赵水霞，周泉成，王文君，吴英杰

（1.中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓草原生态水文野外科学观测研究站，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院 牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020）

1 研究背景

全球气候变化背景下，频发的干旱和洪涝事件对农牧业生产、生态环境、社会经济发展等产生了诸多不利影响，内蒙古地区作为我国北方重要的生态安全屏障及国家重要的森林和畜牧业生产基地，受气候变化及研究区独特的干旱半干旱区气候、脆弱的生态系统及匮乏的水资源量等本底特征影响，成为我国北方气候变化的显著影响区和异常敏感区。为有效缓减区域旱涝灾害损失，保障内蒙古北方重要生态安全防线作用，研究气候变化下内蒙古地区干湿分布格局及其演变规律对区域科学防旱减灾及生态环境保护具有重要意义[1-4]。

降水是影响旱涝发生的最直接指标，为避免降水因区域异质性及时空分布不均等影响而造成等级差异，气象上常使用对降水进行正态标准化处理后得到的标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）进行旱涝评估，其在多时间尺度和地域尺度上具有可比性[5-7]。月尺度SPI指数能反映区域短期干湿事件及转化规律，而年和季节尺度SPI指数在反映干湿周期特征上具有优势[8]。Spinoni等[9]采用SPI-12对1951—2010年全球干旱频率、持续时间及干旱程度等进行研究，发现SPI指数作为气象干旱指数之一，具有基础数据易获取、稳定性较好等特征，适用于反映干旱地区旱情及气候的干湿演化特征[10-13]。

1960—2014年，我国北方地区气候呈变干趋势，夏季和秋季干旱化趋势明显，而春季和冬季呈一定湿润化[14]。同一研究区不同时间尺度、不同干旱指数揭示的干旱演化趋势及干湿分布格局存在一定差异，张存厚等[15]基于改进的Selianinov干燥度得出，1971—2000年内蒙古西部荒漠区和东部大兴安岭林区气候变化呈干湿交替型，而中东北地区的半湿润和半干旱分界线区呈持续变干型；道日娜等[16]基于生态分区的1980—2015年内蒙古干旱特征则呈现东部草原区和森林区年际干旱化趋势增加，而荒漠区略有减少特征。李虹雨[17]、那音太[18]等采用SPI指数揭示了内蒙古1951—2014年中部干旱化趋势速率较西东部快，干旱强度呈中东部增加，西部减小，干旱影响范围呈中西部全域性和东部区域性干旱的特征。郭晓萌等[19]采用SPEI指数得出1961—2016年内蒙古地区干旱趋势显著，春夏秋季干旱影响范围较广；曲学斌等[20]基于MCI气象干旱指数得出1962—2017年内蒙古旱涝变化剧烈，春季干旱强度有减弱趋势，而秋季呈增强趋势。综上所述可以看出，多时间尺度气象干旱指数揭示的干旱特征及其对气候变化的响应随时间在不断变化，针对内蒙古地区干旱的区域性差异研究已积累了一定基础，而气候变化驱动下内蒙古气候的干湿变化规律及其周期特征仍鲜有报道。基于此，本文旨在探究1970—2020年内蒙古地区气候的干湿格局及气象干旱的演化规律，以期为北方地区防洪抗旱减灾及生态环境保护提供技术支撑。

