遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季干旱風(fēng)險(xiǎn)度研究

韓艷鳳

（遼寧省鞍山市氣象局，遼寧鞍山 114004）

0 引言

氣象災(zāi)害問題引起廣泛關(guān)注[1-3]，干旱持續(xù)加重將導(dǎo)致糧食減產(chǎn)或絕收，從而影響人類生存[4-5]。每年中國(guó)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0.22億km2左右[6]。遼寧中部以種植業(yè)為主，干旱災(zāi)害較為嚴(yán)重。因此，研究降水資源變化，掌握干旱災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，對(duì)適應(yīng)氣候變化進(jìn)程、及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力和確保糧食生產(chǎn)安全具有重要意義。謝安等[7]研究認(rèn)為，中國(guó)東北區(qū)干旱化趨勢(shì)與全球氣候變暖有關(guān)，平均溫度每上升1℃，干旱化程度增加5%～20%。曹永強(qiáng)等[8-9]運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)并結(jié)合干旱頻率綜合分析了遼寧省農(nóng)作物生育期水熱調(diào)整及干旱風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化呈遞增趨勢(shì)。孫東磊等[10]研究邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)氣候脆弱性認(rèn)為，水分條件是限制生產(chǎn)潛力發(fā)揮的主要因素。魏鳳英等[11]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。盧曉昱等[12]針對(duì)遼寧省未來氣象干旱危險(xiǎn)性研究認(rèn)為，遼寧西部以及南部環(huán)渤海地區(qū)干旱等級(jí)、概率增加，遼河流域是中度及重度危險(xiǎn)性高值區(qū)。張淑杰等[13]研究認(rèn)為，遼寧省旱災(zāi)分布特征及其形成的主要原因是降水量季節(jié)分布不均衡?？梢?，干旱災(zāi)害具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)性特征，而農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)干旱災(zāi)害所造成的損失最大。目前，未見關(guān)于遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量的變化及其滿足度與干旱風(fēng)險(xiǎn)度的研究報(bào)道。本研究以干濕指數(shù)作為干旱指標(biāo)，研究1961—2020 年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季（4—9月）干旱頻率和變化趨勢(shì)，定量分析農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水滿足程度以及干旱等級(jí)。探明遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量的變化及其滿足度與干旱風(fēng)險(xiǎn)度，旨在為遼寧中部農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、規(guī)避干旱風(fēng)險(xiǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

資料由遼寧省氣象信息服務(wù)中心提供。節(jié)選沈陽、鐵嶺、遼陽、鞍山國(guó)家基準(zhǔn)站1961—2020年近60 a逐月降水和氣溫資料，并計(jì)算農(nóng)作物生長(zhǎng)季（4—9月）降水和氣溫。

1.2 方法

1.2.1 干旱指標(biāo) 選用干濕指數(shù)(K)[15-16]作為農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)干旱評(píng)估指標(biāo)，計(jì)算如式(1)～(2)所示。

式中，K為干濕指數(shù)（無量綱），R為4—9各月降水量，Q為4—9各月需水量，∑Ti為同期≥10℃積溫，⊿為調(diào)整系數(shù)⊿=0.15；干濕指數(shù)(K)的干濕等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)及干旱風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)見表1。

表1 干濕指數(shù)(K)及干旱風(fēng)險(xiǎn)度(F)氣象干旱等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 降水滿足度 積分濕潤(rùn)指數(shù)(I)方法評(píng)價(jià)降水滿足度適用于季節(jié)性降水的北方地區(qū)[16]。積分濕潤(rùn)指數(shù)是農(nóng)作物生長(zhǎng)季干濕指數(shù)與氣溫之間的函數(shù)關(guān)系，如式(3)所示。

式中，Ii為積分濕潤(rùn)指數(shù)，即大氣降水對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)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。

1.2.3 干旱風(fēng)險(xiǎn)度 為了分析每一年農(nóng)作物生長(zhǎng)季的干旱風(fēng)險(xiǎn)程度，根據(jù)參考文獻(xiàn)[17]的方法引入干旱風(fēng)險(xiǎn)度概念，并進(jìn)行歸納和調(diào)整，計(jì)算如式(4)所示。。

