趙怡卿

內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市氣象局，內(nèi)蒙古包頭 014030

包頭市地處內(nèi)蒙古高原中部，內(nèi)有農(nóng)田、濕地、草原、河流、森林等多種生態(tài)系統(tǒng)，是我國(guó)北疆生態(tài)安全屏障的組成部分。此處是典型的干旱、半干旱氣候區(qū)域，生態(tài)環(huán)境脆弱，是荒漠化生態(tài)環(huán)境治理的關(guān)注區(qū)域。造成土地荒漠化的原因較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在氣候和人為2個(gè)因素上。為了減輕人為因素對(duì)荒漠化的影響，近年來(lái)包頭市施行了多項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)工程，如在大青山南坡進(jìn)行綠化、在山北牧區(qū)開(kāi)展圍封禁牧、實(shí)行黃河濕地保護(hù)等措施。

研究表明，氣候逐漸成為土地荒漠化的主要原因[1-3]。針對(duì)荒漠區(qū)氣候變化研究，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者得出了相似結(jié)論，如賈艷青等[4]、Liu等[5]都認(rèn)為中國(guó)西北地區(qū)、青藏高原及內(nèi)蒙古地區(qū)呈現(xiàn)濕潤(rùn)化趨勢(shì)，而華北地區(qū)呈現(xiàn)變干趨勢(shì)。這些分析都基于濕潤(rùn)度指數(shù)對(duì)區(qū)域干濕狀況的計(jì)算評(píng)價(jià)。濕潤(rùn)度因計(jì)算方便，需要資料少，是目前常用的氣候變化干濕表征指標(biāo)，能客觀反映區(qū)域干濕狀況[6]。此處利用濕潤(rùn)度指數(shù)對(duì)包頭市1980—2022年干濕變化的時(shí)空特征進(jìn)行分析。近43年來(lái)，包頭市在作物生長(zhǎng)季內(nèi)干旱氣候區(qū)呈現(xiàn)緩慢變干趨勢(shì)，半干旱區(qū)氣候區(qū)呈現(xiàn)緩慢變濕趨勢(shì)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

受山脈地形的影響，包頭市總體呈現(xiàn)中間高、南北低的分布特征，中部山岳地帶海拔1 200～2 300 m，北部丘陵高原海拔1 410～1 600 m。境內(nèi)山地占14.5%，丘陵草原占75.5%，平原占10%。全市總面積27 570 km2，地理跨越109°15′12″～111°26′25″E，40°14′56″～42°43′49″N。圖1為包頭市100 m×100 m高程圖，從中可以看出三大地貌的分布。

圖1 包頭市100 m×100 m高程圖

1.2 資料來(lái)源

利用包頭市具有較長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間序列的7個(gè)國(guó)家站1980—2022年逐月濕潤(rùn)度進(jìn)行空間、時(shí)間變化特征分析，濕潤(rùn)度采用“內(nèi)蒙古三級(jí)智慧農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺(tái)”計(jì)算結(jié)果。平臺(tái)算法依據(jù)中國(guó)氣象局《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范》進(jìn)行最小為月尺度的濕潤(rùn)度計(jì)算[7]。公式為：

式(1)中，HI表示濕潤(rùn)度指數(shù)，P表示降水量，ET表示潛在蒸散量，ET的計(jì)算采用FAO Penman-Monteith方法。

地理信息數(shù)據(jù)來(lái)源于100 m×100 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)。

1.3 研究方法

1.3.1 濕潤(rùn)度的空間計(jì)算主要研究植被生長(zhǎng)季內(nèi)濕潤(rùn)度的空間分布及其隨時(shí)間變化，將4—10月濕潤(rùn)度平均值作為年平均濕潤(rùn)度。將全市7個(gè)國(guó)家站1980—2022逐年平均濕潤(rùn)度與各站所在地的經(jīng)度、緯度、海拔，利用SPASS軟件進(jìn)行多元回歸，得到關(guān)系式：

式(2)中，HI表示濕潤(rùn)度，x表示緯度，y表示經(jīng)度，h表示海拔。關(guān)系式中，決定系數(shù)R=0.624，通過(guò)顯著性水平0.05檢驗(yàn)。

根據(jù)關(guān)系式(2)，在ArcGIS中以高程圖為基礎(chǔ)，進(jìn)行字段計(jì)算、轉(zhuǎn)柵格等空間計(jì)算，得到1980—2022年濕潤(rùn)度的空間分布。

1.3.2 Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，不要求樣本遵從一定分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)便，構(gòu)造正序列UFk、逆序列UBk統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)即可判斷序列變化趨勢(shì)和突變。若UFk或UBk值＞0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，若UFk或UBk值＜0則表明序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過(guò)臨界直線(xiàn)時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。超過(guò)臨界線(xiàn)的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFk和UBk曲線(xiàn)出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線(xiàn)之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始時(shí)間，若出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，需要用其他方法檢驗(yàn)。

1.3.3 滑動(dòng)t 檢驗(yàn)滑動(dòng)t檢驗(yàn)是將樣本序列中2段子序列均值有無(wú)顯著差異作為2個(gè)總體均值有無(wú)顯著差異的問(wèn)題進(jìn)行檢驗(yàn)。如果2段子序列的均值差異超過(guò)了一定顯著水平，即有突變發(fā)生。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤(rùn)度的空間分布

