1981—2018年内蒙古不同等级降水时空变化特征

申露婷 张方敏 黄进 李云鹏 凌洋

(1 南京信息工程大学 应用气象学院/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044；2 南京信息工程大学/江苏省农业气象重点实验室，南京210044；3 河南省气象科学研究所，郑州 450003；4 内蒙古自治区生态与农业气象中心，呼和浩特010051；5 江苏省气象服务中心，南京210041)

引 言

降水是表征气候变化的重要气象要素之一，降水量的多寡受大气环流变化所控制且其形成机理十分复杂[1]。降水的时空变化直接影响陆地的地表径流和干湿变化[2]，对生态环境和人民生活影响显著[3-4]。目前，降水时空分布变化的研究已经成为气候变化和灾害等领域所关注的焦点问题之一[5]。

降水在空间和时间上具有高度的空间异质性[6]，导致不同地区旱或涝灾害可能同时发生[7]。在全球气候变暖的大背景下，我国年降水量已呈现出明显的区域差异，在东南沿海地区、长江下游、青藏高原、西北地区西部降水呈增加趋势；在东北地区中南部、华北、华中、西北地区东部和西南地区降水呈减少趋势[8-13]。随着气候变暖以及人类活动的影响，多地区强降水呈现增加趋势，而弱降水呈减少趋势[14-15]。比如，近50 a我国小雨量在总降水量中的比重自西北向东南逐渐减少，但小雨日数依然在总降水日数中占最大比重[16]；西北地区小雨日数呈减小趋势，大到暴雨雨量和日数逐渐增加[17]。微量降水事件的减少会促进地区干旱化[18]，而大雨的增加会加剧涝灾及水土流失等的发生[7]。因此，研究特定地域降水等级时空变化具有十分重要的意义。

内蒙古地区位于中国北部，横跨东北、华北和西北三大区域，其气候变化敏感性高，生态环境脆弱，是湿润、半湿润气候向半干旱、干旱气候过渡地区[19]，由于受地理环境等的影响，降水地域差异较大。有关研究表明，多年来内蒙古东部地区降水量呈减少趋势，西部地区呈增加趋势，但是不同地区不同等级降水的变化特征及差异还不清楚。鉴于此，利用1981—2018年103个内蒙古地区气象站点日降水数据对整个内蒙古地区不同等级降水量、降水日数和降水强度进行时空变化分析。研究结果对于促进该地区生态修复具有一定的科学意义，也可为该地区旱涝灾害防治、水资源脆弱性评价提供依据。

1 资料与方法

采用中国气象数据共享网的1981—2018年内蒙古地区103个气象台站逐日地面降水资料(http:∥data.cma.cn/)，站点分布如图1所示。基于气象观测站点的均一性、资料年代的完整性等原则，已剔除存在缺陷以及时间覆盖不够的测站，所有数据都由国家气象信息中心经过标准化订正处理，以及严格的质量控制检查。

图1 研究区域及气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Inner Mongolia

以内陆地区的24 h降水量将降水强度划分为4个等级[2]：小雨(0.1 ～ 10.0 mm)、中雨(10.0 ～ 25.0 mm)、大雨(25.0 ～ 50.0 mm)、暴雨(≥ 50.0 mm)。根据内蒙古地区的降水特性，暴雨级别的降水出现次数低于0.5次·a-1，因此本文将大雨和暴雨划为同一级别，采用3个等级即小雨、中雨和大雨等级分析降水事件。降水强度定义为降水总量与降水日数之比[18]。将内蒙古地区分为4个气候区，如图1所示，分别为湿润区、半湿润区、半干旱区和干旱区[20]。将1981—1989年、1990—1999年、2000—2009年和2010—2018年分别称为1980s、1990s、2000s和2010s。

图2 内蒙古降水量及2011—2018年相对于1981—2018年降水量距平百分率空间分布：(a)总降水量;(b)小雨;(c)中雨;(d)大雨Fig.2 Spatial distribution of precipitation amounts in 2010s relative to the precipitation anomalies in Inner Mongolia from 1981 to 2018: (a) total precipitation;(b) light rain;(c) moderate rain;(d) heavy rain

