辽宁中西部气候干旱周期及降水满足程度研究

2017-12-25高淑新陈鹏心侯婉婷

湖北农业科学 2017年22期

高淑新+陈鹏心+侯婉婷

摘要：采用沈阳、锦州、阜新、葫芦岛、朝阳、赤峰等市18个气象站1960-2015年气候资料，运用气候倾向率、干湿指数和积分湿润指数等气候诊断分析方法，研究4～9月气候干旱变化及降水的农业满足度。结果表明，辽宁中西部地区农作物生长季干湿指数逐年减小，气候干旱化明显。中南部平原沿海区近20年（1996-2015年）气候干旱化程度增加12.5%，西北部低山丘陵区气候干旱化程度增加11.7%。辽宁中西部地区中、重度干旱年存在9～11年的准周期。降水的农业满足程度整体下降，线性下降14.3%；近20年降水的农业满足程度平均下降13.4%，干旱气候年增加7.3%～9.1%。辽宁中西部地区降水减少导致农业需水满足度下降，干旱频率增加，对大田农业生产已构成威胁。因此，应加强水资源管理和应用，提高水资源利用率和保护，适应气候变化调整农业生产结构，以防御干旱灾害所带来的损失。

关键词：干旱；降水；湿润指数；农业满足度；辽宁

中图分类号：S423 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）22-4289-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.020

Abstract： Adopting the 1960-2015 climatic data from 18 meteorological bureaus of Shenyang， Jinzhou， Fuxin， Hulu Island， Chaoyang， Chifeng cities and the climate diagnostic analysis with the indexes of climate tendency rate， aridity index and integral humidity index， both climate change and precipitation of agricultural satisfaction from April to September were researched. The results showed that the aridity index of crop growing season in central and western in Liaoning province had decreased year by year and the climate turn to be drought obviously. The climate drought degree of central and southern coastal plain（1996-2015） had increased 12.5% in recent 20a. The climate drought degree of hilly region of northwest area had increased 11.7%. In the midwest area of Liaoning the moderate and severe drought years had quasi-period last for 9～11a. The general agricultural satisfaction had overall decline and linear descent for 14.3%. In recent 20a， the agricultural satisfaction of precipitation had average decline for 13.4% which increased 7.3%～9.1% arid climate year. The precipitation decrease of midwest area of Liaoning leads to the agricultural water demand satisfaction declined and increased the drought frequency， which had been a threat to agricultural production. Therefore， the water resource management and application， water resource availability and protection needed to enhance， which could adjust the agricultural structure due to the climate change and prevent the drought loss.

Key words： drought； precipitation； humidex； agricultural satisfaction； Liaoning

近年来受全球气候变暖[1，2]的影响，全国各地光照、气温、降水呈现较大的变化[3-5]，辽宁中西部地区气温呈升高、降水和光照呈减少趋势[6-8]，暖干旱化日趋严重[9，10]。辽宁中西部地区气象灾害是造成粮食产量低而不稳的主要原因，因少雨而造成作物干旱的影响范围最广，损失也最大。气候导致水资源变化给农业带来一系列影响，引起越来越多的关注[11-13]。IPCC 2007年评估报告指出，未来干旱区域可能增加，加剧农业旱灾可导致农田退化，造成作物受损和减产[2]。1950年以來，根据李茂松等[14]研究，北方农业区干旱范围扩大趋势明显，中国每年农田旱灾面积约占全国播种总面积的14.9%，其中成灾面积约占全国播种面积的6.3%[15，16]。根据1983-2009年的《中国统计年鉴》，1999-2001年连续3年干旱灾害影响到十几个省，与1959-1961年连续3年干旱相比，3年平均成灾面积增加30%左右，是建国以来干旱最严重的一次。以辽宁地区来看，20世纪60年代以来，降水出现减少趋势。根据沈阳市、大连市、丹东市、辽阳市、葫芦岛市、朝阳市等地区1960-2015年的年降水量年际变化分析，气候倾向率介于-11.0～ -15.0 mm/10年之间，各地年代际平均降水量减少40～90 mm。全省干旱普遍，且逐年扩大[15，17]。干旱受灾面积由20世纪50年代的1.1%（占全省耕地总面积）到80年代的28%，再到21世纪00年代干旱受灾面积20%～40%，旱灾周期缩短频率增加，危害加重的趋势十分明显[9]。endprint

降水资源是水资源的重要组成部分，也是农业生产的重要支撑和保证。气候变化对水循环的改变，导致降水减少、时空分布不均，对农业水资源的有效供应产生重要影响，进而加剧了有效利用水资源的不确定性和脆弱性。气候变化对不同地区、不同时间尺度的水资源和农业利用的影响存在很大的差异性。因此，进一步揭示气候变化对中国各地区大气降水资源影响的特征、不同空间尺度的水资源和水分平衡影响规律，以及对不同地区不同土壤类型和典型农作物的田间水分供需平衡关系等，将成为中国农业应对气候变化、水资源减少亟需解决的重要问题。