式中，F(xiàn)ji＝(1-Kji)/(1+Kji)×100，當(dāng)K≥0.9 時(shí)，F(xiàn)ji=0；Fj為某一地區(qū)某一年作物生長(zhǎng)季的最大干旱風(fēng)險(xiǎn)度(%)，F(xiàn)ji代表某一地區(qū)某一月干旱風(fēng)險(xiǎn)度，其中：F4ji、F5ji、F6ji、F7ji、F8ji、F9ji分別代表4—9各月干旱風(fēng)險(xiǎn)度。

1.2.4 旱澇概率(P)P用來表征資料年際內(nèi)發(fā)生旱、澇頻繁程度，可用公式(5)計(jì)算。

式中：n為發(fā)生干旱的年數(shù)，N為資料的總年數(shù)。

1.2.5 降水量(R)積分濕潤(rùn)指數(shù)(I)干濕指數(shù)(K)的變化趨勢(shì)及氣候的突變檢驗(yàn) 參照文獻(xiàn)[18]的方法，采用一元線性回歸和非參數(shù)檢驗(yàn)方法（Mann-Kendall，簡(jiǎn)稱M-K）分析農(nóng)作物不同時(shí)期降水量(R)積分濕潤(rùn)指數(shù)(I)干濕指數(shù)(K)的變化趨勢(shì)及氣候的突變檢驗(yàn)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)及氣候突變狀況。非參數(shù)檢驗(yàn)方法(M-K)設(shè)定顯著水平為0.05，臨界值為±1.96，若UF 曲線與UB曲線在臨界值出現(xiàn)交點(diǎn)，則為突變點(diǎn)，當(dāng)UF、UB 大于或小于臨界值±1.96，則視為升上或下降趨勢(shì)顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量的變化特征

2.1.1 各月降水量的變化特征 遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)期在4—9 月，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)過程可劃分，播種苗期（4—5月，下同）、旺盛生長(zhǎng)期（6—8月，下同）和成熟期（9月，下同）。從表2看出，各月降水量年際間極差大、變率突出，說明各月降水量年際變化極其不穩(wěn)定。經(jīng)線性分析，4、5、6 月降水量呈增加趨勢(shì)，7、8、9 月降水量減少趨勢(shì)，其中5 月降水增加顯著，9 月降水減少顯著。遼寧中部1961—2020 年農(nóng)作物播種苗期降水量平均為93.2 mm，占農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量的16.9%，降水正常值在55.5～130.9 mm，異常偏少(＜55.5 mm)有10 a，概率為16.7%；異常偏多(＞130.9 mm)有9 a，概率為15.0%；播種苗期降水量呈增加趨勢(shì)，傾向率為4.23 mm/10 a，1961—2020 年播種苗期降水量線性增加25.4 mm。農(nóng)作物旺長(zhǎng)期降水量平均為396.3 mm，占農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量的71.9%，降水正常值在292.1～500.5 mm，異常偏少(＜292.1 mm)有9 a，概率為15.0%；異常偏多(＞500.5 mm)有9 a，概率為15.0%；此時(shí)期降水量呈減少趨勢(shì)，傾向率為-5.633 mm/10 a，1961—2020年農(nóng)作物旺長(zhǎng)期降水量線性減少33.8 mm。農(nóng)作物成熟期降水量平均值為61.7 mm，占農(nóng)作物生長(zhǎng)季的11.2%，降水正常值在29.8～93.6 mm，異常偏少(＜29.8 mm)有6 a，概率為10.0%；異常偏多(＞93.6 mm)有9 a，概率為15.0%；農(nóng)作物成熟期降水量呈明顯減少趨勢(shì)，傾向率為-6.746 mm/10 a，1961—2020年線性減少40.5 mm。

