黑龙江省作物生长季降水年际、年代际变化的区域差别

张苗苗， 郑 凯， 牛忠清

(黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江哈尔滨 150030)



黑龙江省作物生长季降水年际、年代际变化的区域差别

张苗苗， 郑 凯， 牛忠清

(黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江哈尔滨 150030)

采用REOF法对黑龙江省5～9月降水异常进行了分区，分析了不同分区内降水的变化趋势和周期性特征，结果表明，黑龙江省降水异常可分为西南部、东部和西北部3个分区；西南部旱涝事件交替频繁，西北部强的旱涝事件发生概率最小，20世纪70年代末～80年代初，西南部和西北部降水减少趋势显著，其他时段内降水无显著变化趋势，不同分区内降水变化存在阶段性特征；3个降水异常分区降水均存在不同尺度的年际、年代际变化特征，西南部降水准11年尺度的周期变化和东部三江平原2～4年尺度周期信号在整个时域中均有体现。

降水；REOF；年际变化；年代际变化；区域差别

黑龙江省是我国最大的商品粮生产基地，粮食商品量和商品率均居全国首位，2002～2007年黑龙江省累计为国家提供商品粮1 188亿kg，年均商品率高达72%，为保障我国粮食安全做出了巨大贡献。20世纪80年代以来的气候变暖使黑龙江省气温升高，作为我国受全球气候变暖影响增温最显著的地区之一[1-2]，虽然地表降水变化不大，但蒸发量加大，导致土壤失墒，加剧了干旱的发生，特别是严重夏旱的频率明显增加，给区域内农业生产和生态环境等带来很多不利影响。水资源严重不足和失衡已成为制约经济社会发展的瓶颈，并上升为首要的资源问题。认识降水变化的规律及产生的原因是进行准确气候预测的保障，对我国经济的可持续发展具有重要意义。

近年来，众多学者对黑龙江省的降水的时空分布特征和成因进行了大量研究[3-10]，但由于黑龙江省地形比较复杂，使得降水的区域性差异较大，很多研究未能揭示不同地理区域降水的变化特征。此外，考虑到黑龙江省主要农作物生长季集中在5～9月，因此，笔者首先对黑龙江省5～9月降水进行分区，然后讨论不同分区内降水的长期趋势、突变情况和周期性特征。

1 资料和方法

选用黑龙江省68个气象观测站(图1)1961～2010年5～9月逐日降水资料进行统计，得到各站1961～2010年5～9月降水时间序列，对降水距平进行标准化处理，然后应用旋转经验正交函数(Rotated Empirical Orthogonal Function，简称REOF)进行降水异常的区划[11]；再应用趋势系数法[12]、累积距平法、Mann-Kendall趋势检验法[13-14]和小波分析法[15-16]等方法，分析不同分区内降水的长期趋势、突变情况和周期性特征。

图1 黑龙江省气象观测站点分布

2 黑龙江省5～9月降水量的空间分布特征

受地理位置、大气环流和地形地貌等因素的影响，黑龙江省5～9月降水空间分布不均(图2a)，区域差异较大。多年平均降水量为337.3～527.2 mm，降水的大值区位于中部的伊春、哈尔滨和鹤岗西部，向东向西递减；大值中心位于鹤岗，降水量为527.2 mm，尚志、伊春、铁力5～9月降水量均在520.0 mm以上。黑龙江省西南部位于大兴安岭背风坡，气流过山后沿背风坡下沉，按干绝热直减率增温，较气流过山前温度升高、湿度降低，不利于降水的产生，导致位于西南部的齐齐哈尔、大庆和绥化南部地区成为全省降水低值区，干旱频发，5～9月平均降水量不足400 mm，低值中心位于泰来站，降水量仅337.3 mm。

从长期趋势上看(图2b)，近50年大兴安岭地区和齐齐哈尔东北部部分站点5～9月降水量存在增加趋势，其他地区降水量则表现为不同程度的减少趋势，平均速率为-8.5 mm/10a，其中以中部地区减少速率最大，总体上看，全省5～9月降水量的变化趋势不显著。

图2 1961～2010年黑龙江省5～9月降水量的空间分布(a)及变化趋势(b)

3 黑龙江省5～9月降水异常区划

首先对68站5～9月降水资料距平进行标准化，然后进行经验正交分解(Empirical Orthogonal Function，简称EOF)，根据North法则[17]，对前3个载荷向量进行旋转，累积方差贡献率60.75%(表1)，基本可以反映降水异常的主要分布形态，从而得到黑龙江省5～9月降水的旱涝空间分布类型。

