第28卷第4期2013年10月
灾害学
JOUＲNAL OF CATASTＲOPHOLOGY
Vol.28No.4
Oct.2013
周扬1，2，李宁1，2，3，吴吉东1，2
（1．北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京100875；2．北京师范大学民政部/教育部减灾与应急管理研究院，北京100875；3．北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京100875）
摘要：气候变暖背景下内蒙古地区近30年来旱灾成灾驱动力的识别对进行旱灾风险管理具有重要的科学意义。基于内蒙古地区1981－2010年47个地面观测站温度、降水、相对湿度等历史观测资料及农作物旱 灾成灾面积，采用变点分析（Change point analysis）探测了近30年来内蒙古地区气候因子与历史灾情的变化趋势；在此基础上，，最后探讨了研究区农作物旱灾成灾的格兰杰（Granger）因果关系。结果表明：内蒙古地区近30年来年平均温度（0.4ħ/10a）和成灾面积（173.9万hm2/10a）呈增加趋势，降水量呈轻微减少趋势（1.2mm/10a）；温度和相对湿度于1980年代末至1990年代初出现突变，而降水量和旱灾成灾面积于1999年发生突变；由降水和温度共同控制作用影响内蒙古地区农作物干旱成灾；相对湿度与成灾面积之间存在时间上的格兰杰因果关系。 关键词：旱灾；综合气象干旱指数（CI）；变点探测；格兰杰因果检验；内蒙古
中图分类号：X43；S423文献标志码：A文章编号：1000－811X（2013）04－0067－07
0引言
旱灾是气象灾害中造成经济损失最为严重的自然灾害之一，具有发生频率高、持续时间长、影响范围广等特点［1－2］。据统计，我国气象灾害损失约占各类自然灾害损失的70%，而旱灾损失占气象灾害损失的50%以上［3］。因此，全球变暖背景下识别旱灾成灾的主要影响因子、探讨旱灾成灾机制对减灾政策制定具有重要的理论价值。
近30年来，对我国干旱（或干旱化）及旱灾的研究侧重于探讨干旱指标、干旱等级［4－5］、干旱成
因［6］和干旱（化）时空分布特征等［7－9］。对我国西北地区气候变化与旱灾灾情的分析表明，西北地区受干旱化气候和水文变化趋势的影响，旱灾所造成的粮食损失不断增加［10］；干旱气候的产生带来了严重的干旱灾害［2］。根据区域自然灾害系统理论，自然灾害是致灾因子、孕灾环境和灾情共同作用的结果［11］。虽然学术界对干旱成因和区域干旱演变特点进行了大量的研究，但综合考虑致灾因子和灾情的研究仍少见报道。通常而言，降水量减少会促进干旱化的发生，而干旱是否致灾仍然是目前学术界具有争议的主题之一。
内蒙古地区降水稀少，旱灾是该区发生频率最高、危害严重的自然灾害之一。近50年来，受全球增温的影响，内蒙古地区旱灾发生频率有不断增加的趋势；1990－2009年间全区旱灾造成的农业直接经济损失约579.50亿元［12］。已有研究分析了内蒙古地区近几十年来旱灾的变化趋势及其空间分布［12－13］，但少有研究结合旱灾的致灾因子和历史灾情分析干旱成灾的原因。因此，本文在分析内蒙古地区近30年来年均温度、降水量、相对湿度等气候因子变化趋势和干旱空间分布的基础上，拟通过相关分析和多元回归分析识别内蒙古地区旱灾成灾的主要影响因子，并探讨该区干旱成灾在时间上的格兰杰原因。通过对旱灾成灾机理的研究旨在为内蒙古地区制定气候变化适应措施提供科学依据。
1资料与方法
1.1资料说明
选用内蒙古自治区1981－2010年47个地面气
*收稿日期：2013－03－29修回日期：2013－05－15
