氣候暖干化背景下東北地區(qū)旱澇時(shí)空演變特征

韓曉敏, 延軍平

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710062)

氣候暖干化背景下東北地區(qū)旱澇時(shí)空演變特征

韓曉敏, 延軍平

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710062)

摘要：[目的] 從旱澇災(zāi)害角度探討氣候變化對(duì)東北地區(qū)的影響，以期充分利用氣候資源，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化的對(duì)策措施提供理論依據(jù)。 [方法] 統(tǒng)計(jì)東北地區(qū)1956—2012年50個(gè)氣象臺(tái)站的逐月氣溫、降水資料，通過樣條插值法、Mann—Kendall檢測(cè)及Z指數(shù)方法對(duì)該區(qū)降水及旱澇時(shí)空演變特征進(jìn)行分析。 [結(jié)果] (1) 近57 a東北地區(qū)氣候整體呈現(xiàn)暖干化的趨勢(shì)； (2) 半濕潤(rùn)區(qū)增溫幅度最大，達(dá)0.34 ℃/10 a，濕潤(rùn)區(qū)相對(duì)較低，為0.25 ℃/10 a。半濕潤(rùn)區(qū)降水減少趨勢(shì)最為明顯，為-8.82 mm/10 a。 (3) 東北全區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)Z指數(shù)變化一致，呈現(xiàn)出“澇—旱—澇—旱”的演變特征。 (4) 大澇頻率高值中心分布于小興安嶺北部和三江平原、嫩江流域北部等；大旱頻率高值中心集中分布于東北地區(qū)西部。 [結(jié)論] 東北地區(qū)氣候暖干化的趨勢(shì)給該區(qū)農(nóng)牧業(yè)帶來不利影響，受旱地區(qū)應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)干旱預(yù)警緊方案，開展抗旱工作。

關(guān)鍵詞：旱澇災(zāi)害； 暖干化； 時(shí)空分布； 東北地區(qū)

近年在全球氣候變暖的大背景下，極端氣候事件頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每年氣象災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)全國(guó)GDP的3%～6%，旱澇為對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害[1]。東北地區(qū)作為我國(guó)重要的商品糧基地，其頻繁發(fā)生的旱災(zāi)、洪澇災(zāi)害、低溫冷害等氣象災(zāi)害嚴(yán)重影響了該區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，特別是在全球變暖的大背景下，突發(fā)性及致災(zāi)性的氣象災(zāi)害明顯增多[2]。目前，從農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害角度研究東北各省歷史變化趨勢(shì)文章較多[3]，而從旱澇特征本身作詳細(xì)分析的較少。本研究利用樣條插值法、Mann—Kendall檢測(cè)及Z指數(shù)方法對(duì)該地區(qū)旱澇特征的時(shí)空分布進(jìn)行相關(guān)分析，以期充分利用氣候資源，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化的對(duì)策措施提供理論依據(jù)，做到趨利避害。

1研究區(qū)概況

東北地區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧地區(qū)，位于我國(guó)的東北部，也是我國(guó)緯度最高的地區(qū)。該區(qū)屬溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，由于緊靠西伯利亞，深受寒冷干燥冬季風(fēng)的影響。降水量時(shí)空分布不均勻，年際變率較大，是我國(guó)氣象災(zāi)害頻繁且嚴(yán)重的地區(qū)之一[4-6]。該區(qū)多年平均氣溫為5.3 ℃,平均降雨量為610.8 mm。其境內(nèi)東北西三面為低山、中山環(huán)繞，中部為廣闊的東北大平原。

2資料來源與方法

根據(jù)氣象資料的完整度，選取東北地區(qū)50個(gè)氣象站點(diǎn)1956—2012年的逐月平均氣溫、降水量，資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、遼寧氣象局、黑龍江氣象局。對(duì)照吳紹洪等[7]的干濕劃分結(jié)果，將東北地區(qū)劃分為濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)、半干旱3個(gè)氣候區(qū)，分別對(duì)應(yīng)圖1中的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ(圖1)。主要應(yīng)用Z指數(shù)[8-11]、樣條函數(shù)插值法[12]、Mann—Kendall突變檢驗(yàn)法[13]、氣候傾向率及其它數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。

圖1　研究區(qū)域和氣候分區(qū)圖

由于某一時(shí)段的降水量一般不服從正態(tài)分布，而是服從PersonⅢ型分布，Z指數(shù)能夠消除降水量平均值不同的影響，對(duì)降水量進(jìn)行處理而得到服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的序列，對(duì)旱澇程度具有良好的反應(yīng)能力[14]。現(xiàn)假設(shè)該地區(qū)降水量服從PersonⅢ型分布，對(duì)降水量R進(jìn)行正態(tài)化處理，可將概率度函數(shù)PersonⅢ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。其轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