2 不同等级降水空间变化特征

2.1 降水量

内蒙古不同降水等级的平均年降水量空间分布相似，均呈现由东北向西北均匀递减的分布特征(图2)。在内蒙古湿润区东北部高值区，年均降水总量大于500 mm，在干旱区西部低值区，年均降水总量不足100 mm。由内蒙古降水量距平百分率空间分布(图2和表1)可知，在2010s总降水量在湿润区和半湿润区均增加，在内蒙古西部阿拉善盟北边增加最大，降水量距平百分率在15.1%～23.8%，此地区虽然年均降水量较小但增加幅度最大，在小雨、中雨和大雨等级均有此特征。结论与多年来内蒙古降水量自西向东呈现增加—减少—增加趋势基本一致[19]。

小雨等级的降水量以大兴安岭山脉为界限，东西两侧降水量少于山脉处降水量。在湿润区高值区，年均小雨量大于170 mm，在干旱区西部低值区，年均小雨量小于80 mm。小雨量增多最强的站点位于干旱区的阿拉善盟，距平百分率为15.6%，在巴彦淖尔市和鄂尔多斯市交界处小雨量减少最多，距平百分率在-10.5%～ -8%。

中雨等级的降水量空间分布与总降水量分布最为相似。中雨量增多最强的站点位于干旱区的阿拉善盟，距平百分率为33.5%，中雨量减少最多的站点也位于干旱区的阿拉善盟，距平百分率为-26.4%，说明阿拉善盟降水趋势空间差异显著。

大雨等级降水量有65%的站点距平百分率大于零，2010s大雨量在干旱区巴彦淖尔市和阿拉善盟普遍增加较强(图2和表1)，大雨量增加最多的站点位于阿拉善盟，距平百分率高达154.5%，大雨量减少最多的站点位于半干旱区北部呼伦贝尔市西部，距平百分率为-70.8%。总的来看内蒙古地区在2010s大雨等级降水量普遍增多，特别是在干旱区，阿拉善盟大雨量距平百分率达到57.2%。

2.2 降水日数

内蒙古不同降水等级的平均年降水日数空间分布(图3)相似，均呈现由东北向西北均匀递减的分布特征。总降水日数以大兴安岭山脉为界限，东西两侧降水日数少于山脉处降水日数。在湿润区高值区，年均总降水日数多于100 d，在干旱区西部低值区，年均总降水日数少于40 d。由内蒙古降水日数距平百分率空间分布(图3和表1)可知，在2010s总降水日数在半湿润区南部和半干旱区中西部均增加，降水日数距平百分率在9.1%～13.0%。在半湿润区的呼伦贝尔市与干旱区和半干旱区交界处均减少，降水日数距平百分率在-10.2%～-6.0%。

图3 内蒙古降水日数及2011—2018年相对于1981—2018年降水日数距平百分率空间分布：(a)总降水量;(b)小雨;(c)中雨;(d)大雨Fig.3 Spatial distribution of precipitation days in 2010s relative to the precipitation anomalies from 1981 to 2018 in Inner Mongolia:(a) total precipitation days; (b) light rain days; (c) moderate rain days; (d) heavy rain days

小雨日数在湿润区北部较多，在干旱区西部较少，在半干旱区东部，赤峰市和通辽市交界处科尔沁沙地的降水日数比其周边地区要少，小雨日数增加最多的站点也位于此处，距平百分率为15.2%。在小雨日数高值区降水日数减少最多，距平百分率为-11.5%，此特征与总降水日数一致。

2010s中雨日数在干旱区阿拉善盟北部增加最多，距平百分率为35.7%；在干旱区阿拉善盟南部和半干旱区赤峰市减少最多，距平百分率在-20%。中雨日数相对变化较多的站点均位于干旱区，说明在内蒙古干旱区中雨日数空间差异显著。

