內蒙大興安嶺林區年降水量變化特征及周期分析

邊玉明, 代海燕, 王 冰, 張 健, 巴 特, 張秋良

(1.內蒙古農業大學 林學院, 呼和浩特 010010 ; 2.內蒙古生態與農業氣象中心,呼和浩特 010051; 3.興安盟林業科學研究所, 內蒙古 興安盟 137400)

內蒙大興安嶺林區年降水量變化特征及周期分析

邊玉明1, 代海燕2, 王 冰1, 張 健3, 巴 特1, 張秋良1

(1.內蒙古農業大學 林學院, 呼和浩特 010010 ; 2.內蒙古生態與農業氣象中心,呼和浩特 010051; 3.興安盟林業科學研究所, 內蒙古 興安盟 137400)

利用內蒙古大興安嶺林區11個氣象站1971—2010年降水觀測資料，采用一元線性回歸、累積距平法、曼—肯德爾檢驗(Mann-Kendall)法和Morlet小波分析方法對內蒙古大興安嶺林區近40年年降水量變化進行了分析，以揭示該地區在氣候變暖大背景下年降水量的變化特征。結果表明：1971—2010年內蒙古大興安嶺林區年降水量整體在波動中呈微弱下降的趨勢，傾向率為-7.4 mm/10 a，降水量年際變化幅度較大，降水氣候傾向率具有很強的區域特點，整體經歷了豐—枯—豐—枯的變化過程；結合累積距平分析與曼—肯德爾檢驗(Mann-Kendall)法兩種方法判斷出降水量發生突變的大致時間為1975—1979年與1999年；Morlet小波分析結果表明，近40年內蒙古大興安嶺林區年降水量包含多個不同時間尺度的周期，其中27 a左右的周期振蕩最為強烈，對降水作用最為顯著，且在2014—2020年可能出現降水偏多期。

內蒙古大興安嶺; 林區; 降水; Morlet小波分析

根據政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第一工作組第五次評估報告，1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率是1880年以來升溫速率的兩倍[1]；中國陸地表面平均溫度上升趨勢與全球基本一致[2]。氣候變暖帶來的氣溫、降水等氣象因子的變化直接或間接影響了植物生長和生態平衡，進而引起一系列生態環境問題如河流斷流、濕地萎縮、森林草場退化等。相對溫度而言降水的區域性差異更明顯[3]，降水量的多寡與干旱的發生也有直接而密切的聯系，可以說是干旱能否發生的關鍵性因素之一。

降水是描述一個地區氣候變化的重要指標之一。在氣候變暖大背景下有很多專家學者做了降水事件的研究。張代青等[4]利用Morlet小波變換，對中國大陸近54 a降水事件進行多時間尺度周期性分析，其結果表明：中國大陸年降水量變化呈現多尺度性、主周期性、同步性和總趨勢減少的規律；李邦東等[5]對東北地區降水事件進行了分析，得出東北地區年降水量總體有減少趨勢，但線性趨勢不顯著；董旭光等[6]分析了山東省近50 a來的降水日數和降水強度的氣候變化特征，認為近50 a山東省年降水日數和強度存在著明顯的年代際振蕩，降水日數減少趨勢達到極顯著水平；曲學斌等[7]研究結果表明：呼倫貝爾全市年降水量存著在10 a，26 a間尺度上的周期性變化，整體未發現減少趨勢，與整個東北地區表現不一致。總而言之，過去鮮有對典型的區域氣候進行研究，從而忽略了區域氣候條件和區域差異的影響。內蒙古大興安嶺林區具有典型的區域氣候條件，是亞歐大陸北方森林帶的重要組成部分，大興安嶺山脈貫穿整個林區，其森林生態系統在涵養水源、保持水土、保護生物多樣性等方面發揮著不可替代的重要作用，被譽為“祖國北方的重要生態屏障”。同時，也是我國“氣候脆弱區”和氣候變化響應最為敏感區之一[8]，其一旦破壞，不可復制。本文利用內蒙古大興安嶺林區11個氣象站點1971—2010年降水的連續觀測數據對年降水量進行趨勢分析、突變檢驗和降水時間序列變化特征多時間尺度周期性分析，力圖揭示在氣候變暖大背景下內蒙古大興安嶺林區降水變化規律，這對林區的生態建設和水資源保護及配置具有極其重要的現實意義和應用價值；也為該地區水資源脆弱性評價提供科學的參考價值。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古大興安嶺林區位于我國內蒙古自治區東北部，地理坐標119°36′20″—125°20′50″E,46°08′40″—53°20′00″N，地處我國高緯地帶，東部與黑龍江省接壤，南至洮兒河，西部與呼倫貝爾大草原相連，西北部與俄羅斯毗鄰，地跨呼倫貝爾市、興安盟等9個旗市，是我國最大的集中連片的國有林區。林區屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長而寒冷，夏季短暫而炎熱；年降水量300～500 mm，集中于7—8月份；年平均氣溫為-3.2℃，極端氣溫達-49.8℃。

