郝振純,宋俊博,邢若飛,劉文斌
(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.黑龍江省水文局,黑龍江 哈爾濱 150001)
黑龍江省氣象要素變化特征分析
郝振純1,宋俊博1,邢若飛1,劉文斌2
(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.黑龍江省水文局,黑龍江 哈爾濱 150001)
基于黑龍江省1972—2012年30個(gè)氣象站9個(gè)氣象要素資料,統(tǒng)計(jì)和分析各要素的多年變化過程和年代際變化,并對降水和降雪的季節(jié)變化進(jìn)行分析,進(jìn)一步揭示氣象要素的變化規(guī)律。采用氣候傾向率和Mann-Kendall檢驗(yàn)要素的趨勢性,分析各氣象要素的趨勢性和顯著性;最后對各站點(diǎn)氣象要素的多年均值用反距離加權(quán)法進(jìn)行插值,并得出其空間分布等值圖,分析氣象要素的空間變化規(guī)律。分析結(jié)果顯示:黑龍江省氣候變化明顯,氣象要素的時(shí)空變化具有地域性、年際性特征,大部分地區(qū)平均氣溫升高,且最低氣溫與最高氣溫的溫差逐年縮小,空間分布與緯度關(guān)系較為密切;降雪量和降水量逐年波動(dòng)增加,降水量空間分布為從中部地區(qū)向兩側(cè)減少;多數(shù)站點(diǎn)的平均風(fēng)速、相對濕度、日照時(shí)數(shù)和小型蒸發(fā)量也在減小,空間分布規(guī)律因各站特殊的地理位置而具有不同的特點(diǎn)。
氣候?qū)W;氣象要素;變化特征;M-K檢驗(yàn)
黑龍江省是我國緯度最高,經(jīng)度最東的省份,擁有富饒廣袤的黑土地,是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,國家九大產(chǎn)糧基地中占有兩個(gè):三江平原、松嫩平原,通過研究糧食產(chǎn)區(qū)的氣候變化對國家糧食工程有重要意義[1]。20 世紀(jì)80年代以來全球氣候明顯變暖,黑龍江省已成為中國氣溫升幅最大地區(qū)之一,同時(shí)也是中國旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁的地區(qū)之一[2]。張桂華等[3]從黑龍江省變暖的事實(shí), 突變時(shí)間, 與全球、北半球、全國區(qū)域的氣溫變化關(guān)系來揭示黑龍江省氣候變化的時(shí)空特點(diǎn);王瑩等[4]對黑龍江省寒潮進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析其氣候特征,以期為氣象業(yè)務(wù)服務(wù),并為黑龍江省氣候變化的研究及提高政府應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害的能力提供參考;黑龍江省大部地區(qū)年平均氣溫升高,四季平均氣溫均升高,其中冬季偏暖突出,氣溫升高與全球氣候變暖的趨勢相吻合[5];龔高法等[6]通過歷史資料和樹木年輪、湖泊水位、氣象等方面資料討論近幾百年來黑龍江地區(qū)氣候變化規(guī)律, 及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響;季山等[7]對黑龍江省降雪和積雪的某些特征以及融雪成因、融雪徑流和雨雪混合徑流等進(jìn)行了初步研究,得出近10多年來, 黑龍江省氣溫呈波動(dòng)式上升趨勢(100多年來氣溫上升0.6~ 0.9 ℃),且冬春季節(jié)增溫幅度超過夏秋季節(jié);黑龍江省氣候變率大, 屬“氣候脆弱區(qū)”,特別是熱量資源不足 ,易出現(xiàn)倒春寒、夏季低溫冷害和旱霜凍,必須掌握本省的基本氣候特點(diǎn)及其特征和分布規(guī)律,了解氣候變化與發(fā)展趨勢及其可能影響[8]。
黑龍江省氣候變化規(guī)律研究對我國氣候變化的研究具有重要意義。筆者采用國家氣象局的30個(gè)地面氣象站8個(gè)氣候要素逐年資料進(jìn)行綜合分析,要素包括:平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、降水量、平均風(fēng)速、平均相對濕度、日照時(shí)數(shù)和小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。由于黑龍江省的地理位置特殊,所以氣候變化對降雪的影響也十分重要。筆者根據(jù)黑龍江省的實(shí)際情況,選擇溫度閾值為0 ℃(當(dāng)日平均氣溫低于0 ℃,降水全部以降雪形式存在,反之則為降雨),由逐日降水與平均氣溫的關(guān)系得出降雪量,把降雪量與以上8個(gè)氣候要素一并分析。為了確保氣象數(shù)據(jù)的一致性與完整性,數(shù)據(jù)選擇有連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的1972—2012年(其中小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的觀測數(shù)據(jù)為1972—2001年),并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行極值檢驗(yàn)和時(shí)間一致性檢驗(yàn),具有一定的可信性。經(jīng)調(diào)查,所采用的氣象站點(diǎn)在1972—2012年沒有遷移情況,所采用的30個(gè)氣象站點(diǎn)的位置分布如圖1。
