康恒元，周贺玲，袁 芳，刘玉莲，张桂华
（1.哈尔滨市气象局，黑龙江 哈尔滨 150001；
2.南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；
3.廊坊市气象局，河北 廊坊 131001；
4.中国气象局气象干部培训学院湖北分院，湖北 武汉 430074；
5.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030；
6.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150030）
年代际是一个重要的时间尺度，它既是迭加在长期变化趋势上的扰动，又是年际变率的重要背景[1]。研究陆地降水的年代际特征及其区域、季节差异，可以加深对年代际降水变率的认识，对降水年代际变率的科学认识是防范干旱和洪涝风险的重要科学基础[2]。
对全球、半球、大陆和气候区等各空间尺度的年降水量年代际尺度特征研究发现，全球陆地降水不仅有长期变化的趋势，存在年代际的周期振荡，而年代际周期振荡的强度远远大于长期趋势[3]，且陆地降水的年代际变化有显著区域差异[4-7]。王英等[8]分析中国降水量年代际特征，发现20世纪50年代为降水量高值期，60年代大部分地区开始减少，80年代中高纬地区干旱转湿润，90年代副热带地区降水显著增加。宋连春等[9]指出我国西北地区降水年代际变化存在东西差异，有时会出现相反趋势；
西北西部1960年以后降水量持续减少，1977年出现转折，降水量波动上升，1986年以后上升趋势加剧；
西北东部20世纪60年代初—70年代后期，降水量持续偏多，20世纪80年代降水表现平稳，90年代以后降水持续偏少。王艳姣等[10]分析发现华北地区降水1977年由偏多转为偏少，2002年又转为偏多；
黄淮和江淮降水1975年由略偏多转为略偏少；
长江中下游地区降水在20世纪60年代偏少，20世纪70年代—80年代中期降水增多，20世纪80年代末—90年代降水转为偏多，21世纪初又转为以偏少为主；
江南和华南地区降水20世纪60年代偏少，20世纪70年代前期偏多，20世纪70年代中后期—80年代持续偏少，20世纪90年代—21世纪初降水转为偏多，之后又转为以偏少为主；
东北地区降水在20世纪80年代初正常转多，20世纪90年代末多转少；
西南部地区降水在2000年以前东北部与西部反向变化。刘晓琼等[11]分析三江源地区降水变化年代际特征，指出20世纪60年代中后期—70年代末降水量波动下降，20世纪80年代中期前降水量波动上升，20世纪90年代初—21世纪初明显减少随后又显著增加。针对季节性降水的年代际特征分析指出，中国夏季降水在1976年前后有明显跃变[12]，1977年后长江流域和江淮流域夏季降水明显增多，而华北地区和黄河流域夏季降水明显减少[13]；
中国东部夏季降水的10～30 a年代际变化是长期存在的[14]。归因发现，中国夏季降水异常主要受东亚夏季风和大气环流年代际变化的影响[10，15]，近乎全球的年代际尺度陆地降水（极地除外）都受太平洋和大西洋海表温度异常的影响[14，16-20]。
已有降水年代际变化特征研究中东北地区相关研究较少，且是基于2010年前的年降水量序列[10]。黑龙江省位于中国东北部，是中国位置最北、纬度最高的省份，气候类型为温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季[21]。主要气象灾害有暴雨洪涝、冰雹、大风、霜冻和干旱，洪涝灾害对农作物影响极大，黑龙江省是农业大省，每年洪涝集中发生的6—8月正是作物生长关键期，每次过程都会导致大面积农田受灾减产，工程失事、堤防决溃，在多水年夏季暴雨洪涝概率可能增加一倍[22]。因此分析降水的年代际变化特征对农业生产、社会生活具有重要意义。
