遼寧省旱災(zāi)時空格局研究

王笑歌 ，劉和平 ，王秀穎 ，梁鳳國 ，萬金紅 ，張玉龍

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110161；2.遼寧省水文局，沈陽 110003；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

自古以來，干旱災(zāi)害始終是危害我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一種主要自然災(zāi)害[1]。旱災(zāi)時空格局研究可為我國抗旱減災(zāi)規(guī)劃提供重要的科學(xué)依據(jù)，歷來受到政府和學(xué)術(shù)界的高度重視。從災(zāi)害系統(tǒng)的角度看，我國有關(guān)旱災(zāi)時空格局的研究可分為3個方面：旱災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境的時空格局、旱災(zāi)發(fā)生時空格局、旱災(zāi)災(zāi)情時空格局[2]。過去對我國旱災(zāi)時空格局的研究，采用的信息源大多數(shù)為氣象記錄、歷史干旱事件記錄、以省為統(tǒng)計單元的災(zāi)情數(shù)據(jù)等[2]。近年來，逐漸有學(xué)者利用以縣域為單元的旱災(zāi)信息，研究我國旱災(zāi)時空格局[2-5]，并取得了良好的效果。遼寧省屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，干旱是影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民群眾生活的主要災(zāi)害之一[6]，針對該區(qū)的旱災(zāi)時空變化，已取得了一批有意義的成果。孫鳳華等[7]分析了沈陽、大連、丹東、營口、朝陽5個代表氣象站1953～2001年的年降水量變化規(guī)律，并采用GM（1,1）模型進行旱災(zāi)預(yù)測。趙春雨等[8]基于遼寧省39個氣象站點1961～2004年夏季降水資料的分析表明，遼寧省夏季降水量可分為中北部、遼河以西和東南部等3個地區(qū)，各地區(qū)多年夏季降水均為減少趨勢，且東南部減少趨勢明顯大于其他兩區(qū)。李廣霞等[9]利用遼寧省53個氣象站點1960～2009年降水量資料將遼寧省年降水分為4種空間模態(tài)，并分析了各模態(tài)的時間序列變化。劉和平等[10]則針對易旱的遼西北地區(qū)分析了其主要的降水空間模態(tài)及其時間變化特征。唐亞平等[11]利用1964～2008年全省51個氣象站降水量資料，采用Z指數(shù)和區(qū)域旱澇HL指數(shù)分析了全省旱澇變化，并將全省分為遼西、遼北及遼西北、遼中及遼東、遼東南等四個旱澇等級區(qū)域。有關(guān)遼寧省干旱時空格局研究，目前多為基于氣象站點降水量信息及其相應(yīng)干旱指標(biāo)的孕災(zāi)環(huán)境時空格局分析。近年對旱災(zāi)災(zāi)情時空格局的研究日益引起人們的關(guān)注[2]，然而對遼寧省尚沒有全省歷史旱災(zāi)時空格局研究。本課題組以多種歷史旱災(zāi)記錄為數(shù)據(jù)源，分析遼寧建國以來旱災(zāi)空間格局及其時間變化特征，以深入認(rèn)識遼寧省旱災(zāi)特征，為干旱管理、抗旱減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來源

以《中國氣象災(zāi)害大典·遼寧卷》[6]《遼寧省志·水利志》[12]《中國自然災(zāi)害報刊數(shù)據(jù)庫》[13]《東北區(qū)水旱災(zāi)害》[14]《2006年遼西北地區(qū)特大伏旱》[15]《直面遼寧省2007年夏旱》[16]《抗御2009年干旱實錄》[17]等資料中干旱事件記錄為數(shù)據(jù)源，統(tǒng)計時段為1949～2009年。

