基于相对湿润指数的蒙中农牧交错带作物生长季干旱时空分析——以乌兰察布市为例

曹二佳，薛 羽，李红瑛，巩 杰，徐彩仙

(1. 兰州大学资源环境学院, 西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000; 2. 内蒙古凉城县气象局, 内蒙古 凉城 013750)

0 引 言

干旱事件是最具破坏性和最持久的气象灾害之一[1,2]，也是气候变化造成的亟待应对重大问题[3]，该事件的频繁发生，对生态系统、农业生产、社会经济发展产生了重要影响[4]。气候科学的一个基本预测是：由于干燥、变暖和冰雪融化的协同效应，世界许多地区将经历更长时间和更广程度的干旱[3]。随着全球气候变暖与人类活动不断增强，极端气候事件(如干旱、强降雨等)的发生频率激增[5]，已成为影响我国北方地区的突出灾害之一[6-8]。考虑到干旱的后果和持续性，评估干旱程度非常重要，目前表征干旱的指标较多，如标准降水指数(SPI)、降水距平百分率(Pa)、Z指数、相对湿润指数等[9]。其中，相对湿润指数综合考虑了降水与蒸发作用，是比较理想的区域性干旱监测指标[10]，并在国内干旱研究中得到广泛应用。如，王婷等[11]采用相对湿润指数和降水距平百分率评价了四川水稻气候干旱风险；王莺[12]等利用相对湿润指数揭示了1960-2011年石羊河流域程呈现微弱变干；王田明等[13]基于相对湿润指数研究发现年际尺度上我国西南地区总体上略有变湿趋势，夏季和冬季干旱有所增强等。

中国北方农牧交错带地处干旱与湿润、农业与畜牧业的过渡区，是人类与气候相互作用最强烈的地区之一，对气候变化极其敏感[14]，加之过度开垦、放牧等人类活动的影响，给当地生态环境、社会发展带来不良影响，已成为中国最典型的集干旱灾害频发、贫困集聚的生态脆弱区[15]，其中干旱灾害是威胁农牧业最主要的自然灾害[16]。张宇等[17]发现2018年6月内蒙古中南部出现重度干旱。Liu等[18]基于标准化降水蒸散发指数(SPEI)发现内蒙古1960-2013年间植物生长季(4-9月)干旱十分频繁，且日益严重。总的来说，已有研究多关注于全国或区域尺度的气候变化，而农牧交错带中小尺度干旱状况研究报道较少。而生长季的干湿对植物生长和农牧业生产至关重要，生长季干湿状况研究有助于预防和应对区域性干旱[19]。因此，本文以内蒙古中部农牧交错带乌兰察布市为例，基于相对湿润指数分析该地区1980-2017年作物生长季(4-9月)地表干湿时空特征，以期为深刻认识气候变化对该地区干旱程度、农业生产带来的不利影响，进而为干旱应对和农牧业生产管理等提供科学依据和理论参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

乌兰察布市(39°37′～ 43°28′N，109°16′～114°49′E)地处内蒙古自治区中部，辖11个旗县(市、区)，总面积5.45 万km2(图1)。该地区处于草原向荒漠过渡地带，东部和南部属于草原，北部和西北部属于荒漠草原[20]。土地利用类型主要以草地、耕地为主，土壤类型主要有棕钙土、栗钙土、栗褐土[16]。乌兰察布市平均海拔904～2 272 m，习惯上称大青山南部为前山地区，较温暖多雨，包括集宁区、卓资县、兴和县、丰镇市、察右前旗、凉城县，大青山以北称为后山地区，温凉而多风干旱，包括四子王旗、察右中旗、察右后旗、商都县、化德县。乌兰察布市属温带干旱半干旱大陆性季风气候，降水集中在7-9月，空间分布由北向南逐渐增多，年均降雨量150～450 mm，年均温2～5 ℃，无霜期90～145 d，年均蒸发量为1 300～3 000 mm。

