曹二佳，薛 羽，李紅瑛，鞏 杰，徐彩仙

(1. 蘭州大學資源環(huán)境學院, 西部環(huán)境教育部重點實驗室, 蘭州 730000; 2. 內(nèi)蒙古涼城縣氣象局, 內(nèi)蒙古 涼城 013750)

0 引 言

干旱事件是最具破壞性和最持久的氣象災害之一[1,2]，也是氣候變化造成的亟待應對重大問題[3]，該事件的頻繁發(fā)生，對生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重要影響[4]。氣候科學的一個基本預測是：由于干燥、變暖和冰雪融化的協(xié)同效應，世界許多地區(qū)將經(jīng)歷更長時間和更廣程度的干旱[3]。隨著全球氣候變暖與人類活動不斷增強，極端氣候事件(如干旱、強降雨等)的發(fā)生頻率激增[5]，已成為影響我國北方地區(qū)的突出災害之一[6-8]?？紤]到干旱的后果和持續(xù)性，評估干旱程度非常重要，目前表征干旱的指標較多，如標準降水指數(shù)(SPI)、降水距平百分率(Pa)、Z指數(shù)、相對濕潤指數(shù)等[9]。其中，相對濕潤指數(shù)綜合考慮了降水與蒸發(fā)作用，是比較理想的區(qū)域性干旱監(jiān)測指標[10]，并在國內(nèi)干旱研究中得到廣泛應用。如，王婷等[11]采用相對濕潤指數(shù)和降水距平百分率評價了四川水稻氣候干旱風險；王鶯[12]等利用相對濕潤指數(shù)揭示了1960-2011年石羊河流域程呈現(xiàn)微弱變干；王田明等[13]基于相對濕潤指數(shù)研究發(fā)現(xiàn)年際尺度上我國西南地區(qū)總體上略有變濕趨勢，夏季和冬季干旱有所增強等。

中國北方農(nóng)牧交錯帶地處干旱與濕潤、農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)的過渡區(qū)，是人類與氣候相互作用最強烈的地區(qū)之一，對氣候變化極其敏感[14]，加之過度開墾、放牧等人類活動的影響，給當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、社會發(fā)展帶來不良影響，已成為中國最典型的集干旱災害頻發(fā)、貧困集聚的生態(tài)脆弱區(qū)[15]，其中干旱災害是威脅農(nóng)牧業(yè)最主要的自然災害[16]。張宇等[17]發(fā)現(xiàn)2018年6月內(nèi)蒙古中南部出現(xiàn)重度干旱。Liu等[18]基于標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古1960-2013年間植物生長季(4-9月)干旱十分頻繁，且日益嚴重?？偟膩碚f，已有研究多關注于全國或區(qū)域尺度的氣候變化，而農(nóng)牧交錯帶中小尺度干旱狀況研究報道較少。而生長季的干濕對植物生長和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)至關重要，生長季干濕狀況研究有助于預防和應對區(qū)域性干旱[19]。因此，本文以內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯帶烏蘭察布市為例，基于相對濕潤指數(shù)分析該地區(qū)1980-2017年作物生長季(4-9月)地表干濕時空特征，以期為深刻認識氣候變化對該地區(qū)干旱程度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的不利影響，進而為干旱應對和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)管理等提供科學依據(jù)和理論參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘭察布市(39°37′～ 43°28′N，109°16′～114°49′E)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，轄11個旗縣(市、區(qū))，總面積5.45 萬km2(圖1)。該地區(qū)處于草原向荒漠過渡地帶，東部和南部屬于草原，北部和西北部屬于荒漠草原[20]。土地利用類型主要以草地、耕地為主，土壤類型主要有棕鈣土、栗鈣土、栗褐土[16]。烏蘭察布市平均海拔904～2 272 m，習慣上稱大青山南部為前山地區(qū)，較溫暖多雨，包括集寧區(qū)、卓資縣、興和縣、豐鎮(zhèn)市、察右前旗、涼城縣，大青山以北稱為后山地區(qū)，溫涼而多風干旱，包括四子王旗、察右中旗、察右后旗、商都縣、化德縣。烏蘭察布市屬溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候，降水集中在7-9月，空間分布由北向南逐漸增多，年均降雨量150～450 mm，年均溫2～5 ℃，無霜期90～145 d，年均蒸發(fā)量為1 300～3 000 mm。

圖1 烏蘭察布市及周邊站點分布圖Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations of Ulanqab and its surrounding

