內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水特征分析

劉林春，劉 煒，孫 鑫，劉 新，董祝雷，張 宇

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

目前全球氣候變化，尤其是極端氣候事件變化對自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都產(chǎn)生了重要影響[1-2]，對生態(tài)脆弱的干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響更為巨大[3-4]。強降雨、高溫?zé)崂说葮O端氣候事件呈現(xiàn)出不斷增強的趨勢，其中尤以極端降水的變化最為顯著[5-8]。因此極端降水事件對社會經(jīng)濟及生態(tài)系統(tǒng)造成的危害受到越來越多的關(guān)注[9-10]。

目前，國內(nèi)外針對極端降水事件，在極端降水閾值的確定、極端降水事件時空變化特征方面開展了眾多研究。研究發(fā)現(xiàn)，極端降水事件發(fā)生頻率存在明顯的區(qū)域性、局地性和季節(jié)性特征[11-14]，并且呈現(xiàn)出明顯的年代際與年際變化[15]。如我國西北地區(qū)、長江流域和東南沿海等地區(qū)極端降水事件發(fā)生頻率明顯增多[16-21]，華北和東北地區(qū)的極端降水事件則呈現(xiàn)減少趨勢[16]。華中地區(qū)夏季極端降水事件在20世紀80年代開始偏多[22]，華北地區(qū)極端降水在1986 年之后減少趨勢更加顯著[23]。對極端降水的成因也有較多的探索，如前冬赤道中東太平洋是影響我國夏季極端降水的關(guān)鍵區(qū)[24]，北極濤動在冬季1—2 月與我國中東部極端降水的頻率成顯著的正相關(guān)關(guān)系[25]，海表溫度異常對我國東南沿海地區(qū)的極端降水事件有重要影響[19]。

內(nèi)蒙古河套地區(qū)是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的商品糧、食用油生產(chǎn)基地，農(nóng)作物以春播小麥和玉米為主[26]。該區(qū)域分布有兩類典型生態(tài)脆弱區(qū)，黃土高原北部脆弱區(qū)和干旱半干旱脆弱區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化較為敏感[27]。雖然極端降水在內(nèi)蒙古河套地區(qū)出現(xiàn)的概率較低，但強度大、局地性強，易引起洪澇災(zāi)害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活造成嚴重損失[28]。目前對內(nèi)蒙古極端降水事件及極端降水過程變化特征的研究還相對較少，因此本文研究氣候變化背景下內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水特征及變化趨勢，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)極端降水預(yù)報預(yù)警氣象服務(wù)提供參考，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險管理、防災(zāi)減災(zāi)以及應(yīng)對氣候變化發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料為1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)(包括呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市)34 個國家氣象站逐日降水量[20:00—20:00(北京時，下同)]，資料來源于內(nèi)蒙古氣象信息中心。

1.2 極端降水事件

統(tǒng)計各站氣候基準(zhǔn)期(1981—2010年)歷年日降水量的極值和次值，得到各站包含60個樣本的序列。對各站由歷年降水量極值、次極值所構(gòu)成的序列從大到小進行排序，取95%分位數(shù)，定義為極端降水閾值。當(dāng)某站某日降水量超過極端降水閾值時，就認為出現(xiàn)了一次極端降水事件[29]。

將某站出現(xiàn)極端降水事件時的極端降水量累加，除以該站極端降水事件次數(shù)，作為極端降水事件強度。

1.3 極端降水過程

參照王莉萍等[29]對降水過程的定義，將站點日降水量達到或超過降水閾值(該站歷史日降水量從小到大排序， 取90%分位數(shù))的當(dāng)日作為該站降水過程的起始時間，小于降水閾值的當(dāng)日為該站降水過程的結(jié)束時間。當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)降水過程已開始的站點比率≥5%時，區(qū)域降水過程開始；當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)降水過程已結(jié)束的站點比率≥5%時，區(qū)域降水過程結(jié)束。

在研究區(qū)域范圍內(nèi)，某次降水過程中有超過10%站數(shù)出現(xiàn)極端降水事件，即界定此次降水過程為一次極端降水過程。某次極端降水過程期間每日超過極端降水閾值的站點數(shù)累加，即為該次過程中極端降水事件出現(xiàn)站次。極端降水過程中，出現(xiàn)極端降水事件站點的極端降水事件強度累加，除以出現(xiàn)極端降水事件的站點數(shù)，作為極端降水過程強度。

