梅曉丹,王 強,田 靜,田澤宇,李 丹,劉丹丹
(黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院,哈爾濱 150050)
干旱是水分收支或供求不平衡所形成的水分短缺現(xiàn)象,受到降水、溫度、蒸散量、地形在內(nèi)的各種自然因素以及人為因素的影響。地形導(dǎo)致的水熱再分配容易造成明顯區(qū)域差異,因此,地形因子對于旱災(zāi)風(fēng)險的準(zhǔn)確評價及災(zāi)情的客觀評估至關(guān)重要。目前,國內(nèi)外學(xué)者對干旱和地形因子的研究大致可歸納為4個主要方面:1)研究區(qū)域:中緯度季風(fēng)區(qū)、干旱區(qū)和半干旱區(qū)(西北地區(qū)、華北、東北、西藏以及華東北部地區(qū)),省域(陜西省、四川省、甘肅省、云南省、西藏自治區(qū)和吉林省),以及流域(黃河、瑪納斯河、中連川、西江);2)地形地貌:地形要素關(guān)聯(lián)度,微地形(干旱陽坡、坡面)、地形因子(海拔高度、坡度和坡向),以及復(fù)雜地形(高原、山地、丘陵、河谷、盆地和流域)等;3)研究方法:實測方法、數(shù)值模擬方法、GIS空間分析方法和遙感監(jiān)測方法等;4)研究內(nèi)容:干旱指標(biāo)適用性驗證和對比研究[1-2],干旱時空分布特征[3-5]及成因分析[6-10],地形對干旱氣候的影響[11-13],地形地貌對土壤(水分、有機碳含量)[14-16]和植被時空分布的影響[17-21],干旱監(jiān)測方法、風(fēng)險評價和管理等[22-24]。綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者主要是從大尺度角度研究干旱時空特征和干旱變化,而對于區(qū)域尺度下地形因子對干旱影響的研究相對較少。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)。利用地面氣象觀測站點監(jiān)測干旱災(zāi)害,由于站點分布稀疏,很難反映出區(qū)域內(nèi)整體干旱形勢和特征。因此,文中以黑龍江省為研究對象,從2000—2018年(19 a)多年平均狀態(tài)的角度,采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardize Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)[23],以多時間尺度SPEI柵格數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,利用GIS空間分析和統(tǒng)計分析方法,分析年尺度和季節(jié)尺度的黑龍江省干旱時空特征,重點探討干旱和地形因子的關(guān)系,從而揭示黑龍江省干旱的地形分異特征,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。
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。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。地貌特征為地勢大致是西北、北部和東南部高,東北、西南部低,主要由山地、臺地、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)。
研究區(qū)矢量邊界來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(https://www.webmap.cn/)提供的1∶100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫。SPEI數(shù)據(jù)來源于全球柵格SPEI數(shù)據(jù)集(SPEIbase v.2.6),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°,時間分辨率為月尺度,SPEI具有多時間尺度特征(http://digital.csic.es/handle/10261/202305)。文中選取3月(SPEI03)和12月(SPEI12)的SPEI數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(Digital Elevation Model,DEM)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn/),中國1 km分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)集文件格式為Geotiff(*.tif),投影類型為Albers Conical Equal Area。