阜新農(nóng)業(yè)干旱特征與人工增雨應(yīng)對(duì)措施

孫 可，孫寶利，楊曉彤，李 凝，張 旭，魏澤楷

（遼寧省阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000）

0 引言

干旱是在一定時(shí)間尺度上水分收支或供求不平衡形成的水分短缺現(xiàn)象。隨著全球氣候變暖，干旱災(zāi)害發(fā)生日益頻繁并在受災(zāi)地區(qū)造成了巨額的經(jīng)濟(jì)損失［1］。因此，加強(qiáng)干旱監(jiān)測、預(yù)測方面的研究對(duì)科學(xué)評(píng)估區(qū)域氣候影響、制定合理的風(fēng)險(xiǎn)管理以及防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要的意義［2-5］。近幾年，許多學(xué)者對(duì)我國的干旱變化特征和大氣水汽進(jìn)行了研究。干旱具有多尺度變化特征，在我國東北地區(qū)跨月、跨季節(jié)甚至跨年度的重大干旱事件頻發(fā)，掌握不同時(shí)間尺度干旱的變化特征，增加對(duì)干旱演變細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí)，了解大氣水汽分布特征，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測和評(píng)估干旱的發(fā)生發(fā)展，科學(xué)規(guī)避災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［6-24］。阜新位于遼寧省西部，在該地區(qū)由于降水量少且降水時(shí)間和空間分布不均，氣象干旱影響范圍廣而且持續(xù)時(shí)間長，每年都會(huì)造成農(nóng)作物不同程度減產(chǎn)，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展帶來了不利影響。筆者利用1981～2020年阜新地區(qū)40年的降水量、氣象干旱數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)（SPEI），采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析等方法對(duì)阜新地區(qū)春、夏、秋干旱的變化特征進(jìn)行了分析，所得分析結(jié)果可為當(dāng)?shù)貧庀蟛块T開展農(nóng)業(yè)抗旱服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)［25］。本文還提出了人工增雨抗旱的應(yīng)對(duì)措施，可為阜新地區(qū)合理利用水資源、有效緩解干旱提供參考［26］。

1 資料和方法

利用1981～2020年阜新和彰武觀測站，以及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)加密站的降水量資料，計(jì)算春、夏、秋3個(gè)季度的降水距平百分率，再按照《農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警等級(jí)》（GB/T 34817—2017）中的標(biāo)準(zhǔn)（特大干旱、嚴(yán)重干旱、中度干旱、輕度干旱的降水距平百分率分別為-80%以下、-80%～-51%、-50%～-26%、-25% ～-15%）來分析旱情。

利用1981～2020年干旱災(zāi)情服務(wù)和土壤墑情等氣象資料，按照氣象干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分析阜新地區(qū)春、夏、秋3個(gè)季度的干旱特征。

利用全球干旱監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)站（https：//spei.csic.es/）提供的1981～2020年的SPEI（標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)）資料，分析阜新地區(qū)春、夏、秋3個(gè)季度干旱的變化特征和趨勢，并對(duì)SPEI指數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。

2 阜新1981～2020年干旱變化特征分析

2.1 阜新地區(qū)1981～2020年降水量分析

1981～2020年阜新地區(qū)年平均降水量為490.7 mm，其中阜蒙縣站476.0 mm，彰武縣站505.5 mm。年最大降水量為775.7 mm，出現(xiàn)在1994年阜蒙縣站；年最小降水量為294.3 mm，出現(xiàn)在2011年阜蒙縣站（表1）。從阜蒙、彰武這2個(gè)縣的降水量來看，1981～2020年平均降水量呈減少趨勢（圖1）。

圖1 1981～2020年阜新地區(qū)平均降水量的變化趨勢

通過對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)1981～2020年的降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：年際降水量的變化周期為5年左右，豐水年與枯水年的變化周期為10年左右；近10年降水量呈東南多西北少的分布特征，而且450 mm和500 mm降水的分界線南移，小于500 mm的降水面積增大（圖2）。

