內(nèi)蒙古50余年降水量分布演變特征及趨勢

劉泓志, 肖長來, 張巖祥, 梁秀娟

(1.吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室, 長春 130021; 2.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 長春 130021)

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內(nèi)蒙古50余年降水量分布演變特征及趨勢

劉泓志1,2, 肖長來1,2, 張巖祥1,2, 梁秀娟1,2

(1.吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室, 長春 130021; 2.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 長春 130021)

為研究內(nèi)蒙古自治區(qū)降水量隨時間分布演變特征及趨勢，利用內(nèi)蒙古50個測站1960—2011年共52 a的年平均降水量，通過線性傾向估計、滑動平均、累積距平、諧波分析、Mann-Kendall法、滑動t檢驗法等方法，按東、中、西部分區(qū)及全區(qū)平均，分析了降水量隨時間的演變特征及趨勢。結(jié)果表明：1) 52 a來內(nèi)蒙古降水量沒有顯著的變化趨勢。但區(qū)域、東中部地區(qū)年降水量在1998年前39 a為顯著上升趨勢，之后13 a為下降趨勢。2) 內(nèi)蒙古全區(qū)的降水主要集中在夏季，占全年的60%～70%。降水量從東到西逐漸減少，但季節(jié)分配規(guī)律相似。3) 內(nèi)蒙古降水量年代際和年際分量都存在減少趨勢，區(qū)域和東中部共經(jīng)歷了3個比較明顯的年代際變化；西部存在15 a左右的旱澇交替周期。4) 內(nèi)蒙古區(qū)域和東部地區(qū)平均降水量突變點在1999年，降水量由增加趨勢變?yōu)闇p少趨勢。中部和西部變化不顯著，沒有發(fā)生突變。

降水量; 演變特征; 趨勢分析; 內(nèi)蒙古

氣候變化既被視為科學(xué)問題，又被視為環(huán)境和政治問題。近年來日益受到各國政府、社會和科學(xué)界的關(guān)注。內(nèi)蒙古自治區(qū)地處東南季風(fēng)影響的季風(fēng)邊緣區(qū)，是我國西北干旱區(qū)向東北濕潤區(qū)和華北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的過渡帶[1]。內(nèi)蒙古大部地區(qū)降水稀少，干旱缺水矛盾突出。全區(qū)降水變率大，保證率低，已成為制約內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一[2]。因此，研究分析內(nèi)蒙古自治區(qū)的降水量時空分布特征和趨勢變化尤為重要。高晶在[3]中分析了內(nèi)蒙古夏季降水變化特征；格日勒等在[4]中分析了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)冬春兩季的降水變化特征。由于內(nèi)蒙古橫跨經(jīng)度很大，以上等人都沒有對內(nèi)蒙古按照分區(qū)進行詳細的降水量趨勢分析。因此，本文利用內(nèi)蒙古1960—2011年共52 a，50個觀測站數(shù)據(jù)，根據(jù)分區(qū)結(jié)合多種統(tǒng)計方法分析降水量隨不同時間分布的特征及趨勢。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)(以下簡稱內(nèi)蒙古)位于中國北部邊疆，由東北向西南斜伸，經(jīng)緯度東起東經(jīng)126°04′，西至東經(jīng)97°12′，橫跨經(jīng)度28°52′；南起北緯37°24′，北至北緯53°23′，全區(qū)總面積118.3萬km2，占中國土地面積的12.3%。內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中緯度，地處歐亞大陸內(nèi)部，大部分地區(qū)處在東亞季風(fēng)的影響之下，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全年太陽輻射量從東北向西南遞增，降水量由東北向西南遞減。年平均氣溫為0～8℃，氣溫年差平均在34～36℃。東北降水多，向西部遞減。

2 數(shù)據(jù)收集與研究方法

為了研究內(nèi)蒙古降水的分布特征和趨勢變化，對研究區(qū)的50個氣象站1960—2011年的降水量數(shù)據(jù)進行分析。本文主要采用的分析方法有線性傾向估計、滑動平均、累積距平、諧波分析、Mann-Kendall法、滑動t檢驗法[5]等，具體內(nèi)容見參考文獻[5]，這里不再贅述。

