黑龍江省作物生長季降水年際、年代際變化的區(qū)域差別

張苗苗， 鄭 凱， 牛忠清

(黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江哈爾濱 150030)

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黑龍江省作物生長季降水年際、年代際變化的區(qū)域差別

張苗苗， 鄭 凱， 牛忠清

(黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江哈爾濱 150030)

采用REOF法對黑龍江省5～9月降水異常進行了分區(qū)，分析了不同分區(qū)內(nèi)降水的變化趨勢和周期性特征，結果表明，黑龍江省降水異?？煞譃槲髂喜?、東部和西北部3個分區(qū)；西南部旱澇事件交替頻繁，西北部強的旱澇事件發(fā)生概率最小，20世紀70年代末～80年代初，西南部和西北部降水減少趨勢顯著，其他時段內(nèi)降水無顯著變化趨勢，不同分區(qū)內(nèi)降水變化存在階段性特征；3個降水異常分區(qū)降水均存在不同尺度的年際、年代際變化特征，西南部降水準11年尺度的周期變化和東部三江平原2～4年尺度周期信號在整個時域中均有體現(xiàn)。

降水；REOF；年際變化；年代際變化；區(qū)域差別

黑龍江省是我國最大的商品糧生產(chǎn)基地，糧食商品量和商品率均居全國首位，2002～2007年黑龍江省累計為國家提供商品糧1 188億kg，年均商品率高達72%，為保障我國糧食安全做出了巨大貢獻。20世紀80年代以來的氣候變暖使黑龍江省氣溫升高，作為我國受全球氣候變暖影響增溫最顯著的地區(qū)之一[1-2]，雖然地表降水變化不大，但蒸發(fā)量加大，導致土壤失墑，加劇了干旱的發(fā)生，特別是嚴重夏旱的頻率明顯增加，給區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境等帶來很多不利影響。水資源嚴重不足和失衡已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸，并上升為首要的資源問題。認識降水變化的規(guī)律及產(chǎn)生的原因是進行準確氣候預測的保障，對我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，眾多學者對黑龍江省的降水的時空分布特征和成因進行了大量研究[3-10]，但由于黑龍江省地形比較復雜，使得降水的區(qū)域性差異較大，很多研究未能揭示不同地理區(qū)域降水的變化特征。此外，考慮到黑龍江省主要農(nóng)作物生長季集中在5～9月，因此，筆者首先對黑龍江省5～9月降水進行分區(qū)，然后討論不同分區(qū)內(nèi)降水的長期趨勢、突變情況和周期性特征。

1 資料和方法

選用黑龍江省68個氣象觀測站(圖1)1961～2010年5～9月逐日降水資料進行統(tǒng)計，得到各站1961～2010年5～9月降水時間序列，對降水距平進行標準化處理，然后應用旋轉經(jīng)驗正交函數(shù)(Rotated Empirical Orthogonal Function，簡稱REOF)進行降水異常的區(qū)劃[11]；再應用趨勢系數(shù)法[12]、累積距平法、Mann-Kendall趨勢檢驗法[13-14]和小波分析法[15-16]等方法，分析不同分區(qū)內(nèi)降水的長期趨勢、突變情況和周期性特征。

圖1 黑龍江省氣象觀測站點分布

2 黑龍江省5～9月降水量的空間分布特征

受地理位置、大氣環(huán)流和地形地貌等因素的影響，黑龍江省5～9月降水空間分布不均(圖2a)，區(qū)域差異較大。多年平均降水量為337.3～527.2 mm，降水的大值區(qū)位于中部的伊春、哈爾濱和鶴崗西部，向東向西遞減；大值中心位于鶴崗，降水量為527.2 mm，尚志、伊春、鐵力5～9月降水量均在520.0 mm以上。黑龍江省西南部位于大興安嶺背風坡，氣流過山后沿背風坡下沉，按干絕熱直減率增溫，較氣流過山前溫度升高、濕度降低，不利于降水的產(chǎn)生，導致位于西南部的齊齊哈爾、大慶和綏化南部地區(qū)成為全省降水低值區(qū)，干旱頻發(fā)，5～9月平均降水量不足400 mm，低值中心位于泰來站，降水量僅337.3 mm。

