黑龙江省气象要素变化特征分析

郝振纯,宋俊博,邢若飞,刘文斌

(1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098;2.黑龙江省水文局，黑龙江 哈尔滨 150001)

黑龙江省气象要素变化特征分析

郝振纯1,宋俊博1,邢若飞1,刘文斌2

(1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098;2.黑龙江省水文局，黑龙江 哈尔滨 150001)

基于黑龙江省1972—2012年30个气象站9个气象要素资料，统计和分析各要素的多年变化过程和年代际变化，并对降水和降雪的季节变化进行分析，进一步揭示气象要素的变化规律。采用气候倾向率和Mann-Kendall检验要素的趋势性，分析各气象要素的趋势性和显著性；最后对各站点气象要素的多年均值用反距离加权法进行插值，并得出其空间分布等值图，分析气象要素的空间变化规律。分析结果显示：黑龙江省气候变化明显，气象要素的时空变化具有地域性、年际性特征，大部分地区平均气温升高,且最低气温与最高气温的温差逐年缩小，空间分布与纬度关系较为密切；降雪量和降水量逐年波动增加，降水量空间分布为从中部地区向两侧减少；多数站点的平均风速、相对湿度、日照时数和小型蒸发量也在减小，空间分布规律因各站特殊的地理位置而具有不同的特点。

气候学；气象要素；变化特征；M-K检验

0 引 言

黑龙江省是我国纬度最高，经度最东的省份，拥有富饶广袤的黑土地，是我国重要的粮食生产基地，国家九大产粮基地中占有两个：三江平原、松嫩平原，通过研究粮食产区的气候变化对国家粮食工程有重要意义[1]。20 世纪80年代以来全球气候明显变暖，黑龙江省已成为中国气温升幅最大地区之一,同时也是中国旱涝灾害发生频繁的地区之一[2]。张桂华等[3]从黑龙江省变暖的事实, 突变时间, 与全球、北半球、全国区域的气温变化关系来揭示黑龙江省气候变化的时空特点；王莹等[4]对黑龙江省寒潮进行统计并分析其气候特征，以期为气象业务服务，并为黑龙江省气候变化的研究及提高政府应对突发灾害的能力提供参考；黑龙江省大部地区年平均气温升高，四季平均气温均升高，其中冬季偏暖突出,气温升高与全球气候变暖的趋势相吻合[5]；龚高法等[6]通过历史资料和树木年轮、湖泊水位、气象等方面资料讨论近几百年来黑龙江地区气候变化规律, 及其对农业生产的影响；季山等[7]对黑龙江省降雪和积雪的某些特征以及融雪成因、融雪径流和雨雪混合径流等进行了初步研究，得出近10多年来, 黑龙江省气温呈波动式上升趋势(100多年来气温上升0.6～ 0.9 ℃),且冬春季节增温幅度超过夏秋季节；黑龙江省气候变率大, 属“气候脆弱区”，特别是热量资源不足 ,易出现倒春寒、夏季低温冷害和旱霜冻,必须掌握本省的基本气候特点及其特征和分布规律,了解气候变化与发展趋势及其可能影响[8]。

1 资料来源

黑龙江省气候变化规律研究对我国气候变化的研究具有重要意义。笔者采用国家气象局的30个地面气象站8个气候要素逐年资料进行综合分析，要素包括：平均气温、平均最低气温、平均最高气温、降水量、平均风速、平均相对湿度、日照时数和小型蒸发皿蒸发量。由于黑龙江省的地理位置特殊，所以气候变化对降雪的影响也十分重要。笔者根据黑龙江省的实际情况,选择温度阈值为0 ℃(当日平均气温低于0 ℃，降水全部以降雪形式存在，反之则为降雨),由逐日降水与平均气温的关系得出降雪量，把降雪量与以上8个气候要素一并分析。为了确保气象数据的一致性与完整性，数据选择有连续观测数据的1972—2012年(其中小型蒸发皿蒸发量的观测数据为1972—2001年)，并对原始数据进行极值检验和时间一致性检验，具有一定的可信性。经调查，所采用的气象站点在1972—2012年没有迁移情况，所采用的30个气象站点的位置分布如图1。

图1 黑龙江省各气象站点分布Fig.1 Meteorological station distribution of Heilongjiang Province

2 研究方法

为更好反映黑龙江省气候变化的地域差异性，对30个气象站点各气候要素统计其气候倾向率，反映时间尺度上的变化,并采用Mann-Kendall非参数统计检验要素变化趋势的显著性。

气候倾向率：设定某个气象要素的时间序列为：z1,z2,…,zi,…zn，可用一个多项式来表示：

(m

(1)

