呼和浩特市降水的時空變化及干旱特征分析

［關鍵詞］降水；干旱；時空分布；呼和浩特

全球氣溫持續(xù)升高，對生態(tài)環(huán)境、水資源等諸多方面均產生較大影響，間接造成干旱、暴雨等極端事件頻發(fā)的不良后果。中國降水量分布的時空差異較大，對農牧業(yè)經(jīng)濟效益具有直接影響，全面揭示降水與干旱的時空分布特征，摸清其變化規(guī)律，是當前急需開展的基礎性研究之一。

已有諸多學者在全球[1-4]，歐洲、美洲、亞洲等多個地區(qū)，利用克里金插值[5、6]、SDSM降尺度[7、8]、極點對稱模態(tài)分解（ESMD）[9-11]等方法開展了降水的時空變化研究，北美洲、歐洲等地降水量呈增加趨勢[12]，塞爾維亞近十年降水量呈明顯的下降趨勢[13]。中國降水量整體呈增加趨勢，尤其是在20世紀中期至21世紀初，但各季節(jié)降水總量差異較大，夏季最多，春、秋兩季次之，冬季最少，在空間上表現(xiàn)為青藏高原[14]、西北地區(qū)[15]和南方部分地區(qū)[16]呈增加趨勢，東北、華北地區(qū)呈減少趨勢[17-20]。亦有學者以全球[2]、歐洲[3]、亞洲[4]等地為研究區(qū)，采用Mann-Kendall 突變檢驗[21-22]、線性傾向估計[23]、Morlet小波分析等方法[23-25]，在年[26]、季[27]等的時間尺度下，針對干旱的時空變化特征展開研究，結果表明，20世紀下半葉以來，全球干旱化程度呈上升趨勢[2]，歐洲東部、南部干旱化趨勢顯著[3]。中國極端干旱事件日益頻發(fā)[28]，東北地區(qū)發(fā)生嚴重干旱事件的頻率最高[29]；西北地區(qū)除新疆南部干旱程度較重外，其他地區(qū)多以中旱為主[30]。

本文利用呼和浩特及其周邊地區(qū)22 個氣象站點1951-2018年降水量年（月）數(shù)據(jù)資料，使用氣候傾向率等方法，全面揭示1951-2018年呼和浩特降水、干旱的時空變化特征，不僅豐富了研究成果，也為氣候變化歸因分析、水資源問題應對等提供了參考。

1. 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北北部，內蒙古自治區(qū)中部，地勢整體由東北向西南傾斜，主要的地貌類型有丘陵、山地、平原等，主要河流為大黑河、小黑河，總流域面積1.767km²，如圖1所示，處于北溫帶，屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季短暫，雨熱同期，冬季漫長，寒冷干燥。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次選取了呼和浩特及其周邊地區(qū)22個測站1951-2018年的逐年（月）降水量資料，主要來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/）。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

（1）對于缺測數(shù)據(jù)，利用臨近的數(shù)據(jù)完整的站點數(shù)據(jù)采用相關分析和回歸分析方法[12]進行插補延展。

（2）采用了氣候傾向率法[31]對于降水量變化趨勢進行分析。

（3）采用變異系數(shù)表征降水變化的劇烈程度[32]，計算公式如下：

CV=|SD/MN|

式中：SD為標準差，MN為平均值。

（4）對于降水量及其特征的空間變化，采用ArcGIS克里金插值法[6]進行插值。

（5）采用標準化降水指數(shù)（SPI）表征研究區(qū)的干旱狀況，并根據(jù)前人研究成果對干旱等級進行劃分，見表1。

2. 結果

2.1 呼和浩特地區(qū)年際降水量的時間變化特征

本文對研究區(qū)及周邊地區(qū)22個氣象站點1951-2018年年際降水的變化趨勢進行了分析，圖2為研究區(qū)多年平均降水量、變異系數(shù)、傾向率的空間分布。研究區(qū)多年平均降水量整體呈由南向北的遞減趨勢，并呈現(xiàn)階梯狀分布。研究區(qū)大部分站點年平均降水量在350-500 mm 之間，如圖2a所示；土默特左旗、呼和浩特等站點變異系數(shù)明顯大于其他地區(qū)，變異系數(shù)大多介于0.322～0.304，說明這些代表站點降水量波動程度高于其他地區(qū)，而武川和托克托等站點次之（0.249～0.267），如圖2b所示；研究區(qū)降水多年變化率由東南向西北遞增，整體呈東南減少、西北增加的分布規(guī)律，土默特左旗降水多年變化率最大（0.071mm/10a），其次是土默特左旗、呼和浩特，呼和浩特郊區(qū)站（-0.048～0.071 mm/10a）降水多年變化率整體較小，其余站點降水多年變化率大多在-0.405～-0.048 mm/10a之間，如圖2c所示。

