近63年大連市農作物生長季降水變化及旱澇分析

摘要：為了服務“三農”及糧食生產安全，建立農業氣象災害預警平臺，采用大連市1951-2013年降水和氣溫資料，運用氣候診斷分析方法、水平衡及旱澇指數方法，研究農作物生長季降水變化及旱澇特征。結果表明，大連市4-10月農作物生長季降水量呈減少趨勢，其中，春季降水有所增加，夏秋季則減少；農業需水量呈明顯增加趨勢；旱澇指數呈減小趨勢，氣候濕潤度下降。春季、秋季以干旱為主，重旱頻率分別為28.6%、42.9%；夏季以澇為主，重澇頻率為23.8%；農作物生長季中旱、重旱頻率為23.8%，中澇、重澇頻率為14.3%。大連市旱澇災害同時存在，對農業生產影響較大，建立農業氣象災害預警機制及信息共享平臺非常必要。

關鍵詞：降水量；需水量；水平衡；旱澇指數；大連市

中圖分類號：S161.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）11-2774-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.016

旱澇災害的影響一直是全社會關注的焦點[1-3]，影響著農業生產和糧食生產安全。極端降水事件是旱澇災害形成的主要因子[4-6]，所以研究降水變化才能掌握旱澇災害發生規律，提高風險防控意識和能力，減輕旱澇災害的威脅。隨著防災減災工作的不斷深入，旱澇災害風險研究評估也得到了長足進展[7-9]，張國林等[10]分析了近50年遼寧西部地區干旱成因和發生規律；安昕等[11]利用有序聚類方法分析了遼西地區降水趨勢演變和周期變化規律；盧路等[12]、周麗等[13]分別分析了海河流域、內江地區旱澇變化趨勢及演變特征；李渝等[14]研究了州喀斯特山區季節性干旱特征并提出防御對策，對指導地方農業生產具有實際意義。近年來氣象災害頻發，尤其干旱災害因影響范圍廣、頻率高，引起了學者的足夠重視[15-17]。

在氣候變暖的環境下，遼寧省大連市極端天氣及農業氣象災害發生頻率有增加趨勢，尤其降水波動較大，旱澇災害較為突出，該地區旱澇指標還不完善。因此，本研究針對大連市農作物生長栽培期間的氣候變化，運用氣候診斷分析、水平衡、干濕指數等方法，研究該地區大氣降水變化對農作物生長的影響以及旱澇分布特征和變化趨勢，以期為建立農業氣象災害預警平臺、農業防災減災提供科學依據，為“三農”及糧食生產服務。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大連市位于中國遼東半島最南端，西北瀕臨渤海，東南面向黃海，地理位置為120°58′-123°31′E、38°43′-40°10′N。全市總面積12 574 km2，耕地面積占土地總面積的22.8%，林業用地面積占總面積的33.1%，灘涂面積占總面積的5.2%。大連市主要有黃海流域和渤海流域兩大水系，境內最大的河流為碧流河。大連屬暖溫帶亞濕潤季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明。年平均氣溫10 ℃左右，無霜期180～200 d，年平均降水量在550～950 mm，年平均日照時間2 710 h左右；6級或6級以上大風時間，沿海每年90～140 d，內陸35～50 d，冬、春季較多，夏、秋季較少。

1.2 數據來源

采用1951-2013年大連市氣象監測站日平均氣溫和日降水量資料，分別計算各月、春季（4-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-10月）和農作物生長季（4-10月）的平均氣溫以及>10 ℃積溫、降水量等相關統計量。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候傾向率 用一元線性函數的一次項系數表征氣象要素的趨勢變化特征[18]。

y=ax+b （1）

式中，y為氣象要素，x為時間序列號（x=1951，1952，1953，…，2013年），b為常數項，a為線性傾向值，也稱氣候傾向率，一般用每10年的氣候傾向率來表示。a的大小反映了上升或下降的變化速率。a<0表示y隨時間呈下降趨勢；反之，表示上升趨勢。

