宁夏典型牧区盐池县降水及可利用降水多时间尺度变化特征分析

汤英，丁成翔，徐利岗，周乾

(1.宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021；2.青海大学畜牧兽医科学院，青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016)

半干旱风沙草原区是北方主要的生态系统类型，对调节局地和全球气候具有重要意义[1]，而降水及可利用降水量的不同时间尺度分配、丰枯变化、时空分布等特征是区域内天然草地植被生长和作物灌溉的关键影响因子.当前，全球气候变暖已经是不争的事实[2]，中国北方典型荒漠区降水有增加趋势[3]，西北干旱区降水以16.6 mm/10 a幅度增加[4]，河西走廊地区极端降水日数增多，极端降水总量呈增加趋势[5]，而内蒙古地区近60 a来降水量减少，出现了干燥化趋势[6].宁夏降水整体呈下降趋势，秋季减少趋势显著，冬季则有增加趋势[7].目前的报道多以地理区域为研究对象，针对不同生态系统类型区的降水及可利用降水量时空分布和变化趋势研究相对较少.宁夏干旱风沙草原区，位于鄂尔多斯台地向黄土高原过渡地带，是西北干旱风沙草原区的典型区域，当地气候干旱少雨，水资源极为短缺.本文基于长系列气象资料，开展宁夏盐池干旱风沙区降水及可利用降水量的多时间尺度变化及其未来趋势研究，以期为当地天然草场修复、人工草地及农作物科学灌溉提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

盐池县位于宁夏回族自治区东部，东邻陕西定边县，南依甘肃环县，北与内蒙古鄂托克前旗毗邻，是宁夏唯一一个牧区县.地理位置E 106°30′06″～107°39′54″，N 37°04′33″～38°10′17″，国土面积8 661.3 km2，现有耕地8.3万hm2，牧草地45.9万hm2(占土地总面积53.1%)，分布有干草原草场、荒漠草原草场、沙生植被草场及盐生植被草场四种草场类型，各类植物175种.地势南高北低，海拔1 300～1 951 m，内有中部干旱台地丘陵区和黄土丘陵区两大地貌类形，属典型的大陆性季风气候，干旱少雨，多年平均降水量269 mm，主要集中在7～9月，多年平均蒸发量1 200～1 500 mm，干旱指数4.5～5.6.年平均气温8.5 ℃，日照2 789.2～2 867.9 h，光热资源丰富.境内河流主要有枯水河、马莲河以及苦水河等，多年平均地表水资源总量0.269亿m3，径流深4.1 mm，年径流系数0.02.

1.2 数据来源

利用中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)，收集国家基准站点盐池站(N 37°48′,E 107°23′)1954年1月～2019年12月的月降水及月平均气温数据系列，对数据进行准确性、一致性分析，对部分缺失数据，采用克里金插值进行插补处理.

1.3 研究方法

1.3.1 高桥浩一郎陆面蒸发公式 降水量反映了区域的水分收人状况，而蒸发量则表示其水分消耗程度，因此一个地区的可利用降水量可利用式(1)计算，高桥浩一郎陆面蒸发公式[8-9]利用降水量和气温资料就可对蒸发进行估算，计算公式为式(2).

Pe=P-E

(1)

(2)

(3)

式中，Pe为可利用降水量，mm；P为月降水量，mm；E为陆面蒸发量，单位mm；T为月平均气温，℃；α为蒸发系数，β为可利用降水率.

1.3.2 M-K秩次相关法 对序列趋势变化的定量说明，本文采用Mann-Kendall的秩次相关法[10].其基本原理是：时间序列P(i=1，2,…,n)，其任意对偶值(Pi，Pj,j>i)，如果Pi>Pj，则序列绝对上升，反之，则绝对下降.如序列不是单调上升或下降，则有

(4)

式中：f为对偶值呈增长趋势的对数.若m>0，则序列呈上升趋势，反之，则呈下降趋势.m的绝对值越大，说明序列变化趋势越显著.显著水平α=0.05的临界检验值为±1.96.

1.3.3 气候趋势系数法 年降水系列是符合正态分布或对数正态分布的随机变量.它的变化趋势是指：随着时间的推移，其数值的持续增减状况.逐年时间是递增序列，可看作自然数列1，2，…，n.n个时刻(年)的要素序列与自然数列1，2，…，n具有相关性，如果相关显著，则表示该要素值气候趋势明显，有增加(减少)趋势[11].要素与自然序列的相关系数可表示为：

(5)

1.4 数据处理

本文采用Minitab 18.0进行统计分析，采用Surfer 17.0软件及WPS Office 2019软件进行图件绘制.

