2000—2018年黑龍江省干旱時空特征分析

梅曉丹，李 丹，田 靜，田澤宇，王 強，劉丹丹

(黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

干旱是我國發(fā)生最為頻繁、影響范圍較大，并造成嚴(yán)重危害的一種氣象災(zāi)害。由于干旱自身的復(fù)雜性及對社會影響的廣泛性，干旱指標(biāo)的確定和分析對干旱的監(jiān)測及評估有重要的意義?，F(xiàn)有干旱指數(shù)的種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardize Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)在區(qū)域適用性、時間尺度及干旱表征上所具有的優(yōu)勢，已成為備受研究者青睞的理想干旱指標(biāo)[1-3]，其可應(yīng)用于干旱指數(shù)的適用性和對比分析[4-7]，干旱特征和變化趨勢及成因分析[8-15]，土地利用/覆蓋變化對氣候影響[16]，干旱脅迫和植被對干旱的響應(yīng)[17-23]，氣象干旱監(jiān)測、預(yù)警和災(zāi)害風(fēng)險評估[24-27]。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要是關(guān)注干旱和半干旱區(qū)的干旱時空變化特征，而對于區(qū)域尺度下的干旱影響研究相對較少。黑龍江省地處中緯度季風(fēng)地區(qū)，也是氣候變化敏感區(qū)，但相關(guān)研究相對較少，且主要基于氣象臺站點觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行點尺度下SPEI計算和干旱特征分析。因此，文中以黑龍江省為研究區(qū)，采用多時間序列SPEI柵格數(shù)據(jù)，在分析其時序特征基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定性和定量的分析了干旱面積比、干旱頻率和單位干旱強度，從多角度探究2000—2018年黑龍江省干旱的時空特征，從而揭示區(qū)域尺度下干旱的時空變化規(guī)律。以期為黑龍江省準(zhǔn)確評估與監(jiān)測干旱，提供科學(xué)、合理、有效的干旱評估指標(biāo)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于121°11′～135°05′E，43°26′～53°33′N，其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[7]。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(http://www.hlj.gov.cn)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

1∶100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(2017年版)來源于北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://geodata.pku.edu.cncn)，采用研究區(qū)的行政區(qū)界線。全球柵格SPEI數(shù)據(jù)集(SPEIbase V.2.6)來源于西班牙國家研究委員會的機構(gòu)知識庫，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°，時間分辨率月尺度，選取了12月的多時間序列SPEI數(shù)據(jù)(http://digital.csic.es/handle/10261/202305)。采用ArcGIS軟件的反距離權(quán)重(Inverse Distance Weight，IDW)插值方法，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、空間插值、掩模裁切、柵格計算和分區(qū)統(tǒng)計等一系列的數(shù)據(jù)處理操作，獲得了2000—2018年黑龍江省SPEI年均值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為TIFF(*.tif)，空間分辨率為1 km×1 km，投影類型為UTM52-WGS84。

2 研究方法

2.1 干旱指標(biāo)和干旱等級

1)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)。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[2]。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[15]。

2)干旱面積比。指在某一研究時間，區(qū)域發(fā)生干旱的面積占研究區(qū)總面積的比例[13]，用來評價發(fā)生干旱的影響面積。

3)干旱頻率。指研究時間段內(nèi)某柵格單元發(fā)生干旱的次數(shù)(年數(shù))占總年數(shù)的比例，用來衡量某地區(qū)發(fā)生干旱的頻率大小。

4)單位面積干旱強度。指在某一研究時間，區(qū)域發(fā)生干旱的柵格單元SPEI之和的絕對值，再除以該區(qū)域發(fā)生干旱的柵格單元總數(shù)，從而獲得干旱發(fā)生的區(qū)域平均強度，表示單位面積上干旱發(fā)生的強度，其能更直接反映干旱發(fā)生區(qū)域的嚴(yán)重程度。

根據(jù)國家《氣象干旱等級》劃分標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20481-2017)，文中基于SPEI進(jìn)行干旱等級分類，以SPEI≤-0.5時，作為干旱的標(biāo)志，分別計算干旱面積比、干旱頻率和單位干旱強度，并劃分相應(yīng)的干旱等級(見表1)。

表1 SPEI和干旱表征的干旱等級劃分

2.2 M-K檢驗方法

曼-肯德爾方法(Mann-Kendall，M-K)是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點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，適用于時間序列分析[14-15]。UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)。UF曲線能夠表示時間序列的變化趨勢。若UF>0，表示時間序列呈上升趨勢；若UF<0則反之。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，則表示時間序列上升或下降趨勢顯著。若UFk和UBk曲線相交且交點在臨界線之間，則交點所對應(yīng)的時刻是突變時間。采用M-K檢驗方法分析黑龍江省SPEI時間特征的變化趨勢，以及時間突變。設(shè)置α=0.05，則UF和UB的臨界線值為±1.96。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江省SPEI的時空分析