1.3.2 旱澇指數 旱澇指數是用同一時期的降水量與農業需水量之比來表示[19，20]。

K=R/Q （2）

Q=0.16∑ti （3）

式中，K為旱澇指數；R為降水量；∑ti為同期>10 ℃積溫；Q為可能蒸發量，也稱農業需水量。依據旱澇指數可將干濕程度分為7個等級，見表1。

1.3.3 標準偏差 用于衡量數據值偏離算術平均值的程度，數據分散程度的標準，可確定極端事件發生幾率[21]。

式中，S為標準偏差，N為樣本數，yi為第i年的值；y為總體平均值。

1.3.4 統計分析 在Excel程序支持下完成。

2 結果與分析

2.1 農業降水量變化

2.1.1 各季節降水量 春季降水量歷年平均值為79.7 mm，占年降水量的12.7%，占農作物生長季的14.0%。最少降水量為19.7 mm（1981年），最多為231.7 mm（2009年），標準偏差為44.7 mm。降水正常值為35.0～124.4 mm，異常偏多（>124.4 mm）有9年，幾率為14.3%；異常偏少（<35.0 mm）有10年，幾率為15.9%。降水傾向率為3.29 mm/10年，呈增加趨勢，即近63年春季降水量線性增加20.7 mm。各個年代平均降水量見表2，其中20世紀80年代降水量最少，21世紀前10年最多，相對增加46.4 mm。近13年（2001-2013年）比前50年（1951-2000年）平均降水量增加29.4 mm。

夏季降水量歷年平均值為392.1 mm，占年降水量的62.4%，占農作物生長季的68.8%。降水量最少為132.1 mm（1999年），最多為676.8 mm（2011年），標準偏差為133.0 mm。降水正常值在259.1～525.1 mm，異常偏多（>525.1 mm）有12年，幾率為19.0%；異常偏少（<259.1 mm）有13年，幾率為20.6%。降水傾向率為-6.10 mm/10年，呈減少趨勢，即近63年夏季降水量線性減少38.4 mm。其中21世紀前10年降水量最少，20世紀60年代最多，相對減少96.5 mm。由于近3年（2011、2012、2013年）夏季降水量劇增，使得近13年（2001-2013年）平均降水量上升，與前50年（1951-2000年）平均值相近，僅少1.2 mm。

秋季降水量歷年平均值為97.9 mm，占年降水量的15.6%，占農作物生長季的17.2%。降水量最少為6.7 mm（1982年），最多為328.7 mm（1992年），標準偏差為59.4 mm。降水正常值為38.5～157.3 mm，異常偏多（>157.3 mm）有7年，幾率為11.1%；異常偏少（<38.5 mm）有4年，幾率為6.3%。降水傾向率為-3.47 mm/10年，呈減少趨勢，秋季降水量線性減少21.9 mm。其中20世紀50年代降水量最多，20世紀80年代最少，相差40.6 mm。近13年（2001-2013年）比前50年（1951-2000年）平均降水量減少0.4 mm，說明近年來秋季降水量接近歷史平均水平。

2.1.2 農作物生長季降水量 農作物生長季降水量歷年平均值為569.7 mm，占年降水量的90.6%，降水量最少為213.2 mm（1999年），最多為888.0 mm（1951年），降水極差為674.8 mm，標準偏差為172.2 mm。農作物生長季降水正常值在397.5～741.9 mm，異常偏多（>741.9 mm）有11年，幾率為17.5%；異常偏少（<397.5 mm）有13年，幾率為20.6%。由圖1可知，農作物生長季降水量略呈減少趨勢，傾向率為-6.29 mm/10年，降水量線性減少39.6 mm。其中20世紀80年代降水量最少，20世紀70年代最多，相差102.3 mm。前30年（1951-1980年）降水較多，平均為597.7 mm，后30年（1981-2010年）降水相對較少，平均為525.1 mm，平均減少72.6 mm。而近13年（2001-2013年）與前50年（1951-2000年）相比，降水量平均增加27.8 mm。2005-2013年降水量明顯增加，并接近前30年（1951-1980年）的平均水平。

2.2 農業需水量變化

2.2.1 各季節需水量 春季需水量歷年平均值為101.9 mm，占農作物生長季需水量的17.2%，最大值為149.1 mm（1989年）。經線性趨勢分析，需水傾向率為2.294 mm/10年，呈增加趨勢，即近63年春季需水量線性增加14.5 mm。各個年代平均需水量見表2，其中20世紀50、60年代需水量最少，20世紀90年代最多，年代最大相差17.0 mm。近33年（1981-2013年）需水量比前30年（1951-1980年）平均增加9.3 mm。