1.2 方法

將上述各種歷史資料相互比對、驗證和補充，查閱遼寧省逐年旱情或災(zāi)情記錄，獲得研究數(shù)據(jù)。參考文獻[18]的方法，建立遼寧省旱災(zāi)數(shù)據(jù)庫。由于旱災(zāi)通常發(fā)生范圍廣，發(fā)生、發(fā)展持續(xù)時間長，尤其是大旱災(zāi)，故旱災(zāi)記錄經(jīng)常出現(xiàn)有覆蓋全省區(qū)或幾個縣省區(qū)的現(xiàn)象，時間上尤其是旱災(zāi)開始時間往往不是確切的時間點。因此，基于本研究數(shù)據(jù)來源特點的考慮，本研究以縣域為統(tǒng)計單元，時間上則以月為計算單位，統(tǒng)計逐年、逐月旱災(zāi)發(fā)生情況。若研究時段內(nèi)行政區(qū)劃變化，則均轉(zhuǎn)換為2000年行政區(qū)劃。具體的數(shù)字化方法是若某縣、某年某月發(fā)生干旱，則記為1，否則記為0；數(shù)字化后的數(shù)據(jù)用于后續(xù)統(tǒng)計和分析。

按月統(tǒng)計之后，再匯總到季尺度，以3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月至次年2月為冬季。某季至少有1個月發(fā)生了旱災(zāi)，就認(rèn)為該季節(jié)發(fā)生旱災(zāi)。同樣，將按月統(tǒng)計的結(jié)果匯總到年尺度，某年至少有1個月發(fā)生旱災(zāi)，則認(rèn)為該年發(fā)生旱災(zāi)。同季或同年不同月份出現(xiàn)的旱災(zāi)不重復(fù)計算。

在上述資料整理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ArcGIS等軟件分析年尺度和季節(jié)尺度的旱災(zāi)發(fā)生縣數(shù)占當(dāng)?shù)乜偪h數(shù)的比例時間變化，各地旱災(zāi)發(fā)生頻率時空分布等特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省旱災(zāi)范圍的時間格局

由圖1可知，1949～2009年，遼寧省旱災(zāi)縣數(shù)平均比例為49.3%，多數(shù)年份達到30%以上，最高可達100%。由圖1可知大范圍旱災(zāi)常連續(xù)出現(xiàn)，1957～1959 年、1971～1974 年、1978～1984 年、1987～1989 年、1999～2002年等年份出現(xiàn)連年旱災(zāi)。也正是由于上述大范圍旱災(zāi)年的連續(xù)出現(xiàn)以及其間的小范圍旱災(zāi)年，使得旱災(zāi)范圍時間序列表現(xiàn)出周期性，小波分析表明，主要存在9～10年、18～20年周期成分。10年滑動平均曲線可以明顯看出其周期特征。

圖1 遼寧省1949～2009年年尺度旱災(zāi)發(fā)生縣數(shù)比例Figure 1 Percentage of counties occurring drought disasters on annual scale,from 1949 to 2009,Liaoning Province

四季旱災(zāi)發(fā)生范圍時間序列統(tǒng)計結(jié)果表明（圖2），1949～2009年以來，夏季平均旱災(zāi)縣數(shù)比例最大，為40.7%，其次為春季33.4%，秋季、冬季比例較低，分別為11.8%和12.0%。t檢驗表明，在＜0.001的顯著水平上，春季、夏季旱災(zāi)縣數(shù)比例均顯著大于秋季、冬季旱災(zāi)縣數(shù)比例，而春、夏季的差異未能通過0.05顯著水平的t檢驗。

圖2 遼寧省1949～2009年不同季節(jié)旱災(zāi)發(fā)生縣數(shù)比例Figure 2 Percentage of counties occurring drought disasters in different seasons,from 1949-2009,Liaoning Province

根據(jù)歷史資料統(tǒng)計的發(fā)生大范圍秋季、冬季旱災(zāi)的年份較少，這可能并不能反映秋、冬季的實際旱災(zāi)狀況。歷史文獻中關(guān)于旱災(zāi)的記錄主要關(guān)注對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大的春旱、夏旱和秋吊，主要集中在3～9月份，而10月至次年2月的旱災(zāi)對農(nóng)作物生長的直接影響不大，若非連續(xù)跨年的大旱，歷史旱災(zāi)資料中對秋季、冬季旱災(zāi)并未作特別記載，這就使得依據(jù)歷史資料統(tǒng)計的秋季、冬季旱災(zāi)頻率較低。實際上，遼寧省降水量年內(nèi)分配極不均勻，當(dāng)年10月至次年2月降水量只占全年的8%～12%，播種關(guān)鍵期的3～5月降水量占全年13%～16%，6～9月集中全年70%～80%的降水量[19]，這說明秋季、冬季降水量很少，容易發(fā)生氣象旱災(zāi)。

