基于多時間尺度SPEI的黑龍江省干濕時空變化特征分析

梅曉丹，劉丹丹，田 靜，田澤宇，李 丹，王 雷

(黑龍江工程學院 測繪工程學院，哈爾濱 150050)

近年來，隨著全球氣候變暖，中國干旱災害加劇，東北地區干旱事件發生頻繁，影響到人類賴以生存的生態環境和社會經濟各方面。黑龍江省由于地處中緯度季風地區，也是氣候變化敏感區，受到突發性及致災性氣候災害的影響較大。干旱是由水分收支或供求不平衡所形成的水分短缺現象，而干旱指數是準確監測旱情的重要指標。干旱指數的種類繁多，氣象監測和遙感監測為最主要的干旱監測方法。1997年美國氣象學會(American Meteorological Society，AMS)將干旱定義和類型劃分為四類：1)氣象干旱(以降水指標劃分為主)；2)水文干旱(以地表徑流和地下水指標劃分為主)；3)農業干旱(以土壤水分和作物指標劃分為主)；4)社會經濟干旱(以供水和人類需水指標劃分為主)。2010年，VICENTE-SERRANO等[1]提出標準化降水蒸散指數(Standardize Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，其在標準化降水指數(Standardized Precipitation Index，SPI)的基礎上引入潛在蒸散量，通過標準化潛在蒸散與降水的差值的累積概率值表征一個地區干濕狀況偏離常年的程度。BEGUERA SANTIAGO等使用FAO Penman-Monteith(PM)公式計算蒸散，由于空氣動力項對冬、春季潛在蒸散的貢獻顯著增加，其能更合理地描述北方地區的干濕變化特征。由于SPEI指數在區域適用性、時間尺度及干旱表征上所具有的優勢，已成為國內外眾多研究者青睞的理想干旱指標，適用于對比分析和干旱的監測預警研究，以及全球變暖情況下的干旱評估。目前，國內學者對干旱指標SPEI的研究大致可歸納為：1)干旱指標時空適用性的驗證(半球、中國、省域、流域；年代際、年際、季節和生長季)和不同干旱指標對比分析(氣象干旱指數、綜合干旱指數)[2-6]；2)干旱時空分布特征、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、干旱范圍和干旱強度)[7-12]；3)干旱變化的成因分析(地理環境特征、大氣環流變化和全球變化)[13-17]；4)干旱的監測、評估及預測，以及在氣候情景下干旱影響分析(旱情數據、歸一化植被指數、地表溫度和土壤水分)[18-22]。

目前，SPEI研究主要是基于實測氣象站點的氣象數據來計算SPEI值，再利用空間插值方法，推算到整個研究區得到干旱的空間分布。氣象站點具有長時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律，但由于站點數量有限和空間分布不均，其結果會因插值方法的不同而存在差異，在大尺度范圍內的干旱監測研究受到了限制。因此，文中將選用多時間尺度SPEI柵格格點數據，開展區域尺度干濕時空變化特征研究，對比分析2000—2018年黑龍江省年尺度和季節尺度的干旱時空變化特征，以期為黑龍江省干旱災害管理、防旱避災以及建立旱情管理、監測和預警系統提供科學參考。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

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氣候(見圖1)。全省氣候的主要特征是春季低溫干旱，夏季溫熱多雨，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、臺地、平原和水面構成。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 研究區的地理位置

1.2 數據來源

文中選用多時間尺度SPEI數據來源于全球柵格SPEI數據集SPEIbase v.2.6(http://digital.csic.es/handle/10261/202305)，數據格式為NetCDF(*.nc)，空間坐標系為WGS-84，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為月尺度，其具有多時間尺度特征，提供1～48個月的多時間尺度SPEI。這里選取2000—2018年SPEI01、SPEI03和SPEI12數據集。黑龍江省SPEI值是計算研究區所有柵格格點的算術平均值。四季劃分采用氣象學標準[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尺度的干濕時間特征的變化趨勢以及時間突變點。M-K方法是一種非參數統計檢驗方法，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適用于時間序列分析[19]。UFi為標準正態分布，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，則表示時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，則交點所對應的時刻是突變時間。這里設α=0.05，則UF和UB的臨界線值為±1.96。

2.2 EOF方法

采用經驗正交函數分析法(Empirical Orthogonal Function，EOF)，又稱主成分分析，也稱經驗正交分解或者特征向量分解，解構干濕空間模態和時間系數，分析黑龍江省的干濕空間分布狀況及其相應時間變化特征。EOF方法在不損失原有信息的前提下，對矩陣進行經驗正交分解，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構[19]。時間系數代表所對應特征向量空間分布模態的時間變化特征，其符號決定模態的方向，正號表示與模態同方向，負號則相反。

3 結果與分析

3.1 黑龍江省干濕的時間變化特征

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

3.1.1 年際變化

在年尺度下，研究時期內多時間尺度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，頻率和幅度存在差異，反映SPEI隨時間變化的敏感性明顯不同，時間尺度越大則干濕交替變化越平緩，干濕階段的持續時間也隨之增加，具有月、季節和年際干濕交替變化的時間尺度特征。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，干旱持續期及強度呈現增強趨勢，但在2009年以后又逐漸轉為變濕態勢。UF曲線變化(見圖3)：均是一直處于圍繞0值波動且逐步上升狀態，反映不同時間尺度的干濕交替變化，總體呈現由干旱變為濕潤的變化趨勢。時間突變情況：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間突變點。SPEI12的UF曲線通過95%置信度的顯著性檢驗，表明其上升趨勢顯著，即由干旱變為濕潤的趨勢變化明顯。

