寧夏典型牧區(qū)鹽池縣降水及可利用降水多時間尺度變化特征分析

湯英，丁成翔，徐利崗，周乾

(1.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021；2.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016)

半干旱風(fēng)沙草原區(qū)是北方主要的生態(tài)系統(tǒng)類型，對調(diào)節(jié)局地和全球氣候具有重要意義[1]，而降水及可利用降水量的不同時間尺度分配、豐枯變化、時空分布等特征是區(qū)域內(nèi)天然草地植被生長和作物灌溉的關(guān)鍵影響因子.當前，全球氣候變暖已經(jīng)是不爭的事實[2]，中國北方典型荒漠區(qū)降水有增加趨勢[3]，西北干旱區(qū)降水以16.6 mm/10 a幅度增加[4]，河西走廊地區(qū)極端降水日數(shù)增多，極端降水總量呈增加趨勢[5]，而內(nèi)蒙古地區(qū)近60 a來降水量減少，出現(xiàn)了干燥化趨勢[6].寧夏降水整體呈下降趨勢，秋季減少趨勢顯著，冬季則有增加趨勢[7].目前的報道多以地理區(qū)域為研究對象，針對不同生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)的降水及可利用降水量時空分布和變化趨勢研究相對較少.寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)，位于鄂爾多斯臺地向黃土高原過渡地帶，是西北干旱風(fēng)沙草原區(qū)的典型區(qū)域，當?shù)貧夂蚋珊瞪儆?，水資源極為短缺.本文基于長系列氣象資料，開展寧夏鹽池干旱風(fēng)沙區(qū)降水及可利用降水量的多時間尺度變化及其未來趨勢研究，以期為當?shù)靥烊徊輬鲂迯?fù)、人工草地及農(nóng)作物科學(xué)灌溉提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，東鄰陜西定邊縣，南依甘肅環(huán)縣，北與內(nèi)蒙古鄂托克前旗毗鄰，是寧夏唯一一個牧區(qū)縣.地理位置E 106°30′06″～107°39′54″，N 37°04′33″～38°10′17″，國土面積8 661.3 km2，現(xiàn)有耕地8.3萬hm2，牧草地45.9萬hm2(占土地總面積53.1%)，分布有干草原草場、荒漠草原草場、沙生植被草場及鹽生植被草場四種草場類型，各類植物175種.地勢南高北低，海拔1 300～1 951 m，內(nèi)有中部干旱臺地丘陵區(qū)和黃土丘陵區(qū)兩大地貌類形，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，干旱少雨，多年平均降水量269 mm，主要集中在7～9月，多年平均蒸發(fā)量1 200～1 500 mm，干旱指數(shù)4.5～5.6.年平均氣溫8.5 ℃，日照2 789.2～2 867.9 h，光熱資源豐富.境內(nèi)河流主要有枯水河、馬蓮河以及苦水河等，多年平均地表水資源總量0.269億m3，徑流深4.1 mm，年徑流系數(shù)0.02.

1.2 數(shù)據(jù)來源

利用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)，收集國家基準站點鹽池站(N 37°48′,E 107°23′)1954年1月～2019年12月的月降水及月平均氣溫數(shù)據(jù)系列，對數(shù)據(jù)進行準確性、一致性分析，對部分缺失數(shù)據(jù)，采用克里金插值進行插補處理.

1.3 研究方法

1.3.1 高橋浩一郎陸面蒸發(fā)公式 降水量反映了區(qū)域的水分收人狀況，而蒸發(fā)量則表示其水分消耗程度，因此一個地區(qū)的可利用降水量可利用式(1)計算，高橋浩一郎陸面蒸發(fā)公式[8-9]利用降水量和氣溫資料就可對蒸發(fā)進行估算，計算公式為式(2).

Pe=P-E

(1)

(2)

(3)

式中，Pe為可利用降水量，mm；P為月降水量，mm；E為陸面蒸發(fā)量，單位mm；T為月平均氣溫，℃；α為蒸發(fā)系數(shù)，β為可利用降水率.