基金项目：科技部国际合作项目（2012DFG20710）；国家重大科学研究计划（2012CB955402）；国家自然科学基金项目（41171401）作者简介：周扬（1984－），男，贵州普安人，博士生，从事自然灾害风险管理研究．E－mail：yzhou@mail.bnu.edu 通讯作者：李宁（1958－），女，江苏镇江人，教授，主要从事自然灾害及风险管理研究．E－mail：ningli@bnu.edu
象站的逐日降水、日平均温度和相对湿度等气象要素的观测资料，资料来自中国气象科学数据共享网（http：//v），共享网提供了50个内蒙古地区的观测站资料，其中吉诃德、杭锦后旗、伊金霍洛旗3个观测站的数据缺测过多，所以将其删除。其余个别台站较少部分的缺测资料用平均值插补处理，订正后的47个台站的各要素资料连续性良好。1981－2010年内蒙古自治区农作物旱灾成灾面积来自《中国民政统计年鉴（1981－2011）》［14］，成灾面积数据为由民政部、农业部、水利部及国家统计局等单位的核定数。
1.2研究方法
1.2.1综合气象干旱指数
采用《气象干旱等级GB/T20481－2006》国家标准（以下简称国标）中综合气象干旱指数（Com-pound index of metrological drought，CI）的计算方法，利用近30d（相当于月尺度）和近90d（相当于季尺度）的标准化降水指数以及近30d相对湿润度指数计算出综合气象干旱指数。该指标既可反映月和季尺度降水量的气候异常情况，也可反映短时间尺度水分亏欠情况。CI指数越小，表明干旱的程度越严重。计算公式为：
CI=0.4Z
30+0.4Z
90
+0.8M
30
。（1）
式中：Z30、Z90分别为近30d和近90d的标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）；M30为近30d的相对湿润度指数，其中标准化降水指数SPI采用Γ分布概率来描述降水量的变化，
马拉拉联合国演讲将偏态概率分布的降水量进行正态标准化处理，最终用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级。SPI计算公式如下：
SPI=S
t－（c
2
t+c
1
）t+c
（（d
3
t+d
2
）t+d
1
）t+1．0
。（2）
式中：t=ln
1 G（x）
槡2，G（x）为与Γ函数相关的降水分布概率；x为年或季降水量样本；S为概率密度的正负系数。当G（x）＞0.5时，G（x）=1.0－G（x），S=1；当G（x）≤0.5时，S=－1。G（x）由Γ分布函数概率密度积分公式计算：
G（x）=
1
βγΓ（γ）
∫x
xγ－1e－x/βdx，x＞0。（3）
式中：γ、β分别为Γ分布函数的形状和尺度参数；c0、
c 1、c
2
和d1、d2、d3分别为Γ分布函数转换为累积频
率简化近似求解公式的计算参数，其中c0=2.516，
c 1=0.803，c
2
=0.010，d
1
明英苑
=1.433，d
2
=0.189，d
3
=0.001。
根据上述方法计算出30d和90d的标准化降水指数（SPI3和SPI9）。相对湿润指数M的计算公式如下：
M=
P－PE
PE
。（4）式中：P为某时段的降水量（mm），PE为某时段的可能蒸散量（mm）。PE计算方法如下：
PE=16ˑ（
10T
i
H
）A。（5）式中：T i为平均温度（ħ）；H为热量指数H=
（T
i
/5） 1.514；A为常数，A=6.75ˑ10－7H3－7.71ˑ10－5H2+1.792ˑ10－2H+0.49。
根据CI指数的计算结果，采用《气象干旱等级GB/T20481－2006》国标中规定的综合气象等级的划分标准［15］，将综合气象干旱指数划分为无旱（－0.6＜CI）、轻旱（－1.2＜CI≤－0.6）、中旱（－1.8＜CI≤－1.2）、重旱（－2.4＜CI≤－1.8）和特旱（CI≤－2.4）。
