0 引言

遼寧西部是遼寧省干旱重災區[1].由于氣候變暖[2]遼西地區降水量減少趨勢明顯[3-4],加重了旱災對農業的影響[5].近年來,諸多學者對不同地理環境、不同流域在較大區域上做了多尺度降水特征分析、旱災評價等研究[6-9].但在較小區域氣候變化上的研究還不夠深入和全面,而有針對性的研究小區域氣候變化則對農業可持續性發展、人們生活及其災害防御都具有重要的作用[10].遼西地區屬于丘陵山地,怒魯爾虎山脈橫穿境內,地形復雜,為半濕潤半干旱氣候區,農業主要以糧食作物為主,玉米播種面積約占75%.自20世紀80 年代以來,干旱、冰雹、霜凍等災害交替出現,對農業生產造成嚴重影響.本研究采用葉柏壽、朝陽氣候監測站氣象資料,運用積分濕潤指數、干濕指數、水平衡、干旱風險度等方法,分析干旱發生頻率以及變化趨勢,以期了解農業生產期水資源的盈虧變化過程,掌握農業干旱風險等,為農業合理利用水資源增產豐收提供依據.

1 材料與方法

1.1 資料來源

資料取自葉柏壽、朝陽氣候監測站,1953-2012年近60年各月平均氣溫、降水量及4-9月日平均氣溫資料,并根據研究要求分別統計:農業生長季\\(4-9月\\)>0℃積溫、降水量、月平均氣溫等.遼西地區農業生產期在4-9月,歷時6個月.

1.2 分析方法

資料統計分析采用線性趨勢、標準偏差、積分濕潤指數、干濕指數、干旱風險度等方法.運算過程在Excel 程序支持下進行.針對線性趨勢、標準偏差等介紹的文獻比較多[11-12],本研究不做贅述.

1.2.1 水分平衡 水分平衡計算,見公式\\(1\\)[14-15].

D=R-Q ………………………………………… \\(1\\)

式中:D為水分平衡,R為降水量,Q為耗水量.當D>0 時降水資源盈余,當 D<0 時降水資源虧缺,當D=0 時降水資源與農業耗水持平.

1.2.2 干濕指數

干濕指數是用同一時期的降水與同期的耗水之比來表示,表達式見式\\(2\\)、\\(3\\).

式中:K為干濕指數,R為同期降水量,Q為同期耗水量,∑ti為同期>0℃積溫.遼寧西部地區依據干旱指數將K值分為8個旱澇等級[13],見表1.

1.2.3 積分濕度指數[14-15]

適用于降水主要集中在季風氣候區的北方地區,是農業生產期實際需水量\\(即耗水量\\)與大氣降水量\\(水分供應\\)之間的函數關系,表達式見式\\(4\\).

式中,I是年內個月平均溫度>0℃的積分濕潤指標,即大氣降水對農業生產期需水的滿足程度,用百分數表示;K是干濕指數,T為月平均氣溫.

1.2.4 干旱發生風險 干旱強度與干旱頻率是衡量農業干旱風險的指標要素.為了更清晰分析農業生產期和各月等階段發生的風險程度,引入干旱風險度概念.

計算見公式\\(5\\)、\\(6\\).

式中:F代表干旱風險度,以%表示;Ci代表農業生產期各月和4-9月的不同時段所發生干旱程度;A代表干旱等級,Amax=8;n=7.

2 結果與分析

2.1 農業生產期降水資源分析

2.1.1 農業生產期降水與耗水 遼西地區 1953-2012年農業生產期\\(4-9月,下同\\)降水量平均為433 mm,占 年 總 量 的 91.4% . 其 中 ,1962 年 降 水 最 多 為674 mm,1981 年最少為 232 mm,極差為 442 mm.農業生產期降水量標準偏差為±103 mm,正常值在330~506 mm 之間;在 60 年中異常偏多出現 10 年,幾率為16.7%;異常偏少出現 12 年,幾率為 20.0%.由圖 1 可知,1953-2012年降水量呈下降減少趨勢,氣候傾向率為-9.434 mm/10 a,序列相關系數為-0.1587\\(P>0.05\\),線性趨勢不顯著,但近 10 年\\(2003-2012 年\\)平均降水量為395 mm,而序列前10年\\(1953-1962年\\)平均降水量為463 mm,平均減少68 mm.

近60年農業生產期耗水量平均為569 mm,變化在 522~622 mm 之間,幅度為 100 mm.由圖 1 可知,1953-2012 年耗水量變化呈上升趨勢,氣候傾向率為6.966 mm/10 a,序列相關系數為 0.5308\\(P<0.01\\)達到極顯著水平,每 10 年增加耗水量約 7 mm.近 10 年\\(2003-2012年\\)平均耗水量為586 mm,而序列前10年\\(1953-1962年\\)平均耗水量為556 mm,平均增加30 mm.