統(tǒng)計(jì)阜新地區(qū)1981～2020年春、夏、秋3個(gè)季度降水量的距平百分率，按照《農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警等級(jí)》分析該地區(qū)的干旱情況。在這40年里，共出現(xiàn)了46次不同等級(jí)的干旱，其中嚴(yán)重干旱19次，占總干旱次數(shù)的41.3%；中度干旱15次，占總干旱次數(shù)的32.6%；輕度干旱12次，占總干旱次數(shù)的26.1%。從季度上來看，春季干旱18次，夏季干旱12次，秋季干旱16次，分別占總干旱次數(shù)的39.1%、26.1%、34.8%。

在1981～2010年期間平均每年出現(xiàn)干旱1.1次；在2011～2020年期間平均每年出現(xiàn)干旱1.3次；后10年出現(xiàn)干旱的頻率較前30年增加了18%。阜新地區(qū)的降水具有時(shí)間和空間分布不均的特點(diǎn)，僅從降水量上分析干旱情況，平均發(fā)生的次數(shù)偏少，但能從時(shí)間和空間上體現(xiàn)出干旱發(fā)展的趨勢（表2）。

表2 1981～2020年阜新地區(qū)不同季節(jié)農(nóng)業(yè)干旱次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 1981～2020年阜新地區(qū)氣象記錄分析

統(tǒng)計(jì)阜新市1981～2020年干旱決策材料、土壤墑情和氣候年鑒，分析春、夏、秋3個(gè)季度不同等級(jí)的氣象干旱情況，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：在1981～2020年這40年里共出現(xiàn)了72次干旱，其中春旱共出現(xiàn)33個(gè)年份，發(fā)生次數(shù)最多，發(fā)生頻率為82.5%；夏旱共出現(xiàn)27個(gè)年份，發(fā)生頻率為67.5%；秋旱發(fā)生次數(shù)最少，只有12個(gè)年份，發(fā)生頻率為30.0%。說明阜新地區(qū)的干旱以春旱為主，夏旱次之，而秋旱較少。

表3 1981～2020年阜新地區(qū)不同季節(jié)氣象干旱年份數(shù)

從干旱的等級(jí)來看，1981～2020年阜新地區(qū)發(fā)生輕旱和中旱的次數(shù)最多，同為26次，各占總干旱次數(shù)的36.1%；而重旱發(fā)生次數(shù)最少，占總干旱次數(shù)的27.8%。說明阜新地區(qū)的干旱以輕旱和中旱為主，重旱次之。

2011～2020年春季和夏季發(fā)生干旱年份分別是9年和7年，發(fā)生頻率較1981～2010年分別高出10.0%和3.3%。從近10年來干旱決策服務(wù)材料來看，2014、2017和2020年發(fā)生的干旱突破了有氣象記錄以來的極值，2015年夏季發(fā)生兩輪重旱，2017年所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生重旱，2018年發(fā)生的兩輪春旱持續(xù)時(shí)間長達(dá)77 d。說明近10年來出現(xiàn)的旱情較前30年更加嚴(yán)重。

從1981～2020年阜新地區(qū)墑情圖（圖略）來看,近10年來，阜蒙縣南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)較之前出現(xiàn)了不同等級(jí)的干旱，發(fā)生干旱的頻率明顯增加，這與降水量分布情況分析的結(jié)果比較符合。

結(jié)合干旱分布和降水分布情況，參照遼寧省抗旱作戰(zhàn)圖（圖3），制作了阜新的抗旱作戰(zhàn)圖（圖4）。由圖4可見，彰武東南部為次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其他地區(qū)都為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，特別是阜新的中南部也加入到高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖3 遼寧省抗旱作戰(zhàn)圖

圖4 阜新市抗旱作戰(zhàn)圖

2.3 基于SPEI指數(shù)的分析

SPEI（標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)）是全球干旱監(jiān)測系統(tǒng)提供的近實(shí)時(shí)反映全球范圍內(nèi)干旱狀況的1個(gè)指標(biāo)。從https：//spei.csic.es/下載阜新地區(qū)1981～2020年的SPEI數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。圖5為1981～2020年阜新地區(qū)SPEI的年際變化特征，從中可以看出SPEI數(shù)值呈下降趨勢，說明干旱發(fā)生的概率在增大。

