黑龍江省近50年降水變化趨勢及空間分布特征

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實驗室,100083,北京)

黑龍江省近50年降水變化趨勢及空間分布特征

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實驗室,100083,北京)

依據(jù)黑龍江省呼瑪、孫吳、齊齊哈爾、富錦、安達、哈爾濱、雞西和牡丹江8個氣象站1960—2012年的降水資料,運用線性回歸、Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗法和GIS空間插值等方法,分析該區(qū)近50多年來降水變化趨勢和空間分布特征。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年開始轉(zhuǎn)為多水期;2)除齊齊哈爾、呼瑪站和安達站外,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;4)多年降水空間分布以孫吳站和牡丹江為中心向周圍遞減,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80年代初中期和21世紀初期,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)實踐等提供參考。

降水;趨勢;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]?？v觀相關(guān)研究,我國已有眾多學(xué)者針對各地區(qū)氣候變化進行了較為深入的研究。王志偉等[2]和翟盤茂等[3]依據(jù)降水資料采用Z指數(shù)作為旱澇等級劃分標準對我國北方進行旱澇分等定級并研究其變化趨勢;左洪超等[4]認為我國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;徐宗學(xué)等[5]運用非參數(shù)檢驗方法(Mann-Kendall法)研究黃河流域變化趨勢,并用線性回歸進行比較,結(jié)果表明這2種檢驗方法具有一定的相關(guān)性,但不能互相替代,還需進一步研究哪種方法或有更為合適的方法可在趨勢檢驗時能夠獲得更為準確的結(jié)果;董滿宇等[6]利用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法(Mann-Kendall)研究了吉林省降水趨勢,認為近50年吉林省降水呈下降趨勢;王英等[7]利用空間插值和Mann-Kendall時間序列趨勢分析方法并結(jié)合GIS技術(shù),分析了我國降水量的時空變化特征,認為中國北方有從干旱到濕潤轉(zhuǎn)變的跡象;盧愛剛等[8]研究了半個世紀以來我國降水區(qū)域變化的穩(wěn)定性,得出中國20世紀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,根據(jù)研究結(jié)果預(yù)測,未來50年中西北干旱區(qū)大旱次數(shù)比近50年將會有所減少;姜珊等[12]利用數(shù)理統(tǒng)計方法分析了煙臺市降水變化規(guī)律及時空分布特征,表明煙臺市降水量由南向北逐漸減少且近30年降水量呈現(xiàn)出增長趨勢;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,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,過去的2013年降水異常偏多,對該省的生產(chǎn)、水利工程等造成了較為嚴重的影響[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,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)的各項研究工作及生產(chǎn)實踐(如農(nóng)田水利管道和渠道尺寸設(shè)計等)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

采用黑龍江省呼瑪、孫吳、齊齊哈爾、富錦、安達、哈爾濱、雞西和牡丹江8個氣象站1960—2012年逐日降水氣象資料來計算日序列的降水量。原始氣象資料來源于國家氣象資料中心提供的中國地面氣候資料國際交換站數(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)計所得。表1為代表站點的地理位置和海拔情況。

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

2 研究方法

2.1 趨勢性及突變性分析

在研究降水量趨勢分析時,利用線性回歸和Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗法,并且利用Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗法,對代表站點的降水量時間序列進行突變性檢驗。

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

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

趨勢檢驗統(tǒng)計量U＞0代表該時間序列為增加趨勢,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,則該時間序列通過顯著性檢驗,顯著性水平為90%;同理在α=0.05的顯著水平下,若|U|＞Ua=1.645,則該時間序列通過顯著性檢驗,顯著性水平為95%。

同時,M-K方法還可用于時間序列的突變性檢驗,利用時間序列統(tǒng)計量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,則此點可能是突變點的開始,反之則不存在突變點。

