刘林春，刘 炜，孙 鑫，刘 新，董祝雷，张 宇

(1.内蒙古自治区气象台，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

目前全球气候变化，尤其是极端气候事件变化对自然系统和社会系统都产生了重要影响[1-2]，对生态脆弱的干旱地区农业生产影响更为巨大[3-4]。强降雨、高温热浪等极端气候事件呈现出不断增强的趋势，其中尤以极端降水的变化最为显著[5-8]。因此极端降水事件对社会经济及生态系统造成的危害受到越来越多的关注[9-10]。

目前，国内外针对极端降水事件，在极端降水阈值的确定、极端降水事件时空变化特征方面开展了众多研究。研究发现，极端降水事件发生频率存在明显的区域性、局地性和季节性特征[11-14]，并且呈现出明显的年代际与年际变化[15]。如我国西北地区、长江流域和东南沿海等地区极端降水事件发生频率明显增多[16-21]，华北和东北地区的极端降水事件则呈现减少趋势[16]。华中地区夏季极端降水事件在20世纪80年代开始偏多[22]，华北地区极端降水在1986 年之后减少趋势更加显著[23]。对极端降水的成因也有较多的探索，如前冬赤道中东太平洋是影响我国夏季极端降水的关键区[24]，北极涛动在冬季1—2 月与我国中东部极端降水的频率成显著的正相关关系[25]，海表温度异常对我国东南沿海地区的极端降水事件有重要影响[19]。

内蒙古河套地区是内蒙古自治区重要的商品粮、食用油生产基地，农作物以春播小麦和玉米为主[26]。该区域分布有两类典型生态脆弱区，黄土高原北部脆弱区和干旱半干旱脆弱区，生态系统对气候变化较为敏感[27]。虽然极端降水在内蒙古河套地区出现的概率较低，但强度大、局地性强，易引起洪涝灾害，给农业生产生活造成严重损失[28]。目前对内蒙古极端降水事件及极端降水过程变化特征的研究还相对较少，因此本文研究气候变化背景下内蒙古河套地区极端降水特征及变化趋势，以期为内蒙古地区极端降水预报预警气象服务提供参考，为农业生产风险管理、防灾减灾以及应对气候变化发展战略提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资 料

所用资料为1961—2018年内蒙古河套地区(包括呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市)34 个国家气象站逐日降水量[20:00—20:00(北京时，下同)]，资料来源于内蒙古气象信息中心。

1.2 极端降水事件

统计各站气候基准期(1981—2010年)历年日降水量的极值和次值，得到各站包含60个样本的序列。对各站由历年降水量极值、次极值所构成的序列从大到小进行排序，取95%分位数，定义为极端降水阈值。当某站某日降水量超过极端降水阈值时，就认为出现了一次极端降水事件[29]。

将某站出现极端降水事件时的极端降水量累加，除以该站极端降水事件次数，作为极端降水事件强度。

1.3 极端降水过程

参照王莉萍等[29]对降水过程的定义，将站点日降水量达到或超过降水阈值(该站历史日降水量从小到大排序， 取90%分位数)的当日作为该站降水过程的起始时间，小于降水阈值的当日为该站降水过程的结束时间。当研究区域内降水过程已开始的站点比率≥5%时，区域降水过程开始；当研究区域内降水过程已结束的站点比率≥5%时，区域降水过程结束。

在研究区域范围内，某次降水过程中有超过10%站数出现极端降水事件，即界定此次降水过程为一次极端降水过程。某次极端降水过程期间每日超过极端降水阈值的站点数累加，即为该次过程中极端降水事件出现站次。极端降水过程中，出现极端降水事件站点的极端降水事件强度累加，除以出现极端降水事件的站点数，作为极端降水过程强度。

2 结果分析

2.1 降水量变化

图1 为1961—2018年内蒙古河套地区平均年降水量空间分布。可以看出，内蒙古河套地区平均年降水量自东南向西北递减，且空间差异较大，呼和浩特市及鄂尔多斯市东部地区平均年降水量在300 mm以上，而巴彦淖尔市西部不足150 mm。34个站点中多数站点的年降水量气候倾向率为负值，降水呈减少趋势，仅有7站降水量气候倾向率为正值，降水呈增加趋势，但所有站点年降水量的变化趋势均不显著。

