基于多時(shí)間尺度SPEI的黑龍江省干濕時(shí)空變化特征分析

梅曉丹，劉丹丹，田 靜，田澤宇，李 丹，王 雷

(黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

近年來，隨著全球氣候變暖，中國干旱災(zāi)害加劇，東北地區(qū)干旱事件發(fā)生頻繁，影響到人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)各方面。黑龍江省由于地處中緯度季風(fēng)地區(qū)，也是氣候變化敏感區(qū)，受到突發(fā)性及致災(zāi)性氣候?yàn)?zāi)害的影響較大。干旱是由水分收支或供求不平衡所形成的水分短缺現(xiàn)象，而干旱指數(shù)是準(zhǔn)確監(jiān)測旱情的重要指標(biāo)。干旱指數(shù)的種類繁多，氣象監(jiān)測和遙感監(jiān)測為最主要的干旱監(jiān)測方法。1997年美國氣象學(xué)會(huì)(American Meteorological Society，AMS)將干旱定義和類型劃分為四類：1)氣象干旱(以降水指標(biāo)劃分為主)；2)水文干旱(以地表徑流和地下水指標(biāo)劃分為主)；3)農(nóng)業(yè)干旱(以土壤水分和作物指標(biāo)劃分為主)；4)社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱(以供水和人類需水指標(biāo)劃分為主)。2010年，VICENTE-SERRANO等[1]提出標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardize Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，其在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)的基礎(chǔ)上引入潛在蒸散量，通過標(biāo)準(zhǔn)化潛在蒸散與降水的差值的累積概率值表征一個(gè)地區(qū)干濕狀況偏離常年的程度。BEGUERA SANTIAGO等使用FAO Penman-Monteith(PM)公式計(jì)算蒸散，由于空氣動(dòng)力項(xiàng)對(duì)冬、春季潛在蒸散的貢獻(xiàn)顯著增加，其能更合理地描述北方地區(qū)的干濕變化特征。由于SPEI指數(shù)在區(qū)域適用性、時(shí)間尺度及干旱表征上所具有的優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外眾多研究者青睞的理想干旱指標(biāo)，適用于對(duì)比分析和干旱的監(jiān)測預(yù)警研究，以及全球變暖情況下的干旱評(píng)估。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)干旱指標(biāo)SPEI的研究大致可歸納為：1)干旱指標(biāo)時(shí)空適用性的驗(yàn)證(半球、中國、省域、流域；年代際、年際、季節(jié)和生長季)和不同干旱指標(biāo)對(duì)比分析(氣象干旱指數(shù)、綜合干旱指數(shù))[2-6]；2)干旱時(shí)空分布特征、極端干旱變化特征和干旱演化趨勢的研究(干旱頻率、干旱周期、干旱范圍和干旱強(qiáng)度)[7-12]；3)干旱變化的成因分析(地理環(huán)境特征、大氣環(huán)流變化和全球變化)[13-17]；4)干旱的監(jiān)測、評(píng)估及預(yù)測，以及在氣候情景下干旱影響分析(旱情數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)、地表溫度和土壤水分)[18-22]。

目前，SPEI研究主要是基于實(shí)測氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)來計(jì)算SPEI值，再利用空間插值方法，推算到整個(gè)研究區(qū)得到干旱的空間分布。氣象站點(diǎn)具有長時(shí)間序列的觀測記錄和觀測精度，常用來分析干旱的長期變化規(guī)律，但由于站點(diǎn)數(shù)量有限和空間分布不均，其結(jié)果會(huì)因插值方法的不同而存在差異，在大尺度范圍內(nèi)的干旱監(jiān)測研究受到了限制。因此，文中將選用多時(shí)間尺度SPEI柵格格點(diǎn)數(shù)據(jù)，開展區(qū)域尺度干濕時(shí)空變化特征研究，對(duì)比分析2000—2018年黑龍江省年尺度和季節(jié)尺度的干旱時(shí)空變化特征，以期為黑龍江省干旱災(zāi)害管理、防旱避災(zāi)以及建立旱情管理、監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于121°11′～135°05′E，43°26′～53°33′N，屬于寒溫帶與溫帶大陸性季風(fēng)氣候(見圖1)。全省氣候的主要特征是春季低溫干旱，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季易澇早霜，冬季寒冷干燥。地貌特征為西北、北部和東南部高，東北、西南部低，主要由山地、臺(tái)地、平原和水面構(gòu)成。分布有黑龍江、松花江、烏蘇里江、綏芬河等多條河流，以及興凱湖、鏡泊湖、五大連池等眾多湖泊(http://www.hlj.gov.cn)。

