辽宁省旱灾时空格局研究

王笑歌 ，刘和平 ，王秀颖 ，梁凤国 ，万金红 ，张玉龙

（1.沈阳农业大学 土地与环境学院，沈阳 110161；2.辽宁省水文局，沈阳 110003；3.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

自古以来，干旱灾害始终是危害我国农业生产和影响生态环境质量的一种主要自然灾害[1]。旱灾时空格局研究可为我国抗旱减灾规划提供重要的科学依据，历来受到政府和学术界的高度重视。从灾害系统的角度看，我国有关旱灾时空格局的研究可分为3个方面：旱灾孕灾环境的时空格局、旱灾发生时空格局、旱灾灾情时空格局[2]。过去对我国旱灾时空格局的研究，采用的信息源大多数为气象记录、历史干旱事件记录、以省为统计单元的灾情数据等[2]。近年来，逐渐有学者利用以县域为单元的旱灾信息，研究我国旱灾时空格局[2-5]，并取得了良好的效果。辽宁省属大陆性季风气候区，干旱是影响工农业生产及人民群众生活的主要灾害之一[6]，针对该区的旱灾时空变化，已取得了一批有意义的成果。孙凤华等[7]分析了沈阳、大连、丹东、营口、朝阳5个代表气象站1953～2001年的年降水量变化规律，并采用GM（1,1）模型进行旱灾预测。赵春雨等[8]基于辽宁省39个气象站点1961～2004年夏季降水资料的分析表明，辽宁省夏季降水量可分为中北部、辽河以西和东南部等3个地区，各地区多年夏季降水均为减少趋势，且东南部减少趋势明显大于其他两区。李广霞等[9]利用辽宁省53个气象站点1960～2009年降水量资料将辽宁省年降水分为4种空间模态，并分析了各模态的时间序列变化。刘和平等[10]则针对易旱的辽西北地区分析了其主要的降水空间模态及其时间变化特征。唐亚平等[11]利用1964～2008年全省51个气象站降水量资料，采用Z指数和区域旱涝HL指数分析了全省旱涝变化，并将全省分为辽西、辽北及辽西北、辽中及辽东、辽东南等四个旱涝等级区域。有关辽宁省干旱时空格局研究，目前多为基于气象站点降水量信息及其相应干旱指标的孕灾环境时空格局分析。近年对旱灾灾情时空格局的研究日益引起人们的关注[2]，然而对辽宁省尚没有全省历史旱灾时空格局研究。本课题组以多种历史旱灾记录为数据源，分析辽宁建国以来旱灾空间格局及其时间变化特征，以深入认识辽宁省旱灾特征，为干旱管理、抗旱减灾提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源

以《中国气象灾害大典·辽宁卷》[6]《辽宁省志·水利志》[12]《中国自然灾害报刊数据库》[13]《东北区水旱灾害》[14]《2006年辽西北地区特大伏旱》[15]《直面辽宁省2007年夏旱》[16]《抗御2009年干旱实录》[17]等资料中干旱事件记录为数据源，统计时段为1949～2009年。

1.2 方法

将上述各种历史资料相互比对、验证和补充，查阅辽宁省逐年旱情或灾情记录，获得研究数据。参考文献[18]的方法，建立辽宁省旱灾数据库。由于旱灾通常发生范围广，发生、发展持续时间长，尤其是大旱灾，故旱灾记录经常出现有覆盖全省区或几个县省区的现象，时间上尤其是旱灾开始时间往往不是确切的时间点。因此，基于本研究数据来源特点的考虑，本研究以县域为统计单元，时间上则以月为计算单位，统计逐年、逐月旱灾发生情况。若研究时段内行政区划变化，则均转换为2000年行政区划。具体的数字化方法是若某县、某年某月发生干旱，则记为1，否则记为0；数字化后的数据用于后续统计和分析。

按月统计之后，再汇总到季尺度，以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月至次年2月为冬季。某季至少有1个月发生了旱灾，就认为该季节发生旱灾。同样，将按月统计的结果汇总到年尺度，某年至少有1个月发生旱灾，则认为该年发生旱灾。同季或同年不同月份出现的旱灾不重复计算。