1.2 資料選取及處理

降水資料為內蒙古自治區11個(呼倫貝爾市9個，興安盟2個)站點逐月降水觀測數據，數據資料由內蒙古自治區氣象局提供。分析時間定在1971—2010年，這一時間內降水數據完整，沒有缺失值。借用VisualFoxpro 6.0軟件建立林區降水因子的時間序列資料，并進行時間一致性檢驗。

1.3 研究方法

本文主要對內蒙古大興安嶺林區降水事件年際變化進行趨勢分析、突變檢驗和多時間尺度的復雜結構分析研究。方法介紹如下：氣候要素的趨勢變化一般采用一元線性回歸分析，即：Y(t)=kx+b，式中：Y(t)為氣候要素，t為時間，k為線性回歸系數；k為正值，表示氣候要素呈線性增加的趨勢，反之呈線性減少的趨勢。這里采用10k表示降水要素每10 a的變化率[9]。

累積距平法是一種比較常用的通過曲線來直觀判斷變化趨勢的一種分析方法。根據N個時刻的累積距平值繪制累積距平曲線對時間序列的變化趨勢進行分析，曲線由上升變為下降或由下降變為上升即為轉折點，轉折點對應的時間為突變大致時間[9]。

曼—肯德爾檢驗(Mann-Kendall)法是一種非參數統計檢驗方法，其樣本可以服從任何分布，也不受其他異常值的干擾，比較適合順序類型的檢驗，同時可以明確指出突變的大致開始時間，目前已廣泛應用于降水、氣溫等方面研究[10-13]。

小波分析最初由法國Morlet首次提出的，本文在Matlab 7.0軟件平臺的支持下，采用Morlet小波計算小波系數，利用Surfer 12.0等繪圖軟件繪制小波變換系數實部等值線、小波變換系數模及小波方差圖。目前，小波分析已經在氣象領域廣泛應用，已有不少學者利用小波分析方法研究了不同地區降水量多時間尺度的變化特征[14-16]。

2 結果與分析

2.1 年降水量變化趨勢分析

從時間尺度來看，在1971—2010年內蒙古大興安嶺林區年降水量整體在波動中呈微弱下降的趨勢，變化傾向率為-7.4 mm/10 a，沒有通過顯著性水平檢驗(圖1)，這與賈建英等[17]研究結果一致。其多年均值為452 mm，最大值出現在1998年為740 mm，最小值出現在2007年為300 mm，兩者相差達440 mm，說明年降水量年際變化幅度較大。從空間尺度來看，降水傾向率具有很強的區域性(圖2)。其中趨勢下降的站點全部位于西部和中部林區，而增加的站點全部位于東部，東部林區毗鄰東北平原，是否受東北平原季風和太平洋季風影響其原因有待進一步分析。

圖11971-2010年內蒙古大興安嶺林區

年降水量線性變化趨勢

圖21971-2010年內蒙古大興安嶺林區降水氣候傾向率分布

2.2 年降水量突變檢驗與累積距平

采用曼—肯德爾檢驗(Mann-Kendall)突變檢驗法對內蒙古大興安嶺林區1971—2010年年降水量進行突變檢驗分析(圖3)。由圖3可以看出UFk曲線整體上經歷了上升—下降—上升—下降的趨勢，可判斷林區降水經歷了豐—枯—豐—枯的過程。在1977—2003年一直處于上升趨勢，持續時間比較長，并且在1983—1986年與1989—1995年上升趨勢通過了0.05的顯著性水平檢驗，但均未通過0.001的顯著性水平檢驗。UFk與UBk曲線在置信區間以內大致有4個交點，其中在2009—2010年出現兩個交點，距離比較近，可近似看做為一個交點，由此推斷在1971—2010年年降水量可能發生了3次突變，大致時間分別為1975年、1999年、2009年。累積距平曲線分析表明年降水量大體經歷了的下降—上升—下降三個階段(圖3)，1971—1979年降水量呈緩慢下降趨勢，負距平占89%，表明降水量低于歷史平均水平，為少雨期，在1979年達到歷史最低水平，1980—1999年呈現明顯的上升趨勢，正距平占70%，為多雨期，且持續時間較長，且1999年為明顯的一次多雨波動，距平值為300 mm，達到歷史最高水平，2000—2010年降水量呈下降趨勢，負距平占64%，其中2000—2007年下降趨勢明顯，2008—2010年下降趨勢非常緩慢，由此判斷降水量發生突變的年份大致為1979年與1999年。綜合以上兩種方法的結果判斷出內蒙古大興安嶺林區年降水量發生突變的大致時間為1975—1979年與1999年。

