荒漠草原脈動性降水格局及其時空變化特征
——以達爾罕茂明安聯合旗為例

宋一凡,盧亞靜,郭中小,徐曉民,郝偉罡,劉慧文,韓振華

1 水利部牧區水利科學研究所,呼和浩特 010020 2 中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京 100038 3 北京市水科學技術研究院,北京 100048 4 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024

草地生態系統是我國最大的陸地生態系統,我國現有各類型天然草地面積約占國土面積的41.7%[1-2]?；哪菰鳛椴菰交哪倪^渡地帶,在日益嚴重的荒漠化侵蝕威脅下首當其沖,已成為生態治理的前沿地帶與熱點地區。在眾多因素中,降水被認為是影響荒漠草原植被蓋度時空動態變化的主控環境因子[3-6],干旱半干旱地區氣候因素時空變異性顯著,其中一個鮮明的特點即是降水的脈動性[7-8]。脈動性降水引發的資源脈動性(Resource pulse)通常是干旱半干旱地區生態系統演替的核心驅動力[9-11],因此,識別脈動性降水特征對于理解荒漠草原地區生態水文機制具有重要生態學和水文學意義[12]。

降水格局在很大程度上塑造了區域的生態格局,不同等級降水事件在塑造區域生態格局中發揮的作用不同?？傮w來說,干旱半干旱地區降水次數少且變率大。從不同等級的降水事件來看,小降水事件發生頻率高,對年降水總量的貢獻較小,而大降水事件發生頻率低,卻對年降水總量的貢獻大[13-14],在全球范圍內各種干旱區都有類似的降水格局。Sala和Lauenroth[15]研究發現北美草原<5 mm的降水事件占總降水事件的70%和總降水量的25%；陳軍和王玉輝[16]利用1956—2009年日降水資料對蘇尼特左旗荒漠草原降水格局進行分析,發現<5mm降水事件比例為81%；而在更為干旱的巴丹吉林沙漠腹地,這一比例超過了90%[17]。

降水作為在干旱半干旱地區生態系統中發揮主導性作用的關鍵環境因子,通常伴隨著顯著的時空變異特征,即使是同一地區的不同地點,其降水量、發生時間、強度都可能具有極大的差異性[18]。在以往干旱半干旱地區降水事件的研究中,大多是針對來自某一地區單站的降水事件進行分析,不同雨量帶脈動性降水事件較少被拿來進行同一時間尺度下的對比。此外,在氣候變化和人類活動影響下,荒漠草原降水格局也受到不同程度擾動,分析不同雨量帶、不同降水等級降水事件的時空變化特征有助于我們更好地理解荒漠草原生態脆弱問題與生態演替規律[19],然而目前關于變化環境下荒漠草原降水結構及其變化規律的認識尚不全面。本研究以內蒙古自治區典型荒漠草原地區達爾罕茂明安聯合旗為例,分析位于研究區不同雨量帶的3個氣象站1960—2013年日降水格局及其時空變化特征,以調查全球變化背景下內蒙古荒漠草原降水事件變化趨勢,為精確開展荒漠化治理與生態修復進行有益探索。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為位于內蒙古自治區中西部的達爾罕茂明安聯合旗,隸屬于包頭市,全旗總面積18177 km2,坐標范圍為109°16′——111°25′E,41°20′——42°40′N。研究區地形南高北低,平均海拔1400m(圖1)。受東南季風和大陸氣團影響,多年平均降水量253.45 mm,多年平均氣溫4.12℃,多年平均蒸發量2480.57 mm(E601)。艾布蓋河是達爾罕茂明安聯合旗境內最長的河流,由南向北匯入騰格里淖爾。研究區土壤以栗鈣土為主,典型植被有小針茅(Stipaklemenzii)、克氏針茅(Stipakrylovii)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、短花針茅(Stipabreviflora)等,平均植被蓋度30%——45%。

