東北農牧交錯帶旱澇特征對氣候變化的響應

韓曉敏, 延軍平

(陜西師范大學 旅游與環境學院， 陜西 西安 710062)

東北農牧交錯帶旱澇特征對氣候變化的響應

韓曉敏, 延軍平

(陜西師范大學 旅游與環境學院， 陜西 西安 710062)

摘要：[目的] 從旱澇災害角度分析氣候變化對東北農牧交錯帶的影響，對該區的氣候變化和旱澇特征進行研究，為充分利用氣候資源，合理調配水資源，提高災害應變能力提供科學依據。[方法] 統計1960—2011年東北農牧交錯帶21個氣象臺站的逐月氣溫、降水資料，應用Mann—Kendall氣候突變檢驗法、標準化降水指數(SPI)、樣條函數插值法對該帶旱澇狀況的時空分布進行了分析。[結果] (1) 東北農牧交錯帶氣候呈現出明顯的暖干化趨勢，SPI3表明春、夏、秋三季干旱事件增多，21世紀以來，春旱事件較為頻繁，冬季降水略微增加； (2) 氣溫突變發生在1988年，突變后，干旱的比例增加了20.7%，澇的比例增加了9.3%，降水處于“正常”的年份則大幅度減少，對該區極為不利； (3) SPI12低值中心由科爾沁沙地向東北延伸到松嫩平原，干旱面積有大幅度增加的趨勢，東北農牧交錯帶中南部旱化較為嚴重。[結論] 東北農牧交錯帶暖干化的趨勢給該區農牧業帶來不利影響，受旱地區應及時啟動干旱預警緊急方案，開展抗旱工作。

關鍵詞：東北農牧交錯帶; 氣候暖干化; 旱澇響應; SPI

農牧交錯帶是我國東部季風氣候區向西北內陸干旱區過渡的地帶，是集約農業區向游牧牧業區過渡的地帶，由于土壤基質的不穩定性與貧瘠性，又被稱為“生態環境脆弱帶”[1]。全球氣候變暖將進一步加劇農牧區生態環境的惡化，諸如旱澇災害、大風和沙塵暴頻繁，土地沙漠化等[2]。研究[3-4]表明，東北地區近50 a呈現出明顯的暖干化趨勢；東北西部的生態環境荒漠化(鹽漬化、沙漠化)以經向擴展，荒漠化逼近東北商品糧基地。東北農牧交錯帶是全球氣候變化最敏感地區之一，也是生態環境非常脆弱的地區。因此，對該區的氣候變化及旱澇響應的研究有重要的現實意義，本研究利用標準化降水指數SPI[5-8]和樣條函數插值法[9-10]對該地區旱澇的時空分布進行相關分析。SPI是一種新的非常有價值的干旱強度評估指數。該指數計算簡單易行，資料容易獲取，同時在各個地區和各個時段都有著良好的計算穩定性，能夠有效地反映旱澇狀況，優于在中國有著成熟應用的Z指數[11]。本研究著重從旱澇災害角度分析氣候變化對東北農牧交錯帶的影響，以期深入認識該區的氣候變化和旱澇特征，為充分利用氣候資源，合理調配水資源，提高災害應變能力提供科學依據，做到趨利避害。

1數據來源和方法

1.1　研究區域

農牧交錯帶的范圍和位置因研究目的和劃分指標不同而常有不同，但各種劃分方案中最核心的地區則沒有本質差別[12]，東北農牧交錯帶位于中國北方農牧交錯帶的東部，涉及4個省(區)11個市(盟)的43個縣(旗)和縣級市(14個縣級區)。包括內蒙古呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市；遼寧省朝陽市；黑龍江省齊齊哈爾市、大慶市；吉林省白城市、松原市、四平市等[13]。

1.2　資料來源

根據氣象資料的完整度，選取了東北農牧交錯帶21個站點1960—2011年的氣象資料，主要包括逐月平均氣溫、逐月平均降水量，資料來源于中國氣象科學數據共享服務網。文中春季指3—5月、夏季指6—8月、秋季指9—11月，冬季是12月至翌年1—2月。

1.3　方 法

主要應用Mann—Kendall氣候突變檢驗法[14]，標準化降水指數SPI，樣條函數插值法，氣候傾向率及其它數理統計方法進行分析。

1.3.1標準化降水指數(SPI)標準化降水指數(SPI)由Mckee等人[15]于1993年提出，由于不同時間，不同地區降水量變化較大，直接用降水量很難在不同時空尺度上相互比較，而且降水是一種偏態分布，不是正態分布，所以在降水分析過程中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化，然后再經正態標準化求得SPI值，其等級詳見表1。