1.3.2 M-K秩次相關(guān)法 對序列趨勢變化的定量說明，本文采用Mann-Kendall的秩次相關(guān)法[10].其基本原理是：時間序列P(i=1，2,…,n)，其任意對偶值(Pi，Pj,j>i)，如果Pi>Pj，則序列絕對上升，反之，則絕對下降.如序列不是單調(diào)上升或下降，則有

(4)

式中：f為對偶值呈增長趨勢的對數(shù).若m>0，則序列呈上升趨勢，反之，則呈下降趨勢.m的絕對值越大，說明序列變化趨勢越顯著.顯著水平α=0.05的臨界檢驗值為±1.96.

1.3.3 氣候趨勢系數(shù)法 年降水系列是符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的隨機變量.它的變化趨勢是指：隨著時間的推移，其數(shù)值的持續(xù)增減狀況.逐年時間是遞增序列，可看作自然數(shù)列1，2，…，n.n個時刻(年)的要素序列與自然數(shù)列1，2，…，n具有相關(guān)性，如果相關(guān)顯著，則表示該要素值氣候趨勢明顯，有增加(減少)趨勢[11].要素與自然序列的相關(guān)系數(shù)可表示為：

(5)

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Minitab 18.0進行統(tǒng)計分析，采用Surfer 17.0軟件及WPS Office 2019軟件進行圖件繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽池縣降水及可利用降水量年內(nèi)和年際變化特征

2.1.1 鹽池縣降水及可利用降水量年內(nèi)變化特征 基于鹽池縣1954～2019年降水量(P)、陸面蒸發(fā)量(E)及可利用降水量(Pe)系列，分析其年內(nèi)分配情況(表1)，并分別計算各參量的統(tǒng)計參數(shù)(表2).從表1中可以看出鹽池縣多年平均降水量為297.4 mm，可利用降水量為55.4 mm(可利用降水率為0.18)，且主要集中在6～9月，占年降水量的71.7%，可利用降水量的80.9%；占3～10月作物生育期內(nèi)降水量的75.1%，可利用降水量的83.8%.8月份可利用降水量最高為21.7 mm，其次為7月10.5 mm.多年平均各月蒸發(fā)系數(shù)為0.67～0.94，5～6月份最高為0.94，全年為0.82；降水可利用率為0.06～0.33.從表2種可以看出，年降水量系列變異系數(shù)為0.269 4，年際間差異不大，極值比為4.0，可利用降水量系列變異系數(shù)為0.561 3，年際間差異較大，極值比為22.1.

表1 寧夏鹽池縣多年平均降水量及可利用降水量年內(nèi)分配情況

表2 寧夏鹽池縣降水量及可利用降水量基本統(tǒng)計參數(shù)

2.1.2 鹽池縣降水及可利用降水量年際間變化特征 繪制鹽池縣1954～2019年陸面蒸發(fā)量及蒸發(fā)系數(shù)變化過程線(圖1)、可利用降水量與可利用降水率變化過程線(圖2)及距平變化圖(圖3).從圖中可以看出鹽池縣年降水量和陸面蒸發(fā)量變化趨勢相似，可劃分為3個豐枯時段，其中1970年以前降水量和可利用降水量相對較豐，且變化劇烈，1970～2014處于偏枯年份，變化相對平緩.近5 a來，降水量相對偏豐，但可利用降水量有下降趨勢.從累計距平可以看出(圖3)，豐枯時段仍分為3個，但時間有所滯后，降水量和陸面蒸發(fā)1979年以前為正距平，1980～2016年為負距平，2016年以來降水量較多年平均偏豐.

