黑龍江省主汛期異常降水變化及其與洪澇的關(guān)系研究

姜麗霞，朱海霞，閆敏慧，閆 平，王晾晾，韓俊杰，高 明，呂佳佳，紀(jì)仰慧，王 萍

(1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所/中國(guó)氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室/黑龍江省氣象院士工作站，黑龍江哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030；3.黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱 150030)

在多種氣象災(zāi)害所產(chǎn)生的影響中，以洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重[1]，而降水與洪澇的關(guān)系密不可分[2]，因此降水一直倍受各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注，并在各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛而深入地研究。對(duì)于肩負(fù)著保障國(guó)家糧食安全重任的黑龍江省，降水的變化對(duì)糧食生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用，由于黑龍江省處于中高緯度區(qū)域，受大陸性季風(fēng)氣候影響，氣候脆弱多變，主汛期易發(fā)生大雨、暴雨等異常降水事件，加之其境內(nèi)水系豐富，則較易引發(fā)洪澇災(zāi)害而對(duì)糧食生產(chǎn)造成威脅，1998年、2013年即為異常降水引發(fā)洪澇并導(dǎo)致糧食減產(chǎn)的典型年份[3-4]，因此研究明確主汛期異常降水變化特征及其與洪澇的關(guān)系，對(duì)糧食生產(chǎn)趨勢(shì)避害、防災(zāi)減災(zāi)意義重大。

關(guān)于不同地域、不同時(shí)期的降水，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和學(xué)者進(jìn)行了多角度、多方面的深入研究，在降水的時(shí)空分布、演變趨勢(shì)、機(jī)制成因、異常變化、極端事件等方面積累了大量研究成果[5-11]。Buffoni等[12]基于百年資料分析表明，意大利在不同季節(jié)、不同區(qū)域的降水呈減少趨勢(shì)；Pavel等[13]早在20世紀(jì)末即將強(qiáng)降水概率的變化作為研究氣候變化的一個(gè)重要指標(biāo)；Timothy等[14]對(duì)英國(guó)日降水量強(qiáng)度的分析發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期的背景下，英國(guó)夏季強(qiáng)降雨對(duì)于季節(jié)總降水量的貢獻(xiàn)在1960年代后仍占主導(dǎo)地位。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)主要流域、區(qū)域及省級(jí)降水的研究比較集中，研究的方向、目標(biāo)、內(nèi)容、時(shí)間尺度等呈多樣性，分析較為細(xì)致，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[15-19]。對(duì)于異常降水的研究表明，全國(guó)大部區(qū)域各有特點(diǎn)[20]，中國(guó)東北地區(qū)年內(nèi)極端強(qiáng)降水事件最集中，而西北西部最分散[21]；相關(guān)報(bào)道指出，1931、1954、1998年長(zhǎng)江流域的降水都異常偏多，降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，暴雨、大暴雨頻繁，降水強(qiáng)度高，累積降水量大[22]；2003年淮河流域的降水特點(diǎn)為強(qiáng)降水過(guò)程接連出現(xiàn)，雨帶穩(wěn)定，暴雨集中[23]，2013年黑龍江省夏季的異常降水主要表現(xiàn)為雨日多、大范圍連續(xù)強(qiáng)降水密集，降水量異常偏多，達(dá)歷史極值[4]，在上述年份里，相應(yīng)區(qū)域均發(fā)生了洪水，并引發(fā)了洪澇災(zāi)害，而對(duì)于糧食主產(chǎn)區(qū)的黑龍江省，洪澇災(zāi)害更是導(dǎo)致糧食產(chǎn)量大幅減少。

如上所述，盡管以往已對(duì)降水進(jìn)行了大量研究，但相比之下，對(duì)于黑龍江省主汛期即糧食生產(chǎn)關(guān)鍵期異常降水的變化及其與洪澇關(guān)系的研究仍未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道?；诖?，本文利用黑龍江省1971-2016年主汛期日降水資料，分析異常降水變化特征，并探討其與洪澇的關(guān)系，以期為保障國(guó)家糧食安全以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供氣象參考。

