阜新農業干旱特征與人工增雨應對措施

孫 可，孫寶利，楊曉彤，李 凝，張 旭，魏澤楷

（遼寧省阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000）

0 引言

干旱是在一定時間尺度上水分收支或供求不平衡形成的水分短缺現象。隨著全球氣候變暖，干旱災害發生日益頻繁并在受災地區造成了巨額的經濟損失［1］。因此，加強干旱監測、預測方面的研究對科學評估區域氣候影響、制定合理的風險管理以及防災減災措施具有重要的意義［2-5］。近幾年，許多學者對我國的干旱變化特征和大氣水汽進行了研究。干旱具有多尺度變化特征，在我國東北地區跨月、跨季節甚至跨年度的重大干旱事件頻發，掌握不同時間尺度干旱的變化特征，增加對干旱演變細節的認識，了解大氣水汽分布特征，對于準確預測和評估干旱的發生發展，科學規避災害風險具有重要的現實意義［6-24］。阜新位于遼寧省西部，在該地區由于降水量少且降水時間和空間分布不均，氣象干旱影響范圍廣而且持續時間長，每年都會造成農作物不同程度減產，給當地經濟、社會發展帶來了不利影響。筆者利用1981～2020年阜新地區40年的降水量、氣象干旱數據和標準降水蒸散指數（SPEI），采用數理統計、對比分析等方法對阜新地區春、夏、秋干旱的變化特征進行了分析，所得分析結果可為當地氣象部門開展農業抗旱服務提供科學依據［25］。本文還提出了人工增雨抗旱的應對措施，可為阜新地區合理利用水資源、有效緩解干旱提供參考［26］。

1 資料和方法

利用1981～2020年阜新和彰武觀測站，以及各鄉鎮加密站的降水量資料，計算春、夏、秋3個季度的降水距平百分率，再按照《農業干旱預警等級》（GB/T 34817—2017）中的標準（特大干旱、嚴重干旱、中度干旱、輕度干旱的降水距平百分率分別為-80%以下、-80%～-51%、-50%～-26%、-25% ～-15%）來分析旱情。

利用1981～2020年干旱災情服務和土壤墑情等氣象資料，按照氣象干旱分級標準，分析阜新地區春、夏、秋3個季度的干旱特征。

利用全球干旱監測系統網站（https：//spei.csic.es/）提供的1981～2020年的SPEI（標準降水蒸散指數）資料，分析阜新地區春、夏、秋3個季度干旱的變化特征和趨勢，并對SPEI指數進行Mann-Kendall突變檢驗。

2 阜新1981～2020年干旱變化特征分析

2.1 阜新地區1981～2020年降水量分析

1981～2020年阜新地區年平均降水量為490.7 mm，其中阜蒙縣站476.0 mm，彰武縣站505.5 mm。年最大降水量為775.7 mm，出現在1994年阜蒙縣站；年最小降水量為294.3 mm，出現在2011年阜蒙縣站（表1）。從阜蒙、彰武這2個縣的降水量來看，1981～2020年平均降水量呈減少趨勢（圖1）。

圖1 1981～2020年阜新地區平均降水量的變化趨勢

通過對各鄉鎮1981～2020年的降水量進行統計分析可知：年際降水量的變化周期為5年左右，豐水年與枯水年的變化周期為10年左右；近10年降水量呈東南多西北少的分布特征，而且450 mm和500 mm降水的分界線南移，小于500 mm的降水面積增大（圖2）。

統計阜新地區1981～2020年春、夏、秋3個季度降水量的距平百分率，按照《農業干旱預警等級》分析該地區的干旱情況。在這40年里，共出現了46次不同等級的干旱，其中嚴重干旱19次，占總干旱次數的41.3%；中度干旱15次，占總干旱次數的32.6%；輕度干旱12次，占總干旱次數的26.1%。從季度上來看，春季干旱18次，夏季干旱12次，秋季干旱16次，分別占總干旱次數的39.1%、26.1%、34.8%。

在1981～2010年期間平均每年出現干旱1.1次；在2011～2020年期間平均每年出現干旱1.3次；后10年出現干旱的頻率較前30年增加了18%。阜新地區的降水具有時間和空間分布不均的特點，僅從降水量上分析干旱情況，平均發生的次數偏少，但能從時間和空間上體現出干旱發展的趨勢（表2）。