式中：Cs——偏態(tài)系數(shù)；φi——標(biāo)準(zhǔn)變量，均可由降水資料序列計(jì)算求得，計(jì)算公式為：

(2)

(3)

通過對(duì)東北地區(qū)50個(gè)氣象站點(diǎn)1956-2012年Z指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)表1確定東北地區(qū)各地的旱澇等級(jí)。發(fā)現(xiàn)每級(jí)的理論頻率和實(shí)際頻率均較為接近，表明該Z指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)能夠反映實(shí)際情況，可以用于研究東北地區(qū)的旱澇氣候變化特征。

表1　　Z指數(shù)旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及東北地區(qū)

3結(jié)果與分析

3.1　東北地區(qū)全區(qū)氣溫、降水年際變化

近57 a東北地區(qū)年平均氣溫呈整體震蕩上升趨勢(shì)(圖2)，多年平均氣溫為5.4 ℃，氣溫傾向率為0.30 ℃/10 a(通過了α=0.001的極顯著性水平)，略低于東北地區(qū)氣候傾向率0.32 ℃/10 a，明顯高于近50 a全國(guó)增溫速率0.25 ℃/10 a的平均水平[15]，氣候變暖現(xiàn)象顯著。由5 a滑動(dòng)平均可以看出，20世紀(jì)50年代末期到60年代初年均氣溫呈上升趨勢(shì)，60年代初到70年代初略微下降，之后到21世紀(jì)初持續(xù)上升，2006年后氣溫有所回落。2007年該區(qū)氣溫年均值達(dá)到7.0 ℃，為57 a來的最高值。該區(qū)年均降水量為614 mm，降水傾向率為-8 mm/10 a。由5 a滑動(dòng)平均可以看出，21世紀(jì)50年代中期到70年代初降水呈下降趨勢(shì)，之后到80年代末期降水略微增加，80年代末期至2005年持續(xù)下降，2005年至今降水有所增加。2012年降水量達(dá)到772 mm，為57 a來的最大值。

圖2　東北地區(qū)1956-2012年氣溫、降水量年際變化

3.2　東北地區(qū)各氣候區(qū)氣溫、降水背景值統(tǒng)計(jì)

對(duì)東北地區(qū)各氣候區(qū)氣溫進(jìn)行線性擬合(表2)，結(jié)果顯示各區(qū)氣溫呈上升趨勢(shì)，線性增溫明顯，但增溫幅度略有不同。半濕潤(rùn)區(qū)增溫幅度最大，達(dá)0.34 ℃/10 a，半干旱區(qū)增溫幅度略小于半濕潤(rùn)區(qū)，濕潤(rùn)區(qū)氣溫上升速率相對(duì)較低，為0.25 ℃/10 a。與半干旱、濕潤(rùn)氣候區(qū)相比，半濕潤(rùn)區(qū)氣溫標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明該氣候區(qū)氣溫較為離散，變化幅度較大。通過M-K突變檢驗(yàn)得知各氣候區(qū)氣溫突變年份集中于20世紀(jì)80年代中后期，東北地區(qū)全區(qū)突變年份為1985年，與濕潤(rùn)區(qū)突變年份較為一致。也與上述6階擬合曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致。各區(qū)降水也都有一定的減少趨勢(shì)，其中半濕潤(rùn)區(qū)減少趨勢(shì)最為明顯，為-8.82 mm/10 a，全區(qū)降水以8.02 mm/10 a的速率在減少，干旱化較為明顯。

表2　東北地區(qū)氣溫、降水背景值統(tǒng)計(jì)

3.3　東北地區(qū)及各氣候區(qū)旱澇特征對(duì)氣候變化的響應(yīng)

對(duì)東北地區(qū)全區(qū)及各區(qū)重旱、大旱，重澇、大澇頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表3)。由表3可知，1956—2012年整個(gè)東北地區(qū)大旱、重旱發(fā)生11次，重澇、大澇發(fā)生8次，旱的頻次大于澇的頻次。大澇、重澇發(fā)生于20世紀(jì)60年代，進(jìn)入21世紀(jì)，該區(qū)重旱頻次增加，有干旱化的趨勢(shì)，重澇也有所增加，氣候變暖使該地區(qū)旱、澇次數(shù)增加；濕潤(rùn)區(qū)大旱、重旱發(fā)生7次，大澇、重澇發(fā)生9次，澇的頻次大于旱的頻次；半濕潤(rùn)區(qū)大旱、重旱發(fā)生9次，大澇、重澇發(fā)生9次，旱澇發(fā)生頻次相等；半干旱區(qū)大旱、重旱發(fā)生9次，大澇、重澇發(fā)生10次，旱澇發(fā)生頻次基本相等。各區(qū)雨澇事件均以60年代居多，進(jìn)入21世紀(jì)，干旱事件增多，這與該區(qū)的實(shí)際情況基本一致。

