孫彥坤，王倩，張立友，李維海，高見(jiàn)

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.吉林省白城人工增雨基地，吉林白城 137000；3.黑龍江省黑河市氣象局，黑龍江黑河 164300；4.黑龍江省肇源縣氣象局，黑龍江大慶 166500）

黑龍江省黑土區(qū)近52年降水時(shí)空變化

孫彥坤1，王倩1，張立友2，李維海3，高見(jiàn)4

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.吉林省白城人工增雨基地，吉林白城 137000；3.黑龍江省黑河市氣象局，黑龍江黑河 164300；4.黑龍江省肇源縣氣象局，黑龍江大慶 166500）

依據(jù)黑龍江省黑土區(qū)24個(gè)市縣1961～2012年降水量資料，利用ArcGIS9.2、通過(guò)空間插值分析、趨勢(shì)性分析方法，從時(shí)間和空間上分析黑龍江省黑土區(qū)降水時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明，①黑龍江省黑土區(qū)近52年降水量呈現(xiàn)中部高、東西部低的特點(diǎn)。52年降水量變化趨勢(shì)不明顯，但存在波動(dòng)變化特點(diǎn)。年平均降水量為515.38 mm，每年降水量減少0.0480 mm。②黑土區(qū)近52年四個(gè)季節(jié)平均降水量由西向東逐漸增大。夏季降水量最大，為345.50 mm；冬季降水量最小，為11.62 mm。春、秋季平均降水量分別為71.40、91.36 mm。52年春季和冬季降水量有顯著增加趨勢(shì)，夏季和秋季有微弱下降趨勢(shì)。③52年黑土區(qū)年代平均降水量總體減少，高降水區(qū)域面積縮小。1980s平均降水量最高為544.19 mm，1970s最低為478.64 mm。

黑土區(qū)；ArcGIS；降水量；時(shí)空分布

黑土具有深厚的腐殖質(zhì)層、良好的物理、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)特性，墾殖率較高，是我國(guó)東北地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)土壤[1-3]。黑龍江省黑土區(qū)地處歐亞大陸東部，四季分明，是我國(guó)重要商品糧基地。然而由于不合理開(kāi)發(fā)，大量降雨致水土流失等原因，52年來(lái)黑土面積銳減。因此，對(duì)黑土區(qū)異常降水氣候特征進(jìn)行全面分析和探討，具有重要意義[4-5]。

本文選用黑龍江省黑土區(qū)1961～2012年降水資料，采用空間插值分析、趨勢(shì)性分析對(duì)52年間黑土區(qū)域降水變化特征進(jìn)行分析，探究降水量時(shí)空變化特點(diǎn)及規(guī)律，為今后水資源高效利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論支持，并為降水量未來(lái)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

我國(guó)東北黑土區(qū)與美國(guó)密西西比流域沿岸、烏克蘭大平原并稱全球三大黑土帶，橫跨東經(jīng)123°40′～134°40′，縱貫北緯44°10′～50°20′。黑龍江省黑土總面積為1114.25萬(wàn)hm2，占全省土地總面積4 538.6萬(wàn)hm2的24.6%，主要分布在哈爾濱至北安鐵路沿線兩側(cè)，嫩江中游地區(qū)、小興安嶺和長(zhǎng)白山兩側(cè)，北界直到黑龍江右岸，南界由雙城、五常一帶延伸到吉林省，西界與嫩江平原的黑蓋土和鹽漬土接壤，東界則延伸到小興安嶺和長(zhǎng)白山等山間谷地以及三江平原邊緣[6]。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

該研究所用資料為黑龍江省黑土區(qū)內(nèi)24個(gè)市縣（見(jiàn)圖1）各個(gè)氣象站點(diǎn)在1961～2012年的降水?dāng)?shù)據(jù)。季節(jié)劃分原則為春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月～翌年2月。

2.2 分析方法

以ArcGIS軟件為平臺(tái)，利用1961～2012年黑龍江省黑土區(qū)24個(gè)氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)，研究黑龍江省黑土區(qū)降水時(shí)空變化特征。

圖1 黑龍江省黑土區(qū)氣象臺(tái)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological observation stations in the black soil area in Heilongjiang Province

克立格插值法又稱空間局部插值法，以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法[7]?？肆⒏癫逯捣ㄊ悄壳暗亟y(tǒng)計(jì)學(xué)中應(yīng)用最廣泛的最優(yōu)內(nèi)插法，利用已知點(diǎn)數(shù)據(jù)估計(jì)未知點(diǎn)數(shù)值，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)實(shí)行局部估計(jì)的加權(quán)平均值[8-10]?？肆⒏穹ㄒ詤^(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，變異函數(shù)為分析工具，對(duì)空間分布具有隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性的變量研究具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[11]?？肆⒏癫逯捣ú粌H加入海拔因子對(duì)插值運(yùn)算點(diǎn)的影響，還可克服受樣本點(diǎn)距離的影響，所以選用克立格插值法[11]。