圖1 研究區地形圖Fig.1 Topographic overview of the study area

1.2 數據資料

研究區從南至北設有希拉穆仁、百靈廟和滿都拉3個氣象站(圖1),本研究選取位于不同雨量帶的3個氣象測站1960—2013年降水日值數據以調查研究區脈動性降水格局及其時空變化特征。數據來源為國家氣象科學數據共享服務平臺(http://data.cma.cn/)。

1.3 降水格局分析

干旱半干旱地區不同等級降水事件的結構與分布形成了該地區特有的降水格局,這種降水格局長期以來作為關鍵環境因子參與塑造了區域生態景觀本底。

0—5 mm降水通常只能濕潤地表,大于10 mm降水能對深層土壤水分進行有效補給,從而更易被根系發育較深的木本植物利用[20,21]。參照全球不同荒漠化地區研究成果[9,20,22],本文將研究區降水等級劃分為0—5 mm的小降水事件、5—10 mm的中等降水事件和大于10 mm的大降水事件。降水量和降水時間的時空變異性和劇烈波動性是干旱半干旱的荒漠化地區降水脈動性突出的表現特征,對于脈動性降水事件的不均勻性或波動性,本研究采用變異系數進行分析,計算公式如下：

CV=σ/μ

式中,CV代表變異系數(Coefficient of variation);σ為樣本標準差；μ為樣本均值。

1.4 降水特征分析

本研究從降水趨勢性、突變性和周期性幾個方面分析荒漠草原地區達爾罕茂明安聯合旗降水特征。

⑴趨勢性和突變性檢驗

對降水要素作5a滑動平均以突出較長時間序列的變化趨勢。趨勢性和突變性分析采用Mann-Kendall非參數檢驗方法,并結合Yamamoto方法判斷突變點。Mann-Kendall非參數統計檢驗法是由世界氣象組織推薦的應用于環境數據時間序列趨勢分析的方法,被廣泛用于水文氣象數據趨勢性檢驗,該方法的優點是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數異常值的干擾,因而更適合于順序變量和類型變量的檢驗[23]。Yamamoto方法引入信噪比確定序列差異,以判斷時間序列是否發生突變。

⑵周期性分析

本研究采用最大熵譜法(MEM)提取降水序列周期。最大熵譜原理是由J.P.Burg于1967年首次提出的,該理論以信息論中熵的概念作為基礎。作為一種非線性的譜分析方法,最大熵譜法具有分辨率高,十分適用于較短時間序列的優勢,因而得到人們的廣泛應用。

2 結果與分析

2.1 研究區降水格局分析

2.1.1不同雨量帶降水日數與降水量

受研究區南部地形抬升影響,研究區形成了自東南向西北逐漸遞減的降水分布格局(表1)。從降水量來看,位于研究區東南部的希拉穆仁站比位于西北部的滿都拉站多年平均降水量高出了122.5 mm,生長季多年平均降水量高出115.5 mm；從降水日數變化來看,希拉穆仁站較滿都拉站多年平均降水日數多出了29.2 d,生長季多年平均降水日數多出19.8 d。研究區南北部降水梯度變化明顯。

表1 研究區不同雨量帶降水日數與降水量Table 1 Precipitation and precipitation days of different precipitation gradients

從降水日數的波動情況來看,希拉穆仁站多年平均降水日數較百靈廟、滿都拉站更為穩定。對于降水量較少的百靈廟和滿都拉站,生長季降水日數較全年降水日數更為穩定。從降水量的波動情況來看,3個站具有隨著年降水量減小,降水量波動性逐漸增大的趨勢,多年平均降水量和生長季降水量都能看到類似的規律。此外,降水量的波動程度要明顯強于降水日數?？梢?相較于降水日數,荒漠草原降水量具有更強的時空變異性。

