靳春香,王秀茹,王希,侯琨,王鐸

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

黑龍江省近50年降水變化趨勢(shì)及空間分布特征

靳春香,王秀茹?,王希,侯琨,王鐸

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

依據(jù)黑龍江省呼瑪、孫吳、齊齊哈爾、富錦、安達(dá)、哈爾濱、雞西和牡丹江8個(gè)氣象站1960—2012年的降水資料,運(yùn)用線性回歸、Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法和GIS空間插值等方法,分析該區(qū)近50多年來(lái)降水變化趨勢(shì)和空間分布特征。結(jié)果表明:1)黑龍江省年代際降水表現(xiàn)為2降1升或2升1降30 a左右的周期,且從2012年開(kāi)始轉(zhuǎn)為多水期;2)除齊齊哈爾、呼瑪站和安達(dá)站外,多年平均降水量在500 mm以上,降水集中在夏季,約占全年的64%,所有站點(diǎn)多年平均月降水量均呈現(xiàn)單峰曲線變化;3)僅孫吳和雞西站年降水量呈顯著減少趨勢(shì);4)多年降水空間分布以孫吳站和牡丹江為中心向周?chē)f減,春季空間分布與多年降水空間分布較為一致;5)黑龍江省南部和北部年降水量均發(fā)生2次突變,分別為20世紀(jì)80年代初中期和21世紀(jì)初期,東、西部不存在明顯的突變。研究結(jié)果可為該區(qū)的降水研究、水資源配置和生產(chǎn)實(shí)踐等提供參考。

降水;趨勢(shì);空間分布;突變性;黑龍江省

隨著氣候日益變化,降水氣候因子引起學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[1]。縱觀相關(guān)研究,我國(guó)已有眾多學(xué)者針對(duì)各地區(qū)氣候變化進(jìn)行了較為深入的研究。王志偉等[2]和翟盤(pán)茂等[3]依據(jù)降水資料采用Z指數(shù)作為旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)北方進(jìn)行旱澇分等定級(jí)并研究其變化趨勢(shì);左洪超等[4]認(rèn)為我國(guó)降水量的變化存在明顯的區(qū)域特征,新疆增加最快,華中、華北地區(qū)呈明顯減少趨勢(shì);徐宗學(xué)等[5]運(yùn)用非參數(shù)檢驗(yàn)方法(Mann-Kendall法)研究黃河流域變化趨勢(shì),并用線性回歸進(jìn)行比較,結(jié)果表明這2種檢驗(yàn)方法具有一定的相關(guān)性,但不能互相替代,還需進(jìn)一步研究哪種方法或有更為合適的方法可在趨勢(shì)檢驗(yàn)時(shí)能夠獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果;董滿宇等[6]利用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法(Mann-Kendall)研究了吉林省降水趨勢(shì),認(rèn)為近50年吉林省降水呈下降趨勢(shì);王英等[7]利用空間插值和Mann-Kendall時(shí)間序列趨勢(shì)分析方法并結(jié)合GIS技術(shù),分析了我國(guó)降水量的時(shí)空變化特征,認(rèn)為中國(guó)北方有從干旱到濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變的跡象;盧愛(ài)剛等[8]研究了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)我國(guó)降水區(qū)域變化的穩(wěn)定性,得出中國(guó)20世紀(jì)后半期的夏季降水變化幅度有顯著的緯度效應(yīng);徐利崗等[9]利用Mann-Kendall法研究了我國(guó)北方荒漠區(qū)降水穩(wěn)定性,結(jié)果表明降水的年內(nèi)分布在時(shí)間和空間均呈現(xiàn)出較大的變異性;吳紹洪等[10]和任朝霞等[11]研究了西北地區(qū)氣候變化趨勢(shì),根據(jù)研究結(jié)果預(yù)測(cè),未來(lái)50年中西北干旱區(qū)大旱次數(shù)比近50年將會(huì)有所減少;姜珊等[12]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了煙臺(tái)市降水變化規(guī)律及時(shí)空分布特征,表明煙臺(tái)市降水量由南向北逐漸減少且近30年降水量呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì);蔣沖等[13]采用氣候傾向率、樣條曲線插值法等方法分析了秦嶺南北氣溫、降水等的時(shí)空變化特征,結(jié)果呈現(xiàn)多年平均降水量由南向北遞減變化特征。

