小興安嶺五營林區(qū)近53 a旱澇特征分析

靳世波,程春香,2,王程,孫鵬飛

（1.五營區(qū)氣象局，黑龍江伊春153033; 2.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150040;）

小興安嶺五營林區(qū)近53 a旱澇特征分析

靳世波1,程春香1,2,王程1,孫鵬飛1

（1.五營區(qū)氣象局，黑龍江伊春153033; 2.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150040;）

通過Z指數(shù)法和降水資料對五營區(qū)53 a的旱澇變化趨勢和時空分布特征研究。研究表明：五營區(qū)降水和旱澇變化具有一致性，均為下降趨勢;年干旱出現(xiàn)的頻率要高于雨澇的頻率，四季旱澇春季干旱較為嚴重;旱澇年代際分布，1958年至60年代為五營區(qū)的重澇時段，70年代為五營區(qū)的偏旱時段，80年代為五營區(qū)的正常時段；90年代為五營區(qū)的偏澇時段；2000年以后五營區(qū)年旱澇等級干旱化加劇，為五營區(qū)的重旱時段。

旱澇指標;Z指數(shù);干旱;變化趨勢

1 引言

小興安嶺季節(jié)分明，雨雪季節(jié)差異明顯，擁有世界上保存最完整的原始紅松林，五營區(qū)地處小興安嶺腹地，是原始紅松林的集中分布區(qū)，森林防火是當?shù)卣ぷ鞯念^等大事。由于地理環(huán)境特殊，五營藍莓、木耳、松子等林產(chǎn)品十分豐富，是當?shù)刂匾慕?jīng)濟支柱之一。五營春秋兩季易干旱，夏季易洪澇，制約了當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和藍莓、木耳等林產(chǎn)品的生產(chǎn)。深入的了解五營不同季節(jié)的旱澇變化特征和規(guī)律，對旱澇預報、旱澇災情評估、森林防火及進一步預報紅松種子、木耳等林產(chǎn)品產(chǎn)量等具有重要的意義。根據(jù)研究對象和目的不同，旱澇的定義和指標也是多種多樣，特別是干旱至今沒有一個被普遍接受的通用定義。目前常用的旱澇指標中，Z指數(shù)在國內(nèi)干旱監(jiān)測、旱澇研究等工作中得到了廣泛應用［1］。本文利用Z指數(shù)法來確定旱澇指標，進行旱澇特征和規(guī)律分析。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文使用的資料來源于中國氣象局五營森林生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗研究站的常規(guī)氣象觀測資料，該站位于伊春市五營區(qū)，地處黑龍江省東北部小興安嶺腹地(129°14′E，48°06′N)，海拔288.0 m，森林覆蓋率89.2%，屬于北溫帶大陸季風氣候，為小興安嶺典型的原始紅松林代表區(qū)域。試驗區(qū)冬（11/去年-2月）、春（3-5月）、夏（6-8月）、秋（9-10月）四季明顯，獨特的地理環(huán)境形成了本地區(qū)特有的森林環(huán)境類型，其資料較能代表小興安嶺林區(qū)的背景值。本文分析的降水數(shù)據(jù)為1958-2010年，共53 a資料。

2.2 分析方法

Z指數(shù)方法是用來表征旱澇的空間分布及旱澇程度的一種數(shù)學方法。采用Z指數(shù)對旱澇等級的劃分方法已較普遍使用，其優(yōu)點將原始數(shù)據(jù)PersonIII型曲線中的分布通過標準處理，可將概率密度函數(shù)轉變?yōu)樾伦兞康臉藴驶龖B(tài)分布。就某個區(qū)域而言，月、季或年降水量一般并不服從正態(tài)分布。現(xiàn)假設某時段降水量服從PersonIII型曲線中的Γ分布，其概率密度分布為

根據(jù)文獻［2-5］對降水量進行正態(tài)化處理，可將概率密度函數(shù)Person III型分布轉換為以Z為變量的標準正態(tài)分布，其轉換公式為

