1961-2019年東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期時(shí)空分布特征分析

曲美慧，涂 鋼，馮喜媛

（1.吉林省氣象科學(xué)研究所中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與東亞季風(fēng)研究開放實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130062；2.長白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130062）

引言

全球變暖背景下，各種災(zāi)害性天氣氣候事件頻繁發(fā)生，其中干旱作為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，呈現(xiàn)頻率加快、范圍擴(kuò)大和進(jìn)一步加重的態(tài)勢，對我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活影響巨大，尤其是我國北方部分地區(qū)干旱化趨勢嚴(yán)峻［1-3］。

農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最為直接和敏感的行業(yè)之一，東北作為全球變暖響應(yīng)最顯著的地區(qū)之一，出現(xiàn)了持續(xù)而顯著的增溫，而夏季降水量又呈現(xiàn)減小趨勢，氣候存在明顯的暖干化傾向［4］；近年來東北三省在國家糧食安全中的戰(zhàn)略地位日益增強(qiáng)，而干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大，如果對干旱災(zāi)害不予以重視和有效應(yīng)對，到2030年中國東北地區(qū)農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入將會(huì)損失50%以上［5］。

為此，諸多學(xué)者從不同角度對東北干旱開展了廣泛的研究。有研究指出1990-2000 年東北、華北地區(qū)的極端干旱頻率顯著增加，是近百年少有的大范圍高強(qiáng)度的極端干旱頻發(fā)期，東北地區(qū)干旱化趨勢顯著［4，6-11］；利用水分虧缺指數(shù)分析東北玉米干旱的時(shí)空分布特征時(shí)發(fā)現(xiàn)干旱頻率、等級區(qū)域性比較明顯，遼寧西部和南部、吉林西部和黑龍江西南部地區(qū)的干旱發(fā)生頻率較高，近些年干旱等級也較重［12-13］；干旱發(fā)生最直接的原因是降水不足或持續(xù)減少的累積效應(yīng)，因此很多學(xué)者從降水特征的變化，尤其是極端降水頻率、強(qiáng)度的變化給出了干旱加重的解釋［14-15］，降水事件有向極端化發(fā)展的傾向，其中嚴(yán)重干燥事件（連續(xù)無雨日≥10d）呈顯著增多趨勢；2003 年ETCCDMI（Expert Team on Climate Change Detection，Monitoring and Indices）定義了27 個(gè)極端氣候指數(shù)，最長連續(xù)無雨日（consecutive dry days，CDD）是其中之一［16-20］，CDD 滿足了氣候變化客觀檢測和描述的需要，也是“歐洲地區(qū)極端事件統(tǒng)計(jì)和區(qū)域動(dòng)力降尺度”項(xiàng)目（STDRDEX，Statistical and regional dynamical downscaling of extremes for European regions）提出的基于逐日溫度和降水量觀測資料的50 個(gè)核心極端指數(shù)之一［21］，用以分析極端天氣氣候事件變化，在世界范圍的極端氣候研究中得到了廣泛應(yīng)用［21-24］；利用CDD 分析極端干期序列的多尺度震蕩結(jié)構(gòu)及多年變化趨勢，揭示了東北和華北大部分相對濕潤的地區(qū)有變干趨勢［25-26］。

相關(guān)研究認(rèn)為，連續(xù)無雨日數(shù)可以作為表征干旱的指標(biāo)之一［26-28］，其變化對農(nóng)作物生長的影響很大，特別是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水是作物需水量的主要來源，通過模擬不同連續(xù)無雨日數(shù)對玉米產(chǎn)量的影響試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)苗期、拔節(jié)期分別發(fā)生10-40 d的連續(xù)無雨日，或者苗期、拔節(jié)期均發(fā)生5-20 d的連續(xù)無雨日，均影響玉米籽粒灌漿，導(dǎo)致減產(chǎn)，減產(chǎn)率約在3.24%-23.94%范圍內(nèi)［29］；連無雨日數(shù)能夠識別吉林省生長季各級干旱及春、夏、秋旱的發(fā)生，與干旱災(zāi)害實(shí)況吻合較好［30］，但該指標(biāo)沒有考慮前期降水量、土壤持水能力等，因此在實(shí)際干旱監(jiān)測應(yīng)用中還需調(diào)整。此外，極端干期的概念與干旱監(jiān)測指標(biāo)—“連續(xù)無雨日數(shù)”相似之處是均涉及連續(xù)無雨日數(shù)，但前者是某時(shí)段內(nèi)的最長連續(xù)無雨日數(shù)，反映某時(shí)段降水間歇的極端性，是極端氣候檢測的指數(shù)之一，后者可根據(jù)不同日數(shù)長度定義干旱等級，用于干旱監(jiān)測預(yù)警，二者資料易得、計(jì)算方法簡單，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)旱情的監(jiān)測評估、農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)［31-32］等方面。