2 研究区概况

内蒙古位于我国北部边境，东亚中纬度内陆（37°24′N—53°23′N，97°12′E—126°04′E），是我国北方重要的生态安全屏障。研究区地处温带大陆性季风气候区，从东向西由湿润和半湿润地区逐渐过渡到半干旱和干旱地区，年降水量在50～450 mm之间，自东向西逐渐递减，6—8月降水量占全年降水量的70%以上；年均蒸发量地带性明显，从东向西和从南向北均有逐步升高趋势，最低值出现在大兴安岭森林区东部，不足1200 mm，大部分地区蒸发量在1200 mm以上[21-22]。内蒙古地区地形地貌复杂，以沙漠、沙地、高原和山地为主，平均海拔在1000 m左右，北部为内蒙古高原，东南部为西辽河平原，南部为鄂尔多斯高原，西南部有腾格里沙漠和毛乌素沙地。森林生态系统主要集中在大兴安岭东北部，地跨呼伦贝尔市和兴安盟市9个旗县，布设国家野外气象监测站5个；中部以草原生态系统为主，涵盖呼伦贝尔草甸草原、锡林郭勒典型草原和西部荒漠草原等多种草原类型；西部阿拉善高原以裸地为主，生物多样性差，共辐射7个气象监测站，如图1所示。受特殊的地理位置、地形地貌和气候条件等影响，区域干旱程度严重，生态环境脆弱且草地退化、水土流失等问题频发。

图1 内蒙古自治区生态功能区划DEM高程及气象站点分布

3 数据源与研究方法

3.1 数据来源本研究使用的内蒙古地区1970—2020年45个气象站月尺度降水量地面调查数据来源于中国气象数据共享服务系统（http：//data.cma.cn/）。

3.2 研究方法

3.2.1 标准化降水指数 通过建立月尺度降水量数据的正态分布模型，计算降水Γ分布概率后经标准化处理得到的SPI指数，最终用标准化降水累积频率分布划分气象干旱等级，如表1所示[23-24]。按照《气象干旱等级GB/T 20481—2017》，基于Γ拟合函数的SPI计算公式如下：

表1 标准化降水指数干旱等级分类标准

G（x）采用降水量Γ分布函数概率密度积分公式计算：

式中：γ、β分别为Γ分布函数的形状和尺度参数，用极大似然法估计。

对研究区45个气象站点1个月、3个月、6个月、12个月尺度的SPI值进行计算，结果分别记为SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12。

3.2.2 小波分析 小波分析可以判别时间序列中所包含多时间尺度周期性的大小及这些周期在时域中的分布，同时给出时间序列变化的振幅和位相信息，能清晰揭示隐藏在时间序列中的多种周期变化，其基本思想是用一簇小波函数来表示或逼近某一信号，Morlet小波具有良好的时、频域局部性，可展现时间序列的精细结构[25]。小波函数φ（t）是小波分析的关键，是指具有震荡特性且能够迅速衰减到0的一类函数，定义为：

式中φ（t）为基小波函数，可通过尺度的伸缩和时间轴上的平移构成一簇小波函数系。

本文采用Morlet小波分析对内蒙古地区SPI指数的多时间尺度变化和周期变化特征进行探讨。

3.2.3 干旱强度及干旱影响范围 干旱强度用于评价干旱的严重程度，单站某一时段的干旱强度可由SPI指数反映，干旱影响范围采用某一区域内干旱站数占全部站数的比例进行判定，计算公式如下：

式中：i代表不同站点代号，j代表不同年份，m为j年发生干旱站数，SPIi为发生干旱i站的SPI指数值，M代表研究区气象站点总数，mj为第j年发生干旱站数。由旱涝等级可知：当干旱强度Sj＜0.5时，区域为干旱强度不明显，0.5≤Sj＜1为轻度干旱，1≤Sj＜1.5为中度干旱，Sj≥1.5为重度干旱；当Pj≥50%时，研究区有超过一半以上站点发生干旱，为全域性干旱，33%≤Pj＜50%为区域性干旱，25%≤Pj＜33%为部分区域干旱，10%≤Pj＜25%为局域性干旱，当Pj＜10%时，为无明显干旱发生。