3.1 第1旋转载荷向量场——西南部平原大值区覆盖西南部松嫩平原地区，包括齐齐哈尔、大庆、绥化、伊春南部和哈尔滨西部，处于大兴安岭背风坡，中心位于林甸县，最大载荷0.72(图3a1)。这里年降水量较少，是黑龙江省降水最少的地区，干旱是它的主要气候特征，降水变率大，且降水效率也明显低于周边地区。

3.2 第2旋转载荷向量场——东部三江平原大值区主要位于三江平原地区，中心荷载0.84，位于黑龙江富锦(图3a2)。受日本海和鄂霍茨克海潮湿气流的影响，三江平原5～9降水较同纬度的松嫩平原明显偏多，加之这里广阔低平的沼泽湿地作用，使这一地区形成了独有的旱涝空间分布。

3.3 第3旋转载荷向量场——西北部大值区主要位于大兴安岭、黑河、伊春西北部一带，最大载荷0.79，位于黑龙江呼玛(图3a3)。这里大兴安岭与小兴安岭山脉相接，森林覆盖率高，受到寒冷湿润森林气候的影响。

由旋转后各个特征向量的荷载分布图(图3a)可见，对于各个特征向量，荷载分布图上总有1、2个高中心或高值区，以这些高值区为基础将荷载≥0.5的地理位置成片的测站归为一个区，其余测站根据相邻区之间对应特征向量荷载的相对大小来确定所属区域，如大小相等，则考虑该测站与相邻分区的相关性，归入相关系数大的区域，得到黑龙江省5～9月降水异常分区(图3b)，所反映的黑龙江省5～9月降水旱涝型主要包括西南部平原(I)、东部三江平原(II)和西北部大小兴安岭(III)3个分区，这3个旱涝型主要受黑龙江省不同的下垫面特征、地形地貌和地理位置以及主要影响天气系统的差异的影响，各分区内旱涝变化具有相对一致的特征。

表1 黑龙江省5～9月降水量前3个特征向量的方差贡献百分率

%

4 不同降水异常分区5～9降水的时间变化特征

4.1 西南部平原(I区)5～9月降水的时间特征

4.1.1年际变化。由图4a可见，黑龙江省西南部5～9月降水量年际变化明显，平均降水变率14.8%，历年降水为黑龙江省最低，仅429.1 mm；以1994年的降水量最多，为601.7 mm；2007年最少，仅285.0 mm;近50年来5～9月降水存在减少趋势。由累积距平曲线(图4b)可见，西南部5～9月降水量存在3个转折点，分别位于1963、1983和1998年。1961～1963年，累积曲线存在上升趋势；1964～1982年，累积曲线分阶段下降，以负距平为主，平均距平-24.9 mm；1983～1998年，累积曲线表现为上升趋势，以正距平为主，平均距平48.3 mm；1999～2010年，累积曲线再次呈现下降趋势，平均距平-44.4 mm，同时，1983年以后，降水的变幅增大，旱涝事件频发。

4.1.2突变检验。由Mann-Kendall趋势检验曲线(图4c)可见，降水量在20世纪70年代末～80年代初的几年间减少趋势显著，超过0.05显著水平临界线，其他时段内的变化趋势不显著；UF、UB曲线在置信区间内多次相交，但仅在1963年相交后超过显著水平临界线，可确定1963年为5～9月降水量变化的突变点。

4.1.3小波分析。从图4d可看出，近50年西南部5～9月降水存在准3年、2～7年尺度的年际变化，阶段性特征明显，其中准3年尺度的年际变化以20世纪80年代中期～90年代中期信号最强，之后以2～7年尺度周期振荡为主要特征。西南部地区降水以准11年尺度的周期信号最为显著，等值线最为密集，中心强度最大，在整个时域中基本均有体现。同时，小波变换顶部反应出可能存在30年以上的周期特征。黑龙江省西南部地区素有“十年九旱”之说，干旱发生频率高，强度大，从Morlet小波变换图看，是不同尺度共同作用的结果，如1976、1982、1989和1999～2002年的严重干旱在年际和年代际尺度上均有响应，而1998年松嫩平原的降水异常偏多，也是2～7年和准11年尺度共同作用的结果。

注：a1、a2、a3分别为第1、第2、第3个旋转荷向量。图3 黑龙江省5～9月降水前3个旋转载荷向量场分布(a)及降水异常分区(b)