進(jìn)入21世紀(jì)，有研究發(fā)現(xiàn)較前期相比東北三省整體熱量資源增加的趨勢減緩，在2005年前后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性變化［33］，與此對應(yīng)，春季降水量也呈現(xiàn)了上升的傾向，降水年際波動(dòng)加大，東北地區(qū)的干旱趨勢如何變化值得關(guān)注，尤其是作物生長階段。為此，本文參照ETCCDMI 定義的CDD 以及文獻(xiàn)［25］中極端干期的概念，定義作物不同生長階段內(nèi)最長連續(xù)無雨日數(shù)為各階段的極端干期長度（單位：天數(shù)）且規(guī)定日降水量小于0.1 mm 為無雨日，分析其時(shí)空分布特征，了解不同生長階段區(qū)域內(nèi)干濕分布及可能的趨勢，為合理指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)、合理利用水資源提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域、資料與方法

研究區(qū)為東北地區(qū)，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古東四盟，該區(qū)域位于我國緯度最高區(qū)，地處中高緯度歐亞大陸的東岸，三面環(huán)山，中部為東北平原，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，生長季5-9月的降水占全年降水的89%左右，受東亞夏季副熱帶季風(fēng)北部邊緣帶［33］影響，降水的年際變率較大。

所用數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）1961-2019 年4-9 月東北地區(qū)共87 個(gè)國家常規(guī)氣象站的逐日降水觀測數(shù)據(jù)。

參照東北地區(qū)農(nóng)事活動(dòng)期以及作物對水分需求的關(guān)鍵期等特點(diǎn)，兼顧《中國氣象災(zāi)害大典·吉林卷》［34］中春、夏、秋旱的發(fā)生時(shí)段，本文將作物生長期4 月21 日-9 月20 日，分為3 個(gè)階段，Ⅰ階段：4 月21 日-6 月10日，對應(yīng)于作物的幼苗生長期也叫苗期，期間發(fā)生的干旱稱為春旱；Ⅱ階段：6月11日-8月31日，對應(yīng)于作物的營養(yǎng)生長、生殖生長期，期間發(fā)生的干旱稱為夏旱，對作物產(chǎn)量影響較大；Ⅲ階段：9 月1 日-9 月20日，對應(yīng)于作物灌漿成熟期，期間發(fā)生的干旱稱為秋旱。依據(jù)以上3 個(gè)時(shí)段全區(qū)逐站劃分，分別統(tǒng)計(jì)各階段的極端干期日數(shù)序列，主要采用線性傾向估計(jì)、滑動(dòng)平均、累計(jì)距平和變化趨勢的顯著性檢驗(yàn)等氣候變化趨勢分析方法［35］。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端干期的多年平均分布特征

圖1是1961-2019年平均東北地區(qū)作物生長各階段極端干期長度分布?？梢钥吹蕉嗄昶骄臉O端干期長度在不同階段的空間分布形態(tài)大致相同，整體上從東北向西南呈增加的分布趨勢，符合半干旱-半濕潤和濕潤-半濕潤分界線傾向于東北西南的走向［36］，中西部極端干期長度較長；與東北地區(qū)的地形分布十分相似，西、北、東三面環(huán)山，極端干期長度短，中間為東北平原，極端干期長度較長。各階段空間分布依舊存在區(qū)域差異，一方面就極端干期長度大值區(qū)分布情況而言，Ⅰ階段大值區(qū)主要分布在吉林西部和內(nèi)蒙東部，Ⅲ階段主要在遼寧中西部、吉林西部、黑龍江西部和內(nèi)蒙東部，Ⅱ階段大值區(qū)范圍較大，包含了東北平原大部分區(qū)域，涵蓋了東北糧食主產(chǎn)區(qū)，極端干期長度平均都大于9 天；各階段大值區(qū)的分布與東北玉米干旱發(fā)生頻率較高的區(qū)域比較一致［12，37］，可見極端干期在一定程度上反映了農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面從圖1 也可以看到3 個(gè)階段極端干期長度的小值區(qū)大都集中在吉林省東南部地區(qū)和遼寧省中東部，是各階段降水氣候平均態(tài)分布中降水較為豐富的地區(qū)。

圖1 1961-2019年平均東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期長度的空間分布Fig.1 Spatial distribution for the period of extreme dry spell in different crop growth stages in Northeast China from 1961 to 2019

