气候变化背景下朝阳地区气象干旱演变规律分析

张富荣李书君王 优刘志鹏

(辽宁省朝阳市气象局,辽宁 朝阳 122000)

朝阳地区位于辽宁省西部,受大气环流影响和地理位置等综合因素影响,属于半干旱半湿润易旱气候区[1]。朝阳地区多丘陵山地,年降水量偏少,农业气象干旱灾害对农业生产影响最大,是影响粮食产量稳产高产的主要灾害之一,因为旱灾频发素有“十年九旱”之称。

在全球气候变化大背景下,诸多学者对不同空间尺度下干旱发生规律及其影响做了大量的研究和探讨[2～6]:苏君,马志军以西北干旱区为研究对象,从旱涝灾害评估的角度出发,根据旱涝Z指数计算得出Z值并划分旱涝等级,分析变化特征[7]。卢晓昱,任传友等用4个气候模式的数据计算描述辽宁省干旱危险性强度指标,结论是各个干旱等级的超越概率增加率最大的地区位于辽宁西部以及南部环渤海地区[8]。考虑气象干旱累积效应及当地秋收农作物生长时期内需水要求, 陈学凯等学者验证了贵州省秋收作物标准降水蒸散指数(Sep-SPEI-6)与粮食减产量之间的相关性[9]。

本文应用朝阳地区有代表性的国家气象站1960～2020的长序列资料,统计分析不同时间尺度干旱等级变化规律,对掌握区域干旱发生规律、监测预防农业干旱灾害、保障粮食安全等具有重要的意义,可有效降低干旱灾害带来的损失[10～11]。

1 研究方法

1.1 资料来源

收集朝阳地区7个国家观测站资料:收集朝阳、叶柏寿、北票、喀左、建平、羊山、建平站7个国家基本气象站1960～2020年的逐月和年降水量序列资料。国家基准站朝阳站为典型代表气象站。

1.2 方法

1.2.1 基准年(30年)

按照30年时间尺度以年代为单位滑动,第Ⅰ基准年1961～1990年,第Ⅱ基准年1971～2000年,第Ⅲ基准年1981～2010年,第Ⅳ基准年1991～2020年。四季划分:春季为3～5月份,夏季为6～8月份,秋季为9～11月份,冬季为12～翌年2月份。

1.2.2 气候倾向率[12]

气象要素y 序列的长期趋势变化用一元线性函数y=ax+b来表示,x为年序列号(x=1960、1961、1962、…,2020年),b为常数项,a为线性倾向值。倾向值a的符号表示气候变量的趋势倾向性值,a值的大小反应上升或下降的速率,正号为增加趋势,负号为减少趋势。倾向值乘以10为气候倾向率。

1.2.3 气象干旱等级

根据GB/T32135用降水量距平百分率划分,共分为5个等级。降水量距平百分率是表征某时段降水量较常年值偏多或偏少的指标之一,能直观反映降水异常引起的干旱;在我国气象日常业务中多用于评估月、季、年发生的干旱事件。

某时段降水量距平百分率(Pa)按公式以下计算:

式中:

P—某时段降水量(mm)。

ˉP—计算时段同期气候平均降水量。按中国气象局行业规定,ˉP取1981～2010年30年平均降水量。

2 结果与分析

2.1 干旱等级变化特征

2.1.1 1960～2020年干旱等级变化

计算得出1960～2020年朝阳地区年均干旱等级为1.3级,为轻旱级别;最大级别为4级,出现在1981年,为重旱级别,61年里出现过1次,出现频率为1.6%;3级干旱出现2次,为1980年和1982年,为中旱级别,出现频率为3.3%, 2级干旱出现13次,为轻旱级别,出现频率为21.3%,1级干旱年份为45年,为无旱级别,出现频率为73.8%。以年为时间尺度分析,朝阳地区无旱年份居多,出现极端干旱年份频率极少。

统计分析朝阳地区7个基准站1960～2020年平均干旱等级,其干旱等级年变化趋势如图1。从图中可以看出,1960～2020年干旱等级曲线个别年份(80年代初)干旱等级凸显偏高,其余年份干旱等级比较比较平稳。由线性拟合方程分析来看,趋势分析方程为y=0.000x-0.250,其气候倾向率为0.0/10年,即近60年来年,年度干旱等级增减趋势不明显。

2.1.2 不同基准年的干旱等级变化

统计不同基准年各类干旱出现次数及干旱等级变化趋势结果见表2。

表 1 降水量距平百分率干旱等级划分Table 1 Drought classification table of percentage precipitation anomalyprecipitation anomaly

表 2 不同基准年干旱等级出现次数及趋势变化Table 2 Occurrence times and trend changes of drought grades in different base years

5级干旱4个基准年均没有发生。4级干旱第Ⅰ基准年、第Ⅱ基准年、第Ⅲ基准年发生均为1次,第Ⅳ基准年没有出现。3级干旱第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ基准年均发生2次,第Ⅳ基准年没有出现。2级干旱第Ⅰ、第Ⅱ基准年发生4次,第Ⅲ基准年发生7次,第Ⅳ基准年出现9次;1级干旱第Ⅰ基准年、第Ⅱ基准年发生23次,第Ⅲ基准年发生20次,第Ⅳ基准年出现21次。