表3　東北地區(qū)各氣候區(qū)大旱、大澇發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)　次

注：為了便于統(tǒng)計(jì)，將重旱歸類為大旱，將重澇歸類為大澇，表中“/”左邊為大旱、大澇頻次，右邊為重旱、重澇頻次。

大澇的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤(rùn)區(qū)<半干旱區(qū)<半濕潤(rùn)區(qū)，大旱的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤(rùn)區(qū)<半濕潤(rùn)區(qū)<半干旱區(qū)，濕潤(rùn)區(qū)發(fā)生大澇大旱頻率較低，半濕潤(rùn)區(qū)發(fā)生澇的頻率大，半干旱區(qū)發(fā)生旱的頻率大。1956—2012年東北地區(qū)及各氣候區(qū)旱澇指數(shù)變化表明，全區(qū)與半干旱區(qū)Z指數(shù)變化一致，呈現(xiàn)出“澇—旱—澇—旱”的特征，6階擬合線表明1956—1970年Z指數(shù)呈下降趨勢(shì)，之后上升至1990年，1990—2005年為下降階段，2006年回升。濕潤(rùn)區(qū)Z指數(shù)變化趨勢(shì)不大，正常年份居多，半濕潤(rùn)區(qū)也經(jīng)歷了“澇—旱—澇—旱”4個(gè)階段，6階多項(xiàng)式函數(shù)擬合結(jié)果表明，濕潤(rùn)區(qū)與半濕潤(rùn)區(qū)Z指數(shù)變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為1956—1960年上升，1960年—1970年下降，1970—1987年上升，1988年—2006年下降，2006年以來回升。

3.4　東北地區(qū)旱澇空間特征

由500，600，900 mm等降雨量線的移動(dòng)進(jìn)一步可以看出，東北地區(qū)的整體降雨量線在氣溫突變后在向東向北擴(kuò)，500 mm等降雨量線向東移動(dòng)，600，900 mm等降雨量線向東北方向擴(kuò)張，等降雨量線向東北方向移動(dòng)說明了該區(qū)降雨量整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。利用樣條函數(shù)插值法，分別對(duì)1956—2012年東北地區(qū)50個(gè)氣象站點(diǎn)大旱(重旱)、大澇(重澇)頻率進(jìn)行插值分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，大旱發(fā)生頻率為0.87～1.93次/10 a，大澇為1.05～2.11次/10 a。其中50.9%的氣象站點(diǎn)澇的頻率高于旱的頻率，8個(gè)站點(diǎn)洪澇發(fā)生頻率高于1.93次/10 a；33.1%的氣象站點(diǎn)旱高于澇，5個(gè)站點(diǎn)干旱發(fā)生頻率高于1.93次/10 a；16%的氣象站點(diǎn)旱澇頻率基本相當(dāng)。總體而言，東北地區(qū)更易發(fā)生洪澇，由于該區(qū)有春汛和夏汛兩個(gè)汛期，增加了澇的頻率。從大澇頻次圖可以看出，大澇頻率高值中心分布于小興安嶺北部和三江平原、嫩江流域北部、遼河流域、長(zhǎng)白山地區(qū)；大旱頻率高值中心集中分布于東北地區(qū)西部，松嫩平原西部、科爾沁沙地、小興安西北部、吉林西部地區(qū)。

圖3　東北地區(qū)旱澇頻率空間分布

4結(jié)論與討論

(1) 近57 a東北地區(qū)年平均氣溫呈整體震蕩上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.30 ℃/10 a；年均降水量為614 mm，氣候傾向率為-8 mm/10 a，整體呈現(xiàn)暖干化的趨勢(shì)，2006年以來，暖干化的趨勢(shì)有所緩解。

(2) 半濕潤(rùn)區(qū)增溫幅度最大，達(dá)0.34 ℃/10 a，濕潤(rùn)區(qū)氣溫上升速率相對(duì)較低，為0.25 ℃/10 a，半濕潤(rùn)區(qū)降水減少趨勢(shì)最為明顯，為-8.82 mm/10 a。東北地區(qū)全區(qū)氣溫突變年份為1985年，降水突變年份不明顯。