近50年以來(lái),在全球氣候變化的背景之下,黑龍江省降水量也發(fā)生了變化,過(guò)去的2013年降水異常偏多,對(duì)該省的生產(chǎn)、水利工程等造成了較為嚴(yán)重的影響[14-16]。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,分析黑龍江省的降水變化特征和變化趨勢(shì),以及研究區(qū)降水的空間分布特征,以期為該區(qū)包括水資源配置、水利工程等在內(nèi)的各項(xiàng)研究工作及生產(chǎn)實(shí)踐(如農(nóng)田水利管道和渠道尺寸設(shè)計(jì)等)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用黑龍江省呼瑪、孫吳、齊齊哈爾、富錦、安達(dá)、哈爾濱、雞西和牡丹江8個(gè)氣象站1960—2012年逐日降水氣象資料來(lái)計(jì)算日序列的降水量。原始?xì)庀筚Y料來(lái)源于國(guó)家氣象資料中心提供的中國(guó)地面氣候資料國(guó)際交換站數(shù)據(jù)集。年代際、年際、季節(jié)、月均值及日均值均由逐日降水量統(tǒng)計(jì)所得。表1為代表站點(diǎn)的地理位置和海拔情況。

表1 代表站點(diǎn)地理位置及海拔Tab.1 Locations and elevations of the meteorological stations

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)性及突變性分析

在研究降水量趨勢(shì)分析時(shí),利用線性回歸和Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法,并且利用Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法,對(duì)代表站點(diǎn)的降水量時(shí)間序列進(jìn)行突變性檢驗(yàn)。

2.1.1 線性回歸估計(jì) 根據(jù)各站點(diǎn)降雨量,用y=a+bt進(jìn)行線性擬合。式中:y為降水量;x為時(shí)間;b為降水量變化系數(shù),b=dy/dt,10b為降水傾向率,用來(lái)判斷降水隨時(shí)間的變化趨勢(shì),并利用方差進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。

2.1.2 Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法 Mann-Kendall是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,是水文氣象資料趨勢(shì)檢驗(yàn)和水文時(shí)間序列單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)的有效工具,如水質(zhì)、流量、氣溫和降雨等[17-20]。

趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U＞0代表該時(shí)間序列為增加趨勢(shì),反之亦然。在給定顯著性水平α=0.1的顯著水平下,若|U|＞Ua=1.282,則該時(shí)間序列通過(guò)顯著性檢驗(yàn),顯著性水平為90%;同理在α=0.05的顯著水平下,若|U|＞Ua=1.645,則該時(shí)間序列通過(guò)顯著性檢驗(yàn),顯著性水平為95%。

同時(shí),M-K方法還可用于時(shí)間序列的突變性檢驗(yàn),利用時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)量C1和C22條曲線,取顯著水平為α=0.05,假若C1、C2兩條曲線交于置信度線之間,則此點(diǎn)可能是突變點(diǎn)的開(kāi)始,反之則不存在突變點(diǎn)。

2.2 空間插值法

研究代表站點(diǎn)降水量空間分布時(shí),采用地理信息系統(tǒng)柵格數(shù)據(jù)插值分析中的反距離權(quán)重插值法。反距離權(quán)重插值法(IDW)是基于Tobler定理提出的一種簡(jiǎn)單的插值方法。由于其原理簡(jiǎn)單、計(jì)算方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各方面的研究中[21-22]。 它彌補(bǔ)了常規(guī)的測(cè)量方法無(wú)法對(duì)空間中所有點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),且可根據(jù)已采集的反映空間分布的全部或部分特征樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出所需要的樣本點(diǎn)值的不足,并據(jù)此預(yù)測(cè)未知地理空間的特征[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水變化特征

