东北地区位于我国大陆的东北部,疆土辽阔,是我国重要的地理、文化和经济分区,地理位置在115°31'—133°5'E,38°43'—53°34'N,包括了黑龙江省、吉林省、辽宁省的全部区域以及内蒙古自治区东部的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市。区域内地形多样,南临渤、黄二海,东侧和北侧是鸭绿江、图们江、乌苏里江和黑龙江等流域低地,西侧是呼伦贝尔高原及内蒙古高原,内侧是由大兴安岭、小兴安岭和长白山系形成的马蹄形环绕的山地丘陵,中心部分则为三江平原、松嫩平原和辽河平原所组成的东北平原。东北地区自南向北跨越了中温带和寒温带,气候类型为温带季风气候以及大兴安岭以西的温带大陆性气候,冬季受大陆气团影响,寒冷干燥,盛行西北风,夏季受海洋气团影响,暖热多雨。自东南而西北,年降水量自1 000 mm降至300 mm以下,从湿润区、半湿润区过渡到半干旱区,其中夏季降雨量占了全年降雨量的绝大部分。

气温和降水是表征区域气候特征的两个最基本的气候要素。本研究中采用中国气象数据网所提供的东北地区月平均气温和月降水量的气象站点观测数据,剔除数据缺失严重的站点,选用区域内共计102个站点数据。这些站点在区域内均匀分布,可以体现区域的整体情况(图1)。采用空间插值方法来推算站点以外区域的气候要素情况,用插值形成的栅格数据来描述气候要素的空间分布,能有效地提高气象资料的利用水平。地统计学的Kriging插值方法在我国降雨量和气温研究上有很好的拟合优度^[11-13],因此,本文也采用该插值方法生成1956—2017年期间的月平均气温和月降水量栅格数据,空间分辨率为1 km。

图1 东北地区地理概况及气象站点分布

1.3.1 趋势分析法 采用趋势分析法拟合气候要素的变化趋势,通过计算气候倾向率和累积距平值^[14]定量分析气候要素的变化特征。

1.3.2 气候变率 气候变率可以表示气候变化幅度的大小^[15],并且气候变率与灾害性天气的发生频率有关。绝对变率V_a的计算公式为:

式中:x_i为气候序列逐年的数据; x^-为气候序列数据平均值; n为序列长度。

1.3.3 突变检测 气候突变是普遍存在于气候系统的一种重要现象,是气候从一种稳定态跳跃式地转变到另一种稳定态的现象,表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变化^[16]。检验突变情况的方法有很多种,本研究采用Mann-Kendall趋势检验法、滑动t-检验两种检验方法对气候要素时间序列的突变情况进行分析,以达到互相比较、互相检验的效果,两种检验方法均设置0.05显著性水平的信度线。

Mann-Kendall法是由Mann和Kendall提出的,最初用于检测序列的一种变化趋势,后被发展用来检测气候突变。该方法是世界气象组织(WMO)推荐的一种在世界范围内广泛使用的非参数检验法,其优点是不需要样本遵从一定的分布,且不受少数异常值的干扰,计算简单,被许多学者用来分析气温、降水量、径流和泥沙等要素时间序列的突变分析^[17-19]。

滑动t-检验用来检验两组样本平均值的差异是否显著来检验突变^[20-21],为此将连续序列分成两段子序列,如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平,可以认为均值发生了质变,有突变发生。具体应用中,为避免任意选择子序列长度造成突变点的漂移,可以反复调整子序列,提高计算结果的可靠性,在本研究中子序列长度分别取5 a,10 a和15 a。

1.3.4 Fisher最优分割法 Fisher最优分割法是一种对有序样本进行聚类分析的方法,可用于对时间序列进行分段以确定不同时段的特征^[22-23],较多应用于地震分期^[24-25]和汛期分期^[26-27]。该方法的原理是在对有序样本进行分割时,总希望段内差异愈小,一般采用离差平方和来表示段内数据的变化程度,在分割法中简称为变差,变差愈小则表明各段数据愈接近。当分段数确定,用分割后的各段变差之和,即误差函数作为比较不同分割的优劣标准,以误差函数值最小为最优。