图1 1961—2018年内蒙古河套地区平均年降水量空间分布(单位：mm)Fig.1 The spatial distribution of average annual precipitation in the Hetao area, Inner Mongolia during 1961-2018 (Unit: mm)

内蒙古河套地区平均年降水量为325.7 mm，降水主要集中在4—10月，其中7—8月降水最丰沛，月降水量基本在50 mm以上，近58 a中7月降水量有1/3年份达100 mm以上(图2)。各月降水量气候倾向率除1月、7月和8月为负值外，其他月份均为正值，其中，8月降水量减少趋势显著(P<0.01)，5月、6月和12月增加趋势显著(P<0.01)。

2.2 极端降水事件

内蒙古河套地区极端降水阈值为34.7(乌拉特后旗)～108.2 mm(东胜区)，空间分布呈东南高西北低特点，鄂尔多斯市东部极端降水阈值超过80 mm，包头市北部、巴彦淖尔市大部不足50 mm。5 站降水历史极值大于150 mm，其中鄂尔多斯市乌审召最大，达245 mm，50%站点降水历史极值小于100 mm，其中巴彦淖尔市海力素最小，仅为50 mm[图3(a)]。

1961—2018年内蒙古河套大部地区极端降水事件频次超过5 次，呼和浩特市南部和鄂尔多斯市伊克乌素超过10 次，其中伊克乌素最多，为14 次。极端降水事件强度空间分布与极端降水阈值分布相似，呈东南强西北弱特点，鄂尔多斯市中东部地区极端降水事件强度大于90 mm·次-1，巴彦淖尔市西北部地区不足60 mm·次-1[图3(b)]。

图2 1961—2018年内蒙古河套地区1—12月降水量分布(单位：mm)Fig.2 The distribution of precipitation in the Hetao area, Inner Mongolia from January to December during 1961-2018 (Unit: mm)

图3 内蒙古河套地区极端降水阈值(阴影)、历史极值(圆圈)(单位：mm)(a)及1961—2018年极端降水事件强度(阴影，单位：mm·次-1)和频次(圆圈，单位：次)(b)空间分布Fig.3 The spatial distribution of threshold of extreme precipitation (shaded) and historical extreme values (circle) (Unit: mm) (a) and intensity (shaded, Unit: mm·times-1) and frequency (circle, Unit: times) of extreme precipitation events from 1961 to 2018 (b) in the Hetao area, Inner Mongolia

图4为1961—2018年内蒙古河套地区极端降水事件出现站次年际变化及4—9月极端降水事件出现站次月际变化。可以看出，近58 a有14 a未出现极端降水事件，1968、1971、1987、1990、1996、2014、2015年仅出现1站次，2018年极端降水事件出现最多，共15 站次。平均年极端降水事件出现4.1 站次，年极端降水事件的气候倾向率为7.8站次·(10 a)-1，但未通过显著性检验。极端降水事件出现在4—9月，其中7—8月出现最多，7月平均极端降水事件出现1.6 站次，8月为1.9站次，1—3月、10—12月均未出现极端降水事件。除8月极端降水事件出现站次气候倾向率为负值外，其他月份均为正值，其中，9月极端降水事件出现站次增加趋势显著(P<0.01)，气候倾向率为5.9站次·(10 a)-1。1979年之前，极端降水事件仅出现在7—8月，1979年开始5—6月也有出现，2015年极端降水事件出现时间最早(2015年4月1日)；1999年开始9月出现极端降水事件，且出现站次显著增加，2018年出现最多，为6 站次。

图5为1961—2018年内蒙古河套地区极端降水事件强度年际变化及4—9月极端降水事件强度月际变化。可以看出，1961年极端降水事件强度最强，为117.8 mm·站次-1，2015年最弱，仅为35.9 mm·站次-1。平均年极端降水事件强度为73.7 mm·站次-1，年极端降水事件强度气候倾向率为3.2 mm·站次-1·(10 a)-1，但未通过显著性检验。极端降水事件平均强度8月最强，为77.6 mm·站次-1，其次为7月，为77.3 mm·站次-1。除7月和8月极端降水事件强度气候倾向率为负值外，其他月份均为正值，其中，9月极端降水事件强度增加趋势显著(P<0.01)，气候倾向率为3.0 mm·站次-1(10 a)-1。

