韓曉敏, 延軍平

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 陜西 西安 710062)

氣候暖干化背景下東北地區(qū)旱澇時空演變特征

韓曉敏, 延軍平

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 陜西 西安 710062)

摘要：[目的] 從旱澇災害角度探討氣候變化對東北地區(qū)的影響，以期充分利用氣候資源，為農(nóng)業(yè)領域應對氣候變化的對策措施提供理論依據(jù)。 [方法] 統(tǒng)計東北地區(qū)1956—2012年50個氣象臺站的逐月氣溫、降水資料，通過樣條插值法、Mann—Kendall檢測及Z指數(shù)方法對該區(qū)降水及旱澇時空演變特征進行分析。 [結果] (1) 近57 a東北地區(qū)氣候整體呈現(xiàn)暖干化的趨勢； (2) 半濕潤區(qū)增溫幅度最大，達0.34 ℃/10 a，濕潤區(qū)相對較低，為0.25 ℃/10 a。半濕潤區(qū)降水減少趨勢最為明顯，為-8.82 mm/10 a。 (3) 東北全區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)Z指數(shù)變化一致，呈現(xiàn)出“澇—旱—澇—旱”的演變特征。 (4) 大澇頻率高值中心分布于小興安嶺北部和三江平原、嫩江流域北部等；大旱頻率高值中心集中分布于東北地區(qū)西部。 [結論] 東北地區(qū)氣候暖干化的趨勢給該區(qū)農(nóng)牧業(yè)帶來不利影響，受旱地區(qū)應及時啟動干旱預警緊方案，開展抗旱工作。

關鍵詞：旱澇災害； 暖干化； 時空分布； 東北地區(qū)

近年在全球氣候變暖的大背景下，極端氣候事件頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，平均每年氣象災害造成的直接經(jīng)濟損失高達全國GDP的3%～6%，旱澇為對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴重的自然災害[1]。東北地區(qū)作為我國重要的商品糧基地，其頻繁發(fā)生的旱災、洪澇災害、低溫冷害等氣象災害嚴重影響了該區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，特別是在全球變暖的大背景下，突發(fā)性及致災性的氣象災害明顯增多[2]。目前，從農(nóng)業(yè)氣象災害角度研究東北各省歷史變化趨勢文章較多[3]，而從旱澇特征本身作詳細分析的較少。本研究利用樣條插值法、Mann—Kendall檢測及Z指數(shù)方法對該地區(qū)旱澇特征的時空分布進行相關分析，以期充分利用氣候資源，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，為農(nóng)業(yè)領域應對氣候變化的對策措施提供理論依據(jù)，做到趨利避害。

1研究區(qū)概況

東北地區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧地區(qū)，位于我國的東北部，也是我國緯度最高的地區(qū)。該區(qū)屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，由于緊靠西伯利亞，深受寒冷干燥冬季風的影響。降水量時空分布不均勻，年際變率較大，是我國氣象災害頻繁且嚴重的地區(qū)之一[4-6]。該區(qū)多年平均氣溫為5.3 ℃,平均降雨量為610.8 mm。其境內(nèi)東北西三面為低山、中山環(huán)繞，中部為廣闊的東北大平原。

2資料來源與方法

根據(jù)氣象資料的完整度，選取東北地區(qū)50個氣象站點1956—2012年的逐月平均氣溫、降水量，資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)、遼寧氣象局、黑龍江氣象局。對照吳紹洪等[7]的干濕劃分結果，將東北地區(qū)劃分為濕潤、半濕潤、半干旱3個氣候區(qū)，分別對應圖1中的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ(圖1)。主要應用Z指數(shù)[8-11]、樣條函數(shù)插值法[12]、Mann—Kendall突變檢驗法[13]、氣候傾向率及其它數(shù)理統(tǒng)計方法進行分析。

圖1　研究區(qū)域和氣候分區(qū)圖

由于某一時段的降水量一般不服從正態(tài)分布，而是服從PersonⅢ型分布，Z指數(shù)能夠消除降水量平均值不同的影響，對降水量進行處理而得到服從標準正態(tài)分布的序列，對旱澇程度具有良好的反應能力[14]?，F(xiàn)假設該地區(qū)降水量服從PersonⅢ型分布，對降水量R進行正態(tài)化處理，可將概率度函數(shù)PersonⅢ型分布轉換為以Z為變量的標準正態(tài)分布。其轉換公式為：