式中：t为时间，年。

Mann-Kendall检验是十分成熟的基于秩的非参数统计检验方法，它的优越性在于能够检验线性或非线性趋势,无需样本遵从一定的分布，也不受个别异常值的干扰，常用于检验时间序列变化趋势的显著性[9]。在检验中，零假设(H0)和备择假设(H1)在对观测数据是否存在时间序列趋势的问题上是平等的。M-K检验中，统计值S与标准化检验统计值ZM-K计算如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Xi和Xj为时间序列中年份i和j所对应的数值；n为时间序列数据长度；tp为第p个数对应的捆绑值；ZM-K为时间序列数据变化趋势，通过计算标准化变量Z，判断是否显著，Z为正值，表明有上升趋势，Z为负值，则表明下降。笔者取95%的置信水平，|Z|≥1.96时，时间序列在该置信水平下变化趋势显著。

3 气象要素变化特征

3.1 气象要素时间变化特征

由各气象要素30个站点历年的算术平均值得出其变化过程线及线性趋势线，如图2。平均气温以0.38 ℃/10a的倾向率逐年波动上升，在2007年取得最大值3.71 ℃，春夏秋冬四季的气温均呈上升趋势，倾向率分别为0.3，0.34，0.45，0.41 ℃/10a；平均最低气温在2007年取得最大值-2.13 ℃，且以0.51 ℃/10a波动上升；平均最高气温同样在2007年也有最大值10.1 ℃，但是其倾向率要比平均最低气温的小，为0.25 ℃/10a，黑龙江地区的温差正在逐渐缩小；降雪量以1.6mm/10a的倾向率逐年增加，在2010年降雪量最大，为85.9mm，多年春季降雪量以-0.13mm/10a,夏季没有降雪，秋季、冬季降雪量都是以2.6mm/10a的倾向率逐年增加；降水量以3.6mm/10a的趋势上升，最大、最小值分别为1994年的636.6mm和2001年的383.8mm，夏季、秋季降水量分别以-0.08，-3.24mm/10a的倾向率减小，而春季、冬季降水量分别4.5，2.6mm/10a的倾向率增加；平均风速逐年减小，波动不明显，倾向率为-0.26(m·s-1)/10a；平均相对湿度以-0.32/10a的倾向率在减少，在2008年取得最小值62.6%；日照时数以-32.4h/10a的倾向率逐年减少，1975年日照时数最大，为2 722.8h；小型蒸发皿蒸发量以-24mm/10a的倾向率逐年波动减小，最大蒸发量出现在1982年，为1 456.9mm。

图2 各气象要素变化过程Fig.2 The change process of various meteorological elements

为了更好地分析黑龙江省气象要素的时间变化特征，对全省气象要素进行年代际统计，其结果如图3。平均气温总体趋势是随年代上升的，平均最低和最高气温的趋势均上升，并且两者的差距正在逐渐缩小；降水量在1980′s达到最大值，其他年代变化不太大(用1980′s表示1980—1990年，以此类推)；降雪量从1970′s到1990′s一直减小，然而2000′s增大较多且达到最大值；平均风速和相对湿度都呈减小趋势；日照时数在1970′s达到最大值，而后一直在一较低水平波动；小型蒸发皿蒸发量的在1970′s取得最大值，1980′s蒸发量下降较多且在1990′s略有回升。

图3 各气象要素年代际直方图Fig.3 The decadal histogram of various meteorological elements

从图3来看，2000′s的降雪量最大，为了探其原因，对各季节的降水量和降雪量年代际变化进行分析，结果如图4。降水量夏季波动较大，1980′s夏季年均降水最多，为359.4 mm,春、冬季的降水量逐年波动增加，倾向率分别为,4.5 mm/10 a，2.6 mm/10 a，夏、秋季降水量波动减小且较为接近，倾向率分别为-0.1mm/10a和-3.2mm/10a,冬季降水一直保持在较低水平，多年平均值为15.3 mm，2000′s冬季降水达最大值，年均值为20.6 mm。降雪在春、秋、冬三季都有存在，41年当中有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，为26 mm,冬季降雪量最大在2010年，为38.8 mm，这与2010年冬季降水量较多且气温较低有关。春季降雪量在1970′s达到最大值13.1mm,春、秋季的降雪量呈减小趋势，倾向率分别为-0.1 mm/10 a和-0.8 mm/10 a,冬季降雪量以2.6 mm/10 a的倾向率增大。