遼西地區農業生產期降水與耗水相比,近60年平均虧缺136 mm,占應耗水量的23.9%.在1953-2012年中,只有1953、1962、1964、1969、1990、1994年這6年降水量滿足農業耗水,概率為10.0%,而缺水概率為90.0%.虧缺 1~100 mm 的有 17 年,概率為 28.3%;虧缺 101~200 mm 的有 18 年,概率為 30.0%;虧缺 201~300 mm 的有 15 年,概率為 25.0%;虧缺 300 mm 以上的有 4 年,概率為 6.7%.由水平衡\\(D 值\\)線性方程 y=-1.6399x+3115.5\\(r=-0.2506, P<0.05\\)得出,水平衡氣候傾向率為-16.399 mm/10 a,說明遼西地區缺水年景和程度在增加.

2.1.2 農業生產期降水資源滿意度 圖 2 顯示了 1953-2012 年逐年積分濕潤指數\\(I\\)變化過程,在 60 年里積分濕潤指數平均值為76.3%,即遼西地區農業生產期降水農業滿足度不足8成,其中,1962年和1969年降水農業滿足度最高為120.9%,1981年降水農業滿足度最低僅為38.6%.在近60年中,積分濕潤指數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%.降水量達到80%以上農業滿足程度的有25年,幾率為41.7%.

降水農業滿足度在1953-2012年時間內,呈下降趨勢,變化速率為-2.585/10a,序列相關系數為-0.2322\\(P<0.10\\),在農業生產期降水滿足度每 10 年平均下降2.6 %.近 10 年\\(2003-2012 年\\)降水滿足度為 67.8%,而序列前10年\\(1953-1962年\\)降水滿足度為83.6%,下降了15.8%.

2.2 農業生產期旱澇分析

2.2.1 農業生產期年景旱澇分析 遼西地區農業生產期\\(4-9月\\)干濕指數歷年平均為0.77,依據表1\\(K值\\)的判別標準,遼西地區農業生產期總體屬于半濕半干氣候類型.在近 60 年里,濕潤年景有 13 年,幾率為21.6%;半濕潤年景有 13 年,幾率為 21.6%;半濕半干年景有11年,幾率為18.3%;半干旱年景有10年,幾率為16.7%;干旱年景有9年,幾率為15.0%;重旱年景有3 年,幾率為 5.0%,極旱有 1 年,幾率為 1.7%.由圖 3可知,遼西地區干旱程度存在逐漸加重的趨勢,氣候變化 率 為 - 0.026/10 a,序 列 相 關 系 數 為 - 0.2324\\(P<0.10\\).近 10 年\\(2003-2012 年\\)K 值平均為 0.68,序列前10年\\(1953-1962年\\)K值平均為0.84,相比之下從半濕潤滑落到半干旱氣候類型.由此得見,遼西地區農業生產期干旱程度在加重.

2.2.2 各月旱澇分析 遼西地區農業生產期主要在 4-9 月間,歷時 6 個月.各個月份降水、氣溫分布的不同,所反映出的旱澇程度也不同\\(見表2\\).

4 月份干濕指數平均為 0.41,屬于重旱氣候類型.在近60年中,濕潤至半濕半干年景僅有6年,幾率為10.0%;半干旱、干旱年景有 14 年,幾率為 23.3%;重旱至極旱年景有40年,幾率為66.7%.4月K值歷年變化呈上升趨勢,氣候傾向率為0.005/10 a.4月份降水量平均為21.2 mm,而耗水量為52.8 mm,平均缺水量約為31.6 mm.近10年\\(2003-2012年\\)K值為0.45,前10 年\\(1953-1962 年\\)K 值為 0.41,說明 4 月份濕潤程度有提升趨勢.

5 月份干濕指數平均為 0.45,屬于重旱氣候類型.在近60年中,濕潤至半濕半干年景僅有7年,幾率為11.7%;半干旱、干旱年景有 13 年,幾率為 21.7%;重旱至極旱年景有40年,幾率為66.6%.5月K值歷年變化呈上升趨勢,氣候傾向率為0.013/10 a.5月份降水量平均為39.6 mm,而耗水量為90.1 mm,平均缺水量約為51.5 mm.近10年\\(2003-2012年\\)K值為0.49,前10 年\\(1953-1962 年\\)K 值為 0.43,說明 5 月份濕潤程度也有提升趨勢.

6 月份干濕指數平均為 0.85,屬于半濕潤氣候類型.在近60年中,濕潤至半濕半干年景有34年,幾率為56.7%;半干旱、干旱年景有9年,幾率為15.0%;重旱至極旱年景有17年,幾率為28.3%.6月K值歷年變化呈上升趨勢,氣候傾向率為0.005/10 a.6月份降水量平均為88.8 mm,而耗水量為106.7 mm,平均缺水量約為17.9 mm.近10年\\(2003-2012年\\)K值為0.93,前10年\\(1953-1962年\\)K值為0.84,說明6月的濕潤程度也有所提升.7 月份干濕指數平均為 1.17,屬于濕潤氣候類型.在近60年中,濕潤至半濕半干年景有 46年,幾率為76.6%;半干旱、干旱年景有 10 年,幾率為 16.7%;重旱至極旱年景有4年,幾率為6.7%.

