多时间尺度气象干旱指数在内蒙古典型草原的适应性研究

武荣盛，侯 琼，杨玉辉，冯旭宇，李 彬，郑凤杰

(1.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古自治区兴安盟气象局，内蒙古 乌兰浩特 137400； 3.内蒙古自治区气象灾害监测预警与人工影响天气中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

干旱是我国最主要且分布最广泛的气象灾害之一，具有季节性、区域性、持续性等特征，不仅对农牧业生产造成巨大损失，还导致荒漠化加剧、水资源短缺等诸多负面影响[1-4]。内蒙古典型草原地处我国北方干旱半干旱区域，是欧亚大陆温带草原中最具代表性且对全球气候变化响应较为敏感的地带[5]，水分是限制当地牧草生长的主要因子，降水少且时空差异大引发的草原干旱是该区域影响最严重、最广泛的气象灾害，已成为制约内蒙古畜牧业可持续发展的主要因素。因此，在全球气候变化背景下，在内蒙古典型草原区开展多种气象干旱指标的适用性研究对畜牧业可持续发展和防灾减灾具有重要意义。

牧业干旱是牧草生长季内因大气水分亏缺而造成的土壤不同程度失墒、牧草生长受限，最终导致减产甚至绝收的自然现象。作为最主要的牧业干旱监测指标，土壤湿度数据目前在我国主要来源于土壤水分自动监测和人工观测相结合，虽然时效性和空间代表性较之前有大幅提高，但随着牧业气象服务对时空分辨率需求的不断提高，土壤水分观测站在偏远地区仍较稀少，很难满足牧业干旱监测的需要。因此，基于陆面过程模式、卫星遥感反演、土壤水分平衡模型及经验统计模型等模拟土壤湿度信息成为获取土壤水分的重要途径[6-15]。土壤水分主要受气温、降水等气象要素的影响，气象干旱是引起土壤水分亏缺，造成牧业干旱的关键因素[16-18]，故而可通过气象干旱指数来表征土壤水分。气象干旱指数的计算是基于常规气象站观测资料，气象站的分布数量远多于土壤水分监测站，且数据质量和传输稳定性也远高于土壤水分观测站，因此，探究气象干旱指数与土壤相对湿度的关系统计模型也是获取土壤湿度信息的重要手段。研究表明，不同季节不同区域前期气象干旱对后期土壤相对湿度的影响不尽相同，同一气象干旱指数在不同地区的适用性以及不同气象干旱指数在同一地区的适用性也存在差异[19-21]。目前，大多数研究仅关注气象干旱对浅层土壤(0～20 cm)的影响，而内蒙古干旱半干旱区典型草原的根系发达，深层土壤水分对牧草生长也有重要影响。鉴于此，本文利用内蒙古典型草原牧草观测站土壤水分和气象观测资料，通过土壤相对湿度与前期气象干旱指数的相关分析，探讨不同时间尺度气象干旱指数对各季节不同深度土壤水分的影响，在此基础上构建基于气象干旱指数的土壤相对湿度预测模型，有助于进一步理解牧草干旱致灾过程和机理，以及气象干旱与牧业干旱的阶段阈值和相互关系，以期提升内蒙古典型草原干旱监测预测水平。

1 资料和方法

1.1 研究区域概况

内蒙古典型草原主要分布在锡林郭勒和呼伦贝尔的波状平原、乌兰察布高原及燕山丘陵的部分地区[图1，内蒙古行政边界是基于内蒙古自治区标准地图服务网站下载的审图号为蒙S(2017)028的标准地图制作，底图无修改]，优势植物以羊草(Leymuschinensis)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、大针茅(Stipagrandis)、冰草(Agropyroncristatum)、冷蒿(Artemisiafrigida)为主。该区域属干旱半干旱气候，平均年降水量在250～450 mm之间，呈现由西北向东南递增的分布特征，降水主要集中在夏季(占年降水量的66.1%)，春、秋两季降水较少，为较明显的干季；年平均气温为-0.9～4.3 ℃，呈现由西南向东北递减的分布特征，夏季炎热而短促，冬季寒冷而漫长[22]。

