辽宁中部农作物生长季干旱风险度研究

韩艳凤

（辽宁省鞍山市气象局，辽宁鞍山 114004）

0 引言

气象灾害问题引起广泛关注[1-3]，干旱持续加重将导致粮食减产或绝收，从而影响人类生存[4-5]。每年中国约有40%的面积受气象灾害侵扰，粮食减产近120亿kg，其中干旱受灾面积0.22亿km2左右[6]。辽宁中部以种植业为主，干旱灾害较为严重。因此，研究降水资源变化，掌握干旱灾害发生规律，对适应气候变化进程、及时调整农业产业结构、提高抗风险能力和确保粮食生产安全具有重要意义。谢安等[7]研究认为，中国东北区干旱化趋势与全球气候变暖有关，平均温度每上升1℃，干旱化程度增加5%～20%。曹永强等[8-9]运用标准降水蒸散指数并结合干旱频率综合分析了辽宁省农作物生育期水热调整及干旱风险时空变化呈递增趋势。孙东磊等[10]研究邢台地区农作物生产气候脆弱性认为，水分条件是限制生产潜力发挥的主要因素。魏凤英等[11]研究表明，东北地区夏季干旱频发的原因主要是源于环流背景变化的结果。卢晓昱等[12]针对辽宁省未来气象干旱危险性研究认为，辽宁西部以及南部环渤海地区干旱等级、概率增加，辽河流域是中度及重度危险性高值区。张淑杰等[13]研究认为，辽宁省旱灾分布特征及其形成的主要原因是降水量季节分布不均衡。可见，干旱灾害具有明显的区域性和季节性特征，而农作物生长季节干旱灾害所造成的损失最大。目前，未见关于辽宁中部农作物生长季降水量的变化及其满足度与干旱风险度的研究报道。本研究以干湿指数作为干旱指标，研究1961—2020 年辽宁中部农作物生长季（4—9月）干旱频率和变化趋势，定量分析农作物生长季降水满足程度以及干旱等级。探明辽宁中部农作物生长季降水量的变化及其满足度与干旱风险度，旨在为辽宁中部农业产业结构调整、规避干旱风险和农业生产管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

资料由辽宁省气象信息服务中心提供。节选沈阳、铁岭、辽阳、鞍山国家基准站1961—2020年近60 a逐月降水和气温资料，并计算农作物生长季（4—9月）降水和气温。

1.2 方法

1.2.1 干旱指标 选用干湿指数(K)[15-16]作为农作物生长季节干旱评估指标，计算如式(1)～(2)所示。

式中，K为干湿指数（无量纲），R为4—9各月降水量，Q为4—9各月需水量，∑Ti为同期≥10℃积温，⊿为调整系数⊿=0.15；干湿指数(K)的干湿等级划分标准及干旱风险度等级见表1。

表1 干湿指数(K)及干旱风险度(F)气象干旱等级的划分标准

1.2.2 降水满足度 积分湿润指数(I)方法评价降水满足度适用于季节性降水的北方地区[16]。积分湿润指数是农作物生长季干湿指数与气温之间的函数关系，如式(3)所示。

式中，Ii为积分湿润指数，即大气降水对农作物生长季需水的满足程度(%)，Ki是干湿指数，ti为月平均气温；∑ti为月平均气温之和。

1.2.3 干旱风险度 为了分析每一年农作物生长季的干旱风险程度，根据参考文献[17]的方法引入干旱风险度概念，并进行归纳和调整，计算如式(4)所示。。

式中，Fji＝(1-Kji)/(1+Kji)×100，当K≥0.9 时，Fji=0；Fj为某一地区某一年作物生长季的最大干旱风险度(%)，Fji代表某一地区某一月干旱风险度，其中：F4ji、F5ji、F6ji、F7ji、F8ji、F9ji分别代表4—9各月干旱风险度。

1.2.4 旱涝概率(P)P用来表征资料年际内发生旱、涝频繁程度，可用公式(5)计算。

式中：n为发生干旱的年数，N为资料的总年数。

1.2.5 降水量(R)积分湿润指数(I)干湿指数(K)的变化趋势及气候的突变检验 参照文献[18]的方法，采用一元线性回归和非参数检验方法（Mann-Kendall，简称M-K）分析农作物不同时期降水量(R)积分湿润指数(I)干湿指数(K)的变化趋势及气候的突变检验随时间的变化趋势及气候突变状况。非参数检验方法(M-K)设定显著水平为0.05，临界值为±1.96，若UF 曲线与UB曲线在临界值出现交点，则为突变点，当UF、UB 大于或小于临界值±1.96，则视为升上或下降趋势显著。

