兴安盟岭南地区干燥度指数变化特征及影响因素研究

尹春艳，赵 举，戚迎龙，李 彬，张 宇，刘 虎，刘晓宇

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 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现象，是影响作物生长的重要原因之一。近年来干旱不断频繁出现、持续时间延长、影响范围不断扩大，对农业生产、水资源及生态环境管理均有重要的影响。因此，对干旱问题的研究已经成为气候变化领域的热点问题[1]。

干燥度指数（AI）是表征一个地区干湿程度的指标，用某一地区水分收支和热量平衡来表示，能较客观地反映某一地区的水热平衡状况[2]。目前，干燥度指数已成为全球气候变化研究中的重要气候指标之一，在气候区划、气候变化和干旱化等研究中得到了广泛应用[3]。自1900年以来，中外学者陆续提出了多种干燥度的计算方法；国内关于干燥度指数的计算上，应用潜在蒸散量和降水量之比的较多[4]。

从研究成果来看，国内学者关于干燥度指数的研究主要集中在两个方面，干燥度指数时空分布特征及其变化规律[5]和时间尺度及其影响因素[5-9]。韩芳等[10]利用50年的气象数据分析出内蒙古荒漠草原50年来平均的干燥度指数呈条带状自东南向西北逐渐递增；普宗朝等[11]研究表明，新疆年际间干燥度指数总体表现为南疆大于北疆、东部大于西部、盆（谷）地大于山区的分布格局。张彦龙等[12]在时间尺度上研究了新疆的干旱变化趋势，结果表明，近53年新疆干燥度指数在波动中呈下降趋势，倾向率为每10年降低0.05，多年平均值为0.50，气候有变湿趋势；万智巍等[13]探讨了鄱阳湖流域气候干燥度指数时空分布特征，认为鄱阳湖东北部为涝、偏涝中心分布区；中西部为旱、偏旱中心分布区，鄱阳湖区附近属于旱涝兼有分布类型。虽然国内学者就干燥度指数的时空变化、影响因素及其对农业的影响等方面做了诸多研究，但对兴安盟干燥度指数的时空变化特征及其影响因素尚未有定量、深入的研究。本研究基于1973—2018年的气象数据，分析探讨兴安盟岭南地区干燥度指数的变化特征及受气候因子的影响，研究揭示干燥度指数与影响因子关系，并进行干燥度指数的变化趋势分析，对加强区域干旱的研究和指导农业生产具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 区域概况与数据收集

兴安盟地处大兴安岭向松嫩平原过渡带，属温带半干旱季风气候，四季分明。无霜期95～145 d，大部分地区110～130 d。年降水量平均为400～450 mm，日照2 800～3 100 h，中南部地区10℃以上积温2 200～3 100℃。从北向南气温、积温、光照、无霜期递增，而降水量、相对湿度则递减。

本研究采用兴安盟扎赉特旗、乌兰浩特市、科尔沁右翼中旗、突泉县4个气象站1973—2018年逐日气象资料（日最高温度、日最低温度、平均相对湿度、平均风速、日照时数），气象资料来自中国气象数据网。

1.2 计算方法

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

式中，Rn为冠层表面净辐射/[MJ/（m2·d）]；G为土壤热通量[MJ/（m2·d）]，G=0；T为平均气温/℃；Δ为饱和水汽压温度曲线的斜率（kPa/℃）；μ2为高度2.0 m 处风速（m/s）；es为饱和水汽压kPa；ea为实际水汽压/kPa；γ为湿度计常数（kPa/℃）。

