辽宁西部农作物生长季干旱风险及降水满足度研究

刘振宏，李 娇，孙艳云*，林中冠，马 林，王若男，王 一

（1.辽宁省气象装备保障中心，辽宁 沈阳110166；2.沈阳市气象局，辽宁 沈阳110168；3.辽宁省气象服务中心，辽宁 沈阳110166）

极端气象问题引发的气象灾害引起全社会广泛关注，气候变暖[1-2]加剧了干旱、大风、冰雹、高温、低温冷害等极端天气概率[3-5]，并直接影响着农业生产和粮食生产安全。研究极端气象灾害，掌握发生灾害的变化规律，提高风险防控能力，减轻灾害对农业的威胁，才能确保粮食生产安全。近半个世纪以来受全球气候变化的影响，除西藏等极少数地区外降水量呈减少趋势[6-8]，致使干旱频率和强度增加，干旱、半干旱面积呈扩大趋势[9-11]。据王春乙[12]2007年统计研究，中国气象灾害受灾面积高达40%，损失粮食约120×109kg，平均每年因干旱受灾面积在2200×104km2以上。干旱是一直以来所面临的气象灾害，东北地区半干旱区域扩大趋势，在未来40 a极端干旱的频率、干旱强度将更为明显[13-14]。

辽宁西部位于东北地区的西南部，是东北地区干旱灾害最为严重的区域，该区域农业生产主要以种植业为主，对气候变化尤为敏感。根据尹洪涛[15]、戴海燕[16]研究辽宁西部地区降水量呈阶段性减少，降水量的农作物满足度逐渐下降，魏凤英[17]、张淑杰[18]从较大范围研究了东北地区的干旱，总体呈干旱化趋势、干旱频率明显增加，这也体现了辽宁西部地区降水量变化以及较大范围干旱的整体变化趋势和作物生长季的气候特征。就东北地区来说，干旱重灾区主要在辽宁西部，而目前在这一干旱重灾区，针对农业威胁最大的时间段——农作物生长季研究尚少。因此，本文选用干湿指数[19]作为干旱指标，便于监测和评估不同时间尺度干旱发生程度，继而分析1951—2017年辽宁西部农作物生长季及不同时间尺度干旱频率和变化趋势，根据张国林等人提出的干旱风险度[20]概念及计算方法，分析农作物降水满足度的变化特征，以及干湿指数与气候要素的关系，以期为该地区认知干旱变化特征以及干旱风险、大气降水的农业意义奠定基础，为农业结构调整和防旱减灾提供参考，为“三农”及粮食生产安全服务。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽宁西部为低山丘陵区，包括朝阳、阜新、锦州和葫芦岛等11个市县，地理位置为40°16′～42°51′N，118°50′～122°58′E，总面积为50 617 km2，约占辽宁省总面积的1/3，区域内包括辽河西岸平原、辽宁西南部沿海以及辽宁西部低山丘陵区。辽宁西部地区属于温带大陆性半干旱半湿润易旱季风气候，四季气候变化分明，雨热同季[21-22]。

1.2 数据来源

采用研究区域内11个气象台站1951—2017年完整连续气象要素观测资料为研究对象，各站近67 a逐日平均气温、降水量、日照时数、辐射、风速、蒸发皿蒸发量、空气相对湿度等气候资料。辽宁西部地区农作物生长季在5—9月，干旱灾害发生在农作物生长季时间段内并对农作物构成威胁，本文以月为单位划分时间尺度分析干旱程度。

1.3 研究方法

1.3.1 干旱指标的计算

干湿指数（K）[21-22]适用于农作物生长季节不同时间尺度的干旱监测和评估，计算公式为：

式中，K为干湿指数（无量纲），R为某一时期降水量，Q为同一时期农作物需水量，∑Ti为同期≥10℃积温，⊿为调整系数。⊿的取值根据农作物生长期需水规律而定。依据前人的研究成果[16，19-21]⊿取值分别为：5—6月⊿=0.13，7—8月⊿=0.16，9月⊿=0.12，农作物生长季⊿=0.15。干湿指数气象干旱划分等级[22]见表1。

表1 干湿指数（K）气象干旱等级划分标准

1.3.2 干旱频率[20]

