近60年黑龍江省極端降水事件分布特征

王越霄

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 引言

在氣候變暖的背景下，全球發(fā)生的極端天氣氣候事件對(duì)人類社會(huì)生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境造成了惡劣影響[1-3]。近年來(lái)，我國(guó)各種洪澇災(zāi)害的發(fā)生與極端降水事件密切相關(guān)[4-6]，極端降水事件常帶來(lái)泥石流、洪澇和干旱等自然災(zāi)害，不僅造成了一系列的經(jīng)濟(jì)損失，還給人類生命安全帶來(lái)不穩(wěn)定因素[3，7]。黑龍江省是我國(guó)重要糧倉(cāng)經(jīng)濟(jì)之一，極端降水事件導(dǎo)致省內(nèi)旱澇災(zāi)害頻發(fā)，已嚴(yán)重影響農(nóng)作物的播種和產(chǎn)出，對(duì)全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成較大的威脅。

眾多學(xué)者在極端降水事件的研究上取得了一定的成果。梁豐等研究發(fā)生極端降水指數(shù)對(duì)東北地區(qū)夏季旱澇具有指示作用；李非[8]研究表明極端降水事件在空間上變化并不集中；王曉寧等[3]通過(guò)極端降水指數(shù)變化特征研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江省西部及其附近地區(qū)遭受極端干旱和風(fēng)災(zāi)的可能性遠(yuǎn)高于其他地區(qū)[9，10]。但現(xiàn)有成果時(shí)間序列較靠前，缺少對(duì)近60 年極端降水時(shí)間的變化研究，本文通過(guò)對(duì)黑龍江省1960—2021 年極端降水指數(shù)的時(shí)空特征的研究，為開展對(duì)黑龍江省水文氣象認(rèn)知和預(yù)報(bào)提供了理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國(guó)東北部，北、東部與俄羅斯隔江相望，西部與內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰，南部與吉林省接壤，地形以山地、臺(tái)地和平原為主，區(qū)內(nèi)發(fā)育有牡丹江、嫩江和松花江等水系。該區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，但近年來(lái)區(qū)內(nèi)氣候變化異常，旱澇災(zāi)害頻發(fā)[9]，對(duì)區(qū)內(nèi)極端降水事件的研究將為防災(zāi)減災(zāi)和人類生產(chǎn)生活提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)均選自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，選用了具有較長(zhǎng)觀測(cè)系列和分布均勻的1960—2021 年33 個(gè)逐日降水氣象站數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均通過(guò)了RClimDex 的質(zhì)量控制檢測(cè)。

2.2 研究方法

水文氣象序列既有隨機(jī)性，又具有某種特定的變化規(guī)律[11]。本文選取了由世界氣象組織（WMO）氣候?qū)W委員會(huì)和氣候變率與可預(yù)測(cè)性研究計(jì)劃共同制定的6 項(xiàng)極端降水指數(shù)，各項(xiàng)指數(shù)具體名稱及定義見(jiàn)表1。采用RClimDex 對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行深入研究。

表1 極端降水指數(shù)名稱及定義

已有多種方法應(yīng)用于降水量空間分布的研究，例如，逆距離加權(quán)法、趨勢(shì)面擬合法和克里金插值法等。為提高區(qū)域研究精度的準(zhǔn)確性，本文采用泰森多邊形法和反距離權(quán)重法（IDW 法）相結(jié)合用于計(jì)算研究區(qū)域降水量的分布[11-13]。

采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法檢驗(yàn)氣候變化下氣象水文因素等隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，在檢驗(yàn)過(guò)程中，若UFk 和UBk 兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線內(nèi)，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。小波分析法（Wavelet Analysis）能準(zhǔn)確地查找到隱藏在時(shí)間序列中的周期個(gè)數(shù)，采用小波分析判定極端降水指數(shù)在時(shí)間序列中的變化強(qiáng)度，并對(duì)主周期進(jìn)行檢驗(yàn)[11]。

3 結(jié)果分析

3.1 極端降水指數(shù)的空間分布特征

利用泰森多邊形計(jì)算區(qū)域內(nèi)極端降水指數(shù)的平均降水量，再利用ArcQIS 軟件中的IDW 法對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行插值計(jì)算并繪制空間分布圖，見(jiàn)圖1。