由图2可知,1956—2017年东北地区年平均气温在波动中显著上升,倾向率为0.327℃/10 a(p<0.001)。62 a的年平均气温为2.97℃,年平均温度最高值为4.75℃,出现在2007年,年平均温度最低值为0.91℃,出现在1969年,最高值与最低值间相差3.84℃。由图3可知,年均温累积距平值呈现先下降再上升的过程,即年均温距平值在1987年前几乎持续为负,1987年后距平值持续为正,表明1987年前后分别是气温相对较低和较高的两个时期。

图2 东北地区年平均气温年际变化趋势

图3 东北地区年平均气温累积距平值

由图4可知,1956—2017年东北地区的降水量波动性较大,呈小幅减少趋势,倾向率为-3.634 mm/10 a(p>0.05)。62 a平均降水量为499.52 mm,2013年年降水量最高,为649.02 mm,2001年年降水量最低,为377.66 mm,最高值与最低值间相差271.36 mm。由图5可知,年降水量累积距平值有多个升降过程,降水量累积距平峰值出现在1964年和1998年,谷值出现在1982年和2009—2011年期间。峰值往往表明对应年份前面一个时期降水较多而往后降水较少,谷值则相反。

年平均气温Mann-Kendall趋势检验法和滑动t检验突变检测的结果见图6。UF曲线整体位于0值以上,说明气温时间序列呈上升趋势。这种上升趋势在1959年和1989年以后超过了0.05的置信水平,达到了显著上升趋势。UF曲线与UB曲线有一个交点,且交点在置信区间内,说明气温突变可能发生在1986—1987年。为了检验结果的可靠性,本研究选用了5 a,10 a,15 a滑动步长进行滑动t-检验,从滑动检验的结果来看,1987年附近的确出现了一次增温的突变过程,从5 a滑动检验的图中可以看出在2009年气温在显著升高的过程还有一个变冷的突变。

图4 东北地区年降水量年际变化趋势

图5 东北地区年降水量累积距平值

图6 东北地区年平均气温Mann-Kendall检验和滑动t检验

东北地区降水量的Mann-Kendall趋势检验的结果见图7,UF曲线整体位于0值以下,说明区域内的降水量在时间段内呈下降趋势,这种下降趋势在1967—1985年期间超出了0.05的置信水平,达到了显著下降的趋势。UF曲线与UB曲线有4个交点,分别是:1957年、1959年、1961年、2016年,突变检测效果不理想,结合滑动t-检验的结果来看,1964年左右存在一个的降水量减少的突变过程; 在1983年降水量是一个增加的突变过程; 之后降水量下降趋缓,在1998—1999年期间,降水量又有一个减少的突变。

结合东北地区年平均气温变化的特点,运用Fisher最优分割法将气温时间序列分割为:1956—1957年、1958—1987年、1988—2013年、2014—2017年4个时间段,表1为东北地区4个时间段年平均气温及其绝对变率和相对变率。各个时段的年平均气温呈上升趋势,从1956—1957年的1.26℃升高到2014—2017年的3.96℃; 从气候变率上来看,1958—1987年年均温的绝对变率和相对变率较大,气候变率大代表着更大的气候要素波动,往往与异常天气的频率及强度有关。

图7 东北地区年降水量Mann-Kendall检验和滑动t检验

表1 1956-2017年东北地区不同时段年平均气温及其变率

时间段 1956—1957年 1958—1987年 1988—2013年 2014—2017年年平均气温/℃ 1.26 2.45 3.56 3.96绝对变率/℃ 0.20 0.45 0.43 0.24相对变率 0.159 0.184 0.120 0.062

结合东北地区年降水量变化的特点,运用Fisher最优分割法将降水量时间序列分割为:1956—1964年、1965—1982年、1983—1998年、1999—2009年、2010—2017年5个时间段,分割结果基本与累积距平和突变检测的分析结果基本一致,表2为东北地区5个时段年降水量及其绝对变率和相对变率。从中可以看出,1956—1964年是年平均降水量最多的时期,降水量为543.26 mm,降水量最少的时期是1999—2009年,为444 mm。62 a间,降水量经历了一个周期波动过程。2010—2017年年降水量的绝对变率和相对变率较大,代表这一时间段内的降水情况不稳定。降水的多变常常预示旱涝灾害发生的频率有所增加。

