黑龙江省黑土区近52年降水时空变化

孙彦坤，王倩，张立友，李维海，高见

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.吉林省白城人工增雨基地，吉林白城 137000；3.黑龙江省黑河市气象局，黑龙江黑河 164300；4.黑龙江省肇源县气象局，黑龙江大庆 166500）

黑龙江省黑土区近52年降水时空变化

孙彦坤1，王倩1，张立友2，李维海3，高见4

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.吉林省白城人工增雨基地，吉林白城 137000；3.黑龙江省黑河市气象局，黑龙江黑河 164300；4.黑龙江省肇源县气象局，黑龙江大庆 166500）

依据黑龙江省黑土区24个市县1961～2012年降水量资料，利用ArcGIS9.2、通过空间插值分析、趋势性分析方法，从时间和空间上分析黑龙江省黑土区降水时空变化特征。研究结果表明，①黑龙江省黑土区近52年降水量呈现中部高、东西部低的特点。52年降水量变化趋势不明显，但存在波动变化特点。年平均降水量为515.38 mm，每年降水量减少0.0480 mm。②黑土区近52年四个季节平均降水量由西向东逐渐增大。夏季降水量最大，为345.50 mm；冬季降水量最小，为11.62 mm。春、秋季平均降水量分别为71.40、91.36 mm。52年春季和冬季降水量有显著增加趋势，夏季和秋季有微弱下降趋势。③52年黑土区年代平均降水量总体减少，高降水区域面积缩小。1980s平均降水量最高为544.19 mm，1970s最低为478.64 mm。

黑土区；ArcGIS；降水量；时空分布

黑土具有深厚的腐殖质层、良好的物理、化学性质和生物学特性，垦殖率较高，是我国东北地区主要的农业土壤[1-3]。黑龙江省黑土区地处欧亚大陆东部，四季分明，是我国重要商品粮基地。然而由于不合理开发，大量降雨致水土流失等原因，52年来黑土面积锐减。因此，对黑土区异常降水气候特征进行全面分析和探讨，具有重要意义[4-5]。

本文选用黑龙江省黑土区1961～2012年降水资料，采用空间插值分析、趋势性分析对52年间黑土区域降水变化特征进行分析，探究降水量时空变化特点及规律，为今后水资源高效利用以及农业生产提供理论支持，并为降水量未来变化趋势的预测提供参考。

1 研究区域概况

我国东北黑土区与美国密西西比流域沿岸、乌克兰大平原并称全球三大黑土带，横跨东经123°40′～134°40′，纵贯北纬44°10′～50°20′。黑龙江省黑土总面积为1114.25万hm2，占全省土地总面积4 538.6万hm2的24.6%，主要分布在哈尔滨至北安铁路沿线两侧，嫩江中游地区、小兴安岭和长白山两侧，北界直到黑龙江右岸，南界由双城、五常一带延伸到吉林省，西界与嫩江平原的黑盖土和盐渍土接壤，东界则延伸到小兴安岭和长白山等山间谷地以及三江平原边缘[6]。

2 资料与方法

2.1 资料来源

该研究所用资料为黑龙江省黑土区内24个市县（见图1）各个气象站点在1961～2012年的降水数据。季节划分原则为春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月～翌年2月。

2.2 分析方法

以ArcGIS软件为平台，利用1961～2012年黑龙江省黑土区24个气象站点的降水数据，研究黑龙江省黑土区降水时空变化特征。

图1 黑龙江省黑土区气象台站点分布Fig.1 Distribution of meteorological observation stations in the black soil area in Heilongjiang Province

克立格插值法又称空间局部插值法，以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法[7]。克立格插值法是目前地统计学中应用最广泛的最优内插法，利用已知点数据估计未知点数值，其实质是一个实行局部估计的加权平均值[8-10]。克立格法以区域化变量理论为基础，变异函数为分析工具，对空间分布具有随机性与结构性的变量研究具有独特优点[11]。克立格插值法不仅加入海拔因子对插值运算点的影响，还可克服受样本点距离的影响，所以选用克立格插值法[11]。

