尹春艷，趙 舉，戚迎龍，李 彬，張 宇，劉 虎，劉曉宇

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

干旱是指水分的收支或供求不平衡而形成的水分短缺現(xiàn)象，是影響作物生長的重要原因之一。近年來干旱不斷頻繁出現(xiàn)、持續(xù)時間延長、影響范圍不斷擴大，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源及生態(tài)環(huán)境管理均有重要的影響。因此，對干旱問題的研究已經(jīng)成為氣候變化領(lǐng)域的熱點問題[1]。

干燥度指數(shù)（AI）是表征一個地區(qū)干濕程度的指標(biāo)，用某一地區(qū)水分收支和熱量平衡來表示，能較客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況[2]。目前，干燥度指數(shù)已成為全球氣候變化研究中的重要氣候指標(biāo)之一，在氣候區(qū)劃、氣候變化和干旱化等研究中得到了廣泛應(yīng)用[3]。自1900年以來，中外學(xué)者陸續(xù)提出了多種干燥度的計算方法；國內(nèi)關(guān)于干燥度指數(shù)的計算上，應(yīng)用潛在蒸散量和降水量之比的較多[4]。

從研究成果來看，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于干燥度指數(shù)的研究主要集中在兩個方面，干燥度指數(shù)時空分布特征及其變化規(guī)律[5]和時間尺度及其影響因素[5-9]。韓芳等[10]利用50年的氣象數(shù)據(jù)分析出內(nèi)蒙古荒漠草原50年來平均的干燥度指數(shù)呈條帶狀自東南向西北逐漸遞增；普宗朝等[11]研究表明，新疆年際間干燥度指數(shù)總體表現(xiàn)為南疆大于北疆、東部大于西部、盆（谷）地大于山區(qū)的分布格局。張彥龍等[12]在時間尺度上研究了新疆的干旱變化趨勢，結(jié)果表明，近53年新疆干燥度指數(shù)在波動中呈下降趨勢，傾向率為每10年降低0.05，多年平均值為0.50，氣候有變濕趨勢；萬智巍等[13]探討了鄱陽湖流域氣候干燥度指數(shù)時空分布特征，認為鄱陽湖東北部為澇、偏澇中心分布區(qū)；中西部為旱、偏旱中心分布區(qū)，鄱陽湖區(qū)附近屬于旱澇兼有分布類型。雖然國內(nèi)學(xué)者就干燥度指數(shù)的時空變化、影響因素及其對農(nóng)業(yè)的影響等方面做了諸多研究，但對興安盟干燥度指數(shù)的時空變化特征及其影響因素尚未有定量、深入的研究。本研究基于1973—2018年的氣象數(shù)據(jù)，分析探討興安盟嶺南地區(qū)干燥度指數(shù)的變化特征及受氣候因子的影響，研究揭示干燥度指數(shù)與影響因子關(guān)系，并進行干燥度指數(shù)的變化趨勢分析，對加強區(qū)域干旱的研究和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)收集

興安盟地處大興安嶺向松嫩平原過渡帶，屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候，四季分明。無霜期95～145 d，大部分地區(qū)110～130 d。年降水量平均為400～450 mm，日照2 800～3 100 h，中南部地區(qū)10℃以上積溫2 200～3 100℃。從北向南氣溫、積溫、光照、無霜期遞增，而降水量、相對濕度則遞減。

本研究采用興安盟扎賚特旗、烏蘭浩特市、科爾沁右翼中旗、突泉縣4個氣象站1973—2018年逐日氣象資料（日最高溫度、日最低溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)），氣象資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1.2 計算方法

1.2.1 FAO56 Penman-Monteith 方法 ET0潛在蒸散量公式

式中，Rn為冠層表面凈輻射/[MJ/（m2·d）]；G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）]，G=0；T為平均氣溫/℃；Δ為飽和水汽壓溫度曲線的斜率（kPa/℃）；μ2為高度2.0 m 處風(fēng)速（m/s）；es為飽和水汽壓kPa；ea為實際水汽壓/kPa；γ為濕度計常數(shù)（kPa/℃）。

1.2.2 干燥度指數(shù) 干燥度指數(shù)的計算公式

式中，AI為干燥度指數(shù)；ET0為潛在蒸散量（mm）；P為降水量（mm），來源于站點逐日氣象數(shù)據(jù)。干燥度指數(shù)越大，氣候越干燥；反之，氣候越濕潤。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)干燥度指數(shù)及其影響因子不同時間尺度動態(tài)變化趨勢分析