图1 乌兰察布市及周边站点分布图Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations of Ulanqab and its surrounding

1.2 数据来源

本文搜集了乌兰察布市内11个气象站点及周边9个站点(图1)的逐日降水量(P)、最高气温(Tmax)、平均气温(Tmean)、最低气温(Tmin)、平均相对湿度(RH)、平均风速(U)、日照时数(N)气象资料以及经纬度、海拔等信息(图1)，数据来源于内蒙古凉城县气象局。

DEM是空间分辨率为30 m的ASTER GDEM 数据，来源于地理空间数据云。

1.3 研究方法

1.3.1 相对湿润指数的计算

相对湿润指数(M)是降水与蒸散量之差与蒸散量的比值[21]，是中国气象局2005年《干旱监测和影响评价业务规定》中推荐的干旱指标之一，适用于旬以上尺度干湿研究[22]。相对湿润指数值越小，表示气候越干旱，反之则越湿润。公式如下：

(1)

式中：P表示研究时段降水量，mm；ET0为该时段的潜在蒸散量，mm。

利用联合国粮农组织(FAO)推荐的彭曼蒙特斯(Peman-Monteith，P-M)公式计算ET0，公式如下：

(2)

式中：ET0为潜在蒸散量，mm/d；Rn为植物冠层表面太阳净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤通量，MJ/(m2·d)；es、ea分别为饱和水汽压、实际水汽压，kPa；γ、Δ分别为干湿常数、饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；T为空气平均温度，℃；u2为地面以上2 m高处风速，m/s。

依照中国国家气象局颁布的《气象干旱等级》中提出的相对湿润指数气象干旱等级划分法[19, 23]，干旱等级划分如下：无旱：-0.40

1.3.2 空间插值与分析方法

运用ArcGIS 10.2软件中的反距离权重插值法(Inverse Distance Weighted, IDW)对相对湿润指数、降水量、潜在蒸散进行插值。采用距平、累计距平分析了乌兰察布市相对湿润指数相对于多年平均值的变化程度、变化趋势。采用非参数Mann-Kendall趋势检验分析法研究38 a来年乌兰察布市生长季(4-9月)相对湿润指数、各气象要素的变化趋势[24-25]。用偏相关分析法[26]探讨各气象要素对潜在蒸散发的影响，从而分析相对湿润指数的气象成因。

基于重标极差分析法(R/S法)的赫斯特指数(H)是由英国水文专家Hurst在研究尼罗河多年水文观测资料时发现并提出的[27]。Hurst指数值H的大小可以判断时间序列是否存在趋势性成分。当H=0.5时，序列变化属于布朗运动，未来变化趋势与过去无关；当0

2 结果与分析

2.1 生长季干旱时空分布特征

2.1.1 生长季干旱空间分布

1980-2017年乌兰察布市作物生长季(4-9月)平均相对湿润指数空间分布如图2(a)所示。由图2可得，多年平均相对湿润指数由北至南逐渐增大，近38 a来乌兰察布市生长季干旱状况整体为：南部地区干旱发生以轻旱为主，北部以中旱为主。具体的：西南部地区如凉城、卓资、丰镇等相对湿润指数较大，处于轻旱状态(-0.55～-0.50)；察右中旗、察右后旗、商都、化德、集宁、察右前旗、兴和多年平均相对湿润指数范围为-0.55～-0.65；北部四子王旗最为干旱，相对湿润指数为-0.80～-0.75。

1980-2017年乌兰察布市作物生长季(4-9月)降水量空间分布如图2(b)所示。可看出乌兰察布市生长季降水量由南向北逐渐减少，与相对湿润指数的空间分布基本一致。降水量最大值出现在凉城(356.30 mm)，其次是丰镇(341.68 mm)，四子王北部降水量较低。生长季潜在蒸散量的空间分异较大(699.45～1 027.20 mm)，分布与相对湿润指数空间分布相反，呈北高南低[图2(c)]。该区域潜在蒸散量最大值出现在四子王(1 027.20 mm)，最低值区出现在卓资(699.45 mm)，其次是集宁(735.81 mm)。

