包頭市濕潤度的時空分布變化特征

趙怡卿

內蒙古自治區包頭市氣象局，內蒙古包頭 014030

包頭市地處內蒙古高原中部，內有農田、濕地、草原、河流、森林等多種生態系統，是我國北疆生態安全屏障的組成部分。此處是典型的干旱、半干旱氣候區域，生態環境脆弱，是荒漠化生態環境治理的關注區域。造成土地荒漠化的原因較為復雜，主要體現在氣候和人為2個因素上。為了減輕人為因素對荒漠化的影響，近年來包頭市施行了多項生態恢復工程，如在大青山南坡進行綠化、在山北牧區開展圍封禁牧、實行黃河濕地保護等措施。

研究表明，氣候逐漸成為土地荒漠化的主要原因[1-3]。針對荒漠區氣候變化研究，國內許多學者得出了相似結論，如賈艷青等[4]、Liu等[5]都認為中國西北地區、青藏高原及內蒙古地區呈現濕潤化趨勢，而華北地區呈現變干趨勢。這些分析都基于濕潤度指數對區域干濕狀況的計算評價。濕潤度因計算方便，需要資料少，是目前常用的氣候變化干濕表征指標，能客觀反映區域干濕狀況[6]。此處利用濕潤度指數對包頭市1980—2022年干濕變化的時空特征進行分析。近43年來，包頭市在作物生長季內干旱氣候區呈現緩慢變干趨勢，半干旱區氣候區呈現緩慢變濕趨勢。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

受山脈地形的影響，包頭市總體呈現中間高、南北低的分布特征，中部山岳地帶海拔1 200～2 300 m，北部丘陵高原海拔1 410～1 600 m。境內山地占14.5%，丘陵草原占75.5%，平原占10%。全市總面積27 570 km2，地理跨越109°15′12″～111°26′25″E，40°14′56″～42°43′49″N。圖1為包頭市100 m×100 m高程圖，從中可以看出三大地貌的分布。

圖1 包頭市100 m×100 m高程圖

1.2 資料來源

利用包頭市具有較長觀測時間序列的7個國家站1980—2022年逐月濕潤度進行空間、時間變化特征分析，濕潤度采用“內蒙古三級智慧農業氣象服務平臺”計算結果。平臺算法依據中國氣象局《生態質量氣象評價規范》進行最小為月尺度的濕潤度計算[7]。公式為：

式(1)中，HI表示濕潤度指數，P表示降水量，ET表示潛在蒸散量，ET的計算采用FAO Penman-Monteith方法。

地理信息數據來源于100 m×100 m分辨率的數字高程模型(DEM)。

1.3 研究方法

1.3.1 濕潤度的空間計算主要研究植被生長季內濕潤度的空間分布及其隨時間變化，將4—10月濕潤度平均值作為年平均濕潤度。將全市7個國家站1980—2022逐年平均濕潤度與各站所在地的經度、緯度、海拔，利用SPASS軟件進行多元回歸，得到關系式：

式(2)中，HI表示濕潤度，x表示緯度，y表示經度，h表示海拔。關系式中，決定系數R=0.624，通過顯著性水平0.05檢驗。

根據關系式(2)，在ArcGIS中以高程圖為基礎，進行字段計算、轉柵格等空間計算，得到1980—2022年濕潤度的空間分布。

1.3.2 Mann-Kendall法突變檢驗Mann-Kendall法是一種非參數統計檢驗方法，不要求樣本遵從一定分布，也不受少數異常值的干擾，計算簡便，構造正序列UFk、逆序列UBk統計量曲線即可判斷序列變化趨勢和突變。若UFk或UBk值＞0，則表明序列呈上升趨勢，若UFk或UBk值＜0則表明序列呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UFk和UBk曲線出現交點，且交點在臨界線之間，則交點對應的時刻便是突變開始時間，若出現多個交點，需要用其他方法檢驗。

1.3.3 滑動t 檢驗滑動t檢驗是將樣本序列中2段子序列均值有無顯著差異作為2個總體均值有無顯著差異的問題進行檢驗。如果2段子序列的均值差異超過了一定顯著水平，即有突變發生。