2.3 年降水量周期性變化分析

實部等值線圖中虛線表示小波系數實部小于0，即降水量偏低(枯)；實線表示小波系數實部大于0，即降水量偏高(豐)。0值所對應的時刻即枯—豐轉折點。圖4A可以看出近40 a內蒙古大興安嶺林區年降水量包含了多個不同尺度的周期性變化，形成各種尺度正負相間的振蕩中心，存在明顯的年代和年際變化。年際變化中具有5個明顯的4 a，6 a，10 a，17 a，27 a尺度周期的嵌套結構，其中27 a尺度主要經歷了5個枯—豐交替，1977年、1985年、1998年、2001年為枯—豐交替的轉折點，并且具有全域性；17 a尺度主要經歷了7個明顯枯—豐交替，枯—豐轉折點為1976年、1981年、1988年、1995年、2001年、2006年，且具有全域性；10 a，6 a，4 a分別經歷了12個、9個、14個枯—豐交替，但是4 a與6 a尺度上的周期變化不具有全域性，在Matlab軟件中處理發現4 a尺度振蕩主要集中在1986—2010年，6 a尺度振蕩主要集中在1977—1998年。這表明林區降水變化受大、中、小多重時間尺度周期的共同作用。

年降水量小波方差圖(圖4B)顯示小波方差共出現5個峰值，對應時間尺度從小到大分別為4 a，6 a，17 a，10 a，27 a，表明這5個周期在近40 a中對降水量起主要作用。其中最大峰值對應著27 a的時間尺度，可視為第一主周期，說明對降水影響最為顯著，判讀其等值線閉合情況可知2013年左右為枯—豐交替點，在2013年以后的大約8年間(2014—2020年)可能會出現降水偏多期；10 a時間尺度對應第二峰值，可視為第二主周期，判讀其等值線閉合情況可知在2010年以后的大約8 a間(2011—2018年)也可能會出現降水偏多期，17 a，6 a，4 a的時間尺度分別為第三、四、五主周期；小波系數的模值是反映不同時間尺度變化周期所對應的能量密度在時間域的分布情況，系數的模值越大表明其所對應時間尺度的周期性規律越強。通過判讀年降水量Morlet小波系數模時頻分布圖(圖4C)可得最顯著性周期出現在25～32 a尺度上，其中27 a左右時間尺度上的周期振蕩最強烈，而且主要集中在1973年左右和2010年以后，7～11 a的時間尺度周期振蕩次之，其他時間尺度周期性變化較弱。

圖31971-2010年內蒙古大興安嶺林區年降水量突變分析和累積距平曲線

圖4內蒙古大興安嶺林區年降水量Morlet小波變換系數實部時頻分布、小波方差圖和小波變換系數模時頻分布

3 結論與討論

3.1 結 論

(1) 在1971—2010年內蒙古大興安嶺林區年降水量整體在波動中呈下降趨勢，與整個中國的趨勢是一致的，變化傾向率為-7.4 mm/10 a，降水量年際變化幅度較大，但沒有顯著性變化趨勢；降水氣候傾向率具有很強的區域特點。

(2) 近40 a內蒙古大興安嶺林區年降水經歷了豐—枯—豐—枯的變化過程；年降水量發生突變的大致時間在1975—1979年與1999年。

(3) 內蒙古大興安嶺林區40 a年降水量包含了多個不同時間尺度的周期性變化，其年際變化中存在著5個明顯周期變化規律：4 a，6 a，10 a，17 a，27 a，在全球氣候變暖背景下27 a左右的周期振蕩最為強烈，為第一主周期，對降水作用最為顯著，而且主要集中在1973年左右和2010年以后，在2014—2020年可能出現降水偏多期。