图2 1980-2017年乌兰察布市生长季相对湿润指数、降水量、潜在蒸散发空间分布Fig.2 Spatial distribution of relative moisture index, precipitation, ET0 in growing season in Ulanqab during 1980-2017

2.1.2 生长季干旱年际变化

1980-2017年乌兰察布市生长季相对湿润指数距平年际变化及累计距平曲线如图3所示。近38 a来相对湿润指数呈现下降趋势，多年平均值为-0.575，为轻旱状态。生长季内平均相对湿润指数最大值出现在2003年(为-0.330)，其次是1995年(为-0.342)，最小值出现在2011年(-0.775)，其次是1986年(为-0.739)。由累计距平曲线可见，近38 a来相对湿润指数变化经历了4个较明显阶段变化，1980-1986年间呈微弱上升趋势，相对湿润指数增大，表明地表趋于湿润，1987-1990年间累计距平呈负向增长，相对湿润指数减小，即干旱程度加重；1990-2003年间相对湿润指数整体呈增加趋势，表明干旱程度逐渐降低；2003-2017年间累计距平曲线整体呈下降趋势，说明该时段相对湿润指数减小，干旱程度增加。

图3 1980-2017年乌兰察布市生长季干旱年际变化Fig.3 Interannual variation of drought in growing season in Ulanqab during 1980-2017

对各年代相对湿润指数进行统计，得1980s、1990s、2000s、2010-2017生长季平均相对湿润指数分别为：-0.598、-0.534、-0.572、-0.583，呈现变湿-变干趋势，1990 s干旱程度最低，1980s干旱程度最严重。

2.2 生长季各月干旱时空分布特征

2.2.1 生长季各月干旱空间分布

乌兰察布市生长季各月相对湿润指数空间分布如图4。整体上，干湿状况的空间分布与全生长季一致，即由南向北相对湿润指数逐渐减少，地表越为干旱。从时间变化来看，4月至9月相对湿润度指数呈先增大后减小的趋势，4月最小(-0.95～-0.80)，全市整体处于重旱状态，7月和8月相对湿润指数较大(-0.75～-0.20)，乌兰察布市南部地区(凉城、卓资、丰镇、察右前旗、集宁、兴和大部分地区)为无旱状态。平均相对湿润指数最大值出现在7月(-0.336)，其中凉城、卓资最为湿润(分别为-0.193和-0.204)，北部县区为轻旱。生长季各月平均相对湿润指数由大到小为：7月(-0.336)、8月(-0.360)、9月(-0.500)、6月(-0.625)、5月(-0.787)、4月(-0.843)。

图4 1980-2017年乌兰察布市生长季各月相对湿润指数空间分布Fig.4 Spatial distribution of relative moisture index of each month in growing season in Ulanqab during 1980-2017

2.2.2 生长季各月相对湿润指数变化趋势

1980-2017年乌兰察布市生长季各月相对湿润指数M-K趋势检验slope值统计见表1。统计量Z为正值表示增加趋势，负值表示减小趋势，Z绝对值分别大于等于1.64、2.32时分别表示通过p<0.05、p<0.01的显著性检验[28]。分析可得：8月各县区相对湿润指数均呈显著下降趋势(p<0.05)，表明干旱程度显著加重，其中凉城、集宁、四子王等地的相对湿润指数减小幅度最大(分别以-0.146/10 a、-0.145/10 a、-0.134/10 a的倾向率呈显著下降)；9月各县区的相对湿润指数均呈增加趋势，其中丰镇、察右前旗、四子王分别以0.086/10 a、0.084/10 a、0.055/10 a的趋势显著上升(p<0.05)，其余县区呈不显著增加趋势。4至7月各县区相对湿润指数变化均未通过显著性检验。从全生长季来看，大部分地区相对湿润指数整体呈减小趋势，表明大部分县区在生长季呈变干趋势，其中察右中旗减少趋势最为显著(减幅为-0.033/10 a)，其次是商都(减幅为-0.030/10 a)。