圖1 黑龍江省各氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Meteorological station distribution of Heilongjiang Province
為更好反映黑龍江省氣候變化的地域差異性,對30個(gè)氣象站點(diǎn)各氣候要素統(tǒng)計(jì)其氣候傾向率,反映時(shí)間尺度上的變化,并采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)要素變化趨勢的顯著性。
氣候傾向率:設(shè)定某個(gè)氣象要素的時(shí)間序列為:z1,z2,…,zi,…zn,可用一個(gè)多項(xiàng)式來表示:
(m (1) 式中:t為時(shí)間,年。 Mann-Kendall檢驗(yàn)是十分成熟的基于秩的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,它的優(yōu)越性在于能夠檢驗(yàn)線性或非線性趨勢,無需樣本遵從一定的分布,也不受個(gè)別異常值的干擾,常用于檢驗(yàn)時(shí)間序列變化趨勢的顯著性[9]。在檢驗(yàn)中,零假設(shè)(H0)和備擇假設(shè)(H1)在對觀測數(shù)據(jù)是否存在時(shí)間序列趨勢的問題上是平等的。M-K檢驗(yàn)中,統(tǒng)計(jì)值S與標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值ZM-K計(jì)算如下: (2) (3) (4) (5) 式中:Xi和Xj為時(shí)間序列中年份i和j所對應(yīng)的數(shù)值;n為時(shí)間序列數(shù)據(jù)長度;tp為第p個(gè)數(shù)對應(yīng)的捆綁值;ZM-K為時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化趨勢,通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化變量Z,判斷是否顯著,Z為正值,表明有上升趨勢,Z為負(fù)值,則表明下降。筆者取95%的置信水平,|Z|≥1.96時(shí),時(shí)間序列在該置信水平下變化趨勢顯著。 3.1 氣象要素時(shí)間變化特征 由各氣象要素30個(gè)站點(diǎn)歷年的算術(shù)平均值得出其變化過程線及線性趨勢線,如圖2。平均氣溫以0.38 ℃/10a的傾向率逐年波動(dòng)上升,在2007年取得最大值3.71 ℃,春夏秋冬四季的氣溫均呈上升趨勢,傾向率分別為0.3,0.34,0.45,0.41 ℃/10a;平均最低氣溫在2007年取得最大值-2.13 ℃,且以0.51 ℃/10a波動(dòng)上升;平均最高氣溫同樣在2007年也有最大值10.1 ℃,但是其傾向率要比平均最低氣溫的小,為0.25 ℃/10a,黑龍江地區(qū)的溫差正在逐漸縮?。唤笛┝恳?.6mm/10a的傾向率逐年增加,在2010年降雪量最大,為85.9mm,多年春季降雪量以-0.13mm/10a,夏季沒有降雪,秋季、冬季降雪量都是以2.6mm/10a的傾向率逐年增加;降水量以3.6mm/10a的趨勢上升,最大、最小值分別為1994年的636.6mm和2001年的383.8mm,夏季、秋季降水量分別以-0.08,-3.24mm/10a的傾向率減小,而春季、冬季降水量分別4.5,2.6mm/10a的傾向率增加;平均風(fēng)速逐年減小,波動(dòng)不明顯,傾向率為-0.26(m·s-1)/10a;平均相對濕度以-0.32/10a的傾向率在減少,在2008年取得最小值62.6%;日照時(shí)數(shù)以-32.4h/10a的傾向率逐年減少,1975年日照時(shí)數(shù)最大,為2 722.8h;小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量以-24mm/10a的傾向率逐年波動(dòng)減小,最大蒸發(fā)量出現(xiàn)在1982年,為1 456.9mm。 圖2 各氣象要素變化過程Fig.2 The change process of various meteorological elements 為了更好地分析黑龍江省氣象要素的時(shí)間變化特征,對全省氣象要素進(jìn)行年代際統(tǒng)計(jì),其結(jié)果如圖3。平均氣溫總體趨勢是隨年代上升的,平均最低和最高氣溫的趨勢均上升,并且兩者的差距正在逐漸縮?。