2.2 空間插值法

研究代表站點降水量空間分布時,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定理提出的一種簡單的插值方法。由于其原理簡單、計算方便等特點被廣泛應(yīng)用在各方面的研究中[21-22]。 它彌補了常規(guī)的測量方法無法對空間中所有點進行觀測,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數(shù)據(jù)來計算出所需要的樣本點值的不足,并據(jù)此預(yù)測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圖1,可看出:8站點年代際變化與黑龍江省平均年代際變化趨勢均一致。其表現(xiàn)為:降水量連續(xù)2個年代下降1個年代上升(2降1升)或連續(xù)2個年代上升1個年代下降(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]對黑龍江省降水特征的研究和預(yù)測結(jié)果一致。以8站點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到512.98和518.76 mm;80年代降水下降分別達到439.31和467.8 4mm;90年代降水上升,年代降水均值分別達535.83和553.47 mm。而后又開始連續(xù)20 a(20世紀90年代—21世紀初)降水呈下降趨勢。由圖1可知,從20世紀90年代到21世紀10年代,已連續(xù)2個年代降水下降,根據(jù)以上年代際特征,可推斷從2012年開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,8個代表氣象站降水量的統(tǒng)計結(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、安達和雞西站年際變化相對較大,8個站點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)研究時段內(nèi),8站極旱年均出現(xiàn)在21世紀初期,而極澇年無明顯規(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,這種干旱趨勢在1970年雖有所緩和,但干旱趨勢一直延續(xù)到20世紀80年代初。自20世紀80年代初開始至90年代初,降水量明顯增加,但在90年代初到20世紀末,降水量又有明顯的減少趨勢,這種減少趨勢持續(xù)至21世紀初,即持續(xù)到研究時段2012年;5)根據(jù)表2和圖3可知,8站點降水量年均值在空間上的分布與唐蘊等[24]對東北地區(qū)近50年降水時空研究結(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站點為中心,向周圍遞減,至西部松嫩平原區(qū)最小,并且齊齊哈爾站、安達站平均降水量小于大興安嶺地區(qū)的平均降水量,具體分布情況見圖2。

3.1.3 年內(nèi)變化特征

1)季節(jié)變化特征。各站點四季降水量分布如圖4所示,可以看出,8個站點均表現(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,達到91.08 mm,向周圍遞減,至西部安達站達到最小,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,與周圍區(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 各站點多年降水量季節(jié)均值變化趨勢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站點多年逐月平均降水量曲線圖,可以看出,8站點的月均降水量變化趨勢一致,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。安達站最小值出現(xiàn)在1月份,其值為1.52 mm,其他站點最小值均出現(xiàn)在2月。

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

3.2 趨勢性分析

運用線性回歸法和Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗法對各代表氣象站的降水量時間序列的平均趨勢變化率及趨勢性的顯著程度進行分析和檢驗。由表2趨勢檢驗結(jié)果可以看出,呼瑪站、孫吳站、富錦站、雞西站和牡丹江站5個站點年降水量均表現(xiàn)出一定的減少趨勢,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。同時齊齊哈爾站、安達站和哈爾濱站則表現(xiàn)為一定的增長趨勢,年降水量變化率分別為0.505,0.343和0.292 mm/a;但8個站點Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗的結(jié)果表明,僅孫吳站通過α=95%的檢驗,呈現(xiàn)極顯著性下降,雞西站通過α=90%的檢驗,呈顯著性下降,其他站趨勢均不顯著。

3.3 多年降水量突變分析

利用Mann-Kendall檢驗突變法,研究了8個氣象站多年降水量的突變性,結(jié)果表明8個氣象站中呼瑪、孫吳、雞西和牡丹江站的年降水量存在較為明顯的突變點,其他氣象站則不存在明顯的突變點。由圖7和表3可知:呼瑪站存在2個突變點,分別在1975年和2000年附近;孫吳站突變點僅有1個,發(fā)生在1993年附近;雞西站存在2個突變點,分別發(fā)生在1983年和1995年附近;牡丹江站存在2個突變點,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;因此認為4個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80年代初中期,第2次突變發(fā)生在21世紀初期;東西部無明顯的突變時間點。

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

表3 各氣象站點突變點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2012年開始將由少降水期轉(zhuǎn)為多降水期,可為各級部門對氣象災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報預(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站點為中心向周圍遞減,至西部松嫩平原區(qū)最小,且齊齊哈爾站、安達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)計提供依據(jù)。

3)Mann-Kendall檢驗突變法表明: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80年代初中期,另一次突變發(fā)生在21世紀初期,東部與西部不存在明顯的突變時間點。

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