圖2中春、夏旱災(zāi)縣數(shù)比例在時間上具有相似的變化特征，均表現(xiàn)為周期性地出現(xiàn)大范圍旱災(zāi)，進一步的小波分析表明，其周期尺度和相位與年尺度具有一致性，即春夏兩季的旱災(zāi)波及比例與年尺度旱災(zāi)波及比例在時間上具有相似的變化特征。與春、夏相比，秋、冬季節(jié)大范圍旱災(zāi)出現(xiàn)年份較少，無旱年份的比例增加。此外，比較圖2中春季、夏季與秋季、冬季旱災(zāi)發(fā)生范圍序列可以發(fā)現(xiàn)，秋季、冬季節(jié)大范圍旱災(zāi)年份與春季、夏季連年旱災(zāi)時段大致對應(yīng)，如 1981～1982 年、1988～1989 年，冬季 1972～1973 年、1980～1982 年、1988～1989 年、2000～2001 年秋季大范圍旱災(zāi)與春季、夏季連年旱災(zāi)年份對應(yīng)較好。即只有連續(xù)跨年旱災(zāi)時，歷史資料才提及秋、冬旱情，而一般情況下不對其進行特別說明。

2.2 遼寧省旱災(zāi)頻率的空間格局

由1949～2009年尺度旱災(zāi)發(fā)生頻率空間分布圖可以看出（圖3），遼西的朝陽、阜新、錦州地區(qū)，遼東半島旱災(zāi)頻率最高，多數(shù)縣（市）達到50%以上，即超過2年一遇，其中朝陽地區(qū)達到70.5%。丹東、鐵嶺大部、沈陽北部及本溪西部旱災(zāi)頻率在40.1%～50.0%。撫順、本溪東部、鐵嶺東部旱災(zāi)頻率相對較低，在30.1%～40.0%。

由1949～2009年不同季節(jié)旱災(zāi)頻率空間分布圖可以看出（圖4），61年來春季旱災(zāi)頻率最高的地區(qū)為遼西北的朝陽、阜新、錦州等市，旱災(zāi)頻率為50.1%～64.0%；其次為遼東半島的大連地區(qū)，達到40.1%～50.0%；遼西葫蘆島地區(qū)，遼南的蓋州市、海城市、岫巖縣，以及鐵嶺的昌圖縣達到30.1%～40.0%；遼東山區(qū)和遼河下游沖積平原地區(qū)在30%以下。

夏季旱災(zāi)頻率總體格局與春季類似，局部地區(qū)有所差異。與春季相比，錦州部分縣市旱災(zāi)頻率有所降低，葫蘆島興城市有所升高；大連的瓦房店市、普蘭店市和大連市轄區(qū)增加到50.1%以上，遼南的蓋州市、海城市和岫巖縣以及丹東地區(qū)也增加到40.1%～50.1%；其余地區(qū)也總體上有所上升，多數(shù)地區(qū)達到30.1%～40.0%。

雖然秋季、冬季旱災(zāi)頻率整體較春、夏季低，但其中頻率相對較高的地區(qū)分布仍然與春、夏季一致，主要集中在遼西北的朝陽、阜新等地區(qū)，達到20.1%～32.8%，錦州、葫蘆島地區(qū)及遼東丘陵區(qū)的大連、蓋州市、海城市、岫巖縣為10.1%～20.0%，其余廣大地區(qū)均在10%以下。

