近60 a 來內蒙古降水量時空變化分析

于本金，春喜，2

（1.內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.蒙古高原氣候變化與區域響應高校重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022）

降水量是重要的氣候要素之一，對陸地水循環和自然環境的形成具有重要作用［1］。在20 世紀后半葉，全球超過60% 的陸地降水量減少［2］，特別是亞洲內陸干旱區下降趨勢十分明顯［3］，呈現出“干旱地區更干旱”的特點［4］。氣候模擬結果表明，隨著全球氣溫升高，中亞未來降水量的變化將出現增長趨勢［5］，即表現出“干旱地區變濕”的特點［6］。也有研究指出，全球約四分之三的陸地無法檢測到強烈的干旱變化，只有約10.8% 的地區呈現“干旱地區更干，濕潤地區更濕”的格局，而9.5% 的地區則表現出相反的特點［7］。

近60 a 來中國100°E 以西地區的年降水量普遍增多，西北地區增多10% 以上，其中塔里木河、伊犁河上游增多達30% 以上［8］，同時，西北地區氣候表現為從暖干轉向暖濕的模態［9］。中國100°E 以東地區干旱化趨勢顯著，主要分布在東北、華北和內蒙古自治區中西部地區，降水量比20 世紀60—70 年代偏少10%以上［10］，導致北方半干旱區快速擴展［11］。由于中國西部干旱區和東部半濕潤區的轉移［12］，導致干旱化面積擴大，進而引發土地荒漠化、生產力下降、人口遷移、生態環境惡化等問題。綜上所述，處于中國半濕潤半干旱的華北和東北地區干旱化趨勢明顯，而西北地區則向暖濕轉變，似乎出現半濕潤半干旱地區變干，而干旱地區變濕的跡象。

內蒙古自治區地域遼闊，東西跨度約2 400 km，地處干旱半干旱氣候過渡帶，其降水量的時空格局對全球變化的響應極為敏感；降水量分布不均，東多西少［13］，且具有明顯的季節性差異［14］。以降水量為主要誘因引起的全區干濕變化直接影響到農林牧業的生產發展，對其研究有利于深入理解全區氣候生態環境，并對水資源優化利用及改善具有重要的指導作用［15］。全區東部在20 世紀80 年代初降水量驟增，90 年代中后期發生突變后減少，而西部在20 世紀80 年代中期發生突變后驟增［16］，也有研究指出突變前后在區域尺度上無明顯變化［17］。由于內蒙古自治區降水量的變化主要受環流系統控制［18］，即西部為西風影響，東部和東南部則多為季風控制［19］，其降水量影響機制更為復雜，區域尺度上降水量突變及其可能的機制研究和對干濕變化的探討成為迫切需要解決的問題。鑒于此，本文通過對內蒙古自治區年季尺度上降水量的變化過程及時空格局的定量研究，探討季風邊緣區的變化特征及其機制。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

選取1960—2018 年內蒙古101 個氣象觀測站點的逐月降水量數據，來自http：//data.cma.cn。NCEP/NCAR 再分析資料主要來自https：//psl.noaa.gov。為了確保各站點數據具有同步和時間上的一致性，剔除缺測過多的站點，并對少量缺測數據使用鄰近站點進行插補，以保證其完整性和對比性。依據《中國氣象地理區劃手冊》將內蒙古自治區劃分為東部、中部和西部地區［20］。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall 突變檢驗 Mann-Kendall 突變檢驗（簡稱MK）是由世界氣象組織提出的理論基礎較強且應用于時間序列分析較多的一種突變性檢驗方法，具有檢驗范圍寬、定量化程度高、人為干擾少等優點，已經被廣泛運用于檢驗氣象資料的突變點分析。統計量定義為

UF1=0，E(Sk)、var(Sk)分別為累計數Sk的均值和方差。使UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。如果UFk和UBk兩條曲線交點位于置信區間內，則交點對應時刻就是突變開始時刻。但用上述方法檢驗時，需去除多余的雜點［21］。本文以MK 結果中的可能突變點為基準點，結合滑動T檢驗結果相互論證，增強分析結果的可信度。

1.2.2 滑動T檢驗 滑動T檢驗通過連續變動基準點前后子序列的長度，檢驗兩組隨機樣本平均值有無顯著性差異，進而來判斷序列的突變?，F已被大量應用于氣候突變分析。統計量定義為

t服從自由度為v=n1+n2-2 的t分布。該方法計算簡便，結果直觀，并避免了子序列選擇的人為干擾，從而增強結果的可靠性［21］。

1.2.3 小波分析 小波分析是在傅立葉變換的基礎上引入窗口函數，小波變換基于仿射群的不變性，允許把一個時間序列分解為時間和頻率的貢獻，它對于分析時間序列在不同尺度的演化特征十分有效。其定義為：設φ(t)為一平方可積函數，即φ(t)∈L2(R)，若其傅立葉變換ψ(ω)滿足允許條件