1 資料與方法

1.1 資料及定義

本文所用資料包括黑龍江省80個(gè)氣象站1971-2016 年主汛期(6-8月)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，氣象資料來(lái)源于黑龍江省氣象局整編資料。洪澇面積數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)種植業(yè)信息網(wǎng)歷史自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)(http://zzys.agri.gov.cn/)及《黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒》，時(shí)間為1978-2015年。為了更好地分析異常降水的變化特征，根據(jù)研究站點(diǎn)的地理位置和氣候特點(diǎn)，將其劃分出4個(gè)區(qū)域，分別為大小興安嶺、松嫩平原、三江平原和牡丹江半山區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)站點(diǎn)分布示意圖

黑龍江省的主汛期即氣象定義上的夏季，也是黑龍江省作物生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期，時(shí)間為6-8月，本文研究的時(shí)間段包括6月、7月、8月、6-8月(即主汛期)，以R代表6-8月的逐日降水量，參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 28592—2012)的規(guī)定[25]，本文將25 mm≤R<50 mm定義為大雨事件，將≥50 mm定義為暴雨事件，并將≥25 mm的降水均定義為異常降水。常年指具有氣候意義的1981-2010年共30年的平均狀況。

1.2 研究方法

利用氣候統(tǒng)計(jì)方法，首先將研究區(qū)各研究站點(diǎn)1971-2016每年6-8月的25≤R<50 mm或≥50 mm的日降水量提取并分別累積，再根據(jù)研究需求對(duì)研究區(qū)或單站的不同等級(jí)降水量進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)計(jì)算大雨或暴雨發(fā)生年數(shù)或站數(shù)。

以SPSS statistics 17.0處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用線(xiàn)性氣候傾向率、統(tǒng)計(jì)回歸等方法，研究異常降水的變化趨勢(shì)和特征，分析異常降水與洪澇的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 主汛期異常降水的發(fā)生概況

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，1971-2016年研究區(qū)主汛期異常降水的發(fā)生在時(shí)間上呈現(xiàn)非連續(xù)性特征。46年間，主汛期、6月、7月、8月研究區(qū)發(fā)生大雨事件依次為35～46年、9～27年、23～41年、16～32年，除鐵力站、哈爾濱站主汛期的大雨事件46年連續(xù)發(fā)生外，其它時(shí)間內(nèi)全研究區(qū)大雨事件均未連續(xù)發(fā)生；暴雨事件全研究區(qū)均呈非連續(xù)性發(fā)生特征，其發(fā)生年數(shù)依次為8～29年、0～8年、4～17年、3～15年。

研究區(qū)異常降水在空間上呈現(xiàn)分散性特征。研究期間，研究區(qū)主汛期、6月、7月、8月發(fā)生大雨事件分別有60～80站、4～51站、32～76站、23～69站，其中僅1981、1991、2009年的主汛期為全研究區(qū)80站均有發(fā)生；發(fā)生暴雨事件分別有14～55站、0～19站、3～39站、2～39站，可見(jiàn)各時(shí)間段內(nèi)均有未發(fā)生暴雨事件的站點(diǎn)。

2.2 主汛期異常降水量變化

2.2.1 主汛期大雨事件的降水量變化

1971-2016年，研究區(qū)各站主汛期及各月大雨事件的降水量呈波動(dòng)變化，由圖2a可見(jiàn)，主汛期大雨事件的降水量為25.0～344.1 mm，各站最大值的變幅較大，在145.8～344.1 mm之間變化，峰值出現(xiàn)在鶴崗站(2009年，該年主汛期共計(jì)出現(xiàn)大雨事件10次)；最小值變化幅度較小，為25.0～47.1 mm，谷值出現(xiàn)在寧安、五營(yíng)、樺南、同江、密山、寶清、齊齊哈爾等7站(時(shí)間分別為1973、1998、1976、1989、2011、2001、1982年)。由降水量中間值的位置也可看出降水量波動(dòng)較大，各站50%年份降水量集中于32.9～174.1 mm、75%以上年份的降水量>32.9 mm、25%以上年份的降水量>74.5 mm。