3 內(nèi)蒙古降水量演變特征

由于內(nèi)蒙古橫跨經(jīng)度很大，因此必須進行分區(qū)研究。根據(jù)內(nèi)蒙古地域分布特征，將全區(qū)分成東、中和西部3個區(qū)域。東部區(qū)域主要包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市；中部區(qū)域包括錫林郭勒盟、烏蘭察布市、呼和浩特市和包頭市；西部區(qū)域包括鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏海和阿拉善盟地區(qū)[2]。

3.1 長期變化趨勢

對內(nèi)蒙古46個觀測站1960—2011年的年降水資料取標準化，分別得到內(nèi)蒙古區(qū)域及其50站年平均標準化降水量，而后對其進行線性傾向估計，計算線性傾向率。同時進行滑動平均(11 a滑動平均)和累計距平計算。計算結(jié)果見圖1。

根據(jù)滑動平均和累積距平線來看，區(qū)域與東、中部的變化趨勢較一致，表現(xiàn)為80年代中期之前，波動較小，增加趨勢較緩，80年代中期到1998年之間，降水量為增加趨勢，到1998年達到最大且變化幅度最大，1998年后呈減少趨勢。西部降水量雖有波動，但相對穩(wěn)定，對區(qū)域降水量變化趨勢貢獻較小。

圖1 內(nèi)蒙古區(qū)域(a)、東部(b)、中部(c)和西部(d)地區(qū)降水量長期趨勢分析

結(jié)合上述分析，內(nèi)蒙古降水量趨勢除西部外在1998年發(fā)生變化。因此，接下來按分區(qū)在不同時間尺度上進行線性傾向估計，并做顯著性檢驗分析。

根據(jù)長期趨勢分析圖中線性傾向估計傾向值為負且顯著性檢驗合格者，說明為減少趨勢，正值反之。從單個站點，52 a時間尺度來看，只有巴彥諾爾公站通過了信度為α=0.05的顯著性檢驗，其余均未通過，因此說明內(nèi)蒙古降水量沒有顯著的變化趨勢。從分區(qū)以及不同時間段來看(表1，圖1)，52 a來，各個分區(qū)顯著性檢驗都沒通過信度α=0.05的顯著性檢驗，和單個站點得到的結(jié)果一致；從區(qū)域、東部、中部，在1998年作分界點，1998年前39 a降水量的線性傾向率均通過α=0.05顯著性檢驗，東部通過α=0.01的顯著性檢驗。說明此39 a來內(nèi)蒙古區(qū)域、東部和中部降水量增加趨勢明顯。1998年后13 a，內(nèi)蒙古區(qū)域、東部和中部降水量的線性傾向率雖未通過α=0.05顯著性檢驗，但從累計距平線看下降過程很明顯，說明此13 a來內(nèi)蒙古除西部區(qū)域外，降水量有減少趨勢。

3.2 年內(nèi)(季節(jié))變化特征

圖2，3給出了內(nèi)蒙古區(qū)域以及東、中、西部地區(qū)降水的季節(jié)變化。1960—2011年的區(qū)域、東、中和西部季節(jié)變化特征，以區(qū)域平均為例，東部、中部和西部的分析同區(qū)域。

表1 內(nèi)蒙古各分區(qū)不同時間尺度線性傾向相關(guān)系數(shù)

注：**，*表示通過信度α為0.01和0.05的顯著性檢驗。

全區(qū)年平均降水量為295.3 mm，其中春季(3—5月)平均為40.0 mm，占全年的13.6%；夏季(6—8月)為199.5 mm，占全年的67.6%；秋季(9—11月)為49.2 mm，占全年的16.7%；冬季(12—2月)為6.5 mm，占全年的2.2%。

由圖2，3可知，內(nèi)蒙古區(qū)域的降水主要集中在夏季，占全年的60%～70%之間，春秋兩季所占比重相差無幾，各占15%左右，冬季的降水所占比重很少，只有2.2%左右。從分區(qū)來看，降水量從東到西逐漸減少，從圖5可以看出，各區(qū)多年平均各月降水量占全年的比例相近。東、中、西部降水量的季節(jié)分配規(guī)律相似。