在2010s大雨日数在干旱区巴彦淖尔市和阿拉善盟普遍增加较强(图3和表1)，大雨日数增加最多的站点位于阿拉善盟，距平百分率高达181.5%；大雨日数减少的站点位于半干旱区北部呼伦贝尔市西部，距平百分率为-69.8%。总体而言，内蒙古干旱区大雨日数普遍增加，阿拉善盟总体大雨日数距平百分率达到57.9%。

表1 2010s内蒙古各气候区降水距平百分率Table 1 Percentage of precipitation anomalies in various climatic regions of Inner Mongolia in 2010s %

2.3 降水强度

内蒙古不同降水等级的平均年降水强度空间分布(图4)相似，均呈现由东南向西北递减的分布特征。在内蒙古半湿润区南部和半干旱区东部高值区，年均总降水强度大于5.5 mm·d-1，在干旱区西部低值区，年均总降水强度小于3.0 mm·d-1。由内蒙古降水量距平百分率空间分布(图4和表1)可知，在2010s总降水强度在湿润区和半湿润区均增强，在干旱区阿拉善盟增强最大，降水强度距平百分率最大为26.9%，此地区虽然年均降水强度较小，但增加强度最大，小雨、中雨和大雨等级均有此特征。

图4 内蒙古降水强度及2010s相对于1981—2018年的降水强度距平百分率空间分布:(a)总降水量; (b)小雨;(c)中雨;(d)大雨Fig.4 Spatial distribution of precipitation intensity in 2010s relative to the precipitation anomalies in Inner Mongolia from 1981 to 2018 :(a) total precipitation; (b) light rain; (c) moderate rain; (d) heavy rain

小雨强度在半湿润区南部和半干旱区东南部较强，在呼伦贝尔市西部和干旱区西部的阿拉善盟较弱。小雨强度增强最大和减弱最大的站点均位于干旱区的阿拉善盟，距平百分率分别为17.4%和-11.0%。在干旱区阿拉善盟北部和半湿润区呼伦贝尔市西部均有年均小雨强度较小但增加强度较大的特征。

在内蒙古东部中雨强度高值区，年均强度大于15.7 mm·d-1。在2010s中雨强度增强最大的站点位于干旱区阿拉善盟北部，距平百分率为44.1%，减弱最大的站点位于干旱区巴彦淖尔市南部，距平百分率为-11.5%。中雨强度增强和减弱最大的站点均位于干旱区，说明在内蒙古干旱区中雨强度空间差异显著。

在内蒙古半湿润区南部和半干旱区东部高值区，年均大雨强度大于38.0 mm·d-1。在2010s大雨强度在干旱区巴彦淖尔市和阿拉善盟普遍增加较强(图4和表1)，大雨强度增强最大的站点位于阿拉善盟，距平百分率高达154.5%，大雨量减少最多的站点位于半干旱区北部呼伦贝尔市西部，距平百分率为-58.8%。总的来看内蒙古干旱区在2010s大雨强度普遍增强，阿拉善盟总体大雨强度距平百分率达到44.7%。

3 不同等级降水时间变化特征

3.1 总降水年际变化特征

1981—2018年内蒙古降水量、降水日数和降水强度年际变化如图5所示。多年均降水总量约为328.3 mm，多年均降水日数约为73.0 d。从变化趋势看，总体上降水量和降水日数均呈减少趋势，降水日数在1990s呈显著下降趋势，通过α=0.05显著性检验，平均下降约17 d/(10 a)。多年均降水强度约为4.5 mm·d-1。从变化趋势看，总体上降水强度无显著变化趋势。降水强度在前20 a上升，在1998年达到最大值，然后突然下降，在2000s降水强度明显降低，并在2010s逐渐上升。

