遼寧中部農作物生長季干旱風險度研究

韓艷鳳

（遼寧省鞍山市氣象局，遼寧鞍山 114004）

0 引言

氣象災害問題引起廣泛關注[1-3]，干旱持續加重將導致糧食減產或絕收，從而影響人類生存[4-5]。每年中國約有40%的面積受氣象災害侵擾，糧食減產近120億kg，其中干旱受災面積0.22億km2左右[6]。遼寧中部以種植業為主，干旱災害較為嚴重。因此，研究降水資源變化，掌握干旱災害發生規律，對適應氣候變化進程、及時調整農業產業結構、提高抗風險能力和確保糧食生產安全具有重要意義。謝安等[7]研究認為，中國東北區干旱化趨勢與全球氣候變暖有關，平均溫度每上升1℃，干旱化程度增加5%～20%。曹永強等[8-9]運用標準降水蒸散指數并結合干旱頻率綜合分析了遼寧省農作物生育期水熱調整及干旱風險時空變化呈遞增趨勢。孫東磊等[10]研究邢臺地區農作物生產氣候脆弱性認為，水分條件是限制生產潛力發揮的主要因素。魏鳳英等[11]研究表明，東北地區夏季干旱頻發的原因主要是源于環流背景變化的結果。盧曉昱等[12]針對遼寧省未來氣象干旱危險性研究認為，遼寧西部以及南部環渤海地區干旱等級、概率增加，遼河流域是中度及重度危險性高值區。張淑杰等[13]研究認為，遼寧省旱災分布特征及其形成的主要原因是降水量季節分布不均衡。可見，干旱災害具有明顯的區域性和季節性特征，而農作物生長季節干旱災害所造成的損失最大。目前，未見關于遼寧中部農作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風險度的研究報道。本研究以干濕指數作為干旱指標，研究1961—2020 年遼寧中部農作物生長季（4—9月）干旱頻率和變化趨勢，定量分析農作物生長季降水滿足程度以及干旱等級。探明遼寧中部農作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風險度，旨在為遼寧中部農業產業結構調整、規避干旱風險和農業生產管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

資料由遼寧省氣象信息服務中心提供。節選沈陽、鐵嶺、遼陽、鞍山國家基準站1961—2020年近60 a逐月降水和氣溫資料，并計算農作物生長季（4—9月）降水和氣溫。

1.2 方法

1.2.1 干旱指標 選用干濕指數(K)[15-16]作為農作物生長季節干旱評估指標，計算如式(1)～(2)所示。

式中，K為干濕指數（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，⊿為調整系數⊿=0.15；干濕指數(K)的干濕等級劃分標準及干旱風險度等級見表1。

表1 干濕指數(K)及干旱風險度(F)氣象干旱等級的劃分標準

1.2.2 降水滿足度 積分濕潤指數(I)方法評價降水滿足度適用于季節性降水的北方地區[16]。積分濕潤指數是農作物生長季干濕指數與氣溫之間的函數關系，如式(3)所示。

式中，Ii為積分濕潤指數，即大氣降水對農作物生長季需水的滿足程度(%)，Ki是干濕指數，ti為月平均氣溫；∑ti為月平均氣溫之和。

1.2.3 干旱風險度 為了分析每一年農作物生長季的干旱風險程度，根據參考文獻[17]的方法引入干旱風險度概念，并進行歸納和調整，計算如式(4)所示。。

式中，Fji＝(1-Kji)/(1+Kji)×100，當K≥0.9 時，Fji=0；Fj為某一地區某一年作物生長季的最大干旱風險度(%)，Fji代表某一地區某一月干旱風險度，其中：F4ji、F5ji、F6ji、F7ji、F8ji、F9ji分別代表4—9各月干旱風險度。

1.2.4 旱澇概率(P)P用來表征資料年際內發生旱、澇頻繁程度，可用公式(5)計算。

式中：n為發生干旱的年數，N為資料的總年數。

1.2.5 降水量(R)積分濕潤指數(I)干濕指數(K)的變化趨勢及氣候的突變檢驗 參照文獻[18]的方法，采用一元線性回歸和非參數檢驗方法（Mann-Kendall，簡稱M-K）分析農作物不同時期降水量(R)積分濕潤指數(I)干濕指數(K)的變化趨勢及氣候的突變檢驗隨時間的變化趨勢及氣候突變狀況。非參數檢驗方法(M-K)設定顯著水平為0.05，臨界值為±1.96，若UF 曲線與UB曲線在臨界值出現交點，則為突變點，當UF、UB 大于或小于臨界值±1.96，則視為升上或下降趨勢顯著。

2 結果與分析

2.1 農作物生長季降水量的變化特征

2.1.1 各月降水量的變化特征 遼寧中部農作物生長期在4—9 月，根據農作物生長過程可劃分，播種苗期（4—5月，下同）、旺盛生長期（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定。經線性分析，4、5、6 月降水量呈增加趨勢，7、8、9 月降水量減少趨勢，其中5 月降水增加顯著，9 月降水減少顯著。遼寧中部1961—2020 年農作物播種苗期降水量平均為93.2 mm，占農作物生長季降水量的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，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。農作物旺長期降水量平均為396.3 mm，占農作物生長季降水量的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%；此時期降水量呈減少趨勢，傾向率為-5.633 mm/10 a，1961—2020年農作物旺長期降水量線性減少33.8 mm。農作物成熟期降水量平均值為61.7 mm，占農作物生長季的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%；農作物成熟期降水量呈明顯減少趨勢，傾向率為-6.746 mm/10 a，1961—2020年線性減少40.5 mm。