3.1.1 年代際變化特征 近50年降水年代際變化特征見(jiàn)圖1,可看出:8站點(diǎn)年代際變化與黑龍江省平均年代際變化趨勢(shì)均一致。其表現(xiàn)為:降水量連續(xù)2個(gè)年代下降1個(gè)年代上升(2降1升)或連續(xù)2個(gè)年代上升1個(gè)年代下降(2升1降),即降水存在30a左右的周期。這與潘華盛等[15]和高玉中等[16]對(duì)黑龍江省降水特征的研究和預(yù)測(cè)結(jié)果一致。以8站點(diǎn)平均年代際變化與富錦站年代際變化為例,70年代降水均值分別達(dá)到512.98和518.76 mm;80年代降水下降分別達(dá)到439.31和467.8 4mm;90年代降水上升,年代降水均值分別達(dá)535.83和553.47 mm。而后又開(kāi)始連續(xù)20 a(20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)初)降水呈下降趨勢(shì)。由圖1可知,從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)10年代,已連續(xù)2個(gè)年代降水下降,根據(jù)以上年代際特征,可推斷從2012年開(kāi)始黑龍江省降水將由少水轉(zhuǎn)為多水。

圖1 降水年代際變化Fig.1 Decadal change of precipitation

3.1.2 年際變化特征 近50年以來(lái),8個(gè)代表氣象站降水量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明:1)多年平均降水量最大為牡丹江站(538.71 mm),最小為齊齊哈爾站(425.98 mm);2)孫吳、齊齊哈爾、富錦、安達(dá)和雞西站年際變化相對(duì)較大,8個(gè)站點(diǎn)年降水量序列的變異系數(shù)均在0.20左右,且降水極差均在400 mm以上(除呼瑪站降水極差為318 mm外);3)研究時(shí)段內(nèi),8站極旱年均出現(xiàn)在21世紀(jì)初期,而極澇年無(wú)明顯規(guī)律;4)從圖2中可知,黑龍江省在1960—1965年之間降水偏多,但1965年以后降水明顯減少,這種干旱趨勢(shì)在1970年雖有所緩和,但干旱趨勢(shì)一直延續(xù)到20世紀(jì)80年代初。自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始至90年代初,降水量明顯增加,但在90年代初到20世紀(jì)末,降水量又有明顯的減少趨勢(shì),這種減少趨勢(shì)持續(xù)至21世紀(jì)初,即持續(xù)到研究時(shí)段2012年;5)根據(jù)表2和圖3可知,8站點(diǎn)降水量年均值在空間上的分布與唐蘊(yùn)等[24]對(duì)東北地區(qū)近50年降水時(shí)空研究結(jié)果基本一致。具體規(guī)律為牡丹江站＞孫吳站＞雞西站＞哈爾濱站＞富錦站＞呼瑪站＞安達(dá)站＞齊齊哈爾站。黑龍江省降水量年均值在空間上總體表現(xiàn)為:以牡丹江站、孫吳站2站點(diǎn)為中心,向周?chē)f減,至西部松嫩平原區(qū)最小,并且齊齊哈爾站、安達(dá)站平均降水量小于大興安嶺地區(qū)的平均降水量,具體分布情況見(jiàn)圖2。

3.1.3 年內(nèi)變化特征

1)季節(jié)變化特征。各站點(diǎn)四季降水量分布如圖4所示,可以看出,8個(gè)站點(diǎn)均表現(xiàn)為夏季降水量最大,春秋季次之,冬季最少,季節(jié)變化趨勢(shì)均相同。(1)根據(jù)黑龍江省降水量的季節(jié)分配比例分析,各站的降水量主要集中在夏季,6—8月平均降水量約占全年平均降水量的 64.13%,夏季降水量為287.39～344.95 mm,最小值在呼瑪站,最大值在哈爾濱站;(2)春季降水量為53.95～91.08 mm,最小值在安達(dá)站,最大值在牡丹江站;(3)秋季降水量與春季相差不多,降水量處于60.69～106.35 mm,最小值在安達(dá)站,最大值在富錦站,并且春季與秋季降水形式分布基本一致;(4)冬季降水量約5.85～19.20 mm,最小值在安達(dá)站,最大值在富錦站。

表2 各代表氣象站降水年際變化特征值Tab.2 Statistics of the precipitation sequences at each station

圖2 各站點(diǎn)降水量年際距平值變化曲線Fig.2 Curves of annual precipitation anomaly at each station

