遼寧省春播期降水的時空特征及其對土壤水分的影響*

胡春麗，李 輯，王婉昭，王 婷，陳鵬獅，李雨鴻，李琳琳，周 斌

(遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧 沈陽110016)

遼寧省春播期降水的時空特征及其對土壤水分的影響*

胡春麗，李 輯，王婉昭，王 婷，陳鵬獅，李雨鴻，李琳琳，周 斌

(遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧 沈陽110016)

利用遼寧省53個氣象站1961-2015年日降水量資料和19個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981-2015月0～20 cm土壤含水量資料，應(yīng)用EOF(經(jīng)驗正交函數(shù))、小波分析、相關(guān)分析等統(tǒng)計方法對春播期降水時空分布特征及其對土壤水分的影響進行了分析。研究結(jié)果顯示：①遼寧省春播期降水場主要有三種模態(tài)，即全局型、東西差異型和東北和西南差異型，降水場是由三種模態(tài)決定的6種表現(xiàn)類型，其中全省一致多、少雨年份共占58.1%。②遼寧春播降水呈現(xiàn)增多趨勢，4月和5月空間變化趨勢變化略有不同，且區(qū)域性變化明顯；近20年極端降水事件顯著增多，并存在2～3年、4年、4～5年振蕩周期。③淺層土壤濕度與降水量相關(guān)系數(shù)通過95%顯著性檢驗，遼東地區(qū)土壤濕度對降水的敏感性大于遼西地區(qū)。

春播期；降水量；經(jīng)驗正交函數(shù)；時空分布；土壤濕度；遼寧

遼寧地處世界三大黑土帶之一的中國東北平原的南部，適宜種植玉米、大豆、高粱和水稻等溫帶農(nóng)作物和其他經(jīng)濟作物，是中國重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，春季是遼寧地區(qū)糧食作物的種植期[1]，春旱是本區(qū)災(zāi)害性天氣之一，遼寧省干旱以春旱為主，尤其在遼西地區(qū)干旱頻次約占全省干旱總數(shù)的70%以上。1970年代以后，干旱發(fā)生的頻率相對增加，有的地區(qū)連年發(fā)生干旱，朝陽地區(qū)1980年和1981年連續(xù)2年發(fā)生嚴重干旱。2006年初始，遼西地區(qū)發(fā)生了嚴重的春旱，耕地推遲了播種期，且同年遼西地區(qū)發(fā)生伏旱，春旱連著伏旱，局部地區(qū)連著秋吊，致使遼西部分地區(qū)糧食減產(chǎn)，嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。由于這些地區(qū)熱量和光照資源較好，大部分年份水分不足成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素。因此有必要詳細分析遼寧省4-5月(春播期)降水時空分布特征，目前針對遼寧省春播期降水的時空分布特征研究較少[2]，且只著重于對春播降水的變化規(guī)律研究，將降水與農(nóng)業(yè)息息相關(guān)的土壤水分相結(jié)合的研究工作更不多見，因此，探索關(guān)鍵期降水變化規(guī)律及其對土壤水分的影響，可以彌補已有研究的不足，力求為合理利用水資源，進而提高灌溉效率，達到作物增產(chǎn)和提高品質(zhì)的目的。

1 資料與方法

1.1 資料來源及研究區(qū)劃分

選用1961-2015年遼寧4-5月53個氣象站的降水量資料，站點分布均勻，具有代表性，如圖1 所示。根據(jù)遼寧省自然區(qū)劃、氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)區(qū)劃成果以及行政區(qū)劃的演變，按照自然分區(qū)原則將遼寧分為5個氣候區(qū)：遼西地區(qū)(錦州、葫蘆島市、阜新市和朝陽市)，遼北地區(qū)(鐵嶺市、沈陽北部)，遼東地區(qū)(撫順市、本溪市、丹東市和鞍山南部)，遼南地區(qū)(大連市、營口市)和遼寧中部(沈陽南部、盤錦市、鞍山北部和遼陽市)。