2.3 遼寧省旱災(zāi)頻率的年代變化特征

由圖5可見，20世紀(jì)50年代與60年代年尺度旱災(zāi)頻率空間格局類似，遼西北大部分縣市旱災(zāi)頻率較高，達到50%以上；葫蘆島地區(qū)由50年代的0～20%上到60年代的20%以上。遼寧省其他地區(qū)旱災(zāi)頻率從50年代到60年代總體上表現(xiàn)出不同程度的降低；50年代大連地區(qū)所有縣市旱災(zāi)頻率均在50%以上，60年代起旱災(zāi)有所緩解，僅大連市轄區(qū)旱災(zāi)頻率在50%以上，其余縣市降低到20%～50%。

圖3 遼寧省1949～2009年尺度旱災(zāi)發(fā)生頻率空間分布Figure 3 Spatial distribution of drought frequencies with annual scale from 1949-2009,Liaoning Province

圖4 遼寧省1949～2009年不同季節(jié)旱災(zāi)發(fā)生頻率空間分布Figure 4 Spatial distribution of frequency of drought disasters in different seasons,from 1949-2009,Liaoning Province

20世紀(jì)70年代旱災(zāi)頻率分布與50年代和60年代完全相反，旱災(zāi)頻率最高的地區(qū)出現(xiàn)在包括大連、丹東、營口、鞍山、撫順地區(qū)及本溪縣的遼東半島、遼東丘陵地區(qū)，達到50%以上，其中丹東地區(qū)、大連市轄區(qū)、普蘭店市達到90%～100%。相比之下，遼西北地區(qū)旱災(zāi)頻率降低到20%～50%，僅建平縣和康平縣達到60%和70%。

20世紀(jì)80年代和90年代，00年代旱災(zāi)頻率空間格局又與50年代、60年代類似，旱災(zāi)多發(fā)生區(qū)主要在遼西北和遼東半島，局部存在差異，具體特點為：（1）遼西北和遼東半島地區(qū)旱災(zāi)頻率從80年代到00年代基本為降低的趨勢；這兩個地區(qū)80年代旱災(zāi)頻率最高，大部分地區(qū)達到80%～90%，遼西北地區(qū)90年代和00年代旱災(zāi)頻率降至50%～80%，而大連地區(qū)、丹東地區(qū)、蓋州市、海城市和岫巖縣一直表現(xiàn)為降低趨勢，90年代降至50%～80%，00年代繼續(xù)下降至40%～50%。（2）遼寧中部和北部的沈陽、鐵嶺、撫順、本溪、遼陽、盤錦地區(qū)旱災(zāi)頻率80年代為20%～50%，90年代有所減小，為10%～50%，00年代又有所增加，升至30%～60%。

圖5 遼寧省不同年代年尺度旱災(zāi)頻率空間分布Figure 5 Spatial distribution of frequency of drought disasters on annual scale of different decades,Liaoning province

3 討論與結(jié)論

根據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論[20]，災(zāi)害是地球表層孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體綜合作用的產(chǎn)物。根據(jù)區(qū)域氣象災(zāi)害理論，干旱災(zāi)害是孕災(zāi)環(huán)境（自然環(huán)境和人文環(huán)境）、致災(zāi)因子（降水不足）、承災(zāi)體（農(nóng)牧業(yè)、城市和生態(tài)環(huán)境等）和干旱災(zāi)害管理相互作用的產(chǎn)物[21]。遼寧省總體地貌格局為遼東山地丘陵、遼北康法丘陵及遼西低山丘陵三面環(huán)繞下遼河平原，山地丘陵大致分列于東西兩側(cè)，中部為廣闊的遼河平原[22]。在這樣的下墊面前提條件下，將圖3與遼寧省1956～2000年平均年降水量圖和徑流深等值線圖[22]進行疊加，分析旱災(zāi)頻率與降水量的關(guān)系，可以看出，遼西北地區(qū)降水少，多年平均降水量在400～600mm，少于其他地區(qū)；年平均徑流深75～100mm。因此遼西北的朝陽、阜新、錦州地區(qū)旱災(zāi)頻率最高，其中朝陽地區(qū)達到70.5%。