图5 1981—2018年内蒙古降水指标年际变化: (a) 降水量(单位: mm)和降水日数(单位: d);(b) 降水强度(单位: mm·d-1)Fig.5 Interannual variation of precipitation in Inner Mongolia from1981 to 2018: (a) precipitation amount (unit: mm) and precipitationdays (unit: d);(b) precipitation intensity (unit: mm·d-1)

1981—2018年内蒙古各气候区降水量距平年际变化如图6a所示。总体上2000s降水量明显低于其他年代，为负距平，各气候区降水量均在1998年有明显升高。湿润区总降水量的波动较大，距平值在-171.0～256.7 mm。干旱区的波动最为平缓。小雨量(图略)在各气候区的距平变化均相似，无明显年际变化。中雨量在湿润区波动最大，2000s降水量均为负距平，最低为-83.3 mm。各气候区的大雨量均在1998年明显升高，湿润区和半湿润区的波动明显。

1981—2018年内蒙古各气候区降水日数距平年际变化如图6b所示。总体上降水日数在2000s要低于2000年以前，各气候区降水日数距平在2010s均有所下降。湿润区总降水日数波动最大，在2008年有明显的降低。小雨日数(图略)各气候区距平年际变化与总日数相似。中雨日数依旧是湿润区波动最大，降水日数距平在2000s明显低于其他年代。大雨日数距平年际变化与大雨量相似，总体上各气候区在2000s为负距平，在其他年代多为正距平，均在1998年有明显升高，年际波动不大。

1981—2018年内蒙古各气候区降水强度距平年际变化如图6c所示。与降水量距平相似，总体上降水强度在2000s为负距平，自2000年后呈不显著增加趋势。湿润区和半湿润区分别在1998年和1994年有明显的升高。半干旱区的波动最为平缓。小雨强度(图略)在各气候区的距平变化均相似，在2010s有所上升。中雨等级则是干旱区的波动明显大于其他气候区，在1980s和2010s有明显的负距平。在大雨等级中，干旱区降水强度在2010年以前多为负距平，在2010年后多为正距平。半干旱区的降水强度波动相较于其他气候区总是最为平缓。

3.2 不同等级的降水占总降水的比例

为定量了解不同等级降水特征，首先分析不同等级降水的比例状况。结果表明，中等强度以上(中雨和大雨等级)的降水日数占总降水日数的13%，且降水量占总降水量的59.9%。大雨日数仅占总降水日数的3%，而大雨量占总降水量的25.9%，说明有必要研究内蒙古地区降水分强度特征。

1981—2018年内蒙古不同气候区的不同等级降水的降水量和降水日数占比如表2所示。总体而言，四个气候区均为小雨量贡献率最多，大雨量贡献率最少，中雨量贡献率在各气候区相差不大，均占总降水量的三分之一左右。从湿润区向干旱区小雨量占比逐渐上升，在干旱区小雨量占比达到48%。各气候区不同等级降水日数贡献率相似，均为小雨日数贡献率最多，为总雨日的80%以上，中雨日数其次，大雨日数最少。干旱区小雨日数贡献率达到90%。

图6 1981—2018年内蒙古各气候区降水指标距平年际变化: (a) 降水量距平(单位: mm);(b) 降水日数距平(单位: d);(c) 降水强度距平(单位: mm·d-1)Fig.6 Interannual variation of precipitation index anomalies in various climatic regions of Inner Mongolia from 1981 to 2018: (a) precipitation amount anomaly (unit: mm); (b) precipitation days anomaly (unit: d);(c) precipitation intensity anomaly (unit: mm·d-1)

表2 1981—2018年内蒙古各气候区不同等级降水的降水量和降水日数比例Table 2 Proportion of different precipitation grades for precipitation amounts and days in various climatic regions of Inner Mongolia from 1981 to 2018 %