通過ArcGIS軟件實現(xiàn)投影變換、掩膜裁切、空間插值、重采樣、柵格計算和分區(qū)統(tǒng)計等一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理操作,其中,采用反距離加權(quán)法(Inverse Distance Weighted)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)插值處理,從而獲得2000—2018年黑龍江省在年和季節(jié)尺度下多年年均值和多年季節(jié)均值SPEI數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km,投影類型為UTM52-WGS84。
干旱指數(shù)是反映氣候干旱程度的指標(biāo),其是監(jiān)測和評估干旱事件的有效工具。SPEI是典型的干旱指數(shù),通過標(biāo)準(zhǔn)化潛在蒸散與降水差值的累積概率值表征一個地區(qū)干濕狀況偏離常年的程度[23]。SPEI數(shù)值的大小表示干濕程度,其值越大表示越濕潤,越小越干旱。依據(jù)國家《氣象干旱等級》(GB/T20481-2017)劃分標(biāo)準(zhǔn),文中根據(jù)SPEI將干旱等級劃分為5類:特旱(-∞~-2)、重旱(-2.0~-1.5)、中旱(-1.5~-1.0)、輕旱(-1.0~-0.5)和無旱(-0.5~+∞)。
根據(jù)地表信息的空間結(jié)構(gòu)層面,可將地形因子劃分為宏觀因子、微觀因子和相關(guān)信息因子三大類[13]。文中選取宏觀因子(海拔高度、地形起伏度)和微觀因子(坡度、坡向)。根據(jù)地形因子的分類指標(biāo),基于DEM柵格數(shù)據(jù),利用ArcGIS平臺實現(xiàn)地形因子提取、重分類和分區(qū)統(tǒng)計,分別獲取海拔高度、地形起伏度、坡度和坡向等地形因子數(shù)據(jù)(見圖1)。1)將海拔高度劃分為6類:低海拔(0~200 m、200~400 m、400~600 m、600~800 m、800~1 000 m)、中海拔(1 000~3 000 m);2)將地形起伏度劃分為5類:平原(0~30 m)、臺地(30~50 m)、丘陵(50~200 m)、小起伏山地(200~500 m)、中起伏山地(500~1 000 m);3)將坡度劃分為4類:平坡(0°~2°)、緩坡(2°~6°)、緩坡(6°~15°)、陡坡(15°~25°);4)將坡向劃分為10類:平坦(-1),北坡(0°~22.5°,337.5°~360°)、東北坡(22.5°~67.5°)、東坡(67.5°~112.5°)、東南坡(112.5°~157.5°)、南坡(157.5°~202.5°)、西南坡(202.5°~247.5°)、西坡(247.5°~292.5°)和西北坡(292.5°~337.5°)。
圖1 研究區(qū)的地形因子
3.1.1 時間特征
在研究時間內(nèi),黑龍江省SPEI的多年年均值和多年季節(jié)均值情況:從總體上看,取值范圍為-1.0~1.0。SPEI均值大小關(guān)系:冬季(0.51)>春季(0.09)>夏季(-0.11)>年值(-0.25)>秋季(-0.36),即冬季和春季較濕潤,而年、夏季和秋季較干旱。按0.5步長將SPEI進(jìn)一步細(xì)劃為4類等級,并計算在年和季節(jié)尺度下各等級的面積百分比(見表1和圖2)。由此可見,年比各季節(jié)的干旱等級個數(shù)較多(3:2),干旱影響面積也較大(13.05%:11.86%),干濕季節(jié)差異明顯;僅秋季發(fā)生輕旱,而春、夏和冬季無干旱發(fā)生;秋季為負(fù)值,呈現(xiàn)區(qū)域較干旱的狀態(tài),而冬季為正值,呈現(xiàn)區(qū)域較濕潤的狀態(tài),其它季節(jié)為正負(fù)值,呈現(xiàn)區(qū)域干濕的狀態(tài)。
表1 干旱等級的面積百分比(SPEI)
圖2 干旱等級的面積百分比(SPEI)
3.1.2 空間特征
研究時間內(nèi),基于SPEI的黑龍江省干旱等級空間分布情況(見圖3):在年尺度下,負(fù)值區(qū)位于西部和中部,而正值區(qū)位于東部。在季節(jié)尺度下,四季干濕分布差異明顯:春季,負(fù)值區(qū)位于西部,而正值區(qū)位于中部和東部;夏季,負(fù)值區(qū)位于西部和中部,而正值區(qū)位于東部。從總體上看,西部較干旱,而東部較濕潤,反映了東—西的干濕反向空間分布模式,且季節(jié)差異明顯,無旱等級面積占大范圍,僅發(fā)生輕旱。干旱等級由大到小的關(guān)系:秋季(輕旱、無旱)>年值(輕旱、無旱)>夏季(無旱)>春季(無旱)>冬季(無旱)。
圖3 干旱等級的空間分布(SPEI)