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文搜集了烏蘭察布市內(nèi)11個氣象站點及周邊9個站點(圖1)的逐日降水量(P)、最高氣溫(Tmax)、平均氣溫(Tmean)、最低氣溫(Tmin)、平均相對濕度(RH)、平均風速(U)、日照時數(shù)(N)氣象資料以及經(jīng)緯度、海拔等信息(圖1)，數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古涼城縣氣象局。

DEM是空間分辨率為30 m的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云。

1.3 研究方法

1.3.1 相對濕潤指數(shù)的計算

相對濕潤指數(shù)(M)是降水與蒸散量之差與蒸散量的比值[21]，是中國氣象局2005年《干旱監(jiān)測和影響評價業(yè)務規(guī)定》中推薦的干旱指標之一，適用于旬以上尺度干濕研究[22]。相對濕潤指數(shù)值越小，表示氣候越干旱，反之則越濕潤。公式如下：

(1)

式中：P表示研究時段降水量，mm；ET0為該時段的潛在蒸散量，mm。

利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼蒙特斯(Peman-Monteith，P-M)公式計算ET0，公式如下：

(2)

式中：ET0為潛在蒸散量，mm/d；Rn為植物冠層表面太陽凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤通量，MJ/(m2·d)；es、ea分別為飽和水汽壓、實際水汽壓，kPa；γ、Δ分別為干濕常數(shù)、飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；T為空氣平均溫度，℃；u2為地面以上2 m高處風速，m/s。

依照中國國家氣象局頒布的《氣象干旱等級》中提出的相對濕潤指數(shù)氣象干旱等級劃分法[19, 23]，干旱等級劃分如下：無旱：-0.40

1.3.2 空間插值與分析方法

運用ArcGIS 10.2軟件中的反距離權重插值法(Inverse Distance Weighted, IDW)對相對濕潤指數(shù)、降水量、潛在蒸散進行插值。采用距平、累計距平分析了烏蘭察布市相對濕潤指數(shù)相對于多年平均值的變化程度、變化趨勢。采用非參數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗分析法研究38 a來年烏蘭察布市生長季(4-9月)相對濕潤指數(shù)、各氣象要素的變化趨勢[24-25]。用偏相關分析法[26]探討各氣象要素對潛在蒸散發(fā)的影響，從而分析相對濕潤指數(shù)的氣象成因。

基于重標極差分析法(R/S法)的赫斯特指數(shù)(H)是由英國水文專家Hurst在研究尼羅河多年水文觀測資料時發(fā)現(xiàn)并提出的[27]。Hurst指數(shù)值H的大小可以判斷時間序列是否存在趨勢性成分。當H=0.5時，序列變化屬于布朗運動，未來變化趨勢與過去無關；當0

2 結果與分析

2.1 生長季干旱時空分布特征

2.1.1 生長季干旱空間分布

1980-2017年烏蘭察布市作物生長季(4-9月)平均相對濕潤指數(shù)空間分布如圖2(a)所示。由圖2可得，多年平均相對濕潤指數(shù)由北至南逐漸增大，近38 a來烏蘭察布市生長季干旱狀況整體為：南部地區(qū)干旱發(fā)生以輕旱為主，北部以中旱為主。具體的：西南部地區(qū)如涼城、卓資、豐鎮(zhèn)等相對濕潤指數(shù)較大，處于輕旱狀態(tài)(-0.55～-0.50)；察右中旗、察右后旗、商都、化德、集寧、察右前旗、興和多年平均相對濕潤指數(shù)范圍為-0.55～-0.65；北部四子王旗最為干旱，相對濕潤指數(shù)為-0.80～-0.75。

1980-2017年烏蘭察布市作物生長季(4-9月)降水量空間分布如圖2(b)所示?？煽闯鰹跆m察布市生長季降水量由南向北逐漸減少，與相對濕潤指數(shù)的空間分布基本一致。降水量最大值出現(xiàn)在涼城(356.30 mm)，其次是豐鎮(zhèn)(341.68 mm)，四子王北部降水量較低。生長季潛在蒸散量的空間分異較大(699.45～1 027.20 mm)，分布與相對濕潤指數(shù)空間分布相反，呈北高南低[圖2(c)]。該區(qū)域潛在蒸散量最大值出現(xiàn)在四子王(1 027.20 mm)，最低值區(qū)出現(xiàn)在卓資(699.45 mm)，其次是集寧(735.81 mm)。