則φ(t)稱為一個基本小波或小波母函數。將小波函數φ(t)進行伸縮和平移，得到連續小波φa，τ(t)，對于任意函數f(t)∈L2(R)的連續小波變換為

其中：a是尺度因子；τ為平移因子；Wf(a，τ)稱為小波系數［22］。

2 結果分析

2.1 年和季節變化

近60 a 來內蒙古自治區降水量以0.56 mm/10 a 的速率緩慢上升，平均值為330.1 mm。平均值以上年份占總數的54.2%，平均值以下年份占45.8%（圖1）。全區降水量呈西部、東北局部上升，中部和東部大部分地區下降的格局。其中58.4% 的站點呈上升趨勢，主要集中在東北部和西部地區，最大值位于呼倫貝爾市鄂倫春自治旗，為19.10 mm/10 a（P＜0.05）。另外41.6% 的站點呈下降趨勢，主要集中在東北部的呼倫貝爾市、東南部及中部地區，最小值位于興安盟扎賚特旗，為-13.37 mm/10 a。降水量不僅東西差異大，而且年際變化也巨大。其中扎蘭屯市變幅最大，最高和最低值分別出現在1998 年和2001 年，相差899.6 mm。春季平均降水量為45.3 mm，傾向率為0.03 mm/10 a（P＜0.05），自西北向東南呈負-正的格局，最大值為5.6 mm/10 a，位于莫力達瓦旗（P＜0.05）；最小值為-2.2 mm/10 a，位于巴彥淖爾市烏拉特前旗。夏季傾向率為-0.02 mm/10 a，平均降水量為214.9 mm，其空間格局與年相近，但下降幅度較大，在東部地區極為明顯。呼倫貝爾市鄂倫春自治旗值最大，為12.6 mm/10 a（P＜0.05）；科爾沁右翼中旗高力板鎮值最小，為-17.6 mm/10 a。秋季平均降水量為57.3 mm，傾向率為0.02 mm/10 a，空間上呈現邊緣減少、中間增加的格局，最大值位于扎蘭屯市，為12 mm/10 a；最小值位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗，為-5.9 mm/10 a。冬季降水量傾向率為0.03 mm/10 a，其空間上自西南向東北呈負-正的格局。降水量的季節分配極不均勻，春、夏、秋及冬季占全年比重分別為13.7%、66.9%、17.4% 和2%，主要集中在夏季。

圖1 內蒙古年和四季平均降水量時空分布Fig.1 Spatiotemporal distribution of annual and seasonal average precipitation in Inner Mongolia

2.2 突變分析

MK 和T檢驗的結果同中有異。兩種方法在年際尺度上均存在突變點1998 年和2011 年，但T檢驗出現突變點1989 年，MK 沒有檢驗到。資料分析可知，年降水量在1989 年前后存在明顯由少到多的變化，因此確定其為真實突變點（圖2）。年突變點將近60 a 分成四個時段，各時段分別相差36.6 mm、-69.7 mm和66.9 mm，構成了少-多-少-多的過程。其中在1990—1998 年間平均值最高，主要由于1998 年降水量驟增導致該時段均值增加；而在1999—2011 年間則最為干旱，較前一時段減少了19.1%。春季突變點為1975 年和1997 年，三個時段構成少-少-多的過程。夏季與年的突變點、時段與過程均相同，各時段分別相差31.2 mm、-71.1 mm 和45.2 mm。秋季突變點為1967 年和2011 年，過程與春季相同。冬季突變點為1983 年。為了更清晰的甄別突變的區域分布，選取38 個典型站點（包括東西部各13 個，中部12 個）進行分析。49.7% 的典型站點年和夏季的突變點具有重合性（圖略），重合率最高的突變點出現在2011 年左右，占比為37.8%。綜上，1965 年和2011 年左右在西部、中部年和夏季突變點中占比最高，分別為32.1%和26.4%、34% 和29.8%，1998 年和2011 年左右在東部占比最高，分別為30.6% 和32.7%。

圖2 內蒙古年和夏季降水量的MK 突變及滑動T 檢驗Fig.2 Mann-Kendall test and sliding T test for annual and summer precipitation in Inner Mongolia

200 mm 和400 mm 等降水量線大致呈東北-西南走向（圖3）。200 mm 等降水量線擺動幅度較小，在1999—2011 年間從錫林郭勒盟蘇尼特左旗滿都拉圖鎮向東退縮約100 km 至阿巴嘎旗別力古臺鎮附近，其北端到達呼倫貝爾市新巴爾虎右旗呼倫湖中心地帶；在2012—2018 年間從鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟鎮向西延伸約220 km 抵達阿拉善左旗額爾克哈什哈蘇木附近。但400 mm 等降水量線擺動幅度較大，在1990—1998 年間由赤峰市敖漢旗新惠鎮向北擴張約370 km 抵達錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗巴拉嘎爾高勒鎮周圍；在1999—2011 年間從錫林郭勒盟正藍旗上都鎮向東收縮約480 km 到達通遼市科爾沁左翼后旗常勝鎮附近；而在2012—2018 年間則向西延伸約200 km 抵達鄂爾多斯市烏審旗烏審召附近。綜上，在1990—1998 年間，降水量在中西部小范圍增加，而在東部則大范圍增加；在1999—2011 年間大面積減少，尤其是東南部干旱十分嚴重；而2012—2018 年間增加規模不及1990—1998 年間大。