圖1 鹽池縣降水量、陸面蒸發(fā)量及蒸發(fā)系數(shù)變化過程

圖2 鹽池縣可利用降水量與降水可利用系數(shù)變化過程

圖3 鹽池縣降水量(A)陸面蒸發(fā)量(B)及可利用降水量(C)距平變化過程線

2.2 鹽池縣降水及可利用降水量四季和年代際變化特征

2.2.1 鹽池縣降水及可利用降水量的四季變化特征 分別統(tǒng)計鹽池縣四季的年降水量、陸面蒸發(fā)量及可利用降水量(表3)，繪制1954～2019年各季節(jié)降水量及可利用降水量變化圖(圖4).從表3中可以看出，夏季降水量最大為169.7 mm，占年降水量的57%，可利用降水量35.2mm，占全年的63.5%；秋季次之，降水量占全年的23.6%，可利用降水量占全年的24.4%.全年降水可利用率為0.18，春季降水可利用率最低為0.07，冬季最高為0.25，這與鹽池縣春季降水稀少但風(fēng)沙強烈，冬季氣溫寒冷陸面蒸發(fā)降低的實際情況一致.從圖4中可以看出，夏季節(jié)水及可利用降水量均較其他季節(jié)大，且變化較為劇烈，秋季次之，變化也相對劇烈，冬季變化最為平緩.

圖4 寧夏鹽池縣降水量(A)及可利用降水量(B)四季變化過程圖

表3 寧夏鹽池縣降水量及可利用降水量四季變化特征表

2.2.2 鹽池縣降水及可利用降水量的年代際變化特征 分別計算鹽池縣降水量及可利用降水量各年代的平均值及相對多年平均距平值(表4).從表4可知鹽池縣20世紀50～60年代屬于豐水期，正累積距平分別為19.8 mm和374.1 mm，20世紀70～80年代是顯著的枯水期，負累積距平值分別達-429.0 mm和-242.8 mm，可利用降水量顯著低于多年平均，累計負距平分別為-230.0 mm和-150.8 mm.20世紀90年代及21世紀初有小幅負距平，屬于一般年型，分別為-47.4 mm和-59.4 mm，20世紀90年代可利用降水量為正距平為12.5 mm.2011年以來，進入偏豐期，降水量正距平累計達484.5 mm，可利用降水量有所增加，累計正距平55.6 mm.

表4 寧夏鹽池縣降水量及可利用降水量年代際變化特征表

2.3 鹽池縣降水及可利用降水量周期分析

將鹽池(1954～2019年)降水量及可利用降水量系列進行中心化處理，并用Morlet小波[12]進行變換，分別取不同的a和b值計算小波變換的模平方和實部.繪制小波變換實部時頻分布(圖5).從圖5可以看出，年降水量和可利用降水量在整個研究時段顯著存在3 a和5 a及10 a周期尺度；降水量在20世紀80年代末期至2010 s以5 a主周期為主，20世紀60～70年代及2010 s以后主要以10 a振蕩周期為主，且正負位相交替出現(xiàn).可利用降水量整個分析期內(nèi)均存在5 a左右主周期，20世紀60年代至目前以10 a振蕩周期為主，且正負位相交替出現(xiàn).繪制可利用降水量小波變換系數(shù)實部變化過程(圖6)，顯示3 a及5 a尺度的小波變換系數(shù)實部變化過程，可利用降水量豐枯變化較為頻繁.10 a尺度的小波變換實部變化過程相對平穩(wěn)，且分別在1962年、1978年、1987年、1998年、2008年和2012年發(fā)生豐枯突變.綜上可知，在整個分析期內(nèi)，可利用降水量系列存在3 a、5 a和10 a主周期.

A：年降水量；B：可利用降水量.A:precipitation;B:available precipitation.