從長期趨勢上看(圖2b)，近50年大興安嶺地區(qū)和齊齊哈爾東北部部分站點5～9月降水量存在增加趨勢，其他地區(qū)降水量則表現(xiàn)為不同程度的減少趨勢，平均速率為-8.5 mm/10a，其中以中部地區(qū)減少速率最大，總體上看，全省5～9月降水量的變化趨勢不顯著。

圖2 1961～2010年黑龍江省5～9月降水量的空間分布(a)及變化趨勢(b)

3 黑龍江省5～9月降水異常區(qū)劃

首先對68站5～9月降水資料距平進行標準化，然后進行經(jīng)驗正交分解(Empirical Orthogonal Function，簡稱EOF)，根據(jù)North法則[17]，對前3個載荷向量進行旋轉，累積方差貢獻率60.75%(表1)，基本可以反映降水異常的主要分布形態(tài)，從而得到黑龍江省5～9月降水的旱澇空間分布類型。

3.1 第1旋轉載荷向量場——西南部平原大值區(qū)覆蓋西南部松嫩平原地區(qū)，包括齊齊哈爾、大慶、綏化、伊春南部和哈爾濱西部，處于大興安嶺背風坡，中心位于林甸縣，最大載荷0.72(圖3a1)。這里年降水量較少，是黑龍江省降水最少的地區(qū)，干旱是它的主要氣候特征，降水變率大，且降水效率也明顯低于周邊地區(qū)。

3.2 第2旋轉載荷向量場——東部三江平原大值區(qū)主要位于三江平原地區(qū)，中心荷載0.84，位于黑龍江富錦(圖3a2)。受日本海和鄂霍茨克海潮濕氣流的影響，三江平原5～9降水較同緯度的松嫩平原明顯偏多，加之這里廣闊低平的沼澤濕地作用，使這一地區(qū)形成了獨有的旱澇空間分布。

3.3 第3旋轉載荷向量場——西北部大值區(qū)主要位于大興安嶺、黑河、伊春西北部一帶，最大載荷0.79，位于黑龍江呼瑪(圖3a3)。這里大興安嶺與小興安嶺山脈相接，森林覆蓋率高，受到寒冷濕潤森林氣候的影響。

由旋轉后各個特征向量的荷載分布圖(圖3a)可見，對于各個特征向量，荷載分布圖上總有1、2個高中心或高值區(qū)，以這些高值區(qū)為基礎將荷載≥0.5的地理位置成片的測站歸為一個區(qū)，其余測站根據(jù)相鄰區(qū)之間對應特征向量荷載的相對大小來確定所屬區(qū)域，如大小相等，則考慮該測站與相鄰分區(qū)的相關性，歸入相關系數(shù)大的區(qū)域，得到黑龍江省5～9月降水異常分區(qū)(圖3b)，所反映的黑龍江省5～9月降水旱澇型主要包括西南部平原(I)、東部三江平原(II)和西北部大小興安嶺(III)3個分區(qū)，這3個旱澇型主要受黑龍江省不同的下墊面特征、地形地貌和地理位置以及主要影響天氣系統(tǒng)的差異的影響，各分區(qū)內(nèi)旱澇變化具有相對一致的特征。

表1 黑龍江省5～9月降水量前3個特征向量的方差貢獻百分率

%

4 不同降水異常分區(qū)5～9降水的時間變化特征

4.1 西南部平原(I區(qū))5～9月降水的時間特征

4.1.1年際變化。由圖4a可見，黑龍江省西南部5～9月降水量年際變化明顯，平均降水變率14.8%，歷年降水為黑龍江省最低，僅429.1 mm；以1994年的降水量最多，為601.7 mm；2007年最少，僅285.0 mm;近50年來5～9月降水存在減少趨勢。由累積距平曲線(圖4b)可見，西南部5～9月降水量存在3個轉折點，分別位于1963、1983和1998年。1961～1963年，累積曲線存在上升趨勢；1964～1982年，累積曲線分階段下降，以負距平為主，平均距平-24.9 mm；1983～1998年，累積曲線表現(xiàn)為上升趨勢，以正距平為主，平均距平48.3 mm；1999～2010年，累積曲線再次呈現(xiàn)下降趨勢，平均距平-44.4 mm，同時，1983年以后，降水的變幅增大，旱澇事件頻發(fā)。