表2 1961—2020年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季各月降水量的特征

2.1.2 農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量的變化特征 從表2 看出，遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)（4—9月，下同）降水量平均為551.2 mm，占年降水量的85.2%，1994年降水最多，2000年最少，降水極差為560.1 mm。農(nóng)作物生長(zhǎng)季正常降水量在423.2～679.2 mm之間，異常偏少(＜423.2 mm)有10 a，概率為16.7%。異常偏多(＞679.2 mm)有10 a，概率為16.7%。圖1a所示，遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量呈弱減少趨勢(shì)，傾向率為-6.746 mm/10 a(r＝-0.078，P＞0.05)，1961—2020 年降水量線性減少40.5 mm。圖1b Mann-Kendall 檢驗(yàn)結(jié)果，1961—2020 年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水序列變化趨勢(shì)不存在突變現(xiàn)象。從年代時(shí)間劃分結(jié)果看，20 世紀(jì)60、70、80 至90 年代為正距平(5.9、10.1、8.9、25.6 mm)，進(jìn)入21 世紀(jì)的00 和10 年代為負(fù)距平(-20.7、-29.7 mm)，2001—2020年比1961—2000年降水量平均減少37.9 mm。

圖1 1961—2020年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量距平和M-K的年變化

2.2 農(nóng)作物生長(zhǎng)季的降水滿足度

1961—2020年農(nóng)作物降水滿足度107.9%，標(biāo)準(zhǔn)差為±25.8%，1986 年降水滿足度最高達(dá)到179.5%，2000年為最低僅有60.5%。1961—2020年降水滿足度正常值在82.1%～133.7%之間；異常偏高(＞133.7%)有8 a，概率為13.3%；異常偏低(＜82.1%)有10 a，概率為16.7%。遼寧中部降水滿足度I≥100%有35 a，概率為58.3%；I＜100%有25 a，概率為41.7%；I＜80%的有8 a，概率為13.3%。從圖2可知，隨著農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量的減少，降水對(duì)農(nóng)作物的滿足程度呈下降趨勢(shì)。降水滿足度傾向率為-2.424%/10 a (r=-0.164，P＞0.05)，1961—2020 年線性下降14.5 個(gè)百分點(diǎn)。經(jīng)Mann-Kendall檢驗(yàn)，1961—2020年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水滿足度序列的原序列(UF)與反序列(UB)在±1.96 閾值內(nèi)雖有交點(diǎn)，并無明顯突變現(xiàn)象。但21 世紀(jì)的2001—2020年的20 a比20世紀(jì)的1961—2000年的40 a降水滿足度平均下降11.2個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 1961—2020年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水滿足度和M-K的年際變化

2.3 農(nóng)作物生長(zhǎng)季干濕指數(shù)的年際變化

從圖3 看出，1961—2020 年農(nóng)作物生長(zhǎng)季干濕指數(shù)(K)呈下降趨勢(shì)。干濕指數(shù)傾向率為-0.021/10a(r=-0.139，P＞0.05)，線性下降0.13。經(jīng)Mann-Kendall 檢驗(yàn)，干濕指數(shù)序列的原序列(UF)與反序列(UB)在±1.96 閾值內(nèi)雖然相交于1979 年，并無明顯突變現(xiàn)象。由表3 可知，1961—2020 年干濕指數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為1.06±0.27；1986 年最為濕潤(rùn)K=1.84；2014年最為干燥K=0.60；1961—2020年干濕指數(shù)正常值變化在0.79～1.31 之間，K≥1.31 的有8 a，概率為13.3%，K＜0.79 的有12 a，概率為20.0%。農(nóng)作物生長(zhǎng)季中旱+大旱(K＜0.5)概率為6.7%；播種苗期中旱+大旱概率為35.0%，約3 a 一次；農(nóng)作物旺長(zhǎng)期中旱+大旱概率為6.7%，約20 a 一次；成熟期中旱+大旱概率為25.0%，約4 a一次。

圖3 1961—2020年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季干濕指數(shù)的年際變化及M-K突變檢驗(yàn)