2.1.2不同等級降水事件降水日數與降水量

研究區不同等級降水事件在降水事件總體中所占的比例及變異系數情況見表2。

從研究區不同降水等級降水事件和降水量的比例來看,0—5 mm、5—10 mm和大于10 mm降水事件所占的比例分別為77%—80.9%,11.5%—12.2%,和7.6%—10.9%；0—5 mm、5—10 mm和大于10 mm降水量在年降水總量中所占的比例分別為25.2%—32.2%,21.9%—25.4%,和42.4%—52.9%?？梢?0—5 mm的小降水事件在研究區降水事件中占據主體(77%—80.9%)；而降水量所占比重最大的則為大于10 mm降水事件(42.4%—52.9%)。

表2 研究區(氣象站)不同等級降水事件特征Table 2 Characteristics of precipitation events of different levels

從變異系數來看,位于研究區東南部的希拉穆仁氣象站不論是降水日數還是降水量都具有最低的變異系數。總體來講,研究區降水日數和降水量的波動程度與該區域多年平均降水量有關,其關系為,多年平均降水量越小,降水日數和降水量的波動越劇烈。從不同等級降水事件(0—5 mm、5—10 mm和大于10 mm)的波動程度來看,降水等級越高,波動幅度越劇烈。結合不同等級降水事件降水量所占的比重,可以發現,研究區荒漠草原年際降水量波動的主要原因是大降水事件(>10 mm,42.4%—52.9%)降水量的年際變化(42.7%—62.6%)。

2.1.3研究區降水事件年內分布規律分析

位于研究區不同雨量帶內的3個氣象站不同等級降水日數年內分布情況見圖2。

圖2 不同等級降水日數年內分布規律Fig.2 Annual distributions of precipitation days of different precipitation levels

分析研究區54年(1960—2013年)不同雨量帶不同等級降水事件在年內的分布規律,可以得到以下規律：

(1)0—5 mm降水日數在生長季6—9月份各月所占比例均超過10%(12.9%、16.5%、14.7%、10.2%),最大比例出現在7月,其他各月除5月(8.5%)外都在5%左右；從不同雨量帶的變化情況來看,隨著年降水量的遞減,0—5mm降水事件發生日數在各月的波動性趨于增強,希拉穆仁、百靈廟、滿都拉三站變異系數分別為39.7%、53.9%、59.4%。

(2)5—10 mm降水事件發生日數年內分布較0—5 mm降水事件更向植被生長季集中,生長季4—10月份所占比例分別為4.0%、9.3%、15.9%、23.5%、23.8%、12.9%、7.1%,其他各月均不足2.0%。希拉穆仁、百靈廟站5—10 mm降水事件年內最大比例出現在7月份(23.9%、24.7%),滿都拉站出現在8月份(26.9%)。此外,5—10 mm降水事件發生日數在各月的波動性明顯強于0—5 mm降水事件。從不同雨量帶來看,隨著年降水量的下降,波動性也趨于增強,希拉穆仁、百靈廟、滿都拉三站變異系數分別為102.2%、106.9%、111.2%。

(3)大于10 mm降水事件發生日數年內分布較0—5 mm、5—10 mm降水事件在生長季內更為集中。生長季5—9月份降水日數比例分別為8.7%、13.6%、30.6%、29.6%、13.1%、2.4%,其他各月均未超過1.0%,希拉穆仁、百靈廟站最大比例出現在8月份(33.7%、33.6%),滿都拉站出現在7月份(30.6%)。

從不同雨量帶降水量的分布情況來看,不同等級降水量的年內分布也具有同降水日數大體相同的分布規律(圖3)。

圖3 不同等級降水量年內分布規律Fig.3 Annual precipitation distribution of different precipitation levels

2.2 研究區脈動性降水特征分析

2.2.1不同雨量帶脈動性降水特征分析

研究區不同雨量帶1960—2013年降水過程變化趨勢如圖4所示。

由Z值可以判定,研究區不同雨量帶1960—2013年降水日數均呈增加趨勢,其中百靈廟站、滿都拉站1983—2013年期間降水日數呈顯著增加趨勢(α=0.05)。通過UF和UB曲線交點的位置結合Yamamoto方法,可判定兩站降水日數突變開始時間均為1976年。3個站降水量Z值均大于0,說明3個站降水量總體呈現增加趨勢,但3個站降水量增加均未達到顯著性。