1.2 资 料

选择察右后旗、镶黄旗、锡林浩特和鄂温克4个牧业气象观测站作为内蒙古典型草原的代表站点(图1)。所用资料：上述4个站点1981—2015年气温、降水、风速、日照时数、相对湿度等逐日气象观测资料和同期4—10月逢8(8日、18日和28日)观测的土壤重量含水率及土壤物理参数。利用土壤重量含水率观测资料，结合不同深度土壤容重、田间持水量等物理参数，计算土壤相对湿度。其中，察右后旗和镶黄旗站的土壤测量深度为0～50 cm，锡林浩特和鄂温克站的测量深度为0～100 cm。

图1 内蒙古典型草原和牧业气象观测站点分布Fig.1 The spatial distribution of typical steppe and animal husbandry meteorological observation stations in Inner Mongolia

1.3 气象干旱指数

选取业务中常用的气象干旱指数来表征气象干旱，包括降水距平百分率(Pa)、相对湿润度指数(MI)、标准化降水指数(SPI)、标准化权重降水指数(SPIW)、帕默尔干旱指数(PDSI)、气象干旱综合指数(CI)、修订后的气象干旱综合指数(MCI)[23]。

(1)降水距平百分率

降水距平百分率(Pa)是表征某时段降水量与常年值相比偏多或偏少的指标之一，能够反映牧草生育期内降水异常引起的干旱，其计算公式如下：

(1)

(2)相对湿润度指数

相对湿润度指数(MI)是表征某时段降水量与蒸散量之间平衡状况的指标之一，其计算公式如下：

(2)

式中：P(mm)为某时段降水量；PE(mm)为某时段潜在蒸散量，可采用FAO的Penman-Monteith公式[23]计算获得。

(3)标准化降水指数

标准化降水指数(SPI)是用于表征某时段降水量出现概率的指标，在计算降水量的Г分布概率后进行正态标准化处理，然后用标准化降水累积频率分布进行干旱等级划分，可由下式求得[21]：

(3)

式中：G(x)为Г函数的降水分布概率；x为降水量；S为概率密度正负系数；c0、c1、c2、d1、d2、d3为Г分布函数转换为累积频率时，其求解公式中的计算参数，c0=2.515 517、c1=0.802 853、c2=0.010 328；d1=1.432 788、d2=0.189 269、d3=0.001 308。

(4)标准化权重降水指数

权重累积降水指数(WAP)是根据前期降水对后期旱涝的影响呈指数衰减的理念提出的，而标准化权重降水指数(SPIW)是对WAP进行标准化处理后的气象干旱指数。

WAP的计算公式[23]如下：

(4)

式中：n(d)为前期降水距离当前日的天数；Pn(mm)为距离当天前第n天的日降水量；a为贡献参数，当N为60 d时，a取0.85，则(4)式可表示如下：

(5)

(5)帕默尔干旱指数

帕默尔干旱指数(PDSI)是基于土壤水分平衡原理建立的，可以表征某时段内某地实际水分供应持续少于当地气候适宜水分供应的水分亏缺。该指数经标准化处理，其值一般在-6～6之间，用于比较不同时间、不同地区的土壤湿度情况。其计算公式详见国家标准《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)[23]。

(6)气象干旱综合指数

气象干旱综合指数(CI)是利用月尺度(30 d)和季尺度(90 d)标准化降水指数，以及月尺度相对湿润度指数加权求得，该指标适合实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估。计算公式如下：

CI=aSPI30+bSPI90+cMI30

(6)

式中：SPI30、SPI90分别为近30、90 d的标准化降水指数；MI30为近30 d相对湿润度指数；a、b、c为权重系数，分别取0.4、0.4、0.8。

(7)修订后的气象干旱综合指数

修订后的气象干旱综合指数(MCI)，适用于作物生长季逐日气象干旱监测和评估。计算公式如下：

MCI=aSPIW60+bMI30+cSPI90+dSPI150

(7)

式中：SPIW60为近60 d标准化权重降水指数；MI30为近30 d相对湿润度指数；SPI90、SPI150分别为近90、150 d标准化降水指数；a、b、c、d为各项指数的权重系数，北方冬、春季一般取0.2、0.2、0.3、0.4，夏、秋季一般取0.3、0.4、0.3、0.2。

1.4 分析方法

采用Pearson相关系数(双侧检验)分析内蒙古典型草原区1981—2015年不同深度土壤相对湿度与多时间尺度气象干旱指数的相关性。其中，气象干旱指数包括前30 d、前60 d、前90 d、前120 d、前150 d、前180 d、前360 d的降水距平百分率Pa30、Pa60、Pa90、Pa120、Pa150、Pa180、Pa360，前30 d、前60 d、前90 d、前120 d、前150 d的相对湿润度指数MI30、MI60、MI90、 MI120、MI150，前60 d的标准化权重降水指数SPIW60，以及帕默尔干旱指数PDSI、气象干旱综合指数CI、修订后的气象干旱综合指数MCI；土壤深度为0～20、0～50、0～100 cm。