表3 遼寧中部1961—2020年農(nóng)作物生長(zhǎng)季各月時(shí)間尺度干旱頻率%

2.4 農(nóng)作物生長(zhǎng)季的干旱風(fēng)險(xiǎn)度

遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季最大干旱風(fēng)險(xiǎn)度平均值為46.4%，1961—2020 年呈明顯上升趨勢(shì)，傾向率為2.884%/10 a (r＝0.237，P＜0.05)，線性增加17.3%，2000 年之后平均增加11.0 個(gè)百分點(diǎn)。播種出苗期最大干旱風(fēng)險(xiǎn)度線性上升13.0個(gè)百分點(diǎn)；農(nóng)作物旺長(zhǎng)期線性下降7.1 個(gè)百分點(diǎn)；成熟期線性上升1.8 個(gè)百分點(diǎn)。表4 是1961—2020 年各月干旱風(fēng)險(xiǎn)程度變化情況。4—9月平均干旱風(fēng)險(xiǎn)程度為9.9%，呈顯著上升趨勢(shì)，傾向率為0.967%/10 a，線性增加5.9個(gè)百分點(diǎn)。4、6、8月干旱風(fēng)險(xiǎn)度呈下降趨勢(shì)，線性下降21.0、6.4、12.2個(gè)百分點(diǎn)；5、7、9月干旱風(fēng)險(xiǎn)度呈上升趨勢(shì)，線性上升7.4、0.3、1.8 個(gè)百分點(diǎn)。4、5 月干旱風(fēng)險(xiǎn)度在30.0%以上，為全年發(fā)生干旱最多的時(shí)期，其次是6、8、9 月在25.0%左右，7月干旱風(fēng)險(xiǎn)度為全年最低。

3 結(jié)論

1961—2020 年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量呈減少趨勢(shì)；農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量滿足程度呈下降趨勢(shì)；農(nóng)作物生長(zhǎng)季干旱濕潤(rùn)指數(shù)呈下降趨勢(shì)；農(nóng)作物生長(zhǎng)季干旱風(fēng)險(xiǎn)度呈顯著上升趨勢(shì)，干旱化程度在加劇，最大干旱風(fēng)險(xiǎn)度增加17.3個(gè)百分點(diǎn)，2000—2020年干旱風(fēng)險(xiǎn)度平均增加11.0個(gè)百分點(diǎn)。

4 討論

研究結(jié)果表明，1961—2020年遼寧中部農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量呈減少趨勢(shì)，線性減少40.5 mm，2001—2020 年平均減少37.9 mm，4—6 月降水增加，7—9 月減少，降水減少趨勢(shì)與吉曹翔等[19]和安昕等[20]的研究結(jié)果一致，與張富榮等[21]研究結(jié)果相悖，這是與節(jié)選資料年代和地域不同所致。遼寧中部4—6 月降水量雖有增加，對(duì)播種出苗期的干旱風(fēng)險(xiǎn)度有所緩解，但仍然是農(nóng)作物生長(zhǎng)季干旱最為嚴(yán)重的時(shí)期。農(nóng)作物生長(zhǎng)季降水量滿足程度總體呈下降趨勢(shì)，1961—2020年線性下降14.5 個(gè)百分點(diǎn)。干濕指數(shù)減小，干旱化明顯，干旱風(fēng)險(xiǎn)度顯著上升，最大干旱風(fēng)險(xiǎn)度上升17.3個(gè)百分點(diǎn)，平均干旱風(fēng)險(xiǎn)度上升5.9 個(gè)百分點(diǎn)。研究所采用的干濕指數(shù)、積分濕潤(rùn)指數(shù)（降水的農(nóng)作物滿足度）、干旱風(fēng)險(xiǎn)度方法是在劉振宏等[17]和齊來福等[22]研究基礎(chǔ)上總結(jié)制定的干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并從方法上做了新的拓展。客觀真實(shí)地反應(yīng)了遼寧中部干旱的發(fā)生頻率和強(qiáng)度。干旱分析結(jié)果與歷史記載的干旱發(fā)生狀況基本一致。

干旱風(fēng)險(xiǎn)度是對(duì)作物生長(zhǎng)不同時(shí)段（月尺度）出現(xiàn)干旱以及干旱程度的考量，其方法還需進(jìn)一步研究，使之更加準(zhǔn)確地描繪干旱的變化特征。本研究結(jié)果為掌握遼寧中部降水變化狀態(tài)，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(xiǎn)，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。