6月各站大雨事件的降水量為25.0～166.2 mm，最大值變幅較大，在36.4～166.2 mm，峰值出現(xiàn)在青岡站(2009年，共計(jì)出現(xiàn)大雨事件5次)；最小值呈極微弱變化，為25.0～28.8 mm，谷值出現(xiàn)在鶴崗、撫遠(yuǎn)、望奎、綏化、巴彥、樺川、樺南、肇州、呼蘭、方正等10站(時(shí)間分別為2004、1976、1974、1990、1995、2014、1976、2002、1990、1980年)。由降水量中間值的位置可知6月降水量波動(dòng)相對(duì)不大，各站50%年份降水量集中于26.0～74.3 mm、75%以上年份的降水量>26.0 mm、25%以上年份的降水量>33.9 mm(圖2b)。

7月各站大雨事件的降水量為25.0～225.5 mm，最大值震蕩劇烈，在79.2～225.5 mm，峰值出現(xiàn)在青岡站(2013年，共計(jì)出現(xiàn)大雨事件7次)；各站最小值變化幅度僅有3 mm，為25.0～28.0 mm，谷值出現(xiàn)在黑河、伊春、同江、樺南、寶清、密山、綏芬河等7站(時(shí)間分別為2004、1976、1989、1986、2001、2011、1999年)。由降水量中間值的位置可知7月降水量波動(dòng)較大，各站50%年份降水量集中于27.9～107.2 mm、75%以上年份的降水量>27.9 mm、25%以上年份的降水量>44.5 mm(圖2c)。

8月各站大雨事件的降水量為25.0～243.6mm，最大值呈現(xiàn)大幅度振蕩變化，為68.9～243.6 mm，峰值出現(xiàn)在龍江站(1998年，共計(jì)出現(xiàn)大雨事件7次)；最小值呈極微弱變化，為25.0～28.5 mm，谷值出現(xiàn)在加格達(dá)奇、北安、齊齊哈爾、五營(yíng)、安達(dá)、蘭西、饒河、哈爾濱、寧安等9站(時(shí)間分別為1997、1995、1982、1998、1985、1981、1989、2008、1973年)。由降水量中間值的位置可看出8月降水量波動(dòng)較大，各站50%年份降水量集中于27.4～95.4 mm、75%以上年份的降水量>27.4 mm、25%以上年份的降水量>39.0 mm(圖2d)。

由圖2a～圖2d也可看出降水變化的空間分布存在極大差異性。主汛期及6月、7月、8月大雨事件降水量最大值的高值區(qū)均主要分布在松嫩平原和三江平原北部。各時(shí)間段均表征為松嫩平原部分站點(diǎn)及其它區(qū)域部分站點(diǎn)降水量變化幅度大，而變化相對(duì)穩(wěn)定的站點(diǎn)零散分布在不同區(qū)域。

2.2.2 暴雨事件的降水量變化

1971-2016年，研究區(qū)各站主汛期及各月暴雨降水量呈大幅度波動(dòng)變化，由圖3a可見(jiàn)，主汛期暴雨降水量為50.0～323.2 mm，各站最大值波動(dòng)劇烈，在97.3～323.2 mm之間震蕩，峰值出現(xiàn)在阿城站(1994年，該年共出現(xiàn)暴雨事件4次)；最小值變化相對(duì)穩(wěn)定，變幅僅為8.7 mm，谷值出現(xiàn)在明水、延壽、虎林等3站(時(shí)間分別為2012、1980、1974年)。由降水量中間值的位置也可看出暴雨事件的降水量波動(dòng)較大，各站50%年份降水量集中于51.8～179.0 mm、75%以上年份的降水量>51.8 mm、25%以上年份的降水量>63.8 mm。

研究期間，6月各站暴雨事件較少，約78%站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨事件的年數(shù)少于5年，其中漠河、烏伊嶺、依蘭、阿城等4站未出現(xiàn)暴雨事件，41站出現(xiàn)暴雨事件僅1～2年(圖略)。6月暴雨降水量為50.0～215.0 mm，峰值出現(xiàn)在富裕站(2009年，共計(jì)出現(xiàn)暴雨事件2次)；谷值出現(xiàn)在虎林站(1974年)。

7月各站暴雨降水量為50.0～323.2 mm，最大值震蕩劇烈，在80.6～323.2 mm，峰值出現(xiàn)在阿城站(1994年，該年共出現(xiàn)暴雨事件4次)；各站最小值變幅較小，為50.0～55.6 mm，明水、延壽、密山等3站出現(xiàn)谷值(時(shí)間分別為2012、1980、1984年)。由降水量中間值的位置可以看出7月降水量振幅較大，各站50%年份降水量集中于50.2～133.6 mm、75%以上年份的降水量>50.2 mm、25%以上年份的降水量>58.6 mm(圖3b)。