圖3 內蒙古突變前后年降水量等降水量線空間分布Fig.3 Spatial distribution of annual precipitation isoprecipitation line before and after the abrupt change in Inner Mongolia

2.3 周期變化

年降水量在25 a 尺度上經歷了6 次豐枯交替過程，交替年份分別為1966、1975、1983、1993、2004 和2013 年，并存在13 a 和28 a 的振蕩周期（圖4）。根據年小波方差分析，其主周期為13 a，主要分布在20 世紀60 年代至80 年代和21 世紀。春、夏和秋季均經歷6 次豐枯交替，而冬季則經歷了8 次，主周期分別為10 a、13 a、7 a 和19 a。典型站點年和夏季主周期主要集中在7 a—15 a 之間，占比最大分別為8 a—9 a 和10 a—11 a，均為28.9%。中部地區年和夏季主周期略有差異，但東西部周期較為相近。主周期空間自東向西呈現以10 a 為界的波動變化，其中，中東部周期較小，西部周期則較大，大興安嶺地區周期小于10 a，而陰山山脈周期大于10 a。

圖4 內蒙古年和夏季小波系數和小波方差Fig.4 Annual and summer wavelet coefficients and wavelet variances in Inner Mongolia

3 討論

內蒙古自治區同時受到東亞夏季風和西風的影響，是季風和西風的過渡和交匯帶，從東向西由半濕潤區逐步過渡到半干旱-干旱區［23］。在相對濕潤的1990—1998 年間，西北太平洋上空存在氣旋式環流，有利于水汽向中國東北地區輸送，使得內蒙古自治區東部降水量增加，尤其是在1998 年十分明顯［24］（圖5）。而蒙古高原上空則存在一個強大的反氣旋式環流，其形成的偏北風促進了東北地區的水汽輸送。此外，受西風影響，冷渦活動的加強促使了中東部降水量的增加［25］。在1999—2011 年的干旱年間，40°N～57°N 之間反氣旋式環流的擴展與增強，使中東部受到高壓系統的控制［26］，東亞夏季風明顯減弱，導致太平洋暖濕氣流難以北進［27］，加之冷渦活動變弱［28］，促使降水量明顯減少。這使得半干旱與半濕潤地區分界線向東南擴展，半干旱區面積增大，半濕潤區則減小。因此，東亞夏季風減弱是導致內蒙古自治區降水量減少的主要原因［29］。相反，在較為濕潤的2012—2018 年間，中東部上空高壓系統消失，形成氣旋式環流，并得到西北太平洋偏東南氣流和鄂霍茨克海南部偏東氣流的加持，加強了水汽輸送，促進降水量增多。中國北方總體干濕變化不顯著，但21 世紀以來，79% 的地區降水量呈增加趨勢。其中內蒙古自治區在空間格局上表現出濕潤化的跡象［30］，特別是在2011—2016 年間，東部濕潤指數為正值［31］，從而印證了區域尺度上降水量增多的跡象。

全區年降水量呈下降趨勢，并表現為西部、東北部上升，中東部下降的空間格局［13］。本研究認為年降水量呈緩慢上升趨勢，說明其在近5 年內有所增加，但夏季的下降趨勢未變，因此空間格局也基本不變。分析全區近60 a 的干濕狀況發現，時間上，春季有明顯的變濕趨勢；空間上，全區58.4% 的站點降水量呈增加趨勢，主要分布在呼倫貝爾市東部，而干旱化趨勢主要集中在中東部地區，因此東部為趨干與轉濕并存，已有結論可證實［32］。雖然西部降水量呈增加趨勢，但以0.29 mm/10 a～8.86 mm/10 a 的上升速率并不能有效緩解干旱環境極度缺水的狀況，因此對于前人提出的西北暖濕化轉型還有待深入研究。

4 結論

（1）近60 a 年來內蒙古自治區年平均降水量呈微弱上升趨勢，而夏季則呈下降趨勢。在空間上，年和夏季降水量呈西部、東北局部上升，中東部下降格局，其中東北局部逐漸濕潤，而東南部干旱化嚴重。

（2）年與夏季降水量突變點均為1989 年、1998 年和2011 年，突變后降水量發生增加-減少-增加的波動變化，而全區基本均在2011 年左右發生突變。400 mm 等降水量線在1990—1998 年間向北擴張約370 km 到達巴拉嘎爾高勒鎮周圍，而在1999—2011 年間向東萎縮約480 km 抵達常勝鎮附近。

（3）年和夏季降水量均經歷了6 次豐枯交替，主周期為13 a?？臻g上，中東部典型站點周期較小，西部則較大，且在夏季較為明顯。

（4）蒙古國反氣旋式環流的擴展導致東亞夏季風系統明顯減弱，致使降水量減少，而西北太平洋氣旋式環流的水汽輸送以及冷渦活動增強使得中東部夏季降水量增加。