夏季需水量歷年平均值為331.5 mm，占農作物生長季需水量的56.0%，最多為364.8 mm（2000年），需水傾向率為3.017 mm/10年，呈增加趨勢，夏季需水量線性增加19.0 mm。其中20世紀60年代需水量最少，20世紀90年代最多，年代最大相差18.9 mm。近33年（1981-2013年）需水量比前30年（1951-1980年）平均增加12.3 mm。

秋季需水量歷年平均值為158.5 mm，占農作物生長季需水量的26.8%，最大值為188.4 mm（1998年），需水傾向率為3.290 mm/10年，呈增加趨勢，秋季需水量線性增加20.7 mm。其中20世紀50年代需水量最少，21世紀90年代最多，年代最大相差16.4 mm。近33年（1981-2013年）需水量比前30年（1951-1980年）平均增加10.1 mm。

2.2.2 農作物生長季需水量 農作物生長季需水量歷年平均值為591.9 mm，最大值為675.1 mm（2001年）。由圖2可以看出，農作物生長季需水量呈增加趨勢，序列相關系數為0.512 9（P<0.01），傾向率為8.601 mm/10 年，需水量線性增加54.2 mm。各個年代平均需水量見表2，其中20世紀50年代需水量最少，20世紀90年代最多，平均相差49.0 mm。前30年（1951-1980年）需水量較少，平均為575.2 mm，后33年（1980-2013年）需水量相對較多，平均為607.0 mm，相對增加31.8 mm。近13年（2001-2013年）與前50年（1951-2000年）相比，需水量平均增加20.8 mm，說明隨著氣候變暖農作物生長季需水量也在增加。

2.3 水平衡及旱澇分析

2.3.1 各季節水平衡及旱澇 同時期降水量與需水量之差稱為水平衡。春季水平衡為-22.2 mm，降水不足，占春季需水量的21.8%。1951-2013年降水盈余的有17年，幾率為27.0%；降水虧缺的有46年，幾率為73.0%。分析各個年代平均水平衡得出，降水虧缺最多的是20世紀80、90年代，水平衡分別為-43.7、-43.6 mm；21世紀前10年降水盈余3.9 mm。由表2可知，春季總體表現為輕旱類型，其中20世紀80、90年代為中旱類型，2001-2013年表現為正常類型。K傾向率為0.022/10年，呈上升趨勢，即春季濕潤程度有所增加。由表3可知，近63年春季中旱出現概率為22.2%，輕旱、正常、濕潤為34.9%，中澇、重澇出現頻率為14.3%，重旱出現頻率高達28.6%，約占樣本數的1/3，約10年3遇。

夏季水平衡為60.6 mm，降水盈余，占夏季需水量的18.3%。1951-2013年降水盈余的有41年，幾率為65.1%；降水虧缺的有22年，幾率為34.9%。分析各個年代平均水平衡得出，降水盈余最多出現在20世紀50、60和70年代，1951-1980年平均盈余89.3 mm；1981-2010年平均盈余14.5 mm；由于近13年（2001-2013年）降水有所增加，水平衡為53.5 mm。由表2可知，夏季總體表現為為濕潤類型，1951-1980年表現為濕潤、中澇類型；1981-2013年表現為正常、濕潤類型。由表3可知，夏季中旱、重旱出現概率為11.1%，約10年1遇；中澇、重澇出現頻率為36.5%，重澇出現頻率為23.8%，約10年4遇。K值氣候傾向率為-0.029/10年，說明夏季氣候向干燥方向發展。

秋季水平衡為-60.6 mm，降水不足，占秋季需水量的38.2%。1951-2013年中降水盈余的有11年，幾率為17.5%；降水虧缺的有52年，幾率為82.5%。分析各個年代平均水平衡得出，降水虧缺最多出現在20世紀80年代，平均為-76.8 mm；而50年代最少為-30.4 mm。由表2可知，秋季旱澇指數為中旱類型。從各個年代分析結果看，除20世紀50年代表現為輕旱類型，其他各年代均表現為中旱類型。由表3可知，秋季中旱、重旱出現概率為66.7%，其中重旱出現頻率為42.9%，約4年1遇；中澇、重澇出現頻率為6.4%。K值氣候傾向率為-0.035/10年，說明秋季氣候向干燥方向發展。