干旱频率（P）i用%表示，表示干旱发生频繁程度，即干旱年数和参与计算样本数的比值，计算式为：

式中，Pi为干旱频率，n为干旱年数，N为资料年数。在计算中轻旱以上频率包含轻旱、中旱和重旱频数；中旱以上频率包含中旱和重旱频数；重旱频率代表重旱以上干旱发生的频数。

1.3.3 干旱风险度

为了更清晰地分析每一年农作物生长季所发生的干旱风险程度，引入干旱风险度概念[20]。计算式为：

式中Fj代表每一年干旱等级风险度（0.0%≤Fj≤100%），F1、2F2、3F3分别代表轻旱、中旱、重旱等级风险度，⊿=1、2、3为干旱风险等级系数，0≤Cj≤6干旱等级频次，j=1、2、3，m为时间尺度的个数m=6。

1.3.4 降水满足度

运用积分湿润指数评价大气降水对农作物生长季需水满足程度[19，23]，积分湿润指数适用于降水主要集中在季风气候区的北方地区，是农业生长期实际需水量（即耗水量）与大气降水量（水分供应）之间的函数关系，计算式为：

式中，Ii为积分湿润指数，即大气降水对农业生长季需水的满足程度，用%表示；Ki是干湿指数，ti为月（尺度）平均气温，∑Ti为≥10℃积温。

1.3.5 Mann—Kendall非参数检验方法

使用Mann—Kendall非参数检验方法[24]分析农作物不同时期干湿指数、干旱风险度、降水满足度的气候突变状况。给定显著水平为0.05，如果UF曲线与UB曲线出现交点，且交点在±1.96临界线之间，则交点对应的节点便为突变的时间。

2 结果与分析

2.1 农作物生长季干湿指数变化特征

2.1.1 农作物生长季（5—9月）

计算辽宁西部地区所有站点历年农作物生长季（5—9月）干湿指数（K值）的平均值，得到1951—2017年生长季干湿指数年际变化（图1）。近67 a辽宁西部地区农作物生长季干湿指数变化区间在0.43～1.21，平均为0.76，干旱程度为轻旱等级。由图1a可知，农作物生长季干湿指数呈减小趋势，线性倾向率为-0.034/10 a（P＜0.01），近67 a干湿指数线性减小0.23，即干旱程度线性增加了1.15个等级，说明辽宁西部地区近67 a为干旱加重趋势。图1b依据Mann—Kendall非参数检验方法，对1951—2017年辽宁西部地区农作物生长季干湿指数序列突变检验，原序列（UF）与反序列（UB）在0.05显著水平内相交1979/1980年和1995/1996年，但1995/1996年相交后，UF曲线持续走低。因此，1995/1996年为干湿指数由高到低突变点，突变后干湿指数降低了0.16，使干旱程度升高了0.8个等级，辽宁西部地区农作物生长季（5—9月）干旱化逐渐加剧。

图1 辽宁西部地区农作物生长季干湿指数年际变化（a）及M—K检验（b）

由表2可知，各个年代所发生的干旱频率各不同，其中干旱频率最高的是在21世纪前10 a和20世纪70年代，排在第三位的是20世纪60年代；21世纪前10 a与20世纪50年 代相比，干旱频率增加了50.0%。从各个年代看，20世纪50年代干旱频率最低；60、70年代干旱频率较高，但干旱程度以轻旱为主；80、90年代干旱频率相对较低，干旱程度以中旱为主；21世纪前10 a干旱频率和干旱强度都很高，以中旱等级为主；2011—2017年仅有7 a时间，但干旱频率达到70%，干旱强度接近历年平均值，以轻旱和中旱为主。20世纪70年代和21世纪前10 a干旱灾害对辽宁西部地区影响最重，分析结果与实际相符。