辽宁中西部属于西南部沿海及中部平原向辽宁西部丘陵延伸地带，针对这一区域降水的农业满足程度还未深入阐述和研究，因此，采用沈阳市、阜新市、锦州市、葫芦岛市、朝阳市、赤峰市等18个气候监测站资料，研究该区域降水的农业满足程度和气象干旱变化，可为这一地区干旱灾害防御、有计划地利用水资源、提高水资源利用率、适时农作物灌溉提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽宁中西部包括沈阳市、阜新市、锦州市、葫芦岛市和朝阳市地区，占辽宁省总面积的1/2，其南部临海，北部与内蒙古接壤，西部与河北省为邻。该区域地势从东到西是由平原逐渐进入丘陵山区，从南到北是由沿海向内陆进深。依据表1年平均气温、年降水量地域分布状况，将辽宁中西部地区划分为两个差异明显的气候区[18]。该区域农作物生长季节在4～9月。

1.2 资料来源

本研究集辽宁省沈阳市、阜新市、锦州市、葫芦岛市、朝阳市及内蒙古自治区赤峰市等18个气象监测站1960-2015年近56年气温、降水资料，依据逐日平均气温、逐日降水量气候资料，统计4～9月农业生产期各月平均气温高于0 ℃积温和月降水量，作为本研究阐述的依据。

1.3 分析方法

采用倾向率方法、标准偏差方法对降水、湿润指数、积分湿润指数进行气候特征变化分析，运用累积距平[19，20]方法对旱灾年进行周期分析。

1.3.1 干湿指数干湿指数[21]用同一时间尺度同一地点的降水与农业需水之比来表示，公式为：

K=R/W （1）

式中，K为干湿指数，R为降水量，W=0.16∑ti代表农业需水（耗水）量，∑ti为>0 ℃积温。表2为干湿指数的旱涝分级标准[18]。

1.3.2 积分湿润指数通过积分湿润指数（I）来体现降水的农业满足度。积分湿润指数是亓来福等[22]评价中国农业干旱状况所运用的指标，适用于降水集中的北方地区气候评价。它是基于热量分布规律研究农业生产期间需水（耗水）量变化的简便方法，定义为积分湿润指数。表达式为：

I=100∑（KiTi）/∑Ti （2）

式中，I为积分湿润指数，用百分数表示，代表降水对农业生产期（4～9月）需水的满足程度；K是湿润指数；T为月平均气温；i=4、5、6、7、8、9月。

2 结果与分析

2.1 作物生长季节旱涝时空变化

2.1.1 旱涝气候类型分布由表3可知，辽宁中西部地区各地农作物生长季（4～9月）累年平均干湿指数（K）在0.70～1.01，呈现由中部平原向西部丘陵逐步递减，从沿海向内陆逐步递减的区域变化过程。依据表2湿润指数划分标准，在农作物生长季，中南部平原沿海区属于正常气候类型，西北部低山丘陵区属于轻干旱气候类型。

从各地农作物生长季各月干湿指数时间分布来看，中南部平原沿海区4、6、9月属于轻干旱气候类型，5月属于中干旱气候类型，7、8月属于中湿润气候类型。西北部低山丘陵区4、5月属于重干旱气候类型，6、8月为轻干旱气候类型，7月属于正常气候类型，9月属于中干旱气候类型。

2.1.2 气候干湿指数年际变化辽宁中西部地区气候干湿指数呈减小趋势，气候湿润程度逐渐趋向干旱化。其中，图1a显示中南部平原沿海区气候倾向率为-0.023 mm/10年，1960-2015年气候干湿程度线性下降0.129，气候湿润程度由原来的正常转变为轻干旱类型。图1b显示西北部低山丘陵区气候倾向率为-0.015 mm/10年，1960-2015年气候湿润程度线性下降0.084，气候湿润程度由原来的轻干旱转变为中干旱类型。

依据标准偏差分析，中南部平原沿海区K历年正常范围在0.70～1.20，在1960-2015年气候干湿指数异常偏大（K>1.20）出现12年，几率为21.4%；异常偏小（K<0.70）出现11年，几率为19.6%。序列1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均K为0.96，后20年（1996-2015年）平均K为0.84，同比K减小0.12，气候干旱化程度增加了12.5%。

西北部低山丘陵区K正常范围在0.55～0.90，在1960-2015年气候湿润指数异常偏大（K>0.90）出现7年，几率为12.5%；异常偏小（K<0.55）出现9年，几率为16.1%。序列1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均K为0.76，后20年（1996-2015年）平均K为0.67，同比K减小0.09，气候干旱化程度增加11.8%。