基于DEM柵格數(shù)據(jù),分析黑龍江省地形因子情況:1)海拔高度(31~1 600 m):以低海拔區(qū)(99.31%)為主,而中海拔區(qū)較少(0.69%),地勢相對平坦。各類別的面積百分比由大到小的關(guān)系:0~200 m(38.47%)>200~400 m(33.55%)>400~600 m(17.81%)>600~800 m(6.93%)>800~1 000 m(2.55%)>1 000~3 000 m(0.69%);2)地形起伏度(0~776 m):以平原和丘陵為主,各類別的面積百分比由大到小的關(guān)系:平原(40.81%)>丘陵(38.79%)>臺地(14.14%)>山地(6.26%);3)坡度(0~17.34°):以平坡為主,緩坡次之,無陡坡最少。各類別的面積百分比由大到小的關(guān)系:0°~2°平坡(81.03%)>2°~6°緩坡(17.73%)>6°~15°緩坡(1.23%)>15°~25°陡坡(0.01%);4)坡向(0°~360°):平坦最少,各個方位坡向分布相對較均衡。各類別的面積百分比由大到小的關(guān)系:東坡(14.14%)>東南坡(13.25%)>西坡(12.86%)>西北坡(12.66%)>東北坡(12.39%)>北坡(11.71%)>南坡(11.35%)>西南坡(11.29%)>平坦(0.36%)。
文中主要考慮多年平均狀況下,對比分析年尺度和季節(jié)尺度的SPEI多年均值,采用線性回歸分析方法和主成分分析方法,研究區(qū)域尺度下干旱和地形因子之間的關(guān)系。
3.3.1 干旱和地形因子的相關(guān)性分析
1)從線性擬合趨勢線和R2,分析多年均值SPEI和地形因子的相關(guān)性,同時考慮經(jīng)度和緯度因素(見表2和圖4)。①從兩者相關(guān)性來看:在年尺度下,R2值由大到小的關(guān)系為經(jīng)度>地形起伏度>坡度>坡向>海拔高度>緯度,即SPEI和經(jīng)度的相關(guān)性最強,而緯度的相關(guān)性最弱;地形起伏度的相關(guān)性高于其它地形因子,而海拔高度的相關(guān)性較低。在季節(jié)尺度下,R2值由大到小的關(guān)系:春季為經(jīng)度>緯度>坡向>海拔高度>地形起伏度>坡度,即SPEI和經(jīng)度的相關(guān)性最強,而緯度的相關(guān)性次之;坡向的相關(guān)性高于其它地形因子,而坡度的相關(guān)性較低。夏季為經(jīng)度>緯度>坡向>坡度>地形起伏度>海拔高度,即SPEI和經(jīng)度的相關(guān)性最強,而緯度的相關(guān)性則次之;坡向的相關(guān)性高于其它地形因子,而海拔高度的相關(guān)性較低。秋季為海拔高度>地形起伏度>坡度>緯度>坡向>經(jīng)度,即SPEI和經(jīng)度、緯度的相關(guān)性較弱。海拔高度的相關(guān)性高于經(jīng)緯度和其它地形因子,而坡向的相關(guān)性較低。冬季為緯度>海拔高度>經(jīng)度>地形起伏度>坡度>坡向,即SPEI和緯度的相關(guān)性最強。海拔高度的相關(guān)性高于其它地形因子,而坡向的相關(guān)性較低。②從兩者正負(fù)相關(guān)性來看:在年尺度下,SPEI和海拔高度、地形起伏度和坡度均呈正相關(guān)關(guān)系,而與坡向呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;在季節(jié)尺度下,春季、夏季的SPEI和海拔高度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,秋季和冬季兩者均呈正相關(guān)關(guān)系;四季SPEI與地形起伏度和坡度均呈正相關(guān)關(guān)系,而與坡向呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。SPEI和地形因子的關(guān)系具有明顯的季節(jié)性特征,R2值由大到小的關(guān)系:海拔高度為秋季>冬季>春季>年>夏季;地形起伏度和坡度為秋季>年>夏季>春季>冬季;坡向為夏季>年>春季>秋季>冬季。
表2 SPEI和地形因子的線性擬合關(guān)系
圖4 SPEI和地形因子的關(guān)系
