大兴安岭地区降水量变化及干湿期特征分析
任柬宇 刘滨辉 廉陆鹞 康雨昌
摘 要：基于大興安岭地区4个气象站点58 a的降水数据，利用SAS软件对原始数据进行二项式过滤筛选出合格完整的数据集，通过SPSS软件对数据集进行相关分析，研究大兴安岭地区降水以及干湿期变化特征。将日降雨大于（小于）1 mm定义为湿日（旱日），并利用1 mm阈值分析大兴安岭地区干期和湿期的变化空间特征。结果表明，大兴安岭地区年际降水量整体呈上升趋势，上升速率为0.153 mm/a，降水集中于夏季，7月是降水量最大时期。对大兴安岭地区降水量变化研究发现，1960—1980年降水呈下降趋势，1981年为转折点，降水开始逐渐呈上升趋势，在1990年达到了峰值，从2001年以后降水又有下降趋势。大兴安岭干期和湿期变化特征存在空间差异，表现为大兴安岭北部地区干期旱日总数和干期平均长度减少，干期次数和最长干期日数变化不明显;大兴安岭南部地区干期旱日总数和最长干期日数增加，干期次数和干期平均长度变化不一致。大兴安岭北部地区湿期湿日总数和湿期次数增加，湿期平均长度以及单独湿日数变化不明显;大兴安岭南部地区湿期总日数和单独湿日数减少，湿期次数和湿期平均长度变化不明显。总体上，大兴安岭北部随着降雨量增加短期干旱减弱，而南部地区在降雨量不变的同时短期干旱呈现加剧的趋势。
关键词：降水量;变化趋势;干期;湿期
中图分类号：S715 ? ?文献标识码：A ? 文章编号：1006-8023（2020）05-0016-08
Abstract：Based on the 58-year precipitation meteorological data of four meteorological stations in Daxingan Mountains， SAS software was used to filter the original data with binomial and screen out the qualified and complete data set， and the data set was analyzed by SPSS to study the variation characteristics of precipitation and dry well spell in Daxingan Mountains. The daily rainfall greater （less than） 1mm was defined as wet day （dry spell）， and the variation characteristics of dry and wet periods at different stations in Daxingan Mountains area were analyzed by using 1mm threshold. The results showed that the interannual precipitation in Daxingan Mountains area showed an upward trend as a whole， the rising rate was 0.153mm/years， the precipitation was concentrated in summer， and July was the period of maximum precipitation. Based on the study of the intergenerational variation of precipitation in Daxingan Mountains， it was found that the precipitation showed a downward trend between 1960 and 1980， gradually increased at the turning point in 1981， reached a peaking value in 1990， and had a downward trend since 2001. The variation characteristics of dry spell and wet spell had spatial differences in Daxingan Mountains， which showed that the total number of dry spell and the average length of dry spell decreased in the north of Daxingan Mountains， but the number of dry spell and the number of maximum dry spell did not change obviously; in the south of Daxingan Mountains， the total number of dry spell and the longest dry spell days increased， and changes of the number of dry spell and average length of dry spell were not consistent. In the north of Daxingan Mountains， the total number of wet spell and the number of wet days increased， but the average length of wet spell and the number of single wet days did not change significantly， while in the south of Daxingan Mountains， the total number of wet days and the number of wet days decreased， and the number of wet days and the average length of wet spell did not change significantly. On the whole， the short-term drought in the north of Daxingan Mountains weakened with the increase of rainfall， while the short-term drought in the south showed a trend of aggravation with the same rainfall.