1.2.2突变点探测
采用累积和图（cumulative sum charts，CUSUM）和重采样（bootstrapping）相结合方法探测气候
变量（温度T、降水P、相对湿度SD）和成灾面积（S）等历史序列中发生显著突变的时间点［16－18］。计算公式如下：
S
i
=S
i－1
+（x
i
－μ），（其中i=1，…，n；S
=0）。
（6）式中：i为年份；S i为变量（包括温度、降水、相对湿度、成灾面积）的累积和；x为气候变量和农作物的成灾面积；μ为时间序列x的算术平均值。
S
diff
=max S
i
－min S
i
，（其中i=0，…，n）。
（7）式中：max S i和min S i为S i的最大值和最小值；S diff 为S i的变化幅度。
1.2.3格兰杰因果关系检验
为了分析历史气候变化与农作物旱灾成灾之间是否存在时间上的因果关系，本研究采用格兰杰（Granger）因果检验探讨气候变化与旱灾成灾之间的关系。格兰杰因果检验可判别一组变量（y，x）是否存在因果关系，设两平稳时间序列｛x t｝和｛y t｝，建立y t关于y和x的滞后模型：
小雪花的泪y
t
=c+∑
n
i=1
（a
i
ˑy
t－i
）+∑n
j=1
（β
i
ˑx
t－i
）。（8）式中：c为常数项，滞后期n的选择是任意的。检验x 的变化不是y变化的原因相当于对统计原假设H0：β1=β2=β1=，…，=βn=0进行F检验，若F检验值大于标准F分布的临界值，则拒绝原假设，说明x的变化是y变化的原因，否则接受原假设，说明x 的变化不是y变化的原因［19］。
4期周扬，等：内蒙古地区近30年干旱特征及其成灾原因2评估结果
2.11981－2010年内蒙古地区年均降水、温度和
农作物成灾面积的变化趋势
1981年以来，内蒙古地区年均温度呈增加的趋
势，增温幅度为0.44ħ/10a（图1a），该结果与前
人的研究结果基本一致［20－21］；年均降水量呈轻微
的减少趋势，与温度变化相比，降水量的变化趋
势不显著［20］，降水量减少的速率为1.2mm/10a
（图1b）；旱灾成灾面积呈明显的增加趋势，近30
年旱灾成灾面积增加了约184.8万hm2（图1c）。
研究区年均温的增温幅度（0.44ħ/10a）略高于北
半球的中高纬地区（0.2ħ/10a）［22］，但其变暖幅
度略低我国西北和东北地区（0.5ħ/10a）；降水量
变化趋势与全国基本一致，呈轻微的减少趋势［22］，
可见，近30年来内蒙古地区气候呈暖干化特征
。
图1内蒙古地区1981－2010年温度、降水和农
作物旱灾成灾面积变化趋势中美在线
2.2内蒙古地区干旱空间分布
根据式（1） （3）所计算出的各站点近30年1－12个月的CI指数，基于ArcGis10.0软件平台，采用克里金（Kriging）插值对4个季节（春季3－5月、夏季6－8月、秋季9－11月和冬季12－2月）的CI指数进行空间插值，结果如图2所示。根据《气象干旱等级GB/T20481－2006》［15］国标中干旱等级的
判断标准，CI指数在－1.3 －0.56之间，全区主要以轻度干旱为主（图2a）；在夏季，CI值在－2.41 －0.6之间，其中赤峰市中南部地区表现为重度干旱，赤峰市中部及南部、呼伦贝尔盟西部、乌海市、阿拉善盟东部及东南部、锡林格勒盟西北部地区表现为中度干旱，其余地区为轻度干旱特征（图2b）；与冬季一样，秋季内蒙古地区CI指数在－1.34 －0.56之间，内蒙古全区主要为轻度干旱（图2c）；在冬季，CI指数在－0.48 －1.25之间，除呼伦贝尔盟西部、赤峰市南部、乌海市、阿拉善盟东部及伊克昭中南部等地区为中度干旱外，其余地区为轻度干旱（图2d）。
2.3降水、温度、相对湿度和农作物成灾面积突