空間分布的另一特征是各階段極端干期長度變化范圍的差異，Ⅰ階段多年平均極端干期長度范圍在8-18天，Ⅱ、Ⅲ階段分別為6-11天、5-10天，干期長度的長短與生長季降水的季內(nèi)分配較為匹配，Ⅱ階段是生長季降水量的集中期，大約占到生長季降水量的73.2%，而Ⅰ、Ⅲ階段降水量相對較少，只占到18.1%、8.7%；此外，相對于各自階段總長度，Ⅰ、Ⅲ階段極端干期長度較長，尤其Ⅰ階段極端干期長度較長，也就是說連續(xù)無雨日較長，發(fā)生春旱、秋旱的風(fēng)險(xiǎn)較大，這與玉米干旱發(fā)生階段、發(fā)生頻率等相關(guān)研究結(jié)果較為吻合［12-13，37］；Ⅱ階段中極端干期長度大于9 天的站點(diǎn)分布范圍較廣，雖然相對于該階段并不很長，但此階段是作物營養(yǎng)生長、生殖生長期和需水關(guān)鍵期，需水量增大，期間若發(fā)生干旱會(huì)對作物產(chǎn)量影響較大，造成嚴(yán)重減產(chǎn)，通常是重旱的主要發(fā)生期［37］。

2.2 極端干期的趨勢變化特征

東北地區(qū)1961-2019年作物生長各階段極端干期長度距平值變化如圖2，3個(gè)階段變化的共同點(diǎn)是階段性變化明顯，線性趨勢不同。首先，Ⅰ階段極端干期長度沒有顯著變化，而Ⅱ、Ⅲ階段呈顯著的線性增加趨勢，氣候傾向率分別為0.4 d·（10a）-1、0.3 d·（10a）-1，且通過0.05 和0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)，3 個(gè)階段最長連續(xù)無雨日數(shù)的趨勢變化，給出了農(nóng)作物春旱有減少的趨勢，而夏旱、秋旱風(fēng)險(xiǎn)在增大［38］，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全的影響仍需關(guān)注。

圖2 1961-2019年東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期長度距平值的序列Fig.2 Anomaly series for the period of extreme dry spell in different crop growth stages in Northeast China from 1961 to 2019（unit：d）

其次，階段性變化不盡相同，具體來講，Ⅰ階段的極端干期長度距平以2005 年前后為界，之前相對趨于平穩(wěn)變化，2005年左右開始持續(xù)減少，自2010年開始干期長度以負(fù)距平為主；Ⅱ階段經(jīng)過較為持續(xù)的增長，大約在20 世紀(jì)90 年代末到本世紀(jì)初增長停滯，大致趨于平穩(wěn)變化，Ⅱ階段在20 世紀(jì)80 年代以前幾乎全為負(fù)距平，自2000 開始干期長度以正距平為主；Ⅲ階段在20 世紀(jì)90 年代初到本世紀(jì)初經(jīng)歷一段快速攀升，從一段平穩(wěn)變化進(jìn)入另一段相對平穩(wěn)變化期，自20世紀(jì)90年代末開始干期長度以正距平為主；總之經(jīng)過20世紀(jì)90年代初到21世紀(jì)初，極端干期長度發(fā)生的變化與1990's中后期以后北方地區(qū)干旱增加趨勢明顯、夏季干旱化趨勢顯著的研究結(jié)論［11-12，39-40］，尤其是20 世紀(jì)90 年代以來東北區(qū)干旱呈加重的趨勢［36，38，41］一致，而且變化發(fā)生的時(shí)間，對應(yīng)于東北地區(qū)20世紀(jì)90年代初的增溫顯著期和21世紀(jì)初的增溫停滯期，兩者之間是否存在關(guān)聯(lián)需要進(jìn)一步探究。

此外，對照各時(shí)段東北地區(qū)降水的變化（圖略），Ⅰ階段降水有線性增加的趨勢，且通過0.02顯著性水平檢驗(yàn)，Ⅱ、Ⅲ階段有線性減少的趨勢，但沒有通過顯著性檢驗(yàn)，且進(jìn)入2000 年以后3 個(gè)階段的降水都進(jìn)入增多的階段，因此極端干期長度的變化特征從另一角度印證了在東北地區(qū)生長季內(nèi)降水分配變得更不均勻、降水事件有向極端化發(fā)展的傾向這一結(jié)論［14，42-43］。