2)從地形因子的分類等級研究SPEI多年均值和地形因子的關(guān)系(見圖5)。在年尺度下,與海拔高度、地形起伏度和坡度,兩者變化趨勢呈單峰型曲線,峰值分別出現(xiàn)在低海拔區(qū)(400~800 m)、丘陵區(qū)(50~200 m)和緩坡區(qū)(2~6°);與坡向,兩者關(guān)系變化趨勢呈L型曲線,平坦和其它各個坡向差別明顯,最小值出現(xiàn)在西南坡。在季節(jié)尺度下,四季變化趨勢相似,但取值存在差異,由大到小的關(guān)系:冬季>春季>夏季>年>秋季,其中,夏季和年的變化最為相似。①SPEI隨海拔高度分類等級的變化,由大到小的關(guān)系:在年尺度下,低海拔>中海拔。在季節(jié)尺度下,春季和夏季,低海拔>中海拔;秋季,低海拔(600~800 m)>低海拔(800~1 000 m)>低海拔(400~600 m)>中海拔(1 000~3 000 m)>低海拔(200~400 m)>低海拔(0~200 m);冬季,低海拔(800~1 000 m)>低海拔(400~600 m)>低海拔(200~400 m)>中海拔(1 000~3 000 m)>低海拔(600~800 m)>低海拔(0~200 m)。②SPEI隨地形起伏度分類等級的變化,由大到小的關(guān)系:在年尺度下,丘陵>小起伏山地>中起伏山地>臺地>平原。在季節(jié)尺度下,春季,小起伏山地>中起伏山地>丘陵>臺地>平原;夏季和秋季,丘陵>小起伏山地>中起伏山地>臺地>平原;冬季,臺地>丘陵>小起伏山地>平原>中起伏山地。③SPEI隨坡度分類等級的變化,由大到小的關(guān)系:在年尺度下,緩坡>陡坡>平坡。在季節(jié)尺度下,春季,緩坡>平坡>陡坡;夏季,緩坡>平坡>陡坡;秋季,緩坡(2°~6°)>陡坡(15°~25°)>緩坡(6°~15°)>平坡(0°~2°);冬季,緩坡(2°~6°)>平坡(0°~2°)>緩坡(6°~15°)>陡坡(15°~25°)。④SPEI隨坡向分類等級的變化,由大到小的關(guān)系:在年尺度下,平坦>東北坡>北坡>東坡>北坡>西北坡>東南坡>南坡>西坡>西南坡。在季節(jié)尺度下,春季和夏季,西南坡>西坡>南坡>西北坡>東南坡>北坡>東坡>東北坡>北坡>平坦;秋季,西南坡>西坡>南坡>西北坡>東南坡>北坡>北坡>東坡>東北坡>平坦;冬季,平坦>南坡>西南坡>東南坡>西坡>東坡>北坡>西北坡>東北坡>北坡。
圖5 SPEI隨地形因子等級的變化
基于以上研究,進(jìn)一步分析黑龍江省干旱和地形因子的關(guān)系。由于SPEI數(shù)值的大小表示干濕程度,其值越大表示越濕潤,越小越干旱。因此,干旱和地形因子的關(guān)系與多年均值SPEI和地形因子的相關(guān)性正好相反,若SPEI和地形因子呈正相關(guān),則干旱和地形因子則呈負(fù)相關(guān),即干旱隨地形因子的增加而減少;若SPEI和地形因子呈負(fù)相關(guān),則反之。在年尺度下,干旱和海拔高度、地形起伏度和坡度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與坡向呈正相關(guān)關(guān)系;在季節(jié)尺度下,春季和夏季干旱和海拔高度呈正相關(guān)關(guān)系,而秋季和冬季兩者均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;四季SPEI與地形起伏度和坡度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與坡向呈正相關(guān)關(guān)系。各地形因子分類等級的干旱程度由大到小的關(guān)系:秋季>年>夏季>春季>冬季,即秋季相對干旱程度最高,而冬季相對濕潤程度最高。
3.3.2 地形因子的相關(guān)性分析
為了更詳盡地研究地形因子對干旱空間分異格局的影響程度,文中采用主成分分析的方法,利用SPSS統(tǒng)計學(xué)軟件,對地形因子進(jìn)行相關(guān)性分析(見表3)。公因子方差由大到小的關(guān)系:地形起伏度(0.930)>坡度(0.873)>海拔高度(0.675)>坡向(0.153)。通過對各成分貢獻(xiàn)率的分析,確定主成分個數(shù)為1,方差百分比和累積方差百分比均為65.787%。在此基礎(chǔ)上,各地形因子所占的主成分載荷量,其值由大到小的關(guān)系:地形起伏度(0.964)>坡度(0.934)>海拔高度(0.822)>坡向(-0.392),表明地形起伏度對主成分的影響程度最高。主成分與地形起伏度、坡度、海拔高度呈正相關(guān),且相關(guān)性顯著,而其與坡向呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性不顯著(見圖6)。
表3 總方差解釋
圖6 地形因子的主成分