1.2.2 干燥度指数 干燥度指数的计算公式

式中，AI为干燥度指数；ET0为潜在蒸散量（mm）；P为降水量（mm），来源于站点逐日气象数据。干燥度指数越大，气候越干燥；反之，气候越湿润。

2 结果与分析

2.1 研究区干燥度指数及其影响因子不同时间尺度动态变化趋势分析

2.1.1 干燥度指数年尺度变化趋势分析 将4个站点历年干燥度指数值平均，得到研究区近46年内干燥度指数，结果见图1。

由图1可知，整体上看，兴安盟岭南地区干燥度指数在1.80～7.02，多年平均值为3.50；最大值出现在2004年，为7.02，次大值出现在2001年，为5.69；最小值出现在1998年，为1.80，次小值出现在1991年，为1.97。1973—1982年距平值正负交替变化，1983—1995年负值偏多，只有3年的距平值为正值，1995—2011年正值偏多，只有5年的距平值为负值，2011—2018年负值偏多，只有1年的距平值为正值，整个研究期间呈上升趋势，气候倾向率为每10年增加0.10（P＜0.01）。综上所述，兴安盟岭南地区1973—2018年有整体变干的趋势。

2.1.2 多年平均气候因子的变化分析 调查4个站点历年日最高温度、日最低温度、降水量、日照时数、平均相对湿度和平均风速值，计算得到整个研究区年值，结果见图2。兴安盟岭南地区日最高温度和日最低温度见图2a 和图2b，气候倾向率分别为每10年增加0.20、0.57℃，均呈极显著上升趋势（P＜0.01）；平均相对湿度、平均风速、日照时数见图2c、图2d 和图2e，气候倾向率分别为每10年增加1.15%、0.18（m/s）、45.3 h，均呈极显著下降趋势（P＜0.01）；降水量（图2f）气候倾向率为每10年增加0.83 mm，变化趋势则不显著。

2.2 干燥度指数逐步回归分析

2.2.1 相关分析 计算5个气候因子与干燥度指数的相关系数，得相关系数矩阵（表1）。日最高温度和干燥度指数呈极显著正相关（r=0.424），表明温度越高，气候越干燥；平均相对湿度和降水量与干燥度指数呈极显著负相关（r=-0.727，r=-0.881），表明空气湿度越大，降水越多，干燥度指数越小，气候越湿润；日照时数和干燥度指数呈正显著相关（r=0.340），表明日照时间越长，气候越容易干燥；日最低温度、平均风速均呈现不显著相关性。

2.2.2 偏相关分析 偏相关分析又称净相关分析，是排除其他自变量影响后，某一自变量与因变量的相关。本试验中，通过逐步回归分析，选出了日最低温度（x2）、平均相对湿度（x3）、平均风速（x4）和降水量（x6）是与干燥度指数（y）偏相关，t 测验值、显著水平见表2。相关分析中，平均相对湿度和降水量与干燥度指数呈极显著负相关，而偏相关分析中，其他因素一定时，平均相对湿度、平均风速和降水量与干燥度指数的偏相关系数均为极显著（P＜0.01）。

为了消除各气候因子相互促进、相互制约的关系而造成的混淆，明确各气候因子对干燥度指数线性效应的显著性，准确地描述干燥度指数对于气候因子的依赖关系，经过2次剔除，每次淘汰一个偏回归平方和最小且未达极显著水平的自变量，建立了干燥度指数的最优线性回归方程为

表1 气候因子与干燥度指数的相关性

表2 气候因子的偏相关系数

多元相关系数r=0.929 0**，多元决定系数R2=0.863 1，F=64.630 0**。这说明x2、x3、x4、x6与y 之间存在极显著的线性回归关系，且x2、x3、x4、x6与y的偏回归系数也均达到了极显著。多元决定系数R2=0.863 1，表明干燥度指数的86.31%是由x2、x3、x4、x6等4个气候因子决定的，剩余因素（误差和其他影响干燥度指数的因素） 对干燥度指数的影响仅为13.69%，因此，可以用该回归方程预测干燥度指数。

2.2.3 通径分析及各项气候因子对干燥度指数的贡献率分析 相关分析仅是简单测定了两个气候因子的相互关系，而不能了解其中的相关原因和效应大小。通径分析可将相关系数剖解为直接作用和间接作用各组成部分，并可估量各分量对总决定度的相对贡献。

各气候因子对干燥度指数构成因素的通径分析的结果见表3。由表3可知，日最低温度、平均相对湿度、平均风速和降水量决定了干燥度指数变异的86.31%。日最低温度、平均相对湿度、平均风速和降水量构成因素的直接通径系数绝对值的大小依次为降水量＞平均相对湿度＞平均风速＞日最低温度。