圖2 內(nèi)蒙古分區(qū)多年平均逐月降水量

圖3 內(nèi)蒙古分區(qū)多年平均逐月降水量占全年降水量比例

3.3 年際與年代際變化特征

本文用諧波分析方法對內(nèi)蒙古降水量的標準化距平序列進行了分解。其中，內(nèi)蒙古區(qū)域、東部、中部和西部的年代際分量和年際分量分別為22.9%，77.4%；31.0%，69.4%；15.4%，84.7%；14.8%，85.3%；可以看出內(nèi)蒙古地區(qū)降水的年際變化更為明顯。內(nèi)蒙古降水量按分區(qū)以及全區(qū)平均的年代際分量和年際分量都存在減少趨勢，但區(qū)域、東部和中部在20世紀90年代中期前為上升趨勢，90年代中期之后為下降趨勢，西部變化趨勢較穩(wěn)定。

從內(nèi)蒙古降水量年際分量圖(圖4)可以看出內(nèi)蒙古降水年際分量平穩(wěn)波動。從內(nèi)蒙古降水量年代際分量圖(圖5)可以看出內(nèi)蒙古降水量呈明顯的年代際變化，分析表明區(qū)域、東部和中部50余年來共經(jīng)歷了3個比較明顯的階段。區(qū)域和東部地區(qū)在20世紀70年代中后期到90年代末期為多雨期，70年代末期以前和90年代后期為少雨期；中部地區(qū)在60年代末期到90年代末期為多雨期，60年代末期以前和90年代后期以后為少雨期。西部地區(qū)的降水量為5 a左右多雨期和10 a左右的少雨期交替出現(xiàn)，即有15 a左右的旱澇交替周期。

3.4 降水量突變特征

研究區(qū)域、東部以及中部地區(qū)在2000年左右降水量波動較大，為進一步確定突變的具體年份，對內(nèi)蒙古區(qū)域、東中西地區(qū)降水量進行Mann-Kendall檢驗和滑動t檢驗。根據(jù)內(nèi)蒙古各分區(qū)的降水量的Mann-Kendall檢測曲線(圖6)上UF和UB曲線交點的位置，配合滑動t檢驗法對突變點進行信度水平檢驗，排除干擾點，判斷突變的具體年份。

圖4 內(nèi)蒙古降水量年際分量

M-K檢測中，如果UFk>0，表明序列有上升的趨勢；如果UFk<0，則表明序列呈下降的趨勢[6]。從圖6中UF曲線可以看出，從UF正負變化趨勢與圖1中累計距平曲線和滑動平均線反映的變化規(guī)律較一致。

由圖6a1中UF曲線可以看出，內(nèi)蒙古區(qū)域降水量從1960—1962年、1978—1980年、1984—2000年為增加趨勢，1962—1977，1981—1983，2001年之后為減少趨勢。從突變角度看，UB線超過0.05臨界線，UF和UB線交點在臨界線之間，結(jié)合滑動t平均(圖6a2)，排除干擾點，1999年為突變點，降水量趨勢由增加轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少。

內(nèi)蒙古東部、中部和西部降水量變化趨勢和突變情況同內(nèi)蒙古區(qū)域方法一致。得到結(jié)果為：東部降水量從1984—2002年為增加趨勢，1960—1983年，2003年以后為減少趨勢。中部降水量從1960—1962年，1976—2004年為增加趨勢，1963—1975年，2005年之后為減少趨勢。東部和中部變化趨勢較一致，而西部變化趨勢有別于東、中部。從圖6d1可以看出，西部降水量減少增加趨勢交替出現(xiàn)，1994年之前交替時間較長，1994年之后交替頻率明顯增加。東部突變點為1999年，降水量趨勢由增加轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少。中部降水量突變點(圖6c1)雖然符合突變點條件，但是經(jīng)過滑動t平均檢驗(圖6c2)可知中部降水量沒有突變點。西部亦沒有突變點。

圖5 內(nèi)蒙古區(qū)域(a)、東部(b)、中部(c)和西部(d)地區(qū)降水量年代際分量分析

(1為M-K檢驗，2為滑動t檢驗)