图4 1961—2018年内蒙古河套地区极端降水事件出现站次年际变化及4—9月极端降水事件出现站次月际变化Fig.4 The inter-annual variation of frequency of extreme precipitation events from 1961 to 2018 and monthly variaiton of frequency of extreme precipitation events from April to September in the Hetao area , Inner Mongolia

图5 1961—2018年内蒙古河套地区极端降水事件强度年际变化及4—9月极端降水事件强度月际变化Fig.5 The inter-annual variation of intensity of extreme precipitation events from 1961 to 2018 and monthly variation of intensity of extreme precipitation events from April to September in the Hetao area, Inner Mongoli

2.3 极端降水过程

2.3.1 出现时间和雨量

表1列出1961—2018年内蒙古河套地区极端降水过程特征量。可以看出，1961—2018年，内蒙古河套地区共出现14 次极端降水过程，其中1998年和2012年出现2次，1961、1966、1975、1976、1978、1979、1985、1992、2013和2016年均出现1次，其余年份均未出现。出现月份集中在7—8月，7月出现8次，8月出现5次，9月仅出现1次。

表1 1961—2018年内蒙古河套地区极端降水过程特征量Tab.1 Characteristic quantity of the extreme precipitation processes in the Hetao area, Inner Mongolia from 1961 to 2018

1985年8月21—25日的极端降水过程中出现的极端降水事件最多，达11站次，其次为1998年7月4—5日和2012年7月20—21日的极端降水过程。除1975年8月25日的极端降水过程影响范围百分比为45%外，其余过程均在60%以上，1966年7月28日极端降水过程影响范围百分比最大，达97%。14次极端降水过程中，仅3次过程出现大雨以上级别降水站数百分比不足50%，其余11次过程均达到半数以上。1961年8月19—22日极端降水过程强度最强，2013年9月16—18日最弱。年平均极端降水过程强度有显著减弱趋势(P<0.01)。大多数极端降水过程的最大日降水量超过100 mm，其中1998年7月12—13日过程的最大日降水量达148.9 mm。过程降水大值区以土默特左旗居多，共有4 次极端降水过程的最大日降水量出现在土默特左旗，伊金霍洛旗出现3次，呼和浩特市区出现2次。

2.3.2 环流背景

经统计，14次极端降水过程中有13次过程的西太平洋副热带高压(简称“副高”)脊线位置偏北(表1)，表明河套地区夏季极端降水过程与副高脊线位置存在密切联系。进一步分析每次过程的水汽输送特征(图略)，绝大部分过程的水汽来源于西太平洋，水汽沿副高外围北上输送至河套地区，但其中1次过程(1998年7月4—5日)除受副高影响外，西南水汽输送影响也至关重要。分别选取2012年7月25—28日和1998年7月4—5日两次极端降水过程作为典型个例进行分析。

2012年7月25—28日，500 hPa位势高度场上内蒙古西部地区存在浅槽，副高脊线位置较常年偏北，来自热带西太平洋的暖湿气流沿副高外围源源不断向北输送至内蒙古地区，受高空槽前西南气流和副高外围偏南气流的共同影响，内蒙河套地区水汽辐合异常增增强(图6)，易产生强降水。

图6 2012年7月25—28日500 hPa位势高度(等值线，单位：dagpm)及850 hPa风(风矢，单位：m·s-1)(a)，地面至300 hPa水汽通量垂直积分距平(矢量，单位：kg·m-1·s-1)及负的水汽通量散度距平(阴影，单位：10-5 kg·m-2·s-1)(b)Fig.6 The 500 hPa geopotential height (isoline, Unit: dagpm) and 850 hPa wind (wind vector, Unit: m·s-1) (a), anomaly of vertical integral of water vapor flux (vector, Unit: kg·m-1·s-1) and negative water vapour flux divergence anomaly (shaded, Unit: 10-5 kg·m-2·s-1) calculated from surface to 300 hPa (b) from 25 to 28 July 2012

