黑龙江省(43°25'—53°33'N,121°11'—135°05'E)位于中国最东北部,是中国纬度最高、经度最东的省份。地势大致为西北部、北部和东南部高,东北部、西南部低,主要由山地、台地、平原和水面构成。东北部的三江平原、西部的松嫩平原,是中国最大的东北平原的一部分。黑龙江省属寒温带大陆性季风气候,全省年平均气温多在-5°～5℃,年降水量400～700 mm。全省蕴藏着丰富的气候资源,具有巨大的开发潜力,如风能资源较为丰富,各地年平均风速为2～4 m/s。另一方面,丰富的气候资源又带来许多不利因素,容易产生气候灾害。

所用数据资料来自“中国气象科学数据共享服务网”提供的地面日值数据集,经过对数据缺测过多的站点的筛选,最终选定了具有完整数据记录的30个地面气象站点(图1)。所需气象数据内容包括1958—2017年的逐日降水量。运用WMO认可的27项极端气候指数计算软件RClimdex选取了9个极端降水指数^[12],详见表1。

本文采取目前国际最常用的百分位法定义不同台站的极端降水阈值^[13],根据黑龙江省30个气象站1958—2017年逐日降水数据,对黑龙江省极端降水的时间、空间变化特征以及突变特点、周期变化进行分析,主要采用线性趋势分析对极端降水数据进行时间变化趋势分析,采用ArcGIS数据处理平台中的克里金插值法进行极端降水指数的空间插值,对空间变化特点进行分析,采用Mann-Kendall检验方法结合阶段性变化与滑动t检验对黑龙江省极端降水数据进行突变检测,判断突变年份与极端降水变化趋势,采用Morlet小波分析方法对极端降水周期判断分析^[14]。

图1 黑龙江省气象观测站分布

通过计算30个气象站点的极端降水指数年平均值,运用线性回归与5 a滑动平均法作出各指数线性趋势图(图2),并得到了各指数的10 a变率值(表2)。强度指数中,日最大降水量与5日最大降水量的变化速率接近,均呈现微弱上升的趋势,降水强度以-0.01(mm/d)/10 a的速率微弱下降。从5 a滑动平均曲线来看,日最大降水量变化平稳,起伏不大,5日最大降水量与降水强度在20世纪70年代末期前后出现较大幅度的波动。3种绝对指数即强降水量、极端强降水量以及大雨日数均呈现增加趋势,极端强降水量以0.99 mm/10 a的速率增加,大雨日数的增加趋势不明显,变率为0.006 d/10 a,从5 a滑动平均来看,强降水量与大雨日数的5 a滑动平均曲线变化相似,在1978年前后出现最低值,极端强降水量的波动起伏相对较小。持续性指数中,年降水量以1.81 mm/10 a的变率增加,持续干期以-2.52 d/10 a的变化率显著下降,持续湿期呈现微弱的增加趋势。从5 a滑动平均曲线来看,年降水量与持续湿期在20世纪70年代末波动幅度较大,持续干期在1988—1998年有一个较大的起伏,2000年后5 a滑动曲线波动较小。

表1 极端降水指数名称及其定义

图2 极端降水指数线性趋势

表2 极端降水指数变化速率1/10 a

通过Mann-Kendall突变检验得出了各个极端降水指数的突变结果,为便于判断,根据各极端降水指数年际变化规律划分了不同变化阶段,作出各个极端降水指数的阶段性变化图(图3),且通过5 a,10 a滑动t检验辅助判断极端降水指数的突变年,得到各极端降水指数突变诊断结果(表3)。根据各指数的60 a年际变化规律可将其划分为三到4个变化阶段。

除持续干期以外,日最大降水量等其余8个指数均可划分为1958—1977年、1978—1997年、1998—2017年3个变化阶段,持续干期则划分为1958—1972年、1973—1987年、1988—2002年以及2003—2017年4个阶段。日最大降水量总体呈阶段性增加的变化特点(图3A),1978年之后超过了60 a平均值。5日最大降水量总体呈由少到多的变化特点(图3B),从1978年前后开始有明显增加趋势,第三阶段与第二阶段基本持平。降水强度总体呈“低—高—低”的变化趋势(图3C),从第二阶段开始即1978年前后,降水强度值显著增加且高于60 a平均值,1998年开始出现明显下降的变化趋势。强降水量与大雨日数总体均呈现出“少—多—少”的变化趋势(图3D、图3F)),第二阶段初即20世纪80年代初,强降水量明显增加,第三阶段较第二阶段低,但仍高于60 a平均值。1978年前后开始大雨日数增加,第三阶段略高于第一阶段。极端强降水量总体呈增加趋势(图3E),第三阶段增势明显,高于60 a平均值。年降水量与持续湿期总体呈“少—多—少”的变化特点(图3G、图3I)。第二阶段即1978年前后的年降水量值与持续湿期明显增加,第三阶段的年降水量值高于第一阶段,而持续湿期的第三阶段略低于第一阶段。持续干期可划分为4个阶段(图3H),第二阶段均值最大,从1998年前后开始持续干期减少,第四阶段最低。

