謝華光
(遼寧省朝陽市氣象局,遼寧 朝陽 122000)
【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。
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)。
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。
1.3.1 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。
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
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
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
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
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。
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。