圖5 阜新1981～2020年SPEI的年際變化

統(tǒng)計(jì)3個(gè)月尺度的SPEI指數(shù)，描述阜新地區(qū)不同等級(jí)干旱發(fā)生的頻率，由表4可以看出，在1981～2020年期間阜新地區(qū)共發(fā)生73次干旱，其中春季發(fā)生干旱的頻率為67.5%，發(fā)生夏旱和秋旱的頻率均為57.5%。其中春季發(fā)生重旱的頻率為22.5%，夏季發(fā)生重旱的頻率為17.5%。

表4 1981～2020年不同季節(jié)SPEI干旱統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2011～2020年春旱和夏旱發(fā)生的頻率分別為80.0%和70.0%，較1981～2010年分別增加了20.0%和17.7%，這與降水量距平分析的干旱趨勢相符。

圖6為阜新地區(qū)不同季節(jié)SPEI指數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)曲線。由UF曲線可知，春季SPEI指數(shù)的突變點(diǎn)在1988年左右，此后SPEI指數(shù)呈下降趨勢，在2002～2004年超過了顯著性水平0.05臨界線，表明此階段干旱增加趨勢顯著；夏季SPEI指數(shù)的突變點(diǎn)在1998年左右，此后SPEI指數(shù)呈下降趨勢；秋季SPEI指數(shù)的突變點(diǎn)在1998年，此后SPEI指數(shù)呈下降趨勢，在2008～2010年和2014～2017年超過了顯著性水平0.05臨界線，表明這2個(gè)階段干旱增加趨勢顯著。

圖6 1981～2020年SPEI指數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)曲線

3 人工增雨抗旱應(yīng)對(duì)措施

近10年來，阜新干旱更加嚴(yán)重，干旱發(fā)生的面積不斷增大，阜新中南部也劃入到高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。建議采取以下5項(xiàng)措施來應(yīng)對(duì)阜新嚴(yán)重干旱，提升科學(xué)化作業(yè)能力，提高增雨抗旱服務(wù)效果。

3.1 優(yōu)化地面作業(yè)布局

由于南部村莊多，且靠近民航飛機(jī)航路，按照火箭作業(yè)站點(diǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)，在南部選擇作業(yè)點(diǎn)，優(yōu)化火箭增雨作業(yè)布局。所以計(jì)劃在南部山區(qū)建設(shè)地面燃煙爐，開展人工增雨作業(yè)，并列入遼寧省“十四五”人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃，以此來增加作業(yè)方式，優(yōu)化地面人工增雨作業(yè)布局。

3.2 優(yōu)化飛機(jī)增雨作業(yè)航線

根據(jù)人工冰晶可能擴(kuò)散距離為6～10 km，飛機(jī)播撒冰晶的飛行方向應(yīng)垂直于高空風(fēng)向，沿逆風(fēng)向軌跡進(jìn)行播撒，以播撒軌跡邊長50～80 km、行距間隔12～20 km的條播或“S”型方式進(jìn)行作業(yè)。設(shè)計(jì)4條“S”型飛機(jī)增雨預(yù)設(shè)航線，來滿足飛機(jī)作業(yè)需求，提升增雨作業(yè)效果。

3.3 制定人工影響天氣周年服務(wù)方案

進(jìn)一步規(guī)范潛力預(yù)報(bào)、監(jiān)測預(yù)警和作業(yè)指揮流程，提高科學(xué)作業(yè)能力。主要通過利用資料、實(shí)施內(nèi)容和分析依據(jù)等方面，對(duì)作業(yè)條件潛力預(yù)報(bào)和作業(yè)預(yù)案（24～3 h）、作業(yè)條件監(jiān)測預(yù)警和作業(yè)方案（3～0 h）和跟蹤指揮和作業(yè)實(shí)施（0～3 h）這3個(gè)階段進(jìn)行流程規(guī)范和指導(dǎo)。

3.3.1 作業(yè)條件潛力預(yù)報(bào)和作業(yè)預(yù)案（24～3 h） 利用EC、GRAPES、MM5和WRF等模式產(chǎn)品及衛(wèi)星和雷達(dá)資料。當(dāng)未來24 h內(nèi)有降水天氣系統(tǒng)影響目標(biāo)區(qū)時(shí)進(jìn)行潛力分析，根據(jù)模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)，結(jié)合大氣穩(wěn)定度和高空風(fēng)判斷作業(yè)工具，并制定發(fā)布未來24～3 h作業(yè)條件潛力預(yù)報(bào)和作業(yè)預(yù)案。