Keywords：Precipitation; changing trend; dry spell; wet spell
0 引言
全球气候变暖一直是20世纪众多学者关注的焦点问题[1]，在全球气候变暖背景下，极端事件显著增多。其中干旱是气象灾害的一个重要原因，据统计，每年我国因干旱造成的经济损失占所有气象灾害造成的损失高达60%以上[2]。
降水是衡量地区气候变化的重要指标之一[3]，近几十年来我国极端降水事件发生的频率逐渐增加[4]，张代青等[5]对我国近54 a降水事件分析表明了我国降雨量具有多尺度性和周期性，并且总体呈减少趋势;李邦东等[6]通过对东北地区降水事件分析说明了东北地区年降水量总体呈现减少趋势，但这种线性趋势并不显著。还有的研究表明黑龙江中部地区年降水量存在着周期性的变化，整体未发现减少的趋势[7]。大兴安岭地处我国北部，是我国气候脆弱区和对气候变化响应最敏感的地区之一，近年来，针对气候变暖大背景条件下，有很多学者已经对大兴安岭地区降水变化进行了研究，结果表明大兴安岭地区降水量整体呈下降的趋势，但趋势不显著，表现为20世纪60年代到90年代期间降水呈下降趋势，90年代后降水呈增加的趋势[8]。司国佐等[9]分析了大兴安岭地区水文特征，表明了降水多集中于夏季，春季和秋季的降水减少;边明玉[10]揭示了大兴安岭地区降水量的时间变化特征;王冰等[11]分析了不同等级降水的空间变化特征。以上研究多数都是从降雨量异常角度进行分析，并未考虑到持续性少雨所累积的效应，由于受地理环境等因素的影响，对于大兴安岭地区降水量变化趋势以及干期和湿期的变化特征还少有研究，因此本文通过干期和湿期的变化特征研究对大兴安岭地区降水量进行时间和空间上的分析，通过本文的研究，可以了解近58 a大興安岭地区降水量的趋势以及干期和湿期的变化特征，为大兴安岭林区农林业生产等提供基础性参考。
1 数据和指标
1.1 数据
降雨数据来自中国气象数据网所提供的数据集。降雨因子与其他气候因子不同，降雨属于偶然事件，缺失值不能通过插值来弥补，因此，当一个站点的观测值连续缺失3 d或以上时，以及在1 a内缺失30 d观测值以上时，应剔除该站点[12]。由于1960年以前我国气象站降雨观测值缺失较多，因此本次研究观测值开始时间为1960年，截止时间为2017年。筛选后的降雨数据观测值完整度为99.997%，表明大兴安岭地区降雨特征存在空间差异。研究根据不同纬度和海拔梯度分别在大兴安岭北部、中部和南部地区共选取气象站点4个，分别是：50136（漠河）、50434（图里河）、50632（博克图）、50727（阿尔山），见表1。
1.2 干期和湿期的定义
为了比较阈值对结果影响，将日降雨量小于0.1 mm和1 mm定义为旱日。根据Bichet等[13]相关的干期和湿期研究，定义干期和湿期。当连续出现2个或以上旱日时，定义为一个干期（Dry spell）。对于湿日定义，也使用0.1 mm和1 mm两个阈值，日降雨量大于0.1 mm和1 mm定义为湿日，当连续出现2个或以上湿日时，定义为一个湿期（Wet spell），为了计算方便以及更清楚地表示观测数据，本文将采用1 mm降雨阈值进行数据计算。根据LIU等[14]的研究，结合干期（湿期）次数和干期（湿期）平均长度反映干（湿）期变化特征，得出干期旱日总数、干期次数、干期平均长度和最长干期旱日数的干期指标，以及湿期次数、湿期湿日总数、湿期平均长度以及单独湿日日数。当出现一个湿日，而这个湿日的前一天和后一天均为旱日，则将这个湿日定义为单独湿日。
1.3 研究方法
本文采用SAS软件对降雨数据进行九点二项式过滤，将缺失数据进行拟合，利用SPSS软件对降雨数据进行相关分析，并利用Excel软件生成图表，用SigmaPlot绘图软件完成制图。
2 结果与分析
2.1 降水特征变化规律
