我国近60年来干旱发生频率以及变化趋势研究

　　0 引言

　　辽宁西部是辽宁省干旱重灾区[1].由于气候变暖[2]辽西地区降水量减少趋势明显[3-4],加重了旱灾对农业的影响[5].近年来,诸多学者对不同地理环境、不同流域在较大区域上做了多尺度降水特征分析、旱灾评价等研究[6-9].但在较小区域气候变化上的研究还不够深入和全面,而有针对性的研究小区域气候变化则对农业可持续性发展、人们生活及其灾害防御都具有重要的作用[10].辽西地区属于丘陵山地,怒鲁尔虎山脉横穿境内,地形复杂,为半湿润半干旱气候区,农业主要以粮食作物为主,玉米播种面积约占75%.自20世纪80 年代以来,干旱、冰雹、霜冻等灾害交替出现,对农业生产造成严重影响.本研究采用叶柏寿、朝阳气候监测站气象资料,运用积分湿润指数、干湿指数、水平衡、干旱风险度等方法,分析干旱发生频率以及变化趋势,以期了解农业生产期水资源的盈亏变化过程,掌握农业干旱风险等,为农业合理利用水资源增产丰收提供依据.

　　1 材料与方法

　　1.1 资料来源

　　资料取自叶柏寿、朝阳气候监测站,1953-2012年近60年各月平均气温、降水量及4-9月日平均气温资料,并根据研究要求分别统计:农业生长季(4-9月)>0℃积温、降水量、月平均气温等.辽西地区农业生产期在4-9月,历时6个月.

　　1.2 分析方法

　　资料统计分析采用线性趋势、标准偏差、积分湿润指数、干湿指数、干旱风险度等方法.运算过程在Excel 程序支持下进行.针对线性趋势、标准偏差等介绍的文献比较多[11-12],本研究不做赘述.

　　1.2.1 水分平衡 水分平衡计算,见公式(1)[14-15].

　　D=R-Q ………………………………………… (1)

　　式中:D为水分平衡,R为降水量,Q为耗水量.当D>0 时降水资源盈余,当 D<0 时降水资源亏缺,当D=0 时降水资源与农业耗水持平.

　　1.2.2 干湿指数

　　干湿指数是用同一时期的降水与同期的耗水之比来表示,表达式见式(2)、(3).

　　式中:K为干湿指数,R为同期降水量,Q为同期耗水量,∑ti为同期>0℃积温.辽宁西部地区依据干旱指数将K值分为8个旱涝等级[13],见表1.

　　1.2.3 积分湿度指数[14-15]

　　适用于降水主要集中在季风气候区的北方地区,是农业生产期实际需水量(即耗水量)与大气降水量(水分供应)之间的函数关系,表达式见式(4).

　　式中,I是年内个月平均温度>0℃的积分湿润指标,即大气降水对农业生产期需水的满足程度,用百分数表示;K是干湿指数,T为月平均气温.

　　1.2.4 干旱发生风险 干旱强度与干旱频率是衡量农业干旱风险的指标要素.为了更清晰分析农业生产期和各月等阶段发生的风险程度,引入干旱风险度概念.

　　计算见公式(5)、(6).

　　式中:F代表干旱风险度,以%表示;Ci代表农业生产期各月和4-9月的不同时段所发生干旱程度;A代表干旱等级,Amax=8;n=7.

　　2 结果与分析

　　2.1 农业生产期降水资源分析

　　2.1.1 农业生产期降水与耗水 辽西地区 1953-2012年农业生产期(4-9月,下同)降水量平均为433 mm,占 年 总 量 的 91.4% . 其 中 ,1962 年 降 水 最 多 为674 mm,1981 年最少为 232 mm,极差为 442 mm.农业生产期降水量标准偏差为±103 mm,正常值在330~506 mm 之间;在 60 年中异常偏多出现 10 年,几率为16.7%;异常偏少出现 12 年,几率为 20.0%.由图 1 可知,1953-2012年降水量呈下降减少趋势,气候倾向率为-9.434 mm/10 a,序列相关系数为-0.1587(P>0.05),线性趋势不显着,但近 10 年(2003-2012 年)平均降水量为395 mm,而序列前10年(1953-1962年)平均降水量为463 mm,平均减少68 mm.

　　近60年农业生产期耗水量平均为569 mm,变化在 522~622 mm 之间,幅度为 100 mm.由图 1 可知,1953-2012 年耗水量变化呈上升趋势,气候倾向率为6.966 mm/10 a,序列相关系数为 0.5308(P<0.01)达到极显着水平,每 10 年增加耗水量约 7 mm.近 10 年(2003-2012年)平均耗水量为586 mm,而序列前10年(1953-1962年)平均耗水量为556 mm,平均增加30 mm.