在各间接通径系数中，平均相对湿度通过日最低气温对干燥度指数有负向效应（0.083 6），通过平均风速对干燥度指数有正向效应（0.034 6），通过降水量对干燥度指数有负向效应（0.418 4）；日最低温度通过平均相对湿度对干燥度指数有正向效应（0.108 5），通过平均风速对干燥度指数有负向效应（0.129 1），通过降水量对干燥度指数有负向效应（0.081 6）；平均风速通过日最低温度对干燥度指数有负向效应（0.120 4），通过平均相对湿度对干燥度指数有负向效应（0.041 9），通过降水量对干燥度指数有正向效应（0.208 1）；降水量通过日最低温度对干燥度指数有正向效应（0.024 0），通过平均相对湿度对干燥度指数有负向效应（0.159 6），通过平均风速对干燥度指数有负向效应（0.065 6）。综上可以得出，虽然日最低温度对干燥度指数没有达到极显著影响，但是因素之间仍存在相互协调的作用。

由表3可知，不同的气候因子对干燥度指数的贡献率也不一样。日最低温度对干燥度指数变化的贡献率为20.75%，为正贡献，表明兴安盟岭南地区最低温度的降低促使干燥度指数减少；平均相对湿度对干燥度指数变化的贡献率为9.43%；在所有气候因子中平均风速对干燥度指数变化的贡献率最大为68.87%，表明在兴安盟岭南地区，平均风速对年干燥度指数变化影响最大，平均风速增大干燥度指数增大。

表3 通径系数及干燥度指数贡献率

综上所述，对干燥度指数实际变化贡献最大的气候因子是平均风速，这与董旭光等[14]的研究结论一致，在一定程度上削弱了平均风速对干燥度指数实际变化的贡献；干燥度指数实际变化贡献最大的是平均风速，日最低温度次之。

3 讨论与结论

由于研究时间段不同，兴安盟岭南地区干燥度指数变化对气候因子的响应程度存在差异。已有研究表明，内蒙古荒漠草原20 世纪70年代属于相对湿润期，21 世纪初干旱程度明显加大[10]，本研究基于最新年代气象数据计算气象倾向率得出，兴安盟岭南地区干燥度指数变化对平均相对湿度倾向程度最高。虽然倾向率可以反映干燥度指数对气候因子变化的倾向程度，但是不能衡量单个气候因子对干燥度指数变化的实际贡献，即定量的评价各气候因子对干燥度指数的影响。本研究通过计算气候因子对干燥度指数年变化的贡献量，得到日最低温度和平均风速对兴安盟岭南地区干燥度指数变化具有正贡献作用，平均相对湿度和降水量对干燥度指数变化具有负贡献作用；平均风速是变化的主导因子，其次是日最低温度。通过对干燥度指数相关分析，相关性最显著的因子为降水量和平均相对湿度（相关系数在0.7 以上）。

本研究利用1973—2018年兴安盟岭南地区4个气象站点的主要气象数据，采用 FAO56 Penman-Monteith 公式计算潜在蒸散量，基于蒸散量计算干燥度指数，通过对干燥度指数年际时间尺度分析及相关分析、逐步回归分析、通径分析，得出以下结论：

一是兴安盟岭南地区干燥度指数在1.80～7.02，多年平均值为3.50；最大值出现在2004年，为7.02，次大值出现在2001年，为5.69；最小值出现在1998年，为1.80，次小值出现在1991年，为1.97。通过距平分析，干燥度指数整个研究期间呈上升趋势，气候倾向率为每10年0.10（P＜0.01），气候呈变干趋势。

二是在各气候因子对干燥度指数的逐步回归分析中，日最低温度、平均相对湿度、平均风速和降水量构成因素的直接通径系数绝对值的大小依次为降水量＞平均相对湿度＞平均风速＞日最低温度，应用回归方程估测干燥度指数可靠程度总贡献率达到了86.31%；干燥度指数对平均风速最敏感；平均风速是引起兴安盟干燥度指数变化最主要的气候因子。