1)從2000—2018年多年平均狀態(tài)來看,研究表明黑龍江省干旱和地形因子具有明顯的時空尺度特征,此結(jié)果與其他學(xué)者研究的結(jié)果基本一致[10-13]。SPEI和地形因子的線性擬合R2值均較小,兩者的相關(guān)性不顯著,但在一定程度上可以解釋區(qū)域尺度下兩者存在的關(guān)系。由此可見,地形并不是導(dǎo)致黑龍江省干旱時空分布的直接因子,區(qū)域尺度下干旱的時空分布其形成的主要原因是由于受到太陽輻射、季風(fēng)環(huán)流和地理環(huán)境等因素影響。黑龍江省季風(fēng)氣候顯著,夏季受東南季風(fēng)的影響,而冬季在西北風(fēng)控制下,干旱程度由大到小的關(guān)系:秋季>年>夏季>春季>冬季,其中,秋季相對干旱程度最高,而冬季相對濕潤程度最高。因距海遠(yuǎn)近不同,黑龍江省呈現(xiàn)東—西的干濕反向空間分布模式。在年尺度下,干旱和經(jīng)度的相關(guān)性最強,遠(yuǎn)大于地形因子的影響;在季節(jié)尺度下,春季和夏季干旱和經(jīng)度的相關(guān)性最強,主要受季風(fēng)環(huán)流影響。冬季干旱和緯度的相關(guān)性最強,主要受太陽輻射影響。春季、夏季和冬季遠(yuǎn)大于地形因子的影響,而秋季干旱和經(jīng)緯度的相關(guān)性較弱,地形因子相關(guān)性較強,主要受地理環(huán)境影響,地形因子對干旱的影響最為突出。
2)由于地形因子綜合作用影響了局地氣候,從而形成復(fù)雜干旱的地形分異特征。在研究時間內(nèi),黑龍江省干旱和海拔高度、地形起伏度和坡度呈負(fù)相關(guān),而與坡向均呈正相關(guān),其中,海拔高度較為復(fù)雜,春季和夏季呈正相關(guān),而秋季和冬季呈負(fù)相關(guān)。在年尺度下,地形起伏度相關(guān)性較高,而海拔高度的相關(guān)性較低。在季節(jié)尺度下,春季,坡向相關(guān)性較高,而坡度的相關(guān)性較低;夏季,坡向相關(guān)性較高,而海拔高度的相關(guān)性較低;秋季和冬季,海拔高度的相關(guān)性較高,而坡向的相關(guān)性較低。地形因子之間的相關(guān)性由大到小依次為:地形起伏度>坡度>海拔高度>坡向,區(qū)域受地形起伏度的主要影響。由于地形起伏度受坡度影響較大,因此,各個季節(jié)干旱與地形起伏度的關(guān)系與坡度非常相似。
3)通過對多年平均狀態(tài)下黑龍江省干旱和地形因子的關(guān)系分析,進(jìn)一步探究區(qū)域尺度下干旱的地形分異特征。①干旱隨海拔高度的分異特征:海拔高度主要通過降水、地表徑流、環(huán)境溫度等影響地表覆蓋類型的垂直分布,對干旱產(chǎn)生影響。在年尺度下,干旱和海拔高度呈負(fù)相關(guān),即干旱隨海拔高度的升高而減少。在季節(jié)尺度下,春季和夏季呈正相關(guān),而秋季和冬季呈負(fù)相關(guān),即春季和夏季干旱隨海拔高度的升高而增加,發(fā)生干旱的可能性越大,而秋季和冬季則是與之相反的趨勢。從海拔高度的分類等級,在年尺度下,低海拔區(qū)(400~800 m)發(fā)生干旱可能性最低,其它低海拔區(qū)和中海拔區(qū)則相對較高。②干旱隨地形起伏度的分異特征:地形起伏度主要影響下墊面蓄水能力,對降水無直接影響。在年和季節(jié)尺度下,干旱和地形起伏度均呈負(fù)相關(guān),即干旱隨地形起伏度的升高而減少。從地形起伏度的分類等級:在年尺度下,丘陵區(qū)(50~200 m)發(fā)生干旱可能性最低,其它地貌類型(平原、臺地和山地)則相對較高。③干旱隨坡度的分異特征:坡度能夠通過直接影響地表物質(zhì)流和能量的再分配,進(jìn)而對干旱產(chǎn)生影響。在年和季節(jié)尺度下,干旱與坡度均呈負(fù)相關(guān),即干旱隨著坡度的增大而減少。從坡度的分類等級:在年尺度下,在緩坡區(qū)(2°~6°)發(fā)生干旱可能性最低,其它坡度類別(平坡和陡坡)則相對較高。④干旱隨坡向的分異特征:由于光照、溫度、雨量、風(fēng)速、土壤質(zhì)地等因子的綜合作用,坡向能夠?qū)χ参锂a(chǎn)生影響,與干旱的關(guān)系緊密。在年和季節(jié)尺度下,干旱與坡向均呈正相關(guān),即干旱隨著坡度的增大而增加。從坡向的分類等級:在年尺度下,平坦發(fā)生干旱可能性最低,西南坡則相對其它坡向發(fā)生干旱的可能性較大;在季節(jié)尺度下,各地形因子分類等級的四季線性變化趨勢基本相似,即季節(jié)差異不明顯。
黑龍江省地區(qū)地形地貌復(fù)雜,植被類型多樣、氣候條件獨特。干旱發(fā)生和發(fā)展機理具有復(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。因此,在后續(xù)的研究中需繼續(xù)深入探索,進(jìn)一步細(xì)化和完善地形對局地氣候的影響,從機理上為不同地形地貌單元旱情的防御及緩解提供理論依據(jù),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)險評估、風(fēng)險管理及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。