研究區不同雨量帶1960—2013年生長季降水變化趨勢,見圖5。

圖5 不同雨量帶生長季降水變化趨勢Fig.5 Variation trends of different precipitation gradients in growing season

不同雨量帶生長季降水日數均呈下降趨勢,而不同雨量帶生長季降水量均呈現增加趨勢,但二者的變化趨勢均未到達顯著性水平。考慮到不同雨量帶年降水日數都呈顯著增加趨勢(圖4),同時不同等級生長季降水日數均呈減少趨勢,則降水日數增加應出現在非生長季。綜合分析生長季降水日數和降水量的變化過程,研究區生長季日均降水量具有增加趨勢。

研究區不同雨量帶1960—2013年降水日數與降水量變化周期如圖6所示。

圖6 不同雨量帶降水周期Fig.6 Cycles of different precipitation gradients

通過最大熵譜法分析(圖6),希拉穆仁站多年平均降水日數具有2.84 a和4.91 a的周期,多年平均降水量周期分別為2.7 a和4.5 a,生長季降水日數周期為3.0 a和4.19 a,生長季降水量周期為2.7 a和4.15 a。百靈廟站年降水日數周期為3.86 a,年降水量周期為2.84 a和4.5 a,生長季降水日數周期為4.15 a和7.71 a,生長季降水量周期為2.7 a、4.15 a和10.8 a。滿都拉站年降水日數、年降水量、生長季降水日數、生長季降水量的周期均為3.18 a。

2.2.2不同等級脈動性降水特征分析

下面通過不同等級降水事件變化趨勢及周期性分析,進一步探討研究區脈動性降水特征以及降水結構變化規律。

研究區1960—2013年0—5 mm降水事件變化趨勢見圖7。通過分析Z值,研究區1960—2013年0—5 mm降水日數和降水量均呈增加趨勢。其中,百靈廟和滿都拉站0—5 mm降水日數1986—2013年為顯著性增加(α=0.05),結合Yamamoto方法判定降水日數突變開始時間均為1977年前后。從降水量來看,滿都拉站0—5mm降水量1990—2006年間為顯著性增加(α=0.05),突變點發生在1979年。

圖7 0—5 mm降水事件變化趨勢Fig.7 Variation trends of 0—5 mm precipitation events

研究區1960—2013年5—10 mm降水事件變化趨勢見圖8。通過Z值分析,希拉穆仁站降水量和降水日數均呈減少趨勢,另兩站降水日數和降水量均呈增加趨勢。但以上變化趨勢都未到達顯著性水平。

圖8 5—10 mm降水事件變化趨勢Fig.8 Variation trends of 5—10 mm precipitation events

研究區1960—2013年大于10 mm降水事件變化趨勢見圖9。從降水日數來看,三站大于10 mm降水日數均呈增加趨勢,但都未達到顯著性水平。從降水量來看,希拉穆仁站大于10 mm降水量呈現減少趨勢,百靈廟站、滿都拉站均為增加趨勢,其中滿都拉站大于10 mm降水量1973—1982年間增加趨勢達到了顯著性水平(α=0.05),結合Yamamoto分析判定突變點為1967年。

圖9 大于10 mm降水事件變化趨勢Fig.9 Variation trends of precipitation events greater than 10 mm

