黑龙江省近50年降水变化趋势及空间分布特征

靳春香,王秀茹,王希,侯琨,王铎

(北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

黑龙江省近50年降水变化趋势及空间分布特征

靳春香,王秀茹†,王希,侯琨,王铎

(北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

依据黑龙江省呼玛、孙吴、齐齐哈尔、富锦、安达、哈尔滨、鸡西和牡丹江8个气象站1960—2012年的降水资料,运用线性回归、Mann-Kendall秩相关检验法和GIS空间插值等方法,分析该区近50多年来降水变化趋势和空间分布特征。结果表明:1)黑龙江省年代际降水表现为2降1升或2升1降30 a左右的周期,且从2012年开始转为多水期;2)除齐齐哈尔、呼玛站和安达站外,多年平均降水量在500 mm以上,降水集中在夏季,约占全年的64%,所有站点多年平均月降水量均呈现单峰曲线变化;3)仅孙吴和鸡西站年降水量呈显著减少趋势;4)多年降水空间分布以孙吴站和牡丹江为中心向周围递减,春季空间分布与多年降水空间分布较为一致;5)黑龙江省南部和北部年降水量均发生2次突变,分别为20世纪80年代初中期和21世纪初期,东、西部不存在明显的突变。研究结果可为该区的降水研究、水资源配置和生产实践等提供参考。

降水;趋势;空间分布;突变性;黑龙江省

随着气候日益变化,降水气候因子引起学者的广泛关注和研究[1]。纵观相关研究,我国已有众多学者针对各地区气候变化进行了较为深入的研究。王志伟等[2]和翟盘茂等[3]依据降水资料采用Z指数作为旱涝等级划分标准对我国北方进行旱涝分等定级并研究其变化趋势;左洪超等[4]认为我国降水量的变化存在明显的区域特征,新疆增加最快,华中、华北地区呈明显减少趋势;徐宗学等[5]运用非参数检验方法(Mann-Kendall法)研究黄河流域变化趋势,并用线性回归进行比较,结果表明这2种检验方法具有一定的相关性,但不能互相替代,还需进一步研究哪种方法或有更为合适的方法可在趋势检验时能够获得更为准确的结果;董满宇等[6]利用非参数统计检验法(Mann-Kendall)研究了吉林省降水趋势,认为近50年吉林省降水呈下降趋势;王英等[7]利用空间插值和Mann-Kendall时间序列趋势分析方法并结合GIS技术,分析了我国降水量的时空变化特征,认为中国北方有从干旱到湿润转变的迹象;卢爱刚等[8]研究了半个世纪以来我国降水区域变化的稳定性,得出中国20世纪后半期的夏季降水变化幅度有显著的纬度效应;徐利岗等[9]利用Mann-Kendall法研究了我国北方荒漠区降水稳定性,结果表明降水的年内分布在时间和空间均呈现出较大的变异性;吴绍洪等[10]和任朝霞等[11]研究了西北地区气候变化趋势,根据研究结果预测,未来50年中西北干旱区大旱次数比近50年将会有所减少;姜珊等[12]利用数理统计方法分析了烟台市降水变化规律及时空分布特征,表明烟台市降水量由南向北逐渐减少且近30年降水量呈现出增长趋势;蒋冲等[13]采用气候倾向率、样条曲线插值法等方法分析了秦岭南北气温、降水等的时空变化特征,结果呈现多年平均降水量由南向北递减变化特征。

近50年以来,在全球气候变化的背景之下,黑龙江省降水量也发生了变化,过去的2013年降水异常偏多,对该省的生产、水利工程等造成了较为严重的影响[14-16]。笔者在前人研究的基础上,分析黑龙江省的降水变化特征和变化趋势,以及研究区降水的空间分布特征,以期为该区包括水资源配置、水利工程等在内的各项研究工作及生产实践(如农田水利管道和渠道尺寸设计等)提供参考。

1 数据来源

采用黑龙江省呼玛、孙吴、齐齐哈尔、富锦、安达、哈尔滨、鸡西和牡丹江8个气象站1960—2012年逐日降水气象资料来计算日序列的降水量。原始气象资料来源于国家气象资料中心提供的中国地面气候资料国际交换站数据集。年代际、年际、季节、月均值及日均值均由逐日降水量统计所得。表1为代表站点的地理位置和海拔情况。

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

2 研究方法

2.1 趋势性及突变性分析

在研究降水量趋势分析时,利用线性回归和Mann-Kendall秩相关检验法,并且利用Mann-Kendall秩相关检验法,对代表站点的降水量时间序列进行突变性检验。

2.1.1 线性回归估计 根据各站点降雨量,用y=a+bt进行线性拟合。式中:y为降水量;x为时间;b为降水量变化系数,b=dy/dt,10b为降水倾向率,用来判断降水随时间的变化趋势,并利用方差进行了显著性检验。