圖2 2000—2018年黑龍江省多時間尺度SPEI時間序列

圖3 2000—2018年黑龍江省多時間尺度SPEI年均值的M-K檢驗曲線

3.1.2 季節變化

在季節尺度下，研究時期內多時間尺度SPEI季節均值的UF曲線變化(見圖4)：均是一直處于圍繞0值波動且逐步上升狀態，總體呈現由干旱變為濕潤的態勢，且具有明顯的季節特征。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。時間突變情況：SPEI01夏季9個，秋季1個；SPEI03春、夏和秋季3個，冬季1個；SPEI12春、夏和冬季3個，秋季1個。SPEI01夏季發生干濕交替變化最強；SPEI01和SPEI12秋季、SPEI03冬季發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，表明其上升趨勢顯著，即由干旱變為濕潤的趨勢變化明顯。

圖4 2000—2018年黑龍江省多時間尺度SPEI季節均值的M-K檢驗曲線

3.2 黑龍江省干濕的空間變化特征

在年尺度和季節尺度下，采用EOF方法分析SPEI年均值和季節均值的干濕變化空間分布特征，以及相應的時間變化情況，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的前2個特征向量進行空間模態和時間系數的分析。

3.2.1 年際變化

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

圖5 2000—2018年黑龍江省多時間尺度SPEI年均值的特征向量模態

圖6 2000—2018年黑龍江省多時間尺度SPEI年均值特征向量模態的時間系數

3.2.2 季節變化

在季節尺度下，研究時期內多時間尺度SPEI季節均值(春季、夏季、秋季和冬季)的空間模態情況(見圖7和圖8)：1)四季均值前2個特征向量的累積方差貢獻率，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1特征向量的方差貢獻率，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2特征向量的方差貢獻率，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1是黑龍江省干濕變化空間分布的主要形態，而模態2是黑龍江省典型干濕空間分布的主要形態。2)四季均值模態1情況：均為正值或負值，SPEI01冬季、SPEI03秋季、SPEI12春、夏和冬季均為正值，其它季節均為負值，但各個季節均呈現同向變化分布模式，季節差異明顯。高值區和低值區中心的分布：SPEI01高值區中心分別位于西北，東南，西北，東南地區；而低值區中心分別位于西部、中部和北部，北部和西北，西部和西北地區，西北地區。SPEI03高值區中心分別位于西北，東部，北部，西北地區；而低值區中心分別位于東部，北部和中部，西北和東南，西南地區；SPEI12高值區中心分別位于北部，東部，東部，北部地區；而低值區中心位于南部，北部，北部和中部，南部地區。3)四季均值模態2情況：四季均為正負值，各個季節均呈現反向分布模式。高值區和低值區中心的分布：SPEI01高值區中心分別位于西南，西北，西北，東和東南地區；而負值區中心分別位于西北和東部，東南，東南，西部和西北地區。SPEI03高值區中心分別位于西北，西部和西北，西北，西部和西南地區；而負值區中心分別位于西南，東部和東南，東南，東部和東南地區；SPEI12高值區中心分別位于西北，東南，西北，西北地區；而負值區中心分別位于東南，西北，東南，東南地區。其時間系數情況(見圖9)：空間模態隨時間變化均是一直圍繞0值波動狀態，模態1比模態2變化幅度大，表明模態1的時間變化特征更顯著。從線性趨勢看，春季SPEI模態1斜率均大于0，說明該模態的干濕同向變化呈現增加的趨勢；秋季SPEI模態2斜率均小于0，說明該模態干濕反向變化呈現減少的趨勢。

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

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

圖9 2000—2018年黑龍江省多時間尺度SPEI季節均值特征向量模態的時間系數

4 結論與討論

1)在時間上，黑龍江省干濕時間變化具有明顯的年際特征和季節特征。多時間尺度SPEI隨時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間累積效應和滯后效應的影響，但總體呈現由干旱變為濕潤的變化趨勢，具有干濕變化的階段性和趨勢性。SPEI01夏季發生干濕交替變化最強；SPEI03冬季和SPEI12秋季發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特征。第1模態是黑龍江省干濕變化空間分布的主要形態，即總體呈現干濕變化一致特征。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律，但區域差異不明顯；模態2是黑龍江省典型干濕空間分布的主要形態，以中部為界線呈現東—西反向、東南—西北反向的空間分布模式。與其對應的時間系數表明隨時間變化的年尺度下同向分布模式呈現減少的趨勢，而反向分布模式呈現增加的趨勢，季節尺度下春季同向模式呈現增加的趨勢，而秋季反向模式呈現減少的趨勢。其主要原因是距海遠近不同，具有明顯干濕非地帶性地域分異規律。

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

綜上所述，黑龍江省干濕變化具有明顯的時空尺度特征，此結果與其他學者關于黑龍江省干濕研究的結果基本一致[10-13]。多時間尺度SPEI考慮了降水和蒸散因素，適合于月及以上尺度的干旱評價，但干旱發生和發展機理具有復雜性，其還受到風速、地形、植被及環流等綜合因素的影響。今后的研究將從多尺度聯合的角度，借助遙感和GIS手段進行動態監測和風險評價，進行區域綜合干旱監測，將會很大程度地提高干旱監測的準確性和有效性，從而為黑龍江省干旱災害風險評估、風險管理及區域可持續發展規劃提供科學依據。