科爾沁沙地奈曼地區降水變化特征分析

劉新平，何玉惠，趙學勇，張銅會，李玉霖，云建英

（1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所奈曼沙漠化研究站，蘭州730000；2.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 極端環境生物抗逆特性與生物技術實驗室，蘭州730000）

降水是科爾沁沙地土壤水分補給的主要來源，是沙地植被正常生長和退化植被恢復重建的重要限制因子［1－2］。完整可靠的降水資料在區域水分動態研究中具有相當的重要性［3］。對區域內自然降水的分布特征、趨勢和變率分析，具有重要的生態學意義，是區域水分動態研究和區域水資源合理評價的前提，同時，也有助于理解降水對生態系統的影響功能。本文通過對奈曼地區49a的降水資料的統計分析，探討降水的時空變化及分布特征，以期為該地區水分動態研究和水資源的合理評價提供數據支持。

1 研究區概況

研究區位于科爾沁沙地東南部奈曼旗境內（42°41′－45°15′N、118°35′－123°30′E），該區屬溫帶半干旱大陸性氣候，春季干旱多風；夏季炎熱、雨量集中；秋季涼爽短促；冬季寒冷而漫長。年平均氣溫為5.8～6.4℃，多年平均降水量351.7mm，而且分布不均勻，年降水量的70%～80%集中在6－8月。年蒸發量1 500～2 500mm，近70%的蒸發發生在4－7月。土壤類型為風沙土，地貌類型以流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和面積不等的平緩沙地和低洼地交錯分布為特征。沙地地下水平均埋深8.5m，近年來由于農區抽灌的影響，水位呈現出持續下降的態勢［4］。

2 資料來源及分析方法

分析所用降水資料來自距奈曼沙漠化研究站13 km的奈曼旗氣象觀測站，奈曼旗位于內蒙古自治區通遼市西南部，地處東經120°19′40″－121°35′40″，北緯42°14′40″－43°32′20″。資料為1961－2009年的逐月降水數據，數據比較完整。數據采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件分析，年降水和季節降水距平計算為年降水量與多年平均降水量的差值。

3 結果與討論

3.1 年降水分布特征

從圖1中可以看出，奈曼地區多年降水平均值為351.7mm，最高值出現在1986年，降雨量為567.1 mm，最低值出現在2000年，降水量為213.1mm。相比較而言，1986年降水的變異幅度更大。從多年降水量來看，奈曼地區自1986－2009年降水量出現持續下降的趨勢，而且自1963年開始，降水量的波動幅度也在逐年增大，到2000年之后波動趨勢有所減小。趙哈林［5］等人研究認為科爾沁沙地降水量90年代和60年代相比，年均降水量增加了50～70mm，增加幅度為15%～20%，這和我們的結論一致。此外，我們可以看到，2000－2003年的4a中，在極端干旱的年份之后，降水量開始有一個增加的過程。而且在2000－2009年的9a中僅有2007年總降水量大于平均降水量。Mirza［6］等人研究認為，干旱時段的延長通常在多雨年之前或之后發生，從圖1中我們也證實了這一結論。在降水量大于多年平均降水量的年份，之后的一年或幾年都出現降水迅速減少的特征。以上分析我們認為，奈曼地區降水的逐年減少使該地區更趨于干旱化。從圖2降水量距平圖中我們可以看出，在49a中，其中有31a的降水量低于多年平均降水量，總的趨勢是降水量在逐年減少。

圖1 1961－2009年奈曼地區年降水分布特征

圖2 1961－2009年奈曼地區年降水量距平

3.2 季降水分布特征

圖3是奈曼地區1961－2009年49a來春（3－5月）、夏（6－8月）、秋（9－11月）、冬（12月至翌年2月）4個季節降水量距平值的時間變化曲線。從圖中可以看到，奈曼地區49a春季降水量有逐年增加的趨勢。多年春季平均降水量為53.2mm。其中1962年、1986年和1990年距平波動相對較大。其它年份降水距平波動相對較小；夏季平均降水量為241.2 mm，49a來降水距平的波動幅度較大，正波動最大為163.4mm，負波動為129.7mm。總體上有趨于減少的態勢；秋季平均降水量為51.8mm，降水量距平總的趨勢是逐年下降。其中1968－1991年之間的波動幅度較大；冬季平均降水量為5.6mm，降水距平總的趨勢也出現逐年下降的態勢。