式(1)中，Cs為偏態(tài)系數(shù)，Xi為降水的標準化變量，均可通過年降水量序列資料計算求得，即:其中，

n為資料年代數(shù)，Ri為某時段的降水量，R為同期降水量多年平均值，σ為均方差，其計算公式為

根據(jù)Z變量的正態(tài)分布曲線，把五營林區(qū)旱澇劃分成7個等級，并確定相應的Z界限值作為各級旱澇指標，列于表1。

3 旱澇分布特征

3.1 降水量分布概況

五營林區(qū)53 a平均降水量為629.3 mm，年降水量最多為889.1 mm（1960年），年降水量最少為419.3 mm（2008年），年際變化較大，為469.8 mm。冬季平均降水量為38.5 mm，占年降水量的6.1%；春季平均降水量為95.2 mm，占年降水量的15.1%；夏季平均降水量為386.1 mm，占年降水量的61.4%；秋季平均降水量為109.6mm，占年降水量的17.4%，降水量冬季最少，夏季最多，這是由于五營林區(qū)地處東北，是典型的北溫帶大陸季風氣候。冬季最多為64.5 mm（1958年），最少為14.4 mm（1991年）；春季最多為220.5 mm（1995年），最少為31.3 mm（1992年）；夏季最多為673.9mm（1961年），最少為196.4 mm（2008年）；秋季最多為193.8 mm（1965年），最少為22.1 mm（2010年），各季降水量極大值基本上出現(xiàn)在60年代，極小值降水量基本上出現(xiàn)在90年代以后。

表1 旱澇指標等級劃分表

通過對降水量的線性回歸分析（表2），年平均降水量、春季、夏季、秋季平均降水量的氣候趨勢系數(shù)均為負值，分別為-0.36、-0.003、-0.261、-0.349，表明近53 a來五營林區(qū)降水量的變化與全球降水量變化趨勢一致，即總體呈下降趨勢。氣候傾向率分別-25.8 mm/10a、-0.06 mm/10a、-16.5 mm/10a和-10.1 mm/10a，降水量的減少幅度，年＞夏季＞秋季＞春季，年降水量減少最快，春季降水量減少最慢，其中年、夏季和秋季均達0.10以上的顯著水平，降水量明顯減少，而春季降水量變化不顯著。對年平均降水量進一步作二次回歸分析，方程：y=-5.12x+0.047x2+722.26（Significance F=0.025＜0.01），一次項系數(shù)為負、二次項系數(shù)為正，這表明五營林區(qū)年平均降水量在大趨勢上呈極顯著性減少趨勢，但近幾年有所增加。氣候變化也表現(xiàn)在氣象要素均方差(稱為氣候變率)的改變上，均方差的改變往往是與異常天氣的頻率及強度相聯(lián)系的，因此研究氣象要素均方差的長期變化是有意義的［6］．本文對于五營林區(qū)53 a的各季降水量時間序列求均方差，年降水量最大，110.8 mm；夏季降水量次之，為97.7 mm；冬季最小，為13.2mm．各季偏態(tài)系數(shù)變量均較小(表2)，都服從正態(tài)分布。

表2 旱澇出現(xiàn)頻率表

3.2 旱澇分布

3.2.1 旱澇分布概況

根據(jù)表1中旱澇指標等級的劃分標準，本地區(qū)自建站以來的53 a間，正常年份共19 a，占總年份的三分之一以上；偏澇、大澇分別為6 a、8 a，占總的11.3%、15.1%；偏旱、大旱分別為9 a、7 a，占總的17.0%、13.2%；重旱年共2 a，占總的3.8%；重澇年共2 a，占總的3.8%。以上分析表明，年旱澇特征為正常年份最多，偏澇、偏旱、大澇、大旱次多，共占總年份的64.2%，重澇、重旱年最少，五營出現(xiàn)干旱(含重旱大旱偏旱)的頻率為34.0%，還是要高于雨澇(重澇大澇偏澇)的頻率（30.2%）。

進一步對作物主要生長季（春季、夏季、秋季）進行旱澇分析（圖1）。春季與年旱澇特征略有所不同，偏旱年份最多，為17 a，占總的32.1%；正常、偏澇、大澇、旱次多；正常年份為12 a，占總的22.6%；偏澇、大澇分別為10 a、5 a，占總的18.9%、9.4%；大旱分別為6 a，占總的11.3%；重澇、重旱年最少，重旱年共2 a，占總的3.8%；重澇年共1 a，占總的1.9%。夏季正常年份最多，為21 a，占總的39.6%；偏澇、大澇、偏旱、重旱次多，分別為9 a、7 a、10 a、4 a，占總的17.0%、13.2%、18.9%、7.5%；重澇、大旱年最少，均為1 a，各占總的1.9%。與年旱澇特征相似，秋季正常年份最多，為21 a，占總的39.6%；偏澇、大澇、偏旱、大旱次多，分別為7 a、7 a、7 a、6 a，占總的13.2%、13.2%、13.2%、11.3%；重澇、重旱年最少，分別為2 a、3 a，占總的3.8%、5.7%?？傮w而言，五營作物主要生長季旱澇分布特征除了春季偏旱年份最多，正常年份次多，夏季重旱次多，大旱最少外，與年旱澇特征基本相同。五營春季出現(xiàn)干旱(含重旱、大旱、偏旱)的頻率（47.2%）要遠遠高于雨澇(重澇大澇偏澇)的頻率（30.2%），其中偏旱占較大比例；夏季出現(xiàn)雨澇的頻率（32.1%）要略高于干旱的頻率（28.3%），但是一旦出現(xiàn)干旱、重旱的頻率較其他季節(jié)偏高；秋季出現(xiàn)雨澇的頻率與干旱的頻率相同，均為30.2%。

