寶樂爾其木格

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

草地是最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，處于草原與荒漠兩大陸地生態(tài)系統(tǒng)之間過渡區(qū)的荒漠草原為草原向荒漠過渡的旱生性草原生態(tài)系統(tǒng)，也是生態(tài)環(huán)境脆弱帶［1-2］。內(nèi)蒙古荒漠草原分布在內(nèi)蒙古高原中部偏西干旱半干旱地區(qū)，主體位于陰山山脈以北的層狀高平原上，東起蘇尼特，西至烏拉特地區(qū)，西北與蒙古國南部的荒漠草原連接成一體，西南經(jīng)黃河阻隔與鄂爾多斯高原中部、西部的暖溫性荒漠草原連接，年降水量平均為150～250 mm，多集中于夏季，春季多干旱，年平均溫度2～5 ℃，7 月均溫19～20 ℃，≥10 ℃積溫2200～2500 ℃，是草原區(qū)向荒漠區(qū)逐步過渡的地帶性植被類型，也因該區(qū)處于季風(fēng)邊緣帶，使其生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化異常敏感［1,3-4］。

內(nèi)蒙古荒漠草原地處干旱半干旱地區(qū)，水分是該地區(qū)植被生長的關(guān)鍵限制因子，而大氣降水是其最主要的水源。在氣候變暖背景下全球降水格局發(fā)生了明顯變化，主要表現(xiàn)在年、季節(jié)降水分配以及極端降水事件（單次降水、降水脈動）等方面［5-8］。降水量的虧缺會引發(fā)干旱，研究者根據(jù)不同領(lǐng)域定義了眾多干旱指數(shù)來分析干旱特征及成因［9］，如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，帕默爾干旱指數(shù)等，并得到了廣泛應(yīng)用［10-11］。

極端氣候的影響會使生態(tài)環(huán)境惡化［12］，極端干旱對生態(tài)系統(tǒng)的植物生理生態(tài)過程、生物多樣性等方面具有重要影響［13］，研究者提出了不同的極端干旱指數(shù)［14-17］，其中連續(xù)無降水日（Dry spell［18-19］）被廣泛應(yīng)用于干旱分析，研究者基于該指數(shù)就不同區(qū)域無降水日數(shù)［20］和連續(xù)無降水日數(shù)［21-26］及最長連續(xù)無降水日［27-28］進(jìn)行了較多分析，有關(guān)環(huán)流條件［29］及其氣候驅(qū)動因子［26］，以及這些降水脈動對干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)［30］及火災(zāi)的影響［31］也做了相關(guān)分析。研究者基于平均連續(xù)無降水日數(shù)和最長連續(xù)無降水日數(shù)利用不同氣候模式對未來干旱趨勢進(jìn)行了預(yù)估［19,22］。關(guān)于我國不同地區(qū)連續(xù)無降水日的分析較多，對其時空分布進(jìn)行了較多研究［20-21,23-29］，亦有結(jié)合連續(xù)降水日進(jìn)行分析［26］，ENSO 和南方濤動指數(shù)與我國連續(xù)無降水日密切相關(guān)［21,26］，華南地區(qū)連續(xù)無降水日與降水量和無降水日密切相關(guān)而與溫度的關(guān)系較弱［23］。

內(nèi)蒙古地區(qū)連續(xù)無降水日主要集中在1～10 d的時段，但近一半的無降水日集中在30 d以上的較長連續(xù)無降水期，說明該地區(qū)因無降水日高度集中而存在較高的干旱風(fēng)險［32］。內(nèi)蒙古荒漠草原位于內(nèi)蒙古中部偏西干旱半干旱區(qū)，年降水量僅為150～250 mm 且降水時間較集中，干旱是其主要降水特征。干旱對農(nóng)業(yè)、生態(tài)的影響不僅體現(xiàn)在降水的多少，也體現(xiàn)在降水量的時間分配，在降水總量變化不明顯的情況下也會出現(xiàn)由于降水時間分配而引起的干旱，因此，對于荒漠草原降水量不是唯一的描述干旱的物理量。兩次降水期間的無降水日數(shù)對降水的分配，土壤水分的變化尤為重要，因此本文選用連續(xù)無降水日數(shù)作為干旱指數(shù)［33-34］進(jìn)行分析，以期為研究氣候變化對荒漠草原區(qū)降水分配格局的影響及水資源的管理提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文降水資料選用國家氣象信息中心提供的1960—2020年內(nèi)蒙古荒漠草原二連浩特、那仁寶力格、滿都拉、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、朱日和、烏拉特中旗、白云鄂博、達(dá)茂旗9個氣象站的逐日降水資料（表1）。微量降水和純霧、露、霜記為無雨日。850 hPa 和500 hPa 高度場的月和多年平均高度、溫度、相對濕度、風(fēng)資料均為美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）/美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的分辨率為2.5°×2.5°的再分析資料。