2.3.2 農作物生長季水平衡及旱澇 農作物生長季水平衡為-22.0 mm，降水略顯不足，僅占需水量的3.8%。1951-2013年降水盈余的有33年，幾率為52.4%；降水虧缺的有30年，幾率為47.6%。在近63年里，降水異常盈余的有9年，幾率為14.3%；降水異常虧缺的有14年，幾率為22.2%。分析各個年代平均水平衡得出，20世紀50、60和70年代降水盈余，分別為9.4、31.7、26.5 mm，從20世紀80年代開始出現降水虧缺，虧缺最多的在80和90年代，分別為-88.8 mm和-98.9 mm。由此計算，前30年（1951-1980年）降水盈余22.5 mm，后30年（1981-2010年）降水虧缺82.0 mm。由圖3可知，水平衡呈下降趨勢，氣候傾向率為-14.887 mm/10年。因近5年（2009-2013年）連續出現較大降水，水平衡平均值高達107.0 mm，使水平衡整體線性趨勢上揚。

經K值分析，農作物生長季干濕程度總體表現為正常類型（K為0.97）。從各個年代分析結果看，20世紀80-90年代表現為輕旱類型，其他各年代均表現為正常類型。由表3可知，農作物生長季中旱、重旱出現概率為23.8%，其中重旱出現頻率為4.8%，約20年1遇；中澇、重澇出現頻率為14.3%。前30年（1951-1980年）K為1.04，表現為正常；后30年（1981-2010年）K下降至0.87，表現為輕旱類型。由圖4可知，K值氣候傾向率為-0.024/10年，說明農作物生長季氣候在向干燥方向發展。而近5年（2009-2013年）由于降水較多干濕指數位于較高水平，平均值為1.18，成為濕潤類型，減緩了氣候繼續朝著干燥方向發展的趨勢。

3 結論

1）農作物生長季4-9月間各個時間段降水量歷年變化趨勢各不相同，春季（4-5月）降水量呈增加趨勢，夏季（6-8月）和秋季（9-10月）降水量呈減少趨勢。經線性趨勢分析，春季降水量增加20.7 mm，夏季降水量減少38.4 mm，秋季減少21.9 mm。農作物生長季降水量總體表現出下降趨勢，減少39.6 mm。

2）隨著氣候變暖，農作物生長季的各個時間段農業需水量均表現出增加趨勢。經線性趨勢分析，春季需水量增加14.5 mm，夏季增加19.0 mm，秋季增加20.7 mm，全生長期（4-10月）增加54.2 mm。

3）經水平衡分析可知，農作物生長季各月中除4、7、8月降水量盈余外，其他各月均表現不足。春季降水虧缺21.8%，夏季降水盈余18.3%，秋季虧缺38.2%，農作物全生長期降水虧缺3.8%。

4）因降水變化幅度較大，大連地區旱災、澇災同時存在，春季的4、5月，夏季的6月，秋季的9、10月均以旱災為主，7、8月則以澇災為主。春季中旱、重旱頻率為50.8%，中澇、重澇頻率為14.3%；夏季中旱、重旱頻率為11.1%，中澇、重澇頻率為36.5%；秋季中旱、重旱頻率為66.7%，中澇、重澇頻率為6.4%；全生長期中旱、重旱頻率為23.8%，中澇、重澇頻率為13.3%。

4 討論

大連市降水年際、季節變化較大，旱、澇災害同時存在。分析結果得出，大連地區春、秋兩季以干旱災害為主，夏季則以澇災為主。隨著氣候變暖，降水量和需水量呈逆向變化過程，即降水量在減少，需水量在明顯增加，暖干旱化日趨嚴重。從各年代來看，各個季節降水離散度較大，旱、澇成災嚴重，例如：1995年4月降水量7.6 mm，2012年5月0.2 mm，發生了嚴重的春季干旱，2009年4-5月連續降水231.2 mm，發生了嚴重的春季澇災，嚴重影響了春季播種和苗期生長；2013年7月降水517.1 mm，出現了夏季澇災，而同年的8、9月連續兩個月降水只有14.1 mm，又出現了秋季重旱災害。因此，大連地區在防災減災體系建設中，旱災、澇災的防御工作應同時進行。