各站點(diǎn)4季降水量空間分布如圖5所示。(1)春季平均降水的空間分布與多年平均降水空間分布較為一致,東南部地區(qū)最大,達(dá)到91.08 mm,向周?chē)f減,至西部安達(dá)站達(dá)到最小,僅53.95 mm。(2)夏季平均降水量的空間分布表現(xiàn)為中部哈爾濱站和孫吳站最大,北部呼瑪站、東部富錦站最小。該季節(jié)的最大值也是4季中的最大值,達(dá)到344.94 mm。(3)秋季平均降水量的空間分布表現(xiàn)為降水量由東向西逐漸減少,只有以富錦站和牡丹江站為中心的小區(qū)域出現(xiàn)增加,與周?chē)鷧^(qū)域有反差。(4)冬季平均降水量在東南部較大,西南部及西北部較小,最小值出現(xiàn)在西南地區(qū),冬季該區(qū)的最小值也是4季中的最小值,只有5.85 mm。

圖3 黑龍江省多年平均降水量空間分布Fig.3 Spatial distribution of average annual precipitation for many years in Heilongjiang Province

圖4 各站點(diǎn)多年降水量季節(jié)均值變化趨勢(shì)Fig.4 Seasonal variation of average annual precipitation at each station

圖5 黑龍江省多年降水量季節(jié)均值空間分布Fig.5 Spatial distribution of average value of seasonal precipitation in Heilongjiang Province

2)月均變化特征。圖6是8站點(diǎn)多年逐月平均降水量曲線圖,可以看出,8站點(diǎn)的月均降水量變化趨勢(shì)一致,均為單峰型。富錦站1—8月降水量遞增,最大值為112.17 mm;9—12月降水量遞減,最小值為5.03 mm。其他各站1—7月降水量遞增,最大值為148.39 mm;8—12月降水量遞減。安達(dá)站最小值出現(xiàn)在1月份,其值為1.52 mm,其他站點(diǎn)最小值均出現(xiàn)在2月。

圖6 各站點(diǎn)降水量年內(nèi)月份分配圖Fig.6 Monthly distribution of average value of precipitation in Heilongjiang Province

3.2 趨勢(shì)性分析

運(yùn)用線性回歸法和Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)各代表氣象站的降水量時(shí)間序列的平均趨勢(shì)變化率及趨勢(shì)性的顯著程度進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。由表2趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果可以看出,呼瑪站、孫吳站、富錦站、雞西站和牡丹江站5個(gè)站點(diǎn)年降水量均表現(xiàn)出一定的減少趨勢(shì),變化率分別為-0.254、-1.452、-0.735、 -1.105和-0.063 mm/a,近50多年孫吳、富錦和雞西站年降水量減少的幅度較大,而呼瑪和牡丹江站年降水量減少幅度較小。同時(shí)齊齊哈爾站、安達(dá)站和哈爾濱站則表現(xiàn)為一定的增長(zhǎng)趨勢(shì),年降水量變化率分別為0.505,0.343和0.292 mm/a;但8個(gè)站點(diǎn)Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)的結(jié)果表明,僅孫吳站通過(guò)α=95%的檢驗(yàn),呈現(xiàn)極顯著性下降,雞西站通過(guò)α=90%的檢驗(yàn),呈顯著性下降,其他站趨勢(shì)均不顯著。

3.3 多年降水量突變分析

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)突變法,研究了8個(gè)氣象站多年降水量的突變性,結(jié)果表明8個(gè)氣象站中呼瑪、孫吳、雞西和牡丹江站的年降水量存在較為明顯的突變點(diǎn),其他氣象站則不存在明顯的突變點(diǎn)。由圖7和表3可知:呼瑪站存在2個(gè)突變點(diǎn),分別在1975年和2000年附近;孫吳站突變點(diǎn)僅有1個(gè),發(fā)生在1993年附近;雞西站存在2個(gè)突變點(diǎn),分別發(fā)生在1983年和1995年附近;牡丹江站存在2個(gè)突變點(diǎn),分別發(fā)生在1983年和2000年附近。呼瑪和孫吳站位于黑龍江省北部,雞西和牡丹江站位于黑龍江省南部;因此認(rèn)為4個(gè)代表氣象站的突變結(jié)果可在一定程度上反映出黑龍江省北部和南部年降水突變年出現(xiàn)的大致時(shí)段。整體上,黑龍江省北部和南部年降水量均存在2次突變,分別為:第1次突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代初中期,第2次突變發(fā)生在21世紀(jì)初期;東西部無(wú)明顯的突變時(shí)間點(diǎn)。

