2000—2018年黑龙江省干旱时空特征分析

梅晓丹，李 丹，田 静，田泽宇，王 强，刘丹丹

(黑龙江工程学院 测绘工程学院，哈尔滨 150050)

干旱是我国发生最为频繁、影响范围较大，并造成严重危害的一种气象灾害。由于干旱自身的复杂性及对社会影响的广泛性，干旱指标的确定和分析对干旱的监测及评估有重要的意义。现有干旱指数的种类繁多，标准化降水蒸散指数(Standardize Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)在区域适用性、时间尺度及干旱表征上所具有的优势，已成为备受研究者青睐的理想干旱指标[1-3]，其可应用于干旱指数的适用性和对比分析[4-7]，干旱特征和变化趋势及成因分析[8-15]，土地利用/覆盖变化对气候影响[16]，干旱胁迫和植被对干旱的响应[17-23]，气象干旱监测、预警和灾害风险评估[24-27]。目前，国内外学者主要是关注干旱和半干旱区的干旱时空变化特征，而对于区域尺度下的干旱影响研究相对较少。黑龙江省地处中纬度季风地区，也是气候变化敏感区，但相关研究相对较少，且主要基于气象台站点观测数据进行点尺度下SPEI计算和干旱特征分析。因此，文中以黑龙江省为研究区，采用多时间序列SPEI栅格数据，在分析其时序特征基础上，进一步定性和定量的分析了干旱面积比、干旱频率和单位干旱强度，从多角度探究2000—2018年黑龙江省干旱的时空特征，从而揭示区域尺度下干旱的时空变化规律。以期为黑龙江省准确评估与监测干旱，提供科学、合理、有效的干旱评估指标参考依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

黑龙江省位于121°11′～135°05′E，43°26′～53°33′N，其属于寒温带与温带大陆性季风气候。气候的主要特征是春季低温干旱，夏季温热多雨，秋季易涝早霜，冬季寒冷干燥[7]。地貌特征为地势大致是西北、北部和东南部高，东北、西南部低，主要由山地、台地、平原和水面构成(http://www.hlj.gov.cn)。

1.2 数据获取与处理

1∶100万全国基础地理数据库(2017年版)来源于北京大学城市与环境学院地理数据共享服务平台(http://geodata.pku.edu.cncn)，采用研究区的行政区界线。全球栅格SPEI数据集(SPEIbase V.2.6)来源于西班牙国家研究委员会的机构知识库，数据格式为NetCDF(*.nc)，空间坐标系为WGS-84，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率月尺度，选取了12月的多时间序列SPEI数据(http://digital.csic.es/handle/10261/202305)。采用ArcGIS软件的反距离权重(Inverse Distance Weight，IDW)插值方法，通过数据格式转换、空间插值、掩模裁切、栅格计算和分区统计等一系列的数据处理操作，获得了2000—2018年黑龙江省SPEI年均值数据，数据格式为TIFF(*.tif)，空间分辨率为1 km×1 km，投影类型为UTM52-WGS84。

2 研究方法

2.1 干旱指标和干旱等级

1)标准化降水蒸散指数(SPEI)。通过标准化潜在蒸散与降水差值的累积概率值表征一个地区干湿状况偏离常年的程度[2]。SPEI数值的大小表示干湿程度，其值越大表示越湿润，越小越干旱[15]。

2)干旱面积比。指在某一研究时间，区域发生干旱的面积占研究区总面积的比例[13]，用来评价发生干旱的影响面积。

3)干旱频率。指研究时间段内某栅格单元发生干旱的次数(年数)占总年数的比例，用来衡量某地区发生干旱的频率大小。

4)单位面积干旱强度。指在某一研究时间，区域发生干旱的栅格单元SPEI之和的绝对值，再除以该区域发生干旱的栅格单元总数，从而获得干旱发生的区域平均强度，表示单位面积上干旱发生的强度，其能更直接反映干旱发生区域的严重程度。

根据国家《气象干旱等级》划分标准(GB/T20481-2017)，文中基于SPEI进行干旱等级分类，以SPEI≤-0.5时，作为干旱的标志，分别计算干旱面积比、干旱频率和单位干旱强度，并划分相应的干旱等级(见表1)。

表1 SPEI和干旱表征的干旱等级划分

2.2 M-K检验方法

曼-肯德尔方法(Mann-Kendall，M-K)是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于时间序列分析[14-15]。UFi为标准正态分布，UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)。UF曲线能够表示时间序列的变化趋势。若UF>0，表示时间序列呈上升趋势；若UF<0则反之。给定显著性水平α，若|UFi|>Uα，则表明序列存在明显的趋势变化，即当UF值超过临界线时，则表示时间序列上升或下降趋势显著。若UFk和UBk曲线相交且交点在临界线之间，则交点所对应的时刻是突变时间。采用M-K检验方法分析黑龙江省SPEI时间特征的变化趋势，以及时间突变。设置α=0.05，则UF和UB的临界线值为±1.96。