本文基于1961年以来黑龙江省降水量序列，划分黑龙江省多水期与少水期，分析不同时期降水气候特征，并比较正在经历的这一个多水期与前一个多水期降水差异，为这个多水期黑龙江省降水趋势预测、灾害预警、风险防控等提供科学依据和决策参考。
1.1 资料
数据来自黑龙江省地面气象观测站网，时间为1961—2020年，选取黑龙江省内观测连续、台站变动较少的61个地面气象台站[23]（图1）降水数据，时间尺度为年、月、日、时。
图1 台站分布及分区
1.2 方法
采用EOF和REOF方法[24-26]，根据黑龙江省降水量数据对黑龙江省降水的变异性进行分区。选取EOF累积方差贡献率达73.7%，独立性通过North方法[27]检验的前5个特征向量做正交旋转变换，旋转前后方差贡献率的变化见表1。
表1 黑龙江省年降水量标准化场前5个EOF和REOF的方差贡献率
分区的临界相关系数确定为0.4（n=30，p=0.05），即将REOF载荷向量值＞0.4的区域划分为一个降水气候区。1区到5区分别为松嫩平原西部区、张广才岭半山区、松嫩平原东部区、三江平原区、大小兴安岭山区，以Q1、Q2、Q3、Q4、Q5代表各分区。选各区载荷向量最大的3个台站为代表站（图1），1区为龙江、林甸、齐齐哈尔，2区为穆棱、鸡西、林口，3区为宾县、木兰、通河，4区为双鸭山、萝北、佳木斯，5区为呼玛、孙吴、黑河。区域代表站中1个或以上台站有降水，则区域有降水事件发生，区域降水强度为区域3个代表站降水强度的平均。
规定春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月。区域平均采用算术平均，距平为相对基准气候期均值的差值。相关显著性使用ρ=0的临界值检验[28-29]，显著相关未特别说明指通过0.05的显著性水平检验。标准差为各数据偏离平均数距离的平均数，反映一个数据集的离散程度[28-29]。年内日序按Julian Day方法[30]计数。基准气候期取1981—2010年。
多（少）水期降水量为几个多（少）水期平均降水量的平均，某多（少）水期平均降水量为该多（少）水时段内多年降水量的平均。多水期记为PM，第一多水期为PM1，第二多水期为PM2；
少水期记为PL，第一少水期为PL1，第二少水期为PL2。
1.3 转折年
计算逐年的降水量距平，然后按年序累加，得到累积距平序列。当累积距平持续增大时，表明该时段降水量距平持续为正；
当累积距平持续不变，表明该时段降水量距平持续为零即保持平均；
当累积距平持续减小时，表明该时段降水量持续为负，据此确定降水量年际变化阶段。前人对黑龙江省[22，31-32]和松花江流域[33-34]降水的多水期和少水期做划分（表2）多是基于此方法。
表2 不同方法确定的多水期与少水期转折年
滑动平均是在一个数据序列中，按序从第1年到第n年，每相应m年数据计算其平均值，由此得到的一个数据序列称为m年滑动平均序列。滑动平均相当于低通滤波，可以用来表示数据的变化趋势，9 a滑动平均可以表示年代际变化趋势。图2为1961—2020年黑龙江省年降水量演变图，其中累积距平曲线为距平百分率的累积。
图2 1961—2020年黑龙江省年降水量演变
对黑龙江省年降水序列做小波分析，通过显著性检验的周期为2～4 a；
同时存在一个23～33 a周期（受序列长度的边缘效应影响，这个周期特征存在较大不确定性，未通过显著性检验）。综合考虑不同方法得到的转折年（表2），并结合年降水量演变，本文第一个少转多的转折年取1983年，多水时段为1983—1998年（PM1），时长16 a；
第二年少转多转折年取2012年，多水时段2012—2020年（PM2），时长9 a（这个多水期可能还没有结束，由于资料到2020年，只分析这9 a）。2个少水期分别为1967—1982年（PL1），时长16 a；
1999—2011年（PL2），时长13 a（表3）。鉴于1967年前的多水期不完整，仅讨论1967年以来的降水变化。
表3 不同时期平均年降水量