表1 研究區(qū)站點位置信息Tab.1 Locations of the stations in the study area

1.2 研究方法

本文定義降水事件（Precipitation event，PE）：1 d及以上連續(xù)出現(xiàn)降水的過程記為一次降水事件［35］。降水事件參數(shù)如下：降水事件次數(shù)（Number of precipitation event，NPE）；降水事件平均持續(xù)日數(shù)（Mean length of precipitation event，MPE）；降水事件最大持續(xù)日數(shù)（Maximum length of precipitation event，MLPE）。與降水事件相對應(yīng)，本文將1 d及以上無降水記錄的連續(xù)日記為一次連續(xù)無降水事件（Dry spell，DS）。本文選用3 個連續(xù)無降水事件參數(shù)：連續(xù)無降水事件次數(shù)（Number of dry spell days，NDS），連續(xù)無降水事件平均持續(xù)日數(shù)，簡稱平均持續(xù)日數(shù)（Mean length of dry spell，MDS），連續(xù)無降水事件最大持續(xù)日數(shù)，簡稱最大持續(xù)日數(shù)（Maximum length of dry spell，MLDS）進(jìn)行分析。將連續(xù)無降水事件和降水事件的首日確定為本次連續(xù)無降水事件和降水事件發(fā)生日期。

本文采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法和區(qū)域平均法分析降水動態(tài)，如圖1所示，所有站點總降水量之間的相關(guān)系數(shù)均為正值且均通過95%的顯著性檢驗，研究區(qū)站點之間降水相關(guān)性大，差異性小，因此本文區(qū)域平均取9個站點的算數(shù)平均值。

圖1 1960—2020年研究區(qū)不同站點年降水量相關(guān)系數(shù)矩陣Fig.1 Correlation coefficient matrix of annual precipitation at different stations in the study area during 1960—2020

采用合成分析方法分析極端事件年份環(huán)流特征，本文選取1979年8月7—14日：近61 a持續(xù)時間最長連續(xù)降水事件（8 d），2007 年8 月9—31 日：近61 a 最長連續(xù)無降水日（23 d）2 個時段進(jìn)行環(huán)流合成分析。降水的發(fā)生通常是由大氣中的水汽遇到上升氣流或抬升條件、冷卻凝結(jié)降落地面形成的，因此，降水發(fā)生異常應(yīng)包括2個方面的原因：一是水汽輸送異常，二是上升動力條件異常。850 hPa是重要的水汽輸送層，500 hPa是提供動力上升運(yùn)動背景環(huán)流條件的關(guān)鍵層［36］，因此本文選取這2 個氣層分析其環(huán)流特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)無降水事件季節(jié)分配特征

本文將連續(xù)無降水事件和降水事件首日出現(xiàn)的月份記為該事件發(fā)生的月份。由圖2a看出，連續(xù)無降水事件次數(shù)年內(nèi)分布呈單峰型，最大值出現(xiàn)在7月（平均6.1次），向兩側(cè)逐漸減小，10—12月，1—4月出現(xiàn)次數(shù)在2～3次左右，連續(xù)無降水事件主要集中在5—9月，也是植物生長季節(jié)，夏季多，春、秋、冬季少，集中在降水季。連續(xù)無降水事件平均持續(xù)日數(shù)年內(nèi)分布與次數(shù)呈相反，7月最短（3.6 d），向兩端平均持續(xù)日數(shù)逐漸增大，1 月出現(xiàn)最大值（18.2 d），因此，夏季雖然連續(xù)無降水事件次數(shù)多，但以短期連續(xù)無降水事件為主，而其他季節(jié)雖然連續(xù)無降水事件次數(shù)少，但是單次連續(xù)無降水事件持續(xù)時間較長，特別在秋季10月尤為顯著。連續(xù)無降水事件最大持續(xù)日數(shù)的季節(jié)分配與平均持續(xù)日數(shù)基本一致，夏季最短，最大持續(xù)日數(shù)比平均持續(xù)日數(shù)平均大約5 d，年內(nèi)最大持續(xù)日數(shù)峰值亦出現(xiàn)在10 月和1 月，分別為25.2 d 和25.0 d。連續(xù)無降水事件年內(nèi)分配表明，降水集中的夏季，降水間隔短、短期連續(xù)無降水事件頻率較高，降水少的季節(jié)，降水事件間隔期長，連續(xù)無降水事件次數(shù)少。

