内蒙古中部干旱区降水变化的时空特征

内蒙古中部干旱区降水变化的时空特征

降水是影响各种自然地理过程的重要变量之一，也是全球气候变化的重要响应变量。这一时空变化对全球和区域气候的研究非常重要。近年来,国内外学者运用不同的分析方法对区域降水的时空变化进行了研究。在时间变化分析上,主要侧重于降水序列的趋势性、周期性和突变性以及预测,采用的方法有回归分析、Mann-Kendall法、极差分析理论、谱分析、小波分析、小波神经网络等。降水量的空间变化格局分析主要运用地统计学方法、EOF分析。生态地理过渡地带是各种自然过程和格局剧烈变化的区域,对于全球气候变化的响应更为敏感。本文选择200mm等降水量线穿过的内蒙古自治区中部这一典型的生态地理过渡带(即由半干旱区向干旱区过渡)为研究区。水文过程是其重要的生态过程,水资源是社会经济发展的刚性约束条件,对水文水资源的研究是区域可持续发展的前提。近年来,虽然一些学者对内蒙古地区的降水时空分异进行了研究,但对内蒙古中部生态地理过渡带这一特殊地带进行的研究还较为鲜见。基于此,探讨该区降水量时空变化有助于更好地理解研究区水资源的时空分异,促进水资源的合理利用,同时为全球气候变化区域响应研究提供科学依据。1研究区域和数据1.1草地和地表水研究区包括内蒙古自治区中部的呼和浩特市、乌兰察布市、包头市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市和乌海市6个地级市,面积约2.54×105km2,属于内蒙古东部草原区向西部荒漠草原区过渡地带(图1)。由于该区的抗干扰能力和自身修复能力差,自然灾害经常发生,如干旱、风沙、霜冻、土地沙漠化等,降水是该区水资源的主要来源,也是植物生长的主要限制因子,其时空分布和变化直接影响地表水资源、生态系统类型和土地利用格局。本文借助小波分析和地统计学方法研究了该区近40年来降水的时空变化规律。1.2年降水数据分析本文选用的数据为内蒙古自治区气象局提供的该研究区45个气象站点1961-2003年逐日降水量数据,以及国家气象局提供的周边25个站点逐月气象数据。个别站点建站时间相对较晚,但其数据序列长度仍可满足降水变化分析,因而研究区内没有站点被剔除。对于个别站点某些年份缺测数据,本文借助邻近站点相应年份资料,采用线性回归法进行插补。运用算术平均值计算研究区年平均降水量。数据处理工具包括:Matlab7.4版本(MathworksInc.),主要用来完成年降水趋势分析和小波分析;Surfer8版本(GoldenSoftwareInc.),主要用来绘制年降水小波等值线图;ArcGIS9.0(ESRI),主要用来实现年平均降水量、降水倾向率和变异系数3个要素的空间插值。2学习方法2.1小波尺度与采样周期目前,在地学分析中小波分析主要应用于地学过程(气温、降水、径流量)的多尺度分析。小波分析的基本原理是把基本小波函数ψ(t)作位移τ后,再在不同尺度α下与待分析信号f(t)作内积:Cf(a,τ)=<f,ψα‚τ>=1√a∫Rf(t)ψt-τadt式中:α为尺度;τ为平移因子;Cf(a,τ)为小波系数。小波系数能够反映小波函数与待分析信号某一位置特定尺度下的相似特征。根据上述原理,通过分析数据序列的波形图,选择Morlet小波对数据进行连续小波变换。首先对数据预处理,得到研究区43年逐年平均降水量;然后对其进行连续小波变换,小波尺度取值为a=1,2,3,……20,在Matlab软件中将小波尺度利用scal2frq函数转化为准频率,取倒数即得到该采样周期(1年)下的准周期(实际尺度)。最后通过连续小波变换得到不同尺度下小波系数和小波方差,并做图,得到以年为尺度的小波系数图和小波方差图。2.2气象站点空间插值的确定地统计学是一种既考虑样本值又重视样本空间位置及样本之间距离的方法来研究要素的空间分布格局。目前,这种方法广泛应用于气象要素的空间插值。降水量受到大尺度行星风带和气压的制约,具有地带性规律,同时又受到小尺度地形、地貌等自然环境和人类活动的影响,具有不确定性,是区域化的变量。