近40年三江平原極端降水時(shí)空變化特征分析

魯 菁, 張玉虎, 高 峰, 劉玉潔

(1.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院, 北京 100048; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101)

在全球氣候變暖背景下，極端降水強(qiáng)度和頻率均有增加[1]，因極端降水發(fā)生特殊性、復(fù)雜性致使干旱、洪澇、泥石流等災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)自然環(huán)境和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失[2-3]，各國(guó)學(xué)者廣泛關(guān)注，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。Skansi等[4]研究顯示，南美大陸東部地區(qū)極端降水事件加劇。Boccolari[5]、Croitoru[6]等研究表明近年來(lái)歐洲極端降水事件總體呈上升趨勢(shì)。已有研究表明，中國(guó)極端降水存在復(fù)雜的時(shí)空變化趨勢(shì)，長(zhǎng)江中下游、東南地區(qū)和西北的部分區(qū)域極端降水有增加趨勢(shì)，而華北、東北和西南的部分地區(qū)有減少趨勢(shì)[1,7]。楊金虎[8]、顧西輝[9]等通過(guò)對(duì)中國(guó)近半個(gè)多世紀(jì)極端降水的變化研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)極端降水次數(shù)在全國(guó)大部分區(qū)域呈顯著增加趨勢(shì)。

由于不同區(qū)域在氣候環(huán)境、地形地貌等方面存在差異較大，因此，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況仍需開(kāi)展更為詳盡的評(píng)估工作。三江平原作為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，大約80%的灌溉農(nóng)業(yè)用水來(lái)源于自然降水[10]，下墊面的改變使該區(qū)域生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱[11]，極端降水事件的持續(xù)上升將會(huì)造成農(nóng)田淹沒(méi)、干旱等自然災(zāi)害發(fā)生，增加大面積農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)糧食生產(chǎn)的不確定性[12-14]。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者針對(duì)三江平原地區(qū)的降水變化開(kāi)展了相關(guān)研究，閆敏華等[11]定量論述了三江平原地區(qū)氣候變化事實(shí)，認(rèn)為該區(qū)域氣候系統(tǒng)內(nèi)部的變化可能是引起各氣候要素發(fā)生突變的原因；王秀芬等[15]分析了三江平原過(guò)去30 a降水量的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)年降水量表現(xiàn)為明顯的減少趨勢(shì)，其中減少幅度較大的區(qū)域主要分布在三江平原北部地區(qū)；付強(qiáng)等[16]通過(guò)采用近似熵理論、ArcGIS空間分析理論，揭示了近半個(gè)世紀(jì)三江平原月降水量的空間復(fù)雜性。但是，前人研究多集中于三江平原降水量的變化上，而針對(duì)三江平原地區(qū)極端降水時(shí)空變化特征還少有研究，尤其是采用多種方法對(duì)極端降水的綜合研究鮮有報(bào)道。

本文選取多種極端降水指數(shù)，應(yīng)用氣候傾向率、克里金插值法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、累積距平、R/S分析法、相關(guān)分析法，分析近40 a三江平原地區(qū)極端降水時(shí)空變化特征。與已有針對(duì)平均態(tài)或單一極端降水指數(shù)[17]所做的線性趨勢(shì)變化研究不同，本文采用世界氣象組織氣候委(WMO)提出的11個(gè)具有較弱極端性、噪聲低、顯著性強(qiáng)的核心降水指數(shù)[2,18]，可較為全面、系統(tǒng)地描述和捕捉區(qū)域極端降水強(qiáng)度、頻率的時(shí)空變化特征。研究結(jié)果對(duì)三江平原農(nóng)業(yè)氣候?yàn)?zāi)害預(yù)估、宏觀農(nóng)業(yè)管理制度等方面提供一定的前期基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