圖1 極端降水指數(shù)空間分布特征

PRCPTOT（圖1a）和R10 mm（圖1c）趨勢(shì)相似，最高值受伊勒呼里山和長(zhǎng)白山影響顯著，主要集中在漠河-新林-嫩江一帶和虎林-綏芬河一帶，綏芬河一帶達(dá)到了最大值；中部地區(qū)由北至南降水量有遞減趨勢(shì)但變化較小。SDⅡ（圖1b）在研究區(qū)北部塔河地區(qū)和西部龍江地區(qū)的強(qiáng)度較高，以黑河、孫吳、北安和明水為西界，富錦、佳木斯和勃利為東界，SDⅡ在中部地區(qū)由北向南逐漸降低。R25 mm（圖1d）在區(qū)域內(nèi)呈條帶狀分布，呈現(xiàn)出自西向東先增強(qiáng)后減小再增強(qiáng)的趨勢(shì)變化，受山地和高原影響顯著，最高值區(qū)集中分布在大興安嶺、龍江、依蘭和綏芬河等地。與其他極端降水指數(shù)相對(duì)比而言，Rx5day（圖1f）在區(qū)域內(nèi)變化較為顯著，整體呈減少的趨勢(shì)，僅有孫吳-嫩江-齊齊哈爾-明水-安達(dá)一帶出現(xiàn)遞增趨勢(shì)且遞增系數(shù)較大，北部地區(qū)趨勢(shì)變化較小，趨近于0，中部及東部地區(qū)逐年遞減系數(shù)較大。R95p（圖1e）在東西方向上變化顯著，中部地區(qū)逐年遞減，大興安嶺-嫩江-齊齊哈爾一帶的遞增趨勢(shì)顯著，盡管漠河地區(qū)屬高緯度地區(qū)，其強(qiáng)降水量變化仍呈遞增趨勢(shì)。

3.2 極端降水指數(shù)的時(shí)間變化規(guī)律

3.2.1 極端降水的突變分析

為研究黑龍江省極端降水事件在長(zhǎng)序列上的變化，本文利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)極端降水指數(shù)進(jìn)行突變性分析，選取顯著性水平α=0.05，臨界值為±1.96。各項(xiàng)極端降水事件變化如圖2所示。

圖2 極端降水指數(shù)突變檢驗(yàn)曲線

PRCPTOT（圖2a）和SDⅡ（圖2b）的UF 曲線和UB 曲線在0.05 的置信區(qū)間內(nèi)存在多個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)范圍分別為1960—1963 年和1983—1987 年，兩個(gè)極端降水指數(shù)曲線均超過(guò)置信區(qū)間，SDⅡ和PRCPTOT 的UF 曲線分別呈下降趨勢(shì)和上升趨勢(shì)，表明SDⅡ突變發(fā)生在1962 年，PRCPTOT 的突變年份為1983 年。

R10mm（圖2c）和R25mm（圖2d）在置信區(qū)間內(nèi)圍繞0 刻度線上下浮動(dòng)變化，波動(dòng)幅度較小，R10mm 在2017 年和2020 年存在偽交點(diǎn)，R10mm和R25mm 在長(zhǎng)序列中變化不顯著且無(wú)突變情況。

在0.05 的置信區(qū)間內(nèi)，R95p（圖2e）和Rx5day（圖2f）的UF 和UB 曲線分別在1992—2003 年和1971—1992 年相交多次，其曲線的上升趨勢(shì)均未有顯著變化，表明R95p 和Rx5day 在研究期內(nèi)變化不顯著。

3.2.2 極端降水的周期分析

水文特征在不同尺度上的變化具有一定的差異性。為準(zhǔn)確分析黑龍江省極端降水事件在時(shí)間尺度上的波動(dòng)性變化周期，本文采用小波分析法確定極端降水事件的主周期變化（圖3）。極端降水指數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間序列上均呈現(xiàn)出周期性變化，在長(zhǎng)周期中均呈現(xiàn)出了“增-減-增-減-增”的趨勢(shì)性變化，存在3 個(gè)豐水期和兩個(gè)枯水期。