运用地统计学中的空间插值方法,可以将区域内有限、离散的点状要素转化为面状分布要素。根据以上原理,选取研究区及其周围共70个气象站点多年平均降水量、多年降水量变化斜率以及多年降水量变异系数3个要素进行空间插值。首先对数据进行检查,剔除变量趋势值、离群值,然后选择不同的模型进行拟合,通过模型诊断发现,利用克吕格插值法(KrigingInterpolation),球状拟合模型空间插值精度较高。3结果与分析3.1降水变化的周期从图2可以看出,研究区降水量年际波动较大,降水量最大值为425mm,最小值为156mm。在研究时段内,年降水量呈现略有增加的趋势,降水倾向率约1.482mm/10a,但统计特征不显著(R=0.0008,n=43,P=0.853),这一特点与全球和区域降水量变化研究的趋势较为一致。从表1可以看出,1961-2000年期间,除了20世纪80年代外,各年代降水距平百分比较小,说明各年代降水变化不大。60-70年代降水距平值为正,说明降水持续偏多;80-90年代降水距平为负,说明降水持续偏少,与整个内蒙古地区各年代平均降水研究结果吻合。其中,80年代降水量偏离平均值较大,说明降水较大,已有研究表明,西北东部、华北在70年代末发生明显的由湿变干的年代际转折性变化,这个转折性变化应与1977/1978年的全球大尺度气候背景有关。从图2还可以看出,各年代的降水变化趋势差异较大,60年代为-0.401mm/a,70年代为6.302mm/a,80年代为2.856mm/a,90年代为-5.554mm/a,说明60年代和90年代降水呈现下降趋势,70年代和80年代降水呈现上升趋势。从年降水序列的小波分析可以看出,研究区年降水量变化的周期比较明显。从图3(a)可以得出,小波系数等值线在3～4年、6～7年和14～15年尺度上分布比较密集,存在小波系数高、低值的振荡中心。从图3(b)可以得出,小波方差在3.69年、6.15年和14.76年尺度上存在极值。因而,可以确定在43年尺度上存在着约4年、6年和15年的变化周期。其中,在15年尺度的周期震荡中经历了“多-少-多-少-多-少”6个循环交替,而且2003年小波系数有逐渐增加的趋势,将会有新的高值中心出现,说明2003年以后将进入降水量持续偏多的时期。另外,通过小波方差图可进一步判读出年降水变化的主周期为6年。提取该尺度下的小波系数做图,得到主周期下降水变化的小波系数过程线,可反映降水序列在该尺度下的波动信息。小波系数为正值时,表明期间降水相对丰沛;反之,表明期间降水相对稀缺。小波系数变化较快的年份,即小波系数变化斜率的极大值对应的年份可看作年降水变化的突变年份。从图3(c)可以看出,自20世纪60年代以来,研究区年降水相对偏高的阶段为1961-1963年、1967-1970年、1977-1979年、1983-1985年、1989-1991年、1996-1998年;降水相对偏低的阶段为1964-1966年、1971-1976年、1980-1982年、1986-1988年、1992-1995年、1999-2001年。2002年以后的2～3年中将进入降水相对偏多的时期,随后又会减少,与实际观测数据吻合。研究区年降水的突变年份为:1963年、1966年、1970年、1976年、1979年、1982年、1985年、1988年、1991年、1995年、1998年和2001年。3.2降水月间分配利用多年月平均降水量、月间降水变率、降水集度等统计方法,分析降水的地域分异规律。降水集度(precipitationconcentrationindex,PCI)可以表征年内降水的分异性,其计算如下:ΡCΙ=10012∑i=1Ρ2i12∑i=1Ρi2式中:Pi为各站每月的降水量,当PCI<10,降水年内分配均衡,差异不大;当11≤PCI≤20,降水呈现季节性变化;PCI>20时,降水月际变化显著。