三江平原(129°30′—135°05′E，43°50′—48°40′N)位于我國(guó)黑龍江省東北部，涵蓋由松花江、黑龍江和烏蘇里江匯流的三角區(qū)域，總面積約10.89萬(wàn)km2，總?cè)丝诩s862.5萬(wàn)人，地勢(shì)低平(平均海拔約60 m)，資源豐富。該區(qū)域?qū)贉貛駶?rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫1～4℃，全年平均降水量約539 mm，降水季主要集中于夏秋季，光照時(shí)數(shù)適中，雨熱同期，適合一年一熟的水稻、大豆、玉米等農(nóng)作物的生長(zhǎng)。三江平原濕地面積曾達(dá)534.5萬(wàn)hm2，被稱為我國(guó)沼澤地分布最為廣泛的地區(qū)，現(xiàn)已成為我國(guó)重要的糧食儲(chǔ)備基地和商品糧生產(chǎn)基地，每年為國(guó)家提供20%的商品糧。農(nóng)業(yè)作為三江平原的第一產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)灌溉用水來(lái)源成為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，探求三江平原極端降水時(shí)空變化規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文選取由國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.nmic.cn/)和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的三江平原21個(gè)站點(diǎn)(圖1)1979—2014年逐日降水量觀測(cè)資料，分析近40 a三江平原極端降水時(shí)空變化規(guī)律，并對(duì)極端降水指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，其中基于相對(duì)閾值的極端降水指標(biāo)是在1979—2000年時(shí)間序列的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算的[19]。為確保各站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)的可信、可靠[20-21]，采取均一性檢測(cè)方法對(duì)所選逐日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)控制[22]。

圖1三江平原氣象站點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 RClimDex模型

RClimDex模型(可從http:∥cccma.seos.uvic.ca/ETCCDMI下載)只需按規(guī)定格式輸入降水量、逐日最高和最低溫度等，即可計(jì)算得到世界氣象組織氣候委員會(huì)(WMO)推薦使用的27個(gè)核心極端氣候指標(biāo)，其中極端降水指標(biāo)11個(gè)，包括降水總量(PRCPTOT)和下雨天數(shù)(RD)[2,18]。該模型用于執(zhí)行質(zhì)量控制(包括識(shí)別錯(cuò)誤、搜索異常值、評(píng)估同質(zhì)性)，具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到世界各地[21-22]。降水指標(biāo)的計(jì)算對(duì)于降水缺測(cè)值十分敏感，由于研究的氣象記錄年限跨度較大，難免會(huì)存在記錄值缺測(cè)等情況，因此程序要求所有的缺測(cè)值都統(tǒng)一設(shè)置為-99.9[23-25]。根據(jù)三江平原實(shí)際降水情況和研究需要，基于資料序列的百分位值確定相對(duì)閾值的方法[26]，本文選取11個(gè)極端降水指標(biāo)(表1)進(jìn)行計(jì)算，以較為全面、系統(tǒng)地描述和捕捉極端降水事件。

表1 極端降水指標(biāo)定義

2.2 氣候傾向率

氣候趨勢(shì)系數(shù)消去了氣象要素的均方差和單位對(duì)線性回歸系數(shù)數(shù)值大小的影響，從而可以在不同的地理位置、不同的氣象要素之間比較趨勢(shì)變化的大小，能較好地研究和揭露大范圍氣象場(chǎng)長(zhǎng)期空間變化的趨勢(shì)特征[27]。具體計(jì)算方法見(jiàn)公式(1)。

(1)

(2)

根據(jù)回歸理論，氣候趨勢(shì)系數(shù)rxt與氣候傾向率有如下關(guān)系：

(3)

式中：a1為氣候傾向率；rxt為氣候趨勢(shì)系數(shù)；sx,st分別為氣象要素序列與自然數(shù)列的均方差。

2.3 累積距平

氣候突變是氣象要素變化過(guò)程中存在的某種不連續(xù)現(xiàn)象，而累積距平是一種由曲線直觀判斷氣候變化趨勢(shì)的方法[28]。對(duì)于序列i，其t時(shí)刻的累積距平表示為：

(4)

2.4 R/S分析法

R/S分析法由英國(guó)水文學(xué)家赫斯特(E. Hurst)提出，通過(guò)分析估算的Hurst指數(shù)，可判斷極端降水指標(biāo)的時(shí)間序列趨勢(shì)的持續(xù)性[30]。(Hurst指數(shù)H在0～1之間變化，值0.5表示缺乏長(zhǎng)期持久性，大于/小于0.5的值意味著系列的長(zhǎng)期持續(xù)性/反持續(xù)性的存在[1])為定量描述持續(xù)性及反持續(xù)性的強(qiáng)度，根據(jù)Hurst指數(shù)的大小進(jìn)行分級(jí)，詳見(jiàn)表2[31]。