2 結(jié)果分析

2.1 降水量變化

圖1 為1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)平均年降水量空間分布?？梢钥闯?，內(nèi)蒙古河套地區(qū)平均年降水量自東南向西北遞減，且空間差異較大，呼和浩特市及鄂爾多斯市東部地區(qū)平均年降水量在300 mm以上，而巴彥淖爾市西部不足150 mm。34個站點中多數(shù)站點的年降水量氣候傾向率為負值，降水呈減少趨勢，僅有7站降水量氣候傾向率為正值，降水呈增加趨勢，但所有站點年降水量的變化趨勢均不顯著。

圖1 1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)平均年降水量空間分布(單位：mm)Fig.1 The spatial distribution of average annual precipitation in the Hetao area, Inner Mongolia during 1961-2018 (Unit: mm)

內(nèi)蒙古河套地區(qū)平均年降水量為325.7 mm，降水主要集中在4—10月，其中7—8月降水最豐沛，月降水量基本在50 mm以上，近58 a中7月降水量有1/3年份達100 mm以上(圖2)。各月降水量氣候傾向率除1月、7月和8月為負值外，其他月份均為正值，其中，8月降水量減少趨勢顯著(P<0.01)，5月、6月和12月增加趨勢顯著(P<0.01)。

2.2 極端降水事件

內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水閾值為34.7(烏拉特后旗)～108.2 mm(東勝區(qū))，空間分布呈東南高西北低特點，鄂爾多斯市東部極端降水閾值超過80 mm，包頭市北部、巴彥淖爾市大部不足50 mm。5 站降水歷史極值大于150 mm，其中鄂爾多斯市烏審召最大，達245 mm，50%站點降水歷史極值小于100 mm，其中巴彥淖爾市海力素最小，僅為50 mm[圖3(a)]。

1961—2018年內(nèi)蒙古河套大部地區(qū)極端降水事件頻次超過5 次，呼和浩特市南部和鄂爾多斯市伊克烏素超過10 次，其中伊克烏素最多，為14 次。極端降水事件強度空間分布與極端降水閾值分布相似，呈東南強西北弱特點，鄂爾多斯市中東部地區(qū)極端降水事件強度大于90 mm·次-1，巴彥淖爾市西北部地區(qū)不足60 mm·次-1[圖3(b)]。

圖2 1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)1—12月降水量分布(單位：mm)Fig.2 The distribution of precipitation in the Hetao area, Inner Mongolia from January to December during 1961-2018 (Unit: mm)

圖3 內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水閾值(陰影)、歷史極值(圓圈)(單位：mm)(a)及1961—2018年極端降水事件強度(陰影，單位：mm·次-1)和頻次(圓圈，單位：次)(b)空間分布Fig.3 The spatial distribution of threshold of extreme precipitation (shaded) and historical extreme values (circle) (Unit: mm) (a) and intensity (shaded, Unit: mm·times-1) and frequency (circle, Unit: times) of extreme precipitation events from 1961 to 2018 (b) in the Hetao area, Inner Mongolia

圖4為1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水事件出現(xiàn)站次年際變化及4—9月極端降水事件出現(xiàn)站次月際變化?？梢钥闯觯?8 a有14 a未出現(xiàn)極端降水事件，1968、1971、1987、1990、1996、2014、2015年僅出現(xiàn)1站次，2018年極端降水事件出現(xiàn)最多，共15 站次。平均年極端降水事件出現(xiàn)4.1 站次，年極端降水事件的氣候傾向率為7.8站次·(10 a)-1，但未通過顯著性檢驗。極端降水事件出現(xiàn)在4—9月，其中7—8月出現(xiàn)最多，7月平均極端降水事件出現(xiàn)1.6 站次，8月為1.9站次，1—3月、10—12月均未出現(xiàn)極端降水事件。除8月極端降水事件出現(xiàn)站次氣候傾向率為負值外，其他月份均為正值，其中，9月極端降水事件出現(xiàn)站次增加趨勢顯著(P<0.01)，氣候傾向率為5.9站次·(10 a)-1。1979年之前，極端降水事件僅出現(xiàn)在7—8月，1979年開始5—6月也有出現(xiàn)，2015年極端降水事件出現(xiàn)時間最早(2015年4月1日)；1999年開始9月出現(xiàn)極端降水事件，且出現(xiàn)站次顯著增加，2018年出現(xiàn)最多，為6 站次。

圖5為1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水事件強度年際變化及4—9月極端降水事件強度月際變化?？梢钥闯?，1961年極端降水事件強度最強，為117.8 mm·站次-1，2015年最弱，僅為35.9 mm·站次-1。平均年極端降水事件強度為73.7 mm·站次-1，年極端降水事件強度氣候傾向率為3.2 mm·站次-1·(10 a)-1，但未通過顯著性檢驗。極端降水事件平均強度8月最強，為77.6 mm·站次-1，其次為7月，為77.3 mm·站次-1。除7月和8月極端降水事件強度氣候傾向率為負值外，其他月份均為正值，其中，9月極端降水事件強度增加趨勢顯著(P<0.01)，氣候傾向率為3.0 mm·站次-1(10 a)-1。