2 结果与分析

2.1 盐池县降水及可利用降水量年内和年际变化特征

2.1.1 盐池县降水及可利用降水量年内变化特征 基于盐池县1954～2019年降水量(P)、陆面蒸发量(E)及可利用降水量(Pe)系列，分析其年内分配情况(表1)，并分别计算各参量的统计参数(表2).从表1中可以看出盐池县多年平均降水量为297.4 mm，可利用降水量为55.4 mm(可利用降水率为0.18)，且主要集中在6～9月，占年降水量的71.7%，可利用降水量的80.9%；占3～10月作物生育期内降水量的75.1%，可利用降水量的83.8%.8月份可利用降水量最高为21.7 mm，其次为7月10.5 mm.多年平均各月蒸发系数为0.67～0.94，5～6月份最高为0.94，全年为0.82；降水可利用率为0.06～0.33.从表2种可以看出，年降水量系列变异系数为0.269 4，年际间差异不大，极值比为4.0，可利用降水量系列变异系数为0.561 3，年际间差异较大，极值比为22.1.

表1 宁夏盐池县多年平均降水量及可利用降水量年内分配情况

表2 宁夏盐池县降水量及可利用降水量基本统计参数

2.1.2 盐池县降水及可利用降水量年际间变化特征 绘制盐池县1954～2019年陆面蒸发量及蒸发系数变化过程线(图1)、可利用降水量与可利用降水率变化过程线(图2)及距平变化图(图3).从图中可以看出盐池县年降水量和陆面蒸发量变化趋势相似，可划分为3个丰枯时段，其中1970年以前降水量和可利用降水量相对较丰，且变化剧烈，1970～2014处于偏枯年份，变化相对平缓.近5 a来，降水量相对偏丰，但可利用降水量有下降趋势.从累计距平可以看出(图3)，丰枯时段仍分为3个，但时间有所滞后，降水量和陆面蒸发1979年以前为正距平，1980～2016年为负距平，2016年以来降水量较多年平均偏丰.

图1 盐池县降水量、陆面蒸发量及蒸发系数变化过程

图2 盐池县可利用降水量与降水可利用系数变化过程

图3 盐池县降水量(A)陆面蒸发量(B)及可利用降水量(C)距平变化过程线

2.2 盐池县降水及可利用降水量四季和年代际变化特征

2.2.1 盐池县降水及可利用降水量的四季变化特征 分别统计盐池县四季的年降水量、陆面蒸发量及可利用降水量(表3)，绘制1954～2019年各季节降水量及可利用降水量变化图(图4).从表3中可以看出，夏季降水量最大为169.7 mm，占年降水量的57%，可利用降水量35.2mm，占全年的63.5%；秋季次之，降水量占全年的23.6%，可利用降水量占全年的24.4%.全年降水可利用率为0.18，春季降水可利用率最低为0.07，冬季最高为0.25，这与盐池县春季降水稀少但风沙强烈，冬季气温寒冷陆面蒸发降低的实际情况一致.从图4中可以看出，夏季节水及可利用降水量均较其他季节大，且变化较为剧烈，秋季次之，变化也相对剧烈，冬季变化最为平缓.

图4 宁夏盐池县降水量(A)及可利用降水量(B)四季变化过程图

表3 宁夏盐池县降水量及可利用降水量四季变化特征表

2.2.2 盐池县降水及可利用降水量的年代际变化特征 分别计算盐池县降水量及可利用降水量各年代的平均值及相对多年平均距平值(表4).从表4可知盐池县20世纪50～60年代属于丰水期，正累积距平分别为19.8 mm和374.1 mm，20世纪70～80年代是显著的枯水期，负累积距平值分别达-429.0 mm和-242.8 mm，可利用降水量显著低于多年平均，累计负距平分别为-230.0 mm和-150.8 mm.20世纪90年代及21世纪初有小幅负距平，属于一般年型，分别为-47.4 mm和-59.4 mm，20世纪90年代可利用降水量为正距平为12.5 mm.2011年以来，进入偏丰期，降水量正距平累计达484.5 mm，可利用降水量有所增加，累计正距平55.6 mm.