土壤相對濕度觀測站點較少，選用1981-2015年19個農(nóng)業(yè)氣象觀測站4-5月0～20 cm層土壤含水量月資料，分析土壤濕度與降水量的關(guān)系。將阜新、朝陽、錦州、海城、黑山、建昌、綏中、彰武代表遼寧西部地區(qū)(遼西)，將新賓、昌圖、燈塔、蓋州、開原、瓦房店、岫巖、新民、小市代表遼寧東部地區(qū)(遼東)。

表1 1961-2015年遼寧省春播期(4-5月)降水量統(tǒng)計特征

1.2 研究方法

采用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分析降水的區(qū)域性特征，采用趨勢系數(shù)、相關(guān)分析等方法，分析降水的異常特征，采用小波分析方法分析降水的周期性特征，上述方法詳細見文獻[3-4]。

圖1 站點分布圖

圖2 1961-2015年遼寧省春播期降水量分布圖

圖3 遼寧省春播期降水場特征向量分布

2 降水量的時空分布特征

表1和圖2 顯示遼寧省春播期降水量的分布：降水量呈現(xiàn)東南沿海多，西北區(qū)域明顯少，丹東寬甸降水量最多達到133.1 mm，阜新降水量最少，為63.7 mm，充分說明了遼寧省春播期降水多少的懸殊，尤其是遼西地區(qū)，有“十年九旱”之稱，歷年春旱是嚴重的。各地春播降水量的變異系數(shù)為0.33～0.59。降水的空間分布不均勻主要是地理位置造成，遼寧東部地區(qū)南臨黃海和渤海，西北部地區(qū)在大陸內(nèi)部，水循環(huán)自東南向西北逐漸減弱。另外，遼寧東部地區(qū)地形主要為山地，海上濕潤氣流受東部山嶺的阻擋，影響程度自東南沿海向西北減弱[5]。

2.1 空間分布特征

對遼寧省1961-2015年春播期降水量標準化處理，應(yīng)用EOF分解方法進行時空分解，表2為主成分的貢獻率和累計貢獻百分率。結(jié)果表明：前3個特征向量特征值的累計貢獻率為76.47%，第4個以后所占的貢獻比例很小，且數(shù)值差異明顯減小。說明前3個特征向量能夠很好的表征遼寧省春播期降水變化及其空間分布特征。

表2 遼寧省春播期降水量EOF分解的前5個特征向量貢獻率

模態(tài)1特征向量的方差貢獻率為54.45%，遠大于其他模態(tài)的貢獻率，為遼寧省春播降水場的主要空間分布形式。從分解的向量場圖(圖略)可以看出，模態(tài)1在全省區(qū)域內(nèi)均為正值(同符號)，說明遼寧省春播降水在空間上具有一致性。主要是由于大尺度天氣系統(tǒng)的影響，全省容易出現(xiàn)降水一致偏多(少)的分布特征。高值中心位于營口和丹東地區(qū)，結(jié)論與柳曉放等研究結(jié)論基本一致[2]，說明該區(qū)域降水變化量大，低值中心位于朝陽地區(qū)。

模態(tài)2特征向量的方差貢獻率為13.33%，如圖3a可以看出，遼河以西為正值區(qū)域，最大中心位于丹東地區(qū)，遼河以東為負值區(qū)域，最大中心在阜新地區(qū)。這說明在遼寧春播期間江水總趨勢存在明顯的以遼河流域為分界線的NE-SW分布，為東北部少雨西南部多雨或西南部少雨東北部多雨的反位相關(guān)系。

模態(tài)3特征向量的方差貢獻率為8.69%，降水呈現(xiàn)明顯的NE-W(S)向的分布特征，最大負值中心位于鐵嶺的西豐地區(qū)，如圖3b可以看出，最大正數(shù)值中心位于朝陽地區(qū)。沈陽、鞍山、撫順、本溪、鐵嶺地區(qū)的降水量與全省的其他地區(qū)存在反位相關(guān)系，這種分布型表明了在遼寧省春播期降水量存在上述二種分布型以外，還存在第三種類型的降水分布類型。