图4 各季节气象要素年代际直方图Fig.4 The decadal histogram of seasonal meteorological elements

3.2 气象要素空间变化特征

对黑龙江省的30个气象站9个气候要素的多年平均值采用反距离平方法进行插值，并得到各气象要素的空间分布状况(图5)。

黑龙江省多年平均气温较全国其它地区偏低，空间分布表现为，纬度较高的西北部地区气温较低，多年均温在0 ℃以下，纬度较低的东南部与西南部温度较高。全省多年平均最高气温与平均最低气温的空间分布与多年平均气温的分布大体一致。平均最高气温由西北部向南部地区逐渐升高，其中东南部和西南部分别由一高值中心区向外围递减，平均最低气温在东部长白山与完达山一带为高值区，向西北方向递减。

多年平均降水量空间差异性大，中部伊春、铁力、通河、尚志站年降水量较多，为半湿润地区，可达到600 mm以上。降水量从中部地区向两侧递减，并且西部递减率比东部地区大，这与东部地区多山脉阻碍水汽的运输有关。西北部与西南部部分地区年降水量低于400 mm,为半干旱地区水平。多年平均降雪量以大兴安岭地区最大，伊春和尚志站降雪量较周围地区大，省内西南部地区的降雪量偏小。黑龙江省内平均风速空间变化趋势不明显，东部山区和西南局部地区风速较大，西北部大兴安岭地区风速偏小，最小值达2.0 m/s以下，伊春与牡丹江地区也是风速低值中心。平均相对湿度的分布区与平均降水量分布的大体一致，中部地区自北向南湿度较高，尚志站达到70%以上，以此南北线为界相对湿度向两边减小，漠河与虎林站局部地区相对湿度也较高。日照时数的空间分布表现为由西南向东北递减的趋势，勃利站日照时数较小，为2 219 h，肇州站日照时数较多，达2 877 h。多年平均小型蒸发皿蒸发量的空间分布呈现由西南向东北递减的规律，泰来、肇州等站的蒸发量局部较大，大兴安岭地区存在几个蒸发量较小的站点，如漠河、呼中站。

图5 各气象要素多年平均值空间分布Fig.5 The spatial distribution of years’ mean value of the various meteorological elements

对黑龙江省内30个气象站点的9个气象要素计算其倾向率，进行Mann-Kendall非参数统计检验，对比后可以知道倾向率和M-K检验的结果是一致的，所以笔者仅选取M-K检验结果进行分析，对其Z值采用反距离平方法进行插值，得出各气象要素的M-K-Z等值线图，如图6。由各气象要素的气候倾向率和M-K检验统计量Z值可知，两者检验结果及其空间分布较为一致。41年间黑龙江省内全部30个站点的平均气温都呈上升趋势，上升较快的在黑河、呼玛站附近，塔河、新林、富锦、通河站的气温上升较慢，并且有28个站点显著上升，各站平均气温倾向率为0.38 ℃/10 a，最大值为勃利站，倾向率达1.1 ℃/10 a。平均最低气温上升的站点数都是27个，其中显著上升25个，西北部地区上升较慢；平均最高气温上升的站点数都是26个，其中显著上升23个，上升较快的站点集中在西北部地区，向东南方向递减。平均最低气温倾向率0.51 ℃/10 a，大于最高气温的0.25 ℃/10 a。总体气温呈上升趋势且温差呈缩小的趋势，这与全球变化研究的规律是一致的，但是在大兴安岭地区的最低气温上升较慢，而最高气温上升较快，此区域的温差呈增大趋势，这与一般规律是相悖的，这种现象对河流封河开河造成了更大的不确定性。

黑龙江省降水量有20个站点呈下降趋势，集中在中部与东部地区，其中通河与尚志站下降显著，倾向率分别为-22.5 mm/10 a和-21. 4 mm/10 a，倾向率最大的站点是东南部的龙江站，其倾向率为47 mm/10a。降雪量有16个站点呈增大趋势，仅有黑河站显著增大，其余减少的站点中呼玛、明水、鸡西这3个站显著减小，倾向率最大和最小分别为黑河站3.8 mm/10 a和双城站-28 mm/10 a。

黑龙江省平均风速仅有两个站点呈上升趋势，且上升的倾向率都较小，其余下降的站点中有26个站显著下降，风速减小最快的为黑河站与虎林站，其倾向率都是-0.37 m/s/10 a。黑龙江省内有29个站点相对湿度呈下降趋势，其中有24个站显著下降，下降倾向率最大的是双城站的-0.5/10 a ，仅龙江和依兰两站上升且不显著。日照时数的变化也是下降的站点较多，有24个，其中超过一半的站点显著减少，呈上升趋势的站点其趋势均不显著。小型蒸发皿蒸发量30个站点中，有21个站点存在减小趋势，其中有12个站点减小显著，其余趋势上升的站点中有4个显著上升，倾向率最大和最小的站点分别是嫩江站的73.7 mm/10 a和大兴安岭站的-81.8 mm/10 a。