式中，Z（X0）为未知样点的值，Z（xi）为未知样点周围的已知样本点的值，λi为第i个已知样本点对未知样点的权重，n为已知样本点的个数。

3 结果与分析

3.1 黑土区1961～2012年平均年降水量空间变化分析

根据黑土区24个市县52年平均降水量数据，在ArcGIS 9.3环境下生成1 km×1 km栅格降水分布图，黑土区所在24个市县52年平均降水量分布范围为465.60～599.90 mm。基于黑土区52年平均降水量栅格数据，得知全省黑土区24个县年平均降水量为515.38 mm。如图2所示，黑土区降水由西向东梯次增加，中部地区降水量比较高，最高可达597.53 mm，西部、西北部地区比较低，最低至467.25mm，同一纬度，由西向东近52年平均降水量逐渐升高。在图2中，黑土区西部地区如讷河市、依安县年降水量最少，为465.60.50～484.87 mm；中部地区如巴彦、宾县和五常最高，可达575.05～599.90 mm；其余市县处于484.87～575.05 mm之间的降水量。

3.2 黑土区1961～2012年四季平均降水量空间变化分析

如图3所示，夏季降水量出现中部高，东西部低的特点，其他季节降水量由西向东逐渐增大。黑土区降水具有明显的季节变化特点，巴彦县、五常及庆安为降水量较大地区，达到374.95～393.50 mm；青冈县、兰西、明水为降水量较小地区，达到6.42～8.67 mm。而春季与秋季平均降水量相比，没有显著差异。

图2 黑龙江省黑土区1961～2012年平均降水量空间分布Fig.2 Spatial analysis of 1961-2012 mean amount of precipitation in the black soil area of Heilongjiang Province

图3 黑土区近52年四季平均降水量空间分布Fig.3 Spatial analysist of 52 years'four seasons mean amount of Precipitation in black soil area

由图4可知，春、夏、秋、冬四季的52年降水量平均值分别为71.40、345.50、91.36、11.62 mm。夏季降水最多，占全年降水量60%左右，冬季相对较少。春、夏、秋、冬四季降水量气候倾向率分别为4.564、-4.469、-2.049、1.709·10a-1。在春季，降水变化比较剧烈，60年代、70年代以及80年代中期降水量变化不明显。80年代中期降水量减少，90年代末期到00年代降水量大幅度增加。在夏季，60年代前期降水量下降，60年代末到70年代中期降水量减少，70年代中期降水量有所增加，80年代中期降水量出现明显波动变化。在秋季，60年代中期到70年代中期降水量减少，70年代中期降水量缓慢增加到90年代开始减少，到中期降水量趋于稳定。在冬季，80年代中期之前降水量没有明显变化，此后降水量减少，90年代中期到00年代降水量增加。

图4 黑土区近52年四季降水量趋势变化分析Fig.4 Trend changes in four seasons amount of preciptation in the black soil area in recent 52 years

3.3 黑龙江省黑土区平均降水年代际变化空间分析

利用黑土区24个气象台站观测到的数据计算降水量年代际变化分布，从空间分布来看（见图5），黑土区年代平均降水量总体减少，高降水区域面积有所减少。但1970s与1980s相比，降水量有所增加，其中宾县由554.08～571.98 mm升至589.90～630.10 mm；嫩江由446.62～464.52 mm升至482.44～500.34 mm。1980s与2000s相比降水量减少，其中五常、宾县、巴彦由589.90～630.10 mm降至548.88.08～576.90 mm；海伦、庆安由571.99～589.89 mm降至539.60.26～548.88 mm；黑土区中部地区双城、拜泉县、青冈县呈现由482.44～500.34 mm降至474.30～485.46 mm，其他县市呈现出474.30～539.60 mm之间波动变化。

由图6可知，从时间分析来看，到21世纪初，其年代平均最高降水量为544.19 mm，最低为478.64 mm。1970s年降水量比1960s减少47.67 mm。但是1980s年降水量增加显著，比1970s年降水量增加65.55 mm，且增加幅度较大。1990s和1980s变化不明显。2000s年降水量减少显著。

3.4 黑土区1961～2012年降水量趋势性变化分析

以黑龙江省黑土区1961～2012年平均降水量为变量，年代为自变量，生成时间序列，对整个序列作线性拟合分析，趋势方程为y=-0.0480+518.080如图7所示，年平均降水量最低为353.25 mm，出现在2001年，最高676.8 mm，出现在1994年。气候倾向率为-0.480 mm·10a-1，即52年来黑土区平均降水量每年下降0.0480 mm。但是黑土区年平均降水量线性化趋势不明显，从5a滑动平均看，52年黑土区年平均降水量有明显的波动特征，60年代到70年代初期降水量减少，70年代初期到80年代中期，黑土区年平均降水量增加，80年代中期之后降水量出现波动变化。