圖2 1971-2016年研究區(qū)主汛期及6月、7月、8月大雨事件的降水量變化

8月各站暴雨降水量為50.0～272.7 mm，最大值震蕩極劇烈，為54.8～272.7 mm，峰值出現(xiàn)在賓縣站(1981年，共計(jì)出現(xiàn)暴雨事件3次)；最小值呈小幅度變化，為50.0～63.2 mm，谷值出現(xiàn)在漠河站(1977年)。由降水量中間值的位置可看出8月降水量波動(dòng)較大，各站50%年份降水量集中于51.5～127.7 mm、75%以上年份的降水量>51.5 mm、25%以上年份的降水量>54.5 mm(圖3c)。

圖3 1971-2016年研究區(qū)主汛期及7月、8月暴雨事件 的降水量變化

暴雨降水量變化的空間分布與大雨相似(圖3a～圖3c)，不再贅述。

2.3 異常降水與洪澇面積的相關(guān)關(guān)系

研究表明，異常降水是導(dǎo)致黑龍江省發(fā)生洪澇災(zāi)害的主要因子之一[4]，因此基于本文提取的長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)，探究大雨、暴雨降水量與洪澇面積的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于揭示異常降水對(duì)洪澇的影響意義較大。由于本文獲取的是全研究區(qū)的洪澇面積，因此需對(duì)降水量進(jìn)行平均處理，在進(jìn)行全區(qū)平均處理時(shí)，剔除掉未出現(xiàn)大雨、暴雨事件的站點(diǎn)后再平均，以確保數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性。采用統(tǒng)計(jì)回歸方法分別構(gòu)建4個(gè)時(shí)間段的大雨、暴雨降水量與洪澇面積的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表1，表1中回歸方程y為洪澇面積，x為各時(shí)間段內(nèi)大雨或暴雨降水量。由表可見(jiàn)，除了6月，研究區(qū)主汛期、7月和8月大雨或暴雨的平均降水量分別與洪澇面積存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，隨著大雨或暴雨降水量的增加，洪澇面積呈升高趨勢(shì)，說(shuō)明異常降水對(duì)洪澇面積為正效應(yīng)影響作用。比較來(lái)看，大雨對(duì)洪澇影響更顯著，其中主汛期大雨最顯著；單看暴雨，7月影響最顯著；單看月份，7月影響最顯著。

3 討 論

由于黑龍江省的大雨、暴雨事件呈現(xiàn)非連續(xù)性及分散性特征，以常用的“多年平均”或“多站平均”分析大雨、暴雨事件的時(shí)空變化，極易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差而無(wú)法準(zhǔn)確表征其發(fā)生特征。因此本文未采用“平均值”方法分析其時(shí)空變化特征。周自江等[22]在分析1998年長(zhǎng)江流域降水時(shí)特別分析了最大日降水量，并指出最大日降水量可作為降水強(qiáng)度和暴雨災(zāi)害的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此一段時(shí)間內(nèi)的最大降水量從某種程度上也可作為反映異常降水狀況的指標(biāo)。本文采用箱形圖分析降水?dāng)?shù)據(jù)，恰能表達(dá)單站大雨和暴雨事件的最大值，并能指示降水量的最小值及集中范圍，這在一定程度上能夠很好揭示單站異常降水在研究期內(nèi)的發(fā)生狀況。箱形圖的優(yōu)點(diǎn)在于能夠準(zhǔn)確表征單站研究期內(nèi)所有數(shù)據(jù)的離散狀況，并且能夠快速識(shí)別異常值(如最大值、最小值)，其缺點(diǎn)是無(wú)法顯示每個(gè)降水量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，需結(jié)合大雨、暴雨事件發(fā)生的年數(shù)及年份進(jìn)行分析。

表1 研究區(qū)主汛期及6月、7月、8月異常降水與洪澇面積的相關(guān)關(guān)系

注：**為通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，“-”表示該時(shí)間段異常降水量與洪澇面積不存在相關(guān)關(guān)系。