对比各气候区年降水量变化，多/少水期转折的时间与黑龙江省基本相同，PM1时期开始Q3、Q4和Q5区早于黑龙江省平均（1～3 a），结束Q2区偏早；
PM2时期Q1、Q4区开始偏早（1 a）。
图3为黑龙江省年降水量空间分布图，图中黑粗线为全省均值线。1981—2010年黑龙江省多年平均降水量为397.1～656.4 mm，全省平均为526.2 mm[23]。中部山区降水量偏多，最多是位于中南部张广才岭南麓的尚志，年降水量为656.4 mm；
其次是位于东北部小兴安岭向三江平原过渡带的鹤岗，年降水量651.4 mm，位于小兴安岭和张广才岭的伊春、丰林、木兰、铁力、方正等地年降水量多于600 mm；
西南部年降水量偏少，年降水量最少台站是位于黑龙江、吉林、内蒙古三省（区）交界处的泰来，年降水量为397.1 mm，也是省内唯一干旱区台站，位于嫩江下游、大兴安岭东南余脉和松嫩平原西部边缘过渡地带的杜尔伯特、肇源、安达、林甸、齐齐哈尔、富裕、肇州、甘南等台站年降水量＜460 mm（图3a）。
图3 黑龙江省年降水量空间分布
黑龙江多水期（PM）和少水期（PL）平均降水量的空间分布与基准气候期一致，中部偏多，西南部和西北部偏少。黑龙江多水期（PM）平均降水量为456.0～733.7 mm，全省平均为596.6 mm，相对基准气候期降水量多70.4 mm（13.4%）。全省台站降水距平百分率均为正（图3b），大值区主要集中在46°～48°N，最多是松嫩平原的望奎（偏多19.7%），另外东南部半山区降水也较多（绥芬河偏多18.9%）；
降水偏多量较小的台站分散在西北部（呼玛3.1%）和东南部（宁安6.0%）。黑龙江少水期（PL）平均降水量为350.2～593.7 mm，全省平均为485.8 mm，相对基准气候期降水量少40.4 mm（7.7%）。全省绝大多数台站降水距平百分率为负（图3c），偏少较多区在西部（松嫩平原北部的明水偏少12.2%，泰来偏少11.8%）和中南部（阿城偏少11.2%，牡丹江偏少11.1%）。
图4为黑龙江省多水期和少水期各季降水量相对基准气候期的距平百分率空间分布。少水期（PL）夏季降水量全省偏少，平均偏少10.1%，中南部偏少最多（阿城偏少17.8%）。秋季全省仅东部的宝清和密山略偏多（2.2%和0.3%），其它地区都偏少，全省平均偏少9.4%，西部偏少最多（齐齐哈尔偏少24.3%）；
冬季全省平均偏少2.4%，主要偏少在西部地区，偏多区域在中部。春季全省平均偏多3.6%，大部偏多，仅西部、西北部、东南部零星台站偏少。多水期（PM）全省各季降水量都偏多，秋季偏多33.8%，夏季偏多10.7%，春季偏多6.0%，冬季偏多4.1%。
图4 黑龙江省季降水量距平百分率空间分布
3.1 年降水量
图5为2个多水期黑龙江省年降水量距平百分率空间分布，黑粗线为全省均值线。1983—1998年（PM1）黑龙江省多年（16 a）平均的降水量为436.6～712.4 mm，全省平均为554.6 mm，相对基准气候期降水量多28.4 mm（5.4%）。降水量空间分布与基准气候期基本一致，降水偏多区在小兴安岭和张广才岭，西南部和北部地区降水量偏少。2012—2020年（PM2）黑龙江省多年（9 a）平均的降水量为474.0～806.8 mm，全省平均为638.6 mm，相对基准气候期降水量偏多112.4 mm（21.4%）。降水量空间分布与基准气候期和PM1基本一致，偏多区在小兴安岭和张广才岭，西南部和北部地区降水量偏少。差别在于PM2时段降水量最多台站向西偏移为伊春（806.8 mm，达到湿润区标准），最少台站向东北偏移为肇源，西南部台站降水较北部台站偏多明显。PM1时期，全
图5 2个多水期降水量距平百分率空间分布
省降水多于均值的范围较基准气候期小，可见这个时期全省降水范围更集中。降水量多于600 mm范围PM1时期约为基准期的2倍，PM2时期约为P1时期的3倍，PM2也是最近60年（1961—2020年）黑龙江降水最多的一段时期。