2.1.1 干燥度指數(shù)年尺度變化趨勢分析 將4個站點歷年干燥度指數(shù)值平均，得到研究區(qū)近46年內(nèi)干燥度指數(shù)，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，整體上看，興安盟嶺南地區(qū)干燥度指數(shù)在1.80～7.02，多年平均值為3.50；最大值出現(xiàn)在2004年，為7.02，次大值出現(xiàn)在2001年，為5.69；最小值出現(xiàn)在1998年，為1.80，次小值出現(xiàn)在1991年，為1.97。1973—1982年距平值正負交替變化，1983—1995年負值偏多，只有3年的距平值為正值，1995—2011年正值偏多，只有5年的距平值為負值，2011—2018年負值偏多，只有1年的距平值為正值，整個研究期間呈上升趨勢，氣候傾向率為每10年增加0.10（P＜0.01）。綜上所述，興安盟嶺南地區(qū)1973—2018年有整體變干的趨勢。

2.1.2 多年平均氣候因子的變化分析 調(diào)查4個站點歷年日最高溫度、日最低溫度、降水量、日照時數(shù)、平均相對濕度和平均風(fēng)速值，計算得到整個研究區(qū)年值，結(jié)果見圖2。興安盟嶺南地區(qū)日最高溫度和日最低溫度見圖2a 和圖2b，氣候傾向率分別為每10年增加0.20、0.57℃，均呈極顯著上升趨勢（P＜0.01）；平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)見圖2c、圖2d 和圖2e，氣候傾向率分別為每10年增加1.15%、0.18（m/s）、45.3 h，均呈極顯著下降趨勢（P＜0.01）；降水量（圖2f）氣候傾向率為每10年增加0.83 mm，變化趨勢則不顯著。

2.2 干燥度指數(shù)逐步回歸分析

2.2.1 相關(guān)分析 計算5個氣候因子與干燥度指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，得相關(guān)系數(shù)矩陣（表1）。日最高溫度和干燥度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)（r=0.424），表明溫度越高，氣候越干燥；平均相對濕度和降水量與干燥度指數(shù)呈極顯著負相關(guān)（r=-0.727，r=-0.881），表明空氣濕度越大，降水越多，干燥度指數(shù)越小，氣候越濕潤；日照時數(shù)和干燥度指數(shù)呈正顯著相關(guān)（r=0.340），表明日照時間越長，氣候越容易干燥；日最低溫度、平均風(fēng)速均呈現(xiàn)不顯著相關(guān)性。

2.2.2 偏相關(guān)分析 偏相關(guān)分析又稱凈相關(guān)分析，是排除其他自變量影響后，某一自變量與因變量的相關(guān)。本試驗中，通過逐步回歸分析，選出了日最低溫度（x2）、平均相對濕度（x3）、平均風(fēng)速（x4）和降水量（x6）是與干燥度指數(shù)（y）偏相關(guān)，t 測驗值、顯著水平見表2。相關(guān)分析中，平均相對濕度和降水量與干燥度指數(shù)呈極顯著負相關(guān)，而偏相關(guān)分析中，其他因素一定時，平均相對濕度、平均風(fēng)速和降水量與干燥度指數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)均為極顯著（P＜0.01）。

為了消除各氣候因子相互促進、相互制約的關(guān)系而造成的混淆，明確各氣候因子對干燥度指數(shù)線性效應(yīng)的顯著性，準(zhǔn)確地描述干燥度指數(shù)對于氣候因子的依賴關(guān)系，經(jīng)過2次剔除，每次淘汰一個偏回歸平方和最小且未達極顯著水平的自變量，建立了干燥度指數(shù)的最優(yōu)線性回歸方程為

表1 氣候因子與干燥度指數(shù)的相關(guān)性

表2 氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)

多元相關(guān)系數(shù)r=0.929 0**，多元決定系數(shù)R2=0.863 1，F(xiàn)=64.630 0**。這說明x2、x3、x4、x6與y 之間存在極顯著的線性回歸關(guān)系，且x2、x3、x4、x6與y的偏回歸系數(shù)也均達到了極顯著。多元決定系數(shù)R2=0.863 1，表明干燥度指數(shù)的86.31%是由x2、x3、x4、x6等4個氣候因子決定的，剩余因素（誤差和其他影響干燥度指數(shù)的因素） 對干燥度指數(shù)的影響僅為13.69%，因此，可以用該回歸方程預(yù)測干燥度指數(shù)。

2.2.3 通徑分析及各項氣候因子對干燥度指數(shù)的貢獻率分析 相關(guān)分析僅是簡單測定了兩個氣候因子的相互關(guān)系，而不能了解其中的相關(guān)原因和效應(yīng)大小。通徑分析可將相關(guān)系數(shù)剖解為直接作用和間接作用各組成部分，并可估量各分量對總決定度的相對貢獻。

各氣候因子對干燥度指數(shù)構(gòu)成因素的通徑分析的結(jié)果見表3。由表3可知，日最低溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)速和降水量決定了干燥度指數(shù)變異的86.31%。日最低溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)速和降水量構(gòu)成因素的直接通徑系數(shù)絕對值的大小依次為降水量＞平均相對濕度＞平均風(fēng)速＞日最低溫度。