表2 辽宁西部地区各年代农作物生长季（5—9月）干旱发生频率/%

2.1.2 农作物生长季各月时间尺度

逐年计算辽宁西部地区农作物生长季各月干湿指数值（K），获得生长季干湿指数月际变化以及统计学特征（表3）。近67 a辽宁西部地区农作物生长季干湿指数在各月从湿润到干旱均有分布，5、6和9月干湿指数变化范围相对较小，极差分别为1.46、1.45、1.56，7、8月相对较大，分别为2.05、1.73，这与方差的分布特征类似，这说明在7—8月主汛期，虽然干湿指数的平均值较大，但年际波动幅度同样也大。各月干湿指数平均值以7月最大为1.21，6月（0.95）、8月（0.93）次之，5月（0.65）较小，9月最小为0.44。多年平均值表明：农作物苗期和成熟期干旱最为严重，农作物旺盛生长期与辽宁西部地区多雨季节重合，干旱程度低于其他时期。各月近67 a干湿指数年际变化均呈显著减小趋势，9月和8月减少最为明显，倾向率分别为-0.043/10 a、-0.042/10 a；7月（-0.038/10 a）、5月（-0.035/10 a）次之；6月减少趋势最弱，为-0.019/10 a，除5月和9月其他月份均未通过显著水平为0.05的显著性检验。5—9月干湿指数线性减少值分别为0.23、0.13、0.25、0.28、0.29，除6月外，均超过0.2，即向干旱方向进展超过一个等级。各月干湿指数均出现了由高到低的突变，突变年份出现在20世纪90年代以及21世纪初期。5、6月突变前后干湿指数降低了0.10，7、8、9月突变前后分别降低0.32、0.25、0.23，干旱程度升高了1.2～1.5个等级。

表3 辽宁西部地区农作物生长季各月干湿指数变化特征

表4给出辽宁西部地区农作物生长季不同干旱等级的发生频率。5、9月发生干旱频率最高，分别达到79.40%和87.10%，5、9月重度干旱较为突出，近67 a中分别出现26、30年次，概率达到38.8%、44.80%。辽西地区发生春季干旱和秋吊的频率较大。不同干旱程度对出苗率、出苗时间影响程度不同，灌浆成熟期干旱易造成籽粒不饱满，千粒重下降，直接影响作物产量和质量。6—8月为辽宁的多雨期，干旱影响相对减弱。6月干旱频率为46.30%，以轻旱（20.90%）和中旱（17.90%）为主。8月干旱频率为56.70%，轻旱、中旱、重旱近67 a分别出现13、14、11年 次。7月 干 旱 发 生 频 率 最 低，为32.80%，且以轻旱为主。

表4 辽宁西部地区农作物生长季各月干旱发生频率

2.2 农作物生长季干旱风险度年际变化

辽宁西部地区农作物生长季（5—9月）干旱风险度年际变化范围为5.6%～83.3%，平均值为41.2%。由图2a可知，辽宁西部地区干旱风险度呈显著（P＜0.05）上升趋势，倾向率为2.672%/10 a。从轻旱、中旱、重旱3个等级来看，轻旱风险度呈上升趋势，倾向率为2.567%/10 a；中旱风险度呈上升趋势，倾向率为2.115%/10 a；重旱风险度呈显著上升趋势（P＜0.05），倾向率为3.499%/10 a。图2b为Mann—Kendall非参数检验，给定0.05的显著水平，原序列（UF）与反序列（UB）曲线有多处相交，其中相交于1995—1996年干旱风险度由低到高突变，突变后干旱风险度平均升高了14.0%。

根据干旱风险度的公式[20]计算轻旱以上等级历年平均为3.7次/a，平均每年发生干旱的概率为61.7%/a；中旱以上等级为2.7次/a，概率为45.0%/a；重旱以上等级发生1.4次/a，概率为23.3%/a。证明十年九旱的辽宁西部是一个干旱连连发生的地区。分析结果与实际相符。

图2 辽宁西部地区农作物生长季干旱风险度年际变化（a）及M—K检验（b）

2.3 农作物生长季降水满足度年际变化

随着降水量的减少，农作物生长季（5—9月）降水量对农作物生长季需水的满足程度近67 a变化范围在52.6%～151.4%，平均值为91.7%，呈逐年下降趋势（图3a），倾向率为-2.892%/10 a（P＜0.05），近67 a线性下降19.4%。图3b为Mann—Kendall非参数检验，给定0.05的显著水平，因此，1998—1999年为降水量对农作物生长季需水满足度由高到低突变点，1998—1999年突变后使降水量农作物生长季需水满足度降低了17.7%。