4 结果与分析

4.1 基于SPI指数的内蒙古地区干湿特征

4.1.1 年际尺度气候干湿变化特征 SPI指数时间尺度越小，区域干湿变化特征越显著；尺度越大，季节和年际旱涝交替过程越直观。对1970—2020年内蒙古全区及各生态功能区气象站点年际SPI-12指数进行均值化处理，如图2所示。年际变化倾斜率大于0说明SPI指数呈上升趋势，旱情趋于缓减，倾斜率值越大，气候湿润化趋势越显著；反之亦然。图2可以看出，全区SPI指数线性变化倾斜率为-0.011·（10 a）-1，气候趋于不显著干旱化，除东部林区和西部荒漠区旱情略有缓减外，其它功能区不同程度干旱趋势明显；不同草原类型SPI指数年际变化倾斜率呈现典型草原区＞草甸草原区＞荒漠草原区的特征。

图2 1970—2020年内蒙古不同生态功能区SPI指数年际变化

以年代际为例，内蒙古地区气候干湿变化呈现以下特征：1970年代，东部林区干旱频发，但全区整体呈一定湿润化趋势；1980年代，内蒙古干湿气候交替，以中部典型草原区、中西部荒漠草原区和西部荒漠区轻旱为主；1990年代气候整体偏湿润，不同生态功能区旱情较1980年代均有一定缓减；进入2000年代后，SPI指数急剧下降，显著低于干旱临界值水平-0.5，干旱气候频发，且主要集中在2000—2011年。整体而言，1970—2020年，内蒙古旱情整体呈现东部林区、西部荒漠区逐渐缓减，而中部草原区加重特点，与内蒙古历史旱情统计数据、自然灾害年鉴等结果存在共性[26-27]，有效验证了SPI指数用于反映内蒙古地区旱情的可行性。

4.1.2 年际尺度干旱频率、干旱强度及影响范围 从干旱频率、干旱影响范围及干旱作用强度三个方面对内蒙古气候的干湿特征进行分析。如图3所示为1970—2020年内蒙古干旱发生频率空间分布可以看出，全区干旱频率在21.15%～44.23%之间，东部林区和西部荒漠区干旱频率范围分别为30.77%～34.62%和21.15%～40.38%；中部草原区草甸草原、典型草原和荒漠草原的干旱频率分别为26.92%～40.38%、26.92%～44.23%和28.85%～36.54%。典型草原区东北部新巴尔虎左旗、中部锡林浩特、东南部巴林左旗及宝国图等区域为干旱频发区，干旱频率大于40%。

图3 1970—2020年内蒙古地区干旱频率空间分布

图4为1970—2020年内蒙古地区干旱站次比及干旱强度曲线，两者线性变化倾斜率均呈一定上升趋势。近51年来，内蒙古主要以全域性干旱和局域性干旱为主，全域性干旱共发生15年，2000年代的前10年居多，区域性干旱有7年，集中在1980年代，部分区域干旱7年，局域性干旱13年，无明显干旱年份9年，分别为1970、1978、1985、1991、1996、1998、2013、2019、2020年。干旱强度以轻中旱为主，轻旱、中旱、重旱及特旱频率分别为14.68%、9.27%、5.16%和4.06%，重旱发生年份6年，分别在1987、2000、2001、2006、2007和2017年。

图4 1970—2020年内蒙古地区干旱站次比及干旱强度

采用上述方法，对不同生态功能区干旱频率、干旱站次比及干旱强度分别进行探究，发现典型草原区干旱频率、干旱站次比及干旱强度均显著高于其他生态功能区，荒漠草原区干旱发生频率最低，但其干旱站次比和干旱强度明显高于荒漠区，不同下垫面条件，林区的干旱强度最弱。

4.1.3 季节尺度气候干湿变化特征 内蒙古植被返青期一般在4月26日—5月23日之间[28]，因此，春季发生干旱会直接影响植被返青期早晚，而夏季和秋季干旱对植被生长季盖度、高度及生产力等影响较大。图5为SPI指数季节性变化特征，可以看出，夏季气候整体趋于干旱化，其线性变化倾斜率显著高于年际SPI指数下降水平，达到-0.047·（10 a）-1；冬季湿润化趋势显著，春季和秋季相对次之。不同生态功能区SPI指数季节性变化趋势显示，东部林区、西部荒漠草原区和荒漠区的春旱缓减趋势明显，而草甸草原区和典型草原区分别以秋季和冬季旱情缓减为主。以年代季节性尺度为依据，内蒙古地区1970年代主要以夏旱和冬旱为主，1980—1990年代，春旱较为严重，进入2000年代的前10年，春夏秋连旱频发，且夏旱发生频率显著高于其他季节，2011年以后，旱情有所缓减，个别年份出现夏旱。