圖1 研究區(qū)的地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中選用多時(shí)間尺度SPEI數(shù)據(jù)來源于全球柵格SPEI數(shù)據(jù)集SPEIbase v.2.6(http://digital.csic.es/handle/10261/202305)，數(shù)據(jù)格式為NetCDF(*.nc)，空間坐標(biāo)系為WGS-84，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為月尺度，其具有多時(shí)間尺度特征，提供1～48個(gè)月的多時(shí)間尺度SPEI。這里選取2000—2018年SPEI01、SPEI03和SPEI12數(shù)據(jù)集。黑龍江省SPEI值是計(jì)算研究區(qū)所有柵格格點(diǎn)的算術(shù)平均值。四季劃分采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[10]：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall方法

采用曼-肯德爾方法(Mann-Kendall，M-K)分析黑龍江省年尺度和季節(jié)尺度的干濕時(shí)間特征的變化趨勢以及時(shí)間突變點(diǎn)。M-K方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于時(shí)間序列分析[19]。UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)。UF曲線能夠表示時(shí)間序列的變化趨勢。若UF>0，表示時(shí)間序列呈上升趨勢；若UF<0，則表示時(shí)間序列有下降的趨勢。給定顯著性水平α，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化，即當(dāng)UF值超過臨界線時(shí)，則表示時(shí)間序列上升或下降趨勢顯著。若UFk和UBk曲線相交且交點(diǎn)在臨界線之間，則交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是突變時(shí)間。這里設(shè)α=0.05，則UF和UB的臨界線值為±1.96。

2.2 EOF方法

采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法(Empirical Orthogonal Function，EOF)，又稱主成分分析，也稱經(jīng)驗(yàn)正交分解或者特征向量分解，解構(gòu)干濕空間模態(tài)和時(shí)間系數(shù)，分析黑龍江省的干濕空間分布狀況及其相應(yīng)時(shí)間變化特征。EOF方法在不損失原有信息的前提下，對(duì)矩陣進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解，提取的主要特征向量是原始變量的線形組合，分離出具有一定物理意義的空間結(jié)構(gòu)[19]。時(shí)間系數(shù)代表所對(duì)應(yīng)特征向量空間分布模態(tài)的時(shí)間變化特征，其符號(hào)決定模態(tài)的方向，正號(hào)表示與模態(tài)同方向，負(fù)號(hào)則相反。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江省干濕的時(shí)間變化特征

在年尺度和季節(jié)尺度下，采用M-K方法分析多時(shí)間尺度SPEI年均值和季節(jié)均值的時(shí)間變化及其突變時(shí)間，從而獲得2000—2018年黑龍江省干濕時(shí)間變化特征。

3.1.1 年際變化

在年尺度下，研究時(shí)期內(nèi)多時(shí)間尺度SPEI年均值的干濕變化(見圖2)：均是一直在0值附近上下波動(dòng)，頻率和幅度存在差異，反映SPEI隨時(shí)間變化的敏感性明顯不同，時(shí)間尺度越大則干濕交替變化越平緩，干濕階段的持續(xù)時(shí)間也隨之增加，具有月、季節(jié)和年際干濕交替變化的時(shí)間尺度特征。其中，明顯干旱年是2003、2007年，而明顯濕潤年是2013年。干旱期主要集中在2000—2008年，干旱持續(xù)期及強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢，但在2009年以后又逐漸轉(zhuǎn)為變濕態(tài)勢。UF曲線變化(見圖3)：均是一直處于圍繞0值波動(dòng)且逐步上升狀態(tài)，反映不同時(shí)間尺度的干濕交替變化，總體呈現(xiàn)由干旱變?yōu)闈駶櫟淖兓厔荨r(shí)間突變情況：SPEI01為2009、2017和2018年；SPEI03為2005、2007和2009年；SPEI12為2006、2007和2009年。其中，2009年是最明顯干濕變化時(shí)間突變點(diǎn)。SPEI12的UF曲線通過95%置信度的顯著性檢驗(yàn)，表明其上升趨勢顯著，即由干旱變?yōu)闈駶櫟内厔葑兓黠@。