圖3給出了1961-2019年東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期長度氣候傾向率的空間分布?？梢钥吹?個(gè)階段整體趨勢與全區(qū)平均的趨勢一致，Ⅰ階段以負(fù)趨勢為主，Ⅱ、Ⅲ階段絕大部分地區(qū)呈現(xiàn)的是正趨勢，但存在區(qū)域差異。具體來看，圖3（Ⅰ）可見該階段除大興安嶺北部和三江平原；全區(qū)呈現(xiàn)負(fù)趨勢，且大部分站點(diǎn)沒有通過顯著性檢驗(yàn)，但東四盟東部、吉林省中部和東部的負(fù)趨勢通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，春旱風(fēng)險(xiǎn)的降低對苗期有力，而且東四盟大興安嶺北部，特別是三江平原和遼寧南部的部分地區(qū)呈現(xiàn)正趨勢且通過了0.1 的顯著性水平檢驗(yàn)，少部分通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，說明春季降水整體有增加的趨勢，局部地區(qū)春旱風(fēng)險(xiǎn)依舊存在增加的趨勢；Ⅱ階段幾乎全區(qū)一致的正趨勢，且大部分地區(qū)通過0.1 的顯著性水平檢驗(yàn)，沒有通過顯著性檢驗(yàn)的地區(qū)集中在白城以西、小興安嶺以及三江平原部分地區(qū)，最長連續(xù)無雨日數(shù)的增加趨勢帶來了夏旱風(fēng)險(xiǎn)的增加，對東北農(nóng)作物生產(chǎn)不利；Ⅲ階段也以正趨勢為主，相比Ⅱ階段在東四盟部分地區(qū)出現(xiàn)了負(fù)趨勢區(qū)域，通過0.1-0.01顯著水平的區(qū)域范圍減少。

圖3 1961-2019年東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期長度的氣候傾向率Fig.3 Climate tendency for the period of extreme dry spell in different crop growth stages in Northeast China from 1961 to 2019（unit：d·（10a）-1）

2.3 極端干期開始日序

以上分析看到極端干期的變化與農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系密切，為此本節(jié)統(tǒng)計(jì)分析了極端干期開始日序的時(shí)空變化。在統(tǒng)計(jì)時(shí)，針對某階段某年極端干期長度重復(fù)出現(xiàn)的情況，普查后發(fā)現(xiàn)大多數(shù)出現(xiàn)重復(fù)時(shí)，該階段的極端干期長度均比較短，一般為2-4天，當(dāng)極端干期長度較長時(shí)，重復(fù)出現(xiàn)的站和年份占比例很小。而本文重點(diǎn)關(guān)注的是多年平均意義上以及持續(xù)期較長的極端干期開始日序，為此建立了不同階段極端干期開始日序的序列。圖4 給出了1961-2019 年平均東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期開始日序的空間分布，對照圖1 給出的平均極端干期長度，可以看到，Ⅰ階段極端干期開始的時(shí)間自西向東逐漸出現(xiàn)，日期范圍大約在5 月1-10 日前后，此時(shí)作物正處于出苗期，長度從西到東約為14-10 天，最早出現(xiàn)在東四盟及遼寧和吉林西部；Ⅱ階段極端干期開始的時(shí)間從東北向西南逐漸出現(xiàn)，范圍大致在7月10-25日前后，此時(shí)作物進(jìn)入孕穗—抽雄期，作物對水分需求量大，平均極端干期長度為8-10 天；Ⅲ階段極端干期出現(xiàn)的時(shí)間全區(qū)基本一致，約在9 月6 日前后，正值作物灌漿期，平均極端干期長度從東北到西南為6-8 天；可見，極端干期多年平均開始日序基本上都在作物生長、成熟關(guān)鍵時(shí)期，因此各地在該日期前后適時(shí)的防旱抗旱，對保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 1961-2019年東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期開始日序的空間分布Fig.4 Spatial distribution for start sequence of extreme dry spell in different crop growth stages in Northeast China from 1961 to 2019

氣候變暖背景下，極端干期開始日序是否存在提前或延后的變化特征，為此計(jì)算了1961-2019年東北地區(qū)平均極端干期開始日序的距平，如圖5，可以看出3個(gè)階段極端干期開始日序均存在延后的線性趨勢，且Ⅲ階段通過0.01顯著性水平，線性傾向率分別為0.3 d·（10a）-1、0.8 d·（10a）-1、0.8 d·（10a）-1。Ⅰ、Ⅱ階段極端干期開始出現(xiàn)時(shí)間的階段性變化比較相近，都是在1980年左右由逐年推遲轉(zhuǎn)入逐年提前，經(jīng)過90年代初再次轉(zhuǎn)入延后，大約2004年前后呈現(xiàn)提前趨勢，進(jìn)入以正距平為主的階段；Ⅲ階段極端干期出現(xiàn)時(shí)間整體呈現(xiàn)逐漸推遲的變化，階段性不明顯，Ⅲ階段的距平值范圍明顯小于Ⅰ、Ⅱ階段。