利用平均绝对估计偏差(AD)评定土壤相对湿度预报模型的拟合效果，计算公式如下：

(8)

式中：Pi和Mi(%)分别表示土壤相对湿度预测值和观测值；n为样本容量。偏差反映预测值距观测值的偏离程度，AD越接近0，两组数据的吻合度越高，模型预测效果越好。

2 结果与分析

2.1 不同季节气象干旱指数与土壤相对湿度的相关性

根据内蒙古典型草原的季节变化和气候特点，春、夏、秋季分别为4—5月、6—8月、9—10月。分别计算各站1981—2015年上述三季节不同深度土壤相对湿度与前期不同时间尺度气象干旱指数的相关系数(显著性检验为α=0.05和α=0.01水平的双侧检验)，并将4个站点的相关系数求平均，结果见表1。

2.1.1 春季

从表1看出，内蒙古典型草原春季0～20 cm土壤相对湿度与SPIW60、Pa30、SPI30的相关性较高，相关系数分别为0.449、0.438和0.435(P<0.01)，表明典型草原春季土壤墒情主要受前2个月的降水影响。入冬至次年3月，典型草原累计降水量平均仅18.9 mm，占全年降水总量的6.4%；4月开始降水逐渐增加，4、5月降水量分别为11.0和24.9 mm，而4月是典型草原天然牧草的主要返青期，相比长时间尺度的降水而言，近期(1～2个月)降水往往对0～20 cm土壤墒情造成的影响更显著，但内蒙古典型草原地处北方干旱半干旱区域，春季一般气温较高、降水偏少、土壤水分蒸散较强，出现春旱的频率较高。这与王素萍等[21]研究成果“西北地区东部和华北地区春季土壤墒情受前2个月有效降水和温度的影响最显著”一致。此外，CI、PDSI气象干旱指数在典型草原也有较好的适用性，与0～20 cm土壤墒情的相关系数分别为0.517、0.432(P<0.01)。CI反映月尺度和季尺度降水量对草原干旱的综合影响，而PDSI不仅考虑当前的水分供需状况，还兼顾了前期干湿状况及其持续时间对当前干旱状况的影响，这2个指数在表征春季0～20 cm土壤相对湿度方面有较好的表现。

表1 内蒙古典型草原各季节不同深度土壤相对湿度与气象干旱指数的相关系数Tab.1 The correlation coefficients between soil relative humidity at different depths and meteorological drought indexes in three seasons in typical steppe of Inner Mongolia

典型草原春季0～50 cm土壤相对湿度与长时间尺度的Pa360和SPI360相关性最高，相关系数分别为0.504和0.533(P<0.01)，说明典型草原春季0～50 cm土壤墒情受年尺度降水的影响最显著，主要由于上一年的降水主要集中在5—9月，平均累计雨量为251.8 mm，占全年总降水量的85.3%，此时段降水下渗至20 cm以下作为土壤底墒蓄积，次年春季土壤化冻后可有效补充土壤墒情，因此，典型草原春季0～50 cm土壤墒情可反映上一年特别是夏季降水充沛与否。此外，PDSI与0～50 cm土壤墒情也具有较高相关性，相关系数为0.413(P<0.01)。对于0～100 cm的土壤相对湿度，不同时间尺度气象干旱指数的表征能力与0～50 cm的相同，即Pa360、SPI360、PDSI与0～100 cm土壤墒情的相关系数最高，依次为0.533、0.526和0.523(P<0.01)。

2.1.2 夏季

夏季是典型草原全年降水最为集中的季节，平均累计降水量195.3 mm，占全年降水量的66.1%，此季节气温也最高，较强蒸散导致的土壤水分亏缺是造成夏季干旱的重要原因。从表1看出，近期(1～2个月)气象干旱指数SPIW60、MI30、SPI30与0～20 cm土壤相对湿度的相关性较高，相关系数分别为0.762、0.705和0.690(P<0.01)，即前2个月内大气水分平衡状况对夏季0～20 cm土壤墒情影响最明显，若前2个月降水偏少，则土壤水分供应不足，气温偏高进一步加剧水分蒸散，对土壤湿度的负效应加强，进而造成后期土壤出现不同程度干旱，这与王素萍等[21]在西北地区东部和华北地区的研究结果具有一致性。CI、MCI由于考虑降水长期亏缺和近期亏缺的综合累加效应，与夏季0～20 cm土壤相对湿度的相关性也较高，相关系数分别为0.729、0.711(P<0.01)。