圖2 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI時(shí)間序列

圖3 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI年均值的M-K檢驗(yàn)曲線

3.1.2 季節(jié)變化

在季節(jié)尺度下，研究時(shí)期內(nèi)多時(shí)間尺度SPEI季節(jié)均值的UF曲線變化(見圖4)：均是一直處于圍繞0值波動(dòng)且逐步上升狀態(tài)，總體呈現(xiàn)由干旱變?yōu)闈駶櫟膽B(tài)勢，且具有明顯的季節(jié)特征。1)春季：SPEI01和SPEI03均是2003年是明顯干旱年，2010年是明顯濕潤年；SPEI12的2002年是明顯干旱年。2)夏季：SPEI01的2007年是明顯干旱年，SPEI03的2001年是明顯干旱年，SPEI12的2008年夏季是明顯干旱年，SPEI01和SPEI03均是2013年是明顯濕潤年。3)秋季：SPEI01、SPEI03均是2001年是明顯干旱年，2012年是明顯濕潤年，SPEI12的2007年是明顯干旱年。4)冬季：SPEI01的2008年是明顯干旱年，2010年是明顯濕潤年；SPEI03的2008年是明顯干旱年；SPEI12的2008年是明顯干旱年。其中，SPEI12的2013年四季均是明顯濕潤年。時(shí)間突變情況：SPEI01夏季9個(gè)，秋季1個(gè)；SPEI03春、夏和秋季3個(gè)，冬季1個(gè)；SPEI12春、夏和冬季3個(gè)，秋季1個(gè)。SPEI01夏季發(fā)生干濕交替變化最強(qiáng)；SPEI01和SPEI12秋季、SPEI03冬季發(fā)生干濕交替變化最弱。SPEI12冬季的UF曲線通過95%置信度的顯著性檢驗(yàn)，表明其上升趨勢顯著，即由干旱變?yōu)闈駶櫟内厔葑兓黠@。

圖4 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI季節(jié)均值的M-K檢驗(yàn)曲線

3.2 黑龍江省干濕的空間變化特征

在年尺度和季節(jié)尺度下，采用EOF方法分析SPEI年均值和季節(jié)均值的干濕變化空間分布特征，以及相應(yīng)的時(shí)間變化情況，從而獲得2000—2018年黑龍江省干濕空間變化特征。選取通過95%置信度的顯著性檢驗(yàn)的前2個(gè)特征向量進(jìn)行空間模態(tài)和時(shí)間系數(shù)的分析。