图4 1961～2010年黑龙江省西南部平原(I区)5～9月降水量的年际变化(a)、累积距平(b)、Mann-Kendall趋势检验(c)和小波变换(d)

4.2 东部三江平原(II区)5～9月降水的时间特征

4.2.1年际变化。由图5a可见，黑龙江省东部5～9月降水量为285.8～662.6 mm，平均降水变率14.0%；其中，以1994年的降水量最多，为662.6 mm；1979年最少，仅285.8 mm；近50年三江平原地区5～9月降水存在减少趋势。由累积距平曲线(图5b)可见，东部三江平原地区5～9月降水量变化相对复杂。1961～1965年，累积曲线存在上升趋势；1966～1974年，累积曲线以年际变化为主，变化相对平稳；1975～1980年，累积曲线表现为下降趋势，以负距平为主，平均距平-97.3 mm，该时段内干旱发生频繁，且强度较大；1981～1998年，东部地区降水明显增加，以正距平为主，平均距平39.0 mm；1999年以后，累积曲线呈下降趋势，多数年份降水量低于历年均值。

4.2.2突变检验。由Mann-Kendall趋势检验曲线(图5c)可见，东部地区降水量的变化趋势不显著；UF、UB曲线在置信区间内多次相交，不能确定降水变化的突变点。

4.2.3小波分析。从图5d可看出，近50年三江平原5～9月降水存在2～4、10～15和20～30年尺度的周期变化。其中2～4年尺度的年际变化在整个时域中均有体现，且以20世纪60年代中期～80年代初及1990～2000年的等值线最为密集，信号最强，频域中心位于3年左右；10～15年尺度的周期信号主要体现在2000年以前，中心位于11年左右；20～30年年代际尺度的周期变化在整个时域中均有体现，频域中心位于24年左右，将整个时域划分为1961～1975、1981～1998年2个多雨偏涝期和1976～1980、1999～2010年2个少雨偏旱期。1981和1994年为东部地区降水偏多的年份，从频域上看，是2～4、10～15和20～30年多尺度共同作用的结果。

图5 1961～2010年黑龙江省东部三江平原(II区)5～9月降水量的年际变化(a)、累积距平(b)、Mann-Kendall趋势检验(c)和小波变换(d)

图6 1961～2010年黑龙江省西北部(III区)5～9月降水量的年际变化(a)、累积距平(b)、Mann-Kendall趋势检验(c)和小波变换(d)

4.3 西北部(III区)5～9月降水的时间特征

4.3.1年际变化。由图6a可见，黑龙江省西北部5～9月降水量为312.6～597.2 mm，西北部地区为大小兴安岭覆盖，降水年际变化相对较小，平均降水变率13.0%，其中，以1962年的降水量最多，为597.2 mm；2007年最少，为312.6 mm；西北地区与I区、II区降水的长期趋势一致，近50年来存在减少趋势。由累积距平曲线(图6b)可见，西北部地区5～9月降水量大致存在3个转折点，分别位于1963、1980和1998年。1961～1963年，累积曲线存在上升趋势；1964～1980年，累积曲线稳中有降，其中，20世纪60年代中期～70年代中期降水以年际变化为主；1981～1992年，累积曲线表现为上升趋势，以正距平为主，平均距平21.0 mm；1993～1998年降水年际变化较小，1999～2010年累积曲线呈下降趋势，降水以负距平为主，平均距平-39.2 mm。

4.3.2突变检验。由Mann-Kendall趋势检验曲线(图6c)可见，西北部地区降水量在20世纪70年代末减少趋势显著，其他时间降水的变化趋势不显著；UF、UB曲线在置信区间内多次相交，但仅在1963年相交后通过了显著水平临界线，确定1963年为降水变化的1个突变点。

4.3.3小波分析。从图6d可看出，近50年西北部5～9月降水存在2～4、10～15和20～30年尺度的周期变化，2～4和10～15年尺度的周期变化存在阶段性特征。2～4年年际尺度周期信号在20世纪70年代以前、80年代初～90年代初以及2000年以后均有体现，信号较强；10～15年尺度周期信号在60～80年代较强，频域中心位于11年左右；小波变换顶部等值线密集，表明降水可能存在20～30年年代际尺度的周期变化，且在整个时域中均有体现，频域中心位于24年左右，将整个时域划分为1961～1964、1984～1998年2个多雨偏涝期和1965～1983、1999～2010年2个少雨偏旱期。