圖2 1980-2017年烏蘭察布市生長季相對濕潤指數(shù)、降水量、潛在蒸散發(fā)空間分布Fig.2 Spatial distribution of relative moisture index, precipitation, ET0 in growing season in Ulanqab during 1980-2017

2.1.2 生長季干旱年際變化

1980-2017年烏蘭察布市生長季相對濕潤指數(shù)距平年際變化及累計距平曲線如圖3所示。近38 a來相對濕潤指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，多年平均值為-0.575，為輕旱狀態(tài)。生長季內(nèi)平均相對濕潤指數(shù)最大值出現(xiàn)在2003年(為-0.330)，其次是1995年(為-0.342)，最小值出現(xiàn)在2011年(-0.775)，其次是1986年(為-0.739)。由累計距平曲線可見，近38 a來相對濕潤指數(shù)變化經(jīng)歷了4個較明顯階段變化，1980-1986年間呈微弱上升趨勢，相對濕潤指數(shù)增大，表明地表趨于濕潤，1987-1990年間累計距平呈負向增長，相對濕潤指數(shù)減小，即干旱程度加重；1990-2003年間相對濕潤指數(shù)整體呈增加趨勢，表明干旱程度逐漸降低；2003-2017年間累計距平曲線整體呈下降趨勢，說明該時段相對濕潤指數(shù)減小，干旱程度增加。

圖3 1980-2017年烏蘭察布市生長季干旱年際變化Fig.3 Interannual variation of drought in growing season in Ulanqab during 1980-2017

對各年代相對濕潤指數(shù)進行統(tǒng)計，得1980s、1990s、2000s、2010-2017生長季平均相對濕潤指數(shù)分別為：-0.598、-0.534、-0.572、-0.583，呈現(xiàn)變濕-變干趨勢，1990 s干旱程度最低，1980s干旱程度最嚴重。

2.2 生長季各月干旱時空分布特征

2.2.1 生長季各月干旱空間分布

烏蘭察布市生長季各月相對濕潤指數(shù)空間分布如圖4。整體上，干濕狀況的空間分布與全生長季一致，即由南向北相對濕潤指數(shù)逐漸減少，地表越為干旱。從時間變化來看，4月至9月相對濕潤度指數(shù)呈先增大后減小的趨勢，4月最小(-0.95～-0.80)，全市整體處于重旱狀態(tài)，7月和8月相對濕潤指數(shù)較大(-0.75～-0.20)，烏蘭察布市南部地區(qū)(涼城、卓資、豐鎮(zhèn)、察右前旗、集寧、興和大部分地區(qū))為無旱狀態(tài)。平均相對濕潤指數(shù)最大值出現(xiàn)在7月(-0.336)，其中涼城、卓資最為濕潤(分別為-0.193和-0.204)，北部縣區(qū)為輕旱。生長季各月平均相對濕潤指數(shù)由大到小為：7月(-0.336)、8月(-0.360)、9月(-0.500)、6月(-0.625)、5月(-0.787)、4月(-0.843)。

圖4 1980-2017年烏蘭察布市生長季各月相對濕潤指數(shù)空間分布Fig.4 Spatial distribution of relative moisture index of each month in growing season in Ulanqab during 1980-2017

2.2.2 生長季各月相對濕潤指數(shù)變化趨勢

1980-2017年烏蘭察布市生長季各月相對濕潤指數(shù)M-K趨勢檢驗slope值統(tǒng)計見表1。統(tǒng)計量Z為正值表示增加趨勢，負值表示減小趨勢，Z絕對值分別大于等于1.64、2.32時分別表示通過p<0.05、p<0.01的顯著性檢驗[28]。分析可得：8月各縣區(qū)相對濕潤指數(shù)均呈顯著下降趨勢(p<0.05)，表明干旱程度顯著加重，其中涼城、集寧、四子王等地的相對濕潤指數(shù)減小幅度最大(分別以-0.146/10 a、-0.145/10 a、-0.134/10 a的傾向率呈顯著下降)；9月各縣區(qū)的相對濕潤指數(shù)均呈增加趨勢，其中豐鎮(zhèn)、察右前旗、四子王分別以0.086/10 a、0.084/10 a、0.055/10 a的趨勢顯著上升(p<0.05)，其余縣區(qū)呈不顯著增加趨勢。4至7月各縣區(qū)相對濕潤指數(shù)變化均未通過顯著性檢驗。從全生長季來看，大部分地區(qū)相對濕潤指數(shù)整體呈減小趨勢，表明大部分縣區(qū)在生長季呈變干趨勢，其中察右中旗減少趨勢最為顯著(減幅為-0.033/10 a)，其次是商都(減幅為-0.030/10 a)。