3.2.1 年際變化

在年尺度下，研究時(shí)期內(nèi)多時(shí)間尺度SPEI年均值的空間模態(tài)情況(見圖5)：前2個(gè)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)率分別為91.17%、89.63%和88.81%。1)模態(tài)1特征向量的方差貢獻(xiàn)率分別為82.38%、79.24%和74.92%，取值均為負(fù)值，其是黑龍江省干濕變化空間分布的主要形態(tài)。SPEI01、SPEI03和SPEI12高值區(qū)中心分別位于西北、東南地區(qū)，低值區(qū)中心分別位于西南、西南和中部、西北和北部地區(qū)，總體上呈現(xiàn)全省全年同向分布模式，即全省全年多雨或少雨干濕分布一致特征。2)模態(tài)2特征向量的方差貢獻(xiàn)率分別為8.79%、10.39%和13.89%，取值均為正負(fù)值，其是黑龍江省典型干濕空間分布的主要形態(tài)。以中部為分界線，正值區(qū)中心位于東部和東南部地區(qū)，而負(fù)值區(qū)中心位于西部和西北部地區(qū)，呈現(xiàn)全省全年西—東反向、西北—東南反向的分布模式。隨著時(shí)間尺度的增大，分界線位置呈現(xiàn)由東南向西北偏移。其時(shí)間系數(shù)情況(見圖6)：空間模態(tài)隨時(shí)間變化均是一直圍繞0值波動(dòng)狀態(tài)，模態(tài)1比模態(tài)2變化幅度大，表明模態(tài)1的時(shí)間變化特征更顯著。從線性趨勢看，模態(tài)1斜率小于0，說明該模態(tài)的干濕同向變化呈現(xiàn)減少的趨勢；模態(tài)2斜率大于0，說明該模態(tài)干濕反向變化呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖5 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI年均值的特征向量模態(tài)

圖6 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI年均值特征向量模態(tài)的時(shí)間系數(shù)

3.2.2 季節(jié)變化

在季節(jié)尺度下，研究時(shí)期內(nèi)多時(shí)間尺度SPEI季節(jié)均值(春季、夏季、秋季和冬季)的空間模態(tài)情況(見圖7和圖8)：1)四季均值前2個(gè)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)率，SPEI01分別為93.87%、86.23%、93.42%和84.36%；SPEI03分別為93.10%、85.69%、89.31%和87.55%；SPEI12分別為89.62%、85.50%、85.91%和89.54%。模態(tài)1特征向量的方差貢獻(xiàn)率，SPEI01分別為84.71%、73.14%、87.47%和73.24%；SPEI03分別為85.31%、69.50%、74.59%和80.70%；SPEI12分別為73.55%、71.95%、68.26%和74.31%。模態(tài)2特征向量的方差貢獻(xiàn)率，SPEI01分別為9.16%、13.09%、5.95%和11.12%；SPEI03分別為7.79%、16.19%、14.72%和6.85%；SPEI12分別為16.07%、13.55%、17.65%和15.23%。由此可見，模態(tài)1是黑龍江省干濕變化空間分布的主要形態(tài)，而模態(tài)2是黑龍江省典型干濕空間分布的主要形態(tài)。2)四季均值模態(tài)1情況：均為正值或負(fù)值，SPEI01冬季、SPEI03秋季、SPEI12春、夏和冬季均為正值，其它季節(jié)均為負(fù)值，但各個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)同向變化分布模式，季節(jié)差異明顯。高值區(qū)和低值區(qū)中心的分布：SPEI01高值區(qū)中心分別位于西北，東南，西北，東南地區(qū)；而低值區(qū)中心分別位于西部、中部和北部，北部和西北，西部和西北地區(qū)，西北地區(qū)。SPEI03高值區(qū)中心分別位于西北，東部，北部，西北地區(qū)；而低值區(qū)中心分別位于東部，北部和中部，西北和東南，西南地區(qū)；SPEI12高值區(qū)中心分別位于北部，東部，東部，北部地區(qū)；而低值區(qū)中心位于南部，北部，北部和中部，南部地區(qū)。3)四季均值模態(tài)2情況：四季均為正負(fù)值，各個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)反向分布模式。高值區(qū)和低值區(qū)中心的分布：SPEI01高值區(qū)中心分別位于西南，西北，西北，東和東南地區(qū)；而負(fù)值區(qū)中心分別位于西北和東部，東南，東南，西部和西北地區(qū)。SPEI03高值區(qū)中心分別位于西北，西部和西北，西北，西部和西南地區(qū)；而負(fù)值區(qū)中心分別位于西南，東部和東南，東南，東部和東南地區(qū)；SPEI12高值區(qū)中心分別位于西北，東南，西北，西北地區(qū)；而負(fù)值區(qū)中心分別位于東南，西北，東南，東南地區(qū)。其時(shí)間系數(shù)情況(見圖9)：空間模態(tài)隨時(shí)間變化均是一直圍繞0值波動(dòng)狀態(tài)，模態(tài)1比模態(tài)2變化幅度大，表明模態(tài)1的時(shí)間變化特征更顯著。從線性趨勢看，春季SPEI模態(tài)1斜率均大于0，說明該模態(tài)的干濕同向變化呈現(xiàn)增加的趨勢；秋季SPEI模態(tài)2斜率均小于0，說明該模態(tài)干濕反向變化呈現(xiàn)減少的趨勢。