表2 1981～2020年阜新地區不同季節農業干旱次數統計結果

2.2 1981～2020年阜新地區氣象記錄分析

統計阜新市1981～2020年干旱決策材料、土壤墑情和氣候年鑒，分析春、夏、秋3個季度不同等級的氣象干旱情況，結果如表3所示。

由表3可知：在1981～2020年這40年里共出現了72次干旱，其中春旱共出現33個年份，發生次數最多，發生頻率為82.5%；夏旱共出現27個年份，發生頻率為67.5%；秋旱發生次數最少，只有12個年份，發生頻率為30.0%。說明阜新地區的干旱以春旱為主，夏旱次之，而秋旱較少。

表3 1981～2020年阜新地區不同季節氣象干旱年份數

從干旱的等級來看，1981～2020年阜新地區發生輕旱和中旱的次數最多，同為26次，各占總干旱次數的36.1%；而重旱發生次數最少，占總干旱次數的27.8%。說明阜新地區的干旱以輕旱和中旱為主，重旱次之。

2011～2020年春季和夏季發生干旱年份分別是9年和7年，發生頻率較1981～2010年分別高出10.0%和3.3%。從近10年來干旱決策服務材料來看，2014、2017和2020年發生的干旱突破了有氣象記錄以來的極值，2015年夏季發生兩輪重旱，2017年所有鄉鎮發生重旱，2018年發生的兩輪春旱持續時間長達77 d。說明近10年來出現的旱情較前30年更加嚴重。

從1981～2020年阜新地區墑情圖（圖略）來看,近10年來，阜蒙縣南部鄉鎮較之前出現了不同等級的干旱，發生干旱的頻率明顯增加，這與降水量分布情況分析的結果比較符合。

結合干旱分布和降水分布情況，參照遼寧省抗旱作戰圖（圖3），制作了阜新的抗旱作戰圖（圖4）。由圖4可見，彰武東南部為次高風險區，其他地區都為高風險區，特別是阜新的中南部也加入到高風險區。

圖3 遼寧省抗旱作戰圖

圖4 阜新市抗旱作戰圖

2.3 基于SPEI指數的分析

SPEI（標準降水蒸散指數）是全球干旱監測系統提供的近實時反映全球范圍內干旱狀況的1個指標。從https：//spei.csic.es/下載阜新地區1981～2020年的SPEI數據，進行分析。圖5為1981～2020年阜新地區SPEI的年際變化特征，從中可以看出SPEI數值呈下降趨勢，說明干旱發生的概率在增大。

圖5 阜新1981～2020年SPEI的年際變化

統計3個月尺度的SPEI指數，描述阜新地區不同等級干旱發生的頻率，由表4可以看出，在1981～2020年期間阜新地區共發生73次干旱，其中春季發生干旱的頻率為67.5%，發生夏旱和秋旱的頻率均為57.5%。其中春季發生重旱的頻率為22.5%，夏季發生重旱的頻率為17.5%。

表4 1981～2020年不同季節SPEI干旱統計結果

2011～2020年春旱和夏旱發生的頻率分別為80.0%和70.0%，較1981～2010年分別增加了20.0%和17.7%，這與降水量距平分析的干旱趨勢相符。

圖6為阜新地區不同季節SPEI指數的Mann-Kendall突變檢驗曲線。由UF曲線可知，春季SPEI指數的突變點在1988年左右，此后SPEI指數呈下降趨勢，在2002～2004年超過了顯著性水平0.05臨界線，表明此階段干旱增加趨勢顯著；夏季SPEI指數的突變點在1998年左右，此后SPEI指數呈下降趨勢；秋季SPEI指數的突變點在1998年，此后SPEI指數呈下降趨勢，在2008～2010年和2014～2017年超過了顯著性水平0.05臨界線，表明這2個階段干旱增加趨勢顯著。

圖6 1981～2020年SPEI指數的Mann-Kendall突變檢驗曲線

3 人工增雨抗旱應對措施

近10年來，阜新干旱更加嚴重，干旱發生的面積不斷增大，阜新中南部也劃入到高風險區。建議采取以下5項措施來應對阜新嚴重干旱，提升科學化作業能力，提高增雨抗旱服務效果。

