015 mm/10年，1960-2015年氣候濕潤(rùn)程度線性下降0.084，氣候濕潤(rùn)程度由原來(lái)的輕干旱轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈珊殿愋汀?/p>

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，中南部平原沿海區(qū)K歷年正常范圍在0.70～1.20，在1960-2015年氣候干濕指數(shù)異常偏大（K>1.20）出現(xiàn)12年，幾率為21.4%；異常偏?。↘<0.70）出現(xiàn)11年，幾率為19.6%。序列1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均K為0.96，后20年（1996-2015年）平均K為0.84，同比K減小0.12，氣候干旱化程度增加了12.5%。

西北部低山丘陵區(qū)K正常范圍在0.55～0.90，在1960-2015年氣候濕潤(rùn)指數(shù)異常偏大（K>0.90）出現(xiàn)7年，幾率為12.5%；異常偏?。↘<0.55）出現(xiàn)9年，幾率為16.1%。序列1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均K為0.76，后20年（1996-2015年）平均K為0.67，同比K減小0.09，氣候干旱化程度增加11.8%。

2.1.3 各月氣候干濕指數(shù)年際變化 中南部平原沿海區(qū)4月干濕指數(shù)為0.67，氣候濕潤(rùn)程度屬于輕干旱，K年際變化呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.009 mm/10年，K線性減少0.05，氣候濕潤(rùn)程度向干旱推進(jìn)7.5%。5月干濕指數(shù)為0.60，氣候濕潤(rùn)程度屬于輕干旱，K年際變化呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.020 mm/10年，K線性增加0.11，氣候濕潤(rùn)程度向濕潤(rùn)推進(jìn)18.3%。6月干濕指數(shù)為0.96，氣候濕潤(rùn)程度屬于正常，K年際變化呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.028 mm/10年，K線性增加0.16，氣候濕潤(rùn)程度向濕潤(rùn)推進(jìn)16.7%，濕潤(rùn)程度由正常上升為濕潤(rùn)。7月干濕指數(shù)為1.39，氣候濕潤(rùn)程度屬于中濕潤(rùn)，K年際變化呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.102 mm/10年，K線性減少0.57，氣候濕潤(rùn)程度向干旱推進(jìn)41.0%，濕潤(rùn)程度由中濕潤(rùn)下降為輕干旱。8月干濕指數(shù)為1.14，氣候濕潤(rùn)程度屬于濕潤(rùn)，K年際變化呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.031 mm/10年，K線性減少0.17，氣候濕潤(rùn)程度向干旱推進(jìn)14.9%，濕潤(rùn)程度由濕潤(rùn)下降為正常。9月干濕指數(shù)為0.64，氣候濕潤(rùn)程度屬于中干旱，K年際變化呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.035 mm/10年，K線性減少0.20，氣候濕潤(rùn)程度向干旱推進(jìn)31.3%，濕潤(rùn)程度由中干旱下降為重干旱。endprint

西北部低山丘陵區(qū)4月干濕指數(shù)為0.48，氣候濕潤(rùn)程度屬于重干旱，K年際變化呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.029 mm/10年，K線性增加0.16，氣候濕潤(rùn)程度向濕潤(rùn)推進(jìn)33.3%，并由重干旱進(jìn)入中干旱層面。5月干濕指數(shù)為0.50，氣候濕潤(rùn)程度屬于中旱，K年際變化呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.020 mm/10年，K線性增加0.11，氣候濕潤(rùn)程度向濕潤(rùn)推進(jìn)22.0%。6月干濕指數(shù)為0.85，氣候濕潤(rùn)程度屬于輕干旱，K年際變化呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.040 mm/10年，K線性增加0.22，氣候濕潤(rùn)程度向濕潤(rùn)推進(jìn)25.9%，濕潤(rùn)程度由輕干旱上升為正常。7月干濕指數(shù)為1.19，氣候濕潤(rùn)程度屬于濕潤(rùn)，K年際變化呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.097 mm/10年，K線性減少0.54，氣候濕潤(rùn)程度向干旱推進(jìn)45.4%，濕潤(rùn)程度由濕潤(rùn)下降為中干旱。8月干濕指數(shù)為0.89，氣候濕潤(rùn)程度屬于輕干旱，K年際變化呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.058 mm/10年，K線性減少0.32，氣候濕潤(rùn)程度向干旱推進(jìn)36.0%，濕潤(rùn)程度由輕干旱下降為中干旱。9月干濕指數(shù)為0.53，氣候濕潤(rùn)程度屬于中干旱，K年際變化呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.025 mm/10年，K線性減少0.14，氣候濕潤(rùn)程度向干旱推進(jìn)26.4%，濕潤(rùn)程度由中干旱下降為重干旱。

2.2 旱澇概率與周期分析

2.2.1 農(nóng)作物生長(zhǎng)季旱澇出現(xiàn)概率 由表4可知，中南部平原沿海區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季中濕潤(rùn)以上（K≥1.30）氣候年出現(xiàn)概率為8.5%，中干旱以下（K<0.70）氣候年景出現(xiàn)概率為22.4%；1960-2015年的前20年中干旱氣候概率為1.8%，近20年中干旱氣候概率為9.1%，干旱氣候年增加7.3%。西北部低山丘陵區(qū)域中濕潤(rùn)氣候年概率為0.8%（K≥1.30），中干旱氣候年概率高達(dá)47.8%（K<0.70）；1960-2015年的前20年中干旱氣候年概率為14.5%，近20年中干旱氣候年概率為23.6%，干旱氣候年增加9.1%。遼寧中西部各地各月干旱氣候出現(xiàn)概率存在明顯的不同，遵循從沿海向內(nèi)陸、平原向西部丘陵逐漸增加的規(guī)律，濕潤(rùn)氣候則相反。