按照關(guān)系式(2)，在ArcGIS中通過(guò)空間計(jì)算得到如圖2所示的濕潤(rùn)度空間分布，全市濕潤(rùn)度大致在0.1～0.4之間。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)關(guān)于在發(fā)生嚴(yán)重干旱和/或荒漠化的國(guó)家，特別是在非洲防治荒漠化公約》制定的中國(guó)干濕氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，將0.03＜HI＜0.2劃分為干旱氣候區(qū)，0.2＜HI＜0.5劃分為半干旱氣候區(qū)[8]?？芍?，包頭市作物生長(zhǎng)季存在干旱和半干旱2種氣候區(qū)，分界線(xiàn)大致在達(dá)茂旗中部東北—西南走向的地帶；濕潤(rùn)度在全市范圍呈現(xiàn)西北向東南逐漸增大的趨勢(shì)，濕潤(rùn)度最高的區(qū)域?yàn)槭袇^(qū)、土右旗和固陽(yáng)縣的東南部分地區(qū)，濕潤(rùn)度最低的區(qū)域?yàn)檫_(dá)茂旗北部邊緣地區(qū)。

圖2 包頭市1980—2022年4—10月平均濕潤(rùn)度指數(shù)的空間分布

鞏杰等[9]曾在黃河流域氣候干濕狀況變化中指出，相較于潛在蒸散發(fā)，黃河流域濕潤(rùn)度對(duì)降水量的敏感性更高。此處對(duì)全市7個(gè)國(guó)家站濕潤(rùn)度與潛在蒸散發(fā)、降水量分別進(jìn)行了相關(guān)分析，月濕潤(rùn)度與月降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92，呈現(xiàn)高度相關(guān)；月濕潤(rùn)度與月蒸散量的相關(guān)系數(shù)僅為-0.16，呈現(xiàn)弱相關(guān)。

2.2 濕潤(rùn)度的時(shí)間變化

濕潤(rùn)度的空間分布表明干旱氣候區(qū)集中在達(dá)茂旗北部的大部地區(qū)，除此之外的其余地區(qū)均為半干旱氣候區(qū)。按照濕潤(rùn)度＜0.2的干旱區(qū)，濕潤(rùn)度為0.2～0.3半干旱區(qū)和濕潤(rùn)度＞0.3的半干旱區(qū)，分別進(jìn)行代表站點(diǎn)的時(shí)間趨勢(shì)變化分析和M-K趨勢(shì)突變檢驗(yàn)。

2.2.1 干旱氣候區(qū)濕潤(rùn)度年際變化干旱氣候區(qū)1980—2022年4—10月逐年平均濕潤(rùn)度線(xiàn)性趨勢(shì)傾向率為平均每10年變干0.002(圖3)。

圖3 干旱氣候區(qū)濕潤(rùn)度的年際變化

2.2.2 半干旱氣候區(qū)濕潤(rùn)度年際變化濕潤(rùn)度為0.2～0.3半干旱氣候區(qū)1980—2022年4—10月逐年平均濕潤(rùn)度線(xiàn)性趨勢(shì)傾向率為平均每10年變濕0.006(圖4)。

圖4 濕潤(rùn)度為0.2～0.3半干旱氣候區(qū)干濕的年際變化

濕潤(rùn)度達(dá)到0.3以上半干旱氣候區(qū)1980—2022年4—10月逐年平均濕潤(rùn)度線(xiàn)性趨勢(shì)傾向率為平均每10年變濕0.009(圖5)。

圖5 濕潤(rùn)度＞0.3半干旱氣候區(qū)干濕的年際變化

2.3 濕潤(rùn)度突變分析

濕潤(rùn)度隨時(shí)間的變化在干旱氣候區(qū)表現(xiàn)為緩慢變干，半干旱氣候區(qū)表現(xiàn)為緩慢變濕，可通過(guò)M-K法判斷是否存在趨勢(shì)突變。

2.3.1 干旱氣候區(qū)突變檢驗(yàn)干旱氣候區(qū)選取滿(mǎn)都拉站作為代表站進(jìn)行M-K檢 驗(yàn)，曲線(xiàn)在1991、2005、2009、2011年出現(xiàn)交點(diǎn)，需借用其他檢驗(yàn)方法確定突變是否可信(圖6)。換做滑動(dòng)t檢驗(yàn)(步長(zhǎng)為10年)重新判斷，結(jié)果顯示研究時(shí)段內(nèi)并無(wú)突變產(chǎn)生(圖7)，變干趨勢(shì)較為平緩。

圖7 滿(mǎn)都拉站濕潤(rùn)度t檢驗(yàn)

2.3.2 半干旱氣候區(qū)突變檢驗(yàn)濕潤(rùn)度為0.2～0.3半干旱氣候區(qū)選擇固陽(yáng)站進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，在濕潤(rùn)度為0.3以上半干旱氣候區(qū)選擇土右站進(jìn)行M-K檢驗(yàn)。在95%的置信區(qū)間內(nèi)，固陽(yáng)站(圖8)和土右站(圖9)均不存在突變。

3 討論與小結(jié)

濕潤(rùn)度是表征一個(gè)地區(qū)干濕狀況的指標(biāo)，同一地區(qū)不同季節(jié)的干濕狀態(tài)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。不同的蒸散發(fā)計(jì)算方法也可能導(dǎo)致不同的濕潤(rùn)度指數(shù)值?；贔AO Penman-Monteith蒸散的濕潤(rùn)度計(jì)算發(fā)現(xiàn)，濕潤(rùn)度對(duì)降水的敏感度更高，其相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)；空間分布上呈現(xiàn)西北向東南方向逐漸增大的趨勢(shì)；在年際變化上，半干旱氣候區(qū)呈現(xiàn)緩慢變濕趨勢(shì)，濕潤(rùn)度越高的地區(qū)變化越明顯，M-K法檢驗(yàn)證實(shí)了此種變化趨勢(shì)是平緩無(wú)突變的。