3.3 不同等级降水指标年际变化特征

由图7可以看出，不同等级降水的降水量、降水日数均呈不显著减少趋势。小雨量和小雨日数的倾向率分别为-1.6 mm/(10 a)和-1.0 d/(10 a)，其中1990s和2010s的小雨日数呈显著下降趋势，均通过α=0.05的显著性检验，倾向率分别为-13.2 d/(10 a)和-15.7 d/(10 a)，小雨量在1990s最多，小雨日数在1980s最多，但均在2000s最少；中雨量和中雨日数的倾向率分别为-1.0 mm/(10 a)和-0.1 d/(10 a)，中雨量在2010s最多，小雨日数在1990s最多，也在2000s最少；大雨量和大雨日数的倾向率分别为-1.8 mm/(10 a)和-0.03 d/(10 a)，在1998年降水量和降水日数都有明显的上升，达到171.6 mm和4.1 d，为近38 a的最高值，而后降水量和降水日数又有明显的下降，均在1990s最多，在2000s最少。

不同等级降水强度年际变化趋势不明显，小雨、中雨和大雨强度的倾向率分别为0.01 mm·d-1/(10 a)、0.02 mm·d-1/(10 a) 和-0.15 mm·d-1/(10 a)，均未通过α=0.05的显著性检验。小雨强度在1.9～2.2 mm·d-1，平均强度均为2.1 mm·d-1，在1980s和1990s逐渐上升至最大值(1998年)，而后有显著的下降，在2000年降至最低值；中雨强度为14.9～15.8 mm·d-1，平均强度均为15.4 mm·d-1，各年代强度差异不大；大雨强度为34.1～43.4 mm·d-1，平均强度为38.6 mm·d-1，从年代际统计结果看(表略)，大雨强度在1990s最大，在2000s最小。

图7 1981—2018年内蒙古不同等级降水量指标年际变化: (a)小雨;(b)中雨;(c)大雨Fig.7 Interannual variation of different grades of precipitation in Inner Mongolia from 1981 to 2018:(a) light rain;(b) moderate rain;(c) heavy rain

4 结论

基于1981—2018年内蒙古地区103个气象站点的日降水资料，分析了该地区不同等级降水量、降水日数和降水强度时空变化特征。主要结论如下：

(1)从年际变化看，近38 a内蒙古地区降水变化趋势不明显。2000s的降水量、降水日数和降水强度明显小于其他年代。在2010s降水量和降水日数均减少，降水强度则增加。湿润区的各等级降水年际波动最大，但干旱区的中雨强度年际波动明显大于其他气候区。

(2)从不同等级降水占比看，内蒙古地区以小雨事件为主，大雨事件贡献率最少。从湿润区到干旱区小雨量占比逐渐上升，各气候区小雨日数贡献率均在80%～90%。

(3)近38 a不同等级降水年际变化趋势不明显，但小雨日数在1990s和2010s呈显著减少趋势。小雨强度和大雨等级降水均在2000s明显低于其他年代，大雨强度在2010s呈增加趋势。

(4)从空间分布看，内蒙古降水均呈现由东向西递减的分布特征。降水量和降水日数的高值区主要分布在东北部地区，降水强度的高值区主要分布在东南部地区。

(5)从空间变化趋势看，2010s相对于近38 a东北部和中部偏西地区的小雨量和小雨日数减少，中部偏东地区小雨日数增加，小雨强度却呈相反趋势。在阿拉善盟西北部各等级降水量和降水强度均增加，大雨等级的降水量、降水日数和降水强度的增加尤为显著。

近50 a我国西北地区东部不同等级的降水量主要与降水日数的变化一致[17]，其中宁夏各等级降水呈现不同程度的减小[21]，陕西降水量和降水日数呈减少趋势，极端降水事件增多[22]，但是内蒙古东西跨度大，降水变化区域差异明显，区域降水的变化是有环流气候背景造成还是由于近年来的生态工程的影响造成目前还存在很大的不确定性。现阶段研究表明内蒙古干旱区的降水强度有所加大，特别是阿拉善盟北部，在一定程度上增加易发生水土流失和山洪地质灾害的概率，因此，应针对该地区的降水特点，未来做好科学生态防护，尽可能减小由于强降水造成的损失。