表1　SPI旱澇等級表

1.3.2樣條函數法樣條函數插值法[16-17]是一種較常用的局部插值方法，主要利用空間實測的降水量值，通過控制估計方差，用多項式擬合出平滑的插值曲線，并依據這條曲線來估算每個定點的屬性數值，在計算時采用最小曲率的概念來行，該方法具有易操作、計算量小等優點，相對比較穩健，并且過分依賴潛在的統計模型。Jeffrey等[18]就是利用三變量(經度、緯度和高程)對氣象數據如溫度和降水進行了插值，運用樣條法進行插值分析，涉及的參數不同，所建立的數學模型也不同。因此，在考慮降水時，如涉及地形因素如坡向、坡度的影響，可采用此方法[11]。

1.3.3Mann—Kenddall檢驗Mann—Kenddall檢驗方法是非參數方法，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量，計算比較簡便。繪出UF和UB曲線圖，若UF或UB的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，當它們超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域，如果UF和UB出現交點，且在臨界線之間，那么交點對應的時刻為突變開始的時間。

2結果與分析

2.1　東北農牧交錯帶氣候年際變化

近52 a東北段農牧交錯帶年平均氣溫呈整體震蕩上升趨勢(圖1)，多年平均氣溫為5.7 ℃，氣候傾向率為0.34 ℃/10 a(通過了α=0.001的極顯著性水平)，與東北地區氣候傾向率0.34 ℃/10 a接近，明顯高于近50 a全國增溫速率0.25 ℃/10 a的平均水平[19]，氣候變暖現象顯著。由6階擬合曲線可以看出，20世紀60年代年均氣溫呈下降趨勢，70年代初到80年代后期小幅度波動，80年代后期氣溫大幅度上升。進入21世紀，氣溫有所回落。2007年該區氣溫達到7.5 ℃，為52 a來的最高值。由表2可知，春、夏、秋、冬四季該區隨著代際的過渡氣溫都隨之遞增，由各個季節的氣候傾向率判斷春季對整個帶內氣溫變暖的貢獻率最大，冬季次之，夏季最小。

圖1　東北農牧交錯帶1960-2011年平均氣溫、降水量變化

東北農牧交錯帶1960—2011年年平均降水量為418.8 mm，近52 a來降水量小幅度下降，氣候傾向率為-9.88 mm/10 a。由6階擬合曲線可以看出，20世紀60年代初期到70年代中期降水小幅度下降，70年代中期到90年代初期降水略微增加，90年代到21世紀初期降水持續下降，2005年至今降水又有所增加。1998年降水量達到618.3 mm，為52 a來的最大值。

從一個穩定的氣候階段向另一個穩定的氣候階段過渡，且氣候階段持續時間的長度遠大于過渡時期的長度，這種現象稱作氣候突變。通過對該區1960—2011年氣溫進行Mann—Kendall氣候突變檢驗發現(圖2)，1960—1981年正向時間序列統計值UF多在0值以下，說明此時段氣溫呈波動下降趨勢，1982年后UF>0，氣溫回升，1986年以后氣溫上升速率加快，1995年UF超出顯著性水平0.05信度線，說明氣溫顯著增加。UF和UB在±1.96臨界線內相交于1988年，表明該地區年均溫在1988年前后發生了由冷到暖的突變。

表2　東北農牧交錯帶氣溫代際變化

圖2　東北農牧交錯帶年平均氣溫Mann-KendalI檢驗

2.2　東北段農牧交錯帶旱澇時間變化特征

SPI指數用于度量多種時間尺度上的降水指數。不同時間尺度反映了不同時間上的降水特征。SPI1，SPI3屬于短時間尺度，能夠反映短時間內的旱澇變化特征。具體而言，SPI1代表1個月的時間尺度，能明確地指示旱澇具體的發生時間和程度；SPI3代表3個月的時間尺度，能較好地反映季節變化特征。SPI12屬于長時間尺度，代表12個月的時間尺度，能更好地反映旱澇的年變化特征。不同時間尺度的SPI可以用于監測不同類型的旱澇，多種時間尺度的SPI綜合應用可實現對旱澇的綜合監測評估。研究[20-22]表明，短時間尺度的SPI1由于受短時間降水影響大，頻繁地在0線上下波動，反映出短期的旱澇變化特征;SPI3可以反映季節干旱，與農業干旱關系密切;SPI12旱澇變化比較穩定周期更明顯，可較清楚地反映長期的旱澇變化特征。本研究對東北段農牧交錯帶近52 a的降雨量做了以1個月、3個月、12個月為時間尺度的SPI值，以進一步分析其旱澇年際變化特征和季節變化特征(圖3)。