圖7 各氣象站Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.7 Results of Mann-Kendall tests at each station

表3 各氣象站點(diǎn)突變點(diǎn)Tab.3 Abrupt changes of precipitation at each station

4 結(jié)論

1)黑龍江省近50多年間年代際降水特征表現(xiàn)為2降1升或2升1降,即存在30年左右的周期性。在此基礎(chǔ)上推測(cè)2012年開(kāi)始將由少降水期轉(zhuǎn)為多降水期,可為各級(jí)部門(mén)對(duì)氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警工作提供依據(jù),綜合提高抗御氣象災(zāi)害的能力,最大程度減少黑龍江災(zāi)害氣象的危害。

2)黑龍江省年際間、年內(nèi)降水特征在地域上直觀清晰地反映出降水的空間分布特征:以牡丹江、孫吳站2站點(diǎn)為中心向周?chē)f減,至西部松嫩平原區(qū)最小,且齊齊哈爾站、安達(dá)站平均降水量小于大興安嶺地區(qū)的。結(jié)果有利于在空間分布上掌握全省降水特征,從而為該省不同地域內(nèi)農(nóng)田水利等設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)Mann-Kendall檢驗(yàn)突變法表明:黑龍江省北部和南部年降水量有2次突變,一次突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代初中期,另一次突變發(fā)生在21世紀(jì)初期,東部與西部不存在明顯的突變時(shí)間點(diǎn)。

黑龍江省降水量變化的空間格局及其演變特征不僅與研究氣象資料有關(guān),也需考慮區(qū)域大氣環(huán)流及要素異常的影響,完全了解黑龍江省降水特征有待結(jié)合地域植被、全球氣候等其他因素深入研究。

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(責(zé)任編輯:程 云)

Variation trend and spatial distribution characteristics of precipitation in recent 50 years in Heilongjiang Province

Jin Chunxiang,Wang Xiuru,Wang Xi,Hou Kun,Wang Duo
(Key Laboratory of Soil&Water Conservation and Desertification Combating,Ministry of Education, School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China)

Based on the collected precipitation data from 1960 to 2012 at eight typical meteorological stations in Heilongjiang Province,namely Huma,Sunwu,Qiqihar,Fujin,Anda,Harbin,Jixi and Mudanjiang stations,the variation trend and spatial distribution characteristics of precipitation in recent 50 years in Heilongjiang province were analyzed by using the methods of linear regression,Mann-Kendall technique and spatial interpolation.The results demonstrated that:1)The decadal variation pattern of precipitation followed“two down and one up”or“two up and one down”at a 30-year cycle and it turned into the rain-rich period from 2012.2)The average annual precipitation was above 500 mm except for Qiqihar,Huma and Anda stations.Precipitation occured mainly in summer time,which accounted for about 64% of the annual precipitation,and changes in monthly precipitation for many years for all stations showed a single-peaked curve.3)The inter-annual variation of precipitation at Sunwu and Jixi stations showed a slightly decreasing trend.4)The spatial distribution of precipitation for many years showed a pattern of decreasing from Sunwu and Mudanjiang stations as the center to surrounding regions, and that in spring time was rather consistent with that for many years.5)There were two abrupt changes of annual precipitation in the mid 1980s and early 2000s in northern and southern Heilongjiang Provincewhile no obvious changes occurred in eastern and western parts.Our analysis of the variation of precipitation and spatial distribution in Heilongjiang Province in the recent 50 years may provide useful guidance for the research work,water resources allocation and the production practice in the area.

precipitation;trend;spatial distribution;abrupt change;Heilongjiang Province

S157

A

1672-3007(2015)01-0076-08

2014- 05- 07

2014- 12- 02

靳春香(1987—),女,碩士研究生。主要研究方向:水土保持,流域治理,土地整理等。E-mail:jin080214317@ 163.com

?通信作者簡(jiǎn)介:王秀茹(1957—),女,博士,教授。主要研究方向:土地整治,水土保持及農(nóng)田水利等。E-mail:wang-xr@163. com