研究區(qū)位于內(nèi)陸季風(fēng)邊緣區(qū)，降水主要受東亞夏季風(fēng)環(huán)流影響，降水集中在夏季（圖2b）。與連續(xù)無降水事件相比，無論是降水事件次數(shù)、降水事件最大持續(xù)日數(shù)還是降水事件平均持續(xù)日數(shù)在年內(nèi)均呈單峰型分布，均在夏季達(dá)到峰值，向兩側(cè)逐漸減小。降水事件次數(shù)夏季最多，最大值在7月，可達(dá)6.1次，最少在冬季1月和2月（2.3次）。降水事件平均持續(xù)日數(shù)的分布也呈單峰型，最高值亦出現(xiàn)在7月（1.8 d），降水事件最大持續(xù)日數(shù)也呈類似分布，最大值出現(xiàn)在7 月（3.3 d），且最大持續(xù)日數(shù)與平均持續(xù)日數(shù)差在夏季最大（約2 d），而其他季節(jié)則小于1.0 d。

圖2 1960—2020年連續(xù)無降水事件和連續(xù)降水事件次數(shù)、平均持續(xù)日數(shù)和最大持續(xù)日數(shù)的年內(nèi)分布Fig.2 Annual distributions of NDS,MDS,MLDS,NPE,MPE,and MLPE during 1960—2020

降水事件在內(nèi)蒙古荒漠草原年內(nèi)分配為夏季出現(xiàn)連續(xù)無降水事件和降水事件最多，短期連續(xù)無降水事件和較長期降水事件是夏季降水格局的主要特征，長期連續(xù)無降水事件和短期降水事件是其他季節(jié)的主要降水格局。

2.2 連續(xù)無降水事件年際變化特征

由1960—2020 年研究區(qū)連續(xù)無降水日事件4個參數(shù)時間序列（圖3）可知，年總無降水日數(shù)呈明顯的年際變化（圖3a），年均無降水日數(shù)為304.1 d·a-1，最多有342.2 d（2001 年），最少有270.6 d（1967 年），近61 a 年總無降水日數(shù)沒有明顯的變化趨勢（圖3a）。近61 a年均連續(xù)無降水事件次數(shù)為39.6次·a-1，最少為30.6 次（2007 年），最多為49.1 次（2003 年），20 世紀(jì)60 年代有較強(qiáng)的年際變化，2005—2020 年有明顯的上升趨勢（通過90%的顯著性檢驗），而與之相反的是平均持續(xù)日數(shù)（圖3c），在近16 a（2005—2020 年）呈顯著下降趨勢（通過95%的顯著性檢驗），說明近16 a短期連續(xù)無降水事件顯著增加，特別是單日無降水事件增加顯著（圖略）。年均連續(xù)無降水事件平均持續(xù)日數(shù)（圖3c）為8.0 d·a-1，最小為6.0 d（1964年），最大為11.1 d（2007年），與連續(xù)無降水事件次數(shù)對應(yīng)2005—2020 年平均持續(xù)日數(shù)有明顯的下降趨勢（通過95%的顯著性檢驗）。近61 a年均無降水事件最大持續(xù)日數(shù)（圖3d）為43.7 d·a-1，最小值為26.4 d（1991年），最大值為67.0 d（1965年），呈不顯著的下降趨勢。

圖3 1960—2020年年總無降水日數(shù)、連續(xù)無降水事件次數(shù)（NDS）、平均持續(xù)日數(shù)（MDS）和最大持續(xù)日數(shù)（MLDS）時間序列Fig.3 Time series of annual total non-precipitation days,NDS,MDS,and MLDS during 1960—2020