在上述资料整理的基础上，应用ArcGIS等软件分析年尺度和季节尺度的旱灾发生县数占当地总县数的比例时间变化，各地旱灾发生频率时空分布等特征。

2 结果与分析

2.1 辽宁省旱灾范围的时间格局

由图1可知，1949～2009年，辽宁省旱灾县数平均比例为49.3%，多数年份达到30%以上，最高可达100%。由图1可知大范围旱灾常连续出现，1957～1959 年、1971～1974 年、1978～1984 年、1987～1989 年、1999～2002年等年份出现连年旱灾。也正是由于上述大范围旱灾年的连续出现以及其间的小范围旱灾年，使得旱灾范围时间序列表现出周期性，小波分析表明，主要存在9～10年、18～20年周期成分。10年滑动平均曲线可以明显看出其周期特征。

图1 辽宁省1949～2009年年尺度旱灾发生县数比例Figure 1 Percentage of counties occurring drought disasters on annual scale,from 1949 to 2009,Liaoning Province

四季旱灾发生范围时间序列统计结果表明（图2），1949～2009年以来，夏季平均旱灾县数比例最大，为40.7%，其次为春季33.4%，秋季、冬季比例较低，分别为11.8%和12.0%。t检验表明，在＜0.001的显著水平上，春季、夏季旱灾县数比例均显著大于秋季、冬季旱灾县数比例，而春、夏季的差异未能通过0.05显著水平的t检验。

图2 辽宁省1949～2009年不同季节旱灾发生县数比例Figure 2 Percentage of counties occurring drought disasters in different seasons,from 1949-2009,Liaoning Province

根据历史资料统计的发生大范围秋季、冬季旱灾的年份较少，这可能并不能反映秋、冬季的实际旱灾状况。历史文献中关于旱灾的记录主要关注对农业生产影响较大的春旱、夏旱和秋吊，主要集中在3～9月份，而10月至次年2月的旱灾对农作物生长的直接影响不大，若非连续跨年的大旱，历史旱灾资料中对秋季、冬季旱灾并未作特别记载，这就使得依据历史资料统计的秋季、冬季旱灾频率较低。实际上，辽宁省降水量年内分配极不均匀，当年10月至次年2月降水量只占全年的8%～12%，播种关键期的3～5月降水量占全年13%～16%，6～9月集中全年70%～80%的降水量[19]，这说明秋季、冬季降水量很少，容易发生气象旱灾。

图2中春、夏旱灾县数比例在时间上具有相似的变化特征，均表现为周期性地出现大范围旱灾，进一步的小波分析表明，其周期尺度和相位与年尺度具有一致性，即春夏两季的旱灾波及比例与年尺度旱灾波及比例在时间上具有相似的变化特征。与春、夏相比，秋、冬季节大范围旱灾出现年份较少，无旱年份的比例增加。此外，比较图2中春季、夏季与秋季、冬季旱灾发生范围序列可以发现，秋季、冬季节大范围旱灾年份与春季、夏季连年旱灾时段大致对应，如 1981～1982 年、1988～1989 年，冬季 1972～1973 年、1980～1982 年、1988～1989 年、2000～2001 年秋季大范围旱灾与春季、夏季连年旱灾年份对应较好。即只有连续跨年旱灾时，历史资料才提及秋、冬旱情，而一般情况下不对其进行特别说明。

2.2 辽宁省旱灾频率的空间格局

由1949～2009年尺度旱灾发生频率空间分布图可以看出（图3），辽西的朝阳、阜新、锦州地区，辽东半岛旱灾频率最高，多数县（市）达到50%以上，即超过2年一遇，其中朝阳地区达到70.5%。丹东、铁岭大部、沈阳北部及本溪西部旱灾频率在40.1%～50.0%。抚顺、本溪东部、铁岭东部旱灾频率相对较低，在30.1%～40.0%。