旱澇災害防御應從以下4點抓起：①提高認識。切實掌握大連市降水分布特征和變化規律，提高職能部門及百姓對自然災害的風險防控意識，要清楚認識到大連市旱澇災害對農業生產影響的嚴重性，如2009年秋季干旱造成大面積秋季蔬菜絕收，菜價上漲等實際案例。②工程建設。農田基本建設是防災減災的基礎工程。山地、河灘植樹種草可減少徑流和蒸發，對洪水和干旱具有長效抑制作用。因地制宜建設臺田、平整土地，設計遇干旱能灌溉、遇多雨能排澇的多功能農田。③掌握信息和新技術。提高天氣預報準確率，建立天氣預測預報信息平臺，通過通訊、電視、電臺，農村大喇叭、電子屏幕等方式，擴大覆蓋區域，讓公眾在第一時間掌握天氣變化動向和未來趨勢，做到提早預防。引進人工影響天氣新技術，開發云水資源，人工增雨可提高有效降水緩解干旱程度，人工消雹消云可驅散積雨云減輕冰雹暴雨洪澇的危害程度。④協同聯網資源共享。各個部門都有自己的防災減災服務平臺，單一作戰能量發揮有限，建立監測系統網絡資源共享，防災減災能力和效果、效益倍增。自然災害相互之間是有聯系的，一個災害的發生可引發次生災害，如暴雨可引發山洪和泥石流。所以加強監測和信息傳輸工作顯得尤為重要。

大連市旱澇災害發生頻率較高，對農業生產影響較大，建立災害預警機制及信息共享平臺，做到快速反應，聯合作戰，減少受災損失則非常必要。本研究結果可為進一步研究旱澇發生規律和防災減災工作提供科學依據。

參考文獻：

[1] 趙 麗，馮寶平，張書花.國內外干旱及干旱指標研究進展[J].江蘇農業科學，2012，40（8）：345-348.

[2] IPCC. Climate Change 2007：Synthesis Report[M].Cambridge： Cambridge University Press，2007.

[3] 王麗媛，于 飛.農業氣象災害風險分析及區劃研究進展[J].貴州農業科學，2011，39（11）：84-88.

[4] 尹洪濤，張國林.1953-2012年遼寧省西部大氣降水資源的變化[J].貴州農業科學，2014，42（9）：102-105.

[5] 王聲鋒，張展羽，段愛旺，等.豫北地區降水的時間序列特性分析[J].中國農村水利水電，2008（3）：13-16.

[6] 唐湘玲，呂 新.近50年來瑪納斯河流域氣候變化對可利用降水量的影響[J].湖北農業科學，2011，50（22）：4582-4585.

[7] 孫培良，劉 項，曹東浩，等.基于自然降水條件下的冬小麥生育期干旱頻率及應對措施[J].湖北農業科學，2012，51（20）：4460-4462，4469.

[8] 華 蓉，安裕倫，楊廣斌.貴州“十一五”農業自然災害的時空分異及對社會環境的影響[J].貴州農業科學，2013，41（4）：59-62.

[9] 張國林，戴海燕，隋景躍.近60年農業生產期干旱發生風險分析[J].中國農學通報，2014，30（32）：227-231.

[10] 張國林，梁 群.近500年遼寧西部地區干旱成因分析及防御[J].中國農業氣象，2007，28（增刊）：215-218.

[11] 安 昕，張國林.遼寧西部半干旱區近50年降水趨勢及周期變化[J].中國農學通報，2012，28（5）：214-220.

[12] 盧 路，劉家宏，秦大庸.海河流域1469-2008年旱澇變化趨勢及演變特征分析[J].水電能源科學，2011，29（9）：8-11.

[13] 周 麗，謝賢健，王 芳，等.1971-2009年內江地區的旱澇特征分析[J].貴州農業科學，2012，40（8）：110-113.

[14] 李 渝，蔣太明，王靜貴.州喀斯特山區季節性干旱特征及對策：以桐梓縣為例[J].貴州農業科學，2009，37（5）：43-46.

[15] 張旭暉，徐 萌，居為民，等.氣候變暖背景下江蘇省農業干旱演變特征[J].江蘇農業科學，2009（3）：357-360.

[16] 張淑杰，張玉書，李廣霞，等.遼寧省旱災的分布特征及其成因分析[J].中國農學通報，2013，29（5）：199-203.

[17] 王文舉，崔 鵬，劉 敏，等.近50年湖北省多時間尺度干旱演變特征[J].中國農學通報，2012，28（29）：279-284.

[18] 魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，2007.

[19] 亓來福.國內外農業氣候區劃中的水分指標[J].氣象科技，1980（4）：33-37.

[20] 亓來福，王繼琴.從農業需水量評價我國的干旱狀況[J].應用氣象學報，1995，6（3）：356-360.

[21] 安維默.用Excel管理和分析數據[M].北京：人民郵電出版社，2003.