數(shù)據(jù)顯示，研究期內(nèi)，除主汛期哈爾濱站和鐵力站的大雨事件連年發(fā)生外，其它時(shí)間段均無(wú)任何站點(diǎn)有大雨、暴雨事件在46年間連續(xù)發(fā)生，因此，為了保證分析的科學(xué)性和可信度，本文選取上述2個(gè)降水連續(xù)的站點(diǎn)進(jìn)行降水量長(zhǎng)期變化分析，結(jié)果表明，1971-2016年，哈爾濱站和鐵力站主汛期大雨事件的降水量存在減少趨勢(shì)，但變化不顯著(P>0.05)，這與姜麗霞等[4]、賀偉等[24]的研究結(jié)論相一致。

4 結(jié) 論

(1)1971-2016年間，研究區(qū)主汛期及6月、7月、8月的異常降水在時(shí)間上呈現(xiàn)非連續(xù)性發(fā)生特征；在空間分布上呈現(xiàn)分散性特征?？傮w上，相同時(shí)間段內(nèi)，暴雨的非連續(xù)性、分散性特征更為突出；不同時(shí)間段內(nèi)，6月異常降水的非連續(xù)性、分散性特征表現(xiàn)最為顯著，8月次之，而7月相對(duì)集中，這與姜麗霞等[4]、楊金虎等[20]的結(jié)論相吻合。

(2)研究區(qū)各站主汛期、6月、7月、8月異常降水的降水量在研究期間呈大幅度波動(dòng)變化，年際間震蕩劇烈，最大值與最小值偏差為2.9～318.4 mm。相同時(shí)間段內(nèi)，暴雨事件降水量較大雨事件震蕩更劇烈；不同時(shí)間段內(nèi)，大雨事件以主汛期變化最劇烈，其次為8月，暴雨事件則以7月最劇烈，其次為主汛期。異常降水空間分布呈不均勻狀態(tài)，總體來(lái)看，各時(shí)間段異常降水的高值區(qū)均主要分布在松嫩平原，結(jié)合各站發(fā)生異常降水年數(shù)來(lái)看，松嫩平原為異常降水多發(fā)區(qū)域。

(3)1971-2016年間，研究區(qū)6月大雨或暴雨事件的降水量與洪澇面積不存在相關(guān)關(guān)系，主汛期、7月和8月大雨或暴雨事件的降水量均與洪澇面積具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，隨著大雨或暴雨事件降水量的增加，洪澇面積呈升高趨勢(shì)，表明異常降水對(duì)洪澇面積為正效應(yīng)影響作用。比較來(lái)看，大雨事件相對(duì)暴雨事件對(duì)洪澇影響更顯著。就各月而言，以7月影響最顯著，這在某種程度上指示出7月異常降水的重要作用和影響。

(4)7月為黑龍江省的盛夏，此時(shí)期黑龍江省主栽糧食作物水稻、玉米、大豆恰處于最關(guān)鍵的生長(zhǎng)時(shí)期—營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過(guò)渡時(shí)期，則7月降水即成為影響糧食生產(chǎn)的“重要因子”，該時(shí)期水分條件的優(yōu)劣對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有至關(guān)重要的作用，降水適宜時(shí)促進(jìn)作物生長(zhǎng)，而降水過(guò)多時(shí)則可能引發(fā)洪澇災(zāi)害，并對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成不利，因此在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)充分考慮區(qū)域氣候特征和災(zāi)害問(wèn)題，可根據(jù)區(qū)域的水資源狀況以及降水特點(diǎn)優(yōu)化作物種植格局，以合理利用氣候資源并最大程度趨勢(shì)避害。從本文研究結(jié)果來(lái)看，松嫩平原地區(qū)異常降水相對(duì)多發(fā)，可考慮在部分區(qū)域尤其低洼區(qū)域增加種植玉米等高稈作物，而三江平原、牡丹江半山區(qū)大部時(shí)間的異常降水相對(duì)發(fā)生少，且其境內(nèi)水系條件較好，則可考慮一定程度地增加水稻種植面積。另外，關(guān)于異常降水對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，本文未做探討分析，此部分工作有待進(jìn)一步深入研究。