2.2.1旱澇年際變化特征SPI的年際變化可以反映出旱澇發生的具體時段。由圖3中SPI12的逐年變化可見，該帶1960—1970年雨澇頻繁，1970—1982年正常年份居多，1986—2000年雨澇年份多，2000—2011年干旱頻繁。52 a間共發生19次干旱事件，其中重旱3次：2001年6月至2002年5月、2003年5月至2004年4月、2007年7月至2008年6月；極旱4次：1967年8月至1968年7月、1971年8月至1972年7月、1983年4月至1984年3月、1967年8月至1968年7月。15次雨澇事件，極澇2次，1990年10月至1991年9月、1999年，重澇3次，1969年6月至1970年5月、1986年8月至1987年7月、1995年7月至1996年6月。

通過氣候趨勢系數的分析可以發現，自1960—2011年東北段農牧交錯帶氣候有變干旱趨勢。尤其進入21世紀以來該帶干旱事件顯著增多，干旱發生頻率和成災面積逐年增加。

圖3　東北農牧交錯帶1960-2011年SPI多時間尺度分析

2.2.2旱澇季節變化特征

(1) 春季。東北段農牧交錯帶春季旱澇整體呈交替變化特征，1960—1974年只出現一次春旱；1975—1990年旱澇交替：旱(1975年)—澇(1977年)—旱(1980年)—澇(1983年)—旱(1986年)—澇(1990年)；1991—1999年春季正常年份居多；21世紀以來，春旱事件較為頻繁。其中1965年春旱最為嚴重，SPI達到-2.09。

(2) 夏季。該帶夏季旱澇呈階段性變化特征，20世紀60年代夏澇頻繁(1964，1966，1969年)，70年代正常年份居多，80—90年代夏澇事件居多(1985，1990，1993，1994，1998年)，2001年以來，夏旱年數增加，平均約2～3 a出現一次夏旱(2001，2004，2007，2008，2009年)。多年SPI線性傾向率為-0.16/10 a，夏旱呈增加趨勢，夏季降水減少幅度較大。

(3) 秋季。秋旱主要年份有1962，1967，1982，1999，2001，2002，2007和2011年，其中2001年秋旱最為嚴重，SPI達-2.15。秋澇主要年份有1960，1972，1974，1986和2010年，其中1986年秋澇最為嚴重，SPI達1.79。SPI線性傾向率為-0.07/10 a，表明秋旱略增加。

(4) 冬季。該帶冬季旱澇分為3個階段，1960—1980年為旱澇交替階段，1981—2000年冬旱年份比率較高，2001年以來，冬澇事件較多。SPI線性傾向率為0.07/10 a，表明冬澇略有上升，冬季降水增多。

2.2.3氣溫突變前后旱澇響應以SPI12指數劃分該區旱澇等級，對其旱澇等級進行統計分析(表3)，氣溫突變前28 a和突變后24 a對比，突變后重澇出現的年份數為1，重旱出現的年份數為1；中澇出現的年份數為1，中旱出現的年份數為2；輕澇出現的年份數為3，輕旱出現的年份數為4，其比例均有所增加，增幅分別為4%，4%，4%，4.35%，1.3%，12.35%;正常年份數比例有所下降，降幅為30%。可見，突變后旱澇災害都有所增加，氣候變暖對該帶有較為不利的影響。由表3可以看出，氣溫突變后，干旱的比例增加了20.7%，澇的比例增加了9.3%，東北農牧交錯帶旱災比例增加幅度約為澇災增加比例的2倍。亦即突變后旱化較為嚴重。該區降水處于“正常”的年份大幅度減少，對區域農業發展極為不利。

表3　突變前后旱澇各等級出現年份數及所占比例

2.3　旱澇空間響應

對比氣溫突變前后(圖4)，突變前SPI12值在整個空間上差值略小，空間差異不是很明顯，而突變后差值增大。SPI12低值中心整體向東北方向擴張，由科爾沁沙地到延伸到松嫩平原，尤以吉林西部最為顯著，干旱面積有大幅度增加的趨勢；東北農牧交錯帶中南部旱化較為嚴重，北部雨澇事件較多，SPI12高值中心出現在大興安嶺北側的扎蘭屯市和遼河平原東部的四平市，突變后高值中心分別向北、向東移動，雨澇面積呈現減少態勢。說明該帶半濕潤區向半干旱區過渡轉化，半濕潤區的面積在減少，而半干旱區的面積在增加。