图6 各气象要素M-K-Z值空间分布Fig.6 The spatial distribution of M-K-Z of the various meteorological elements

4 结 论

在全球气候变暖的大趋势下，黑龙江省因其独特殊的地理位置，各气候要素不论是在时间还是空间尺度上，都以其特有的方式发生变化：

1)总体气温呈上升趋势且温差呈缩小的趋势，这与全球变化研究的规律是一致的，但是在大兴安岭地区的最低气温上升较慢，而最高气温上升较快，此区域的温差呈增大趋势，这与一般规律是相悖的，这种现象对河流的封河开河造成了更大的不确定性，该区域温差增大的原因还有待进一步研究；

2)降水量和降雪量呈增大趋势，冬季降雪量在2000′s有明显增加，这会造成春季融雪径流的增大；

3)平均风速、相对湿度、日照时数和蒸发量呈现逐年减少趋势。

[1] 玄明君.黑龙江省黑土区气候时空变化特征分析[D].哈尔滨:东北农业大学,2011. XUAN Mingjun.AnalysisonThespacialandTemporalChangesofClimateintheBlackSoilAreaofHeilongjiangProvince[D].Harbin:Northeast Agricultural University,2011.

[2] 朱红蕊,刘赫男,张洪玲,等.1971—2010年黑龙江省蒸发量气候变化特征[J].气象与环境学报,2013,29(3):63-68. ZHU Hongrui,LIU Henan,ZHANG Hongling,et al.Climate characters of evaporation from 1971 to 2010 in Heilongjiang Province[J].JournalofMeteorologyandEnviornment,2013,29(3):63-68.

[3] 张桂华,周永吉,潘华盛.20世纪80年代以来黑龙江省气候变暖的时空变化[J].黑龙江水专学报,2003,30(1):7-10. ZHANG Guihua,ZHOU Yongji,PAN Huasheng.The thesis of Heilongjiang climate warming space-temporal change[J].JournalofHeilongjiangHydraulicEngineeringCollege,2003,30(1):7-10.

[4] 王莹,陈莉,李永生,等.1961—2012年黑龙江省寒潮气候特征[J].气象与环境学报,2014,30(5):125-130. WANG Ying,CHEN Li,LI Yongsheng,et al.Climatic characteristics of cold wave in Heilongjiang Province from 1961 to 2012[J].JournalofMeteorologyandEnvironment,2014,30(5):125-130.

[5] 孙爽,高原,裴宇航,等.黑龙江省1981—2010 年气候平均值的变化及对气候评价的影响[J].黑龙江气象,2014,31(2):1-3. SUN Shuang,GAO Yuan,PEI Yuhang,et al.The climate averages change from 1981 to 2010 and its impact on the climate evaluation in Heilongjiang Province[J].HeilongjiangMeteorology,2014,31(2):1-3.

[6] 龚高法,陈恩久,文焕然.黑龙江省的气候变化[J].地理学报,1979,34(2):129-138. GONG Gaofa,CHEN Enjiu,WEN Huanran.The climatic fluctuations in the Heilongjiang Province[J].ActaGeographicaSinica,1979,34(2):129-138.

[7] 季山,张德伟,宋文生.黑龙江省积雪和融雪径流的初步研究[J].黑龙江水专学报，1994(3):7-15. JI Shan,ZHANG Dewei,SONG Wensheng.The preliminary study of snow cover and snowmelt runoff in Heilongjiang Province[J].JournalofHeilongjiangHydraulicEngineeringCollege,1994(3):7-15.

[8] 邹立尧,赵秀兰.黑龙江省农业气候背景分析[J].黑龙江气象,2000(1):34-38. ZOU Liyao,ZHAO Xiulan.Analysis of the agricultural climate background of Heilongjiang Province[J].HeilongjiangMeteorology,2000(1):34-38.

[9] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京:气象出版社.1999. 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

国家自然科基金项目(41371047)；中国科学院战略性先导科技专项(XDA05110102)；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室专项经费资助项目(1069-514031112)

郝振纯(1958—)，男，山西翼城人，教授，博士生导师，主要从事水文物理规律模拟及水文预报方面的研究。E-mail：hzchun@hhu.edu.cn。

宋俊博(1991—)，男，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事水文气象方面的研究。E-mail：song_junbo@126.com。

P467

A

1674-0696(2016)02-093-07