圖4 1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水事件出現(xiàn)站次年際變化及4—9月極端降水事件出現(xiàn)站次月際變化Fig.4 The inter-annual variation of frequency of extreme precipitation events from 1961 to 2018 and monthly variaiton of frequency of extreme precipitation events from April to September in the Hetao area , Inner Mongolia

圖5 1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水事件強度年際變化及4—9月極端降水事件強度月際變化Fig.5 The inter-annual variation of intensity of extreme precipitation events from 1961 to 2018 and monthly variation of intensity of extreme precipitation events from April to September in the Hetao area, Inner Mongoli

2.3 極端降水過程

2.3.1 出現(xiàn)時間和雨量

表1列出1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水過程特征量?？梢钥闯?，1961—2018年，內(nèi)蒙古河套地區(qū)共出現(xiàn)14 次極端降水過程，其中1998年和2012年出現(xiàn)2次，1961、1966、1975、1976、1978、1979、1985、1992、2013和2016年均出現(xiàn)1次，其余年份均未出現(xiàn)。出現(xiàn)月份集中在7—8月，7月出現(xiàn)8次，8月出現(xiàn)5次，9月僅出現(xiàn)1次。

表1 1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水過程特征量Tab.1 Characteristic quantity of the extreme precipitation processes in the Hetao area, Inner Mongolia from 1961 to 2018

1985年8月21—25日的極端降水過程中出現(xiàn)的極端降水事件最多，達11站次，其次為1998年7月4—5日和2012年7月20—21日的極端降水過程。除1975年8月25日的極端降水過程影響范圍百分比為45%外，其余過程均在60%以上，1966年7月28日極端降水過程影響范圍百分比最大，達97%。14次極端降水過程中，僅3次過程出現(xiàn)大雨以上級別降水站數(shù)百分比不足50%，其余11次過程均達到半數(shù)以上。1961年8月19—22日極端降水過程強度最強，2013年9月16—18日最弱。年平均極端降水過程強度有顯著減弱趨勢(P<0.01)。大多數(shù)極端降水過程的最大日降水量超過100 mm，其中1998年7月12—13日過程的最大日降水量達148.9 mm。過程降水大值區(qū)以土默特左旗居多，共有4 次極端降水過程的最大日降水量出現(xiàn)在土默特左旗，伊金霍洛旗出現(xiàn)3次，呼和浩特市區(qū)出現(xiàn)2次。

2.3.2 環(huán)流背景

經(jīng)統(tǒng)計，14次極端降水過程中有13次過程的西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)脊線位置偏北(表1)，表明河套地區(qū)夏季極端降水過程與副高脊線位置存在密切聯(lián)系。進一步分析每次過程的水汽輸送特征(圖略)，絕大部分過程的水汽來源于西太平洋，水汽沿副高外圍北上輸送至河套地區(qū)，但其中1次過程(1998年7月4—5日)除受副高影響外，西南水汽輸送影響也至關(guān)重要。分別選取2012年7月25—28日和1998年7月4—5日兩次極端降水過程作為典型個例進行分析。

2012年7月25—28日，500 hPa位勢高度場上內(nèi)蒙古西部地區(qū)存在淺槽，副高脊線位置較常年偏北，來自熱帶西太平洋的暖濕氣流沿副高外圍源源不斷向北輸送至內(nèi)蒙古地區(qū)，受高空槽前西南氣流和副高外圍偏南氣流的共同影響，內(nèi)蒙河套地區(qū)水汽輻合異常增增強(圖6)，易產(chǎn)生強降水。

圖6 2012年7月25—28日500 hPa位勢高度(等值線，單位：dagpm)及850 hPa風(fēng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(a)，地面至300 hPa水汽通量垂直積分距平(矢量，單位：kg·m-1·s-1)及負的水汽通量散度距平(陰影，單位：10-5 kg·m-2·s-1)(b)Fig.6 The 500 hPa geopotential height (isoline, Unit: dagpm) and 850 hPa wind (wind vector, Unit: m·s-1) (a), anomaly of vertical integral of water vapor flux (vector, Unit: kg·m-1·s-1) and negative water vapour flux divergence anomaly (shaded, Unit: 10-5 kg·m-2·s-1) calculated from surface to 300 hPa (b) from 25 to 28 July 2012