通過以上的分析表明：遼寧省春播期降水量主要有三種類型，分別為總體一致型、東西差異型、東北和西南差異型。春播期降水除了受到共同影響因子外，同時還受到地理位置和海陸分布等多種因子影響。

2.2 時間分布特征

時間系數(shù)代表了對應(yīng)特征向量空間分布模態(tài)的時間變化特征，符號決定了模態(tài)的方向，正(負)號表示與模態(tài)同(負)方向，系數(shù)的絕對值大小，表示該時刻的模態(tài)經(jīng)典程度。統(tǒng)計分析近55年來3種降水的空間分布模態(tài)進行統(tǒng)計，取時間系數(shù)的最大值所對應(yīng)的特征向量為當年降水的空間分布模態(tài)，統(tǒng)計結(jié)果顯示:降水場以模態(tài)1為主，近55年來有32年，占總年數(shù)量的58.1%，說明遼寧省春播期以一致偏多和一致偏少的氣候特征，其中全省少雨20年，全省多雨有12年，說明干旱的年份遠大于降水偏多的年份。降水場以模態(tài)2出現(xiàn)的年份有10年，占總年數(shù)量的18.18%，以遼河為分界線東部多西部少和西部少東部多的年份都為5年，具體年份見表3。

表3 6種降水場年份分布

3 降水量的時空演變特征

3.1 空間演變特征

為了解遼寧全省春播期降水量空間演變特征，針對各站計算了1961-2015年4-5月的氣候變化傾向率，空間分布如圖4a所示。遼寧省各站4月降水量多呈隨時間增加的特征變化，占總站數(shù)的73%，其中遼寧北部及中南部地區(qū)4月降水量增加趨勢較為明顯。全省各站變化趨勢超過1 mm/年的站點有16個，增長趨勢最顯著的為凌源站，達到了2.3 mm/年。4月降水量呈減少趨勢變化的站有15個，主要分布在遼寧東部及遼西的葫蘆島地區(qū)，以遼寧東部地區(qū)趨勢最為顯著。其中新賓、開原、昌圖、桓仁四站變化趨勢低于-1 mm/年。

圖4 1961-2015年遼寧省4-5月降水量變化趨勢空間分布

遼寧省5月降水量變化趨勢較4月幅度增大，但空間分布特征不明顯(圖4b)。53站中共有36站降水量呈增加趨勢變化，占總數(shù)的68%。其中遼寧西部、中部及北部部分地區(qū)5月降水量增加趨勢較為明顯。全省各站變化趨勢超過1 mm/年的站點有24個，變化趨勢超過3 mm/年的站點有8個，增長趨勢最顯著的為鞍山市各站，其中鞍山站達到了5.2 mm/年。5月降水量呈減少趨勢變化的站有17個，主要分布在遼寧南部等部分地區(qū)，空間分布特征不明顯。其中阜新、綏中、寬甸、大連、北鎮(zhèn)、鐵嶺六站變化趨勢低于-2 mm/年，減少趨勢最顯著的站點為鐵嶺站的-3.5 mm/年。

3.2 年際和年代際變化特征

遼寧省4月平均降水量為34 mm,占全年降水量(646 mm)5.3%。降水量年際變化較大(圖5a)，變差系數(shù)為0.53，趨勢系數(shù)為0.21，尚未通過 的顯著性檢驗。揭示近55年遼寧省4月降水量呈現(xiàn)增加趨勢。1961-2015年降水量最多的5年為1983、2012、2009、1964、1967年，降水量分別為82、80、79、76、62mm；降水量最少的5年為2014、2001、1994、1981、1965年，降水量分別為4、7、8、10、12 mm。