圖6 Morlet小波變換系數(shù)實部變化過程

2.4 鹽池縣降水及可利用降水量趨勢分析

采用M-K秩次相關(guān)法及氣候趨勢系數(shù)法計算鹽池縣降水量、陸面蒸發(fā)量及可利用降水量增減趨勢的檢驗參數(shù)及其趨向率(表5).從表5可知，鹽池縣未來夏季、秋季、冬季降水量均呈增加趨勢，增幅為0.5～3.3 mm/10 a，年降水量以5.3 mm/10 a增幅顯著增加(通過P=0.05顯著性檢驗)，夏季、秋季及冬季可利用降水量也呈增加趨勢，變幅為0.1～1.3 mm/10 a，而春季和年可利用降水量則呈減少趨勢，降幅分別為0.5 mm/10 a和1.5 mm/10 a(通過P=0.05顯著性檢驗).

表5 寧夏鹽池縣可利用降水量變化趨勢及其趨向率

3 討論與結(jié)論

依據(jù)鹽池縣1954～2019年計66 a的日降水和氣溫資料，利用高橋浩一郎公式計算了當?shù)仃懨嬲舭l(fā)量，得出可利用降水量月值系列，鹽池縣多年平均降水量297.4 mm，可利用降水量55.4 mm(可利用降水率0.18).從年內(nèi)分配來看，可利用降水量與年降水的變化規(guī)律相似，3～5月份僅占年可利用降水量的11.2%，6～9月則占80.9%，8月份可利用降水量最高為21.7 mm，可利用系數(shù)0.18，11～12月份可利用降水量較少，但可利用率較大分別為0.26和0.33.春季可利用降水量6.1 mm，夏季最大為35.2 mm，占全年的63.5%，冬季最小僅占全年的1.0%.3～5月可利用降水量僅為11.4 mm，不利于天然草場植被的萌發(fā)及種子萌芽，也不利于對天然草場補播改良等修復(fù)技術(shù)的展開.對有灌溉條件尤其是高效節(jié)水灌溉的作物種植影響不大.6～9月是植物主要的生長期，較高的可利用降水量對天然草場植物生長、植被蓋度的增加以及植物生殖生長的完成都具有積極的意義，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善具有重要作用.春季可利用降水率最低為0.07，冬季最高為0.25，這與鹽池縣春季降水稀少但風(fēng)沙強烈，冬季氣溫寒冷陸面蒸發(fā)降低的實際情況相一致.

利用Mann-kendell秩次相關(guān)法及氣候趨勢系數(shù)法分析了鹽池縣年降水量及可利用降水量未來的變化趨勢及其梯度.未來當?shù)啬杲邓恳?.3 mm/10 a增幅顯著增加，夏季、秋季、冬季降水量也呈增加趨勢，增幅為0.5～3.3 mm/10 a；年度和春季可利用降水量呈減少趨勢，降幅分別為1.5 mm/10 a和0.5 mm/10 a，夏季、秋季及冬季可利用降水量呈增加趨勢，增幅0.1～1.3 mm/10 a，結(jié)論與張智[13]結(jié)論一致，但該文章對寧夏中部干旱帶未來可利用降水量的降低僅給出了定性的判斷，缺乏量化評價.馬忠明[14]分析了寧夏中部地區(qū)農(nóng)作物生育期內(nèi)有效降水量(Pa)的時空變化特征及其未來趨勢，7～9月占總有效降水量的70.8%，生育期Pa呈減少趨勢，降幅為3.5 mm/10 a.當?shù)啬杲邓匡@著增加，而可利用降水量則顯著降低，分析原因是由于氣溫的升高[15]，造成了陸面蒸發(fā)量的增大，導(dǎo)致可利用降水量的減少.但相對于未來年降水量的高增幅(5.3 mm/10 a)，可利用降水量小幅減少(1.5 mm/10 a)，則可利用降水量絕對總量仍然是增加的，且未來夏秋季可利用降水量仍然有增加的趨勢，對于未來當?shù)靥烊徊輬錾鷳B(tài)環(huán)境維系與人工改良修復(fù)、人工草地及農(nóng)作物更好的生長于產(chǎn)出都較為有利.本文的研究將為寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的改善及雨水資源的合理利用以及人工草地和農(nóng)作物更合理科學(xué)的灌溉提供理論支持，具有積極的現(xiàn)實意義和利用價值.