1961-2019年東北地區作物生長不同階段極端干期時空分布特征分析

曲美慧，涂 鋼，馮喜媛

（1.吉林省氣象科學研究所中高緯度環流系統與東亞季風研究開放實驗室，吉林 長春 130062；2.長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，吉林 長春 130062）

引言

全球變暖背景下，各種災害性天氣氣候事件頻繁發生，其中干旱作為嚴重的氣象災害之一，呈現頻率加快、范圍擴大和進一步加重的態勢，對我國社會經濟、農業生產和人民生活影響巨大，尤其是我國北方部分地區干旱化趨勢嚴峻［1-3］。

農業是受氣候變化影響最為直接和敏感的行業之一，東北作為全球變暖響應最顯著的地區之一，出現了持續而顯著的增溫，而夏季降水量又呈現減小趨勢，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略地位日益增強，而干旱對農業生產影響較大，如果對干旱災害不予以重視和有效應對，到2030年中國東北地區農民的農業收入將會損失50%以上［5］。

為此，諸多學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、華北地區的極端干旱頻率顯著增加，是近百年少有的大范圍高強度的極端干旱頻發期，東北地區干旱化趨勢顯著［4，6-11］；利用水分虧缺指數分析東北玉米干旱的時空分布特征時發現干旱頻率、等級區域性比較明顯，遼寧西部和南部、吉林西部和黑龍江西南部地區的干旱發生頻率較高，近些年干旱等級也較重［12-13］；干旱發生最直接的原因是降水不足或持續減少的累積效應，因此很多學者從降水特征的變化，尤其是極端降水頻率、強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展的傾向，其中嚴重干燥事件（連續無雨日≥10d）呈顯著增多趨勢；2003 年ETCCDMI（Expert Team on Climate Change Detection，Monitoring and Indices）定義了27 個極端氣候指數，最長連續無雨日（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“歐洲地區極端事件統計和區域動力降尺度”項目（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 個核心極端指數之一［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用［21-24］；利用CDD 分析極端干期序列的多尺度震蕩結構及多年變化趨勢，揭示了東北和華北大部分相對濕潤的地區有變干趨勢［25-26］。

相關研究認為，連續無雨日數可以作為表征干旱的指標之一［26-28］，其變化對農作物生長的影響很大，特別是雨養農業區，降水是作物需水量的主要來源，通過模擬不同連續無雨日數對玉米產量的影響試驗發現苗期、拔節期分別發生10-40 d的連續無雨日，或者苗期、拔節期均發生5-20 d的連續無雨日，均影響玉米籽粒灌漿，導致減產，減產率約在3.24%-23.94%范圍內［29］；連無雨日數能夠識別吉林省生長季各級干旱及春、夏、秋旱的發生，與干旱災害實況吻合較好［30］，但該指標沒有考慮前期降水量、土壤持水能力等，因此在實際干旱監測應用中還需調整。此外，極端干期的概念與干旱監測指標—“連續無雨日數”相似之處是均涉及連續無雨日數，但前者是某時段內的最長連續無雨日數，反映某時段降水間歇的極端性，是極端氣候檢測的指數之一，后者可根據不同日數長度定義干旱等級，用于干旱監測預警，二者資料易得、計算方法簡單，因此被廣泛應用于農業旱情的監測評估、農業干旱災害的風險評價［31-32］等方面。

進入21世紀，有研究發現較前期相比東北三省整體熱量資源增加的趨勢減緩，在2005年前后出現轉折性變化［33］，與此對應，春季降水量也呈現了上升的傾向，降水年際波動加大，東北地區的干旱趨勢如何變化值得關注，尤其是作物生長階段。為此，本文參照ETCCDMI 定義的CDD 以及文獻［25］中極端干期的概念，定義作物不同生長階段內最長連續無雨日數為各階段的極端干期長度（單位：天數）且規定日降水量小于0.1 mm 為無雨日，分析其時空分布特征，了解不同生長階段區域內干濕分布及可能的趨勢，為合理指導農業生產、防災減災、合理利用水資源提供決策依據。

1 研究區域、資料與方法

研究區為東北地區，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古東四盟，該區域位于我國緯度最高區，地處中高緯度歐亞大陸的東岸，三面環山，中部為東北平原，屬溫帶大陸性季風氣候，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北部邊緣帶［33］影響，降水的年際變率較大。