4.1.2突變檢驗。由Mann-Kendall趨勢檢驗曲線(圖4c)可見，降水量在20世紀70年代末～80年代初的幾年間減少趨勢顯著，超過0.05顯著水平臨界線，其他時段內(nèi)的變化趨勢不顯著；UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交，但僅在1963年相交后超過顯著水平臨界線，可確定1963年為5～9月降水量變化的突變點。

4.1.3小波分析。從圖4d可看出，近50年西南部5～9月降水存在準3年、2～7年尺度的年際變化，階段性特征明顯，其中準3年尺度的年際變化以20世紀80年代中期～90年代中期信號最強，之后以2～7年尺度周期振蕩為主要特征。西南部地區(qū)降水以準11年尺度的周期信號最為顯著，等值線最為密集，中心強度最大，在整個時域中基本均有體現(xiàn)。同時，小波變換頂部反應出可能存在30年以上的周期特征。黑龍江省西南部地區(qū)素有“十年九旱”之說，干旱發(fā)生頻率高，強度大，從Morlet小波變換圖看，是不同尺度共同作用的結果，如1976、1982、1989和1999～2002年的嚴重干旱在年際和年代際尺度上均有響應，而1998年松嫩平原的降水異常偏多，也是2～7年和準11年尺度共同作用的結果。

注：a1、a2、a3分別為第1、第2、第3個旋轉荷向量。圖3 黑龍江省5～9月降水前3個旋轉載荷向量場分布(a)及降水異常分區(qū)(b)

圖4 1961～2010年黑龍江省西南部平原(I區(qū))5～9月降水量的年際變化(a)、累積距平(b)、Mann-Kendall趨勢檢驗(c)和小波變換(d)

4.2 東部三江平原(II區(qū))5～9月降水的時間特征

4.2.1年際變化。由圖5a可見，黑龍江省東部5～9月降水量為285.8～662.6 mm，平均降水變率14.0%；其中，以1994年的降水量最多，為662.6 mm；1979年最少，僅285.8 mm；近50年三江平原地區(qū)5～9月降水存在減少趨勢。由累積距平曲線(圖5b)可見，東部三江平原地區(qū)5～9月降水量變化相對復雜。1961～1965年，累積曲線存在上升趨勢；1966～1974年，累積曲線以年際變化為主，變化相對平穩(wěn)；1975～1980年，累積曲線表現(xiàn)為下降趨勢，以負距平為主，平均距平-97.3 mm，該時段內(nèi)干旱發(fā)生頻繁，且強度較大；1981～1998年，東部地區(qū)降水明顯增加，以正距平為主，平均距平39.0 mm；1999年以后，累積曲線呈下降趨勢，多數(shù)年份降水量低于歷年均值。

4.2.2突變檢驗。由Mann-Kendall趨勢檢驗曲線(圖5c)可見，東部地區(qū)降水量的變化趨勢不顯著；UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交，不能確定降水變化的突變點。

4.2.3小波分析。從圖5d可看出，近50年三江平原5～9月降水存在2～4、10～15和20～30年尺度的周期變化。其中2～4年尺度的年際變化在整個時域中均有體現(xiàn)，且以20世紀60年代中期～80年代初及1990～2000年的等值線最為密集，信號最強，頻域中心位于3年左右；10～15年尺度的周期信號主要體現(xiàn)在2000年以前，中心位于11年左右；20～30年年代際尺度的周期變化在整個時域中均有體現(xiàn)，頻域中心位于24年左右，將整個時域劃分為1961～1975、1981～1998年2個多雨偏澇期和1976～1980、1999～2010年2個少雨偏旱期。1981和1994年為東部地區(qū)降水偏多的年份，從頻域上看，是2～4、10～15和20～30年多尺度共同作用的結果。

圖5 1961～2010年黑龍江省東部三江平原(II區(qū))5～9月降水量的年際變化(a)、累積距平(b)、Mann-Kendall趨勢檢驗(c)和小波變換(d)

圖6 1961～2010年黑龍江省西北部(III區(qū))5～9月降水量的年際變化(a)、累積距平(b)、Mann-Kendall趨勢檢驗(c)和小波變換(d)