表1 1980-2017年乌兰察布市生长季各月相对湿润指数M-K趋势检验slope(10 a-1)/Z值统计表Tab.1 Slope (10 a-1)/Z value statistical table of M-K trend test of relative moisture index in each month of growing season in Ulanqab during 1980-2017

注： “*、**”分别表示变化趋势通过0.05、0.01的信度检验。0 表示slope绝对值小于0.001/(10 a)。

2.3 生长季干湿变化的影响因子分析

某一地区的相对湿润指数主要取决于降水量和潜在蒸散量，而潜在蒸散量与其他气象要素密切相关，因此，为明确1980-2017年乌兰察布市生长季相对湿润指数变化的气候成因，采用M-K趋势检验法分析了近38 a来乌兰察布市生长季各月最高气温Tmax、平均气温Tmean、最低气温Tmin、相对湿度RH、风速U、日照时数N、降水量P、潜在蒸散量ET0的变化趋势，倾向率slope/10 a与Z值如表2。从全生长季来看，Tmax、Tmean、Tmin均呈显著增加趋势(p<0.01)，分别以0.445 ℃/10 a、0.450 ℃/10 a、0.506 ℃/10 a的趋势增加，其中Tmin在生长季各月均显著升高，Tmax在8月增温速率最大。相对湿度整体以-1.099%/10 a的倾向率呈显著减小趋势(p<0.05)，其中8月减小幅度最大(-3.263%/10 a，p<0.01)。风速均呈极显著下降趋势(p<0.01)；日照时数仅8月呈不显著增加趋势，其余各月呈现减小趋势。从整个生长季来看，降水量以-0.874 mm/10 a的倾向率呈不显著减小趋势，其中8月降幅最大(-11.625 mm/10 a)。

因为各气象要素是通过影响ET0而影响相对湿润指数的大小，故对标准化处理后的ET0和各气象要素进行偏相关分析(如表3)。偏相关分析表明，ET0与风速、日照时数呈显著正相关(p<0.01)，与风速的相关性最大，偏相关系数为0.796(p<0.01)；ET0与相对湿度呈显著负相关(p<0.01)，与Tmean呈显著正相关(p<0.01)，与Tmax、Tmin相关性不显著，而降水量没有参与潜在蒸散量的计算，故偏相关系数较小。ET0在生长季呈减小趋势，表明风速、相对湿度、日照时数的显著下降对ET0的减小起主要作用，而温度的显著上升对ET0的增加作用较弱。因此，通过探讨各要素对ET0的影响，可得知对干旱指标的影响，38 a来生长季相对湿润指数呈减小趋势(变干趋势)，表明降水减少占主导因素，而风速、日照时数的减小有助于缓解干旱，但不足以填补降水量、相对湿度对干旱加重的作用。

表2 1980-2017年乌兰察布市生长季各月气象要素M-K趋势检验slope/(10 a)/Z值统计表Tab.2 Slope /(10 a)/Z value statistical table of M-K trend test of meteorological elements in each month of growing season in Ulanqab

注：“*、**”分别表示变化趋势通过0.05、0.01的信度检验。

2.4 生长季相对湿润指数未来变化趋势

生长季及各月相对湿润指数Hurst指数变化见表4， Hurst指数均大于或等于0.5，根据Hurst指数值H的大小，可将持续性强度分为5个级别[29]，弱：0.50

表3 潜在蒸散发ET0与各气象要素的偏相关系数表Tab.3 Table of partial correlation coefficient between ET0 and meteorological elements

注：“*、**”分别表示变化趋势通过0.05、0.01的信度检验。

表4 乌兰察布市生长季及各月slope/(10 a)/Z值与Hurst指数Tab.4 Slope/(10 a)/Z value and Hurst index in growth season and each month in Ulanqab