图5 黑土区平均降水量年代际变化空间分布Fig.5 Distributions of inter-decadal variation of precipitation in black soil area

图6 黑土区年代平均降水量Fig.6 Column chart of the decadal trend of the average precipition in the black soil area

图7 黑土区1961～2012年降水量趋势变化分析Fig.7 Trend changes in yearly mean amount of precipitation in the black soil area during 1961-2012

4 讨论与结论

a.黑龙江省黑土区近52年降水量呈现中部高、东西部低特点，中部地区如巴彦、宾县和五常最高，可达575.05～599.90 mm；西部地区讷河市、依安县年降水量最少为465.60.50～484.87 mm。黑土区52年降水量变化趋势不明显，但存在波动变化特点。年平均降水量为515.38 mm，每年降水量减少0.0480 mm。

b.黑土区近52年四个季节的平均降水量由西向东逐渐增大，东西有明显差异。夏季降水量最大为345.50 mm；冬季降水量最小为11.62 mm。春、秋季平均降水量分别为71.40、91.36 mm。52年春季和冬季降水量有显著增加趋势，夏季和秋季有微弱下降趋势。

c.52年黑土区年代平均降水量总体减少，高降水量区域面积缩小。1980年平均降水量最高为544.19 mm，1970年最低为478.64 mm。

d.黑土区降水量减少，年平均气温升高[12]，总体气候变化呈现干暖化趋势，对黑土区生态环境造成不利影响。

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SUN Yankun1,WANG Qian1,ZHANG Liyou2,LI Weihai3,GAO Jian4(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Jilin Province Baicheng City Artificial Rainfall Base,Baicheng Jilin 137000,China;3.Heilongjiang Province Heihe City Observatory,Heihe Heilongjiang 164300,China;4.Heilongjiang Province Zhaoyuan City Observatory,Daqing Heilongjiang 166500,China)

Based on the daily precipition data in the 24 meteorological stations in the black soil area in Heilongjiang Province from 1961 to 2012 and with ArcGIS 9.2,Spatial Interpolation Analysis, this paper makes an analysis of the chronic and spatial precipition features in the black soil areas.It showed that,①It showed that the precipition of middle years were higher and both sides were lower in black soil area of Hei longjiang Province inr nearly 52 years.The trend changes of precipitation in the black soil area were not significant in 52 years,showing fluctuation characteristics.The average annual precipation was 515.38 mm,the precipition decreased about 0.0480 mm every year.②Judging from the various seasons,The annual precipition increased gradually from west to east during the period of 52 years.the precipition of summer was the highest,the average precipition of summer was 345.50mm;the precipition of winner was the lowest,the average precipition of winner was 11.62 mm;the spring was 71.40 mm;the autumn was 91.36 mm.The linear increase trend was significant in spring and winter,but decrease trend in summer and autumn were not obvious.③Inter-decadal variation of precipitation in black soil area in 52 years decreased as a whole,the area of higher precition was shrink gradually.The average precipition was the highest in 1980s,it was 544.19 mm;The average precipition was the lowest in 1970s,It was 478.64 mm.

black soil area;ArcGIS;amount of precipition;temporal and spatial distribution

S162.1；P468.0+24

A

1005-9369（2014）05-0069-06

2013-12-03

UNDP绿色发展项目（CPR/06/209）

孙彦坤（1966-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为气象生态。E-mail:yk_sun@163.com

时间2014-5-19 11:56:06[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140519.1156.015.html

孙彦坤,王倩,张立友,等.黑龙江省黑土区近52年降水时空变化[J].东北农业大学学报,2014,45(5):69-74.

Sun Yankun,Wang Qian,Zhang Liyou,et al.Analysis of spatial-temporal precipitation variation in black soil area of Heilongjiang Province in recent 52 years[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(5):69-74.(in Chinese with English abstract)

Analysis of spatial-temporal precipitation variation in black soil area of Heilongjiang Province in recent 52 years