包头市湿润度的时空分布变化特征

赵怡卿

内蒙古自治区包头市气象局，内蒙古包头 014030

包头市地处内蒙古高原中部，内有农田、湿地、草原、河流、森林等多种生态系统，是我国北疆生态安全屏障的组成部分。此处是典型的干旱、半干旱气候区域，生态环境脆弱，是荒漠化生态环境治理的关注区域。造成土地荒漠化的原因较为复杂，主要体现在气候和人为2个因素上。为了减轻人为因素对荒漠化的影响，近年来包头市施行了多项生态恢复工程，如在大青山南坡进行绿化、在山北牧区开展围封禁牧、实行黄河湿地保护等措施。

研究表明，气候逐渐成为土地荒漠化的主要原因[1-3]。针对荒漠区气候变化研究，国内许多学者得出了相似结论，如贾艳青等[4]、Liu等[5]都认为中国西北地区、青藏高原及内蒙古地区呈现湿润化趋势，而华北地区呈现变干趋势。这些分析都基于湿润度指数对区域干湿状况的计算评价。湿润度因计算方便，需要资料少，是目前常用的气候变化干湿表征指标，能客观反映区域干湿状况[6]。此处利用湿润度指数对包头市1980—2022年干湿变化的时空特征进行分析。近43年来，包头市在作物生长季内干旱气候区呈现缓慢变干趋势，半干旱区气候区呈现缓慢变湿趋势。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

受山脉地形的影响，包头市总体呈现中间高、南北低的分布特征，中部山岳地带海拔1 200～2 300 m，北部丘陵高原海拔1 410～1 600 m。境内山地占14.5%，丘陵草原占75.5%，平原占10%。全市总面积27 570 km2，地理跨越109°15′12″～111°26′25″E，40°14′56″～42°43′49″N。图1为包头市100 m×100 m高程图，从中可以看出三大地貌的分布。

图1 包头市100 m×100 m高程图

1.2 资料来源

利用包头市具有较长观测时间序列的7个国家站1980—2022年逐月湿润度进行空间、时间变化特征分析，湿润度采用“内蒙古三级智慧农业气象服务平台”计算结果。平台算法依据中国气象局《生态质量气象评价规范》进行最小为月尺度的湿润度计算[7]。公式为：

式(1)中，HI表示湿润度指数，P表示降水量，ET表示潜在蒸散量，ET的计算采用FAO Penman-Monteith方法。

地理信息数据来源于100 m×100 m分辨率的数字高程模型(DEM)。

1.3 研究方法

1.3.1 湿润度的空间计算主要研究植被生长季内湿润度的空间分布及其随时间变化，将4—10月湿润度平均值作为年平均湿润度。将全市7个国家站1980—2022逐年平均湿润度与各站所在地的经度、纬度、海拔，利用SPASS软件进行多元回归，得到关系式：

式(2)中，HI表示湿润度，x表示纬度，y表示经度，h表示海拔。关系式中，决定系数R=0.624，通过显著性水平0.05检验。

根据关系式(2)，在ArcGIS中以高程图为基础，进行字段计算、转栅格等空间计算，得到1980—2022年湿润度的空间分布。

1.3.2 Mann-Kendall法突变检验Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，不要求样本遵从一定分布，也不受少数异常值的干扰，计算简便，构造正序列UFk、逆序列UBk统计量曲线即可判断序列变化趋势和突变。若UFk或UBk值＞0，则表明序列呈上升趋势，若UFk或UBk值＜0则表明序列呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk曲线出现交点，且交点在临界线之间，则交点对应的时刻便是突变开始时间，若出现多个交点，需要用其他方法检验。

1.3.3 滑动t 检验滑动t检验是将样本序列中2段子序列均值有无显著差异作为2个总体均值有无显著差异的问题进行检验。如果2段子序列的均值差异超过了一定显著水平，即有突变发生。

2 结果与分析

2.1 湿润度的空间分布

按照关系式(2)，在ArcGIS中通过空间计算得到如图2所示的湿润度空间分布，全市湿润度大致在0.1～0.4之间。根据《联合国关于在发生严重干旱和/或荒漠化的国家，特别是在非洲防治荒漠化公约》制定的中国干湿气候分区标准，将0.03＜HI＜0.2划分为干旱气候区，0.2＜HI＜0.5划分为半干旱气候区[8]。可知，包头市作物生长季存在干旱和半干旱2种气候区，分界线大致在达茂旗中部东北—西南走向的地带；湿润度在全市范围呈现西北向东南逐渐增大的趋势，湿润度最高的区域为市区、土右旗和固阳县的东南部分地区，湿润度最低的区域为达茂旗北部边缘地区。

图2 包头市1980—2022年4—10月平均湿润度指数的空间分布

巩杰等[9]曾在黄河流域气候干湿状况变化中指出，相较于潜在蒸散发，黄河流域湿润度对降水量的敏感性更高。此处对全市7个国家站湿润度与潜在蒸散发、降水量分别进行了相关分析，月湿润度与月降水量的相关系数达到0.92，呈现高度相关；月湿润度与月蒸散量的相关系数仅为-0.16，呈现弱相关。

2.2 湿润度的时间变化

湿润度的空间分布表明干旱气候区集中在达茂旗北部的大部地区，除此之外的其余地区均为半干旱气候区。按照湿润度＜0.2的干旱区，湿润度为0.2～0.3半干旱区和湿润度＞0.3的半干旱区，分别进行代表站点的时间趋势变化分析和M-K趋势突变检验。

2.2.1 干旱气候区湿润度年际变化干旱气候区1980—2022年4—10月逐年平均湿润度线性趋势倾向率为平均每10年变干0.002(图3)。

图3 干旱气候区湿润度的年际变化

2.2.2 半干旱气候区湿润度年际变化湿润度为0.2～0.3半干旱气候区1980—2022年4—10月逐年平均湿润度线性趋势倾向率为平均每10年变湿0.006(图4)。

图4 湿润度为0.2～0.3半干旱气候区干湿的年际变化

湿润度达到0.3以上半干旱气候区1980—2022年4—10月逐年平均湿润度线性趋势倾向率为平均每10年变湿0.009(图5)。

图5 湿润度＞0.3半干旱气候区干湿的年际变化

2.3 湿润度突变分析

湿润度随时间的变化在干旱气候区表现为缓慢变干，半干旱气候区表现为缓慢变湿，可通过M-K法判断是否存在趋势突变。

2.3.1 干旱气候区突变检验干旱气候区选取满都拉站作为代表站进行M-K检 验，曲线在1991、2005、2009、2011年出现交点，需借用其他检验方法确定突变是否可信(图6)。换做滑动t检验(步长为10年)重新判断，结果显示研究时段内并无突变产生(图7)，变干趋势较为平缓。

图7 满都拉站湿润度t检验

2.3.2 半干旱气候区突变检验湿润度为0.2～0.3半干旱气候区选择固阳站进行M-K检验，在湿润度为0.3以上半干旱气候区选择土右站进行M-K检验。在95%的置信区间内，固阳站(图8)和土右站(图9)均不存在突变。

3 讨论与小结

湿润度是表征一个地区干湿状况的指标，同一地区不同季节的干湿状态会发生转变。不同的蒸散发计算方法也可能导致不同的湿润度指数值。基于FAO Penman-Monteith蒸散的湿润度计算发现，湿润度对降水的敏感度更高，其相关系数表现为强相关；空间分布上呈现西北向东南方向逐渐增大的趋势；在年际变化上，半干旱气候区呈现缓慢变湿趋势，湿润度越高的地区变化越明显，M-K法检验证实了此种变化趋势是平缓无突变的。