变点分析
根据公式4和5的计算结果，如表1和图3所示，研究区1981年以来年均降水量、平均气温、相对湿度和农作物成灾面积均观测到有显著的突变发生，其中降水量、温度和成灾面积分别有1个突变点，相对湿度有3个突变点；年均温的突变发生在1989年，温度从3.93ħ上升到4.83ħ（图3a）；年均降水量在1999年发生突变，降水量从突变前的26.8mm减少到突变后的21.55mm（图c）；农作物旱灾成灾面积与降水量的突变一致，均发生在1999年，成灾面积从突变前的77.96万hm2增加到突变后的209.17万hm2（图3d）。从降水、温度和成灾面积的突变点可以看出，降水影响农作物生长，降水量显著减少的年份农作物旱灾成灾面积会显著增加。年均相对湿度被探测到3个突变点（图3b），分别位于1990
年、1995年、2004年，其中1990年突变点的可信度较高，在1987－1990年间，相对湿度从52.17%减少到52.00%（p＜0.01）。可见，内蒙古地区近30年来
表1内蒙古地区1981－2010年年均气温、
降水量、相对湿度与成灾面积的突变点②
变量突变年突变区间
置信
水平
变化前变化后水平成灾面积/
万hm2
鲁友社区1999（1998，2010）100%77.96209.171降水量/mm1999（1982，2002）99%26.821.552
平均温度/ħ1989（1987，1993）100% 3.93 4.832
1990（1987，1990）99%52.1753.991
相对湿度/%1995（1995，2000）95%53.9952.003
2004（1998，2006）96%5249.554
96
灾害学28
卷
图2
内蒙古地区四季干旱空间分布
图3内蒙古地区1981－2010年温度、降水、相对湿度和成灾面积的CUSUM 图
平均温度和相对湿度主要于1980年代末至1990年代初发生突变，降水量和成灾面积于1990年代发生过突变。2.4
气候变量与旱灾灾情间的格兰杰因果检验为了探讨研究区干旱成灾对气候变化的响应及识别驱动旱灾成灾的影响因子，本研究分析了成灾面积（S ）与降水量（P ）、温度（T ）、相对湿度（SD ）和综合气象干旱指数（CI ）之间的相关关系（表2）。成灾面积与降水量、综合气象干旱指数和相对湿度之间相关性显著（p ＜0.01），其中成灾面积（S ）与降水量（P ）和相对湿度（SD ）存在显著负相
关关系（p ＜0.01），
与综合气象干旱指数（CI ）呈显著正相关；降水量与相对湿度呈明显正相关，与综合气干旱指数呈明显负相关。
基于上述结果，用成灾面积作为因变量，降水、综合气象干旱指数和相对湿度为自变量，采用多元回归分析（逐步回归）识别了影响内蒙古地区干旱成灾的主要影响因子，结果表明：回归模型通过F 统计检验（F =12.46，p =0.001），且模型参数在99%显著性水平上通过t 检验（表3），由温度和降水共同控制的综合气象干旱指数（CI ）对农作物成灾面积（S ）有显著的影响（p ＜0.05），30.8%成灾面积的
7
4期周扬，等：内蒙古地区近30年干旱特征及其成灾原因
表2温度、降水量、相对湿度、综合气象干旱指数与成灾面积之间的相关系数
S T P CI SD
S皮尔逊相关系数10.181－0.524＊＊0.555＊＊－0.516＊＊Sig.（2－tailed）0.3370.0030.0010.004
T皮尔逊相关系数0.1811－0.1320.284－0.303 Sig.（2－tailed）0.3370.4860.1290.104