2 结果与分析

2.1 农作物生长季降水量的变化特征

2.1.1 各月降水量的变化特征 辽宁中部农作物生长期在4—9 月，根据农作物生长过程可划分，播种苗期（4—5月，下同）、旺盛生长期（6—8月，下同）和成熟期（9月，下同）。从表2看出，各月降水量年际间极差大、变率突出，说明各月降水量年际变化极其不稳定。经线性分析，4、5、6 月降水量呈增加趋势，7、8、9 月降水量减少趋势，其中5 月降水增加显著，9 月降水减少显著。辽宁中部1961—2020 年农作物播种苗期降水量平均为93.2 mm，占农作物生长季降水量的16.9%，降水正常值在55.5～130.9 mm，异常偏少(＜55.5 mm)有10 a，概率为16.7%；异常偏多(＞130.9 mm)有9 a，概率为15.0%；播种苗期降水量呈增加趋势，倾向率为4.23 mm/10 a，1961—2020 年播种苗期降水量线性增加25.4 mm。农作物旺长期降水量平均为396.3 mm，占农作物生长季降水量的71.9%，降水正常值在292.1～500.5 mm，异常偏少(＜292.1 mm)有9 a，概率为15.0%；异常偏多(＞500.5 mm)有9 a，概率为15.0%；此时期降水量呈减少趋势，倾向率为-5.633 mm/10 a，1961—2020年农作物旺长期降水量线性减少33.8 mm。农作物成熟期降水量平均值为61.7 mm，占农作物生长季的11.2%，降水正常值在29.8～93.6 mm，异常偏少(＜29.8 mm)有6 a，概率为10.0%；异常偏多(＞93.6 mm)有9 a，概率为15.0%；农作物成熟期降水量呈明显减少趋势，倾向率为-6.746 mm/10 a，1961—2020年线性减少40.5 mm。

表2 1961—2020年辽宁中部农作物生长季各月降水量的特征

2.1.2 农作物生长季降水量的变化特征 从表2 看出，辽宁中部农作物生长季节（4—9月，下同）降水量平均为551.2 mm，占年降水量的85.2%，1994年降水最多，2000年最少，降水极差为560.1 mm。农作物生长季正常降水量在423.2～679.2 mm之间，异常偏少(＜423.2 mm)有10 a，概率为16.7%。异常偏多(＞679.2 mm)有10 a，概率为16.7%。图1a所示，辽宁中部农作物生长季降水量呈弱减少趋势，倾向率为-6.746 mm/10 a(r＝-0.078，P＞0.05)，1961—2020 年降水量线性减少40.5 mm。图1b Mann-Kendall 检验结果，1961—2020 年辽宁中部农作物生长季降水序列变化趋势不存在突变现象。从年代时间划分结果看，20 世纪60、70、80 至90 年代为正距平(5.9、10.1、8.9、25.6 mm)，进入21 世纪的00 和10 年代为负距平(-20.7、-29.7 mm)，2001—2020年比1961—2000年降水量平均减少37.9 mm。

图1 1961—2020年辽宁中部农作物生长季降水量距平和M-K的年变化

2.2 农作物生长季的降水满足度

1961—2020年农作物降水满足度107.9%，标准差为±25.8%，1986 年降水满足度最高达到179.5%，2000年为最低仅有60.5%。1961—2020年降水满足度正常值在82.1%～133.7%之间；异常偏高(＞133.7%)有8 a，概率为13.3%；异常偏低(＜82.1%)有10 a，概率为16.7%。辽宁中部降水满足度I≥100%有35 a，概率为58.3%；I＜100%有25 a，概率为41.7%；I＜80%的有8 a，概率为13.3%。从图2可知，随着农作物生长季降水量的减少，降水对农作物的满足程度呈下降趋势。降水满足度倾向率为-2.424%/10 a (r=-0.164，P＞0.05)，1961—2020 年线性下降14.5 个百分点。经Mann-Kendall检验，1961—2020年辽宁中部农作物生长季降水满足度序列的原序列(UF)与反序列(UB)在±1.96 阈值内虽有交点，并无明显突变现象。但21 世纪的2001—2020年的20 a比20世纪的1961—2000年的40 a降水满足度平均下降11.2个百分点。