3 结果与分析

3.1 黑龙江省SPEI的时空分析

3.1.1 时间特征

2000—2018年黑龙江省SPEI年均值，采用整个区域的平均值进行时间特征分析(见图1)。从线性趋势线上，在研究期内(19 a)，取值范围：-1.42～1.71，SPEI年均值随着时间变化围绕0值呈波动上升趋势，R2=0.295 6；最大值在2013年，最小值在2008年；在2000—2009年阶段均为负值，而在2010—2018年阶段为正负值，即表明了干旱的两个阶段：持续干旱阶段和干湿交替变化阶段。从M-K检验曲线上，SPEI年均值的UF曲线呈波动上升趋势，UF曲线与UB曲线相交于3点，2006、2007和2009年是发生干湿变化的时间突变点。UF曲线通过95%置信度的显著性检验，表明了其上升趋势显著，即由干旱变为湿润的变化趋势明显。从UF曲线的线性趋势线上，也表明了其明显的上升趋势，R2=0.758 1。

图1 2000—2018年黑龙江省SPEI和M-K检验曲线

3.1.2 空间分布特征

2000—2018年黑龙江省SPEI年均值的空间分布见图2：在研究期内(19 a)，年际变化特征差异明显，根据SPEI对区域进行干旱等级的划分，以无旱和轻旱为主(约占89.47%)，发生特旱、重旱和中旱相对较少(约占10.53%)。其中，2001、2002年和2008年全区大范围为中旱和重旱，仅2008年发生小范围的特旱，其它年份研究区大范围均以无旱和轻旱为主；高值区主要分布于东部和东南，而低值区主要分布于西部、西北和北部，总体上呈自东向西减少的趋势，即东部相对湿润，而西部相对干旱，2017年空间分布最为明显；干旱等级空间分布，总体上全区以干湿同向变化为主，而东-西干湿反向变化为辅。

图2 2000—2018年黑龙江省SPEI的空间分布

3.2 黑龙江省干旱面积比的时空分析

3.2.1 时间特征

基于2000—2018年黑龙江省SPEI年均值，计算获得干旱面积比，进一步分析研究区干旱发生面积的动态变化见图3。从线性趋势线上，研究期内(19 a)，取值范围：0～94.9%，干旱面积比的年均值随时间的增加而呈减少的趋势，即干旱影响范围呈递减的总趋势，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年是明显的干旱年，而2010年和2013年是明显的湿润年。从M-K检验曲线上，干旱面积比的UF曲线呈波动下降趋势，UF曲线与UB曲线相交于一点，2005年是干旱发生面积变化的时间突变点。UF曲线通过95%置信度的显著性检验，表明了其下降趋势显著，即由干旱变为湿润的变化趋势明显。从UF曲线的线性趋势线上，也表明了其明显的下降趋势，R2=0.707 2。

图3 2000—2018年黑龙江省干旱面积比和M-K检验曲线

3.2.2 空间分布特征

2000—2018年黑龙江省干旱面积比年均值的空间分布见图4：在研究期内(19 a)，年际变化特征差异明显，根据干旱面积比对区域进行干旱等级的划分，以无明显干旱发生和全域性干旱为主(约占63.16%)，局域性干旱和区域性干旱次之(约占31.58%)，部分区域性干旱最少(约占5.26%)。其中，2000—2003年和2007—2008年为全域性干旱，2004年、2009年和2015年全区为区域性干旱，2017年全区为部分区域性干旱，2005—2006年和2016年全区为局域性干旱，其它年份全区均为无明显干旱发生。随着时间变化，总体上呈干旱面积减少的趋势，各干旱等级由全域性干旱变为部分区域性干旱、局域性干旱和无明显干旱的趋势。

图4 2000—2018年黑龙江省干旱面积比的空间分布

3.3 黑龙江省干旱频率的时空分析

3.3.1 时间特征

基于2000—2018年黑龙江省SPEI年均值，计算获得多年平均的干旱频率，进一步分析研究区发生干旱的频率大小见图5。多年平均的干旱频率，取值范围：5.26%～73.68%。四季划分采用气象学标准：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月。在多年平均状态下，多年平均的干旱频率最大值(MAX)和最小值(MIN)，最小值在冬季(5.26%)，最大值在春季(73.68%)；多年平均的干旱频率变化范围(RANGE)，由大到小的关系：冬季(63.16%)>年(57.89%)>秋季(52.63%)>春季=夏季(47.37%)；多年平均的干旱频率平均值(MEAN)，由大到小的关系：春季(47.53%)>秋季(41.99%)>冬季(41.12%)>夏季(39.40%)>年(37.51%)。由此可见，多年平均的干旱频率具有季节特征，春季相对干旱，而其它季节则相对湿润；干旱频率变化幅度冬季最大，而春季和夏季近似相等为最小，秋季和年次之。总体上，多年平均状态下，年和四季的干旱特征相似。