3.1.1 時間特征

2000—2018年黑龍江省SPEI年均值，采用整個區(qū)域的平均值進(jìn)行時間特征分析(見圖1)。從線性趨勢線上，在研究期內(nèi)(19 a)，取值范圍：-1.42～1.71，SPEI年均值隨著時間變化圍繞0值呈波動上升趨勢，R2=0.295 6；最大值在2013年，最小值在2008年；在2000—2009年階段均為負(fù)值，而在2010—2018年階段為正負(fù)值，即表明了干旱的兩個階段：持續(xù)干旱階段和干濕交替變化階段。從M-K檢驗曲線上，SPEI年均值的UF曲線呈波動上升趨勢，UF曲線與UB曲線相交于3點，2006、2007和2009年是發(fā)生干濕變化的時間突變點。UF曲線通過95%置信度的顯著性檢驗，表明了其上升趨勢顯著，即由干旱變?yōu)闈駶櫟淖兓厔菝黠@。從UF曲線的線性趨勢線上，也表明了其明顯的上升趨勢，R2=0.758 1。

圖1 2000—2018年黑龍江省SPEI和M-K檢驗曲線

3.1.2 空間分布特征

2000—2018年黑龍江省SPEI年均值的空間分布見圖2：在研究期內(nèi)(19 a)，年際變化特征差異明顯，根據(jù)SPEI對區(qū)域進(jìn)行干旱等級的劃分，以無旱和輕旱為主(約占89.47%)，發(fā)生特旱、重旱和中旱相對較少(約占10.53%)。其中，2001、2002年和2008年全區(qū)大范圍為中旱和重旱，僅2008年發(fā)生小范圍的特旱，其它年份研究區(qū)大范圍均以無旱和輕旱為主；高值區(qū)主要分布于東部和東南，而低值區(qū)主要分布于西部、西北和北部，總體上呈自東向西減少的趨勢，即東部相對濕潤，而西部相對干旱，2017年空間分布最為明顯；干旱等級空間分布，總體上全區(qū)以干濕同向變化為主，而東-西干濕反向變化為輔。

圖2 2000—2018年黑龍江省SPEI的空間分布

3.2 黑龍江省干旱面積比的時空分析

3.2.1 時間特征

基于2000—2018年黑龍江省SPEI年均值，計算獲得干旱面積比，進(jìn)一步分析研究區(qū)干旱發(fā)生面積的動態(tài)變化見圖3。從線性趨勢線上，研究期內(nèi)(19 a)，取值范圍：0～94.9%，干旱面積比的年均值隨時間的增加而呈減少的趨勢，即干旱影響范圍呈遞減的總趨勢，R2=0.419 8；最大值在2002年和2008年，最小值在2010年和2013年，即表明了2002年和2008年是明顯的干旱年，而2010年和2013年是明顯的濕潤年。從M-K檢驗曲線上，干旱面積比的UF曲線呈波動下降趨勢，UF曲線與UB曲線相交于一點，2005年是干旱發(fā)生面積變化的時間突變點。UF曲線通過95%置信度的顯著性檢驗，表明了其下降趨勢顯著，即由干旱變?yōu)闈駶櫟淖兓厔菝黠@。從UF曲線的線性趨勢線上，也表明了其明顯的下降趨勢，R2=0.707 2。

圖3 2000—2018年黑龍江省干旱面積比和M-K檢驗曲線

3.2.2 空間分布特征

2000—2018年黑龍江省干旱面積比年均值的空間分布見圖4：在研究期內(nèi)(19 a)，年際變化特征差異明顯，根據(jù)干旱面積比對區(qū)域進(jìn)行干旱等級的劃分，以無明顯干旱發(fā)生和全域性干旱為主(約占63.16%)，局域性干旱和區(qū)域性干旱次之(約占31.58%)，部分區(qū)域性干旱最少(約占5.26%)。其中，2000—2003年和2007—2008年為全域性干旱，2004年、2009年和2015年全區(qū)為區(qū)域性干旱，2017年全區(qū)為部分區(qū)域性干旱，2005—2006年和2016年全區(qū)為局域性干旱，其它年份全區(qū)均為無明顯干旱發(fā)生。隨著時間變化，總體上呈干旱面積減少的趨勢，各干旱等級由全域性干旱變?yōu)椴糠謪^(qū)域性干旱、局域性干旱和無明顯干旱的趨勢。

圖4 2000—2018年黑龍江省干旱面積比的空間分布

3.3 黑龍江省干旱頻率的時空分析

3.3.1 時間特征

基于2000—2018年黑龍江省SPEI年均值，計算獲得多年平均的干旱頻率，進(jìn)一步分析研究區(qū)發(fā)生干旱的頻率大小見圖5。多年平均的干旱頻率，取值范圍：5.26%～73.68%。四季劃分采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)：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。在多年平均狀態(tài)下，多年平均的干旱頻率最大值(MAX)和最小值(MIN)，最小值在冬季(5.26%)，最大值在春季(73.68%)；多年平均的干旱頻率變化范圍(RANGE)，由大到小的關(guān)系：冬季(63.16%)>年(57.89%)>秋季(52.63%)>春季=夏季(47.37%)；多年平均的干旱頻率平均值(MEAN)，由大到小的關(guān)系：春季(47.53%)>秋季(41.99%)>冬季(41.12%)>夏季(39.40%)>年(37.51%)。由此可見，多年平均的干旱頻率具有季節(jié)特征，春季相對干旱，而其它季節(jié)則相對濕潤；干旱頻率變化幅度冬季最大，而春季和夏季近似相等為最小，秋季和年次之。總體上，多年平均狀態(tài)下，年和四季的干旱特征相似。