PM1时期，省内大多数台站年降水量相对基准气候期平均降水量偏多（图5a），仅东部完达山南麓的虎林、北部小兴安岭中段北麓的逊克和东南部老爷岭的东宁3个台站降水量偏少，偏少距平百分率分别为2.4%、0.5%、0.3%；
偏多大值区集中在西部松嫩平原三部和中南部的张广才岭，甘南最多（偏多10.4%）。PM2时期，全省降水量均较基准气候期偏多（图5b），降水量偏多最多出现在东南部的绥芬河（偏多35.5%），其次是小兴安岭南麓的萝北（偏多31.6%），最少是西北部大兴安岭的呼玛（偏多1.42%）。PM1时期降水量偏多主要在西南部，PM2时期降水量偏多主要在东北部。PM2时期降水序列标准差大（表4），年降水量的离散程度更大。PM1时期16 a中有11 a的降水量多于气候均值，5 a低于气候均值；
PM2时期9 a中有8 a的降水量多于气候均值，仅1 a低于气候均值。
3.2 季降水量
图6为2个多水期黑龙江省不同气候分区各季降水量。全省多年平均（1981—2010年）的冬季降水量为15.9 mm，Q4区最多（22.3 mm），Q1区最少（8.0 mm）；
春季降水量为79.9 mm，Q4区最多（88.7 mm），Q1区最少（59.3 mm）；
夏季降水量为340.4 mm，Q3区 最 多（386.5 mm），Q1区 最 少（319.5 mm）；
秋季降水量为88.6 mm，Q2区最多（100.2 mm），Q1区最少（61.8 mm）。
图6 两个多水期季降水量
PM1时期，冬季和春季降水量表现出偏少，冬季全省偏少15.3%，Q4区偏少最多（22.4%）；
春季全省偏少8.6%，Q1区偏少最多（14.6%）；
夏秋季各区都表现为降水偏多，夏季全省偏多6.1%，Q1区最多（8.1%）；
秋季全省偏多15.7%，Q1最多（27.1%）。
PM2时期，各季全省降水都偏多，分区仅冬季Q2区降水偏少（偏少9.8%），春季Q1区降水偏少（6.1%）。冬季全省降水偏多13.4%，Q3区最多（59.8%）；
春季全省降水偏多23.0%，Q2区最多（40.9%）；
夏季全省降水偏多8.7%，Q1区最多（11.4%）；
秋季全省偏多51.6%，Q1区最多（81.6%）。
秋季和冬季降水量距平百分率波动最大，夏季最小；
各气候区PM2时期降水距平百分率波动较PM1时期大。
3.3 月降水量
统计黑龙江省各气候区平均月降水量，各气候区多年平均（1981—2010年）的逐月降水量都是单峰型，降水量最多月Q1、Q2、Q3、Q5区在7月，Q4区（三江平原）在8月；
降水量最少月Q1、Q2、Q4、Q5区在2月，Q3区（松嫩平原东部）在1月。夏季影响三江平原降水的主要环流系统不同于省内其它地区，冬季影响松嫩平原东部降水的主要环流系统不同于其它地区。PM1时期降水量最多月与气候期一致，但最少月Q2和Q4区在1月，而Q3区在2月；
PM2时期降水量最多月Q2、Q3、Q4区都在8月，降水量最少月5个气候分区都在1月。
各气候区多年平均（1981—2010年）的逐月降水强度多是7月最大，仅Q4区8月降水强度最大；
Q2区2月降水强度最小，其它气候区1月最小。PM1时期降水强度最大月与气候平均一致，降水强度最小月5个气候区都在1月；
PM2时期降水强度最大月Q2区在8月，其它气候区在7月，降水强度最小月Q2区在2月，其它气候分区都在1月。
各气候区在PM1和PM2时期的平均年降水量都是偏多的，月降水量却没有都表现出偏多，8—9月各气候区降水2个时段一致偏多，且9月偏多的距平百分率值更大，3月一致偏少；
PM1时期1月各气候区降水偏少20%左右，Q4区达41.0%，PM2时期9月Q1区偏多106.2%，偏多最少的Q2区降水也偏多45.4%。降水量最多的7月，在PM2时期Q1、Q2、Q3区降水反而偏少，分别偏少9.6%、25.0%、6.4%。