總的來看，奈曼地區春季降水呈現逐年增加的趨勢，而夏季、秋季和冬季降水逐年減少，從平均降水量來看，夏季降水所占份額最大，為年平均降水的68.6%，其次為春季15.1%，這兩季的降水量為年平均降水量的83.7%，這兩季降水量的波動勢必帶動年降水的波動，正是因為夏季降水量的減少，導致年降水量也出現逐年減少的趨勢。從物候上來看，春季和夏季是奈曼地區植物生長和農作物需水最多的時間，春季的降水增多有助于旱情災害的降低，但是夏季降水的減少可能導致農作物產量的降低。為了不降低產量，農民大量抽采地下水造成地下水位的逐年降低，使得水環境更趨于惡化；另一方面，夏季正是沙地自然植被開花結實的黃金季節，降水的多少直接決定著植物種子的多少和飽滿程度，降水的減少可能存在潛在的植物種類的減少和植被群落退化的危險［7－8］。

圖3 奈曼地區1961－2009年四季降水量距平變化

3.3 月降水分布特征

表1是奈曼地區1961－2009年月降水分布特征，數據反映出該地區每年1月、2月、3月、11月、12月降水相對較少，而且其變異系數均大于1，而其它各月降水相對較多，其變異系數相對較小（0.54－1.03）。從圖4可以看出該地區年降水中以7月的降水量最大，占年降水總量的30.4%；其次是6月和8月，分別占年降水總量的18.9%和19.3%；再者是5月和9月，分別占年降水總量的9.2%和8.8%。其余各月僅占年降水總量的13.4%，這說明該地區年內降水分配不均，降水主要發生在5－9月，其中又以6－8月最大，占到年降水總量的68.6%。從圖4中還可以看到該區域降水以7月為核心，向兩邊對稱遞減。這種高溫和多雨的同期性分布特征對當地農業生產和沙地植被生長發育有著重要的意義。7月是當地氣溫最高，日照最強，也是植物需水最多的月份，較多的降水可以有效的補充土壤水分，以維持沙地植被的正常生長。

表1 1961－2009年各月降水分布特征

圖4 1961－2009年各月平均降水分布特征

3.4 年降水趨勢與變率

從奈曼地區49a來降水的頻率分布圖5可以看出，該區域降水量介于300～350mm的年份最多，共有14次，占28.6%，其次是250～300mm降水的年份，共有10次，占20.4%。小于多年平均降水量的年份占63.3%。降水量較大的年份出現頻數相對較少。從降水量的概率分布圖6可以看出，該區域年降水量均大于200mm，250mm以上降水的保證率可達到87.8%，300mm以上的降水事件概率為67.4%，而大于多年平均降水量（351.7mm）的概率僅為38.8%。年降水事件發生概率分布以指數函數擬合效果最好，其指數函數關系式為：Y＝551.1e－0.01x（圖7），在1961－2009年的統計年限內，奈曼地區降水量的中位數為336.3mm，頻數分布為左偏（Skewness＝0.702）。也即年降水量小于多年平均降水的年份較多。該區域降水量的變率（CV＝標準差／平均值）為25.1%，表明奈曼地區降水量的年際變化幅度較大。對于科爾沁沙地而言，降水是該區域沙地土壤水分補給的主要來源，降水變率增大，波動增強將直接影響沙地植被的穩定性。

圖5 年降水量頻率分布

圖6 年降水量概率分布

圖7 年降水量概率變化

4 結論

奈曼地區49a來平均降水量為351.7mm，春季降水有逐年增加的趨勢，而夏季、秋季和冬季降水逐年減少，夏季降水所占份額最大，為年平均降水的68.6%，其次為春季15.1%。年降水中以7月的降水量最大，占年降水總量的30.4%；其次是6月和8月，分別占年降水總量的18.9%和19.3%；降水量介于300～350mm的年份最多，占28.6%，小于多年平均降水量的年份占63.3%。年降水300mm以上的概率為67.4%，而大于多年平均降水量的概率僅為38.8%。降水年際變率大，變異系數為25.1%，總體趨勢是降水逐年減少，有趨于更干旱化的特點。

［1］ 阿拉木薩，裴鐵璠，蔣德明.科爾沁沙地人工固沙林土壤水分與植被適宜度探討［J］.水科學進展，2005，16（3）：426－431.

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［3］ Goovaerts P.Geostatistical approaches for incorporating elevation into the spatial interpolation of rainfall［J］.Jornal of Hydrology，2000，228：113－129.

［4］ 劉新平，何玉惠，趙學勇，等.科爾沁沙地不同生境土壤凝結水的試驗研究［J］.應用生態學報，2009，20（8）：1918－1924.

［5］ 趙哈林，張銅會，崔建垣，等.近40a我國北方農牧交錯區氣候變化及其與土地沙漠化的關系：以科爾沁沙地為例［J］.中國沙漠，2000，20（增刊）：1－6.

［6］ Mirza M Q，Warrick R A，Ericksen N J，et al.Trends and persistence in precipitation in the Ganges，Brahmaputra and Meghna river basins［J］.Hydrological Sciences Journal，1998，43（6）：845－858.

［7］ 張強，趙雪，趙哈林.中國沙區草地［M］.北京：海洋出版社，1998.

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