1998年7月4—5日，500 hPa位勢高度場上內(nèi)蒙古河套地區(qū)存在一低槽，副高強度偏強、面積偏大，588 dagpm線幾乎控制了整個西太平洋副熱帶地區(qū)，脊線位置較常年略偏北；印緬槽偏強，越赤道氣流異常強盛，其流經(jīng)孟加拉灣、印度半島與副高外圍水汽匯合后共同影響內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，內(nèi)蒙河套地區(qū)水汽輸送輻合異常增強(圖7)，易產(chǎn)生強降水。

圖7 1998年7月4—5日500 hPa位勢高度(等值線，單位：dagpm)及850 hPa風(fēng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(a)，地面至300 hPa水汽通量垂直積分距平(矢量，單位：kg·m-1·s-1)及負的水汽通量散度距平(陰影，單位：10-5 kg·m-2·s-1)(b)Fig.7 The 500 hPa geopotential height (isoline, Unit: dagpm) and 850 hPa wind (wind vector, Unit: m·s-1) (a), anomaly of vertical integral of water vapor flux calculated from surface to 300 hPa (vector, Unit: kg·m-1·s-1) and negative water vapor flux divergence anomaly (shaded, Unit: 10-5 kg·m-2·s-1) (b) from 4 to 5 July 1998

圖8為兩次過程107.5°E—112.5°E范圍平均經(jīng)向環(huán)流距平和垂直速度距平剖面?？梢钥闯?，兩次過程內(nèi)蒙古河套地區(qū)均處于上升運動區(qū)域，但1998年7月4—5日過程上升運動更為強盛，這是由于該次內(nèi)蒙河套地區(qū)南北兩側(cè)存在兩個對稱的經(jīng)向環(huán)流圈，這兩個環(huán)流圈的異常上升氣流在河套地區(qū)疊加，使得內(nèi)蒙河套上升運動異常加強。綜上所述，異常上升運動是導(dǎo)致兩次強降雨過程的直接原因。

圖8 2012年7月25—28日(a)和1998年7月4—5日(b)107.5°E—112.5°E范圍平均經(jīng)向環(huán)流距平(流線，單位：m·s-1)和垂直速度距平剖面(陰影，單位：10-2 Pa·s-1)(兩條直線之間為河套上空)Fig.8 The average meridional circulation anomaly (stream, Unit: m·s-1) and vertical velocity anomaly profile (shaded, Unit: 10-2 Pa·s -1) in the range of 107.5°E to 112.5°E from 25 to 28 July 2012 (a) and from 4 to 5 July 1998 (b)(the area between the two lines above Hetao)

綜上所述，500 hPa位勢高度場上貝加爾湖或其西南側(cè)存在一低槽，河套地區(qū)受槽前西南氣流影響；越赤道氣流以及印緬槽偏強使得西南水汽能夠輸送到更北的地區(qū)；副高偏西、脊線偏北，其西側(cè)偏東南的水汽沿副高外圍北上輸送至內(nèi)蒙河套地區(qū)，兩個不同方向的水汽均可以影響內(nèi)蒙河套地區(qū)的水汽條件；內(nèi)蒙河套地區(qū)上空異常強盛的上升氣流是導(dǎo)致強降雨的直接原因。

3 結(jié) 論

(1)1961—2018年內(nèi)蒙古河套地區(qū)平均年降水量自東南向西北遞減，降水主要集中在4—10月，其中7—8月降水最豐沛。8月降水量顯著減少，5、6和12月顯著增加。

(2)極端降水閾值呈東南高西北低空間分布，鄂爾多斯市烏審召降水量歷史極值最大，巴彥淖爾市海力素最小。內(nèi)蒙古河套地區(qū)大部極端降水事件頻次在5 次以上，其中伊克烏素最多，為14 次。極端降水事件強度空間分布與極端降水閾值分布相似，呈東南強西北弱特點。

(3)極端降水事件出現(xiàn)在4—9月，其中7—8月最多，平均強度8月最強，其次為7月。1979年之前，極端降水事件僅出現(xiàn)在7—8月，之后，極端降水事件最早在4月出現(xiàn)，9月極端降水事件顯著增加，氣候傾向率為5.9 站次·(10 a)-1，極端降水事件強度也顯著增強，氣候傾向率為3 mm·站次-1·(10 a)-1。

(4)極端降水過程多出現(xiàn)在7—8月，影響范圍均較廣、降水量級大，年平均極端降水過程強度減弱趨勢顯著，過程降水大值區(qū)多集中在土默特左旗、伊金霍洛旗和呼和浩特市區(qū)。

(5)內(nèi)蒙古河套地區(qū)極端降水過程多受槽前西南氣流影響，此外，越赤道氣流以及印緬槽偏強，副高西伸脊點偏西、脊線位置偏北均可為其提供來自不同方向的充足水汽，加之河套地區(qū)異常強盛的上升氣流，易發(fā)生強降水事件。