由1949～2009年不同季节旱灾频率空间分布图可以看出（图4），61年来春季旱灾频率最高的地区为辽西北的朝阳、阜新、锦州等市，旱灾频率为50.1%～64.0%；其次为辽东半岛的大连地区，达到40.1%～50.0%；辽西葫芦岛地区，辽南的盖州市、海城市、岫岩县，以及铁岭的昌图县达到30.1%～40.0%；辽东山区和辽河下游冲积平原地区在30%以下。

夏季旱灾频率总体格局与春季类似，局部地区有所差异。与春季相比，锦州部分县市旱灾频率有所降低，葫芦岛兴城市有所升高；大连的瓦房店市、普兰店市和大连市辖区增加到50.1%以上，辽南的盖州市、海城市和岫岩县以及丹东地区也增加到40.1%～50.1%；其余地区也总体上有所上升，多数地区达到30.1%～40.0%。

虽然秋季、冬季旱灾频率整体较春、夏季低，但其中频率相对较高的地区分布仍然与春、夏季一致，主要集中在辽西北的朝阳、阜新等地区，达到20.1%～32.8%，锦州、葫芦岛地区及辽东丘陵区的大连、盖州市、海城市、岫岩县为10.1%～20.0%，其余广大地区均在10%以下。

2.3 辽宁省旱灾频率的年代变化特征

由图5可见，20世纪50年代与60年代年尺度旱灾频率空间格局类似，辽西北大部分县市旱灾频率较高，达到50%以上；葫芦岛地区由50年代的0～20%上到60年代的20%以上。辽宁省其他地区旱灾频率从50年代到60年代总体上表现出不同程度的降低；50年代大连地区所有县市旱灾频率均在50%以上，60年代起旱灾有所缓解，仅大连市辖区旱灾频率在50%以上，其余县市降低到20%～50%。

图3 辽宁省1949～2009年尺度旱灾发生频率空间分布Figure 3 Spatial distribution of drought frequencies with annual scale from 1949-2009,Liaoning Province

图4 辽宁省1949～2009年不同季节旱灾发生频率空间分布Figure 4 Spatial distribution of frequency of drought disasters in different seasons,from 1949-2009,Liaoning Province

20世纪70年代旱灾频率分布与50年代和60年代完全相反，旱灾频率最高的地区出现在包括大连、丹东、营口、鞍山、抚顺地区及本溪县的辽东半岛、辽东丘陵地区，达到50%以上，其中丹东地区、大连市辖区、普兰店市达到90%～100%。相比之下，辽西北地区旱灾频率降低到20%～50%，仅建平县和康平县达到60%和70%。

20世纪80年代和90年代，00年代旱灾频率空间格局又与50年代、60年代类似，旱灾多发生区主要在辽西北和辽东半岛，局部存在差异，具体特点为：（1）辽西北和辽东半岛地区旱灾频率从80年代到00年代基本为降低的趋势；这两个地区80年代旱灾频率最高，大部分地区达到80%～90%，辽西北地区90年代和00年代旱灾频率降至50%～80%，而大连地区、丹东地区、盖州市、海城市和岫岩县一直表现为降低趋势，90年代降至50%～80%，00年代继续下降至40%～50%。（2）辽宁中部和北部的沈阳、铁岭、抚顺、本溪、辽阳、盘锦地区旱灾频率80年代为20%～50%，90年代有所减小，为10%～50%，00年代又有所增加，升至30%～60%。

图5 辽宁省不同年代年尺度旱灾频率空间分布Figure 5 Spatial distribution of frequency of drought disasters on annual scale of different decades,Liaoning province