圖5 2000—2018年多年平均的黑龍江省干旱頻率

3.3.2 空間分布特征

2000—2018年黑龍江省干旱頻率多年均值的空間分布見圖6：在研究期(19 a)內(nèi)，根據(jù)干旱頻率對區(qū)域進(jìn)行干旱等級的劃分，無極易發(fā)生干旱；夏季以極少發(fā)生干旱為主，而春季、秋季和冬季均以易發(fā)生干旱為主；高值主要分布于西部、西北和北部，而低值分布于東部和東南，總體上呈自東向西增加的趨勢，即自東向西干旱頻率增加。干旱頻率的干旱等級空間分布，總體上呈東-西干濕反向變化特征明顯。

圖6 2000—2018年黑龍江省干旱頻率的空間分布

3.4 黑龍江省單位面積干旱強度的時空分析

3.4.1 時間特征

基于2000—2018年黑龍江省SPEI年均值，計算獲得單位面積干旱強度，進(jìn)一步分析研究區(qū)干旱發(fā)生的嚴(yán)重程度(見圖7)。從線性趨勢線上，研究期內(nèi)(19 a)，取值范圍：0～1.41，單位面積干旱強度的年均值隨時間的增加而呈減少的趨勢，即干旱嚴(yán)重程度呈遞減的總趨勢，R2=0.158 8；最大值在2008年，最小值在2010年和2013年，即表明了2008年是明顯的干旱年，而2010年和2013年是明顯的濕潤年。從M-K檢驗曲線上，單位面積干旱強度的UF曲線呈波動下降趨勢，UF曲線與UB曲線相交于一點，2005年是單位面積干旱強度的時間突變點。UF曲線通過95%置信度的顯著性檢驗，表明其下降趨勢顯著，即由干旱變?yōu)闈駶櫟淖兓厔菝黠@。從UF曲線的線性趨勢線上，也表明其明顯的下降趨勢，R2=0.679 4。

圖7 2000—2018年黑龍江省單位面積干旱強度和M-K檢驗曲線

3.4.2 空間分布特征

2000—2018年黑龍江省單位面積干旱強度年均值的空間分布見圖8：在研究期內(nèi)(19 a)，年際變化特征差異明顯，根據(jù)單位面積干旱強度對區(qū)域進(jìn)行干旱等級的劃分，以干旱強度不明顯和輕旱為主(約占78.95%)，中旱為輔(約占21.05%)，無重旱和特旱發(fā)生。其中，2010年和2013年全區(qū)為干旱強度不明顯；2001—2002年和2007—2008年全區(qū)大范圍為中旱；2000年、2003—2004年、2009年和2015年全區(qū)大范圍為輕旱，其它年份均為干旱強度不明顯。隨著時間變化，總體上呈單位面積干旱強度減少的趨勢，即干旱嚴(yán)重程度遞減的總趨勢。

圖8 2000—2018年黑龍江省單位面積干旱強度的空間分布

4 結(jié) 論

筆者從多角度分析了區(qū)域尺度的干旱時空特征，研究表明2000—2018年黑龍江省干旱具有明顯的時空特征，此結(jié)果與其他學(xué)者研究的結(jié)果基本一致[6,8-9]。

1)在時間上，干旱具有年際變化和季節(jié)特征，以及干濕變化的階段性和趨勢性，總體上呈由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶櫟拿黠@變化趨勢。在多年平均狀態(tài)下，夏季相對濕潤，而春季、秋季和冬季則相對干旱。以無旱和輕旱為主，發(fā)生重旱和中旱相對較少，無特旱；以無明顯干旱和全域性干旱為主，局域性干旱和區(qū)域性干旱次之，部分區(qū)域性干旱最少；以易發(fā)生干旱和較少發(fā)生干旱為主，無極易發(fā)生干旱。

2)在空間分布上，干旱指數(shù)、干旱面積比和單位干旱強度的年均值都是以干濕同向變化為主，而以東-西干濕反向變化為輔；多年平均的干旱頻率呈東-西干濕反向空間分布?？傮w上，干旱影響范圍、干旱頻率和干旱嚴(yán)重程度均呈遞減的總趨勢。干旱等級由全域性干旱變?yōu)椴糠謪^(qū)域性干旱、局域性干旱和無明顯干旱；由中旱變?yōu)檩p旱和干旱強度不明顯。

干旱機理具有復(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)的研究中將結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、土地利用/覆蓋變化和植被動態(tài)變化等影響因素，進(jìn)一步深入探究區(qū)域尺度下干旱的影響，從而為黑龍江省的干旱災(zāi)害風(fēng)險評估和管理，區(qū)域尺度森林的碳源/匯效應(yīng)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。