2 結果與分析

2.1 濕潤度的空間分布

按照關系式(2)，在ArcGIS中通過空間計算得到如圖2所示的濕潤度空間分布，全市濕潤度大致在0.1～0.4之間。根據《聯合國關于在發生嚴重干旱和/或荒漠化的國家，特別是在非洲防治荒漠化公約》制定的中國干濕氣候分區標準，將0.03＜HI＜0.2劃分為干旱氣候區，0.2＜HI＜0.5劃分為半干旱氣候區[8]。可知，包頭市作物生長季存在干旱和半干旱2種氣候區，分界線大致在達茂旗中部東北—西南走向的地帶；濕潤度在全市范圍呈現西北向東南逐漸增大的趨勢，濕潤度最高的區域為市區、土右旗和固陽縣的東南部分地區，濕潤度最低的區域為達茂旗北部邊緣地區。

圖2 包頭市1980—2022年4—10月平均濕潤度指數的空間分布

鞏杰等[9]曾在黃河流域氣候干濕狀況變化中指出，相較于潛在蒸散發，黃河流域濕潤度對降水量的敏感性更高。此處對全市7個國家站濕潤度與潛在蒸散發、降水量分別進行了相關分析，月濕潤度與月降水量的相關系數達到0.92，呈現高度相關；月濕潤度與月蒸散量的相關系數僅為-0.16，呈現弱相關。

2.2 濕潤度的時間變化

濕潤度的空間分布表明干旱氣候區集中在達茂旗北部的大部地區，除此之外的其余地區均為半干旱氣候區。按照濕潤度＜0.2的干旱區，濕潤度為0.2～0.3半干旱區和濕潤度＞0.3的半干旱區，分別進行代表站點的時間趨勢變化分析和M-K趨勢突變檢驗。

2.2.1 干旱氣候區濕潤度年際變化干旱氣候區1980—2022年4—10月逐年平均濕潤度線性趨勢傾向率為平均每10年變干0.002(圖3)。

圖3 干旱氣候區濕潤度的年際變化

2.2.2 半干旱氣候區濕潤度年際變化濕潤度為0.2～0.3半干旱氣候區1980—2022年4—10月逐年平均濕潤度線性趨勢傾向率為平均每10年變濕0.006(圖4)。

圖4 濕潤度為0.2～0.3半干旱氣候區干濕的年際變化

濕潤度達到0.3以上半干旱氣候區1980—2022年4—10月逐年平均濕潤度線性趨勢傾向率為平均每10年變濕0.009(圖5)。

圖5 濕潤度＞0.3半干旱氣候區干濕的年際變化

2.3 濕潤度突變分析

濕潤度隨時間的變化在干旱氣候區表現為緩慢變干，半干旱氣候區表現為緩慢變濕，可通過M-K法判斷是否存在趨勢突變。

2.3.1 干旱氣候區突變檢驗干旱氣候區選取滿都拉站作為代表站進行M-K檢 驗，曲線在1991、2005、2009、2011年出現交點，需借用其他檢驗方法確定突變是否可信(圖6)。換做滑動t檢驗(步長為10年)重新判斷，結果顯示研究時段內并無突變產生(圖7)，變干趨勢較為平緩。

圖7 滿都拉站濕潤度t檢驗

2.3.2 半干旱氣候區突變檢驗濕潤度為0.2～0.3半干旱氣候區選擇固陽站進行M-K檢驗，在濕潤度為0.3以上半干旱氣候區選擇土右站進行M-K檢驗。在95%的置信區間內，固陽站(圖8)和土右站(圖9)均不存在突變。

3 討論與小結

濕潤度是表征一個地區干濕狀況的指標，同一地區不同季節的干濕狀態會發生轉變。不同的蒸散發計算方法也可能導致不同的濕潤度指數值。基于FAO Penman-Monteith蒸散的濕潤度計算發現，濕潤度對降水的敏感度更高，其相關系數表現為強相關；空間分布上呈現西北向東南方向逐漸增大的趨勢；在年際變化上，半干旱氣候區呈現緩慢變濕趨勢，濕潤度越高的地區變化越明顯，M-K法檢驗證實了此種變化趨勢是平緩無突變的。