3.2 討 論

降水量的多少是影響一個地區水資源的主要因素之一，而水資源狀況影響著地區植被分布、植被種類、植被多樣性和生態環境的好壞。研究[18-19]表明大興安嶺林區是整個內蒙古水分條件最好的地區，近年來隨著氣候變暖，降水量減少，林區有進一步暖干化趨勢，林業干旱發生更加頻繁，林區內濕地、草原等生態系統存在退化趨勢，大興安嶺林區生態穩定性的維持風險加劇，內蒙古大興安嶺林區作為我國重要的生態屏障，一旦遭到破壞，不僅影響的是整個東北地區，甚至對中國北方生態環境也造成不利影響；此外，一些研究結果[20]表明，氣象和氣候條件嚴重制約著森林火災的發生發展，尤其是降水量的多寡對林區火災的發生、蔓延有著重要影響，于文穎等[21]研究表明降水量與過火次數呈顯著的正相關。從本文研究來看雖然在未來幾年的時間尺度上林區降水會增多，但林區降水量還會呈現減小的趨勢，未來還要逐漸提高火險等級預警，加大森林火災防控力度；加強對林業干旱的預報預測，及時采取積極有效的措施應對林業干旱帶來的不利影響。

在氣候變暖的大背景下，內蒙古大興安嶺林區年降水量呈下降趨勢，與中國和整個東北降水量趨勢基本一致，有些研究結果表明整個東北地區年降水量下降趨勢達到了顯著性水平[17]，而林區年降水量下降卻沒達到顯著性水平，這可能受研究區特殊的區域環境影響或因為時間序列和所選站點不同而造成的差異，這有待我們進一步探討研究。另外，關于林區各季降水特點，在這里沒有進行分析，季節降水的分配也應該引起我們的注意。還有生長季雨日，大中小雨日數、雨強和頻率的變化等對林業干旱的影響還存在很多的不確定，仍需要進一步研究。同樣等量級的降水，其頻率和強度不同，對土壤水分的有效性也不同，如小于10 mm降水的日數較多，雨量比例高，對林地補充土壤水的作用效果較差，同樣大雨暴雨次數多，地表徑流多，只有中雨日數和量級比例高才會對林地的作用較大，年降雨量整體變化趨勢不明顯，但有效降水仍是該區域關注的重點。內蒙古大興安嶺林區生態修復和保護，離不開主要的限制因子水分條件的研究，同時相關的蒸發、生長期雨量變化、雨熱系數等也是以后研究的重點問題。

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SpatiotemporalDistributionandPeriodicityofAnnualPrecipitationinDaxing′anlingForestRegionofInnerMongolia

BIAN Yuming1, DAI Haiyan2, WANG Bing1, ZHANG Jian3, BA Te1, ZHANG Qiuliang1

(1.ForestryCollegeofInnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010010,China;2.InnerMongoliaEcologyandAgriculturalMeteorologyCentre,Hohhot010051,China;3.XinganMengForestryScienceResearchInstitute,HingganLeague,InnerMongolia137400,China)

Based on the observational data of precipitation in 11 meteorological stations from 1951 to 2010 in forest region of Inner Mongolia Daxing′anling, we used a linear regression, accumulative anomaly method, Mann Kendall test (Mann-Kendall) method and Morlet wavelet analysis method to analyze the annual precipitation changes in forest region of Inner Mongolia Daxing′anling in recent 40 years and to reveal the variation characteristics of annual precipitation under the climate warming background. The results showed as follows： precipitation in forest region of Inner Mongolia Daxing′anling showed a slight downward with fluctuation, the trend tendency rate was -7.4 mm/decade, inter annual variation precipitation was significant, precipitation of climate trend rate had very obvious regional features, which experienced the wet—dry—wet—dry process; the time of precipitation mutation occurred roughly from 1975 to 1979 and in 1999 based on the cumulative distance average analysis and Mann Kendall (Mann-Kendall) test method. Morlet wavelet analysis results showed that annual precipitation in recent 40 years in Daxing′anling forest region of Inner Mongolia contained a number of periods with different time scales, the 27-year periodic oscillation was the strongest, and had the most significant effect on precipitation, and high precipitation period will occur in the years 2014 to 2020.

Daxing′anling of Inner Mongolia; forest region; precipitation; Morlet wavelet analysis

2016-09-04

：2016-10-30

中國科學院野外站聯盟項目“東北地區生態變化評估”(KFJ-SW-YW026)

邊玉明(1992—),男,河北保定人,碩士研究生,研究方向:森林資源經營與管理。E-mail:bianyuming0801@126.com

張秋良(1960—),男,內蒙古托縣人,博士生導師,博士,研究方向:森林資源經營管理與森林生態。E-mail:18686028468@163.com

P426.6

：A

：1005-3409(2017)03-0146-05