2.2呼和浩特地區(qū)季節(jié)降水量的時間變化特征

圖3為研究區(qū)季節(jié)平均降水量、變異系數(shù)、傾向率的空間分布。由圖可知，研究區(qū)季節(jié)平均降水量整體呈由南向北的遞減趨勢，與年際降水量的空間分布規(guī)律一致。夏季降水大多在205～317mm之間，占全年降水量的61.41%左右，秋季降水量（81～106mm）多于春季（58～75mm），冬季最少（12mm左右）。研究區(qū)不同季節(jié)變異系數(shù)空間分布變化較大，但總體呈現(xiàn)由西向東遞減的趨勢，且冬季波動程度最大（0.50～0.88），春季（0.54～0.71）、秋季（0.45～0.64）次之，夏季最?。?.35～0.47）。春季降水傾向率空間變化較小，大多介于0.07～0.29mm/10a，夏季傾向率自東西兩側向中部遞減。秋季在托克托站點最大，并以此為中心，向其他方向減少。冬季降水量傾向率的分布與春季降水量傾向率的分布類似。

2.3呼和浩特地區(qū)年際、季節(jié)干旱事件的變化特征

表2為研究區(qū)不同時間尺度下的干旱的發(fā)生次數(shù)及干旱頻率。研究區(qū)各時間尺度下干旱事件總數(shù)分別為21次、17 次、22 次、23 次和15 次，發(fā)生干旱的頻率分別為30.9%、25%、32.4%、33.8%和22.1%；年際尺度下發(fā)生輕旱的年數(shù)為11a，中旱、重旱的年數(shù)則均為5a；春季發(fā)生輕旱的年數(shù)為5a，中旱的年數(shù)為7a，重旱的年數(shù)為3a，且在1955年和1994年發(fā)生了2次特旱，SPI值分別為-2.18和-2.16；夏季發(fā)生輕旱的年數(shù)最多（11a），其次是重旱（5a）和中旱（5a），在1965年發(fā)生了1次特旱，SPI值為-2.05；秋季發(fā)生干旱事件的年數(shù)整體多于其他時間尺度，且發(fā)生干旱事件的年數(shù)隨干旱程度遞減，即輕旱（13a）gt;中旱（6a）gt;重旱（3a）gt;特旱（1a）；冬季發(fā)生干旱事件的年數(shù)最少，但發(fā)生年數(shù)整體隨干旱程度遞增，即發(fā)生輕旱的年數(shù)最少（4a），其次是中旱（5a），重旱年數(shù)最多（6a），并未發(fā)生特旱事件。

3. 結論

（1）研究區(qū)多年平均降水量整體自東南向西北遞減，以下降趨勢為主，托克托下降速度最快（0.3752mm/10a），和林格爾等站點次之，清水河最慢（-0.022mm/10a）；亦有8個站點降水量呈上升趨勢，土默特左旗上升最快（0.165mm/10a），武川最慢（0.02mm/10a）。

（2）研究區(qū)夏季多年平均降水量最大，秋季、春季次之，冬季最小；春季、秋季降水量以上升趨勢為主，夏、冬兩季反之。就變化速度而言，春季降水量上升速度（最大值出現(xiàn)在清水河，最小值出現(xiàn)在呼和浩特）整體大于秋季，夏季降水量減少速度（呼和浩特下降速度最快，武川最慢）整體大于冬季。

（3）研究區(qū)秋季發(fā)生干旱事件的頻率最高（33.8%），夏季（32.4%）、年際（30.9%）和春季（25%）次之，冬季最低（25%）；研究區(qū)發(fā)生輕旱事件的頻率整體最高，其次是中旱和重旱，特旱事件頻率最低。