2.1.3 各月气候干湿指数年际变化中南部平原沿海区4月干湿指数为0.67，气候湿润程度属于轻干旱，K年际变化呈下降趋势，气候倾向率为-0.009 mm/10年，K线性减少0.05，气候湿润程度向干旱推进7.5%。5月干湿指数为0.60，气候湿润程度属于轻干旱，K年际变化呈上升趋势，气候傾向率为0.020 mm/10年，K线性增加0.11，气候湿润程度向湿润推进18.3%。6月干湿指数为0.96，气候湿润程度属于正常，K年际变化呈上升趋势，气候倾向率为0.028 mm/10年，K线性增加0.16，气候湿润程度向湿润推进16.7%，湿润程度由正常上升为湿润。7月干湿指数为1.39，气候湿润程度属于中湿润，K年际变化呈下降趋势，气候倾向率为-0.102 mm/10年，K线性减少0.57，气候湿润程度向干旱推进41.0%，湿润程度由中湿润下降为轻干旱。8月干湿指数为1.14，气候湿润程度属于湿润，K年际变化呈下降趋势，气候倾向率为-0.031 mm/10年，K线性减少0.17，气候湿润程度向干旱推进14.9%，湿润程度由湿润下降为正常。9月干湿指数为0.64，气候湿润程度属于中干旱，K年际变化呈下降趋势，气候倾向率为-0.035 mm/10年，K线性减少0.20，气候湿润程度向干旱推进31.3%，湿润程度由中干旱下降为重干旱。endprint

西北部低山丘陵区4月干湿指数为0.48，气候湿润程度属于重干旱，K年际变化呈上升趋势，气候倾向率为0.029 mm/10年，K线性增加0.16，气候湿润程度向湿润推进33.3%，并由重干旱进入中干旱层面。5月干湿指数为0.50，气候湿润程度属于中旱，K年际变化呈上升趋势，气候倾向率为0.020 mm/10年，K线性增加0.11，气候湿润程度向湿润推进22.0%。6月干湿指数为0.85，气候湿润程度属于轻干旱，K年际变化呈上升趋势，气候倾向率为0.040 mm/10年，K线性增加0.22，气候湿润程度向湿润推进25.9%，湿润程度由轻干旱上升为正常。7月干湿指数为1.19，气候湿润程度属于湿润，K年际变化呈下降趋势，气候倾向率为-0.097 mm/10年，K线性减少0.54，气候湿润程度向干旱推进45.4%，湿润程度由湿润下降为中干旱。8月干湿指数为0.89，气候湿润程度属于轻干旱，K年际变化呈下降趋势，气候倾向率为-0.058 mm/10年，K线性减少0.32，气候湿润程度向干旱推进36.0%，湿润程度由轻干旱下降为中干旱。9月干湿指数为0.53，气候湿润程度属于中干旱，K年际变化呈下降趋势，气候倾向率为-0.025 mm/10年，K线性减少0.14，气候湿润程度向干旱推进26.4%，湿润程度由中干旱下降为重干旱。

2.2 旱涝概率与周期分析

2.2.1 农作物生长季旱涝出现概率由表4可知，中南部平原沿海区农作物生长季中湿润以上（K≥1.30）气候年出现概率为8.5%，中干旱以下（K<0.70）气候年景出现概率为22.4%；1960-2015年的前20年中干旱气候概率为1.8%，近20年中干旱气候概率为9.1%，干旱气候年增加7.3%。西北部低山丘陵区域中湿润气候年概率为0.8%（K≥1.30），中干旱气候年概率高达47.8%（K<0.70）；1960-2015年的前20年中干旱气候年概率为14.5%，近20年中干旱气候年概率为23.6%，干旱气候年增加9.1%。辽宁中西部各地各月干旱气候出现概率存在明显的不同，遵循从沿海向内陆、平原向西部丘陵逐渐增加的规律，湿润气候则相反。

中南部平原沿海区4月重湿润气候年概率为8.2%，重干旱气候年概率为41.1%。5月重湿润气候年概率为4.0%，重干旱气候年概率为51.3%。6月重湿润气候年概率为15.4%，重干旱气候年概率为22.4%。7月重湿润气候年概率为38.7%，重干旱气候年概率为10.5%。8月重湿润气候年概率为24.6%，重干旱气候年概率为15.5%。9月重湿润气候年概率为6.2%，重干旱气候年概率为44.0%。

西北部低山丘陵区4月重湿润（K≥1.5）气候年概率为2.0%，重干旱（K<0.5）气候年概率为64.6%。5月重湿润气候年概率为0.4%，重干旱气候年概率为58.1%。6月重湿润气候年概率为8.8%，重干旱气候年概率为24.5%。7月重湿润气候年概率为25.7%，重干旱气候年概率为9.5%。8月重湿润氣候年概率为12.9%，重干旱气候年概率为24.3%。9月重湿润气候年概率为2.2%，重干旱气候年概率为53.5%。