圖5 1961-2015年遼寧省4月(a)、5月(b)降水量年際變化

圖6 1961-2015年遼寧省春播期降水距平百分率年際變化

圖7 遼寧省春播期降水量的小波分析

遼寧省5月平均降水量為54 mm，占全年降水量的8.3%。降水量階段性變化較為明顯，如圖5b所示，1961-1989年時段降水量年際變化平穩(wěn)，降水量異常多(少)的年份較少，1990-2015年降水量年際變化很明顯，降水異常年份明顯增多，降水量最多的5年2005、2010、1994、1990、1995年全部發(fā)生在此階段，降水量分別達121、104、91、90、89 mm，而降水量最少的5年2002年(17 mm)、1993年(21 mm)、2013年(22 mm)、1984年(23 mm)年、1999年(24 mm)幾乎也全部發(fā)生在該時段，由此可見，隨著全球氣候變暖，極端氣候事件呈現(xiàn)增加的趨勢。遼寧省4月、5月降水量相關(guān)系數(shù)為-0.037，尚未通過顯著性檢驗，表明4、5月降水時間連續(xù)性較小。

春播期降水量多年變化較穩(wěn)定，變異系數(shù)為0.32，數(shù)值較小，表明遼寧省整個春播期降水不容易出現(xiàn)異常偏多或者異常偏少的情況。圖6給出了春播期降水距平百分率年際變化，降水在2005、2010、1983、1990、1998年分別較常年偏多102%、74%、50%、49%、45%。2001、1989、1993、1961、1965年分別較常年偏少56%，43%、42%、40%、39%。

表4遼寧省春播期降水量的年代際變化mm

1961-19701971-19801981-19901991-20002001-20102011-20154月3833353652604043975月484535514549554456春播期86787879809958853

表4給出了遼寧省春播期降水的年代際變化特征，4、5月降水的年代際變化不同步。4月降水在1991-2000年達到最小值，平均降水量為26 mm，5月降水年代際變化不明顯，最大值出現(xiàn)在最近5年，最小值在1961-1970年代。最近5年4月降水量處于偏多背景，5月降水處于偏少背景，整體來看，春播期降水處于降水相對偏少的大的背景下。

3.3 周期性特征

為清楚分析遼寧省春播期降水量的周期性，對春播降水序列進行小波分析。由圖7可見，春播降水量通過顯著性檢驗的主要周期是2～3年、4年、4～5年。其中2～3年周期表現(xiàn)最為明顯，最大值中心2005年，即1961-2015年降水最多的年份；4年和4～5年周期也較為明顯，均出現(xiàn)閉中心。

4 降水對農(nóng)業(yè)的影響分析

土壤干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中造成最為直接影響的自然災(zāi)害，因此有必要建立降水量與土壤水分的定量關(guān)系，從而了解農(nóng)作物生長對其變化的響應(yīng)。土壤相對濕度顯然與降水的補給和蒸發(fā)的失去有關(guān)，也就是受降水量、平均氣溫和平均風速等要素的影響。研究表明，降水對解除土壤干旱中的作用是一個十分復(fù)雜的問題，它涉及到降水量的多少、降水時間的長短、降水類型、地形、土壤類型和質(zhì)地、坡地、地面覆蓋等諸多方面的因素，因此有必要針對性的研究降水量與土壤相對濕度的相關(guān)關(guān)系，得出適合本地實際的服務(wù)指標。

統(tǒng)計4月同期降水量與淺層土壤相對濕度的相關(guān)關(guān)系(表5)，發(fā)現(xiàn)遼西和遼東地區(qū)相關(guān)系數(shù)分別為0.24和0.38(遼西、遼東區(qū)域劃分詳細見1.1節(jié))，遼西4月土壤濕度與同期降水的正相關(guān)關(guān)系并不顯著，這與以往認為土壤濕度大小受同期降水影響最大的結(jié)論并不一致，造成這種結(jié)果的原因可能與遼西地區(qū)4月歷年降水量級較小有關(guān)。另一方面，4月遼西地區(qū)淺層、深層土壤濕度與同期氣溫并不顯著，其原因可能是4月遼西回暖較慢，土壤剛開始解凍返漿，并沒有開始出現(xiàn)明顯的蒸發(fā)失墑現(xiàn)象。而4月遼西土壤濕度與透雨關(guān)系(相關(guān)系數(shù)-0.28)的不顯著是由于遼西地區(qū)透雨出現(xiàn)日期較晚，基本出現(xiàn)在5月初，因此透雨對4月土壤濕度影響較小。在4月遼東地區(qū)可以直接建立降水量與土壤相對濕度的定量關(guān)系式。