　　辽西地区农业生产期降水与耗水相比,近60年平均亏缺136 mm,占应耗水量的23.9%.在1953-2012年中,只有1953、1962、1964、1969、1990、1994年这6年降水量满足农业耗水,概率为10.0%,而缺水概率为90.0%.亏缺 1~100 mm 的有 17 年,概率为 28.3%;亏缺 101~200 mm 的有 18 年,概率为 30.0%;亏缺 201~300 mm 的有 15 年,概率为 25.0%;亏缺 300 mm 以上的有 4 年,概率为 6.7%.由水平衡(D 值)线性方程 y=-1.6399x+3115.5(r=-0.2506, P<0.05)得出,水平衡气候倾向率为-16.399 mm/10 a,说明辽西地区缺水年景和程度在增加.

　　2.1.2 农业生产期降水资源满意度 图 2 显示了 1953-2012 年逐年积分湿润指数(I)变化过程,在 60 年里积分湿润指数平均值为76.3%,即辽西地区农业生产期降水农业满足度不足8成,其中,1962年和1969年降水农业满足度最高为120.9%,1981年降水农业满足度最低仅为38.6%.在近60年中,积分湿润指数I<50%有4 年,占 6.7%;50%≤I<60%有 9 年,占 15.0%;60%≤I<70% 有 10 年,占 16.7% ;70%≤I<80% 有 12 年,占20.0%;80%≤I<90%有 13 年,占 21.7%;90%≤I<100%有6年,占10.0%;I≥100%有 6 年,占 10.0%.降水量达到80%以上农业满足程度的有25年,几率为41.7%.

　　降水农业满足度在1953-2012年时间内,呈下降趋势,变化速率为-2.585/10a,序列相关系数为-0.2322(P<0.10),在农业生产期降水满足度每 10 年平均下降2.6 %.近 10 年(2003-2012 年)降水满足度为 67.8%,而序列前10年(1953-1962年)降水满足度为83.6%,下降了15.8%.

　　2.2 农业生产期旱涝分析

　　2.2.1 农业生产期年景旱涝分析 辽西地区农业生产期(4-9月)干湿指数历年平均为0.77,依据表1(K值)的判别标准,辽西地区农业生产期总体属于半湿半干气候类型.在近 60 年里,湿润年景有 13 年,几率为21.6%;半湿润年景有 13 年,几率为 21.6%;半湿半干年景有11年,几率为18.3%;半干旱年景有10年,几率为16.7%;干旱年景有9年,几率为15.0%;重旱年景有3 年,几率为 5.0%,极旱有 1 年,几率为 1.7%.由图 3可知,辽西地区干旱程度存在逐渐加重的趋势,气候变化 率 为 - 0.026/10 a,序 列 相 关 系 数 为 - 0.2324(P<0.10).近 10 年(2003-2012 年)K 值平均为 0.68,序列前10年(1953-1962年)K值平均为0.84,相比之下从半湿润滑落到半干旱气候类型.由此得见,辽西地区农业生产期干旱程度在加重.

　　2.2.2 各月旱涝分析 辽西地区农业生产期主要在 4-9 月间,历时 6 个月.各个月份降水、气温分布的不同,所反映出的旱涝程度也不同(见表2).

    4 月份干湿指数平均为 0.41,属于重旱气候类型.在近60年中,湿润至半湿半干年景仅有6年,几率为10.0%;半干旱、干旱年景有 14 年,几率为 23.3%;重旱至极旱年景有40年,几率为66.7%.4月K值历年变化呈上升趋势,气候倾向率为0.005/10 a.4月份降水量平均为21.2 mm,而耗水量为52.8 mm,平均缺水量约为31.6 mm.近10年(2003-2012年)K值为0.45,前10 年(1953-1962 年)K 值为 0.41,说明 4 月份湿润程度有提升趋势.
 

    5 月份干湿指数平均为 0.45,属于重旱气候类型.在近60年中,湿润至半湿半干年景仅有7年,几率为11.7%;半干旱、干旱年景有 13 年,几率为 21.7%;重旱至极旱年景有40年,几率为66.6%.5月K值历年变化呈上升趋势,气候倾向率为0.013/10 a.5月份降水量平均为39.6 mm,而耗水量为90.1 mm,平均缺水量约为51.5 mm.近10年(2003-2012年)K值为0.49,前10 年(1953-1962 年)K 值为 0.43,说明 5 月份湿润程度也有提升趋势.

　　6 月份干湿指数平均为 0.85,属于半湿润气候类型.在近60年中,湿润至半湿半干年景有34年,几率为56.7%;半干旱、干旱年景有9年,几率为15.0%;重旱至极旱年景有17年,几率为28.3%.6月K值历年变化呈上升趋势,气候倾向率为0.005/10 a.6月份降水量平均为88.8 mm,而耗水量为106.7 mm,平均缺水量约为17.9 mm.近10年(2003-2012年)K值为0.93,前10年(1953-1962年)K值为0.84,说明6月的湿润程度也有所提升.7 月份干湿指数平均为 1.17,属于湿润气候类型.在近60年中,湿润至半湿半干年景有 46年,几率为76.6%;半干旱、干旱年景有 10 年,几率为 16.7%;重旱至极旱年景有4年,几率为6.7%.