4 結(jié) 論

1) 內(nèi)蒙古區(qū)域降水量呈減少趨勢，但沒有顯著的變化趨勢。內(nèi)蒙古區(qū)域、東部、中部，在1998年前39 a降水量有明顯增加趨勢；1998年后13 a，內(nèi)蒙古區(qū)域、東部和中部降水量有減少趨勢。

2) 內(nèi)蒙古全區(qū)的降水主要集中在夏季，占全年的60%～70%之間，春秋兩季所占比重相差無幾，各占15%左右，冬季的降水所占比重很少，只有2.2%左右。從分區(qū)來看，降水量從東到西逐漸減少，各區(qū)多年平均各月降水量占全年的比例相近。東、中、西部降水量的季節(jié)分配規(guī)律相似。

3) 內(nèi)蒙古降水量按分區(qū)以及全區(qū)平均的年代際分量和年際分量都存在減少趨勢。區(qū)域、東部和中部50余年來共經(jīng)歷了3個比較明顯的年代際變化。西部地區(qū)的降水量有15 a左右的旱澇交替周期。

4) 內(nèi)蒙古區(qū)域和東部降水量突變點在1999年，降水量趨勢由增加轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少。東部和西部變化不顯著，沒有突變點。

[1] 包剛,吳瓊,包玉海.近30年內(nèi)蒙古氣溫和降水量變化分析[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,41(6):668-674.

[2] 蘭玉坤.內(nèi)蒙古地區(qū)近50年氣候變化特征研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2007.

[3] 高晶.內(nèi)蒙古夏季降水變化特征及其影響因子的研究[D].南京：南京信息工程大學(xué),2013.

[4] 格日勒,吳向東,尹小玲,等.內(nèi)蒙古中西部地區(qū)近45年冬, 春季氣溫與降水量特征分析[J].內(nèi)蒙古氣象,2007(4):17-20.

[5] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷分析預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣候出版社，2007.

[6] 雷璐,孫春敏.Mann-Kendall檢驗方法在增江徑流趨勢分析中的應(yīng)用[J].中國科技信息,2012(19):39.

Analysis on Temporal Characteristics and Trend of Precipitation over the Past 50 Years in Inner Mongolia

LIU Hongzhi1,2, XIAO Changlai1,2, ZHANG Yanxiang1,2, LIANG Xiujuan1,2

(1.KeyLabofGroundwaterResourcesandEnvironment,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130021,China; 2.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun130021,China)

Annual precipitation data of Inner Mongolia from 46 meteorological stations through 1960 to 2011 were used to analyze the temporal distribution characteristics of precipitation. The trend of the precipitation was analyzed using linear trend calculation, moving average, cumulative anomaly, harmonic analysis, Mann-Kendall method, slidettest. The results showed that: 1) it was no significant for the trend of precipitation in 52 years in Inner Mongolia. Precipitations presented observably increasing trend before 1998, and declined after 13 years in east, central and regional area; 2) precipitation mainly concentrated in the summer, accounting for 60%～70%, precipitation gradually reduced from the east to the west, but followed the similar seasonal distribution rule; 3) interdecadal and interannual precipitations presented the decreasing trend, there were obvious interdecadal changes in eastern, central and regional areas, drought and flood alternative cycle was 15 years or so in the western area; 4) abrupt change year of average precipitation in east and regional area in Inner Mongolia was the year of 1999, the trend of precipitation shifted from increase to decrease. no abrupt change was found and no significant change was observed in the west, there was no abrupt change in the western and central areas.

precipitation; evolution characteristic; trend analysis； Inner Mongolia

2014-09-17

2014-10-30

吉林省自然科學(xué)基金(20140101164 JC);吉林省科技廳重點攻關(guān)項目(20100452)

劉泓志(1989—),男,遼寧大連人,碩士研究生,主要從事水資源與水環(huán)境研究。E-mail:hongxi0906@126.com

肖長來(1962—),男,吉林柳河人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水資源與水環(huán)境研究。E-mail:xcl2822@126.com

P467

1005-3409(2015)02-0074-05