研究區不同降水等級1960—2013年降水日數與降水量變化周期如圖10、圖11所示。從不同降水等級降水日數的周期來看(圖10),希拉穆仁站0—5 mm降水日數具有3.18 a和6.75 a的周期,5—10 mm降水日數的周期為4.15 a和10.8 a,大于10 mm降水日數具有2.0 a、4.5 a和10.8 a的周期。百靈廟站0—5 mm降水日數具有4.15 a和7.71 a的周期,5—10 mm降水日數具有2.46 a和6.0 a的周期,大于10 mm降水日數具有2.84 a和9.0 a的周期。滿都拉站0—5 mm降水日數具有3.18 a和6.75 a的周期,5—10 mm降水日數具有2.35 a和3.0 a的周期,大于10 mm降水日數周期為2.0 a。

從不同降水等級降水量的周期來看(圖11),希拉穆仁站0—5 mm降水量具有4.15 a的周期,5—10 mm降水量周期為3.86 a和10.8 a,大于10 mm降水量周期為2.0 a。百靈廟站0—5 mm降水量周期為2.0 a和2.57 a,5—10 mm降水量周期為6.75 a,大于10 mm降水量周期為2.57 a和10.8 a。滿都拉站0—5 mm降水量具有2.7 a和6.0 a的周期,5—10 mm降水量周期為2.25 a和3.18 a,大于10 mm降水量周期為2.0 a。

3 討論

受地形抬升作用影響,達爾罕茂明安聯合旗自南向北形成了明顯的降水梯度差異,不論是降水日數還是降水量都具有從東南到西北遞減的趨勢,且降水日數與降水量具有相同的變化趨勢。當研究區發生降水事件時,0—5 mm、5—10 mm和大于10 mm日均降水量分別為1.2—1.3 mm/d、7.0—7.1 mm/d、17.8—19.2 mm/d。由此可見,位于荒漠草原的研究區降水事件兩極分化特征顯著,即在降水事件中占主體(77%—80.9%)的0—5mm降水事件日均降水量僅為1.2—1.3 mm/d；而在降水事件中僅占極少數的(7.6%—10.9%)大于10mm降水事件日均降水量卻高達17.8—19.2 mm/d,在荒漠植被生長發育中發揮著少數卻關鍵的作用。這種水分分割效應深刻影響著不同根系埋深荒漠植被的水分利用策略[9-10,13,24]。從圖2可以看出,研究區大降水事件主要集中在7、8兩個月,這種雨熱同期的效應有利于植被生物量的快速積累。水汽在由東南向西北的傳輸過程中受到了研究區南部地形抬升的影響,一部分大于10 mm的降水事件到了研究區西北部被削弱為5—10 mm降水事件,從而加劇了降水梯度的形成,并造成了研究區不同地區大于10 mm降水事件的年內分布差異?？梢?這種地形的顯著影響(“rain shadow”效應)進一步加劇了研究區降水的時空變異特征[24]。

研究區不同雨量帶不同降水等級降水事件降水特征見表3。從降水事件整體變化趨勢來看,研究區不同雨量帶不同降水等級降水日數和降水量普遍呈增加趨勢,該變化趨勢與內蒙古西部年降水量、降水日數和降水強度均以增加為主的結論一致[25],符合近100年來東亞中高緯的西伯利亞、蒙古等地區年總降水量一般增加的總體趨勢[26]。在全年和生長季不同雨量帶降水事件中,只有希拉穆仁站生長季降水日數出現了下降趨勢,其他情況均為增加趨勢,其中百靈廟和滿都拉站全年降水日數呈顯著增加趨勢。

從不同降水等級降水事件來看,研究區不同雨量帶0—5 mm降水事件降水量和降水日數均呈增加趨勢,其中,百靈廟站降水日數、滿都拉站降水日數和降水量達到了顯著性水平。可見,0—5 mm降水事件降水日數和降水量呈增加趨勢是研究區1960—2013年脈動性降水一大主要特征,而0—5 mm小降水事件對荒漠化站土壤結皮、微生物呼吸以及淺根植被水分利用具有重要意義[27,28]。在大于10 mm的降水事件中,除希拉穆仁站降水量呈下降趨勢外,其余均為增加趨勢,其中滿都拉站大于10 mm降水量增加趨勢達到了顯著性水平。考慮到大降水事件在干旱半干旱荒漠化地區發揮的重要生態作用[29],這種大于10 mm降水事件的增加趨勢將可能對全年降水只有160.4 mm的滿都拉地區生態格局將產生關鍵性影響。