唤邓吭?980′s達(dá)到最大值,其他年代變化不太大(用1980′s表示1980—1990年,以此類推);降雪量從1970′s到1990′s一直減小,然而2000′s增大較多且達(dá)到最大值;平均風(fēng)速和相對濕度都呈減小趨勢;日照時(shí)數(shù)在1970′s達(dá)到最大值,而后一直在一較低水平波動(dòng);小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的在1970′s取得最大值,1980′s蒸發(fā)量下降較多且在1990′s略有回升。 圖3 各氣象要素年代際直方圖Fig.3 The decadal histogram of various meteorological elements 從圖3來看,2000′s的降雪量最大,為了探其原因,對各季節(jié)的降水量和降雪量年代際變化進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4。降水量夏季波動(dòng)較大,1980′s夏季年均降水最多,為359.4 mm,春、冬季的降水量逐年波動(dòng)增加,傾向率分別為,4.5 mm/10 a,2.6 mm/10 a,夏、秋季降水量波動(dòng)減小且較為接近,傾向率分別為-0.1mm/10a和-3.2mm/10a,冬季降水一直保持在較低水平,多年平均值為15.3 mm,2000′s冬季降水達(dá)最大值,年均值為20.6 mm。降雪在春、秋、冬三季都有存在,41年當(dāng)中有18年冬季降雪量最大,有14年秋季降雪量最大,秋季降雪量最大在1993年,為26 mm,冬季降雪量最大在2010年,為38.8 mm,這與2010年冬季降水量較多且氣溫較低有關(guān)。春季降雪量在1970′s達(dá)到最大值13.1mm,春、秋季的降雪量呈減小趨勢,傾向率分別為-0.1 mm/10 a和-0.8 mm/10 a,冬季降雪量以2.6 mm/10 a的傾向率增大。 圖4 各季節(jié)氣象要素年代際直方圖Fig.4 The decadal histogram of seasonal meteorological elements 3.2 氣象要素空間變化特征 對黑龍江省的30個(gè)氣象站9個(gè)氣候要素的多年平均值采用反距離平方法進(jìn)行插值,并得到各氣象要素的空間分布狀況(圖5)。 黑龍江省多年平均氣溫較全國其它地區(qū)偏低,空間分布表現(xiàn)為,緯度較高的西北部地區(qū)氣溫較低,多年均溫在0 ℃以下,緯度較低的東南部與西南部溫度較高。全省多年平均最高氣溫與平均最低氣溫的空間分布與多年平均氣溫的分布大體一致。平均最高氣溫由西北部向南部地區(qū)逐漸升高,其中東南部和西南部分別由一高值中心區(qū)向外圍遞減,平均最低氣溫在東部長白山與完達(dá)山一帶為高值區(qū),向西北方向遞減。 多年平均降水量空間差異性大,中部伊春、鐵力、通河、尚志站年降水量較多,為半濕潤地區(qū),可達(dá)到600 mm以上。降水量從中部地區(qū)向兩側(cè)遞減,并且西部遞減率比東部地區(qū)大,這與東部地區(qū)多山脈阻礙水汽的運(yùn)輸有關(guān)。西北部與西南部部分地區(qū)年降水量低于400 mm,為半干旱地區(qū)水平。多年平均降雪量以大興安嶺地區(qū)最大,伊春和尚志站降雪量較周圍地區(qū)大,省內(nèi)西南部地區(qū)的降雪量偏小。黑龍江省內(nèi)平均風(fēng)速空間變化趨勢不明顯,東部山區(qū)和西南局部地區(qū)風(fēng)速較大,西北部大興安嶺地區(qū)風(fēng)速偏小,最小值達(dá)2.0 m/s以下,伊春與牡丹江地區(qū)也是風(fēng)速低值中心。平均相對濕度的分布區(qū)與平均降水量分布的大體一致,中部地區(qū)自北向南濕度較高,尚志站達(dá)到70%以上,以此南北線為界相對濕度向兩邊減小,漠河與虎林站局部地區(qū)相對濕度也較高。日照時(shí)數(shù)的空間分布表現(xiàn)為由西南向東北遞減的趨勢,勃利站日照時(shí)數(shù)較小,為2 219 h,肇州站日照時(shí)數(shù)較多,達(dá)2 877 h。多年平均小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布呈現(xiàn)由西南向東北遞減的規(guī)律,泰來、肇州等站的蒸發(fā)量局部較大,大興安嶺地區(qū)存在幾個(gè)蒸發(fā)量較小的站點(diǎn),如漠河、呼中站。 圖5 各氣象要素多年平均值空間分布Fig.5 The spatial distribution of years’ mean value of the various meteorological elements 對黑龍江省內(nèi)30個(gè)氣象站點(diǎn)的9個(gè)氣象要素計(jì)算其傾向率,進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),對比后可以知道傾向率和M-K檢驗(yàn)的結(jié)果是一致的,所以筆者僅選取M-K檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,對其Z值采用反距離平方法進(jìn)行插值,得出各氣象要素的M-K-Z等值線圖,如圖6。