图3 极端降水指数阶段性变化

表3 各极端降水指数突变诊断结果

综合表3中的检验结果可得,除极端强降水量无明显的突变年份以外,持续干期突变年位于20世纪80年代中期,其余7个指数较明显的突变发生在20世纪70年代末至80年代初。

通过对极端降水指数年际变化进行小波分析得到小波系数实部等值线图(图4)。小波变换通过将时间序列分解到时间频率域内得到时间序列的显著波动模式,即周期变化动态,以及周期变化动态的时间格局。图4 中实线为正值区,虚线为负值区,正值区表示极端降水指数值较大,负值区表示极端降水指数值较小。

日最大降水量、5日最大降水量与降水强度均存在16～23 a尺度的周期变化规律,日最大降水量总体呈“减—增—减—增”趋势变化,20 a为主周期,存在2个枯水期和2个丰水期。5日最大降水量周期图中,16～23 a周期震荡能量最大,贯穿整个分析时段,经历了“增—减—增—减—增”的交替转换,存在2个枯水期和3个丰水期。降水强度的主周期为20 a,呈现“增—减—增—减”的变化趋势,存在2个枯水期和2个丰水期(图4)。

图4 极端降水指数周期分析

强降水量存在2～5 a,16～24 a两类尺度的周期变化规律,其中16～24 a周期震荡能量最大,贯穿整个研究时期,经历了“增—减—增—减—增”的交替转换,存在2个枯水期和3个丰水期,3 a,20 a为主周期。极端强降水量存在2～5 a,5～10 a,16～24 a3类尺度的周期变化规律,2～5 a周期变化规律在2010—2017年表现明显,16～25 a周期变化经历了“增—减—增—减—增”的交替转换,存在2个枯水期和3个丰水期。通过小波方差分析,20 a为R99p的第一主周期。大雨日数存在2～5 a,16～24 a两类尺度的周期变化规律,其中16～24 a周期震荡能量最大,贯穿整个研究时期,经历了“增—减—增—减—增”的交替转换,存在2个枯水期和3个丰水期(图4)。

年降水量存在2～5 a,5～13 a,16～24 a3类尺度的周期变化规律,16～24 a贯穿整个研究时期,存在“增—减—增—减—增”的交替变换。从小波方差来看,年降水量的3 a,10 a,20 a分别为3类尺度周期变化的主周期。持续干期存在2～6 a,10～16 a两类尺度的周期变化规律,2～7 a周期变化规律在2000—2017年表现明显,10～16 a周期变化经历了“减—增—减—增—减”的交替转换。通过小波方差分析,15 a为持续干期的第一主周期。持续湿期的小波系数实部等值线图中,15～25 a周期震荡能量最大,经历了“增—减—增—减—增”的交替转换(图4),20 a为主周期。

将黑龙江省30个站点的各极端降水指数1958—2017年平均值计算并通过克里金插值法运用ArcGIS软件绘制出各个指数在研究区的空间分布图(图5)。

日最大降水量在伊春、铁力等中部地区及齐齐哈尔以西的龙江地区较其他地区多,孙吴以北、佳木斯以东、北安以西地区较少。相比之下,5日最大降水量空间差异较大,极大值多集中于伊春、铁力、尚志一带,黑龙江西北部以及东部地区的5日最大降水量少。降水强度在研究区北部、中部南部以及东部分布较为均匀,通河以西地区的降水强度较高。

图5 极端降水指数空间分布

强降水量的东西向变化显著,海伦、北林、哈尔滨一带以东地区有增加趋势,强降水量较大,孙吴以北及北安—海伦以西逐渐减弱。极端强降水量值的全省总体差值约为15,最小值位于北部地区,最大值集中分布于海伦、铁力、伊春一带。大雨日数均值位于2.2～4.9,佳木斯、依兰、通河以西、北安、海伦、北林以东的地区大雨日数较多,除中部地区外,东部与西部地区大雨日数变化幅度小。

年降水量较大值集中分布于中部及南部地区,东部有递减趋势但变化较小,北安—海伦以西地区的年降水量少。持续干期最大值集中分布于富裕—安达以西地区,北部、中东部地区变化幅度较小且与富裕—安达以西地区差异显著,差值较大。以呼玛、北安、海伦、北林、哈尔滨一线为界,持续湿期的东西差异明显,大致以呼玛—海伦—北林—哈尔滨为界,其西持续湿期少,通河、牡丹江等中南部及海伦以东地区持续湿期较多。