所用數據來自中國氣象數據網（http：//data.cma.cn）1961-2019 年4-9 月東北地區共87 個國家常規氣象站的逐日降水觀測數據。

參照東北地區農事活動期以及作物對水分需求的關鍵期等特點，兼顧《中國氣象災害大典·吉林卷》［34］中春、夏、秋旱的發生時段，本文將作物生長期4 月21 日-9 月20 日，分為3 個階段，Ⅰ階段：4 月21 日-6 月10日，對應于作物的幼苗生長期也叫苗期，期間發生的干旱稱為春旱；Ⅱ階段：6月11日-8月31日，對應于作物的營養生長、生殖生長期，期間發生的干旱稱為夏旱，對作物產量影響較大；Ⅲ階段：9 月1 日-9 月20日，對應于作物灌漿成熟期，期間發生的干旱稱為秋旱。依據以上3 個時段全區逐站劃分，分別統計各階段的極端干期日數序列，主要采用線性傾向估計、滑動平均、累計距平和變化趨勢的顯著性檢驗等氣候變化趨勢分析方法［35］。

2 結果與分析

2.1 極端干期的多年平均分布特征

圖1是1961-2019年平均東北地區作物生長各階段極端干期長度分布。可以看到多年平均的極端干期長度在不同階段的空間分布形態大致相同，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；與東北地區的地形分布十分相似，西、北、東三面環山，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域差異，一方面就極端干期長度大值區分布情況而言，Ⅰ階段大值區主要分布在吉林西部和內蒙東部，Ⅲ階段主要在遼寧中西部、吉林西部、黑龍江西部和內蒙東部，Ⅱ階段大值區范圍較大，包含了東北平原大部分區域，涵蓋了東北糧食主產區，極端干期長度平均都大于9 天；各階段大值區的分布與東北玉米干旱發生頻率較高的區域比較一致［12，37］，可見極端干期在一定程度上反映了農業干旱發生的風險；另一方面從圖1 也可以看到3 個階段極端干期長度的小值區大都集中在吉林省東南部地區和遼寧省中東部，是各階段降水氣候平均態分布中降水較為豐富的地區。

圖1 1961-2019年平均東北地區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，也就是說連續無雨日較長，發生春旱、秋旱的風險較大，這與玉米干旱發生階段、發生頻率等相關研究結果較為吻合［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生長、生殖生長期和需水關鍵期，需水量增大，期間若發生干旱會對作物產量影響較大，造成嚴重減產，通常是重旱的主要發生期［37］。

2.2 極端干期的趨勢變化特征

東北地區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個階段變化的共同點是階段性變化明顯，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，3 個階段最長連續無雨日數的趨勢變化，給出了農作物春旱有減少的趨勢，而夏旱、秋旱風險在增大［38］，對農業生產、糧食安全的影響仍需關注。

圖2 1961-2019年東北地區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，之前相對趨于平穩變化，2005年左右開始持續減少，自2010年開始干期長度以負距平為主；Ⅱ階段經過較為持續的增長，大約在20 世紀90 年代末到本世紀初增長停滯，大致趨于平穩變化，Ⅱ階段在20 世紀80 年代以前幾乎全為負距平，自2000 開始干期長度以正距平為主；Ⅲ階段在20 世紀90 年代初到本世紀初經歷一段快速攀升，從一段平穩變化進入另一段相對平穩變化期，自20世紀90年代末開始干期長度以正距平為主；總之經過20世紀90年代初到21世紀初，極端干期長度發生的變化與1990's中后期以后北方地區干旱增加趨勢明顯、夏季干旱化趨勢顯著的研究結論［11-12，39-40］，尤其是20 世紀90 年代以來東北區干旱呈加重的趨勢［36，38，41］一致，而且變化發生的時間，對應于東北地區20世紀90年代初的增溫顯著期和21世紀初的增溫停滯期，兩者之間是否存在關聯需要進一步探究。

此外，對照各時段東北地區降水的變化（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，Ⅱ、Ⅲ階段有線性減少的趨勢，但沒有通過顯著性檢驗，且進入2000 年以后3 個階段的降水都進入增多的階段，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生長季內降水分配變得更不均勻、降水事件有向極端化發展的傾向這一結論［14，42-43］。