由各氣象要素的氣候傾向率和M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值可知,兩者檢驗(yàn)結(jié)果及其空間分布較為一致。41年間黑龍江省內(nèi)全部30個(gè)站點(diǎn)的平均氣溫都呈上升趨勢,上升較快的在黑河、呼瑪站附近,塔河、新林、富錦、通河站的氣溫上升較慢,并且有28個(gè)站點(diǎn)顯著上升,各站平均氣溫傾向率為0.38 ℃/10 a,最大值為勃利站,傾向率達(dá)1.1 ℃/10 a。平均最低氣溫上升的站點(diǎn)數(shù)都是27個(gè),其中顯著上升25個(gè),西北部地區(qū)上升較慢;平均最高氣溫上升的站點(diǎn)數(shù)都是26個(gè),其中顯著上升23個(gè),上升較快的站點(diǎn)集中在西北部地區(qū),向東南方向遞減。平均最低氣溫傾向率0.51 ℃/10 a,大于最高氣溫的0.25 ℃/10 a。總體氣溫呈上升趨勢且溫差呈縮小的趨勢,這與全球變化研究的規(guī)律是一致的,但是在大興安嶺地區(qū)的最低氣溫上升較慢,而最高氣溫上升較快,此區(qū)域的溫差呈增大趨勢,這與一般規(guī)律是相悖的,這種現(xiàn)象對河流封河開河造成了更大的不確定性。 黑龍江省降水量有20個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢,集中在中部與東部地區(qū),其中通河與尚志站下降顯著,傾向率分別為-22.5 mm/10 a和-21. 4 mm/10 a,傾向率最大的站點(diǎn)是東南部的龍江站,其傾向率為47 mm/10a。降雪量有16個(gè)站點(diǎn)呈增大趨勢,僅有黑河站顯著增大,其余減少的站點(diǎn)中呼瑪、明水、雞西這3個(gè)站顯著減小,傾向率最大和最小分別為黑河站3.8 mm/10 a和雙城站-28 mm/10 a。 黑龍江省平均風(fēng)速僅有兩個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢,且上升的傾向率都較小,其余下降的站點(diǎn)中有26個(gè)站顯著下降,風(fēng)速減小最快的為黑河站與虎林站,其傾向率都是-0.37 m/s/10 a。黑龍江省內(nèi)有29個(gè)站點(diǎn)相對濕度呈下降趨勢,其中有24個(gè)站顯著下降,下降傾向率最大的是雙城站的-0.5/10 a ,僅龍江和依蘭兩站上升且不顯著。日照時(shí)數(shù)的變化也是下降的站點(diǎn)較多,有24個(gè),其中超過一半的站點(diǎn)顯著減少,呈上升趨勢的站點(diǎn)其趨勢均不顯著。小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量30個(gè)站點(diǎn)中,有21個(gè)站點(diǎn)存在減小趨勢,其中有12個(gè)站點(diǎn)減小顯著,其余趨勢上升的站點(diǎn)中有4個(gè)顯著上升,傾向率最大和最小的站點(diǎn)分別是嫩江站的73.7 mm/10 a和大興安嶺站的-81.8 mm/10 a。 圖6 各氣象要素M-K-Z值空間分布Fig.6 The spatial distribution of M-K-Z of the various meteorological elements 在全球氣候變暖的大趨勢下,黑龍江省因其獨(dú)特殊的地理位置,各氣候要素不論是在時(shí)間還是空間尺度上,都以其特有的方式發(fā)生變化: 1)總體氣溫呈上升趨勢且溫差呈縮小的趨勢,這與全球變化研究的規(guī)律是一致的,但是在大興安嶺地區(qū)的最低氣溫上升較慢,而最高氣溫上升較快,此區(qū)域的溫差呈增大趨勢,這與一般規(guī)律是相悖的,這種現(xiàn)象對河流的封河開河造成了更大的不確定性,該區(qū)域溫差增大的原因還有待進(jìn)一步研究; 2)降水量和降雪量呈增大趨勢,冬季降雪量在2000′s有明顯增加,這會造成春季融雪徑流的增大; 3)平均風(fēng)速、相對濕度、日照時(shí)數(shù)和蒸發(fā)量呈現(xiàn)逐年減少趨勢。 [1] 玄明君.黑龍江省黑土區(qū)氣候時(shí)空變化特征分析[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2011. 