圖7 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI季節(jié)均值的特征向量模態(tài)(模態(tài)1)

圖8 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI季節(jié)均值的特征向量模態(tài)(模態(tài)2)

圖9 2000—2018年黑龍江省多時(shí)間尺度SPEI季節(jié)均值特征向量模態(tài)的時(shí)間系數(shù)

4 結(jié)論與討論

1)在時(shí)間上，黑龍江省干濕時(shí)間變化具有明顯的年際特征和季節(jié)特征。多時(shí)間尺度SPEI隨時(shí)間變化的敏感性明顯不同，分別反映月、季和年尺度干濕變化的特征，其主要原因是由于時(shí)間累積效應(yīng)和滯后效應(yīng)的影響，但總體呈現(xiàn)由干旱變?yōu)闈駶櫟淖兓厔?，具有干濕變化的階段性和趨勢性。SPEI01夏季發(fā)生干濕交替變化最強(qiáng)；SPEI03冬季和SPEI12秋季發(fā)生干濕交替變化最弱。

2)在空間上，黑龍江省干濕空間變化具有明顯的年際特征和季節(jié)特征。第1模態(tài)是黑龍江省干濕變化空間分布的主要形態(tài)，即總體呈現(xiàn)干濕變化一致特征。其主要原因是由于受太陽輻射和大尺度天氣特征的影響，具有地帶性地域分異規(guī)律，但區(qū)域差異不明顯；模態(tài)2是黑龍江省典型干濕空間分布的主要形態(tài)，以中部為界線呈現(xiàn)東—西反向、東南—西北反向的空間分布模式。與其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)表明隨時(shí)間變化的年尺度下同向分布模式呈現(xiàn)減少的趨勢，而反向分布模式呈現(xiàn)增加的趨勢，季節(jié)尺度下春季同向模式呈現(xiàn)增加的趨勢，而秋季反向模式呈現(xiàn)減少的趨勢。其主要原因是距海遠(yuǎn)近不同，具有明顯干濕非地帶性地域分異規(guī)律。

3)隨著時(shí)間尺度的增大，干濕分界線由復(fù)雜變?yōu)楹唵?，呈現(xiàn)由東南向西北的偏移，干濕空間分布的地域分異規(guī)律性越顯著。其主要原因是由于受到季風(fēng)環(huán)流和地理環(huán)境的影響，夏季受東南季風(fēng)的影響，而冬季在干冷西北風(fēng)控制下。但干濕分界線不與經(jīng)線平行，與海岸線輪廓近似；地帶更替方向也不與經(jīng)線垂直，與海岸線近似垂直。高值區(qū)中心和低值區(qū)中心都是發(fā)生干濕異常的敏感地區(qū)，其它地區(qū)則為過渡區(qū)。

綜上所述，黑龍江省干濕變化具有明顯的時(shí)空尺度特征，此結(jié)果與其他學(xué)者關(guān)于黑龍江省干濕研究的結(jié)果基本一致[10-13]。多時(shí)間尺度SPEI考慮了降水和蒸散因素，適合于月及以上尺度的干旱評(píng)價(jià)，但干旱發(fā)生和發(fā)展機(jī)理具有復(fù)雜性，其還受到風(fēng)速、地形、植被及環(huán)流等綜合因素的影響。今后的研究將從多尺度聯(lián)合的角度，借助遙感和GIS手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，進(jìn)行區(qū)域綜合干旱監(jiān)測，將會(huì)很大程度地提高干旱監(jiān)測的準(zhǔn)確性和有效性，從而為黑龍江省干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管理及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。