遼東半島雖降水量相對較多，為600～750mm，年均徑流深200～300mm，但旱災(zāi)頻率也很高，達到50%以上。這可以從該區(qū)地貌類型與承災(zāi)體方面探討原因。其一，該區(qū)地貌為遼東半島丘陵，地勢比較陡峻；其二，該區(qū)土地利用類型多為旱地[23]，其水分條件受降水影響較大，再加上地勢陡峻，水分難以保存，因而在本區(qū)的坡耕地上容易形成農(nóng)業(yè)旱災(zāi)；其三，從人口密度和人均GDP分布圖[23]上看，本區(qū)尤其是大連地區(qū)的GDP和人均GDP均是全省前列，由于承災(zāi)體的暴露性，造成本區(qū)易于發(fā)生社會經(jīng)濟干旱。

丹東、鐵嶺大部、沈陽北部及本溪西部旱災(zāi)頻率在40.1%～50.0%。其中丹東、本溪地處山區(qū)，植被良好，年降水量多在750～1000mm，地表徑流深250～650mm，是全省水資源最為豐富的地區(qū)[19]，然而，該地區(qū)旱災(zāi)頻率仍較高，可能是這兩個地區(qū)為市區(qū)，人均GDP相對較高，社會經(jīng)濟承災(zāi)體暴露性較高。鐵嶺西部及沈陽北部旱災(zāi)頻率較高主要是降水量少、丘陵地形、旱地面積廣大等因素綜合作用造成的。撫順、本溪東部、鐵嶺東部旱災(zāi)頻率相對較低，在30.1%～40.0%，該地區(qū)多為山地，降水量豐富，植被良好，從孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子來看，不易形成旱災(zāi)。沈陽南部、遼陽、盤錦、營口北部地處遼河下游沖積平原，一方面，該區(qū)土層深厚、地下水埋藏較淺[19]，水資源豐富，從下墊面條件來看，不易形成農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害；另一方面，這一地區(qū)城市化水平較高，耕地面積少，農(nóng)業(yè)人口少，城市人口多，城市供水保證率較高，抗旱減災(zāi)能力較強，故旱災(zāi)頻率低。

本研究在系統(tǒng)整理遼寧省1949～2009年旱情資料的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)分析全省不同季節(jié)旱災(zāi)頻率空間格局及其時間變化，并與同期降水量距平相比較，探討了旱災(zāi)頻率與降水量之間關(guān)系，研究結(jié)果表明：1949～2009年，遼寧省年旱災(zāi)縣數(shù)比例平均值為49.3%，其變化范圍為30%～100%。不同季節(jié)旱災(zāi)發(fā)生比率平均值大小依次為夏季、春季、秋季和冬季，分別為40.7%、33.4%11.8%和12.0%。全年和春季、夏季旱災(zāi)縣數(shù)時間序列相似，均表現(xiàn)為大范圍連續(xù)旱災(zāi)和周期性特征，且周期尺度和相位一致。總體而言1949～2009年旱災(zāi)頻率遼西北、遼東半島地區(qū)多數(shù)縣（市）達50%以上，為全省最高；丹東、鐵嶺大部及本溪西部、沈陽北部次之，為40%～50%；撫順、本溪東部、鐵嶺東部再次之，為30%～40%；沈陽南部、遼陽、盤錦、營口北部最低，為26%～30%。20世紀(jì)50年代與60年代年尺度旱災(zāi)頻率空間格局類似，除遼西北大部分縣市基本保持不變，均在50%以上和葫蘆島地區(qū)由0～20%上升至20%以上之外，全省其他地區(qū)則總體上表現(xiàn)為下降趨勢。70年代旱災(zāi)頻率分布與50年代、60年代相反，遼東半島、遼東丘陵地區(qū)上升至50%以上，而遼西北地區(qū)則降低至20%～50%。80年代、90年代和00年代旱災(zāi)頻率空間格局又與50年代、60年代類似，遼西北和遼東半島為旱災(zāi)多發(fā)區(qū)。遼寧省干旱災(zāi)害頻率是地貌條件、徑流深、年降水量、土地利用、人口密度、人均GDP、干旱災(zāi)害管理等多因素綜合作用的結(jié)果，不同地區(qū)造成旱災(zāi)頻率高低的主導(dǎo)因素不同。