5月降水量與淺層土壤相對濕度遼西地區(qū)相關(guān)系數(shù)為0.59(表5)，遼東地區(qū)為0.66。說明當5月降水偏多時，同期土壤濕度偏大，相反地，若降水偏少，土壤濕度偏干，易發(fā)生春旱。隨著季節(jié)的推進及氣溫回暖加快，5月土壤濕度與同期氣溫存在顯著負相關(guān)關(guān)系，即氣溫偏高時有利于土壤水分蒸發(fā)，土壤濕度易偏小，易發(fā)生春旱，反之亦反。值得注意的是，5月淺層土壤濕度與透雨的負相關(guān)關(guān)系通過了α=0.05的顯著性檢驗，說明透雨對土壤濕度的補給有一定的作用，但僅能短暫的對淺層土壤產(chǎn)生影響。

圖8給出了遼東、遼西地區(qū)0～20cm土壤相對濕度與降水量的點聚圖，從點聚圖上可以清晰地看出表5所列出的相關(guān)性和敏感性，又能看出土壤相對濕度受降水影響的非線性特征。從圖上可以看出，隨著降水的逐漸增加，有一個臨界值，達到臨界值之后，土壤相對濕度不再增加，反而會出現(xiàn)略有減少的現(xiàn)象。這是由于土壤水分達到飽和或降水強度大導(dǎo)致大量徑流造成，由于遼寧各地區(qū)的土壤質(zhì)地不同，所以臨界值也是不相同的。該研究結(jié)果與文獻[6]基本一致。

表5 降水量與土壤濕度的關(guān)系

圖8 遼寧省0～20 cm土壤濕度與降水量的關(guān)系

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

通過對遼寧省53個氣象站近55年來的春播期降水序列的研究，揭示遼寧省降水的時空分布特征及演變規(guī)律，基于近35年來的春播期淺層土壤數(shù)據(jù)，分析降水量與土壤水分的相關(guān)關(guān)系，主要結(jié)論如下。

(1)遼寧省春播期降水量的空間分布主要有3種典型模態(tài)：模態(tài)1呈全局一致型，表現(xiàn)為全省多雨或全省少雨；分別為總體一致型、東西差異型、東北和西南差異型。55年來遼寧省春播降水場的主要表現(xiàn)類型有6種：全省少雨出現(xiàn)20年，全省多雨出現(xiàn)12年；東部降水少(多)西部降水多(少)出現(xiàn)10年。

(2)遼寧省各站4月、5月降水量多呈隨時間增加的特征變化，降水增加占數(shù)分別占總站數(shù)的73%和68%，4月北部及中南部、5月西部、中部及北部降水增加最為明顯。4月降水量年際變化較大，變差系數(shù)為0.53，5月降水量年際變化較為平穩(wěn)，降水量異常多(少)的年份較少。春播降水量通過顯著性檢驗的主要周期是2～3年、4年、4～5年，其中2～3年周期表現(xiàn)最為明顯。

(3)遼寧省春播期降水量與土壤水分的相關(guān)關(guān)系分別是4月遼東地區(qū)0.38、4月遼西地區(qū)0.24、5月遼東地區(qū)0.66、5月遼西地區(qū)0.59。降水與土壤水分呈現(xiàn)非線性關(guān)系，隨著降水的逐漸增加，有一個臨界值，達到臨界值之后，土壤相對濕度不再增加，反而會出現(xiàn)略有減少的現(xiàn)象。

5.2 討論

通過以上研究，認為遼寧省春播期降水時空分布特征一致性和差異性并存，降水量呈現(xiàn)增加趨勢，但自2005年降水的極端事件明顯增加，降水量2005、2010年分別達到近55年第一、第二大數(shù)值，在全球氣候變暖背景下，對各級政府制定科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)政策，增加人民收入，改善農(nóng)民生活，具有極其重要的作用。