将1960—2017年4个站点的降水数据利用SAS软件进行筛选，缺失数据通过拟合（拟合度99.8%）形成完整的数据集绘制成大兴安岭地区区域降水折线图，如图1所示，从图1中可以看出，区域年降水量整体呈上升趋势，平均速率为0.153 mm/a。单从时间上来看，1960—1980年期间降水量呈下降趋势，1981年开始降水明显增多，2000年以后降水速率有所减慢。随着年份的推移，降水量线性相关性变化不同，这说明各年份降水量有较大的差异性，这可能与个别年份极端事件有关[15]。根据国内外学者研究的结论可知[16]，我国东北地区降水量整体呈减少的趋势，分为3个时间段，1950—1970年为多雨时期，1971—1990年为少雨时期，在这个阶段降水量年际变化不大。1990—2000年为多雨期，这个阶段降水量年际变化波动较大，2000年以后为少雨期，降水量的变化逐渐减小。由于大兴安岭位于我国最北端，受地形条件和温度的影响，降水量变化幅度较大，本文的研究与很多已有的结论相类似[17]。
图2分别给出4个站点的年降水变化，从图2中可以看出，各个站点的年降水量变化有差异性。博克图站点的多年平降水量最大，达到457 mm，最少的是阿尔山站点，为331 mm。漠河站降水量增加的趋势最为明显，但波动幅度较大，平均速率为0.144 mm/a，与区域平均速率较为接近，但未达到显著水平（p=0.06）;博克图站降水量略呈下降的趋势，平均速率为-0.012 mm/a。其他两个站点的降水量变化较为平稳。这可能是由于漠河站地处我国最北端，受纬度和海拔的影响，近年来全球气候变暖，温室效应加强，对降水量产生较大影响，从而呈现了降水量逐年增多的趋势。4个站点中多年平均降水量变化幅度较大的是博克图站点，为201～736 mm;变化幅度较小的是漠河站，为251～619 mm。从时间阶段来看，4个站点从20世纪60年代开始降水量都有所减小，到20世纪70年代末达到最小，从20世纪80年代开始增加趋势较为明显，出现了降水年际转折点，到20世纪90年代达到峰值，从20世纪开始降水量又呈减少的趋势，该现象与全国其他站点相同[18]。
图3是大兴安岭地区4个站点不同月份和季节的多年平均降水量，从图3中可以看出所有站点的7月份平均降水量最多，并向两侧逐渐递减，降水主要集中在夏季，夏季降水量最多，冬季降水量最少。通过对比不同站点月降水量数据发现，低纬度博克图各月份降水比高纬度的漠河和图里河站点降水多;而高海拔的阿尔山各月份降水量要小于低海拔的漠河和图里河，高海拔站点夏季和秋季降水量比低海拔夏季和秋季降水量大，高纬度站点春季和冬季降水量比低纬度春季和冬季降水量大。因此，大兴安岭不同纬度和海拔的降水量有明显差异，主要表现为低纬度站点降水量大于高纬度站点降水量，低海拔站点降水量高于高海拔降水量。此外，受地理环境和坡向的影响[19]，不同地区降水量的表现也有所不同。
2.2 降水量年代际变化规律
气象学中通常利用距平值来衡量气候因子的变化规律，将一组数据中的某一个数值与平均值做差，就得到了该数值的距平值。本文通过计算大兴安岭地区的区域年代际降水量和各季节降水量的距平值，研究大兴安岭地区降水代际变化规律，见表2。
以10 a为单位，计算各阶段平均降水量，2011—2017年不足10 a，则以7 a为单位进行单独计算。从表2可以看出，夏季降水量增加的趋势最为显著，波动幅度也最大，在1971—1980年降水量的距平值为-65.65 mm，1981—1990年降水量的距平值为87.81 mm，增幅为153.5 mm，是各阶段最大的降水量增幅;1981—1990年的年降水距平值增加幅度也是最大，达到了57.16 mm。春季和秋季降水量的距平值都是呈平稳增加的趋势，不同的是在2001—2010年间秋季降水量的距平值略有下降，随后开始缓慢增加;而冬季降水量的距平值在整個阶段都是平稳增加的趋势，直到2011年开始略有下降的趋势。整体上来看，年降水量的距平值总体呈上升趋势，1961—1980年、2001—2010年为少雨时期，1981—2000年、2011—2017年为多雨时期，其原因是大兴安岭为气候敏感区，随着近年来全球气候变暖，温室效应加强，对降水量产生较大的影响，在个别年份还会发生极端气候事件，引发干旱、洪涝等灾害[20-21]。
2.3 降水量年际变化相关性
