內蒙古秋季降水量分區及區域變化特征分析

包福祥

內蒙古橫跨中國東北、華北、西北三大地區，地域狹長。內蒙古秋季降水量少而且分布不勻，隨著全球氣候變化異常現象頻繁，內蒙古秋季降水也受到不同程度的影響。秋季降水異常特征對內蒙古馬鈴薯、玉米、大豆等一些主要農作物的成熟、收割及晾曬等產生影響。中國西北地區秋季降水日數在這1971～2010年間的變化趨勢更為顯著，降水量及降水日數整體呈現出增加的趨勢[1]。1961～2010年中國降水呈現減少趨勢，且存在區域差異，降水量減少幅度最大的是黃淮地區[2]。內蒙古夏季全區性異常多和異常少雨年主要集中出現在上世紀60年代和90年代以后，1961～2012年內蒙古全區少雨的站數百分率有顯著的增加變化趨勢[3]。

本文采用客觀方法對內蒙古秋季降水變化進行分區，并分區域分析各區域降水量變化特征及氣候突變特征。

1 資料與方法

本文分析的秋季降水資料選用內蒙古101個國家級地面氣象站1961～2017年秋季降水觀測資料。使用的經驗正交函數 （EOF）、旋轉經驗正交函數（REOF）分解、相關分析、線性傾向估計、滑動平均、Mann-Kendall檢驗及滑動T檢驗等方法都是氣候統計診斷中應用較為普遍的方法。

2 結果與分析

2.1 用REOF方法對內蒙古秋季降水進行分區

在進行REOF分解之前，首先判斷旋轉經驗正交函數的個數。對內蒙古秋季降水量標準化場進行EOF分解，得到前三個特征向量的累計方差貢獻達61.4%，第四特征向量的方差貢獻僅為4.6%，初步確定選取前3個正交函數作為旋轉經驗正交函數 （表1）。通過特征值對數曲線變化得到，在第三個特征值之后的直線斜率明顯變小。用North特征值誤差范圍判斷，取第五特征值時與第六特征值之差（18.8）小于North特征值誤差范圍（35.1），根據該方法判斷，從第五個特征開始經驗正交函數已無有價值的信號。綜合上述三種方法選取前3個經驗正交函數進行REOF分解。結果表明，第1旋轉載荷向量的高值區位于河套地區，等值線向東北逐漸減小的空間分布，全區域具有較好的一致性特征（圖1a）；第2旋轉載荷向量表現出“+-+”的分布特征，高值區位于赤峰市和通遼市（圖1b）；第3旋轉載荷向量表現出東西相反的分布特征，高值區位于呼倫貝爾市地區（圖1c）。選取載荷絕對值≥0.45作為區劃標準進行分區，同時結合歷年秋季降水分布特征，確定分區的邊界位置，將1961～2017年內蒙古秋季降水自西向東分成中西部、東南部和東北部3個區域，分區結果見圖1d（下文為敘述方便把3個區域分別稱為1、2、3區）。

表1 內蒙古秋季降水標準化場EOF分解前四個特征向量的方差貢獻和累計方差貢獻

圖1 內蒙古秋季降水REOF的第一、二、三特征量分布圖（a-c）及內蒙古秋季降水分區圖（d）

圖2 1961～2017年3個區域秋季降水量距平11年滑動平均曲線

圖31961 ～2017年1區秋季降水量Mann-Kendall檢驗

2.2 各區域降水量變化特征分析

2.2.1 各區域間降水相關性分析。為了解3個區域降水變化特征的相似性，按1961～1990年、1971～2000年、1981～2010年和1988～2017年4個時段分別分析各區域平均降水量的相關性特征，分析發現，1961～1990年、1971～2000年和 1981～2010年 3個時段各區域降水量相關系數均未通過0.1的顯著性水平檢驗，說明在這3個時段內各區域的秋季降水量年際變化不存在顯著的相關性特征；1988～2017年1區與3區降水量相關系數為0.048，未通過0.1的顯著性水平檢驗，而1區與2區、2區與3區降水量的相關系數分別為0.446和0.431，均大于0.349，通過0.05的顯著性水平檢驗，說明在1988～2017年1區與2區、2區與3區秋季降水量年際變化存在顯著的相關性（表2）。