圖4 給出了連續(xù)無降水事件次數(shù)，平均持續(xù)日數(shù)，最大持續(xù)日數(shù)在不同值域的分布密度。連續(xù)無降水事件次數(shù)和平均持續(xù)日數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為-0.91，通過99%的顯著性檢驗）（圖4a），平均持續(xù)日數(shù)越大則連續(xù)無降水事件出現(xiàn)的次數(shù)越小，從2個參數(shù)散點分布看，密度最大值在平均持續(xù)日數(shù)6～8 d和次數(shù)40次左右時，出現(xiàn)次數(shù)約100次以上，平均持續(xù)日數(shù)在8～10 d 和次數(shù)30～40 次出現(xiàn)的次數(shù)約在80～100 次左右。平均持續(xù)日數(shù)和最大持續(xù)日數(shù)的分布（圖4b）可知，最大持續(xù)日數(shù)和平均持續(xù)日數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.61（通過99%的顯著性檢驗），最大持續(xù)日數(shù)為30～50 d 時平均持續(xù)日數(shù)在6.5～8 d 出現(xiàn)的次數(shù)最多，為80 次以上，最大持續(xù)日數(shù)為20～30 d 時平均持續(xù)日數(shù)在5～8 d 的密度最大，約為70～80 d。連續(xù)無降水事件次數(shù)在40 d左右時最大持續(xù)日數(shù)在35～45 d的次數(shù)最多，約60次以上（圖4c）。年平均持續(xù)日數(shù)和最大持續(xù)日數(shù)均與連續(xù)無降水事件次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)分別為-0.91 和-0.51，均通過99%的顯著性檢驗）（表2）。

表2 連續(xù)無降水事件參數(shù)相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of different dry spell parameters

圖4 連續(xù)無降水事件次數(shù)（NDS）、平均持續(xù)日數(shù)（MDS）和最大持續(xù)日數(shù)（MLDS）散點密度分布Fig.4 Scattered density distributions of NDS,MDS and MLDS

2.3 連續(xù)無降水日和連續(xù)降水日環(huán)流特征對比分析

本文選取1979 年8 月7—14 日：近61 a 持續(xù)時間最長的連續(xù)降水事件（8 d），2007年8月9—31日：近61 a 最長連續(xù)無降水日（23 d）2 個時段進(jìn)行環(huán)流合成分析。

從500 hPa 平均場（圖5a）看出，2007年8月9—31 日期間研究區(qū)上游中高緯度地區(qū)氣流反氣旋性彎曲增加，研究區(qū)風(fēng)向由西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西北風(fēng)，西太平洋副熱帶高壓也有增強(qiáng)，但其位置變化不大，對研究區(qū)降水影響不明顯。結(jié)合距平場，中高緯度地區(qū)為大范圍的暖異常，研究區(qū)位于反氣旋性異常南部（圖5b）。而在1979 年，500 hPa 環(huán)流較2007 年有明顯差異，1979 年8 月7—14 日平均經(jīng)向環(huán)流明顯加強(qiáng)（圖5e），中低緯度的反氣旋性環(huán)流明顯增強(qiáng)，中高緯度研究區(qū)上游為較強(qiáng)的偏北偏西氣流，南下的西風(fēng)、北風(fēng)與低緯度反氣旋性環(huán)流西側(cè)北上的偏南氣流在研究區(qū)匯合，形成降水形成的有利環(huán)流條件。1979年距平場（圖5f）與2007年差異顯著，溫度異常呈南北對稱分布，30°～40°N 為暖異常，而在研究區(qū)以北的地區(qū)為較強(qiáng)的冷異常，溫度異常增強(qiáng)了環(huán)流異常，使得中高緯度環(huán)流波動性增強(qiáng)，槽脊東移頻繁，上升運(yùn)動偏多，導(dǎo)致降水偏多。多年平均溫度隨緯度遞減，除了低緯度地區(qū)，其他地區(qū)未出現(xiàn)明顯的冷暖中心，環(huán)流基本呈緯向分布（圖5c）。注：NDS、MDS、MLDS 分別為連續(xù)無降水事件次數(shù)、平均持續(xù)日數(shù)、最大持續(xù)日數(shù)；*表示通過99%的顯著性檢驗。下同。

圖5 500 hPa環(huán)流平均場和距平場Fig.5 Mean and anormal circulation fields at 500 hPa

由850 hPa環(huán)流場看出（圖6），與500 hPa類似，2007年研究區(qū)及以北地區(qū)為較強(qiáng)的暖異常，1979年850 hPa 也與500 hPa 類似，中高緯度為南北對稱的冷暖異常（溫度場略），使得東西伯利亞地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)氣旋性環(huán)流，與之對應(yīng)的我國近海環(huán)流反氣旋性環(huán)流加強(qiáng)西伸，研究區(qū)位于其西側(cè)偏南氣流中形成有利于水汽輸送和降水形成的動力條件。由相對濕度分布看出，2007年研究區(qū)相對濕度出現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)異常（6b），相對濕度較常年偏低，而1979 年研究區(qū)相對濕度為正異常（圖6f），相對濕度較常年增加明顯，有利于降水。