根据研究区地理环境特征,大致沿经线109°15′E(剖面线1)和纬线40°40′N(剖面线2)方向选取2个剖面线,并在剖面线穿过的地区选取代表性的气象站点(图4)。可以看出,剖面线附近各测站降水量年内分配模式均呈现单峰型模式,降水集中在7～8月。这是因为季风到达时间和控制时期显著影响着降水的年内分配。研究区主要受东亚季风的影响。冬半年,整个研究区域在蒙古高压的控制之下,降水稀少;夏半年,由于研究区位于东亚季风尾闾区,夏季风影响下的雨带在7～8月才推移到该区域,带来较多的降水,但停留时间较短,随后迅速南移,故全年降水主要集中在7～8月,在分配格局上呈现单峰模式。图5沿剖面线1(a)和剖面线2(b)各站点多年平均降水月间差对比分析Fig.5Differenceofaveragemonthlyprecipitationatthetypicalmeteorologicalstationsalongprofile1(a)andprofile2(b)在纬线方向上,降水月间分配单峰模式由东向西越发显著;集宁站降水量7月略高于8月,沿同一纬线向西各测站降水量转变为以8月最多,且差值愈来愈大;各月降水量沿同一纬线由东向西逐渐减少;计算各测站降水集度,呼和浩特(18.3)<集宁(18.5)<包头(18.7)<临河(19.1),也呈现出由东向西逐渐增加的趋势,各站降水集度值接近20,相差不大,表明降水仍呈现季节性变化。由图5(a)可以看出,沿纬线方向各测站多年平均月间变率分布形态大致相同,7月时,剖面上各测站降水量均明显增加,到9月时,剖面上降水量均明显减少。综上看来,研究区月降水沿纬线方向具有地带性特征,表现在愈向内陆,大陆性愈强,降水月间分配愈不均,多年月平均降水量呈现逐渐减少的趋势。在经线方向上,降水月间分配模式大致相同,各测站以8月降水最多;多年平均月降水量沿经线由南向北逐渐减少;计算各测站降水集度,东胜(18.3)<包头(18.7)<白云鄂博(19.1),呈现出随纬度增加逐渐增大的趋势,各站降水集度值接近于20,且相差不大,说明降水仍呈现季节性变化。由图5(b)可以看出,沿经线方向各测站多年平均月间变率大致相同,7月时,剖面上的降水量均明显增加,到9月时,剖面上降水量均明显减少。总体而言,研究区多年月平均降水量随纬度的增加而减少,而降水年内分配模式变化较小。3.3年际变化空间分布选取研究区及其周围共70个站点,对多年平均降水量、多年降水量变化斜率以及变异系数进行空间插值(图6)。其中,多年降水量变化斜率能够反映年降水量随时间增加或减少的趋势;变异系数能够反映年降水量随时间波动大小,其值越小,波动愈小,反之亦然。由图6(a)可以看出,研究区内多年平均降水量由东南向西北呈逐渐递减的趋势,且差异较大,最大值出现在东南部的凉城气象站,最小值出现在西北部的海力素气象站。降水相对较多的地区分布在呼和浩特市、乌兰察布市东南部以及鄂尔多斯市东北部,向西北方向递减,到巴彦淖尔市西北部、包头北部以及乌兰察布北部达到最少。这与我国降水量东南多、西北少,从东南向西北递减的空间分布是一致的,同时也证明了干湿度地带性的存在。形成原因一方面是由于研究区降水分布仍受到东亚季风影响,而且影响程度由东南向西北内陆递减。另一方面,降水空间分布受到局部地形的影响。阴山山脉横跨研究区中段,其南麓为东亚季风夏季风的迎风坡,如呼和浩特市最大降水量大于400mm,而位于雨影区的阴山北麓,降水急剧减少,不足200mm。由图6(b)可以看出,研究区内多年降水量差异显著,鄂尔多斯市中南部、呼和浩特市东南部、乌兰察布市东南部以及巴彦淖尔市中北部,多年降水量呈现不同程度的下降趋势,其他地区则呈现不同程度的上升趋势。其中,上升幅度较大的地区为乌拉特后旗中南部、乌拉特前旗、包头东部、土默特右旗以及四王子旗东南部。下降幅度较大的地区为鄂尔多斯东南边缘和乌兰察布市东南边缘。在全球气候变暖背景下,我国降水量变化存在区域差异,20世纪60-90年代东北南部、华北、华中地区降水量持续下降,西北部地区降水量呈现增加趋势。