2.5 克里金插值法

克里金插值法(Kriging)于20世紀(jì)50年代由南非地學(xué)家工程師Krige D G提出，后人將其應(yīng)用于空間插值的等值線繪制，繼而Kriging算法被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)領(lǐng)域的空間分析與制圖[32]。本研究在ArcGIS10.2環(huán)境下，利用Kriging將極端降水指數(shù)氣候傾向率進(jìn)行空間插值，基于含有距離和方向上存在偏差的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，Kriging空間插值更能準(zhǔn)確反映變量的空間分布特征[33]。

表2 Hurst指數(shù)分級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 極端降水空間變化趨勢(shì)分析

3.1.1 降水強(qiáng)度指標(biāo)空間變化趨勢(shì)分析 極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)存在顯著的空間差異。1979—2014年，三江平原11個(gè)氣象站點(diǎn)年降水量(PRCPTOT)呈上升趨勢(shì)，主要位于西北部及東南部地區(qū)，以虎林站、鶴崗站、樺川站、佳木斯站等為代表，其他10個(gè)氣象站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，但氣候傾向率為-2.1 mm/10 a，說(shuō)明總體站點(diǎn)下降減幅較大，其中特殊年份降水量在一定程度上主導(dǎo)了線性趨勢(shì)的發(fā)展。從變化趨勢(shì)及站點(diǎn)分布來(lái)看，1日最大降水量(RX1day)與極端降水總量(R99p)變化情況相似，其中三江平原中部地區(qū)上升幅度較大，南部地區(qū)的RX1day上升幅度較小。從相應(yīng)趨勢(shì)站點(diǎn)數(shù)目來(lái)看，5日最大降水量(RX5day)與極端降水總量(R99p)變化情況更為相似，61.9%氣象站點(diǎn)的RX5day、R99p呈下降趨勢(shì)，僅三江平原中部寶清站R99p下降趨勢(shì)達(dá)到95%的顯著水平。集中分布在三江平原西部地區(qū)的10個(gè)氣象站點(diǎn)異常降水總量(R95p)變化呈上升趨勢(shì)，但均未達(dá)到95%顯著水平。普通日降水強(qiáng)度(SDII)空間分布格局與PRCPTOT基本一致，但SDII氣候傾向率0.0 mm/(d·10 a)表明三江平原普通日降水強(qiáng)度無(wú)明顯變化趨勢(shì)。由降水強(qiáng)度指標(biāo)空間趨勢(shì)分布結(jié)果可見(jiàn)，近40 a來(lái)三江平原地區(qū)西北—東南部降水較為豐沛，東北—西南地區(qū)干旱化趨勢(shì)明顯，極端降水總量上升幅度較大的地區(qū)主要集中于平原中部的寶清縣，這可能與區(qū)域土地利用、植被覆蓋、糧食種植等因素相關(guān)(圖2、表3)。

圖2降水強(qiáng)度指標(biāo)氣候傾向率空間趨勢(shì)分布

3.1.2 降水頻率指標(biāo)空間變化趨勢(shì)分析 在持續(xù)干燥日數(shù)(CDD)變化趨勢(shì)上，除三江平原南部地區(qū)外，其他地區(qū)約61.9%的站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，下降速率為-1.8 d/10a，其中僅東部地區(qū)湯原站CDD下降趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。持續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)(CWD)在空間及變化趨勢(shì)上基本與CDD呈相反態(tài)勢(shì)變化。1979—2014年，三江平原絕對(duì)指標(biāo)R10mm，R20mm，R30mm均無(wú)明顯變化趨勢(shì)，表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，但在空間上呈現(xiàn)出“西北、東南地區(qū)上升趨勢(shì)顯著，東北、西南地區(qū)以下降趨勢(shì)為主”的降水分布格局(表3、圖3)。結(jié)合極端降水強(qiáng)度指標(biāo)空間趨勢(shì)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除CDD外，各極端降水指標(biāo)在空間變化上具有相似變化趨勢(shì)，能夠反映區(qū)域極端降水的分布及其變化規(guī)律，準(zhǔn)確分析降水時(shí)間、強(qiáng)度變化及其分布，降低災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 極端降水時(shí)間變化趨勢(shì)分析