1998年7月4—5日，500 hPa位势高度场上内蒙古河套地区存在一低槽，副高强度偏强、面积偏大，588 dagpm线几乎控制了整个西太平洋副热带地区，脊线位置较常年略偏北；印缅槽偏强，越赤道气流异常强盛，其流经孟加拉湾、印度半岛与副高外围水汽汇合后共同影响内蒙古中西部地区，内蒙河套地区水汽输送辐合异常增强(图7)，易产生强降水。

图7 1998年7月4—5日500 hPa位势高度(等值线，单位：dagpm)及850 hPa风(风矢，单位：m·s-1)(a)，地面至300 hPa水汽通量垂直积分距平(矢量，单位：kg·m-1·s-1)及负的水汽通量散度距平(阴影，单位：10-5 kg·m-2·s-1)(b)Fig.7 The 500 hPa geopotential height (isoline, Unit: dagpm) and 850 hPa wind (wind vector, Unit: m·s-1) (a), anomaly of vertical integral of water vapor flux calculated from surface to 300 hPa (vector, Unit: kg·m-1·s-1) and negative water vapor flux divergence anomaly (shaded, Unit: 10-5 kg·m-2·s-1) (b) from 4 to 5 July 1998

图8为两次过程107.5°E—112.5°E范围平均经向环流距平和垂直速度距平剖面。可以看出，两次过程内蒙古河套地区均处于上升运动区域，但1998年7月4—5日过程上升运动更为强盛，这是由于该次内蒙河套地区南北两侧存在两个对称的经向环流圈，这两个环流圈的异常上升气流在河套地区叠加，使得内蒙河套上升运动异常加强。综上所述，异常上升运动是导致两次强降雨过程的直接原因。

图8 2012年7月25—28日(a)和1998年7月4—5日(b)107.5°E—112.5°E范围平均经向环流距平(流线，单位：m·s-1)和垂直速度距平剖面(阴影，单位：10-2 Pa·s-1)(两条直线之间为河套上空)Fig.8 The average meridional circulation anomaly (stream, Unit: m·s-1) and vertical velocity anomaly profile (shaded, Unit: 10-2 Pa·s -1) in the range of 107.5°E to 112.5°E from 25 to 28 July 2012 (a) and from 4 to 5 July 1998 (b)(the area between the two lines above Hetao)

综上所述，500 hPa位势高度场上贝加尔湖或其西南侧存在一低槽，河套地区受槽前西南气流影响；越赤道气流以及印缅槽偏强使得西南水汽能够输送到更北的地区；副高偏西、脊线偏北，其西侧偏东南的水汽沿副高外围北上输送至内蒙河套地区，两个不同方向的水汽均可以影响内蒙河套地区的水汽条件；内蒙河套地区上空异常强盛的上升气流是导致强降雨的直接原因。

3 结 论

(1)1961—2018年内蒙古河套地区平均年降水量自东南向西北递减，降水主要集中在4—10月，其中7—8月降水最丰沛。8月降水量显著减少，5、6和12月显著增加。

(2)极端降水阈值呈东南高西北低空间分布，鄂尔多斯市乌审召降水量历史极值最大，巴彦淖尔市海力素最小。内蒙古河套地区大部极端降水事件频次在5 次以上，其中伊克乌素最多，为14 次。极端降水事件强度空间分布与极端降水阈值分布相似，呈东南强西北弱特点。

(3)极端降水事件出现在4—9月，其中7—8月最多，平均强度8月最强，其次为7月。1979年之前，极端降水事件仅出现在7—8月，之后，极端降水事件最早在4月出现，9月极端降水事件显著增加，气候倾向率为5.9 站次·(10 a)-1，极端降水事件强度也显著增强，气候倾向率为3 mm·站次-1·(10 a)-1。

(4)极端降水过程多出现在7—8月，影响范围均较广、降水量级大，年平均极端降水过程强度减弱趋势显著，过程降水大值区多集中在土默特左旗、伊金霍洛旗和呼和浩特市区。

(5)内蒙古河套地区极端降水过程多受槽前西南气流影响，此外，越赤道气流以及印缅槽偏强，副高西伸脊点偏西、脊线位置偏北均可为其提供来自不同方向的充足水汽，加之河套地区异常强盛的上升气流，易发生强降水事件。