研究区南部和东南部位于华北北部,东亚季风区的边缘,降水量表现为过渡特征,其降水量减少趋势类似于华北地区,其西部和北部类似于西北干旱区的降水变化趋势。由图6(c)可以看出,变异系数呈现出沿经线方向由东向西逐渐增加的趋势,说明多年降水量年际波动性不断增加。最低值出现在乌兰察布市东部,最高值出现在乌拉特后旗中西部。3.42土地利用的年际变化特征200mm等降水量线是半干旱区与干旱区的界线,也是中国重要的地理分界线之一,虽然它不是严格意义上荒漠和草原的分界线,但其波动变化在一定程度上会影响生态系统类型和土地利用格局。一般认为,200mm等降水量线在我国境内穿过阴山—贺兰山—巴颜喀拉山—冈底斯山。在本研究区内,该分界线穿过乌兰察布市北部、包头北部、巴彦淖尔市中部,并沿鄂尔多斯市西缘进入宁夏境内。在全球气候变化和区域大气环流及要素异常的影响下,降水量空间分布格局也发生着变化。图7显示了20世纪60年代、70年代、80年代、90年代以及40年平均状态的200mm等降水量线在研究区中的位置和波动情况,等值线在研究区内没有发生闭合,其东南侧区域降水量大于200mm,西北侧区域降水量小于200mm。可以看出,不同年代等降水量线围绕平均位置左右波动,波动的幅度在不同地区差异较大,其中在位于巴彦淖尔市境内的乌拉特中旗和乌拉特前旗变化幅度较大,这是由于该区各年代降水量波动较大的缘故。在波动较大的地区有以下特点:20世纪60年代等值线向平均位置的东南方向偏移较大,说明此时段内该区降水相对稀少;70年代等值线向平均位置的西北方向偏离较大,说明降水相对丰沛;80年代接近于降水的平均状况,但是比70年代少;90年代等值线略向东南方向偏离,说明降水比平均状况略少。由于这一地区处于荒漠化草原向草原化荒漠过渡的地区,气候尤其是降水的过渡性特征明显,会对自然植被覆盖产生直接的影响,进而影响土地利用格局。当等值线向东南方向偏离时,降水偏少,往往会使部分草原退化成荒漠;反之向西北方向偏移时,降水相对丰沛,往往会使部分荒漠转变为草原。已有研究报道了1980年后的巴彦淖尔地区土地利用和植被覆盖状况,可以证明上述结论。1980-2000年,巴彦淖尔市除乌拉特后旗生物单产有少量的增长外,该市的其他旗、县均出现不同程度的下降;从1985年、1995年和2000年土地利用现状图(仅包括了巴彦淖尔市的乌拉特后旗、杭锦后旗、磴口县)可以看出,1985-2000年,在上述3旗、县草地明显减少,沙漠和未利用地呈现增加的趋势。虽然这些变化在一定程度上与社会经济因素的影响有关,但与90年代降水量偏少也有直接的关系。4结论和讨论4.1降水的年际变化(1)1961-2003年期间,研究区降水量年际波动大,并呈现略微增加的趋势。各年代平均降水量差异不大,20世纪60-70年代降水量略偏多,80-90年代降水量偏少。各年代降水量变化趋势存在差异,60年代和90年代呈现减少的趋势,70年代和80年代呈现增加的趋势。研究区年降水量变化的周期性比较明显,存在3～4年、6～7年和14～15年尺度的周期。由于数据序列时段的限制,可能存在更大尺度的周期无法识别出来。(2)研究区降水量年内分配模式呈现单峰型,降水主要集中在7～8月。在纬线方向上,从东向西多年月降水量呈现逐渐减少的趋势,且月间分配愈来愈不均。在经线方向上,多年月平均降水量随纬度的增加而减少,月间分配受纬度模式变化较小。(3)研究区多年平均降水量呈现由东南向西北逐渐递减的趋势,地区差异较大。多年降水量变化趋势区域差异显著,上升幅度较大的地区为乌拉特后旗中南部、乌拉特前旗、包头东部、土默特右旗以及四王子旗东南部;下降幅度较大的地区为鄂尔多斯东南边缘和乌兰察布市东南边缘,降水量年际波动由东向西不断增加。(4)研究时段内,200mm等降水量线在各年代处于波动之中,其穿过的乌拉特前旗和乌拉特中旗内波动幅度最大,对波动范围内荒漠和草原生态系统产生了直接的影响。4.2研究区降水特征(1)研究区位于中国西北和华北地区交界处,是半干旱区向干旱区的