极端降水事件的影响因素有很多,主要分为自然因素和人为因素两部分,自然因素包括全球变暖、地形因素的影响以及ENSO等,人为因素对极端降水的影响主要是通过由人类活动所导致的城市化进程加快、温室气体排放增多加以实现的。首先,在全球变暖的影响下,极端天气出现的频次增多,在东北地区增暖背景下,极端降水事件明显增加,频次和强度存在增加和增强趋势^[15]。从人为因素来看,由于人类活动排放大量温室气体,所带来的全球变暖又使得地表蒸发加剧,从而造成了降水增多的现象^[16]。其次,黑龙江省各极端降水指数的空间分布有所不同,这与黑龙江各地区地形地貌不同等因素有关。例如,从图4中年降水量指数的空间分布可以看出,从黑龙江西北地区到东南地区方向,年降水量呈大致增加趋势,最大值出现于伊春、铁力附近,那么从地形因素来分析,位于伊春市的小兴安岭及黑龙江省中南部的张广才岭的迎风坡有较好的地形抬升条件,各类天气系统在此过境后频发暴雨事件,因此该地区降水相对较多,甚至出现最值。有研究发现,ENSO的发生也是极端降水事件发生的潜在因素^[17-18],我国东北地区的夏季低温是一种常见的气候灾害,这种几乎都发生在ENSO事件发生的年份。据统计,我国黑龙江省在1955—1981年,发生过五次低温冷害,恰好这5个年份都是厄尔尼诺年^[19]。人为因素中,城市化进程加快使得城市土地下垫面粗糙程度改变,影响气温的变化,从而对极端降水带来一定的影响。例如,从图2可以看出,1978年我国改革开放以来,随着黑龙江省城市化进程的加快,降水强度与持续湿期波动幅度增大,极端气候事件发生频次增加^[20-21]。

黑龙江省极端降水事件的发生可能会带来许多气象灾害,主要包括暴雨、洪涝、干旱、冰雹、低温霜冻等几种灾害类型,对全省的经济发展造成不利的影响。东北地区近50 a的干旱发展研究中表明,1951—2000年,内蒙古自治区东部地区的北部、黑龙江省西部地区、吉林省西部的干旱趋势比较显著,大气干旱指数上升趋势均在0.216/10 a到0.288/10 a。随着全球气候的变暖,中国东北区的干旱趋势将更加严峻^[22]。李文亮等人研究发现,中部伊春地区为全省洪涝灾害高风险区,干旱成灾高风险区主要集中在黑龙江省西部地区,基本上为四年三遇^[23]。徐虹等人在黑龙江主要气象灾害研究中发现,黑龙江省西部地区为大风与龙卷风灾害多发区,且自20世纪60年代开始,大风与龙卷风灾害开始增多,1901—2000年的风灾发生次数为年均3.82次,仅次于暴雨与洪涝灾害发生频次^[24]。根据研究结果及极端降水指数的空间分布特征可以推测,黑龙江省西部地区发生旱灾、风灾的可能性较大。

根据《中国气象灾害大典(黑龙江卷)》中的气象灾害数据得到,1901—2000年,干旱、低温与霜冻灾害发生频次随时间变化波动不大,暴雨与洪涝灾害有3个明显波动期,20世纪80年代后期波动最为明显,发生次数显著增加。潘华盛等人在对黑龙江省夏季极端降水和暴雨变化规律的研究中得出,1961—2010年期间,极端降水与暴雨呈略上升趋势,暴雨次数偏多区域主要分布于伊春、铁力以及尚志、五常等地区,极端降水与暴雨于20世纪80年代出现最高值,而后90年代呈下降趋势^[25]。这与本文图3中的大雨日数、强降水量、持续湿期的阶段性变化趋势以及图5中极端降水指数的空间分布变化较为一致。随着R25mm,R95p,R99p等指数的增加,全省暴雨、洪涝灾害发生的可能性增大,尤其是中部地区伊春、铁力一带及东部部分地区。

2003年夏季黑龙江省大部分地区发生了连续降雨,中西部地区灾情严重,农作物被洪水长时间浸泡导致绝产,受灾农田1 468万hm²,直接经济损失达到41.59亿元^[26-30]。2013年黑龙江省境内三江流域及支流发生大洪水,夏季暴雨频次大,从1 961起到2013年止,先后在1961年、1965年、1981年、1984年,1995等年份出现较大暴雨频次^[31]。2014年7月,同样受到连续降雨影响,哈尔滨、齐齐哈尔部分地区发生了洪涝灾害,受灾人口达11万余人,农作物受灾面积86 317 hm²。据国家减灾中心统计,2018年7月以来,受西风槽及台风“安比”减弱后气旋共同影响,黑龙江省多地发生强降雨,导致哈尔滨引发洪涝灾害,多地农作物受淹,洪涝灾害损失10亿余元。此外,由于降水分配不均匀导致的春旱秋涝加剧或造成了低温冷害的发生,低温霜冻灾害主要对农业生产方面产生影响,农作物产量损失大。根据1984—2009年初霜冻灾害发生次数及受灾面积统计分析得到,受霜冻灾害较重区域主要集中在大兴安岭南部,黑河大部,松嫩平原部分县市以及三江平原部分地区,其中嫩江和肇东年均受灾面积超过5 000 hm²,给农业生产带来了巨大损失^[32]。极端降水天气的频发不仅带来巨大的经济损失,同时也危害人类的生命安全。因此,做好极端降水天气的监测与预警,分析极端降水事件的成因与机理并采取有效应对措施对于降低灾害带来的损失有重大意义。