查证该时期记录旱涝情况的文献资料,2011年、2012年东北地区是明显的干旱区之一^[28-29],2013年东北地区的洪涝灾害严重,区域降水量较常年偏多10%～20%,黑龙江、松花江流域汛期平均降水量较常年偏多3～4成^[30],2014年以来虽然存在一些季节性的洪涝情况,但东北地区整体降水量偏少,干旱缺水情况在部分地区一直存在^[31-34]。

表2 1956-2017年东北地区不同时段年降水量及其变率

计算1956—2017年东北地区年平均气温的空间分布见图8A所示,可以看出气温的纬度地带性分布特征明显,由南到北呈现递减的趋势,气温较高的区域为渤海、黄海海湾地区,年均温在10℃左右; 气温较低的为大兴安岭北部,年均温低于-4℃; 东北平原的气温相较于整个区域比较适中,年平均气温整体大于2 ℃。计算62 a区域的气温倾向率,结果见图8B所示,可以发现整个区域的倾向率均为正值,说明1956—2017年区域整体的气温都呈上升趋势。气温倾向率较高的区域在小兴安岭区域,其次是呼伦贝尔高原、内蒙古高原以及东北平原的部分地区,气温倾向率较低的区域主要在辽河流域。

基于Fisher最优分割法分割年平均气温时间序列的结果,分别计算1956—1957年、1958—1987年、1988—2013年、2014—2017年4个时间段(下文将分别用气温时间分段1,2,3,4进行替代)年平均气温的平均值,将相邻时间段的平均气温栅格相减,得到时间段间的气温变化差值。分析结果可以得出:时间分段2相较于分段1,除大兴安岭北部区域气温下降之外区域整体气温上升,其中气温增加最多的区域是在呼伦贝尔高原区域,内陆的增温幅度要高于沿海地区; 时间分段3相较于分段2,区域气温也是有所增加,增温幅度较大的区域变成了小兴安岭地区,其次才是呼伦贝尔高原,增温较小的区域集中在辽河流域以及区域东北沿海地区; 时间分段4相较于分段3,大兴安岭和辽河平原的气温有所上升,而小兴安岭和三江平原部分区域气温有所下降; 时段间的增温幅度有所减缓。

图8 1956-2017年年平均气温均值和倾向率的空间分布

计算1956—2017年东北地区年降水量的空间分布见附图12A所示。从图中可以看出,区域内降水量最多的区域在长白山区域南部临黄海的区域,平均年降水量超过800 mm; 降水量最少的区域是在呼伦贝尔高原,平均年降水量少于350 mm,其次便是大兴安岭山脉和内蒙古高原,平均年降水量不超过500 mm,在少雨的地区降水量呈现由东向西逐渐递减的趋势。附图12B是区域62 a降水量倾向率的空间分布,结果表明,区域内降水量增长和下降趋势同时存在,大兴安岭北部呈现增长趋势,其余大部分区域的降水量都呈下降趋势,包括辽东半岛、辽河平原、三江平原、内蒙古高原东部以及呼伦贝尔高原。

由Fisher最优分割法分割年降水量时间序列的结果,分别计算1956—1964年、1965—1982年、1983—1998年、1999—2009年、2010—2017年5个时间段(下文中将分别用降水时间分段1,2,3,4,5进行替代)年降水量的平均值,将相邻时间段的平均降水量栅格相减,得到时段间的降水量变化差值。结果表明,区域整体的降水量均值经历了一个降低—升高—降低—升高的周期波动过程,在此过程中不同区域呈现出不同的变化特征。降水时间分段2与分段1相比,区域整体降水量降低,降幅较大的区域是长白山南部和三江平原,降幅较小的区域是大兴安岭山脉; 降水时间分段3相较分段2,降水量有所升高,主要的升高区域在松嫩平原北部靠近大兴安岭的区域; 降水时间分段4相较于分段3,降水量降低,东北地区西南部,包括大兴安岭、呼伦贝尔高原、内蒙古高原以及辽河平原,降水量减少明显; 降水时间分段5与分段4相比,降水量整体上升,其中大兴安岭南部以及长白山脉西侧和南侧的降水量有较大提升。由降水量的变化过程可看出,2010年后,降水量进入相对丰水期。