中南部平原沿海區(qū)4月重濕潤(rùn)氣候年概率為8.2%，重干旱氣候年概率為41.1%。5月重濕潤(rùn)氣候年概率為4.0%，重干旱氣候年概率為51.3%。6月重濕潤(rùn)氣候年概率為15.4%，重干旱氣候年概率為22.4%。7月重濕潤(rùn)氣候年概率為38.7%，重干旱氣候年概率為10.5%。8月重濕潤(rùn)氣候年概率為24.6%，重干旱氣候年概率為15.5%。9月重濕潤(rùn)氣候年概率為6.2%，重干旱氣候年概率為44.0%。

西北部低山丘陵區(qū)4月重濕潤(rùn)（K≥1.5）氣候年概率為2.0%，重干旱（K<0.5）氣候年概率為64.6%。5月重濕潤(rùn)氣候年概率為0.4%，重干旱氣候年概率為58.1%。6月重濕潤(rùn)氣候年概率為8.8%，重干旱氣候年概率為24.5%。7月重濕潤(rùn)氣候年概率為25.7%，重干旱氣候年概率為9.5%。8月重濕潤(rùn)氣候年概率為12.9%，重干旱氣候年概率為24.3%。9月重濕潤(rùn)氣候年概率為2.2%，重干旱氣候年概率為53.5%。

2.2.2 干旱氣候年周期分析 根據(jù)累計(jì)距平趨勢(shì)變化研究，遼寧中西部地區(qū)干旱氣候年存在9～11年的準(zhǔn)周期。平原及沿海區(qū)域中干旱氣候年的準(zhǔn)周期如1961-1972-1981-1989-1999-2009年；1982-1992年，1993-2003-2013、2014年。西部丘陵區(qū)域中干旱氣候年的準(zhǔn)周期如1960、1961-1972-1980、1981、1982-1992-2000、2001-2009、2011年。

2.3 農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水的農(nóng)業(yè)滿足度

2.3.1 降水的農(nóng)業(yè)滿足度年際變化 農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水的農(nóng)業(yè)滿足度用積分濕潤(rùn)指數(shù)（I）來(lái)表示。如圖2所示，1960-2015年農(nóng)作物生長(zhǎng)季積分濕潤(rùn)指數(shù)年際變化呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明遼寧中西部地區(qū)降水的農(nóng)業(yè)滿足度在逐漸降低。其中，圖2a顯示中南部平原沿海區(qū)積分濕潤(rùn)指數(shù)氣候傾向率為-2.895 mm/10年，近56年降水的農(nóng)業(yè)滿足度線性下降16.2%；1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均I為101.0%，后20年（1996-2015年）平均I為87.3%，同比降水的農(nóng)業(yè)滿足度下降了13.7%。圖2b顯示西北部低山丘陵區(qū)積分濕潤(rùn)指數(shù)氣候傾向率為-2.421 mm/10年，近56年降水的農(nóng)業(yè)滿足度線性降低13.9%。1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均I為85.0%，后20年（1996-2015年）平均I為72.0%，同比降水的農(nóng)業(yè)滿足度下降13.0%。

2.3.2 降水的農(nóng)業(yè)滿足度等級(jí)概率 依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，農(nóng)作物需水供應(yīng)量在70%以下，則出現(xiàn)中干旱，甚至嚴(yán)重干旱；需水供應(yīng)量在70%～90%則出現(xiàn)中干旱或者輕干旱；需水供應(yīng)量在90%以上農(nóng)作物才可能正常生長(zhǎng)。由表5可知，中南部平原沿海區(qū)降水的農(nóng)業(yè)滿足度平均為95.2%，在56年間有20.3%的年份降水嚴(yán)重不足（I<70%），不能滿足農(nóng)作物正常生長(zhǎng)。西北部低山丘陵區(qū)降水的農(nóng)業(yè)滿足度平均為77.4%，在56年間有43.2%的年份降水嚴(yán)重不足而干旱，影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)。

3 小結(jié)與討論

1）遼寧中南部平原沿海區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季氣候干濕程度屬于正常，西北部低山丘陵區(qū)屬于輕干旱氣候類型。氣候干濕指數(shù)呈減少趨勢(shì)，氣候干旱化明顯，1996-2015年與1960-1979年相比干濕指數(shù)減小11.7%～12.5%。

2）遼寧中西部地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季中干旱以上氣候年存在9～11年的準(zhǔn)周期性。

3）遼寧中南部平原沿海區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季積分濕潤(rùn)指數(shù)，即降水的農(nóng)業(yè)滿足度平均達(dá)到95.2%，具有較高的氣候濕潤(rùn)水準(zhǔn)；西北部低山丘陵區(qū)僅為77.4%，因此受干旱氣候的威脅較為嚴(yán)重。受降水減少氣溫升高[7-10]的影響，遼寧中西部地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水的農(nóng)業(yè)滿足度線性下降13.9%～16.2%。1996-2015年與1960-1979年相比降水的農(nóng)業(yè)滿足度平均下降13.0%～13.7%，干旱氣候年增加7.3%～9.1%。endprint

參考文獻(xiàn)：

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