2.2.2 干旱气候年周期分析根据累计距平趋势变化研究，辽宁中西部地区干旱气候年存在9～11年的准周期。平原及沿海区域中干旱气候年的准周期如1961-1972-1981-1989-1999-2009年；1982-1992年，1993-2003-2013、2014年。西部丘陵区域中干旱气候年的准周期如1960、1961-1972-1980、1981、1982-1992-2000、2001-2009、2011年。

2.3 农作物生长季降水的农业满足度

2.3.1 降水的农业满足度年际变化农作物生长季降水的农业满足度用积分湿润指数（I）来表示。如图2所示，1960-2015年农作物生长季积分湿润指数年际变化呈下降趋势，说明辽宁中西部地区降水的农业满足度在逐渐降低。其中，图2a显示中南部平原沿海区积分湿润指数气候倾向率为-2.895 mm/10年，近56年降水的农业满足度线性下降16.2%；1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均I为101.0%，后20年（1996-2015年）平均I为87.3%，同比降水的农业满足度下降了13.7%。图2b显示西北部低山丘陵区积分湿润指数气候倾向率为-2.421 mm/10年，近56年降水的农业满足度线性降低13.9%。1960-2015年的前20年（1960-1979年）平均I为85.0%，后20年（1996-2015年）平均I为72.0%，同比降水的农业满足度下降13.0%。

2.3.2 降水的农业满足度等级概率依据农业生产实践，农作物需水供应量在70%以下，则出现中干旱，甚至严重干旱；需水供应量在70%～90%则出现中干旱或者轻干旱；需水供应量在90%以上农作物才可能正常生长。由表5可知，中南部平原沿海区降水的农业满足度平均为95.2%，在56年间有20.3%的年份降水严重不足（I<70%），不能满足农作物正常生长。西北部低山丘陵区降水的农业满足度平均为77.4%，在56年间有43.2%的年份降水严重不足而干旱，影响农作物正常生长。

3 小结与讨论

1）辽宁中南部平原沿海区农作物生长季气候干湿程度属于正常，西北部低山丘陵区属于轻干旱气候类型。气候干湿指数呈减少趋势，气候干旱化明显，1996-2015年与1960-1979年相比干湿指数减小11.7%～12.5%。

2）辽宁中西部地区农作物生长季中干旱以上气候年存在9～11年的准周期性。

3）辽宁中南部平原沿海区农作物生长季积分湿润指数，即降水的农业满足度平均达到95.2%，具有较高的气候湿润水准；西北部低山丘陵区仅为77.4%，因此受干旱气候的威胁较为严重。受降水减少气温升高[7-10]的影响，辽宁中西部地区农作物生长季降水的农业满足度线性下降13.9%～16.2%。1996-2015年与1960-1979年相比降水的农业满足度平均下降13.0%～13.7%，干旱气候年增加7.3%～9.1%。endprint

参考文献：

[1] 秦大河，罗勇，陈振林，等.气候变化科学的最新进展-IPCC第四次评估综合报告解析[J].气候变化研究进展，2007，3（6）：311-314.

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

[3] 屈振江.陕西农作物生育期热量资源对气候变化的响应研究[J].干旱区资源与环境，2010，24（1）：75-79.

[4] 卢路，刘家宏，秦大庸.海河流域1469-2008年旱涝变化趋势及演变特征分析[J].水电能源科学，2011，29（9）：8-11.

[5] 贺俊杰，黄凤茹.锡林浩特市日照时数的气候变化特征分析[J].中国农业气象，2012，33（3）：333-339.

[6] 宗英飞，张国林，谢华光.辽西霜期光照资源变化对设施农业的影响[J].江苏农业科学，2013，41（9）：355-357.

[7] 梁群，张国林.近50年朝阳地区气温与降水趋势变化对农业生产的影响[J].安徽农业科学，2009，37（28）：13694-13696.

[8] 刁军，董晓明，姜晓燕，等.气候变化对沈阳地区大田作物的影响[J].中国农学通报，2012，28（23）：266-270.

[9] 安昕，张国林.辽宁西部半干旱区近50年降水趋势及周期变化[J].中国农学通报，2012，28（5）：214-220.

[10] 唐亚平，张凯，李忠娴，等.1964-2008年辽宁省旱涝时空分布特征及演变趋勢[J].气象与环境学报，2011，27（2）：50-55.

[11] 周丽，谢贤健，王芳，等.1971-2009年内江地区的旱涝特征分析[J].贵州农业科学，2012，40（8）：110-113.