内蒙古秋季降水量分区及区域变化特征分析

包福祥

内蒙古横跨中国东北、华北、西北三大地区，地域狭长。内蒙古秋季降水量少而且分布不匀，随着全球气候变化异常现象频繁，内蒙古秋季降水也受到不同程度的影响。秋季降水异常特征对内蒙古马铃薯、玉米、大豆等一些主要农作物的成熟、收割及晾晒等产生影响。中国西北地区秋季降水日数在这1971～2010年间的变化趋势更为显著，降水量及降水日数整体呈现出增加的趋势[1]。1961～2010年中国降水呈现减少趋势，且存在区域差异，降水量减少幅度最大的是黄淮地区[2]。内蒙古夏季全区性异常多和异常少雨年主要集中出现在上世纪60年代和90年代以后，1961～2012年内蒙古全区少雨的站数百分率有显著的增加变化趋势[3]。

本文采用客观方法对内蒙古秋季降水变化进行分区，并分区域分析各区域降水量变化特征及气候突变特征。

1 资料与方法

本文分析的秋季降水资料选用内蒙古101个国家级地面气象站1961～2017年秋季降水观测资料。使用的经验正交函数 （EOF）、旋转经验正交函数（REOF）分解、相关分析、线性倾向估计、滑动平均、Mann-Kendall检验及滑动T检验等方法都是气候统计诊断中应用较为普遍的方法。

2 结果与分析

2.1 用REOF方法对内蒙古秋季降水进行分区

在进行REOF分解之前，首先判断旋转经验正交函数的个数。对内蒙古秋季降水量标准化场进行EOF分解，得到前三个特征向量的累计方差贡献达61.4%，第四特征向量的方差贡献仅为4.6%，初步确定选取前3个正交函数作为旋转经验正交函数 （表1）。通过特征值对数曲线变化得到，在第三个特征值之后的直线斜率明显变小。用North特征值误差范围判断，取第五特征值时与第六特征值之差（18.8）小于North特征值误差范围（35.1），根据该方法判断，从第五个特征开始经验正交函数已无有价值的信号。综合上述三种方法选取前3个经验正交函数进行REOF分解。结果表明，第1旋转载荷向量的高值区位于河套地区，等值线向东北逐渐减小的空间分布，全区域具有较好的一致性特征（图1a）；第2旋转载荷向量表现出“+-+”的分布特征，高值区位于赤峰市和通辽市（图1b）；第3旋转载荷向量表现出东西相反的分布特征，高值区位于呼伦贝尔市地区（图1c）。选取载荷绝对值≥0.45作为区划标准进行分区，同时结合历年秋季降水分布特征，确定分区的边界位置，将1961～2017年内蒙古秋季降水自西向东分成中西部、东南部和东北部3个区域，分区结果见图1d（下文为叙述方便把3个区域分别称为1、2、3区）。

表1 内蒙古秋季降水标准化场EOF分解前四个特征向量的方差贡献和累计方差贡献

图1 内蒙古秋季降水REOF的第一、二、三特征量分布图（a-c）及内蒙古秋季降水分区图（d）

图2 1961～2017年3个区域秋季降水量距平11年滑动平均曲线

图31961 ～2017年1区秋季降水量Mann-Kendall检验

2.2 各区域降水量变化特征分析

2.2.1 各区域间降水相关性分析。为了解3个区域降水变化特征的相似性，按1961～1990年、1971～2000年、1981～2010年和1988～2017年4个时段分别分析各区域平均降水量的相关性特征，分析发现，1961～1990年、1971～2000年和 1981～2010年 3个时段各区域降水量相关系数均未通过0.1的显著性水平检验，说明在这3个时段内各区域的秋季降水量年际变化不存在显著的相关性特征；1988～2017年1区与3区降水量相关系数为0.048，未通过0.1的显著性水平检验，而1区与2区、2区与3区降水量的相关系数分别为0.446和0.431，均大于0.349，通过0.05的显著性水平检验，说明在1988～2017年1区与2区、2区与3区秋季降水量年际变化存在显著的相关性（表2）。

表2 4个时段3个区域平均降水量相关分析结果

2.2.2 各区域秋季降水趋势变化特征。利用线性倾向估计、相关分析和滑动平均方法分析了1961～2017年各区域降水量变化特征。分析得到，1～3区秋季降水量变化的气候倾向率分别为 3.15、1.30、1.46mm·10a-1，相关系数分别为0.234、0.087、0.103。1区秋季降水量线性增多的趋势较2、3区显著。1961～2017年内蒙古秋季降水量距平11年滑动平均曲线表明，2区与3区的降水量趋势变化较为相似，而1区与2、3区变化特征差异较大。1区秋季降水量在60年代至70年代初有增加的趋势，70年代初至80年代末呈现明显减少的趋势，80年代末至21世纪10年代为增加的趋势；2、3区降水量在60年代至70年代初有增加的趋势，70年代初至80年代初略有减少趋势，80年代初至90年代初有较为明显增加趋势，90年代至21世纪初期有减少的趋势之后开始增加（图2）。

2.2.3 气候突变特征分析。为进一步分析各区域秋季降水量的突变特征，采用Mann-Kendall法对各区域降水量序列进行突变检验。结果显示，1区降水量在20世纪70年初至21世纪初有显著的减少趋势 （图3，虚直线表示0.05显著性水平检验值±1.96）；3区降水量在20世纪60年代至70年代初有显著的增加趋势，在21世纪初减少的趋势较为显著（图4）。

利用滑动T检验法对各区域1961～2017年降水量序列进行突变检验。结果显示：1区降水没有通过显著性水平的突变点；2区降水量5年滑动和6年滑动T检验均在1967年前后有一次显著的由少转多过程 （图5）；3区降水量12年滑动在1995年前后有一次显著的由多转少过程（图6）。

图4 1961～2017年3区秋季降水量Mann-Kendall检验

图5 1961～2017年2区秋季降水量5年滑动和6年滑动T检验

图6 1961～2017年3区秋季降水量12年滑动和16年滑动T检验

利用1961～2017年平均值计算1区秋季降水量序列的累计距平曲线，结果表明，在1978～2006年曲线呈下降的趋势，2006年以后呈上升趋势 （图7），2006年是曲线的拐点，表明1区秋季降水量在2006年以后开始由少转多。

综合以上3种气候突变检验方法对内蒙古3个区域秋季量的检验结果表明，内蒙古秋季降水没有明显的突变现象；中西部降水在1978～2006年呈减少的趋势，2006年以后呈增多的趋势；东部地区在20世纪60年代至70年代初有显著的增加趋势；东部偏南地区在1967年前后有一次显著的由少转多过程；东部偏北地区在1995年前后有一次显著的由多转少过程，从1999年前后至2008年前后呈显著减少的趋势。

图7 1961～2017年内蒙古1区秋季降水量累计距平曲线

2.3 结论

2.3.1 利用REOF分解结果，结合历年秋季降水分布特征，将1961～2017年内蒙古秋季降水分成中西部、东南部和东北部3个区域。

2.3.2 分析了 1961～1990 年、1971～2000 年、1981～2010年和1988～2017年4个时段内3区域降水相关性，只有1区与2区、2区与3区在1988～2017年秋季降水的相关系数通过0.05的显著性水平检验。

2.3.3 3个区域的秋季降水变化趋势差异较大，各区域降水量的突变特征也不一致。内蒙古秋季降水没有明显的突变现象，各区域均有显著的降水趋势转折过程。