统计各月平均最大降水强度（图7），PM1时期冷季易偏小，Q4区1月偏小最多（38.9%），Q1区9月偏大最多（31.9%）；
PM2时期各月最大降水强度易出现极大值，Q2区11月偏大最多（偏大219.1%），其次Q1区1月偏大195.2%。
图7 月平均最大降水强度距平百分率
3.4 日降水量
计算PM1和PM2时期各气候区逐日降水量的距平百分率（图8），由于逐日波动较大，做21 a滑动平均，统计滑动平均序列的差值（PM2-PM1），年初和年尾降水量小，距平百分率值阈较大，仅给出5—9月差值。各气候区差异较一致，5月中下旬和8月下旬至9月上旬的日降水量PM2时期较PM1时期偏多较多，7月中旬Q1、Q2、Q3区差值为负，PM2时段7月中旬的降水量较PM1时期少。
图8 各气候区日降水量距平百分率差异（PM2-PM1）
3.5 小时降水量
黑龙江省各气候区夏季（6—8月）降水最多，讨论2个多水期夏季降水小时变化的差异。计算PM1和PM2时期各气候区逐小时降水概率和降水强度差异，强度差异为PM2时期小时降水强度与PM1时期降水强度差占多年平均（1981—2010年）小时降水强度的百分率。两时段逐小时降水频率8月增多，7和6月减少；
降水强度6、7月增加，8月总体减少。
小时降水概率6月Q1区减少最多出现在17时，增加最多在08时，Q2区减少最多在14时，增加最多是在12时，Q3区减少最多在07时，增加最多在05时，Q4区减少最多在21时，增加最多在07时，Q5区减少最多在16时，增加最多在04时；
7月Q1区减少最多在13时，Q2区减少最多在14时，Q3区减少最多在18时，增加最多在14时，Q4区减少最多在16时，增加最多在05时，Q5区减少最多在03时，增加最多在13时；
8月Q1区减少最多在05时，增加最多在12时，Q2区增加最多在22时，Q3区增加最多在15时，Q4区增加最多在14时，Q5区减少最多在01时，增加最多在14时。
小时降水强度6月Q1区减小最多在18时，增加最多在07时，Q2区减小最多在11时，增加最多在09时，Q3区减小最多在22时，增加最多在16时，Q4区减小最多在16时，增加最多在12时，Q5区减小最多在22时，增加最多在08时；
7月Q1区减小最多在15时，增加最多在19时，Q2区减小最多在14时，增加最多在17时，Q3区减小最多在17时，增加最多在12时，Q4区减小最多在23时，增加最多在16时，Q5区减小最多在11时，增加最多在16时；
8月Q1区减小最多在13时，增加最多在19时，Q2区减小最多在00时，增加最多在06时，Q3区减小最多在19时，Q4区减小最多在19时，Q5区减小最多在02时。
基于1961年以来降水量数据，讨论黑龙江省降水年代际变化，比较多水期与少水期降水气候差异，并分析正在经历的这一个多水期与上一个多水期降水特征，得到以下结论：
（1）1961年以来，黑龙江省年降水量经历“多—少—多—少—多”的演变，1966年以前降水量偏多，1967—1982年偏少，1983—1998年偏多，1999—2011年偏少，2012—2020年偏多。
（2）黑龙江省多水期平均降水量为596.6 mm，相对基准气候期降水偏多13.4%，偏多区主要在46°～48°N；
少水期平均降水量为485.8 mm，相对基准气候期降水偏少7.7%，主要是西部和中南部偏少。
（3）PM1时期黑龙江降水量为554.6 mm，相对基准气候期偏多5.4%；
PM2时期降水量为638.6 mm，偏多21.4%；
PM1时期降水主要多在西南部，PM2时期降水主要多在东北部；
PM1时期，冬季和春季降水量表现出偏少，冬季全省偏少15.3%，春季偏少8.6%；
5月中下旬和8月下旬至9月上旬的日降水量PM2时期较PM1时期偏多，7月中旬降水量较PM1时期少。
（4）PM2时期较PM1时期逐小时降水频率8月偏多，7和6月偏少；
逐小时降水强度6和7月增加，6月清晨增加较多，7月午后强度增加较多，8月降水强度Q1区傍晚和Q2区清晨增加较多。