圖5 1961-2019年東北地區(qū)作物生長不同階段極端干期開始日序的距平值序列Fig.5 Anomaly series for start sequence of extreme dry spell in different crop growth stages in Northeast China from 1961 to 2019

3 結(jié)論與討論

文中利用東北地區(qū)87個(gè)地面氣象站1961-2019年4-9月的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了作物苗期、營養(yǎng)和生殖生長期、成熟期3階段極端干期長度的時(shí)空變化特征，并給出了極端干期平均開始日及其變化，主要結(jié)論如下：

（1）極端干期長度多年平均空間分布，其相對干旱、濕潤區(qū)與東北干濕氣候帶較為一致，干期長度呈東北—西南向增加，干旱、半干旱區(qū)干期較長，半濕潤—濕潤區(qū)干期較短；3個(gè)階段干期分布差異集中在大值中心的變化，Ⅰ階段在內(nèi)蒙東部，Ⅱ階段在東北中部平原和三江平原，Ⅲ階段集中在遼西，參照作物干旱頻率、干旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等研究成果，各階段干期長度大值區(qū)與春、夏、秋旱的高頻次、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)比較吻合。這種極端干期的分布與山脈地形、不同階段降水異常區(qū)關(guān)系密切。

（2）東北地區(qū)平均極端干期長度的線性趨勢和階段性變化顯示，Ⅰ階段極端干期長度沒有顯著的線性趨勢，Ⅱ、Ⅲ階段呈顯著的線性增加趨勢；階段性變化的突出特點(diǎn)是90年代末至今，Ⅱ、Ⅲ階段進(jìn)入正距平為主的階段，Ⅰ階段約2010 年開始干期長度以負(fù)距平為主；可以認(rèn)為近10-20 年東北地區(qū)整體來看，Ⅰ階段有變濕的趨勢，而Ⅱ、Ⅲ階段階段呈現(xiàn)變干的趨勢；這于作物而言，春旱呈減少的趨勢，而夏旱、秋旱依舊是增加趨勢，其中夏旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食產(chǎn)量影響較大，值得關(guān)注。

（3）近59年極端干期長度氣候傾向率的空間分布，整體與局地變化有所不同；Ⅰ階段全區(qū)大部分區(qū)域極端干期長度有縮短的趨勢，意味著東北中部干旱—半干旱區(qū)—半濕潤區(qū)的春旱有所緩解，但局部區(qū)域的半濕潤區(qū)（遼東半島和三江平原的南端）干期長度卻顯著增加，有變干趨勢；Ⅱ、Ⅲ階段全區(qū)幾乎一致的干期增長，尤其是東北南部的濕潤區(qū)極端干期長度增大趨勢顯著，這些地區(qū)的夏、秋旱有加重趨勢，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

（4）多年平均極端干期開始日序的空間分布在Ⅰ、Ⅱ階段分別自西向東、由東北向西南逐漸開始，Ⅲ階段全區(qū)基本同步，開始日分別為5月5日前后、7月15日前后和9月6日前后，整體而言近10年來極端干期開始日序3個(gè)階段均呈延后的趨勢。

以上分析可以看到極端干期長度與降水量非嚴(yán)格對應(yīng)，東北地區(qū)生長季降水量沒有顯著變化趨勢，但極端干期長度有顯著的增加趨勢，特別是夏季，對應(yīng)于作物的營養(yǎng)、生殖生長關(guān)鍵期，也是水稻、玉米等主要農(nóng)作物需水高峰期，這種降水特征變化帶來的干旱壓力對農(nóng)業(yè)有直接影響，是近十幾年來東北農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害呈上升趨勢的重要原因之一。文中只從雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)對生長季自然降水的依賴性角度出發(fā)，探討氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣候條件之一—降水特征的變化，分析了降水間歇的極端性變化，對農(nóng)業(yè)成災(zāi)的上游機(jī)理［44］中的大氣系統(tǒng)作用分量—最長連續(xù)無雨日數(shù)的特征做了較為詳細(xì)的分析，滿足了氣候變化客觀檢測和描述的需要，但對前期降水量、土壤持水能力、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害機(jī)理深入不夠，未涉及中、下游機(jī)理中的地表水分交換、環(huán)境脅迫作用以及涉及人類活動(dòng)的生產(chǎn)系統(tǒng)等，今后應(yīng)將在農(nóng)業(yè)干旱受災(zāi)成災(zāi)機(jī)理和實(shí)際應(yīng)用方面作進(jìn)一步探討。