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WEI Fengying.ModernClimateStatisticalDiagnosisandPredictionTechnology[M].Beijing:China Meteorological Press.1999. Characteristic Analysis of Climatic Elements Change in Heilongjiang Province HAO Zhenchun1,SONG Junbo1,XING Ruofei1,LIU Wenbin2 (1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P. R. China; 2. Hydrological Bureau of Heilongjiang Province, Harbin 150001, Heilongjiang, P. R. China) Based on the 9 meteorological elements of data and statistics taken from 30 meteorological stations between 1972 to 2012 in Heilongjiang province, the decadal meteorological elements and seasonal changes of precipitation and snow and further reveals the law of such changes were analysed. Meteorological trend rate and Mann-Kendall test were used to test the element tendency and analyze meteorological elements changing tendency and prominence. Then the mean values of meteorological elements for years from stations were treated by reverse distance weighted mean method and interpolation and contour map indicating its spatial distribution was obtained to analyze the climatic element changes in different regions. The results show that Heilongjiang experiences obvious climatic changes which vary subject to different regions and different years. The mean temperature of majority regions rises and the difference between lowest temperature and highest temperature is reducing year by year and their spatial distribution is closely related to altitude. Snow amount and precipitation increases variably year by year and precipitation decreases from central region to bilateral regions as to spatial distribution. The data from majority stations show decreased mean wind speed, relative humidify and daily sunlight hours and small-scaled evaporation. Spatial distribution differs due to different specific locations of stations. climatology; meteorological element; change characteristics; M-K test 10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.20 2015-03-07; 2015-06-15 國家自然科基金項(xiàng)目(41371047);中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05110102);水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(1069-514031112) 郝振純(1958—),男,山西翼城人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水文物理規(guī)律模擬及水文預(yù)報(bào)方面的研究。E-mail:hzchun@hhu.edu.cn。 宋俊博(1991—),男,河南洛陽人,碩士研究生,主要從事水文氣象方面的研究。E-mail:song_junbo@126.com。 P467 A 1674-0696(2016)02-093-073 氣象要素變化特征
4 結(jié) 論