式中，Z（X0）為未知樣點(diǎn)的值，Z（xi）為未知樣點(diǎn)周圍的已知樣本點(diǎn)的值，λi為第i個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的權(quán)重，n為已知樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑土區(qū)1961～2012年平均年降水量空間變化分析

根據(jù)黑土區(qū)24個(gè)市縣52年平均降水量數(shù)據(jù)，在ArcGIS 9.3環(huán)境下生成1 km×1 km柵格降水分布圖，黑土區(qū)所在24個(gè)市縣52年平均降水量分布范圍為465.60～599.90 mm?；诤谕羺^(qū)52年平均降水量柵格數(shù)據(jù)，得知全省黑土區(qū)24個(gè)縣年平均降水量為515.38 mm。如圖2所示，黑土區(qū)降水由西向東梯次增加，中部地區(qū)降水量比較高，最高可達(dá)597.53 mm，西部、西北部地區(qū)比較低，最低至467.25mm，同一緯度，由西向東近52年平均降水量逐漸升高。在圖2中，黑土區(qū)西部地區(qū)如訥河市、依安縣年降水量最少，為465.60.50～484.87 mm；中部地區(qū)如巴彥、賓縣和五常最高，可達(dá)575.05～599.90 mm；其余市縣處于484.87～575.05 mm之間的降水量。

3.2 黑土區(qū)1961～2012年四季平均降水量空間變化分析

如圖3所示，夏季降水量出現(xiàn)中部高，東西部低的特點(diǎn)，其他季節(jié)降水量由西向東逐漸增大。黑土區(qū)降水具有明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)，巴彥縣、五常及慶安為降水量較大地區(qū)，達(dá)到374.95～393.50 mm；青岡縣、蘭西、明水為降水量較小地區(qū)，達(dá)到6.42～8.67 mm。而春季與秋季平均降水量相比，沒(méi)有顯著差異。

圖2 黑龍江省黑土區(qū)1961～2012年平均降水量空間分布Fig.2 Spatial analysis of 1961-2012 mean amount of precipitation in the black soil area of Heilongjiang Province

圖3 黑土區(qū)近52年四季平均降水量空間分布Fig.3 Spatial analysist of 52 years'four seasons mean amount of Precipitation in black soil area

由圖4可知，春、夏、秋、冬四季的52年降水量平均值分別為71.40、345.50、91.36、11.62 mm。夏季降水最多，占全年降水量60%左右，冬季相對(duì)較少。春、夏、秋、冬四季降水量氣候傾向率分別為4.564、-4.469、-2.049、1.709·10a-1。在春季，降水變化比較劇烈，60年代、70年代以及80年代中期降水量變化不明顯。80年代中期降水量減少，90年代末期到00年代降水量大幅度增加。在夏季，60年代前期降水量下降，60年代末到70年代中期降水量減少，70年代中期降水量有所增加，80年代中期降水量出現(xiàn)明顯波動(dòng)變化。在秋季，60年代中期到70年代中期降水量減少，70年代中期降水量緩慢增加到90年代開(kāi)始減少，到中期降水量趨于穩(wěn)定。在冬季，80年代中期之前降水量沒(méi)有明顯變化，此后降水量減少，90年代中期到00年代降水量增加。

圖4 黑土區(qū)近52年四季降水量趨勢(shì)變化分析Fig.4 Trend changes in four seasons amount of preciptation in the black soil area in recent 52 years

3.3 黑龍江省黑土區(qū)平均降水年代際變化空間分析

利用黑土區(qū)24個(gè)氣象臺(tái)站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算降水量年代際變化分布，從空間分布來(lái)看（見(jiàn)圖5），黑土區(qū)年代平均降水量總體減少，高降水區(qū)域面積有所減少。但1970s與1980s相比，降水量有所增加，其中賓縣由554.08～571.98 mm升至589.90～630.10 mm；嫩江由446.62～464.52 mm升至482.44～500.34 mm。1980s與2000s相比降水量減少，其中五常、賓縣、巴彥由589.90～630.10 mm降至548.88.08～576.90 mm；海倫、慶安由571.99～589.89 mm降至539.60.26～548.88 mm；黑土區(qū)中部地區(qū)雙城、拜泉縣、青岡縣呈現(xiàn)由482.44～500.34 mm降至474.30～485.46 mm，其他縣市呈現(xiàn)出474.30～539.60 mm之間波動(dòng)變化。

由圖6可知，從時(shí)間分析來(lái)看，到21世紀(jì)初，其年代平均最高降水量為544.19 mm，最低為478.64 mm。1970s年降水量比1960s減少47.67 mm。但是1980s年降水量增加顯著，比1970s年降水量增加65.55 mm，且增加幅度較大。1990s和1980s變化不明顯。2000s年降水量減少顯著。