表2 1961—2020年遼寧中部農作物生長季各月降水量的特征

2.1.2 農作物生長季降水量的變化特征 從表2 看出，遼寧中部農作物生長季節（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。農作物生長季正常降水量在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，遼寧中部農作物生長季降水量呈弱減少趨勢，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 檢驗結果，1961—2020 年遼寧中部農作物生長季降水序列變化趨勢不存在突變現象。從年代時間劃分結果看，20 世紀60、70、80 至90 年代為正距平(5.9、10.1、8.9、25.6 mm)，進入21 世紀的00 和10 年代為負距平(-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年遼寧中部農作物生長季降水量距平和M-K的年變化

2.2 農作物生長季的降水滿足度

1961—2020年農作物降水滿足度107.9%，標準差為±25.8%，1986 年降水滿足度最高達到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，隨著農作物生長季降水量的減少，降水對農作物的滿足程度呈下降趨勢。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 個百分點。經Mann-Kendall檢驗，1961—2020年遼寧中部農作物生長季降水滿足度序列的原序列(UF)與反序列(UB)在±1.96 閾值內雖有交點，并無明顯突變現象。但21 世紀的2001—2020年的20 a比20世紀的1961—2000年的40 a降水滿足度平均下降11.2個百分點。

圖2 1961—2020年遼寧中部農作物生長季降水滿足度和M-K的年際變化

2.3 農作物生長季干濕指數的年際變化

從圖3 看出，1961—2020 年農作物生長季干濕指數(K)呈下降趨勢。干濕指數傾向率為-0.021/10a(r=-0.139，P＞0.05)，線性下降0.13。經Mann-Kendall 檢驗，干濕指數序列的原序列(UF)與反序列(UB)在±1.96 閾值內雖然相交于1979 年，并無明顯突變現象。由表3 可知，1961—2020 年干濕指數平均值和標準差為1.06±0.27；1986 年最為濕潤K=1.84；2014年最為干燥K=0.60；1961—2020年干濕指數正常值變化在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%。農作物生長季中旱+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；農作物旺長期中旱+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年遼寧中部農作物生長季干濕指數的年際變化及M-K突變檢驗

表3 遼寧中部1961—2020年農作物生長季各月時間尺度干旱頻率%

2.4 農作物生長季的干旱風險度

遼寧中部農作物生長季最大干旱風險度平均值為46.4%，1961—2020 年呈明顯上升趨勢，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 個百分點。播種出苗期最大干旱風險度線性上升13.0個百分點；農作物旺長期線性下降7.1 個百分點；成熟期線性上升1.8 個百分點。表4 是1961—2020 年各月干旱風險程度變化情況。4—9月平均干旱風險程度為9.9%，呈顯著上升趨勢，傾向率為0.967%/10 a，線性增加5.9個百分點。4、6、8月干旱風險度呈下降趨勢，線性下降21.0、6.4、12.2個百分點；5、7、9月干旱風險度呈上升趨勢，線性上升7.4、0.3、1.8 個百分點。4、5 月干旱風險度在30.0%以上，為全年發生干旱最多的時期，其次是6、8、9 月在25.0%左右，7月干旱風險度為全年最低。

3 結論

1961—2020 年遼寧中部農作物生長季降水量呈減少趨勢；農作物生長季降水量滿足程度呈下降趨勢；農作物生長季干旱濕潤指數呈下降趨勢；農作物生長季干旱風險度呈顯著上升趨勢，干旱化程度在加劇，最大干旱風險度增加17.3個百分點，2000—2020年干旱風險度平均增加11.0個百分點。

4 討論

研究結果表明，1961—2020年遼寧中部農作物生長季降水量呈減少趨勢，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，降水減少趨勢與吉曹翔等[19]和安昕等[20]的研究結果一致，與張富榮等[21]研究結果相悖，這是與節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，對播種出苗期的干旱風險度有所緩解，但仍然是農作物生長季干旱最為嚴重的時期。農作物生長季降水量滿足程度總體呈下降趨勢，1961—2020年線性下降14.5 個百分點。干濕指數減小，干旱化明顯，干旱風險度顯著上升，最大干旱風險度上升17.3個百分點，平均干旱風險度上升5.9 個百分點。研究所采用的干濕指數、積分濕潤指數（降水的農作物滿足度）、干旱風險度方法是在劉振宏等[17]和齊來福等[22]研究基礎上總結制定的干旱分級標準，并從方法上做了新的拓展。客觀真實地反應了遼寧中部干旱的發生頻率和強度。干旱分析結果與歷史記載的干旱發生狀況基本一致。

干旱風險度是對作物生長不同時段（月尺度）出現干旱以及干旱程度的考量，其方法還需進一步研究，使之更加準確地描繪干旱的變化特征。本研究結果為掌握遼寧中部降水變化狀態，干旱變化特征，認知干旱的嚴重程度，規避干旱風險，為“三農”及糧食生產安全以及農業結構調整和防旱減災提供參考。