2.1.2 Mann-Kendall秩相关检验法 Mann-Kendall是一种非参数统计检验方法,是水文气象资料趋势检验和水文时间序列单调趋势检验的有效工具,如水质、流量、气温和降雨等[17-20]。

趋势检验统计量U＞0代表该时间序列为增加趋势,反之亦然。在给定显著性水平α=0.1的显著水平下,若|U|＞Ua=1.282,则该时间序列通过显著性检验,显著性水平为90%;同理在α=0.05的显著水平下,若|U|＞Ua=1.645,则该时间序列通过显著性检验,显著性水平为95%。

同时,M-K方法还可用于时间序列的突变性检验,利用时间序列统计量C1和C22条曲线,取显著水平为α=0.05,假若C1、C2两条曲线交于置信度线之间,则此点可能是突变点的开始,反之则不存在突变点。

2.2 空间插值法

研究代表站点降水量空间分布时,采用地理信息系统栅格数据插值分析中的反距离权重插值法。反距离权重插值法(IDW)是基于Tobler定理提出的一种简单的插值方法。由于其原理简单、计算方便等特点被广泛应用在各方面的研究中[21-22]。 它弥补了常规的测量方法无法对空间中所有点进行观测,且可根据已采集的反映空间分布的全部或部分特征样本点数据来计算出所需要的样本点值的不足,并据此预测未知地理空间的特征[23]。

3 结果与分析

3.1 降水变化特征

3.1.1 年代际变化特征 近50年降水年代际变化特征见图1,可看出:8站点年代际变化与黑龙江省平均年代际变化趋势均一致。其表现为:降水量连续2个年代下降1个年代上升(2降1升)或连续2个年代上升1个年代下降(2升1降),即降水存在30a左右的周期。这与潘华盛等[15]和高玉中等[16]对黑龙江省降水特征的研究和预测结果一致。以8站点平均年代际变化与富锦站年代际变化为例,70年代降水均值分别达到512.98和518.76 mm;80年代降水下降分别达到439.31和467.8 4mm;90年代降水上升,年代降水均值分别达535.83和553.47 mm。而后又开始连续20 a(20世纪90年代—21世纪初)降水呈下降趋势。由图1可知,从20世纪90年代到21世纪10年代,已连续2个年代降水下降,根据以上年代际特征,可推断从2012年开始黑龙江省降水将由少水转为多水。

图1 降水年代际变化Fig.1 Decadal change of precipitation

3.1.2 年际变化特征 近50年以来,8个代表气象站降水量的统计结果(表2)表明:1)多年平均降水量最大为牡丹江站(538.71 mm),最小为齐齐哈尔站(425.98 mm);2)孙吴、齐齐哈尔、富锦、安达和鸡西站年际变化相对较大,8个站点年降水量序列的变异系数均在0.20左右,且降水极差均在400 mm以上(除呼玛站降水极差为318 mm外);3)研究时段内,8站极旱年均出现在21世纪初期,而极涝年无明显规律;4)从图2中可知,黑龙江省在1960—1965年之间降水偏多,但1965年以后降水明显减少,这种干旱趋势在1970年虽有所缓和,但干旱趋势一直延续到20世纪80年代初。自20世纪80年代初开始至90年代初,降水量明显增加,但在90年代初到20世纪末,降水量又有明显的减少趋势,这种减少趋势持续至21世纪初,即持续到研究时段2012年;5)根据表2和图3可知,8站点降水量年均值在空间上的分布与唐蕴等[24]对东北地区近50年降水时空研究结果基本一致。具体规律为牡丹江站＞孙吴站＞鸡西站＞哈尔滨站＞富锦站＞呼玛站＞安达站＞齐齐哈尔站。黑龙江省降水量年均值在空间上总体表现为:以牡丹江站、孙吴站2站点为中心,向周围递减,至西部松嫩平原区最小,并且齐齐哈尔站、安达站平均降水量小于大兴安岭地区的平均降水量,具体分布情况见图2。

3.1.3 年内变化特征

1)季节变化特征。各站点四季降水量分布如图4所示,可以看出,8个站点均表现为夏季降水量最大,春秋季次之,冬季最少,季节变化趋势均相同。(1)根据黑龙江省降水量的季节分配比例分析,各站的降水量主要集中在夏季,6—8月平均降水量约占全年平均降水量的 64.13%,夏季降水量为287.39～344.95 mm,最小值在呼玛站,最大值在哈尔滨站;(2)春季降水量为53.95～91.08 mm,最小值在安达站,最大值在牡丹江站;(3)秋季降水量与春季相差不多,降水量处于60.69～106.35 mm,最小值在安达站,最大值在富锦站,并且春季与秋季降水形式分布基本一致;(4)冬季降水量约5.85～19.20 mm,最小值在安达站,最大值在富锦站。

表2 各代表气象站降水年际变化特征值Tab.2 Statistics of the precipitation sequences at each station