圖3 極端降水指數(shù)周期性變化

PRCPTOT（圖3a）在31～52 年尺度上周期振蕩顯著，振蕩中心大致為42 年，同時(shí)在15～20 年內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng)，出現(xiàn)了5 次豐枯水期交替變化。SDⅡ（圖3b）的長(zhǎng)周期變化在30～48 年，周期性變化中心為43 年。Rx5day（圖3f）和R95p（圖3e）在28～52 年尺度上周期性變化顯著，長(zhǎng)周期中心為42 年，且兩個(gè)極端降水指數(shù)在2～5 年尺度存在較為頻繁的豐枯水期交替，但變化幅度較小。R10mm（圖3c）在30～52 年尺度上變化較為規(guī)律，振蕩中心為42年，在12～22年尺度上振蕩變化較為明顯，周期性變化趨勢(shì)不一致，總體表現(xiàn)為枯水期遠(yuǎn)多于豐水期。R25mm（圖3d）僅在32～55 年時(shí)間尺度變化較為明顯，主周期中心為44年。

4 影響黑龍江極端降水指數(shù)變化的因素

在宏觀層面上，影響極端降水事件主要有兩個(gè)因素，一是人為因素，二是自然因素。人為因素的影響一方面主要表現(xiàn)在現(xiàn)代化建設(shè)導(dǎo)致城市工業(yè)化速度加快和機(jī)動(dòng)車輛驟增而排放大量的溫室氣體，極端降水事件發(fā)生的強(qiáng)度和頻次大大增加，到21 世紀(jì)末期，東北地區(qū)干旱帶形勢(shì)將極大可能得到緩解[14]。另一方面表現(xiàn)在城市化進(jìn)程加快而極大地影響極端降水事件，從上文分析中可知，PRCPTOT 突變年份為1983 年，Rx5day 在1971—1992 年存在多個(gè)交點(diǎn)，而我國(guó)改革開放恰好發(fā)生在1978 年，這一論據(jù)證明了城市化進(jìn)程的加快會(huì)極大地影響極端降水指數(shù)的變化。

自然因素對(duì)其的影響主要表現(xiàn)在地形地貌、ENSO 和NAOD 等大尺度氣候因子。從圖1 的黑龍江省極端降水指數(shù)空間分布特征圖中可以看出，SDⅡ和R25mm在龍江地區(qū)、伊春地區(qū)和綏芬河地區(qū)遞增系數(shù)較大，從地形地貌上來(lái)看，這是由于3個(gè)地區(qū)分別位于大興安嶺、小興安嶺及張才廣嶺的迎風(fēng)坡，進(jìn)而使得3 個(gè)地區(qū)在較好的地形抬升條件下降水量驟增，導(dǎo)致SDⅡ和R25mm在此區(qū)內(nèi)出現(xiàn)極值。大尺度氣候因子對(duì)中國(guó)地區(qū)極端降水及洪澇災(zāi)害起主要作用，但就東北地區(qū)而言，ENSO多在夏季造成區(qū)內(nèi)極端降水頻次較高，NAOD 正位相年多在春季和夏季使得極端降水頻次偏高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黑龍江省在1960—1981 年屬于厄爾尼諾年，從圖2 的UF 曲線中可以看出，在該時(shí)期內(nèi)，極端降水指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，與前人研究一致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用黑龍江省1960—2021 年33 個(gè)逐日降水氣象站數(shù)據(jù)，采用泰森多邊形與反距離權(quán)重相結(jié)合法、Mann-Kendall 檢驗(yàn)法和小波分析法，系統(tǒng)研究了黑龍江省極端降水指數(shù)的時(shí)空分布特征及其影響因素。

黑龍江省極端降水指數(shù)空間分布差異明顯，年總降水量、日降水量和小雨天數(shù)在南北方向上變化顯著；大雨天數(shù)、5 d 最大降水量和強(qiáng)降水量在東西方向上變化顯著。在0.05 的置信區(qū)間上，SDⅡ突變發(fā)生在1962 年，PRCPTOT 的突變年份為1983 年，其它極端降水指數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間序列上存在偽交點(diǎn)但變化不顯著。極端降水指數(shù)存在30～52尺度的主周期性變化，主周期集中在41 年，且存在3 個(gè)豐水期和兩個(gè)枯水期。極端降水指數(shù)對(duì)城市化發(fā)展、地形條件和大尺度氣候因子的變化均有指示作用，PRCPTOT 和Rx5day 的突變年份指示了我國(guó)改革發(fā)展時(shí)期，SDⅡ和R25mm 的空間變化特征指示了區(qū)域自然地理?xiàng)l件，各極端降水指數(shù)指示了大尺度氣候因子對(duì)黑龍江省的影響。