2.4干湿指数与气候要素相关

从表5可以看出，近67 a来辽宁西部地区农作物生长季气象要素表现出不同的变化规律，气温气候倾向率呈显著增加趋势，每10 a约升高0.3℃。降水、日照时数、风速、蒸发量、太阳总辐射气候倾向率呈显著减少趋势，空气相对湿度也存在减小趋势。当气象要素发生变化时，关键气象要素将直接或者间接影响到该地区甚至更大范围干旱的变化。表5计算分析了辽宁西部地区农作物生长季干湿指数与同期气象要素的相关系数。干湿指数与气温、日照时数、辐射呈负相关，其中干湿指数与气温相关达到极显著水平（P＜0.01），随着气温、日照时间、蒸发量、辐射的升高（增加）干旱程度加重；干湿指数与降水、风速、空气相对湿度呈正相关，其中干湿指数与降水量、空气相对湿度相关达到极显著水平（P＜0.01），随着降水量的减少、空气相对湿度的减小干旱程度在加重。

图3 辽宁西部地区农作物生长季降水满足度年际变化（a）及M—K检验（b）

表5 辽宁西部农作物生长季气候要素倾向率及与干湿指数相关系数

由此可知，辽宁西部地区农作物生长季将会随着气温的升高，降水量、空气湿度的减少（小）呈干旱化趋势。以上分析表明，随着全球气候变暖，辽宁西部地区气温呈显著升高趋势，而降水、日照、风速、太阳总辐射则呈降低的趋势，在农作物生长季各个时期干湿指数的变化与气温、降水、空气相对湿度的变化极显著相关，即辽宁西部地区的干旱特征对这3个气象要素的变化最为敏感。

3 讨论

辽宁西部地区气温升高，升高的幅度略低于辽宁东部和南部地区，接近全国平均水平[4，6，25]；降水量减少的分析结果与尹洪涛研究一致[15]，降水量减少幅度低于辽宁东部地区[18]，农作物生长季对大气降水的需求尤为重要，在气温升高、降水减少的气候条件下，暖干旱化趋势明显[26]。本研究所采用的干湿指数、干旱风险度、降水农作物满足度以及干旱等级划分标准是通过前人[19-22]研究基础上总结制定的，并从方法上做了新的拓展。真实客观地反映了辽宁西部地区干旱的发生频率和强度，农作物生长季干旱状况的分析结果与历史记载干旱发生状况基本相符。研究结果可为辽宁西部地区指导农业生产提供干旱在时间分配上的依据，也为抗旱防灾，完善农业生产科学管理决策支撑，选择抗旱品系，调整农业生产结构和管理模式提供参考。本文对作物生长季的干旱仅以月尺度、年尺度进行描述，未来有待于将其以日尺度进行细化，且本研究未对辽宁西部地区生长季干旱进行空间和成因分析，将在以后的工作中进一步加强。

4 结论

（1）辽宁西部地区1951—2017年农作物生长季干湿指数呈极显著递减趋势，即干旱程度呈逐年波动性加重，中旱、重旱频率明显增加，2000—2017年干旱频率为94.4%，其中，中旱等级以上旱灾频率为72.2%。生长季干湿指数年际变化在1995—1996年发生由高到低的气候突变，突变后干旱频率及强度加剧。

（2）辽宁西部地区在农作物生长季（5—9月）的各月干湿指数呈减小趋势，即各月时间尺度干旱程度都在逐渐加重，其中5月苗期和9月成熟期发生干旱频率较其它各月更高，分别为79.4%和87.1%，且重度干旱较为突出。6—8月为辽宁的多雨期，干旱影响相对减弱，干旱发生频率分别为46.3%、32.8%和56.7%。

（3）辽宁西部地区农作物生长季（5—9月）干旱风险度呈显著上升趋势，并在1995—1996年干旱风险度由低到高突变，突变后干旱风险度升高了14.0%。

（4）农作物生长季（5—9月）降水量对农作物需水的满足程度呈下降趋势，并在1998—1999年农作物需水满足度由高到低突变，突变后农作物生长季降水量满足度下降了17.7%。

（5）从农作物生长季干湿指数与气象要素相关分析看，干湿指数与降水、风速、空气相对湿度呈正相关，与气温、日照时数、蒸发量、辐射呈负相关。干湿指数与气温、降水、空气相对湿度的变化呈极显著，即辽宁西部地区的干旱特征对这3个气象要素的变化最为敏感。