3 讨论与结论

根据灾害系统理论[20]，灾害是地球表层孕灾环境、致灾因子、承灾体综合作用的产物。根据区域气象灾害理论，干旱灾害是孕灾环境（自然环境和人文环境）、致灾因子（降水不足）、承灾体（农牧业、城市和生态环境等）和干旱灾害管理相互作用的产物[21]。辽宁省总体地貌格局为辽东山地丘陵、辽北康法丘陵及辽西低山丘陵三面环绕下辽河平原，山地丘陵大致分列于东西两侧，中部为广阔的辽河平原[22]。在这样的下垫面前提条件下，将图3与辽宁省1956～2000年平均年降水量图和径流深等值线图[22]进行叠加，分析旱灾频率与降水量的关系，可以看出，辽西北地区降水少，多年平均降水量在400～600mm，少于其他地区；年平均径流深75～100mm。因此辽西北的朝阳、阜新、锦州地区旱灾频率最高，其中朝阳地区达到70.5%。

辽东半岛虽降水量相对较多，为600～750mm，年均径流深200～300mm，但旱灾频率也很高，达到50%以上。这可以从该区地貌类型与承灾体方面探讨原因。其一，该区地貌为辽东半岛丘陵，地势比较陡峻；其二，该区土地利用类型多为旱地[23]，其水分条件受降水影响较大，再加上地势陡峻，水分难以保存，因而在本区的坡耕地上容易形成农业旱灾；其三，从人口密度和人均GDP分布图[23]上看，本区尤其是大连地区的GDP和人均GDP均是全省前列，由于承灾体的暴露性，造成本区易于发生社会经济干旱。

丹东、铁岭大部、沈阳北部及本溪西部旱灾频率在40.1%～50.0%。其中丹东、本溪地处山区，植被良好，年降水量多在750～1000mm，地表径流深250～650mm，是全省水资源最为丰富的地区[19]，然而，该地区旱灾频率仍较高，可能是这两个地区为市区，人均GDP相对较高，社会经济承灾体暴露性较高。铁岭西部及沈阳北部旱灾频率较高主要是降水量少、丘陵地形、旱地面积广大等因素综合作用造成的。抚顺、本溪东部、铁岭东部旱灾频率相对较低，在30.1%～40.0%，该地区多为山地，降水量丰富，植被良好，从孕灾环境和致灾因子来看，不易形成旱灾。沈阳南部、辽阳、盘锦、营口北部地处辽河下游冲积平原，一方面，该区土层深厚、地下水埋藏较浅[19]，水资源丰富，从下垫面条件来看，不易形成农业干旱灾害；另一方面，这一地区城市化水平较高，耕地面积少，农业人口少，城市人口多，城市供水保证率较高，抗旱减灾能力较强，故旱灾频率低。

本研究在系统整理辽宁省1949～2009年旱情资料的基础上，利用GIS技术分析全省不同季节旱灾频率空间格局及其时间变化，并与同期降水量距平相比较，探讨了旱灾频率与降水量之间关系，研究结果表明：1949～2009年，辽宁省年旱灾县数比例平均值为49.3%，其变化范围为30%～100%。不同季节旱灾发生比率平均值大小依次为夏季、春季、秋季和冬季，分别为40.7%、33.4%11.8%和12.0%。全年和春季、夏季旱灾县数时间序列相似，均表现为大范围连续旱灾和周期性特征，且周期尺度和相位一致。总体而言1949～2009年旱灾频率辽西北、辽东半岛地区多数县（市）达50%以上，为全省最高；丹东、铁岭大部及本溪西部、沈阳北部次之，为40%～50%；抚顺、本溪东部、铁岭东部再次之，为30%～40%；沈阳南部、辽阳、盘锦、营口北部最低，为26%～30%。20世纪50年代与60年代年尺度旱灾频率空间格局类似，除辽西北大部分县市基本保持不变，均在50%以上和葫芦岛地区由0～20%上升至20%以上之外，全省其他地区则总体上表现为下降趋势。70年代旱灾频率分布与50年代、60年代相反，辽东半岛、辽东丘陵地区上升至50%以上，而辽西北地区则降低至20%～50%。80年代、90年代和00年代旱灾频率空间格局又与50年代、60年代类似，辽西北和辽东半岛为旱灾多发区。辽宁省干旱灾害频率是地貌条件、径流深、年降水量、土地利用、人口密度、人均GDP、干旱灾害管理等多因素综合作用的结果，不同地区造成旱灾频率高低的主导因素不同。