    7月K值历年变化呈下降趋势,气候倾向率为-0.006/10 a.7月份降水量平均为141.0 mm,而耗水量为121.3 mm,平均盈余约为19.7 mm.近 10 年(2003-2012 年)K 值为 0.95,前 10年(1953-1962年)K值为1.41,说明7月的湿润程度有所下降.8 月份干湿指数平均为 0.88,属于湿润气候类型.在近 60 年中湿润至半湿半干年景有 37 年,几率为61.7%;半干旱、干旱年景有 9 年,几率为 15.0%;重旱至极旱年景有14年,几率为23.3%.

    8月K值历年变化呈下降趋势,气候倾向率为-0.049/10 a.8月份降水量平均为99.8 mm,而耗水量为114.2 mm,平均亏缺约为14.4 mm.近 10 年(2003-2012 年)K 值为 0.64,前 10年(1953-1962年)K值为0.85,说明8月的湿润程度下降明显.9 月份干湿指数平均为 0.51,属于干旱气候类型.

　　在近60年中,湿润至半湿半干年景有15年,几率为25.0%;半干旱、干旱年景有 15 年,几率为 25.0%;重旱至极旱年景有30年,几率为50.0%.9月K值历年变化呈下降趋势,气候倾向率为-0.028/10 a.9月份降水量平均为42.5 mm,而耗水量为83.5 mm,平均亏缺约为41.0 mm.近 10 年(2003-2012 年)K 值为 0.44,前 10年(1953-1962年)K值为0.66,说明9月的湿润程度下降明显.

　　2.2.3 干旱发生风险分析 由计算式(5)分析得出,辽西地区1953-2012年农业生产期每年均存在不同程度的干旱,1981年干旱风险程度最重达到80.4%,1990、1998 年干旱风险程度最轻为 14.3%,近 60 年干旱风险程度平均为43.5%.经线性趋势分析,干旱风险程度线性方程为y=0.1204x-195.18(r=0.1315),干旱风险度存在增强趋势,但不明显.近10年(2003-2012年)干旱风险度平均为47.3%,前10年(1953-1962年)平均为37.7%,干旱风险度平均增强9.6%.

　　辽西地区重旱风险程度平均为32.1%,1981年最为严重,高达80.4%;仅1979年未出现重旱以上程度.重旱以上风险程度线性方程为y=0.1526x-270.49(R=0.1634),表现重旱风险亦存在增强趋势.近10年(2003-2012年)干旱风险度平均为33.9%,前10年(1953-1962年)平均为24.3%,重旱风险度平均增强9.6%.

　　3 结论与讨论

　　(1)辽西地区农业生产期(4-9月)降水量在近60年里呈减少趋势,2003-2012年的近10年与总平均相比降水量减少 38 mm,与 1953-1962 年相比减少68 mm.

　　(2)随着气候变暖,农业耗水量亦在增加,2003-2012 年的近 10 年比总耗水量平均值增加了 17 mm,比20 世纪 60 年代增加 30 mm.

　　(3)辽西地区农业缺水成为事实,平均缺水量为136 mm.在所分析的 1953-2012 年里,缺水 100 mm以上年景几率为61.7%,10年6遇;缺水几率为90.0%,即10年9遇.

　　(4)辽西地区降水农业满足程度平均值为76.3%,能够达到满足的年份在10年中不足1年,能达到80%满足的在10年中也仅有4年.这种满足程度在气候变暖过程中仍以-2.585/10 a的速率在下降.

　　(5)辽西地区农业生产期的气候类型属于半湿半干.在60年中,半湿半干及湿润年景占61.5%,半干旱及重干旱年景占38.5%.近10年(2003-2012年)因降水减少,则成为半干旱气候类型.

　　(6)辽西地区暖湿同季,由于降水量高度集中在6-8 月,4 月、5 月和 9 月降水较少干旱程度更为突出.4、5月份属于重旱气候类型,9月属于干旱气候类型,6月属于半湿润气候类型,7、8月属于湿润气候类型.

　　(7)辽西地区农业生产期干旱发生风险程度为43.5%,干旱发生有加重的趋势性,近 10 年干旱发生风险升高了约10%.

　　依据以上分析,辽西地区降水减少、耗水增加、缺水明显,导致了干旱风险在增加.辽西地区10年9旱,且年年出现不同程度的旱情,对农业生产影响很大.

　　4、5 月及 9 月是辽西地区农业生产期干旱发生的高风险时段,生产中应采取合理的灌溉等补水措施尽量减轻该时段的旱灾影响.

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