表4 宁夏盐池县降水量及可利用降水量年代际变化特征表

2.3 盐池县降水及可利用降水量周期分析

将盐池(1954～2019年)降水量及可利用降水量系列进行中心化处理，并用Morlet小波[12]进行变换，分别取不同的a和b值计算小波变换的模平方和实部.绘制小波变换实部时频分布(图5).从图5可以看出，年降水量和可利用降水量在整个研究时段显著存在3 a和5 a及10 a周期尺度；降水量在20世纪80年代末期至2010 s以5 a主周期为主，20世纪60～70年代及2010 s以后主要以10 a振荡周期为主，且正负位相交替出现.可利用降水量整个分析期内均存在5 a左右主周期，20世纪60年代至目前以10 a振荡周期为主，且正负位相交替出现.绘制可利用降水量小波变换系数实部变化过程(图6)，显示3 a及5 a尺度的小波变换系数实部变化过程，可利用降水量丰枯变化较为频繁.10 a尺度的小波变换实部变化过程相对平稳，且分别在1962年、1978年、1987年、1998年、2008年和2012年发生丰枯突变.综上可知，在整个分析期内，可利用降水量系列存在3 a、5 a和10 a主周期.

A：年降水量；B：可利用降水量.A:precipitation;B:available precipitation.

图6 Morlet小波变换系数实部变化过程

2.4 盐池县降水及可利用降水量趋势分析

采用M-K秩次相关法及气候趋势系数法计算盐池县降水量、陆面蒸发量及可利用降水量增减趋势的检验参数及其趋向率(表5).从表5可知，盐池县未来夏季、秋季、冬季降水量均呈增加趋势，增幅为0.5～3.3 mm/10 a，年降水量以5.3 mm/10 a增幅显著增加(通过P=0.05显著性检验)，夏季、秋季及冬季可利用降水量也呈增加趋势，变幅为0.1～1.3 mm/10 a，而春季和年可利用降水量则呈减少趋势，降幅分别为0.5 mm/10 a和1.5 mm/10 a(通过P=0.05显著性检验).

表5 宁夏盐池县可利用降水量变化趋势及其趋向率

3 讨论与结论

依据盐池县1954～2019年计66 a的日降水和气温资料，利用高桥浩一郎公式计算了当地陆面蒸发量，得出可利用降水量月值系列，盐池县多年平均降水量297.4 mm，可利用降水量55.4 mm(可利用降水率0.18).从年内分配来看，可利用降水量与年降水的变化规律相似，3～5月份仅占年可利用降水量的11.2%，6～9月则占80.9%，8月份可利用降水量最高为21.7 mm，可利用系数0.18，11～12月份可利用降水量较少，但可利用率较大分别为0.26和0.33.春季可利用降水量6.1 mm，夏季最大为35.2 mm，占全年的63.5%，冬季最小仅占全年的1.0%.3～5月可利用降水量仅为11.4 mm，不利于天然草场植被的萌发及种子萌芽，也不利于对天然草场补播改良等修复技术的展开.对有灌溉条件尤其是高效节水灌溉的作物种植影响不大.6～9月是植物主要的生长期，较高的可利用降水量对天然草场植物生长、植被盖度的增加以及植物生殖生长的完成都具有积极的意义，对区域生态环境的改善具有重要作用.春季可利用降水率最低为0.07，冬季最高为0.25，这与盐池县春季降水稀少但风沙强烈，冬季气温寒冷陆面蒸发降低的实际情况相一致.

利用Mann-kendell秩次相关法及气候趋势系数法分析了盐池县年降水量及可利用降水量未来的变化趋势及其梯度.未来当地年降水量以5.3 mm/10 a增幅显著增加，夏季、秋季、冬季降水量也呈增加趋势，增幅为0.5～3.3 mm/10 a；年度和春季可利用降水量呈减少趋势，降幅分别为1.5 mm/10 a和0.5 mm/10 a，夏季、秋季及冬季可利用降水量呈增加趋势，增幅0.1～1.3 mm/10 a，结论与张智[13]结论一致，但该文章对宁夏中部干旱带未来可利用降水量的降低仅给出了定性的判断，缺乏量化评价.马忠明[14]分析了宁夏中部地区农作物生育期内有效降水量(Pa)的时空变化特征及其未来趋势，7～9月占总有效降水量的70.8%，生育期Pa呈减少趋势，降幅为3.5 mm/10 a.当地年降水量显著增加，而可利用降水量则显著降低，分析原因是由于气温的升高[15]，造成了陆面蒸发量的增大，导致可利用降水量的减少.但相对于未来年降水量的高增幅(5.3 mm/10 a)，可利用降水量小幅减少(1.5 mm/10 a)，则可利用降水量绝对总量仍然是增加的，且未来夏秋季可利用降水量仍然有增加的趋势，对于未来当地天然草场生态环境维系与人工改良修复、人工草地及农作物更好的生长于产出都较为有利.本文的研究将为宁夏干旱风沙草原区生态系统的改善及雨水资源的合理利用以及人工草地和农作物更合理科学的灌溉提供理论支持，具有积极的现实意义和利用价值.