圖10 不同降水等級降水日數周期Fig.10 Cycles of precipitation days of different precipitation levels

圖11 不同降水等級降水量周期Fig.11 Cycles of different precipitation levels

表3 研究區(氣象站)脈動性降水特征分析表Table 3 Variation characteristics of precipitation in the study area

“+”表示增加趨勢,“-”表示減少趨勢,“++”、“--”表示增加或減少趨勢在α=0.05水平顯著；數值表示降水事件周期,帶“*”表示主周期

從不同降水量地區來看,在年降水量相對較少的百靈廟和滿都拉站,不論是各降水等級的降水日數還是降水量均呈增加趨勢,這是研究區脈動性降水事件的又一顯著特征,這也支持并印證了Song等[3]關于達爾罕茂明安聯合旗2000—2011年間植被蓋度向西北方向偏移的觀點。而在年降水量相對較大的希拉穆仁站,盡管年降水量呈現出上升趨勢,但內部降水結構卻發生了轉變。具體來說,0—5 mm小降水事件降水日數和降水量呈增加趨勢,而5—10 mm和大于10 mm降水事件降水日數和降水量卻出現不同程度減少,其中降水量均呈現出下降趨勢。這種由大、中降水事件向小降水事件轉化所帶來的降水結構變化及其生態效應值得進一步關注。

從降水事件周期來看,研究區全年和生長季降水日數和降水量周期都較短促[30],主周期在2.84—4.5a左右,不同雨量帶差異不明顯。從不同等級的降水事件來看,總體上呈降水等級越高周期越短的趨勢,符合干旱半干旱地區降水等級越高波動性越強的整體規律。

4 結論

借助位于研究區不同雨量帶內的三個氣象觀測站,本研究利用1960—2013年日值降水數據對比分析了研究區不同雨量帶地區降水格局及其時空變化特征。主要結論如下：

(1)總體來看,隨著多年平均降水量減小,研究區降水日數和降水量波動性逐漸增強;此外,降水量的波動程度要明顯強于降水日數,即降水量較降水日數具有更強的時空變異性。

(2)研究區0—5 mm、5—10 mm和大于10mm降水日數所占的比例分別為77%—80.9%,11.5%—12.2%,和7.6%—10.9%；0—5 mm、5—10 mm和大于10 mm降水量所占的比例分別為25.2%—32.2%,21.9%—25.4%,和42.4%—52.9%。當研究區發生降水事件時,0—5 mm、5—10 mm和大于10 mm日均降水量分別為1.2—1.3 mm/d、7.0—7.1 mm/d、17.8—19.2 mm/d，具有明顯的兩極分化特征?；哪菰觌H降水量劇烈波動的主要原因是大降水事件降水量的年際變化。

(3)從年降水和生長季降水總體變化趨勢來看,研究區不同雨量帶不同降水等級降水日數和降水量普遍呈增加趨勢,其中,0—5 mm小降水事件的明顯增加是研究區荒漠草原地區1960—2013年脈動性降水一大主要特征。

(4)從不同降水量地區來看,在年降水量相對較少的百靈廟和滿都拉站,各等級降水事件降水日數和降水量均呈增加趨勢,這是研究區降水事件時空變化的又一顯著特征。而在年降水量相對較大的希拉穆仁站,盡管年降水量仍呈現增加趨勢,卻發生了由大、中降水事件向小降水事件轉移的內部降水結構變化。

(5)研究區全年和生長季降水日數和降水量主周期在2.84—4.5 a左右,不同雨量帶差異不明顯。從不同等級的降水事件來看,總體上呈降水等級越高周期越短的趨勢。