(1)

式中：Cs——偏態(tài)系數(shù)；φi——標準變量，均可由降水資料序列計算求得，計算公式為：

(2)

(3)

通過對東北地區(qū)50個氣象站點1956-2012年Z指數(shù)進行計算，根據(jù)表1確定東北地區(qū)各地的旱澇等級。發(fā)現(xiàn)每級的理論頻率和實際頻率均較為接近，表明該Z指數(shù)等級劃分標準能夠反映實際情況，可以用于研究東北地區(qū)的旱澇氣候變化特征。

表1　　Z指數(shù)旱澇等級標準及東北地區(qū)

3結果與分析

3.1　東北地區(qū)全區(qū)氣溫、降水年際變化

近57 a東北地區(qū)年平均氣溫呈整體震蕩上升趨勢(圖2)，多年平均氣溫為5.4 ℃，氣溫傾向率為0.30 ℃/10 a(通過了α=0.001的極顯著性水平)，略低于東北地區(qū)氣候傾向率0.32 ℃/10 a，明顯高于近50 a全國增溫速率0.25 ℃/10 a的平均水平[15]，氣候變暖現(xiàn)象顯著。由5 a滑動平均可以看出，20世紀50年代末期到60年代初年均氣溫呈上升趨勢，60年代初到70年代初略微下降，之后到21世紀初持續(xù)上升，2006年后氣溫有所回落。2007年該區(qū)氣溫年均值達到7.0 ℃，為57 a來的最高值。該區(qū)年均降水量為614 mm，降水傾向率為-8 mm/10 a。由5 a滑動平均可以看出，21世紀50年代中期到70年代初降水呈下降趨勢，之后到80年代末期降水略微增加，80年代末期至2005年持續(xù)下降，2005年至今降水有所增加。2012年降水量達到772 mm，為57 a來的最大值。

圖2　東北地區(qū)1956-2012年氣溫、降水量年際變化

3.2　東北地區(qū)各氣候區(qū)氣溫、降水背景值統(tǒng)計

對東北地區(qū)各氣候區(qū)氣溫進行線性擬合(表2)，結果顯示各區(qū)氣溫呈上升趨勢，線性增溫明顯，但增溫幅度略有不同。半濕潤區(qū)增溫幅度最大，達0.34 ℃/10 a，半干旱區(qū)增溫幅度略小于半濕潤區(qū)，濕潤區(qū)氣溫上升速率相對較低，為0.25 ℃/10 a。與半干旱、濕潤氣候區(qū)相比，半濕潤區(qū)氣溫標準差最大，說明該氣候區(qū)氣溫較為離散，變化幅度較大。通過M-K突變檢驗得知各氣候區(qū)氣溫突變年份集中于20世紀80年代中后期，東北地區(qū)全區(qū)突變年份為1985年，與濕潤區(qū)突變年份較為一致。也與上述6階擬合曲線轉折點一致。各區(qū)降水也都有一定的減少趨勢，其中半濕潤區(qū)減少趨勢最為明顯，為-8.82 mm/10 a，全區(qū)降水以8.02 mm/10 a的速率在減少，干旱化較為明顯。

表2　東北地區(qū)氣溫、降水背景值統(tǒng)計

3.3　東北地區(qū)及各氣候區(qū)旱澇特征對氣候變化的響應

對東北地區(qū)全區(qū)及各區(qū)重旱、大旱，重澇、大澇頻次進行了統(tǒng)計(表3)。由表3可知，1956—2012年整個東北地區(qū)大旱、重旱發(fā)生11次，重澇、大澇發(fā)生8次，旱的頻次大于澇的頻次。大澇、重澇發(fā)生于20世紀60年代，進入21世紀，該區(qū)重旱頻次增加，有干旱化的趨勢，重澇也有所增加，氣候變暖使該地區(qū)旱、澇次數(shù)增加；濕潤區(qū)大旱、重旱發(fā)生7次，大澇、重澇發(fā)生9次，澇的頻次大于旱的頻次；半濕潤區(qū)大旱、重旱發(fā)生9次，大澇、重澇發(fā)生9次，旱澇發(fā)生頻次相等；半干旱區(qū)大旱、重旱發(fā)生9次，大澇、重澇發(fā)生10次，旱澇發(fā)生頻次基本相等。各區(qū)雨澇事件均以60年代居多，進入21世紀，干旱事件增多，這與該區(qū)的實際情況基本一致。