圖3給出了1961-2019年東北地區作物生長不同階段極端干期長度氣候傾向率的空間分布。可以看到3個階段整體趨勢與全區平均的趨勢一致，Ⅰ階段以負趨勢為主，Ⅱ、Ⅲ階段絕大部分地區呈現的是正趨勢，但存在區域差異。具體來看，圖3（Ⅰ）可見該階段除大興安嶺北部和三江平原；全區呈現負趨勢，且大部分站點沒有通過顯著性檢驗，但東四盟東部、吉林省中部和東部的負趨勢通過0.05的顯著性水平檢驗，春旱風險的降低對苗期有力，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呈現正趨勢且通過了0.1 的顯著性水平檢驗，少部分通過了0.01 的顯著性檢驗，說明春季降水整體有增加的趨勢，局部地區春旱風險依舊存在增加的趨勢；Ⅱ階段幾乎全區一致的正趨勢，且大部分地區通過0.1 的顯著性水平檢驗，沒有通過顯著性檢驗的地區集中在白城以西、小興安嶺以及三江平原部分地區，最長連續無雨日數的增加趨勢帶來了夏旱風險的增加，對東北農作物生產不利；Ⅲ階段也以正趨勢為主，相比Ⅱ階段在東四盟部分地區出現了負趨勢區域，通過0.1-0.01顯著水平的區域范圍減少。

圖3 1961-2019年東北地區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業干旱風險關系密切，為此本節統計分析了極端干期開始日序的時空變化。在統計時，針對某階段某年極端干期長度重復出現的情況，普查后發現大多數出現重復時，該階段的極端干期長度均比較短，一般為2-4天，當極端干期長度較長時，重復出現的站和年份占比例很小。而本文重點關注的是多年平均意義上以及持續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間自西向東逐漸出現，日期范圍大約在5 月1-10 日前后，此時作物正處于出苗期，長度從西到東約為14-10 天，最早出現在東四盟及遼寧和吉林西部；Ⅱ階段極端干期開始的時間從東北向西南逐漸出現，范圍大致在7月10-25日前后，此時作物進入孕穗—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階段極端干期出現的時間全區基本一致，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、成熟關鍵時期，因此各地在該日期前后適時的防旱抗旱，對保障農業生產有積極的現實意義。

圖4 1961-2019年東北地區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，為此計算了1961-2019年東北地區平均極端干期開始日序的距平，如圖5，可以看出3個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時間的階段性變化比較相近，都是在1980年左右由逐年推遲轉入逐年提前，經過90年代初再次轉入延后，大約2004年前后呈現提前趨勢，進入以正距平為主的階段；Ⅲ階段極端干期出現時間整體呈現逐漸推遲的變化，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 結論與討論

文中利用東北地區87個地面氣象站1961-2019年4-9月的逐日降水數據，分析了作物苗期、營養和生殖生長期、成熟期3階段極端干期長度的時空變化特征，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、半干旱區干期較長，半濕潤—濕潤區干期較短；3個階段干期分布差異集中在大值中心的變化，Ⅰ階段在內蒙東部，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、干旱風險區劃等研究成果，各階段干期長度大值區與春、夏、秋旱的高頻次、高風險區比較吻合。這種極端干期的分布與山脈地形、不同階段降水異常區關系密切。

（2）東北地區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是90年代末至今，Ⅱ、Ⅲ階段進入正距平為主的階段，Ⅰ階段約2010 年開始干期長度以負距平為主；可以認為近10-20 年東北地區整體來看，Ⅰ階段有變濕的趨勢，而Ⅱ、Ⅲ階段階段呈現變干的趨勢；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，其中夏旱對農業生產、糧食產量影響較大，值得關注。

（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階段全區大部分區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—半濕潤區的春旱有所緩解，但局部區域的半濕潤區（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階段全區幾乎一致的干期增長，尤其是東北南部的濕潤區極端干期長度增大趨勢顯著，這些地區的夏、秋旱有加重趨勢，應給予重點關注。

（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格對應，東北地區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，對應于作物的營養、生殖生長關鍵期，也是水稻、玉米等主要農作物需水高峰期，這種降水特征變化帶來的干旱壓力對農業有直接影響，是近十幾年來東北農業干旱災害呈上升趨勢的重要原因之一。文中只從雨養農業對生長季自然降水的依賴性角度出發，探討氣候變化背景下農業氣候條件之一—降水特征的變化，分析了降水間歇的極端性變化，對農業成災的上游機理［44］中的大氣系統作用分量—最長連續無雨日數的特征做了較為詳細的分析，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、農業氣象災害機理深入不夠，未涉及中、下游機理中的地表水分交換、環境脅迫作用以及涉及人類活動的生產系統等，今后應將在農業干旱受災成災機理和實際應用方面作進一步探討。