表1 1980-2017年烏蘭察布市生長季各月相對濕潤指數(shù)M-K趨勢檢驗slope(10 a-1)/Z值統(tǒng)計表Tab.1 Slope (10 a-1)/Z value statistical table of M-K trend test of relative moisture index in each month of growing season in Ulanqab during 1980-2017

注： “*、**”分別表示變化趨勢通過0.05、0.01的信度檢驗。0 表示slope絕對值小于0.001/(10 a)。

2.3 生長季干濕變化的影響因子分析

某一地區(qū)的相對濕潤指數(shù)主要取決于降水量和潛在蒸散量，而潛在蒸散量與其他氣象要素密切相關，因此，為明確1980-2017年烏蘭察布市生長季相對濕潤指數(shù)變化的氣候成因，采用M-K趨勢檢驗法分析了近38 a來烏蘭察布市生長季各月最高氣溫Tmax、平均氣溫Tmean、最低氣溫Tmin、相對濕度RH、風速U、日照時數(shù)N、降水量P、潛在蒸散量ET0的變化趨勢，傾向率slope/10 a與Z值如表2。從全生長季來看，Tmax、Tmean、Tmin均呈顯著增加趨勢(p<0.01)，分別以0.445 ℃/10 a、0.450 ℃/10 a、0.506 ℃/10 a的趨勢增加，其中Tmin在生長季各月均顯著升高，Tmax在8月增溫速率最大。相對濕度整體以-1.099%/10 a的傾向率呈顯著減小趨勢(p<0.05)，其中8月減小幅度最大(-3.263%/10 a，p<0.01)。風速均呈極顯著下降趨勢(p<0.01)；日照時數(shù)僅8月呈不顯著增加趨勢，其余各月呈現(xiàn)減小趨勢。從整個生長季來看，降水量以-0.874 mm/10 a的傾向率呈不顯著減小趨勢，其中8月降幅最大(-11.625 mm/10 a)。

因為各氣象要素是通過影響ET0而影響相對濕潤指數(shù)的大小，故對標準化處理后的ET0和各氣象要素進行偏相關分析(如表3)。偏相關分析表明，ET0與風速、日照時數(shù)呈顯著正相關(p<0.01)，與風速的相關性最大，偏相關系數(shù)為0.796(p<0.01)；ET0與相對濕度呈顯著負相關(p<0.01)，與Tmean呈顯著正相關(p<0.01)，與Tmax、Tmin相關性不顯著，而降水量沒有參與潛在蒸散量的計算，故偏相關系數(shù)較小。ET0在生長季呈減小趨勢，表明風速、相對濕度、日照時數(shù)的顯著下降對ET0的減小起主要作用，而溫度的顯著上升對ET0的增加作用較弱。因此，通過探討各要素對ET0的影響，可得知對干旱指標的影響，38 a來生長季相對濕潤指數(shù)呈減小趨勢(變干趨勢)，表明降水減少占主導因素，而風速、日照時數(shù)的減小有助于緩解干旱，但不足以填補降水量、相對濕度對干旱加重的作用。

表2 1980-2017年烏蘭察布市生長季各月氣象要素M-K趨勢檢驗slope/(10 a)/Z值統(tǒng)計表Tab.2 Slope /(10 a)/Z value statistical table of M-K trend test of meteorological elements in each month of growing season in Ulanqab

注：“*、**”分別表示變化趨勢通過0.05、0.01的信度檢驗。

2.4 生長季相對濕潤指數(shù)未來變化趨勢

生長季及各月相對濕潤指數(shù)Hurst指數(shù)變化見表4， Hurst指數(shù)均大于或等于0.5，根據(jù)Hurst指數(shù)值H的大小，可將持續(xù)性強度分為5個級別[29]，弱：0.50

表3 潛在蒸散發(fā)ET0與各氣象要素的偏相關系數(shù)表Tab.3 Table of partial correlation coefficient between ET0 and meteorological elements

注：“*、**”分別表示變化趨勢通過0.05、0.01的信度檢驗。

表4 烏蘭察布市生長季及各月slope/(10 a)/Z值與Hurst指數(shù)Tab.4 Slope/(10 a)/Z value and Hurst index in growth season and each month in Ulanqab