表3　東北地區(qū)各氣候區(qū)大旱、大澇發(fā)生頻次統(tǒng)計　次

注：為了便于統(tǒng)計，將重旱歸類為大旱，將重澇歸類為大澇，表中“/”左邊為大旱、大澇頻次，右邊為重旱、重澇頻次。

大澇的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤區(qū)<半干旱區(qū)<半濕潤區(qū)，大旱的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤區(qū)<半濕潤區(qū)<半干旱區(qū)，濕潤區(qū)發(fā)生大澇大旱頻率較低，半濕潤區(qū)發(fā)生澇的頻率大，半干旱區(qū)發(fā)生旱的頻率大。1956—2012年東北地區(qū)及各氣候區(qū)旱澇指數(shù)變化表明，全區(qū)與半干旱區(qū)Z指數(shù)變化一致，呈現(xiàn)出“澇—旱—澇—旱”的特征，6階擬合線表明1956—1970年Z指數(shù)呈下降趨勢，之后上升至1990年，1990—2005年為下降階段，2006年回升。濕潤區(qū)Z指數(shù)變化趨勢不大，正常年份居多，半濕潤區(qū)也經(jīng)歷了“澇—旱—澇—旱”4個階段，6階多項式函數(shù)擬合結果表明，濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)Z指數(shù)變化趨勢一致，均表現(xiàn)為1956—1960年上升，1960年—1970年下降，1970—1987年上升，1988年—2006年下降，2006年以來回升。

3.4　東北地區(qū)旱澇空間特征

由500，600，900 mm等降雨量線的移動進一步可以看出，東北地區(qū)的整體降雨量線在氣溫突變后在向東向北擴，500 mm等降雨量線向東移動，600，900 mm等降雨量線向東北方向擴張，等降雨量線向東北方向移動說明了該區(qū)降雨量整體呈現(xiàn)減少趨勢。利用樣條函數(shù)插值法，分別對1956—2012年東北地區(qū)50個氣象站點大旱(重旱)、大澇(重澇)頻率進行插值分析，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，大旱發(fā)生頻率為0.87～1.93次/10 a，大澇為1.05～2.11次/10 a。其中50.9%的氣象站點澇的頻率高于旱的頻率，8個站點洪澇發(fā)生頻率高于1.93次/10 a；33.1%的氣象站點旱高于澇，5個站點干旱發(fā)生頻率高于1.93次/10 a；16%的氣象站點旱澇頻率基本相當。總體而言，東北地區(qū)更易發(fā)生洪澇，由于該區(qū)有春汛和夏汛兩個汛期，增加了澇的頻率。從大澇頻次圖可以看出，大澇頻率高值中心分布于小興安嶺北部和三江平原、嫩江流域北部、遼河流域、長白山地區(qū)；大旱頻率高值中心集中分布于東北地區(qū)西部，松嫩平原西部、科爾沁沙地、小興安西北部、吉林西部地區(qū)。

圖3　東北地區(qū)旱澇頻率空間分布

4結論與討論

(1) 近57 a東北地區(qū)年平均氣溫呈整體震蕩上升趨勢，氣候傾向率為0.30 ℃/10 a；年均降水量為614 mm，氣候傾向率為-8 mm/10 a，整體呈現(xiàn)暖干化的趨勢，2006年以來，暖干化的趨勢有所緩解。

(2) 半濕潤區(qū)增溫幅度最大，達0.34 ℃/10 a，濕潤區(qū)氣溫上升速率相對較低，為0.25 ℃/10 a，半濕潤區(qū)降水減少趨勢最為明顯，為-8.82 mm/10 a。東北地區(qū)全區(qū)氣溫突變年份為1985年，降水突變年份不明顯。