图5 2000—2018年多年平均的黑龙江省干旱频率

3.3.2 空间分布特征

2000—2018年黑龙江省干旱频率多年均值的空间分布见图6：在研究期(19 a)内，根据干旱频率对区域进行干旱等级的划分，无极易发生干旱；夏季以极少发生干旱为主，而春季、秋季和冬季均以易发生干旱为主；高值主要分布于西部、西北和北部，而低值分布于东部和东南，总体上呈自东向西增加的趋势，即自东向西干旱频率增加。干旱频率的干旱等级空间分布，总体上呈东-西干湿反向变化特征明显。

图6 2000—2018年黑龙江省干旱频率的空间分布

3.4 黑龙江省单位面积干旱强度的时空分析

3.4.1 时间特征

基于2000—2018年黑龙江省SPEI年均值，计算获得单位面积干旱强度，进一步分析研究区干旱发生的严重程度(见图7)。从线性趋势线上，研究期内(19 a)，取值范围：0～1.41，单位面积干旱强度的年均值随时间的增加而呈减少的趋势，即干旱严重程度呈递减的总趋势，R2=0.158 8；最大值在2008年，最小值在2010年和2013年，即表明了2008年是明显的干旱年，而2010年和2013年是明显的湿润年。从M-K检验曲线上，单位面积干旱强度的UF曲线呈波动下降趋势，UF曲线与UB曲线相交于一点，2005年是单位面积干旱强度的时间突变点。UF曲线通过95%置信度的显著性检验，表明其下降趋势显著，即由干旱变为湿润的变化趋势明显。从UF曲线的线性趋势线上，也表明其明显的下降趋势，R2=0.679 4。

图7 2000—2018年黑龙江省单位面积干旱强度和M-K检验曲线

3.4.2 空间分布特征

2000—2018年黑龙江省单位面积干旱强度年均值的空间分布见图8：在研究期内(19 a)，年际变化特征差异明显，根据单位面积干旱强度对区域进行干旱等级的划分，以干旱强度不明显和轻旱为主(约占78.95%)，中旱为辅(约占21.05%)，无重旱和特旱发生。其中，2010年和2013年全区为干旱强度不明显；2001—2002年和2007—2008年全区大范围为中旱；2000年、2003—2004年、2009年和2015年全区大范围为轻旱，其它年份均为干旱强度不明显。随着时间变化，总体上呈单位面积干旱强度减少的趋势，即干旱严重程度递减的总趋势。

图8 2000—2018年黑龙江省单位面积干旱强度的空间分布

4 结 论

笔者从多角度分析了区域尺度的干旱时空特征，研究表明2000—2018年黑龙江省干旱具有明显的时空特征，此结果与其他学者研究的结果基本一致[6,8-9]。

1)在时间上，干旱具有年际变化和季节特征，以及干湿变化的阶段性和趋势性，总体上呈由干旱转变为湿润的明显变化趋势。在多年平均状态下，夏季相对湿润，而春季、秋季和冬季则相对干旱。以无旱和轻旱为主，发生重旱和中旱相对较少，无特旱；以无明显干旱和全域性干旱为主，局域性干旱和区域性干旱次之，部分区域性干旱最少；以易发生干旱和较少发生干旱为主，无极易发生干旱。

2)在空间分布上，干旱指数、干旱面积比和单位干旱强度的年均值都是以干湿同向变化为主，而以东-西干湿反向变化为辅；多年平均的干旱频率呈东-西干湿反向空间分布。总体上，干旱影响范围、干旱频率和干旱严重程度均呈递减的总趋势。干旱等级由全域性干旱变为部分区域性干旱、局域性干旱和无明显干旱；由中旱变为轻旱和干旱强度不明显。

干旱机理具有复杂性，其还受到风速、地形、植被及环流等综合因素的影响。因此，在后续的研究中将结合森林生态系统碳循环、土地利用/覆盖变化和植被动态变化等影响因素，进一步深入探究区域尺度下干旱的影响，从而为黑龙江省的干旱灾害风险评估和管理，区域尺度森林的碳源/汇效应和生态可持续发展规划提供科学依据。