气象干旱指数与0～50 cm土壤墒情的相关性与0～20 cm相同，即近1～2个月的SPIW60、MI30、SPI30、CI、MCI与0～50 cm土壤相对湿度的相关性最高，相关系数依次为0.753、0.719、0.710、0.756和0.735(P<0.01)，说明近2个月内大气降水亏缺与0～50 cm土壤干旱的关系最为密切，且考虑不同时间尺度水分盈亏的气象干旱综合指数也能较好地表征夏季0～50 cm土壤墒情。对于0～100 cm土壤，SPI150、SPIW60、SPI180对土壤相对湿度的表征最显著，相关系数分别为0.693、0.686、0.684(P<0.01)，说明夏季0～100 cm土壤墒情与前2～6个月尺度的大气水分平衡状况关系最紧密，即大气降水对0～100 cm土壤水分的影响存在一定的滞后性，降水在土壤中的下渗及土壤水分由表层到深层需要一定的时间。同样地，CI、MCI对0～100 cm土壤相对湿度也有非常显著的表现，相关系数分别为0.739和0.748(P<0.01)。

2.1.3 秋季

典型草原秋季0～20 cm土壤墒情与SPIW60、Pa60的相关性较高，相关系数分别为0.728、0.668(P<0.01)，可见前2个月内降水异常对秋季0～20 cm土壤干旱的影响最显著，即近2个月的高温少雨易造成土壤失墒，进而导致秋季土壤干旱的发生发展。典型草原秋季降水较夏季明显减少，平均降水量45.2 mm，占全年降水量的15.3%，秋季0～20 cm土壤水分主要受前期夏季及秋季季内降水的影响。这与西北地区[24-25]和华北地区[21]的研究成果具有一致性。另外，CI、MCI、PDSI也能较好地表征秋季0～20 cm土壤墒情，相关系数依次为0.687、0.753、0.673(P<0.01)。

秋季，0～50 cm土壤墒情与较长时间尺度气象干旱指数SPI90、SPI180、Pa180具有较高的相关性，相关系数依次为0.731、0.736、0.730(P<0.01)，说明前3～6个月内的降水出现概率及较常年偏多或偏少的指标对秋季0～50 cm土壤相对湿度影响最大，因大气降水对深层土壤影响的滞后性，秋季0～50 cm土壤干旱与春季以来大气水分亏缺的关系最为密切，即春、夏季若出现较长时间的气象干旱，则秋季0～50 cm土壤易出现干旱。0～100 cm土壤相对湿度与MI90的相关性最高，相关系数为0.774(P<0.01)，可见，前3个月尺度的降水量与蒸散量之间的平衡状况对典型草原0～100 cm土壤的影响最为显著，即夏季和秋初的大气水分盈亏对秋季0～100 cm土壤相对湿度有决定性影响。由于全年降水主要集中在夏季，此时段如果高温少雨，大气水分亏缺，土壤失墒严重，则秋季很可能出现深层次土壤干旱。另外，0～100 cm土壤相对湿度与SPI360、SPI180的相关性也较高，相关系数分别为0.758、0.757(P<0.01)，即前6～12个月尺度的气象干旱对秋季0～100 cm土壤干旱也存在一定影响。

2.2 各季节不同深度土壤相对湿度与气象干旱指数的回归模型

筛选典型草原各站点春、夏、秋季与土壤相对湿度相关最优的气象干旱指数，基于1981—2010年资料构建三季节不同深度土壤相对湿度与气象干旱指数的多元线性回归模型，并利用2011—2015年数据采用F检验和平均绝对估计偏差对方程拟合效果进行检验(表2)。

表2 内蒙古典型草原各站点不同深度土壤相对湿度与气象干旱指数的回归模型和效果检验Tab.2 The regression models of soil relative moisture at different depths with meteorological drought indexes at different stations in typical steppe of Inner Mongolia and their effect tests