图2 各站点降水量年际距平值变化曲线Fig.2 Curves of annual precipitation anomaly at each station

各站点4季降水量空间分布如图5所示。(1)春季平均降水的空间分布与多年平均降水空间分布较为一致,东南部地区最大,达到91.08 mm,向周围递减,至西部安达站达到最小,仅53.95 mm。(2)夏季平均降水量的空间分布表现为中部哈尔滨站和孙吴站最大,北部呼玛站、东部富锦站最小。该季节的最大值也是4季中的最大值,达到344.94 mm。(3)秋季平均降水量的空间分布表现为降水量由东向西逐渐减少,只有以富锦站和牡丹江站为中心的小区域出现增加,与周围区域有反差。(4)冬季平均降水量在东南部较大,西南部及西北部较小,最小值出现在西南地区,冬季该区的最小值也是4季中的最小值,只有5.85 mm。

图3 黑龙江省多年平均降水量空间分布Fig.3 Spatial distribution of average annual precipitation for many years in Heilongjiang Province

图4 各站点多年降水量季节均值变化趋势Fig.4 Seasonal variation of average annual precipitation at each station

图5 黑龙江省多年降水量季节均值空间分布Fig.5 Spatial distribution of average value of seasonal precipitation in Heilongjiang Province

2)月均变化特征。图6是8站点多年逐月平均降水量曲线图,可以看出,8站点的月均降水量变化趋势一致,均为单峰型。富锦站1—8月降水量递增,最大值为112.17 mm;9—12月降水量递减,最小值为5.03 mm。其他各站1—7月降水量递增,最大值为148.39 mm;8—12月降水量递减。安达站最小值出现在1月份,其值为1.52 mm,其他站点最小值均出现在2月。

图6 各站点降水量年内月份分配图Fig.6 Monthly distribution of average value of precipitation in Heilongjiang Province

3.2 趋势性分析

运用线性回归法和Mann-Kendall秩相关检验法对各代表气象站的降水量时间序列的平均趋势变化率及趋势性的显著程度进行分析和检验。由表2趋势检验结果可以看出,呼玛站、孙吴站、富锦站、鸡西站和牡丹江站5个站点年降水量均表现出一定的减少趋势,变化率分别为-0.254、-1.452、-0.735、 -1.105和-0.063 mm/a,近50多年孙吴、富锦和鸡西站年降水量减少的幅度较大,而呼玛和牡丹江站年降水量减少幅度较小。同时齐齐哈尔站、安达站和哈尔滨站则表现为一定的增长趋势,年降水量变化率分别为0.505,0.343和0.292 mm/a;但8个站点Mann-Kendall秩相关检验的结果表明,仅孙吴站通过α=95%的检验,呈现极显著性下降,鸡西站通过α=90%的检验,呈显著性下降,其他站趋势均不显著。

3.3 多年降水量突变分析

利用Mann-Kendall检验突变法,研究了8个气象站多年降水量的突变性,结果表明8个气象站中呼玛、孙吴、鸡西和牡丹江站的年降水量存在较为明显的突变点,其他气象站则不存在明显的突变点。由图7和表3可知:呼玛站存在2个突变点,分别在1975年和2000年附近;孙吴站突变点仅有1个,发生在1993年附近;鸡西站存在2个突变点,分别发生在1983年和1995年附近;牡丹江站存在2个突变点,分别发生在1983年和2000年附近。呼玛和孙吴站位于黑龙江省北部,鸡西和牡丹江站位于黑龙江省南部;因此认为4个代表气象站的突变结果可在一定程度上反映出黑龙江省北部和南部年降水突变年出现的大致时段。整体上,黑龙江省北部和南部年降水量均存在2次突变,分别为:第1次突变发生在20世纪80年代初中期,第2次突变发生在21世纪初期;东西部无明显的突变时间点。

图7 各气象站Mann-Kendall突变检验Fig.7 Results of Mann-Kendall tests at each station

表3 各气象站点突变点Tab.3 Abrupt changes of precipitation at each station

4 结论

1)黑龙江省近50多年间年代际降水特征表现为2降1升或2升1降,即存在30年左右的周期性。在此基础上推测2012年开始将由少降水期转为多降水期,可为各级部门对气象灾害的监测预报预警工作提供依据,综合提高抗御气象灾害的能力,最大程度减少黑龙江灾害气象的危害。

2)黑龙江省年际间、年内降水特征在地域上直观清晰地反映出降水的空间分布特征:以牡丹江、孙吴站2站点为中心向周围递减,至西部松嫩平原区最小,且齐齐哈尔站、安达站平均降水量小于大兴安岭地区的。结果有利于在空间分布上掌握全省降水特征,从而为该省不同地域内农田水利等设计提供依据。

3)Mann-Kendall检验突变法表明:黑龙江省北部和南部年降水量有2次突变,一次突变发生在20世纪80年代初中期,另一次突变发生在21世纪初期,东部与西部不存在明显的突变时间点。

黑龙江省降水量变化的空间格局及其演变特征不仅与研究气象资料有关,也需考虑区域大气环流及要素异常的影响,完全了解黑龙江省降水特征有待结合地域植被、全球气候等其他因素深入研究。

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(责任编辑: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,硕士研究生。主要研究方向:水土保持,流域治理,土地整理等。E-mail:jin080214317@ 163.com

†通信作者简介:王秀茹(1957—),女,博士,教授。主要研究方向:土地整治,水土保持及农田水利等。E-mail:wang-xr@163. com