3.2.1 極端降水時(shí)間變化趨勢(shì) 1979-2014年，三江平原極端降水指數(shù)年際變化總體呈下降趨勢(shì)，僅有CDD和RX5day兩指數(shù)通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其氣候傾向率分別為-1.8 d/10a和-2.0 mm/10a；其余9個(gè)指數(shù)均呈非顯著性，RX5day，R95p，R99p，PRCPTOT這4個(gè)指數(shù)呈非顯著性減少趨勢(shì)，持續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)CWD呈微弱下降趨勢(shì)；對(duì)比顯示，SDII，R10mm，R20mm，R25mm這4個(gè)指數(shù)變化趨勢(shì)不明顯。其中，反映平均降水情況的普通日降水量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，位于最低值的1979年6.4 mm到最高值的1994年9.5 mm僅相差3.1 mm，說(shuō)明研究區(qū)域的年有效降水事件中的降水量變化不大。此外，整體極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)顯示三江平原極端降水發(fā)生頻率呈下降趨勢(shì)，這與東北地區(qū)極端降水指數(shù)呈減少趨勢(shì)的事實(shí)相符[34]。

從5a滑動(dòng)平均值年際變化總體來(lái)看(圖4)，該區(qū)域的RX1day，RX5day，R95p，R99p，R10mm，R20mm，R25mm，PRCPTOT，SDII在20世紀(jì)90年代末前后波動(dòng)起伏較為明顯，較好呈現(xiàn)出豐枯極端降水年交錯(cuò)分布特征。根據(jù)5a滑動(dòng)平均可將9個(gè)極端降水指數(shù)分為1979—1981年，1981—1997年，1997—2001年，2001—2014年4個(gè)階段，分別表現(xiàn)為“上升—平穩(wěn)—下降—上升”的趨勢(shì)。除R20mm，R25mm，SDII這3個(gè)指數(shù)外，在1979—1981年和2001—2014年前后，其余6個(gè)極端降水指數(shù)均呈現(xiàn)明顯階梯性上升趨勢(shì)，但總體下降趨勢(shì)顯著。研究結(jié)果表明三江平原極端降水總量的減少主要是由于降水強(qiáng)度減少引起的，降水頻率對(duì)其影響較小。

圖3降水頻率指標(biāo)氣候傾向率空間趨勢(shì)分布

圖4 1979-2014年三江平原極端降水指數(shù)的年際變化

注：↑表示增加，↓表示降低。

3.2.2 極端降水變化的突變特征分析 氣候突變是指氣候從一種氣候態(tài)向另一種氣候態(tài)的急速轉(zhuǎn)變。圖5揭示了1979—2014年11個(gè)極端降水指數(shù)時(shí)間序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和累積異常變化。根據(jù)1979—2014年三江平原RX1day累積距平分析顯示，三江平原21世紀(jì)初1日最大降水量負(fù)距平占優(yōu)勢(shì)，累積距平曲線呈下降趨勢(shì)，2011年累積距平降至最低-30.9 mm。Mann-Kendal突變檢驗(yàn)表明，2000年和2011年RX1day時(shí)間序列發(fā)生突變，分別發(fā)生了“由多到少”和“由少到多”的突變，但由于UF(k)曲線未通過(guò)置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)，因此突變后變化趨勢(shì)不明顯。RX5day與RX1day變化趨勢(shì)基本相同，但在1990年超過(guò)α=0.1的置信區(qū)間，甚至在1992年超過(guò)了α=0.05的置信區(qū)間,說(shuō)明變化趨勢(shì)極顯著。除CWD降水指標(biāo)外，極端降水量指標(biāo)與極端降水日數(shù)指標(biāo)的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和累積距平圖分別表明2000年左右這些極端降水指數(shù)發(fā)生“由多到少”的突變。這一結(jié)果與極端降水時(shí)間趨勢(shì)變化中20世紀(jì)90年代末前后波動(dòng)起伏較為明顯的結(jié)論相吻合，與武文博[34]、楊金虎[8]等東北地區(qū)極端降水指數(shù)突變趨勢(shì)相一致。

3.3 極端降水與年總降水量的關(guān)系

研究表明，年降水量與極端降水變化相似，極端降水指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)可對(duì)極端降水進(jìn)行較為直觀的反映[2,33]。各極端降水指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4，CDD與其余指數(shù)之間呈正相關(guān)，除與R95p之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性外(通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn))，與剩余極端指數(shù)間的相關(guān)性較差，同樣，CWD與各極端指數(shù)間的相關(guān)性也較差。由此可知，除CDD、CWD外的各極端降水指數(shù)均能較好表征三江平原地區(qū)極端降水，具有較好的指示作用，即三江平原極端降水的變化情況會(huì)對(duì)降水量變化產(chǎn)生顯著影響。這將為極端降水過(guò)程變化、趨勢(shì)分析、未來(lái)預(yù)測(cè)等提供合理的基礎(chǔ)。

