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

(黑龍江工程學院 測繪工程學院，哈爾濱 150050)

干旱是我國發生最為頻繁、影響范圍較大，并造成嚴重危害的一種氣象災害。由于干旱自身的復雜性及對社會影響的廣泛性，干旱指標的確定和分析對干旱的監測及評估有重要的意義。現有干旱指數的種類繁多，標準化降水蒸散指數(Standardize Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)在區域適用性、時間尺度及干旱表征上所具有的優勢，已成為備受研究者青睞的理想干旱指標[1-3]，其可應用于干旱指數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[17-23]，氣象干旱監測、預警和災害風險評估[24-27]。目前，國內外學者主要是關注干旱和半干旱區的干旱時空變化特征，而對于區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地區，也是氣候變化敏感區，但相關研究相對較少，且主要基于氣象臺站點觀測數據進行點尺度下SPEI計算和干旱特征分析。因此，文中以黑龍江省為研究區，采用多時間序列SPEI柵格數據，在分析其時序特征基礎上，進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，從而揭示區域尺度下干旱的時空變化規律。以期為黑龍江省準確評估與監測干旱，提供科學、合理、有效的干旱評估指標參考依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

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氣候。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[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、平原和水面構成(http://www.hlj.gov.cn)。

1.2 數據獲取與處理

1∶100萬全國基礎地理數據庫(2017年版)來源于北京大學城市與環境學院地理數據共享服務平臺(http://geodata.pku.edu.cncn)，采用研究區的行政區界線。全球柵格SPEI數據集(SPEIbase V.2.6)來源于西班牙國家研究委員會的機構知識庫，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°，時間分辨率月尺度，選取了12月的多時間序列SPEI數據(http://digital.csic.es/handle/10261/202305)。采用ArcGIS軟件的反距離權重(Inverse Distance Weight，IDW)插值方法，通過數據格式轉換、空間插值、掩模裁切、柵格計算和分區統計等一系列的數據處理操作，獲得了2000—2018年黑龍江省SPEI年均值數據，數據格式為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 干旱指標和干旱等級

1)標準化降水蒸散指數(SPEI)。通過標準化潛在蒸散與降水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[2]。SPEI數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，區域發生干旱的面積占研究區總面積的比例[13]，用來評價發生干旱的影響面積。

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

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

根據國家《氣象干旱等級》劃分標準(GB/T20481-2017)，文中基于SPEI進行干旱等級分類，以SPEI≤-0.5時，作為干旱的標志，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[14-15]。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。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。設置α=0.05，則UF和UB的臨界線值為±1.96。

3 結果與分析

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，采用整個區域的平均值進行時間特征分析(見圖1)。從線性趨勢線上，在研究期內(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年階段均為負值，而在2010—2018年階段為正負值，即表明了干旱的兩個階段：持續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，即由干旱變為濕潤的變化趨勢明顯。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(19 a)，年際變化特征差異明顯，根據SPEI對區域進行干旱等級的劃分，以無旱和輕旱為主(約占89.47%)，發生特旱、重旱和中旱相對較少(約占10.53%)。其中，2001、2002年和2008年全區大范圍為中旱和重旱，僅2008年發生小范圍的特旱，其它年份研究區大范圍均以無旱和輕旱為主；高值區主要分布于東部和東南，而低值區主要分布于西部、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，進一步分析研究區干旱發生面積的動態變化見圖3。從線性趨勢線上，研究期內(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，即由干旱變為濕潤的變化趨勢明顯。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(19 a)，年際變化特征差異明顯，根據干旱面積比對區域進行干旱等級的劃分，以無明顯干旱發生和全域性干旱為主(約占63.16%)，局域性干旱和區域性干旱次之(約占31.58%)，部分區域性干旱最少(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年全區為區域性干旱，2017年全區為部分區域性干旱，2005—2006年和2016年全區為局域性干旱，其它年份全區均為無明顯干旱發生。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為部分區域性干旱、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，進一步分析研究區發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標準：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特征，春季相對干旱，而其它季節則相對濕潤；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，根據干旱頻率對區域進行干旱等級的劃分，無極易發生干旱；夏季以極少發生干旱為主，而春季、秋季和冬季均以易發生干旱為主；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，進一步分析研究區干旱發生的嚴重程度(見圖7)。從線性趨勢線上，研究期內(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，即由干旱變為濕潤的變化趨勢明顯。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(19 a)，年際變化特征差異明顯，根據單位面積干旱強度對區域進行干旱等級的劃分，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%)，無重旱和特旱發生。其中，2010年和2013年全區為干旱強度不明顯；2001—2002年和2007—2008年全區大范圍為中旱；2000年、2003—2004年、2009年和2015年全區大范圍為輕旱，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 論

筆者從多角度分析了區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，此結果與其他學者研究的結果基本一致[6,8-9]。

1)在時間上，干旱具有年際變化和季節特征，以及干濕變化的階段性和趨勢性，總體上呈由干旱轉變為濕潤的明顯變化趨勢。在多年平均狀態下，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，局域性干旱和區域性干旱次之，部分區域性干旱最少；以易發生干旱和較少發生干旱為主，無極易發生干旱。

2)在空間分布上，干旱指數、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。總體上，干旱影響范圍、干旱頻率和干旱嚴重程度均呈遞減的總趨勢。干旱等級由全域性干旱變為部分區域性干旱、局域性干旱和無明顯干旱；由中旱變為輕旱和干旱強度不明顯。

干旱機理具有復雜性，其還受到風速、地形、植被及環流等綜合因素的影響。因此，在后續的研究中將結合森林生態系統碳循環、土地利用/覆蓋變化和植被動態變化等影響因素，進一步深入探究區域尺度下干旱的影響，從而為黑龍江省的干旱災害風險評估和管理，區域尺度森林的碳源/匯效應和生態可持續發展規劃提供科學依據。