5 小结

(1)黑龙江省作物生长季降水异常可分为3区，分别为西南部平原、东部三江平原和西北部大小兴安岭。

(2)近50年来3个分区的降水均呈减少趋势。西南部地区降水年际变幅最大，旱涝事件交替频繁，西北部地区降水的旱涝事件发生概率最小，强度小，20世纪80年代以前降水变化相对稳定，70年代末～80年代初西南部平原和西北部大小兴安岭降水减少趋势显著，其他时段内降水无显著变化趋势，不同分区内降水变化存在阶段性特征。

(3)近50年3个降水异常分区降水均存在不同尺度的年际、年代际变化特征，且局部化特征明显，差异较大。西南部准11年尺度的周期信号和东部2～4年尺度周期振荡在整个时域中均有体现。

[1] 任国玉，初子莹，周雅清．中国气温变化研究最新进展[J]．气候与环境研究，2005，10(4)：701-716．

[2] 孙凤华，杨修群，路爽．东北地区平均、最高、最低气温时空变化特征及对比分析[J]．气象科学，2006，26(2)：157-163．

[3] 龚龚，陆维松，陶丽．东北春夏季降水气温异常的时空分布以及与旱涝的关系[J]．南京气象学院学报，2006，26(3)：349-357．

[4] 韩艳凤，江志红，王冀，等．东北地区夏季降水时空变化特征[J]．气象科技，2005，33(2)：136-141．

[5] 杨素英，孙风华，陈岩．近45a东北地区春季降水异常的气候特征[J]．南京气象学院学报，2005，28(2)：197-204．

[6] 蔡福，明惠青．1961年～2004年东北地区四季降水的时空演变特征[J]．资源科学，2008，30(10)：1456-1662．

[7] 孙力，安刚，唐晓玲．东北亚地区夏季850hPa南风异常与东北旱涝的关系[J]．大气科学，2003，27(3)：425-434．

[8] 刘宗秀，廉毅．北太平洋涛动区500hPa高度场季节变化特征及其对中国东北区降水的影响[J]．应用气象学报，2003，14(5)：553-561．

[9] 贾小龙，王谦谦．东北地区汛期降水异常的大气环流特征分析[J]．高原气象，2006，25(2)：309-318．

[10] 冯新，王新，王元．东北地区汛期降水与全球大洋海温异常关系的SVD分析[J]．热带气象学报，2006，22(4)：367-373．

[11] 黄嘉佑，转动主分量分析在天气气候分析中的应用[J]．气象，1988，14(9)：47-51．

[12] 施能．气象统计预报[M]．北京：气象出版社，2009：32-34．

[13] 符淙斌，王强．气候突变的定义和检测方法[J]．大气科学，1992，16(4)：482-493．

[14] 马柱国，符淙斌．1951～2004年中国北方干旱化的基本事实[J]．科学通报，2006，51(20)：2429-2439．

[15] 黄海仁，孙卫国，程炳岩．Nino海区SSTA的时频结构特征[J]．气象科技，2005，33(3)：218-226．

[16] 娄德君，孙卫国，李志民．齐齐哈尔市气温变化的小波分析[J]．气象科技，2004，32(6)：475-478．

[17] NORTH G R，THOMASL B，CAHALAN R F．Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal functions[J]．Mon Wea Rev，1982，110：699-706．

Regional Differences of Crop Growth Season Precipitation Inter-annual and Inter-decadal Variations in Heilongjiang Province

ZHANG Miao-miao, ZHENG Kai, NIU Zhong-qing

(Heilongjiang Weather Modification Office, Harbin, Heilongjiang 150030)

The compartments of the crop growth season precipitation anomaly in Heilongjiang Province are made, and the trend and period are discussed by means of REOF and wavelet analysis methods. The results showed that Heilongjiang Province was divided into 3 regions, including southwest, east and northeast part. Drought and flood events occurred frequently in southwest region, but that seldom happened in northwest. The precipitation decreasing trend was significant in southwest and northeast region at the end of the 70's to the early 80's, but that was not significant at other times. The precipitation existed stage characteristics in different regions. There were different scales inter-decadal and inter-annual variations in different areas. The rainfall events were concentrated on the quasi-eleven years scales fluctuation being the most remarkable in the southwest area. The two to four year scales fluctuation was obvious in the east region. The inter-decadal and inter-annual variations existed local characteristics in the northeast regions.

Precipitation; REOF; Inter-annual variation; Inter-decadal variation; Regional differences

中国气象局气候变化专项(CCSF201209)。

张苗苗(1982- )，女，黑龙江宾人，工程师，从事人工影响天气研究。

2014-12-11

S 161.6

A

0517-6611(2015)04-194-05