图5 1970—2020年内蒙古地区不同季节SPI指数变化趋势

4.2 多尺度SPI指数干湿空间格局图6为1970—2020年内蒙古地区不同时间尺度SPI指数倾斜率变化空间分布，空间插值方法采用反距离权重，变化趋势为负值（橙色）代表SPI指数下降，气候趋于干旱化；正值（蓝色）则表示SPI指数上升，气候趋于正常或湿润化。从图6可以看出，不同时间尺度SPI指数空间变化趋势差异明显，尺度越大，区域干旱影响范围越广，变化趋势越显著。内蒙古大部分地区SPI-1和SPI-3指数变化趋势为负值，最大达到-0.003·（10 a）-1，揭示了短历时时期区域具有一定干旱化风险，且中部锡林郭勒典型草原区和西部阿拉善荒漠区干旱化趋势显著；6个月和12个月时间尺度下，内蒙古干旱范围扩大，干旱化趋势主要集中在中部典型草原区；除个别站点外，内蒙古地区旱情整体呈现西部荒漠区缓解、中部和东南部加重的特点。

图6 1970—2020年内蒙古不同时间尺度SPI指数线性变化趋势空间分布

4.3 内蒙古地区气候干湿演化周期特征采用Morlet连续复小波变换对内蒙古地区1970—2020年年际尺度气候干湿演化周期进行分析。小波系数揭示信号振荡的强弱及干湿的周期变化，系数实部等值线图反映SPI指数在整个时间域中的分布，等值线中心为正，表示内蒙古地区气候偏湿（干旱指数偏高），为负则表示气候偏旱（干旱期）；小波方差则反映SPI时间序列波动能量随年尺度的分布情况，用于确定干湿演化过程中存在的主周期及不同时间尺度SPI指数的未来变化趋势。

图7为内蒙古地区年尺度SPI指数小波系数等值线及小波方差图，可以看出，年尺度SPI指数存在三个周期变化，分别是5～15a、21～30a的短周期和35～60a的长周期，两个短周期存在准8次、3次明显的旱-湿交替过程；长周期尺度上存在2次明显的旱-湿交替过程，整个时间尺度上，1970年代和2000年代的前十年干旱特征显著，分析时段旱湿气候稳定，具有全域性，且湿润周期至2020年仍未闭合。内蒙古地区SPI指数的小波方差图存在3个较明显峰值，依次对应49a、25a和11a的时间尺度，分别为SPI指数的第一、第二和第三主周期，这说明上述3个周期的波动控制着内蒙古地区在整个时间域内的变化特征，综合图7（a）小波分析等值线图，第一主周期时间尺度上，内蒙古目前及未来一定时期将处于正常或偏湿润气候，25a周期尺度上会出现旱湿气候交替过程。

图7 1970—2020年内蒙古年尺度SPI指数小波变化分析

根据小波方差检验结果，绘制内蒙古地区1970—2020年年际干湿变化第一主周期的小波系数图（图8），发现49a特征时间尺度下，SPI指数的平均变化周期为33a左右，大约经历准两个干-湿转换期；在小波变换中，不同时间尺度小波系数过程线的过零点对应突变点，其中，低频尺度更能反映序列实际变化。

图8 1970—2020年内蒙古年尺度SPI指数小波实部过程线

5 结论

（1）1970—2020年，内蒙古地区年际SPI指数下降幅度为-0.011·（10 a）-1，干旱呈不显著增加趋势；夏季干旱化趋势明显，SPI指数下降幅度达到-0.047·（10 a）-1，显著高于年际平均水平，其他季节旱情呈缓减趋势；研究区多年平均干旱频率为21.15%～44.23%，干旱强度以轻中旱为主，干旱影响范围多为全域性干旱和局域性干旱。