3.2.2 旱澇趨勢分析

圖1 旱澇出現(xiàn)頻率表

圖2 五營區(qū)旱澇指數(shù)逐年變化

由圖2可見，五營區(qū)旱澇變化趨勢具有較好的一致性，年和各季旱澇等級均呈逐年下降趨勢，旱澇等級逐年變化模擬方程是負相關的，這與降水量的變化基本相同，具體模擬方程和氣候趨勢系數(shù)見表3。其中年和秋季旱澇等級下降的速度較快，氣候傾向率分別為-0.233/10a、-0.0225/10a，氣候趨勢系數(shù)為-0.36、-0.35，達到了0.01和0.05的顯著水平；春季旱澇等級下降的速度較慢，氣候傾向率為-0.008/ 10a，氣候趨勢系數(shù)為－0.01。分析表明，年、夏季和秋季隨著時間的變化朝著干旱化發(fā)展，年、秋季變化趨勢最為明顯，而春季旱澇等級隨時間變化雖然也呈下降趨勢，但下降較為緩慢，線性回歸不顯著。

3.2.3 旱澇年代際分布

圖2和表4結合分析五營年代際旱澇等級分布，與上面分析的變化趨勢基本一致，年旱澇等級呈現(xiàn)波動式干旱化發(fā)展。1958年至60年代偏澇級年數(shù)5 a，加權合計數(shù)為10，而偏旱級年數(shù)為1 a，為偏旱年份，加權合計數(shù)為1，遠遠小于偏澇級年數(shù)，洪澇多于干旱，為五營區(qū)的重澇時段；70年代至90年代旱澇差距不大，波動變化明顯，其中70年代偏澇級年數(shù)3 a，加權合計數(shù)為5，偏旱級年數(shù)為5 a，加權合計數(shù)為8，干旱多于洪澇，為五營區(qū)的偏旱時段；80年代偏澇級年數(shù)2 a，加權合計數(shù)為4，偏旱級年數(shù)同為3 a，加權合計數(shù)為4，洪澇略多于干旱，為五營區(qū)的正常時段；90年代偏澇級年數(shù)4 a，加權合計數(shù)為7，偏旱級年數(shù)為4 a，加權合計數(shù)為5，洪澇多于干旱，為五營區(qū)的偏澇時段；2000年之后五營區(qū)年旱澇等級干旱化加劇，偏澇級年數(shù)2 a，均為偏澇年份，加權合計數(shù)為2，而偏旱級年數(shù)為5 a，加權合計數(shù)為11，遠遠大于偏澇級年數(shù)，干旱多于洪澇，為五營區(qū)的重旱時段。

表3 旱澇等級、降水量逐年變化回歸分析

表4 不同旱澇等級的年代際分布

4 結論

（1）五營林區(qū)年與四季降水量夏季最多，冬季最少，各季極大值基本上都出現(xiàn)在60年代，極小值基本上都出現(xiàn)在90年代以后。近53 a來五營林區(qū)降水量的變化與全球降水量變化趨勢一致，即總體呈下降趨勢。降水量的減少幅度，年＞夏季＞秋季＞春季，年降水量減少最快，春季降水量減少最慢。五營年平均降水量在大趨勢上呈極顯著性減少趨勢，但近幾年有所增加。

（2）年旱澇特征正常年份頻率最高，偏澇、偏旱、大澇、大旱次多，重澇、重旱年最少，總體干旱出現(xiàn)的頻率要高于雨澇的頻率。作物主要生長季旱澇分布，春季干旱較為嚴重，其中偏旱占較大比例；夏季雨澇的頻率要略高于干旱的頻率，但一但出現(xiàn)干旱，重旱出現(xiàn)頻率較其他季節(jié)偏高。

（3）旱澇變化趨勢年、夏季和秋季隨著時間的變化呈現(xiàn)波動式干旱化發(fā)展，年與秋季此趨勢變化最為明顯，而春季旱澇等級隨時間變化雖然也呈下降趨勢，但下降較為緩慢，回歸不顯著。旱澇年代際分布，1958年至60年代為五營區(qū)的重澇時段，70年代為五營區(qū)的偏旱時段，80年代為五營區(qū)的正常時段；90年代為五營區(qū)的偏澇時段；2000年之后10 a五營區(qū)年旱澇等級干旱化加劇，為五營區(qū)的重旱時段。

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1002－252X(2017)01－0038－04

2017－1－1

靳世波（1971-），女，吉林省扶余縣人，東北林業(yè)大學，本科生，工程師.