圖4　氣溫突變前后各站點多年平均SPI值等值線分布

3討 論

研究[23]表明，近50 a東北地區氣候暖干化使吉林省西部、遼寧省西北部、內蒙古自治區東部地區均農作物氣候生產力呈現減少趨勢，而東北農牧交錯帶恰好位于該區域，其農作物氣候生產力呈現下降趨勢。究其原因，氣候暖干化會對該區域的旱澇程度有所影響，而旱澇為中國農業生產影響最嚴重的自然災害。因此研究該區域的旱澇程度對氣候變化的響應具有非常重要的現實意義。其次，東北農牧交錯帶是生態環境脆弱帶，干旱向東部擴張對該區農牧業的發展都極其不利。

本研究利用標準化降水指數研究該區域的旱澇程度及其對氣候變化的響應，旨在于為該區域的農牧業可持續發展提供理論依據。但就其旱澇災害的影響因素和形成機制而言，還有待于進一步深入研究。本文從時間尺度詳細分析了東北農牧交錯帶的旱澇程度，對于空間尺度還有待于深入分析。許多外界因素(如高程、坐標位置、下墊面狀況、風速等)也會對降水插值結果產生重要影響，詳細考慮研究區域的地形特征(如坡度、坡向等)，可以明顯提高插值結果的精度。因此在研究區域降水空間插值時，應更為全面地考慮以上因素，以便找到最適合特定研究區域的最優插值方法。

4結 論

(1) 近52 a東北段農牧交錯帶年平均氣溫呈整體震蕩上升趨勢，氣候傾向率為0.34 ℃/10 a，通過對1960—2011年氣溫進行Mann—Kendall氣候突變檢驗發現，該帶氣溫在1988年(UF和UB的交點)發生了突變。此前為冷期，此后為暖期。對于該區氣溫增暖而言，冬季的貢獻率最大，春季次之。

(2) 通過氣候趨勢系數的分析可以發現，1960—2011年東北段農牧交錯帶氣候有變干旱趨勢。尤其進入21世紀以來該帶干旱事件顯著增多，干旱發生頻率逐年增加。SPI3表明夏、秋兩季干旱事件增多，21世紀以來，春旱事件較為頻繁，冬季降水略微增加。

(3) 氣溫突變后，干旱的比例增加了20.7%，澇的比例增加了9.3%，東北農牧交錯帶旱災比例增加幅度約為澇災增加比例的2倍。亦即突變后旱澇災害均增加，且干旱化較為嚴重。該區降水處于“正常”的年份大幅度減少，對本區農業發展極為不利。

(4) SPI12低值中心由科爾沁沙地向東北到延伸到松嫩平原，干旱面積有大幅度增加的趨勢，東北農牧交錯帶中南部旱化較為嚴重。

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Droughts and Floods Response to Climate Change in Agro-pastoral Ecotone of Northeast China

HAN Xiaomin, YAN Junping

(TourismandEnvironmentCollege,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] This paper analyzed the characteristics of drought and flood disasters occurred in agro-pastoral ecotone of Northeast China and the precedent climate change, mainly from the view of the effects of climate change on drought and flood disasters, in order to provide the scientific basis for making full use of climate resources, allocating water resources reasonably and improving response capacity to disaster.[Methods] Using the monthly temperature and precipitation data of 21 stations in agro-pastoral ecotone of Northeast China from 1960 to 2011, this paper analyze the temporal and spatial distribution of drought and flood conditions by Mann—Kendall climate mutation test, the standardized precipitation index(SPI), splining interpolation method. [Results] (1) The area showed a tendency of warming and drying. SPI3 showed that flood events increased in spring and winter, while in summer and autumn drought event increased; (2) The temperature changed in 1 988 suddenly. After the mutation, drought increased at a proportion of 20.7%, flood rised in a proportion of 9.3%. Precipitation in the “normal” year reduced significantly, this is extremely unfavorable to the area; (3) Regions with low value center of SPI extended from Horqin sandy land to the Songnen Plain in the northeast area, drought was more serious in the middle and south of the agro-pastoral ecotone of Northeast China. [Conclusion] The ecological environment of this area seems vulnerable, in order to offset the negative influence of warming and drying on farming and animal husbandry, emergency plan should be started early in drought areas.

Keywords:Northeast agro-pastoral ecotone; climate warming; drought and flood response; standardized precipitation index

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0257-06

中圖分類號：P468.0

通信作者：延軍平(1956-)，男(漢族)，陜西省綏德縣人，教授，博士生導師，主要從事區域自然災害和區域開發研究。E-mail:yanjp@snnu.edu.cn。

收稿日期：2013-11-10修回日期：2014-03-26
資助項目：國家自然科學基金項目“部分重大自然災害的時空對稱性:結構、機理與適應對策”(41171090)
第一作者：韓曉敏(1988—),女(漢族),山西省長治市人,碩士研究生,研究方向為全球氣候變化與災害防治。E-mile:hanxiaominsnnu@163.com。