注：“*、**”分別表示變化趨勢通過0.05、0.01的信度檢驗。

3 討 論

從生長季多年平均相對濕潤指數(shù)空間分布來看，烏蘭察布市北部干旱程度較嚴重，尤其是四子王旗，其他學者的研究亦表明四子王旗干旱嚴重[30]，該區(qū)域更應該注意防旱抗旱，減少干旱對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的影響。

近38 a來烏蘭察布市生長季有變干趨勢，尤其8月份呈強持續(xù)顯著變干，6-7月呈持續(xù)輕微變干趨勢，可見夏季干旱化嚴重。這與白美蘭等[31]發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古中東部1980s以后夏旱發(fā)生頻率高強度大的結論一致，此外，Huang等[7]研究也表明內(nèi)蒙古1960-2012年夏季干旱越來越嚴重。Hurst指數(shù)表明烏蘭察布市生長季干旱具有持續(xù)性，韓志慧等[32]人基于SPI指數(shù)對內(nèi)蒙古干旱演變特征及趨勢進行了預測，得出SPI序列呈明顯的Hurst現(xiàn)象，亦表明干旱化程度還有可能會持續(xù)一段時間。

近38 a 來烏蘭察布市生長季ET0呈不顯著下降趨勢，其中6月下降最顯著，這主要與風速、相對濕度、日照時數(shù)的下降等有關，溫度的顯著上升并未導致ET0的顯著增加。王瀟瀟等[33]研究表明內(nèi)蒙古大部分地區(qū)風速呈傾向率較大的顯著下降趨勢，且全區(qū)ET0在5、6月下降最為顯著，風速下降是首要因子，而溫度升高對ET0變化有限。此外，劉昌明等[34]在全國流域尺度研究得出1960-2007年風速和太陽輻射呈下降趨勢，其中風速下降趨勢顯著，可見烏蘭察布市近38 a來風速、日照時數(shù)的變化趨勢與全國流域尺度變化一致。有研究表明烏蘭察布市植被有變好態(tài)勢[35]，風速顯著減少可能與生態(tài)工程的實施有關。

本文研究表明烏蘭察布市生長季干旱加劇的主要原因是降水量、相對濕度的減少以及最高氣溫的上升，日照時數(shù)的減小有助于緩解干旱加重。目前關于影響相對濕潤指數(shù)的主要氣象因子已有許多學者在不同區(qū)域進行了探討，不同區(qū)域主導因子存在差異，如強皓凡等[22]對若爾蓋濕地1960-2015年干濕變化的研究表明降水量、相對濕度的減少和日照時數(shù)、潛在蒸散量的增加對干旱趨勢起主要作用，而平均溫度、風速的上升影響較小。

另外，研究中也存在一些不足，本文僅從氣候角度分析烏蘭察布市生長季干旱的時空分布，而真正農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是否發(fā)生干旱還與灌溉條件、作物種類、土壤狀況及地形地勢等因子密切相關[13]，今后需開展更加深入、具體的分析研究。

4 結 論

本文研究發(fā)現(xiàn)，1980-2017年烏蘭察布市生長季相對濕潤指數(shù)空間分布由南向北逐漸遞減，近38 a來生長季干旱狀況表現(xiàn)為：南部地區(qū)表現(xiàn)為輕旱，涼城、卓資、豐鎮(zhèn)等地干旱程度較低，涼城的降水量最大，卓資的ET0最小；北部則為中旱，四子王旗降水量最小，ET0最大，干旱最嚴重；從年際變化來看，生長季相對濕潤指數(shù)呈不顯著下降趨勢，即干旱略呈有加重，其中2011、1986年干旱較嚴重。從生長季各月來看，4月至9月相對濕潤指數(shù)呈先增后減，7月最大，其次是8月，4月最小，其中8月干旱化顯著(p<0.01)，9月、5月呈不顯著變濕趨勢。

近38 a來烏蘭察布市生長季Tmax、Tmean、Tmin均呈顯著上升趨勢，相對濕度、風速、日照時數(shù)呈顯著下降趨勢，降水量、ET0呈不顯著下降趨勢。風速對ET0的影響最大，其次是相對濕度、日照時數(shù)、平均溫度。近38 a來干旱加重的主要原因是降水減少、相對濕度的減小，其次是平均溫的上升，而風速、日照時數(shù)的下降有助于緩解干旱。Hurst指數(shù)顯示烏蘭察布市生長季干旱將持續(xù)一段時間，其中8月呈強持續(xù)顯著變干，9月、5月干旱程度均呈較弱持續(xù)緩解趨勢。