将1960—2017年的降水数据以5 a单位为一组，从1960年开始到2017年结束的前后5 a数据进行相关分析，研究降水量与各时间段的关系，见表3。从表3可以分析出，年平均降水量在每5 a的年际变化中，降水量的相关性从开始的1961—1965年与1966—1970年相关系数最高为0.88，这说明大兴安岭地区降水量在20世纪60年代到70年代的年际变化最强，而后开始逐渐降低，在1981—1985年与1986—1990年间相关系数降到了最低，为 0.26，这说明大兴安岭地区降水量年际变化在此期间较为平稳，而在2006—2010与2011—2015年间相关性又逐渐加强，相关系数达到了0.57。由此可以看出，降水量在前后每5 a的时间段里，相关性开始是呈逐年下降趋势，1980年后为转折点开始呈逐年上升趋势，在各时间段内降水量趋势变化的强弱有所不同，有的时间段内降水量上升的趋势较为明显，有的时间段内降水量下降的趋势较为平稳，由此可见大兴安岭地区年平均降水量的年际变化趋势有不同的差异性。
2.4 干期变化规律
图4是使用1 mm作为旱日阈值下不同站点的干期特征值变化趋势图，从图4中分析得到，不同站点的干期旱日总数变化趋势不同，整体变化幅度较大，漠河站点和图里河站点的干期旱日总数和干期平均长度均呈减少的趋势，干期次数和最长干期日数变化幅度较大，最长干期日数波动幅度比干期次数大。博克图和阿尔山站点的干期旱日总数和最长干期日数均呈增加的趋势，而干期次数和干期平均长度变化不一致，表现为博克图站点干期平均长度变化不大，而阿尔山站点干期平均长度呈增加的趋势。这说明大兴安岭北部地区干旱期日数少，干旱期内降雨时日较多，但降雨频率较小，南部干旱期日数多，干旱期内降雨时日在不同海拔地区表现不同，降雨频率较大;从地理位置上来分析，漠河站点和图里河站点相对其他两个站点在大兴安岭的北部地区，而博克图和阿尔山相对在南部地区，并且紧邻内蒙古地区，受季风、海拔和坡向的影响，北部站点的干旱少雨时日较南部多一些，高海拔地区少雨频率较低海拔多一些。
2.5 湿期变化规律
图5是使用1 mm作为湿日阈值下不同站点的湿期特征值变化趋势图，从图5分析得到，不同站点的湿期日总数变化趋势不同，漠河站点和图里河站点的湿期日总数表现为略有增加的趋势，博克图和阿尔山站点的湿期日总数呈减少的趋势。不同站点的湿期平均长度均无明显变化规律，波动幅度都比较大，其中漠河的波动幅度最大，漠河的湿期最大平均长度达到了2.94 mm，最大湿期日数为19 d。不同站点的湿期日数变化规律也有所不同，表现为漠河站点和图里河站点的湿期日数呈增加趋势，博克图和阿尔山站点的湿期日数变化不明显。不同站点单独湿日数变化也不相同，博克图和阿尔山的单独湿日数呈减少的趋势，漠河和图里河的单独湿日数变化不明显。这说明大兴安岭北部地区湿期日数多，南部湿期日数少，湿期日数内的降水量南北部变化相同，湿期次数北部地区比南部地区长;由于大兴安岭地处高纬高海拔地区，不同地区的气候条件和温度湿度的相对变化也不相同，高纬度地区湿期特征较低纬度地区湿期特征更明显，高海拔地区较低海拔地区降雨频率更大。自1987年大兴安岭地区发生火灾后，人们对森林火灾的控制以及人工降雨等措施，使得大兴安岭地区的相对湿度增加，因此大兴安岭不同地区的湿期特征也有差异性。
3 结论
（1）大兴安岭地区降水量年际变化整体呈上升趋势，上升速率为0.153 mm/a，其中1960—1980年降水趋势呈下降趋势，在1981年达到转折点降水量呈上升趋势，1990年左右降水量上升趋势达到了峰值，从2001年以后降水量又有下降趋势。
（2）大兴安岭地区降水量多集中在夏季，7月是降水量最大时期，大兴安岭南部夏季降水量大于北部夏季降水量，南部冬季降水量小于北部冬季降水量，降水量年际变化表现为从20世纪60年代开始先减弱，到20世纪80年代降到最低，从20世纪80年代以后又开始逐渐增强，在1961—1965年的年际变化相关性最强，到1981—1985年年际变化相关性降到最低，从1986年以后年际变化相关性又逐渐增强。
（3）大兴安岭不同地区干期和湿期变化有差异性，大兴安岭北部地区干期旱日总数和干期平均长度减少，干期日数和最长干期日数变化不明显;大兴安岭南部地区干期旱日总数和最长干期日数增加，干期日数和干期平均长度变化不一致。大兴安岭北部地区湿期湿日总数和湿期日数增加，濕期平均长度以及单独湿日数变化不明显;大兴安岭南部地区湿期日总数和单独湿日数减少，湿期日数和湿期平均长度变化不明显。
【参 考 文 献】
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