土壤濕度是農(nóng)業(yè)干旱最主要的監(jiān)測指標，遼寧省土壤水分監(jiān)測和預(yù)測仍存在較多問題，主要表現(xiàn)為農(nóng)田墑情監(jiān)測、預(yù)測的連續(xù)性、系統(tǒng)性較差，獲取的農(nóng)田墑情數(shù)據(jù)存在滯后現(xiàn)象(每旬“逢3”，“逢8”)，與氣象業(yè)務(wù)需求存在較大差距，大氣降水是土壤水分的根本來源，初步建立春播期降水量與土壤水分的定量關(guān)系式，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的參考價值，但土壤濕度變化因素復(fù)雜，不僅與氣溫、降水、風速、日照等氣象要素相關(guān)，還受多種因素影響，因此，還需要因地制宜，考慮長期降水和蒸散對土壤墑情的影響，積極開展農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測、預(yù)警和評估工作仍然是農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的重中之重。

[1] 閻琦，崔錦，吳艷青，等.遼寧區(qū)域性春旱的大氣環(huán)流及影響因子分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，24(6)：29-33.

[2] 柳曉放，李輯.遼寧省春季降水歷史演變特征分析[J].遼寧氣象，2001(1)：6-8.

[3] 黃嘉佑.我國夏季氣溫、降水場的時空特征[J].大氣科學(xué)，1991，15(3)：124-132.

[4] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007.

[5] 唐亞平，張凱，李忠嫻，等.1961-2008年遼寧省旱澇時空分布特征及演變趨勢[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2011，27(2)：50-55.

[6] 陳少勇，郭玉珍，鄭延祥，等.甘肅旱作農(nóng)業(yè)區(qū)降水對土壤水分的影響[J].中國沙漠，2001，32(1)：155-162.

The Characteristics of Spring Sowing Precipitation and its Effects on Soil Moisture in Liaoning Province

HU Chunli, LI Ji, WANG Wanzhao, WANG Ting, CHEN Pengshi, LI Yuhong, LI Linlin and ZHOU Bin

(InstituteofMeteorologicalScienceofLiaoning,Shenyang110016,China)

Using EOF (Empirical Orthogonal Function), wavelet analysis and correlation analysis, we analyzed the temporal and spatial distribution characteristics of precipitation during spring sowing and its influence on soil moisture by using the daily precipitation data of 53 meteorological stations during 1961 to 2015 and the monthly 0-20 cm soil data of 19 agrometeorological stations during 1981 to 2015. The results show that there are three typical modes of precipitation in the spring sowing period in Liaoning Province, the whole region, west-east, and northwest-southeast. The precipitation field has six types determined by three typical modes, the whole region years accounted for 58.1%. The precipitation trend is increasing, and the change of spatial trend is slightly different in April and May, and the regional change is obvious. In the past 20 years, the extreme precipitation events have increased significantly, and there are 2 ～ 3a, 4a, 4 ～ 5a oscillation period. The correlation coefficient between soil moisture and precipitation in the shallow soil was 95% statistically significant, and the sensitivity of soil relative humidity to precipitation in Liaodong area was higher than that in western Liaoning.

spring sowing; precipitation; empirical orthogonal function; temporal and spatial distribution; soil moisture; Liaoning province

胡春麗，李 輯，王婉昭，等.遼寧省春播期降水的時空特征及其對土壤水分的影響[J].災(zāi)害學(xué)，2018，33(1)：53-58，70.[HU Chunli, LI Ji, WANG Wanzhao,et al.The Characteristics of Spring Sowing Precipitation and Its Effects on Soil Moisture in Liaoning Province [J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：53-58，70.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.011.]

2017-06-02

2017-07-31

國家自然科學(xué)基金項目(41605087)；遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目(2015030)；中國氣象局2017年省級氣象科研所科技創(chuàng)新發(fā)展項目(201708)

胡春麗(1980-)，女，吉林德惠人，碩士，高級工程師，主要從事氣候變化、農(nóng)業(yè)氣象等研究.

E-mail: huchunli0829@163.com

李輯(1963-)，男，遼寧鞍山人，正研級高級工程師，主要從事氣候預(yù)測及診斷分析研究.E-mail:cqliji@sina.com

X43；P461；S161

A

1000-811X(2018)01-0053-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.011