7月K值歷年變化呈下降趨勢,氣候傾向率為-0.006/10 a.7月份降水量平均為141.0 mm,而耗水量為121.3 mm,平均盈余約為19.7 mm.近 10 年\\(2003-2012 年\\)K 值為 0.95,前 10年\\(1953-1962年\\)K值為1.41,說明7月的濕潤程度有所下降.8 月份干濕指數平均為 0.88,屬于濕潤氣候類型.在近 60 年中濕潤至半濕半干年景有 37 年,幾率為61.7%;半干旱、干旱年景有 9 年,幾率為 15.0%;重旱至極旱年景有14年,幾率為23.3%.

8月K值歷年變化呈下降趨勢,氣候傾向率為-0.049/10 a.8月份降水量平均為99.8 mm,而耗水量為114.2 mm,平均虧缺約為14.4 mm.近 10 年\\(2003-2012 年\\)K 值為 0.64,前 10年\\(1953-1962年\\)K值為0.85,說明8月的濕潤程度下降明顯.9 月份干濕指數平均為 0.51,屬于干旱氣候類型.

在近60年中,濕潤至半濕半干年景有15年,幾率為25.0%;半干旱、干旱年景有 15 年,幾率為 25.0%;重旱至極旱年景有30年,幾率為50.0%.9月K值歷年變化呈下降趨勢,氣候傾向率為-0.028/10 a.9月份降水量平均為42.5 mm,而耗水量為83.5 mm,平均虧缺約為41.0 mm.近 10 年\\(2003-2012 年\\)K 值為 0.44,前 10年\\(1953-1962年\\)K值為0.66,說明9月的濕潤程度下降明顯.

2.2.3 干旱發生風險分析 由計算式\\(5\\)分析得出,遼西地區1953-2012年農業生產期每年均存在不同程度的干旱,1981年干旱風險程度最重達到80.4%,1990、1998 年干旱風險程度最輕為 14.3%,近 60 年干旱風險程度平均為43.5%.經線性趨勢分析,干旱風險程度線性方程為y=0.1204x-195.18\\(r=0.1315\\),干旱風險度存在增強趨勢,但不明顯.近10年\\(2003-2012年\\)干旱風險度平均為47.3%,前10年\\(1953-1962年\\)平均為37.7%,干旱風險度平均增強9.6%.

遼西地區重旱風險程度平均為32.1%,1981年最為嚴重,高達80.4%;僅1979年未出現重旱以上程度.重旱以上風險程度線性方程為y=0.1526x-270.49\\(R=0.1634\\),表現重旱風險亦存在增強趨勢.近10年\\(2003-2012年\\)干旱風險度平均為33.9%,前10年\\(1953-1962年\\)平均為24.3%,重旱風險度平均增強9.6%.

3 結論與討論

\\(1\\)遼西地區農業生產期\\(4-9月\\)降水量在近60年里呈減少趨勢,2003-2012年的近10年與總平均相比降水量減少 38 mm,與 1953-1962 年相比減少68 mm.

\\(2\\)隨著氣候變暖,農業耗水量亦在增加,2003-2012 年的近 10 年比總耗水量平均值增加了 17 mm,比20 世紀 60 年代增加 30 mm.

\\(3\\)遼西地區農業缺水成為事實,平均缺水量為136 mm.在所分析的 1953-2012 年里,缺水 100 mm以上年景幾率為61.7%,10年6遇;缺水幾率為90.0%,即10年9遇.

\\(4\\)遼西地區降水農業滿足程度平均值為76.3%,能夠達到滿足的年份在10年中不足1年,能達到80%滿足的在10年中也僅有4年.這種滿足程度在氣候變暖過程中仍以-2.585/10 a的速率在下降.

\\(5\\)遼西地區農業生產期的氣候類型屬于半濕半干.在60年中,半濕半干及濕潤年景占61.5%,半干旱及重干旱年景占38.5%.近10年\\(2003-2012年\\)因降水減少,則成為半干旱氣候類型.

\\(6\\)遼西地區暖濕同季,由于降水量高度集中在6-8 月,4 月、5 月和 9 月降水較少干旱程度更為突出.4、5月份屬于重旱氣候類型,9月屬于干旱氣候類型,6月屬于半濕潤氣候類型,7、8月屬于濕潤氣候類型.

\\(7\\)遼西地區農業生產期干旱發生風險程度為43.5%,干旱發生有加重的趨勢性,近 10 年干旱發生風險升高了約10%.

依據以上分析,遼西地區降水減少、耗水增加、缺水明顯,導致了干旱風險在增加.遼西地區10年9旱,且年年出現不同程度的旱情,對農業生產影響很大.

4、5 月及 9 月是遼西地區農業生產期干旱發生的高風險時段,生產中應采取合理的灌溉等補水措施盡量減輕該時段的旱災影響.

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