3.3.2 作業(yè)條件監(jiān)測預(yù)警和作業(yè)方案設(shè)計(jì)（3～0 h） 利用雷達(dá)、衛(wèi)星設(shè)備并通過人影跟蹤指揮系統(tǒng)修正人工增雨飛機(jī)起飛時(shí)間以及飛行航線和高度；通過人影跟蹤指揮系統(tǒng)，向火箭增雨擬作業(yè)點(diǎn)發(fā)送預(yù)警指令，包括預(yù)計(jì)作業(yè)時(shí)間、擬用彈量等。

3.3.3 跟蹤指揮和作業(yè)實(shí)施（0～3 h） 利用衛(wèi)星和雷達(dá)等實(shí)時(shí)觀測資料，在增雨飛機(jī)起飛后，地面指揮人員利用觀測設(shè)備確定催化劑播撒時(shí)間和用量，使用北斗通訊系統(tǒng)通知飛機(jī)作業(yè)人員。利用人影跟蹤指揮系統(tǒng)計(jì)算出地面火箭增雨作業(yè)區(qū)域并通過雷達(dá)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂，向作業(yè)點(diǎn)發(fā)送作業(yè)指令，包括作業(yè)時(shí)間、發(fā)射方位角仰角、用彈量等。

3.4 加強(qiáng)人工增雨科學(xué)研究工作

利用雷達(dá)資料開展人工增雨作業(yè)條件研究，找準(zhǔn)最佳作業(yè)部位，進(jìn)一步提升科學(xué)作業(yè)指揮能力。利用微波輻射計(jì)、GPS/MET、ERA再分析等多源資料開展人工增雨水汽研究，指導(dǎo)飛機(jī)增雨和火箭增雨作業(yè)時(shí)能夠把握最佳時(shí)機(jī)，提升人工增雨作業(yè)效率。

3.5 更新人影作業(yè)裝備，提升硬件實(shí)力

更新地面火箭增雨作業(yè)車輛和自動(dòng)化火箭增雨裝備。更新升級(jí)飛機(jī)增雨作業(yè)發(fā)射裝置，并列入遼寧省“十四五”人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃。

4 結(jié)論與討論

從降水量分析來看，阜新地區(qū)年平均降水量呈減少趨勢。2011～2020年降水量＜450 mm和＜500 mm的面積在擴(kuò)大。按照《農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警等級(jí)》分析來看，春旱發(fā)生概率最大，占總干旱次數(shù)的39.1%。近10年發(fā)生干旱的頻率較前30年增加了18.0%。

從氣象干旱記錄分析來看，1981～2020年出現(xiàn)了72次干旱，春旱發(fā)生次數(shù)最多，發(fā)生頻率為82.5%；其次為夏旱，發(fā)生頻率為67.5%。近10年春旱和夏旱發(fā)生的年份數(shù)分別是9年和7年，發(fā)生頻率分別較前30年高出了10.0%和3.3%。從空間分布來看，彰武東南部為干旱次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其他地區(qū)都為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

從SPEI指數(shù)分析來看，阜新地區(qū)共發(fā)生了73次干旱，其中春季發(fā)生干旱的頻率為67.5%，發(fā)生夏旱和秋旱的頻率均為57.5%。2011～2020年春旱和夏旱發(fā)生的頻率分別為80.0%和70.0%，較1981～2010年分別提高了20.0%、17.7%。

近10年阜新干旱更加嚴(yán)重，阜新中南部也劃入到高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。通過采取優(yōu)化地面作業(yè)布局、優(yōu)化飛機(jī)增雨作業(yè)航線、制定人影周年服務(wù)方案、加強(qiáng)人工增雨科研工作、更新人影作業(yè)裝備等5項(xiàng)措施來應(yīng)對(duì)嚴(yán)重干旱，提升科學(xué)化作業(yè)能力，提高增雨抗旱服務(wù)效果。