表2 4個時段3個區域平均降水量相關分析結果

2.2.2 各區域秋季降水趨勢變化特征。利用線性傾向估計、相關分析和滑動平均方法分析了1961～2017年各區域降水量變化特征。分析得到，1～3區秋季降水量變化的氣候傾向率分別為 3.15、1.30、1.46mm·10a-1，相關系數分別為0.234、0.087、0.103。1區秋季降水量線性增多的趨勢較2、3區顯著。1961～2017年內蒙古秋季降水量距平11年滑動平均曲線表明，2區與3區的降水量趨勢變化較為相似，而1區與2、3區變化特征差異較大。1區秋季降水量在60年代至70年代初有增加的趨勢，70年代初至80年代末呈現明顯減少的趨勢，80年代末至21世紀10年代為增加的趨勢；2、3區降水量在60年代至70年代初有增加的趨勢，70年代初至80年代初略有減少趨勢，80年代初至90年代初有較為明顯增加趨勢，90年代至21世紀初期有減少的趨勢之后開始增加（圖2）。

2.2.3 氣候突變特征分析。為進一步分析各區域秋季降水量的突變特征，采用Mann-Kendall法對各區域降水量序列進行突變檢驗。結果顯示，1區降水量在20世紀70年初至21世紀初有顯著的減少趨勢 （圖3，虛直線表示0.05顯著性水平檢驗值±1.96）；3區降水量在20世紀60年代至70年代初有顯著的增加趨勢，在21世紀初減少的趨勢較為顯著（圖4）。

利用滑動T檢驗法對各區域1961～2017年降水量序列進行突變檢驗。結果顯示：1區降水沒有通過顯著性水平的突變點；2區降水量5年滑動和6年滑動T檢驗均在1967年前后有一次顯著的由少轉多過程 （圖5）；3區降水量12年滑動在1995年前后有一次顯著的由多轉少過程（圖6）。

圖4 1961～2017年3區秋季降水量Mann-Kendall檢驗

圖5 1961～2017年2區秋季降水量5年滑動和6年滑動T檢驗

圖6 1961～2017年3區秋季降水量12年滑動和16年滑動T檢驗

利用1961～2017年平均值計算1區秋季降水量序列的累計距平曲線，結果表明，在1978～2006年曲線呈下降的趨勢，2006年以后呈上升趨勢 （圖7），2006年是曲線的拐點，表明1區秋季降水量在2006年以后開始由少轉多。

綜合以上3種氣候突變檢驗方法對內蒙古3個區域秋季量的檢驗結果表明，內蒙古秋季降水沒有明顯的突變現象；中西部降水在1978～2006年呈減少的趨勢，2006年以后呈增多的趨勢；東部地區在20世紀60年代至70年代初有顯著的增加趨勢；東部偏南地區在1967年前后有一次顯著的由少轉多過程；東部偏北地區在1995年前后有一次顯著的由多轉少過程，從1999年前后至2008年前后呈顯著減少的趨勢。

圖7 1961～2017年內蒙古1區秋季降水量累計距平曲線

2.3 結論

2.3.1 利用REOF分解結果，結合歷年秋季降水分布特征，將1961～2017年內蒙古秋季降水分成中西部、東南部和東北部3個區域。

2.3.2 分析了 1961～1990 年、1971～2000 年、1981～2010年和1988～2017年4個時段內3區域降水相關性，只有1區與2區、2區與3區在1988～2017年秋季降水的相關系數通過0.05的顯著性水平檢驗。

2.3.3 3個區域的秋季降水變化趨勢差異較大，各區域降水量的突變特征也不一致。內蒙古秋季降水沒有明顯的突變現象，各區域均有顯著的降水趨勢轉折過程。