3.1 優化地面作業布局

由于南部村莊多，且靠近民航飛機航路，按照火箭作業站點安全標準，在南部選擇作業點，優化火箭增雨作業布局。所以計劃在南部山區建設地面燃煙爐，開展人工增雨作業，并列入遼寧省“十四五”人工影響天氣發展規劃，以此來增加作業方式，優化地面人工增雨作業布局。

3.2 優化飛機增雨作業航線

根據人工冰晶可能擴散距離為6～10 km，飛機播撒冰晶的飛行方向應垂直于高空風向，沿逆風向軌跡進行播撒，以播撒軌跡邊長50～80 km、行距間隔12～20 km的條播或“S”型方式進行作業。設計4條“S”型飛機增雨預設航線，來滿足飛機作業需求，提升增雨作業效果。

3.3 制定人工影響天氣周年服務方案

進一步規范潛力預報、監測預警和作業指揮流程，提高科學作業能力。主要通過利用資料、實施內容和分析依據等方面，對作業條件潛力預報和作業預案（24～3 h）、作業條件監測預警和作業方案（3～0 h）和跟蹤指揮和作業實施（0～3 h）這3個階段進行流程規范和指導。

3.3.1 作業條件潛力預報和作業預案（24～3 h） 利用EC、GRAPES、MM5和WRF等模式產品及衛星和雷達資料。當未來24 h內有降水天氣系統影響目標區時進行潛力分析，根據模式產品預報，結合大氣穩定度和高空風判斷作業工具，并制定發布未來24～3 h作業條件潛力預報和作業預案。

3.3.2 作業條件監測預警和作業方案設計（3～0 h） 利用雷達、衛星設備并通過人影跟蹤指揮系統修正人工增雨飛機起飛時間以及飛行航線和高度；通過人影跟蹤指揮系統，向火箭增雨擬作業點發送預警指令，包括預計作業時間、擬用彈量等。

3.3.3 跟蹤指揮和作業實施（0～3 h） 利用衛星和雷達等實時觀測資料，在增雨飛機起飛后，地面指揮人員利用觀測設備確定催化劑播撒時間和用量，使用北斗通訊系統通知飛機作業人員。利用人影跟蹤指揮系統計算出地面火箭增雨作業區域并通過雷達、衛星數據進行修訂，向作業點發送作業指令，包括作業時間、發射方位角仰角、用彈量等。

3.4 加強人工增雨科學研究工作

利用雷達資料開展人工增雨作業條件研究，找準最佳作業部位，進一步提升科學作業指揮能力。利用微波輻射計、GPS/MET、ERA再分析等多源資料開展人工增雨水汽研究，指導飛機增雨和火箭增雨作業時能夠把握最佳時機，提升人工增雨作業效率。

3.5 更新人影作業裝備，提升硬件實力

更新地面火箭增雨作業車輛和自動化火箭增雨裝備。更新升級飛機增雨作業發射裝置，并列入遼寧省“十四五”人工影響天氣發展規劃。

4 結論與討論

從降水量分析來看，阜新地區年平均降水量呈減少趨勢。2011～2020年降水量＜450 mm和＜500 mm的面積在擴大。按照《農業干旱預警等級》分析來看，春旱發生概率最大，占總干旱次數的39.1%。近10年發生干旱的頻率較前30年增加了18.0%。

從氣象干旱記錄分析來看，1981～2020年出現了72次干旱，春旱發生次數最多，發生頻率為82.5%；其次為夏旱，發生頻率為67.5%。近10年春旱和夏旱發生的年份數分別是9年和7年，發生頻率分別較前30年高出了10.0%和3.3%。從空間分布來看，彰武東南部為干旱次高風險區，其他地區都為高風險區。

從SPEI指數分析來看，阜新地區共發生了73次干旱，其中春季發生干旱的頻率為67.5%，發生夏旱和秋旱的頻率均為57.5%。2011～2020年春旱和夏旱發生的頻率分別為80.0%和70.0%，較1981～2010年分別提高了20.0%、17.7%。

近10年阜新干旱更加嚴重，阜新中南部也劃入到高風險區。通過采取優化地面作業布局、優化飛機增雨作業航線、制定人影周年服務方案、加強人工增雨科研工作、更新人影作業裝備等5項措施來應對嚴重干旱，提升科學化作業能力，提高增雨抗旱服務效果。