从表2看出，基于前期气象干旱指数构建的土壤相对湿度回归方程可较好地拟合各站点的土壤相对湿度，回代的平均绝对估计偏差在5.3%～15.3%之间，平均为10.2%，其中，锡林浩特站的拟合效果最优，三季节不同土壤深度的AD为5.3%～10.5%，平均为7.1%，而察右后旗站拟合效果最差，AD在10.5%～14.6%之间，平均为12.9%。利用构建的回归方程对2011—2015年各季节不同深度土壤相对湿度进行预测，发现大部分站点基本可以利用气象干旱指数较好地预测土壤相对湿度，预测值和实际值的绝对估计偏差在4.4%～17.1%之间，平均为10.4%。由此可见，利用前期气象干旱指数构建的各季节不同深度土壤相对湿度回归模型可以较好地拟合和预测内蒙古典型草原区土壤相对湿度，可为当地畜牧业干旱的监测、预警及决策提供参考。

3 结论与讨论

(1)内蒙古典型草原冬季降水量稀少，春季0～20 cm土壤相对湿度主要受前2个月水分盈亏的影响。同时，典型草原地处全区年降水量低值区，春季往往降水偏少，风力较大，土壤失墒严重，牧区易出现春旱，造成牧草返青明显推迟、休牧期延长，不利于牲畜正常采食。春季0～50 cm和0～100 cm土壤墒情受年尺度降水影响最显著，上一年特别是夏季降水是否充沛对次年春季0～50 cm和0～100 cm土壤相对湿度有明显影响。

(2)夏季，随着气温升高，降水增多，典型草原进入快速生长阶段，该时段0～20 cm土壤墒情与前2个月内的大气水分状况相关性最高，夏季土壤水分蒸散强烈，如果较长时间无有效降水，则浅层土壤极易持续缺墒，牧区干旱显露并加重，导致牧草生长缓慢，开花期推迟甚至不开花，严重影响牲畜采食和正常生长。夏季0～50 cm土壤墒情与近1～2个月内大气水分盈亏关系最密切，而0～100 cm土壤干旱主要受前2～6个月尺度的降水亏缺影响。

(3)秋季，典型草原进入生长衰退阶段，该时段0～20 cm土壤墒情与前2个月尺度的大气水分状况关系最密切，若近2个月大气水分亏缺，加之土壤蒸散较强，牧区易出现土壤干旱，导致牧草黄枯期提前，生育期缩短，不利于产量形成，影响程度一般轻于夏旱；0～50 cm土壤干旱受前3～6个月尺度的降水偏少影响最显著，而0～100 cm土壤相对湿度则与前3个月降水和蒸散间的平衡关系最密切，同时前6个月以上时间尺度的气象干旱对0～100 cm土壤干旱也存在明显影响。

(4)CI、MCI和PDSI与典型草原各季节不同深度土壤相对湿度的相关性高于其他气象干旱指数。由于深层土壤水分的变化相较大气水分的变化存在明显的滞后性，长时间尺度的气象干旱指数对0～50 cm和0～100 cm土壤相对湿度的表征效果更为显著。

综上可见，基于前期气象干旱指数构建的内蒙古典型草原区各站点春、夏、秋季不同深度土壤相对湿度的回归预测模型，能够较好地拟合土壤墒情及变化情况，可为当地牧区干旱监测和预测提供技术手段。多时间尺度气象干旱指数在表征典型草原浅层土壤相对湿度的适用性上，总体与邻近区域(西北地区东部和华北地区)的研究成果具有一致性[21,24-25]，但在不同地区表征土壤干旱的气象干旱指数的时间尺度可能因土壤物理性质、下垫面等差异有所不同。沙土、壤土和粘土的保水性和渗透性差异较大，需要结合土壤质地数据进一步分析气象干旱指数对不同土壤类型的表征情况。另外，土壤相对湿度不仅受前期气温、降水、蒸散等影响，还与空气湿度、风速、辐射等环境要素密切相关，需要结合更丰富的数据探究土壤相对湿度的环境主控因素和制约机理。土壤相对湿度是最主要的牧业干旱监测指标，仅通过构建气象干旱指数与土壤相对湿度的回归模型不足以明确牧草干旱的发生发展程度，对于解决牧区干旱监测预警问题仍有差距，牧草对干旱最直接的反应体现在植株性状和生理机能的改变，因此，有必要开展科学试验进一步明确气象干旱与牧草干旱之间的关系。