3.4 黑土區(qū)1961～2012年降水量趨勢(shì)性變化分析

以黑龍江省黑土區(qū)1961～2012年平均降水量為變量，年代為自變量，生成時(shí)間序列，對(duì)整個(gè)序列作線性擬合分析，趨勢(shì)方程為y=-0.0480+518.080如圖7所示，年平均降水量最低為353.25 mm，出現(xiàn)在2001年，最高676.8 mm，出現(xiàn)在1994年。氣候傾向率為-0.480 mm·10a-1，即52年來(lái)黑土區(qū)平均降水量每年下降0.0480 mm。但是黑土區(qū)年平均降水量線性化趨勢(shì)不明顯，從5a滑動(dòng)平均看，52年黑土區(qū)年平均降水量有明顯的波動(dòng)特征，60年代到70年代初期降水量減少，70年代初期到80年代中期，黑土區(qū)年平均降水量增加，80年代中期之后降水量出現(xiàn)波動(dòng)變化。

圖5 黑土區(qū)平均降水量年代際變化空間分布Fig.5 Distributions of inter-decadal variation of precipitation in black soil area

圖6 黑土區(qū)年代平均降水量Fig.6 Column chart of the decadal trend of the average precipition in the black soil area

圖7 黑土區(qū)1961～2012年降水量趨勢(shì)變化分析Fig.7 Trend changes in yearly mean amount of precipitation in the black soil area during 1961-2012

4 討論與結(jié)論

a.黑龍江省黑土區(qū)近52年降水量呈現(xiàn)中部高、東西部低特點(diǎn)，中部地區(qū)如巴彥、賓縣和五常最高，可達(dá)575.05～599.90 mm；西部地區(qū)訥河市、依安縣年降水量最少為465.60.50～484.87 mm。黑土區(qū)52年降水量變化趨勢(shì)不明顯，但存在波動(dòng)變化特點(diǎn)。年平均降水量為515.38 mm，每年降水量減少0.0480 mm。

b.黑土區(qū)近52年四個(gè)季節(jié)的平均降水量由西向東逐漸增大，東西有明顯差異。夏季降水量最大為345.50 mm；冬季降水量最小為11.62 mm。春、秋季平均降水量分別為71.40、91.36 mm。52年春季和冬季降水量有顯著增加趨勢(shì)，夏季和秋季有微弱下降趨勢(shì)。

c.52年黑土區(qū)年代平均降水量總體減少，高降水量區(qū)域面積縮小。1980年平均降水量最高為544.19 mm，1970年最低為478.64 mm。

d.黑土區(qū)降水量減少，年平均氣溫升高[12]，總體氣候變化呈現(xiàn)干暖化趨勢(shì)，對(duì)黑土區(qū)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。

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SUN Yankun1,WANG Qian1,ZHANG Liyou2,LI Weihai3,GAO Jian4(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Jilin Province Baicheng City Artificial Rainfall Base,Baicheng Jilin 137000,China;3.Heilongjiang Province Heihe City Observatory,Heihe Heilongjiang 164300,China;4.Heilongjiang Province Zhaoyuan City Observatory,Daqing Heilongjiang 166500,China)

Based on the daily precipition data in the 24 meteorological stations in the black soil area in Heilongjiang Province from 1961 to 2012 and with ArcGIS 9.2,Spatial Interpolation Analysis, this paper makes an analysis of the chronic and spatial precipition features in the black soil areas.It showed that,①I(mǎi)t showed that the precipition of middle years were higher and both sides were lower in black soil area of Hei longjiang Province inr nearly 52 years.The trend changes of precipitation in the black soil area were not significant in 52 years,showing fluctuation characteristics.The average annual precipation was 515.38 mm,the precipition decreased about 0.0480 mm every year.②Judging from the various seasons,The annual precipition increased gradually from west to east during the period of 52 years.the precipition of summer was the highest,the average precipition of summer was 345.50mm;the precipition of winner was the lowest,the average precipition of winner was 11.62 mm;the spring was 71.40 mm;the autumn was 91.36 mm.The linear increase trend was significant in spring and winter,but decrease trend in summer and autumn were not obvious.③Inter-decadal variation of precipitation in black soil area in 52 years decreased as a whole,the area of higher precition was shrink gradually.The average precipition was the highest in 1980s,it was 544.19 mm;The average precipition was the lowest in 1970s,It was 478.64 mm.

black soil area;ArcGIS;amount of precipition;temporal and spatial distribution

S162.1；P468.0+24

A

1005-9369（2014）05-0069-06

2013-12-03

UNDP綠色發(fā)展項(xiàng)目（CPR/06/209）

孫彥坤（1966-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闅庀笊鷳B(tài)。E-mail:yk_sun@163.com

時(shí)間2014-5-19 11:56:06[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140519.1156.015.html

孫彥坤,王倩,張立友,等.黑龍江省黑土區(qū)近52年降水時(shí)空變化[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(5):69-74.

Sun Yankun,Wang Qian,Zhang Liyou,et al.Analysis of spatial-temporal precipitation variation in black soil area of Heilongjiang Province in recent 52 years[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(5):69-74.(in Chinese with English abstract)

Analysis of spatial-temporal precipitation variation in black soil area of Heilongjiang Province in recent 52 years