圖6 850 hPa環(huán)流平均場和距平場Fig.6 Mean and abnormal circulation fields at 850 hPa

3 討論

本文以內(nèi)蒙古荒漠草原區(qū)，亦是典型的生態(tài)脆弱區(qū)為研究區(qū)域，對連續(xù)無降水事件的發(fā)生次數(shù)、平均持續(xù)日數(shù)和最大持續(xù)日數(shù)特征進(jìn)行了分析。前人就不同區(qū)域連續(xù)無降水日［20,23,29,33］及最長連續(xù)無降水日和有效降水［21,24,28,37］進(jìn)行了研究，其中最長持續(xù)無降水日數(shù)作為干旱指數(shù)而受到廣泛關(guān)注，而對連續(xù)無降水事件出現(xiàn)次數(shù)和平均持續(xù)日數(shù)的關(guān)注較欠缺。本文利用長序列的降水資料從連續(xù)無降水事件出現(xiàn)次數(shù)、平均持續(xù)日數(shù)和最大持續(xù)日數(shù)3個方面進(jìn)行了統(tǒng)計分析，就年內(nèi)分布來看，夏季該地區(qū)降水以短連續(xù)無降水事件和長連續(xù)降水事件為主要特征，而其他季節(jié)則相反。內(nèi)蒙古荒漠草原連續(xù)無降水事件3個參數(shù)在近61 a有明顯的年際變化，出現(xiàn)次數(shù)和平均持續(xù)日數(shù)在近16 a（2005—2020年）有顯著的變化，平均持續(xù)日數(shù)在顯著減小，其背后的機(jī)理問題值得深入研究。

4 結(jié)論

本文基于近61 a內(nèi)蒙古荒漠草原氣象站逐日降水觀測資料分析了該地區(qū)連續(xù)無降水事件氣候特征及氣候變化特征，得出以下主要結(jié)論：

（1）內(nèi)蒙古荒漠草原降水年內(nèi)分配為夏季出現(xiàn)連續(xù)無降水事件和降水事件最多，短期連續(xù)無降水事件和較長期降水事件相間出現(xiàn)是夏季降水的主要格局，長期連續(xù)無降水事件和短期降水事件則是其他季節(jié)的主要降水格局。

（2）研究區(qū)年均無降水日數(shù)為304.1 d·a-1，年均連續(xù)無降水事件次數(shù)為39.6 次·a-1，年均連續(xù)無降水事件平均持續(xù)日數(shù)為8.0 d·a-1，年均連續(xù)無降水事件最大持續(xù)日數(shù)為43.7 d·a-1。近61 a 年總無降水日數(shù)變化不顯著，但2005—2020年連續(xù)無降水事件次數(shù)顯著增加而平均持續(xù)日數(shù)則顯著下降，這段時間短期，特別是單日無降水事件次數(shù)顯著增多。

（3）研究區(qū)連續(xù)無降水事件出現(xiàn)次數(shù)多集中在40 次·a-1左右，平均持續(xù)日數(shù)以6～8 d 為最多，最大持續(xù)日數(shù)以30～50 d 為最多；年平均持續(xù)日數(shù)和最大持續(xù)日數(shù)均與連續(xù)無降水事件次數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而平均持續(xù)日數(shù)和最大持續(xù)日數(shù)呈顯著的正相關(guān)。

（4）持續(xù)較長連續(xù)無降水事件期間對流層中高層有明顯的溫度、濕度和高度異常。較長連續(xù)無降水事件期間，500 hPa中高緯度出現(xiàn)大范圍暖異常和反氣旋性異常，而在850 hPa 西太平洋副熱帶高壓西伸北進(jìn)，相對濕度出現(xiàn)負(fù)異常，不利于形成降水。

對于干旱半干旱地區(qū)來說，水分是植被生長的主要限制因子，而降水作為該地區(qū)水分主要來源，其在時間上的分配格局對有限水分的利用至關(guān)重要，從本文研究結(jié)果看，內(nèi)蒙古荒漠草原地區(qū)降水格局在近61 a有顯著變化，這種變化對土壤濕度、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)系統(tǒng)帶來什么樣的影響是值得深入研究的問題。