内蒙古地区气候的干湿特征具有明显的时空区域性和复杂性，时间尺度上，降水量显著降低是造成干旱发生的主要原因[29-30]，1960—2016年，内蒙古地区降水量最少和最多的年代分别为2000—2009年和1990—1999年[31-32]，降水量大范围减少是2000年代的前10年干旱事件频发的主要原因；1970—2020年，内蒙古地区夏季干旱突出且有不断加重趋势，其干旱突变年份集中在1998—1999年，与年尺度突变年份相当，且与马梓策等[32]得出的1999年为内蒙古地区降水由丰水转为枯水的突变年份一致；张煦庭等[33]采用SPEI指数分析1960—2015年内蒙古地区干旱特征得出，研究区夏季干旱显著加剧，秋季次之，春季和冬季以减轻为主，与本文研究结果基本一致，但在秋季干旱变化趋势上存在一定偏差，主要与时间序列长度差异及SPEI指数考虑蒸散量有关。

（2）不同时间尺度SPI指数空间分布揭示了1970—2020年内蒙古东北部林区、西部荒漠区旱情缓减，而中部草原区干旱化趋势显著的特点；不同草原类型中，典型草原区干旱频率、干旱影响范围和干旱强度显著高于草甸草原区和荒漠草原区。

内蒙古东北部属于大兴安岭森林覆盖区，其温度和湿度条件能较早满足植被返青期需求，相比草场和荒漠区等下垫面条件而言，森林生态系统覆盖率高、发育良好，干旱对其返青的影响相对缓慢和滞后，1998年以后，内蒙古东北部森林区受气温和降水等变化影响，返青期平均每年推迟0.47 d，使得干旱气候极易引发森林火灾及病虫害等次生灾害，但森林区气候相对寒冷，水资源丰富，除降水对其的影响外，温度的变化对植被生长及干旱状况影响也很大[29]。内蒙古东中西部不同下垫面受西风环流及高原季风等影响，对区域干旱化的响应程度不一，1960—2016年研究区年降水量倾斜率自西向东呈增-减-增趋势对干旱的空间分布差异产生影响[32，34]；西部下垫面主要为荒漠和沙漠区，其土壤表层性质对降水和蒸发量变化的影响较小，而中东部农牧交错区受气温增加和降雨减少的气候背景及下垫面土壤含水量变化的影响，干旱化趋势增加[35]。除此之外，内蒙古西部地区干旱程度的减弱，可能与气候趋于湿润和环境保护力度加大等有关，亦可能与厄尔尼诺和太阳黑子等有关[17]。

（3）内蒙古地区干湿气候交替呈现，49a第一主周期时间尺度上，内蒙古共经历了准两次干湿交替气候，截止2020年气候暖湿化过程仍未结束，11a短周期时间尺度与太阳黑子活动周期相吻合。

1970—2020年，内蒙古地区干旱和湿润气候交替呈现，年尺度SPI指数变化存在11a的短周期和49a的长周期，短周期变化与太阳黑子准11a的活动周期相一致，而长周期较22a的黑子磁性倒转周期偏大[20]，说明SPI指数随降水的变化过程除与太阳黑子活动有关外，还受其他因素的制约，且内蒙古地区长周期尺度上具有增湿化趋势。

标准化降水SPI指数主要反映区域由降水变化引起的气象干旱，其虽能在一定程度上揭示气候的干湿特征，但气象干旱不一定会导致灾情发生。受内蒙古地区气候状况时空分布不均的影响，使用单一气象干旱指数往往难以对干旱演化特征形成完整认识，未来想要实现旱涝灾害的精准化监测与防御，还需结合农业干旱、水文干旱和社会经济干旱等指标，对内蒙古不同下垫面条件干旱特征进行针对性分析。