表4 三江平原極端降水指標(biāo)與年降水總量的相關(guān)性分析

注：**極顯著(p<0.01)；*顯著(p<0.05)。

3.4 極端降水指數(shù)持續(xù)性預(yù)測(cè)

將極端降水指數(shù)的歷史變化趨勢(shì)與Hurst指數(shù)疊加，能對(duì)未來(lái)極端降水指數(shù)的持續(xù)性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)[30]。表5為三江平原極端降水指數(shù)的Hurst指數(shù)。計(jì)算可得，三江平原極端降水指數(shù)的Hurst指數(shù)均在0.35以下，表現(xiàn)出強(qiáng)的反持續(xù)強(qiáng)度，尤其是RX5day在0.2以下，說(shuō)明反持續(xù)性最強(qiáng)。此外，RX1day，CWD，R20mm，R25mm均在0.25≤H<0.35范圍內(nèi)，說(shuō)明這些極端降水指數(shù)Hurst現(xiàn)象較明顯，具有較強(qiáng)的反持續(xù)性。結(jié)合三江平原各極端降水指數(shù)時(shí)間序列的歷史變化趨勢(shì)，即可預(yù)測(cè)其未來(lái)變化趨勢(shì)：極端降水強(qiáng)度指數(shù)基本成上升趨勢(shì)，極端降水頻率指數(shù)中除CWD外，也基本呈上升趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，未來(lái)三江平原雨水充沛，存在發(fā)生暴雨、洪澇等極端降水事件的可能性，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，可減小極端氣候?yàn)?zāi)害對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、區(qū)域水資源管理等方面帶來(lái)的不利影響。

圖5極端降水指數(shù)時(shí)間序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和累積異常曲線

續(xù)圖5 極端降水指數(shù)時(shí)間序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和累積異常曲線

4 結(jié) 論

(1) 三江平原降水量氣候傾向率空間分布整體呈現(xiàn)“西北—東南上升趨勢(shì)顯著，東北—西南以下降趨勢(shì)為主”格局；其他各極端降水指數(shù)氣候傾向率的空間分布上升趨勢(shì)與下降趨勢(shì)小幅交替出現(xiàn)，變化較為溫和，而在南部地區(qū)各極端降水指數(shù)的變化趨勢(shì)則較為明顯且單一，除CDD外，基本處于下降趨勢(shì)。

(2) 三江平原近40 a年降水量整體處于下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-2.1 mm/10 a，其中特殊年份降水量在一定程度上主導(dǎo)了線性趨勢(shì)的發(fā)展。由極端降水指標(biāo)相關(guān)性分析可知，除CDD，CWD外，各極端降水指數(shù)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了0.01水平的置信度檢驗(yàn)。

(3) 由三江平原各極端降水指數(shù)時(shí)間序列趨勢(shì)變化分析可知，該區(qū)域部分極端降水指數(shù)在20世紀(jì)90年代末前后波動(dòng)起伏較為明顯，較好呈現(xiàn)出豐枯極端降水年交錯(cuò)分布特征。根據(jù)5a滑動(dòng)平均年際變化情況表明，三江平原極端降水總量的減少主要是由于降水強(qiáng)度引起，降水頻率對(duì)其影響較小。

(4) M-K突變檢驗(yàn)指出，CDD，SDII，RX5day存在明顯突變現(xiàn)象，其中，RX5day在1990年超過(guò)α=0.1的置信區(qū)間，甚至在1992年超過(guò)了α=0.05的置信區(qū)間,說(shuō)明變化趨勢(shì)極顯著。此外，通過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和累積異常曲線圖結(jié)合，發(fā)現(xiàn)在2000年左右，除CWD降水指標(biāo)外，極端降水強(qiáng)度指標(biāo)與極端降水頻數(shù)指標(biāo)均發(fā)生“由多到少”的突變。

(5) 三江平原各極端降水指數(shù)的Hurst指數(shù)均在0.35以下，具有較強(qiáng)反持續(xù)性。將極端降水指數(shù)的歷史變化趨勢(shì)與Hurst指數(shù)疊加，即可預(yù)測(cè)未來(lái)極端降水強(qiáng)度指數(shù)基本呈上升趨勢(shì)，極端降水頻率指數(shù)中除CWD外，也基本呈上升趨勢(shì)。