4.3 西北部(III區(qū))5～9月降水的時間特征

4.3.1年際變化。由圖6a可見，黑龍江省西北部5～9月降水量為312.6～597.2 mm，西北部地區(qū)為大小興安嶺覆蓋，降水年際變化相對較小，平均降水變率13.0%，其中，以1962年的降水量最多，為597.2 mm；2007年最少，為312.6 mm；西北地區(qū)與I區(qū)、II區(qū)降水的長期趨勢一致，近50年來存在減少趨勢。由累積距平曲線(圖6b)可見，西北部地區(qū)5～9月降水量大致存在3個轉折點，分別位于1963、1980和1998年。1961～1963年，累積曲線存在上升趨勢；1964～1980年，累積曲線穩(wěn)中有降，其中，20世紀60年代中期～70年代中期降水以年際變化為主；1981～1992年，累積曲線表現(xiàn)為上升趨勢，以正距平為主，平均距平21.0 mm；1993～1998年降水年際變化較小，1999～2010年累積曲線呈下降趨勢，降水以負距平為主，平均距平-39.2 mm。

4.3.2突變檢驗。由Mann-Kendall趨勢檢驗曲線(圖6c)可見，西北部地區(qū)降水量在20世紀70年代末減少趨勢顯著，其他時間降水的變化趨勢不顯著；UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)多次相交，但僅在1963年相交后通過了顯著水平臨界線，確定1963年為降水變化的1個突變點。

4.3.3小波分析。從圖6d可看出，近50年西北部5～9月降水存在2～4、10～15和20～30年尺度的周期變化，2～4和10～15年尺度的周期變化存在階段性特征。2～4年年際尺度周期信號在20世紀70年代以前、80年代初～90年代初以及2000年以后均有體現(xiàn)，信號較強；10～15年尺度周期信號在60～80年代較強，頻域中心位于11年左右；小波變換頂部等值線密集，表明降水可能存在20～30年年代際尺度的周期變化，且在整個時域中均有體現(xiàn)，頻域中心位于24年左右，將整個時域劃分為1961～1964、1984～1998年2個多雨偏澇期和1965～1983、1999～2010年2個少雨偏旱期。

5 小結

(1)黑龍江省作物生長季降水異常可分為3區(qū)，分別為西南部平原、東部三江平原和西北部大小興安嶺。

(2)近50年來3個分區(qū)的降水均呈減少趨勢。西南部地區(qū)降水年際變幅最大，旱澇事件交替頻繁，西北部地區(qū)降水的旱澇事件發(fā)生概率最小，強度小，20世紀80年代以前降水變化相對穩(wěn)定，70年代末～80年代初西南部平原和西北部大小興安嶺降水減少趨勢顯著，其他時段內(nèi)降水無顯著變化趨勢，不同分區(qū)內(nèi)降水變化存在階段性特征。

(3)近50年3個降水異常分區(qū)降水均存在不同尺度的年際、年代際變化特征，且局部化特征明顯，差異較大。西南部準11年尺度的周期信號和東部2～4年尺度周期振蕩在整個時域中均有體現(xiàn)。

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Regional Differences of Crop Growth Season Precipitation Inter-annual and Inter-decadal Variations in Heilongjiang Province

ZHANG Miao-miao, ZHENG Kai, NIU Zhong-qing

(Heilongjiang Weather Modification Office, Harbin, Heilongjiang 150030)

The compartments of the crop growth season precipitation anomaly in Heilongjiang Province are made, and the trend and period are discussed by means of REOF and wavelet analysis methods. The results showed that Heilongjiang Province was divided into 3 regions, including southwest, east and northeast part. Drought and flood events occurred frequently in southwest region, but that seldom happened in northwest. The precipitation decreasing trend was significant in southwest and northeast region at the end of the 70's to the early 80's, but that was not significant at other times. The precipitation existed stage characteristics in different regions. There were different scales inter-decadal and inter-annual variations in different areas. The rainfall events were concentrated on the quasi-eleven years scales fluctuation being the most remarkable in the southwest area. The two to four year scales fluctuation was obvious in the east region. The inter-decadal and inter-annual variations existed local characteristics in the northeast regions.

Precipitation; REOF; Inter-annual variation; Inter-decadal variation; Regional differences

中國氣象局氣候變化專項(CCSF201209)。

張苗苗(1982- )，女，黑龍江賓人，工程師，從事人工影響天氣研究。

2014-12-11

S 161.6

A

0517-6611(2015)04-194-05