(3) 1956—2012年全區(qū)及各區(qū)旱澇指數(shù)變化表明，全區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)Z指數(shù)變化一致，呈現(xiàn)出“澇—旱—澇—旱”的演變特征，濕潤區(qū)Z指數(shù)變化趨勢不大，正常年份居多；大澇(重澇)的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤區(qū)<半干旱區(qū)<半濕潤區(qū)，大旱(重旱)的頻率(次/10 a)表現(xiàn)為：濕潤區(qū)<半濕潤區(qū)<半干旱區(qū)，濕潤區(qū)發(fā)生大澇大旱頻率較低，半濕潤區(qū)發(fā)生澇的頻率大，半干旱區(qū)發(fā)生旱的頻率大。

(4) 東北地區(qū)的整體降雨量線在氣溫突變后在向東向北擴張，更易發(fā)生洪澇。大澇頻率高值中心分布于小興安嶺北部和三江平原、嫩江流域北部、遼河流域、長白山地區(qū)；大旱頻率高值中心集中分布于東北地區(qū)西部，松嫩平原西部、科爾沁沙地、小興安嶺西北部、吉林西部地區(qū)。

(5) 謝立勇[16]認為，以溫度增高為主特征的氣候變化，正在給全球及區(qū)域層面上經(jīng)濟社會發(fā)展帶來更加復雜的影響；孫鳳華[17]認為東北地區(qū)的百年增溫幅度要遠遠大于全球和中國平均水平，溫度增高會伴隨引發(fā)一系列氣象災害，其中以旱澇最為嚴重；王江山[18]認為伴隨著氣候顯著變暖，東北地區(qū)一些氣象要素和極端氣候事件也在發(fā)生相應變化，如暖干化趨勢明顯，干旱事件頻發(fā)，氣候帶北移，積溫顯著增加。文中用Z指數(shù)進一步對東北地區(qū)及各氣候分區(qū)旱澇特征進行了分析，繼續(xù)探討在全球氣溫變暖的背景下局域的氣候變化特征。局地的氣候變化除了諸如太陽活動、火山爆發(fā)等大背景因子影響外，還受到局地多種因素的影響。研究表明，人類活動可能起了較為重要的作用。實際上影響氣候變化的原因很多也很復雜，因此對東北地區(qū)旱澇特征還有待于進一步深入研究。本研究從年尺度分析了其旱澇特征，該區(qū)屬于北溫帶大陸性季風氣候，其降雨量集中在夏秋兩季，也有待于從季尺度進行進一步深入分析。

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Spatiotemporal Evolution of Drought and Flood Under Drying-warming Climate in Northeast China

HAN Xiaomin, YAN Junping

(CollegeofTourismandEnvironmentScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] This paper elucidated the impacts from climate change to flood and drought in Northeast China in order to make full use of climatic resources, and to provide scientific basis for agricultural countermeasures to climate change. [Methods] Data of monthly temperature and precipitation of 50 stations in Northeast China from 1956 to 2012 were used to illustrate the spatiotemporal features of droughts and floods in this area by Spline interpolation, Mann—Kendall test and Z Index. [Results] (1) The area appeared a trend of warming and drying as a whole in recent 57 years. (2) Temperature in sub-humid area increased by 0.34 ℃/10 a. In humid area, it was relatively low as 0.25 ℃/10 a. Precipitation in sub-humid area decreased obviously as high as -8.82 mm/10 a. (3) Z indexes in the whole area, semi-arid and sub-humid area showed an evolutionary features as “flood-drought-flood-drought”. (4) The centers attacked by high frequency of large floods were Sanjiang Plain, North of Lesser Khingan Mountains and Nenjiang River Valley, and so on. While, the western area was much more frequently to suffer severe drought. [Conclusion] The ecological environment of this area is fragile, in order to offset the negative influences of drying-warming trend to farming and animal husbandry in drought-attacked areas, emergency works should be planned as early as possible to relief drought timely.

Keywords:drought and flood disasters; drying-warming; spatiotemporal distribution; Northeast China

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0314-05

中圖分類號：P426.6

收稿日期：2014-05-10修回日期：2014-06-27

資助項目：國家自然科學資助項目“部分重大自然災害的時空對稱性:結構、機理與適應對策”(41171090)

第一作者：韓曉敏(1988—),女(漢族),山西省長治市人,碩士研究生,研究方向為全球氣候變化與災害防治研究。E-mail:hanxiaominsnnu@163.com。