有机污染P皮尔逊相关系数－0.524＊＊－0.1321－0.798＊＊0.730＊＊Sig.（2－tailed）0.0030.4860.0000.000 CI皮尔逊相关系数0.555＊＊0.284－0.798＊＊1－0.687＊＊Sig.（2－tailed）0.0010.1290.000———0.000 SD皮尔逊相关系数－0.516＊＊－0.3030.730＊＊－0.687＊＊1 Sig.（2－tailed）0.0040.1040.0000.000———＊＊代表相关性在0.05显著水平上显著。
表3多元回归分析模型结果统计
Ｒ2F综合气象干旱指数（CI）降水量（P）相对湿度（SD）
0.30812.46（0.001）
系数
336.48
t统计量（Sig.）
3.53（0.001）
系数
———
t统计量（Sig.）
－0.86（0.33）
系数
———
t统计量（Sig.）
－1.19（0.25）
变化CI来解释（Ｒ2=0.308），且CI每增加1个单位，农作物旱灾成灾面积增加336.48万hm2；降水量和土壤相对湿度不能用于解释成灾面积的变化（p ＞0.1）。结果表明，分析干旱是否致灾并不能仅考虑温度或降水单一因子，应该综合考虑温度、降水（降水频率、降水距平、连续无雨日）等相关因素。气温升高、蒸腾作用加强，土壤失水程度加重，从而加剧了干旱的强度［23－24］；内蒙古东部地区1951－2000年的实测降水、气温和土壤湿度等资料分析也表明，该区温度每增加1ħ，内蒙古东部和东北部地区的干旱程度要增加11% 20%，且东北部地区的干旱化程度更明显［25］。因此，内蒙古地区应该制定有效的气候变化应对措施以适应其气候的暖干化发展趋势，从而减小或降低农作物受干旱灾害的影响。
为了进一步探讨旱灾的成灾机制，本研究采用格兰杰因果关系检验探讨了气候变化与旱灾成灾在时间上的因果关系，研究遵从几个基本原则［26］：①因果关系能合理地被解释；②变量间的关系非常明显；③因果变量之间的关系持续存在；④“因”发生在“果”之前。鉴于此，本文根据式（8）分别对干旱成灾面积与温度、降水量、相对湿度之间进行了格兰杰因果关系检验，所有序列在95%显著水平下均通过ADF单位根平稳性检验（CI：t=－5.747，p=0.00；P：t=－4.822，p=0.00；S：t=－4.799，p=0.00；SD：t=－3.432，p=0.02；T：t=－3.153，p=0.03），表明原始序列均平稳，可用于格兰杰因果关系检验。格兰杰因果检验结果见表4。
表4各变量间的格兰杰因果关系检验表
因果联系（零假设）F统计量
接受零假
设的概率降水量（P）不是成灾面积（S）
的格兰杰原因
0.7140.500
温度（P）不是成灾面积（S）的
格兰杰原因
0.4820.624
综合气象干旱指数（CI）不是
成灾面积（S）的格兰杰原因
2.6640.191
相对湿度（SD）不是成灾面积
（S）的格兰杰原因
3.0250.068*
温度（T）不是综合气象干旱指
数（CI）的格兰杰原因
0.9860.388
相对湿度（SD）不是综合气象
干旱指数（CI）的格兰杰原因
0.4710.630
降水量（P）不是综合气象干旱
指数（CI）的格兰杰原因
0.1950.686注：*表示在90%显著水平上拒绝原假设；样本数为28。
由表4可知，土壤相对湿度与成灾面积之间存在时间上的因果关系（p＜0.1），温度、降水量和综合气象干旱指数与成灾面积之间不存在时间上的因果关系；可能是由于近几十年来内蒙古地区温度呈上升趋势，而降水减少，干旱化趋势加强；增温和降水减少使得土壤变干，从而引起更多的农作物受灾；土壤湿度的大小影响田间气候，土壤通气性和养分的分解，也是土壤微生物和农作物生长发育的重要条件之一。本研究结果表明，土壤湿度可作为衡量农业干旱的重要参考指标之一。温度和降水量与综合气象干旱指数之间不存
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