图2 1961—2020年辽宁中部农作物生长季降水满足度和M-K的年际变化

2.3 农作物生长季干湿指数的年际变化

从图3 看出，1961—2020 年农作物生长季干湿指数(K)呈下降趋势。干湿指数倾向率为-0.021/10a(r=-0.139，P＞0.05)，线性下降0.13。经Mann-Kendall 检验，干湿指数序列的原序列(UF)与反序列(UB)在±1.96 阈值内虽然相交于1979 年，并无明显突变现象。由表3 可知，1961—2020 年干湿指数平均值和标准差为1.06±0.27；1986 年最为湿润K=1.84；2014年最为干燥K=0.60；1961—2020年干湿指数正常值变化在0.79～1.31 之间，K≥1.31 的有8 a，概率为13.3%，K＜0.79 的有12 a，概率为20.0%。农作物生长季中旱+大旱(K＜0.5)概率为6.7%；播种苗期中旱+大旱概率为35.0%，约3 a 一次；农作物旺长期中旱+大旱概率为6.7%，约20 a 一次；成熟期中旱+大旱概率为25.0%，约4 a一次。

图3 1961—2020年辽宁中部农作物生长季干湿指数的年际变化及M-K突变检验

表3 辽宁中部1961—2020年农作物生长季各月时间尺度干旱频率%

2.4 农作物生长季的干旱风险度

辽宁中部农作物生长季最大干旱风险度平均值为46.4%，1961—2020 年呈明显上升趋势，倾向率为2.884%/10 a (r＝0.237，P＜0.05)，线性增加17.3%，2000 年之后平均增加11.0 个百分点。播种出苗期最大干旱风险度线性上升13.0个百分点；农作物旺长期线性下降7.1 个百分点；成熟期线性上升1.8 个百分点。表4 是1961—2020 年各月干旱风险程度变化情况。4—9月平均干旱风险程度为9.9%，呈显著上升趋势，倾向率为0.967%/10 a，线性增加5.9个百分点。4、6、8月干旱风险度呈下降趋势，线性下降21.0、6.4、12.2个百分点；5、7、9月干旱风险度呈上升趋势，线性上升7.4、0.3、1.8 个百分点。4、5 月干旱风险度在30.0%以上，为全年发生干旱最多的时期，其次是6、8、9 月在25.0%左右，7月干旱风险度为全年最低。

3 结论

1961—2020 年辽宁中部农作物生长季降水量呈减少趋势；农作物生长季降水量满足程度呈下降趋势；农作物生长季干旱湿润指数呈下降趋势；农作物生长季干旱风险度呈显著上升趋势，干旱化程度在加剧，最大干旱风险度增加17.3个百分点，2000—2020年干旱风险度平均增加11.0个百分点。

4 讨论

研究结果表明，1961—2020年辽宁中部农作物生长季降水量呈减少趋势，线性减少40.5 mm，2001—2020 年平均减少37.9 mm，4—6 月降水增加，7—9 月减少，降水减少趋势与吉曹翔等[19]和安昕等[20]的研究结果一致，与张富荣等[21]研究结果相悖，这是与节选资料年代和地域不同所致。辽宁中部4—6 月降水量虽有增加，对播种出苗期的干旱风险度有所缓解，但仍然是农作物生长季干旱最为严重的时期。农作物生长季降水量满足程度总体呈下降趋势，1961—2020年线性下降14.5 个百分点。干湿指数减小，干旱化明显，干旱风险度显著上升，最大干旱风险度上升17.3个百分点，平均干旱风险度上升5.9 个百分点。研究所采用的干湿指数、积分湿润指数（降水的农作物满足度）、干旱风险度方法是在刘振宏等[17]和齐来福等[22]研究基础上总结制定的干旱分级标准，并从方法上做了新的拓展。客观真实地反应了辽宁中部干旱的发生频率和强度。干旱分析结果与历史记载的干旱发生状况基本一致。

干旱风险度是对作物生长不同时段（月尺度）出现干旱以及干旱程度的考量，其方法还需进一步研究，使之更加准确地描绘干旱的变化特征。本研究结果为掌握辽宁中部降水变化状态，干旱变化特征，认知干旱的严重程度，规避干旱风险，为“三农”及粮食生产安全以及农业结构调整和防旱减灾提供参考。