(3) 1956—2012年全區(qū)及各區(qū)旱澇指數(shù)變化表明，全區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)Z指數(shù)變化一致，呈現(xiàn)出“澇—旱—澇—旱”的演變特征，濕潤(rùn)區(qū)Z指數(shù)變化趨勢(shì)不大，正常年份居多；大澇(重澇)的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤(rùn)區(qū)<半干旱區(qū)<半濕潤(rùn)區(qū)，大旱(重旱)的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤(rùn)區(qū)<半濕潤(rùn)區(qū)<半干旱區(qū)，濕潤(rùn)區(qū)發(fā)生大澇大旱頻率較低，半濕潤(rùn)區(qū)發(fā)生澇的頻率大，半干旱區(qū)發(fā)生旱的頻率大。

(4) 東北地區(qū)的整體降雨量線在氣溫突變后在向東向北擴(kuò)張，更易發(fā)生洪澇。大澇頻率高值中心分布于小興安嶺北部和三江平原、嫩江流域北部、遼河流域、長(zhǎng)白山地區(qū)；大旱頻率高值中心集中分布于東北地區(qū)西部，松嫩平原西部、科爾沁沙地、小興安嶺西北部、吉林西部地區(qū)。

(5) 謝立勇[16]認(rèn)為，以溫度增高為主特征的氣候變化，正在給全球及區(qū)域?qū)用嫔辖?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來更加復(fù)雜的影響；孫鳳華[17]認(rèn)為東北地區(qū)的百年增溫幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于全球和中國(guó)平均水平，溫度增高會(huì)伴隨引發(fā)一系列氣象災(zāi)害，其中以旱澇最為嚴(yán)重；王江山[18]認(rèn)為伴隨著氣候顯著變暖，東北地區(qū)一些氣象要素和極端氣候事件也在發(fā)生相應(yīng)變化，如暖干化趨勢(shì)明顯，干旱事件頻發(fā)，氣候帶北移，積溫顯著增加。文中用Z指數(shù)進(jìn)一步對(duì)東北地區(qū)及各氣候分區(qū)旱澇特征進(jìn)行了分析，繼續(xù)探討在全球氣溫變暖的背景下局域的氣候變化特征。局地的氣候變化除了諸如太陽活動(dòng)、火山爆發(fā)等大背景因子影響外，還受到局地多種因素的影響。研究表明，人類活動(dòng)可能起了較為重要的作用。實(shí)際上影響氣候變化的原因很多也很復(fù)雜，因此對(duì)東北地區(qū)旱澇特征還有待于進(jìn)一步深入研究。本研究從年尺度分析了其旱澇特征，該區(qū)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其降雨量集中在夏秋兩季，也有待于從季尺度進(jìn)行進(jìn)一步深入分析。

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Spatiotemporal Evolution of Drought and Flood Under Drying-warming Climate in Northeast China

HAN Xiaomin, YAN Junping

(CollegeofTourismandEnvironmentScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] This paper elucidated the impacts from climate change to flood and drought in Northeast China in order to make full use of climatic resources, and to provide scientific basis for agricultural countermeasures to climate change. [Methods] Data of monthly temperature and precipitation of 50 stations in Northeast China from 1956 to 2012 were used to illustrate the spatiotemporal features of droughts and floods in this area by Spline interpolation, Mann—Kendall test and Z Index. [Results] (1) The area appeared a trend of warming and drying as a whole in recent 57 years. (2) Temperature in sub-humid area increased by 0.34 ℃/10 a. In humid area, it was relatively low as 0.25 ℃/10 a. Precipitation in sub-humid area decreased obviously as high as -8.82 mm/10 a. (3) Z indexes in the whole area, semi-arid and sub-humid area showed an evolutionary features as “flood-drought-flood-drought”. (4) The centers attacked by high frequency of large floods were Sanjiang Plain, North of Lesser Khingan Mountains and Nenjiang River Valley, and so on. While, the western area was much more frequently to suffer severe drought. [Conclusion] The ecological environment of this area is fragile, in order to offset the negative influences of drying-warming trend to farming and animal husbandry in drought-attacked areas, emergency works should be planned as early as possible to relief drought timely.

Keywords:drought and flood disasters; drying-warming; spatiotemporal distribution; Northeast China

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)04-0314-05

中圖分類號(hào)：P426.6

收稿日期：2014-05-10修回日期：2014-06-27

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目“部分重大自然災(zāi)害的時(shí)空對(duì)稱性:結(jié)構(gòu)、機(jī)理與適應(yīng)對(duì)策”(41171090)

第一作者：韓曉敏(1988—),女(漢族),山西省長(zhǎng)治市人,碩士研究生,研究方向?yàn)槿驓夂蜃兓c災(zāi)害防治研究。E-mail:hanxiaominsnnu@163.com。