注：“*、**”分别表示变化趋势通过0.05、0.01的信度检验。

3 讨 论

从生长季多年平均相对湿润指数空间分布来看，乌兰察布市北部干旱程度较严重，尤其是四子王旗，其他学者的研究亦表明四子王旗干旱严重[30]，该区域更应该注意防旱抗旱，减少干旱对农牧业生产的影响。

近38 a来乌兰察布市生长季有变干趋势，尤其8月份呈强持续显著变干，6-7月呈持续轻微变干趋势，可见夏季干旱化严重。这与白美兰等[31]发现内蒙古中东部1980s以后夏旱发生频率高强度大的结论一致，此外，Huang等[7]研究也表明内蒙古1960-2012年夏季干旱越来越严重。Hurst指数表明乌兰察布市生长季干旱具有持续性，韩志慧等[32]人基于SPI指数对内蒙古干旱演变特征及趋势进行了预测，得出SPI序列呈明显的Hurst现象，亦表明干旱化程度还有可能会持续一段时间。

近38 a 来乌兰察布市生长季ET0呈不显著下降趋势，其中6月下降最显著，这主要与风速、相对湿度、日照时数的下降等有关，温度的显著上升并未导致ET0的显著增加。王潇潇等[33]研究表明内蒙古大部分地区风速呈倾向率较大的显著下降趋势，且全区ET0在5、6月下降最为显著，风速下降是首要因子，而温度升高对ET0变化有限。此外，刘昌明等[34]在全国流域尺度研究得出1960-2007年风速和太阳辐射呈下降趋势，其中风速下降趋势显著，可见乌兰察布市近38 a来风速、日照时数的变化趋势与全国流域尺度变化一致。有研究表明乌兰察布市植被有变好态势[35]，风速显著减少可能与生态工程的实施有关。

本文研究表明乌兰察布市生长季干旱加剧的主要原因是降水量、相对湿度的减少以及最高气温的上升，日照时数的减小有助于缓解干旱加重。目前关于影响相对湿润指数的主要气象因子已有许多学者在不同区域进行了探讨，不同区域主导因子存在差异，如强皓凡等[22]对若尔盖湿地1960-2015年干湿变化的研究表明降水量、相对湿度的减少和日照时数、潜在蒸散量的增加对干旱趋势起主要作用，而平均温度、风速的上升影响较小。

另外，研究中也存在一些不足，本文仅从气候角度分析乌兰察布市生长季干旱的时空分布，而真正农业生产中是否发生干旱还与灌溉条件、作物种类、土壤状况及地形地势等因子密切相关[13]，今后需开展更加深入、具体的分析研究。

4 结 论

本文研究发现，1980-2017年乌兰察布市生长季相对湿润指数空间分布由南向北逐渐递减，近38 a来生长季干旱状况表现为：南部地区表现为轻旱，凉城、卓资、丰镇等地干旱程度较低，凉城的降水量最大，卓资的ET0最小；北部则为中旱，四子王旗降水量最小，ET0最大，干旱最严重；从年际变化来看，生长季相对湿润指数呈不显著下降趋势，即干旱略呈有加重，其中2011、1986年干旱较严重。从生长季各月来看，4月至9月相对湿润指数呈先增后减，7月最大，其次是8月，4月最小，其中8月干旱化显著(p<0.01)，9月、5月呈不显著变湿趋势。

近38 a来乌兰察布市生长季Tmax、Tmean、Tmin均呈显著上升趋势，相对湿度、风速、日照时数呈显著下降趋势，降水量、ET0呈不显著下降趋势。风速对ET0的影响最大，其次是相对湿度、日照时数、平均温度。近38 a来干旱加重的主要原因是降水减少、相对湿度的减小，其次是平均温的上升，而风速、日照时数的下降有助于缓解干旱。Hurst指数显示乌兰察布市生长季干旱将持续一段时间，其中8月呈强持续显著变干，9月、5月干旱程度均呈较弱持续缓解趋势。