在各間接通徑系數(shù)中，平均相對濕度通過日最低氣溫對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.083 6），通過平均風(fēng)速對干燥度指數(shù)有正向效應(yīng)（0.034 6），通過降水量對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.418 4）；日最低溫度通過平均相對濕度對干燥度指數(shù)有正向效應(yīng)（0.108 5），通過平均風(fēng)速對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.129 1），通過降水量對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.081 6）；平均風(fēng)速通過日最低溫度對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.120 4），通過平均相對濕度對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.041 9），通過降水量對干燥度指數(shù)有正向效應(yīng)（0.208 1）；降水量通過日最低溫度對干燥度指數(shù)有正向效應(yīng)（0.024 0），通過平均相對濕度對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.159 6），通過平均風(fēng)速對干燥度指數(shù)有負向效應(yīng)（0.065 6）。綜上可以得出，雖然日最低溫度對干燥度指數(shù)沒有達到極顯著影響，但是因素之間仍存在相互協(xié)調(diào)的作用。

由表3可知，不同的氣候因子對干燥度指數(shù)的貢獻率也不一樣。日最低溫度對干燥度指數(shù)變化的貢獻率為20.75%，為正貢獻，表明興安盟嶺南地區(qū)最低溫度的降低促使干燥度指數(shù)減少；平均相對濕度對干燥度指數(shù)變化的貢獻率為9.43%；在所有氣候因子中平均風(fēng)速對干燥度指數(shù)變化的貢獻率最大為68.87%，表明在興安盟嶺南地區(qū)，平均風(fēng)速對年干燥度指數(shù)變化影響最大，平均風(fēng)速增大干燥度指數(shù)增大。

表3 通徑系數(shù)及干燥度指數(shù)貢獻率

綜上所述，對干燥度指數(shù)實際變化貢獻最大的氣候因子是平均風(fēng)速，這與董旭光等[14]的研究結(jié)論一致，在一定程度上削弱了平均風(fēng)速對干燥度指數(shù)實際變化的貢獻；干燥度指數(shù)實際變化貢獻最大的是平均風(fēng)速，日最低溫度次之。

3 討論與結(jié)論

由于研究時間段不同，興安盟嶺南地區(qū)干燥度指數(shù)變化對氣候因子的響應(yīng)程度存在差異。已有研究表明，內(nèi)蒙古荒漠草原20 世紀(jì)70年代屬于相對濕潤期，21 世紀(jì)初干旱程度明顯加大[10]，本研究基于最新年代氣象數(shù)據(jù)計算氣象傾向率得出，興安盟嶺南地區(qū)干燥度指數(shù)變化對平均相對濕度傾向程度最高。雖然傾向率可以反映干燥度指數(shù)對氣候因子變化的傾向程度，但是不能衡量單個氣候因子對干燥度指數(shù)變化的實際貢獻，即定量的評價各氣候因子對干燥度指數(shù)的影響。本研究通過計算氣候因子對干燥度指數(shù)年變化的貢獻量，得到日最低溫度和平均風(fēng)速對興安盟嶺南地區(qū)干燥度指數(shù)變化具有正貢獻作用，平均相對濕度和降水量對干燥度指數(shù)變化具有負貢獻作用；平均風(fēng)速是變化的主導(dǎo)因子，其次是日最低溫度。通過對干燥度指數(shù)相關(guān)分析，相關(guān)性最顯著的因子為降水量和平均相對濕度（相關(guān)系數(shù)在0.7 以上）。

本研究利用1973—2018年興安盟嶺南地區(qū)4個氣象站點的主要氣象數(shù)據(jù)，采用 FAO56 Penman-Monteith 公式計算潛在蒸散量，基于蒸散量計算干燥度指數(shù)，通過對干燥度指數(shù)年際時間尺度分析及相關(guān)分析、逐步回歸分析、通徑分析，得出以下結(jié)論：

一是興安盟嶺南地區(qū)干燥度指數(shù)在1.80～7.02，多年平均值為3.50；最大值出現(xiàn)在2004年，為7.02，次大值出現(xiàn)在2001年，為5.69；最小值出現(xiàn)在1998年，為1.80，次小值出現(xiàn)在1991年，為1.97。通過距平分析，干燥度指數(shù)整個研究期間呈上升趨勢，氣候傾向率為每10年0.10（P＜0.01），氣候呈變干趨勢。

二是在各氣候因子對干燥度指數(shù)的逐步回歸分析中，日最低溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)速和降水量構(gòu)成因素的直接通徑系數(shù)絕對值的大小依次為降水量＞平均相對濕度＞平均風(fēng)速＞日最低溫度，應(yīng)用回歸方程估測干燥度指數(shù)可靠程度總貢獻率達到了86.31%；干燥度指數(shù)對平均風(fēng)速最敏感；平均風(fēng)速是引起興安盟干燥度指數(shù)變化最主要的氣候因子。