干旱等级变化气候倾向率第Ⅰ基准年0.16/10年、第Ⅱ基准年-0.05/10年、第Ⅲ基准年-0.24/10年、第Ⅳ基准年0.08/10年,第Ⅰ基准年增加趋势明显,第Ⅲ基准年减少趋势明显。

第Ⅲ基准年平均干旱等级最大,为1.5,第Ⅳ基准年平均干旱等级最小,为1.3。第Ⅳ基准年里没有发生3级以上干旱。

2.1.3 各季节干旱等级变化趋势

以一年四季为时间尺度,统计1960～2020年各季节干旱等级变化趋势如图2。

从图2各季节(春季、夏季、秋季、冬季)的干旱等级趋势和线性拟合结果看出,4个季节干旱等级变化明显不同,春季和冬季气候倾向率分别为-0.08/10年和-0.05/10年,是减少趋势;夏季和秋季气候倾向率分别为0.03/10年和0.02/10年,是增加趋势。

图 1 朝阳地区干旱等级年变化趋势Figure 1 Annual variation trend of drought grades in Chaoyang area

图 2 各季节干旱等级变化趋势Figure 2 Variation trend of drought grades in different seasons

其中春季干旱等级减少趋势最明显,60年干旱等级减少0.48;夏季干旱等级增加趋势最明显,60年干旱等级增加0.18。说明春季干旱发生概率减少,夏季干旱发生概率增加,这与张富荣,张玉书等研究的玉米生长季降水变化特征分析结论相一致,即玉米播种～苗期(春季)降水量呈增加趋势,干旱等级减少,春旱发生频率降低;拔节～孕穗期(夏季)的降水量呈下降趋势, 干旱等级增加,夏旱发生频率增加[13]。

3 结论与讨论

3.1 年尺度干旱等级变化不明显

在气候变化的背景下,以年尺度分析1960～2020年朝阳地区干旱等级,年平均干旱等级为1.3,为轻旱级别,气候气象率为0.0/10年,其变化趋势不明显;统计得出1960～2020年重旱级别出现最少,61年里出现过1次,出现频率为1.6%,1级干旱(无旱)出现最多为45次,出现频率为73.8%;说明朝阳地区以年为时间尺度的极端气象干旱事件发生概率较低,年度气象干旱没有随着气候变暖的趋势而明显增加,这种趋势对农业生产来说无疑是十分有利的。在当今气候变化愈加明显的背景下,区域年度干旱增加趋势不明显,对本区域农林牧业发展,乃至生态环境改变,都具有良好的促进作用和深远的良性影响。

3.2 不同基准年干旱趋势差别较大

以基准年为时间长度,分析朝阳地区干旱等级发生结果表明:所有基准年都没出现5级特旱,各基准年干旱等级发生趋势明显不同;第Ⅰ、第Ⅳ基准年呈现增加趋势;第Ⅱ、第Ⅲ基准年呈现减少趋势;第Ⅰ基准年气候倾向率0.16/10年、增加趋势最为明显,第Ⅲ基准年气候气象率-0.24/10年、减少趋势最为明显。统计结果还表明:虽然第Ⅳ基准年干旱等级趋势为增加,但平均干旱等级最小,即最近30年旱灾发生事件增多,但是等级不严重。结论与高淑新等研究的辽西地区降水减少导致农业需水满足度下降,干旱频率增加相一致[14～16]。

3.3 不同季节干旱等级发生趋势不同

以季节为时间尺度,分析朝阳地区干旱等级发生结果表明:各季节干旱等级发生趋势明显不同。春季和冬季干旱等级呈减少趋势,其中春季气候倾向率为-0.08/10年,减少趋势最为明显;夏季和秋季干旱等级呈增加趋势,夏季气候倾向率为0.03/10年,增加趋势最为明显。由此可见,大田作物生长季(春、夏、秋季)三季里有两季(夏、秋季)干旱呈增加趋势,此时正是农作物营养生长向生殖生长过渡期和产量形成关键期,此时发生气象干旱,对农作物生长发育和产量形成有非常不利影响。如2014年、2015年、 2020年朝阳地区发生了较重的夏季干旱,使农作物产量减产明显[17～18]。

3.4 年度和春季干旱变化趋势对农业生产有利

在气候变化背景下,各时间尺度干旱等级变化趋势不一。对本地农业生产最有利趋势的是年度气象干旱增加趋势不明显以及春季干旱等级呈下降趋势;特别是春旱发生减少,春播生产十分有利,朝阳地区有见苗三分收之说,足以说明春旱的威胁是最大的[19～20]。而春季干旱的减少,对粮食作物适时早播、选择高产品种以及保障地区粮食稳产高产,具有重要意义。

3.5 业务服务中应用干旱等级方法的局限性

应用降水距平划分干旱等级方法,在实际业务工作中,简洁实用,在基层气象为农服务中应用比较广泛;但在干旱发生、发展以及影响灾损评估中,除考虑干旱等级一种判定方法外,还应考虑其他相关密切的因子,比如温度、风速、土壤含水量等。因此,在农业干旱监测、预报、评估业务中,需要将干旱等级与其它干旱指数结合使用,进行对比分析,才能更接近生产实际,使得为干旱灾害防御、评估提供的依据更加全面和科学[21～23],这也是今后需要进一步研究探索的课题。