1960—2020年松嫩平原干湿时空演变及其与涛动指数的关系

钟 鑫，刘柏鑫，丁 伟

（1沈阳城市建设学院，沈阳 110167；2吉林省气候中心，长春 130062；3辽宁省城乡建设集团有限责任公司，沈阳 110006）

0 引言

全球变暖对水文与水资源、农业种植结构和产量及生态系统等的影响已引起人们的高度关注。IPCC最新研究报告表明，与工业化之前比较，预计2020—2040年，全球平均气温将升高1.5℃[1]。在此背景下，气候会进一步偏离平均状态，而极端气候事件对轻微气候偏离的响应极为敏感，这就会导致全球范围内旱涝频发、强度增强和受灾面积不同程度的增加[2]。此外，极端干湿事件不仅会加剧区域的洪水和干旱风险，还会对陆地生态系统功能产生不利影响，最终威胁区域水资源安全，影响农业发展、韧性城市建设及发展规划[3-4]。因此，系统分析极端干湿事件的时空动态及其演变规律，有助于进一步加深对全球气候变化下极端水文气候风险的认识，从而指导国家气候变化应对、水资源规划和管理及国土空间规划等实践开展适应性调控，减少极端灾害损失，具有重要的意义。

20世纪80年代以来，在全球变化背景下，东北地区气象水文环境发生了重大变化，主要表现在气温升高且极端气象事件频发、强度增强的趋势特征。同时，降水量时空分异性更强，一方面引起区域洪水灾害频发，加剧区域汛期洪灾风险；另一方面，加剧非汛期水资源匮缺，引起河湖湿地等系统退化等诸多生态环境问题[5]。由于东北是中国重要的“黑土粮仓”战略区域，极端干湿事件的发生、发展和演变与农业生产和湿地生态安全密切相关，极端气候演变及其影响与驱动机制成为学者们关注的热点问题。已有研究主要集中在东北地区气候变化及其对区域水资源、农业和湿地等的影响[6-8]，但有关区域极端干湿事件的研究较少。其次，区域干湿演变是多种因素共同作用的结果，其中大气环流异常引起区域的水热时空分配异常是引起区域干湿演变的直接原因[9]。学者们研究表明，气候涛动与东北地区水热演变密切相关，但气候涛动与东北地区气候干湿演变之间的关系有待进一步研究。

松嫩平原位于中国东北地区中部，是中国重要的商品粮基地和重要湿地分布区，更是全球气候变化的敏感区。气候变化引起松嫩平原水热资源发生了明显改变，旱涝频发且强度增强，影响区域的农业安全和生态安全[10]。尤其是21世纪以来，干旱和洪涝给东北地区农业造成了重大的经济损失[11]，系统分析该区的极端干湿事件演变特征及其成因具有迫切的现实意义。鉴于此，本研究在厘清松嫩平原干湿变化的基础上，采用交叉小波分析探究了其演变与涛动指数的关系，并进一步分析了极端干湿事件演变与区域社会经济部门用水量之间的关系，以期为深入认识中国东北极端气候演变及其生态环境效应与科学应对提高重要支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

松嫩平原位于中国东北的大、小兴安岭与长白山脉及松辽分水岭之间，主要由松花江和嫩江冲积而成；地理位置介于121°38′—128°33′E、42°49′—49°12′N之间，毗邻内蒙古自治区，总面积为2.3万km2，包括黑龙江省西南部（齐齐哈尔市和大庆市等）以及吉林省西部地区（白城市和松原市）。松嫩平原位于中国温带大陆性半湿润、半干旱季风气候区，冬夏季风交替控制区域气候，四季分明，年平均气温呈自北向南逐渐增高，且气温等值线呈明显的维度地带性分布；区域年降水量为400～600 mm，自东向西逐渐减少；季节上，降水分为明显的汛期和非汛期，其中6—8月为汛期，降水集中且极端降雨较多，降雨量占全年降水量的60%～70%，易引发洪水；春季气温回升，易形成春旱[11]。松嫩平原地势地平，土壤肥沃，为重要的黑土分布区，湿地灌区交错分布，是中国重要的湿地集中分布区和重要的商品粮基地[12]。区内主要河流为嫩江、松花江和第二松花江干流及其支流等，同时包括了扎龙、向海、莫莫格和查干湖等国际重要湿地和国家级自然保护区。

图1 松嫩平原地理位置、河网水系、地形和气象站点分布

1.2 数据来源

基于从中国国家气象数据网(https://data.cma.cn/)收集的气象站数据，筛选出覆盖1960—2020年的松嫩平原及其周边的36个气象站，这些气象站具有较为完整的日气象数据序列。气象要素主要有：逐日降水量(mm)、平均气温(℃)、平均最低气温(℃)、平均最高气温(℃)等。鉴于部分数据存在缺失，本研究参考已有研究，采用5日滑动平均法对数据进行插补。

本研究采用1960—2020年北极涛动指数(Arctic Oscillation，AO)、大西洋北美涛动指数(Pacific-North America Oscillation，PNAO)、北 大 西 洋 涛 动 指 数(North Atlantic Oscillation，NAO)和南方涛动指数(Southern Oscillation Index，SOI)的月度数据分析大尺度气候涛动对极端干湿事件的影响。AO、PNA、NAO和SOI数据来源于美国国家海洋和大气局(https://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/)。

利用Huang等[13]重构的全球尺度逐月水资源供需和消费数据库，利用Matlab2018b提取松嫩平原1970—2010年的生活、灌溉、牲畜、电力、工业和采矿部门的用水量，累加作为松嫩平原区域的社会经济部门用水量，用于分析极端干湿事件与社会经济部门用水量的关系。

1.3 研究方法

1.3.1 地表湿润指数 本研究采用地表湿润指数评价气候干湿状况。基于收集的气象数据资料，利用降水量与潜在蒸散之比获得月湿润指数[14]，计算公式如式(1)所示。

式中：RH为逐月的湿润指数，无量纲；P为月降水量(mm)；ET0为月潜在蒸散(mm)。

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利用计算的逐月湿润指数，采用标准差和均值对逐月湿润指数进行标准化处理，然后确定极端干湿事件。其中，当RH的标准化变量DRHij小于-0.5时为发生了极端干旱事件，当DRHij大于0.5时为发生了极端湿润事件；当0.5≥DRHij≥-0.5时，则无极端干湿事件的发生。月湿润指数标准化计算公式如式(2)所示[15]。

式中：DRHij为第j年第i月标准化后的湿润指数；RHij为第j年第i月湿润指数；为i月湿润指数的多年平均值；σi为i月湿润指数的标准差。

采用世界粮农组织推荐的修正后的Penman-Monteith模型计算逐月的ET0[15-16]，公式如式(3)所示。

式中：Δ为饱和水气压曲线斜率(kPa/℃)；Rn为净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]，在逐日估算时G=0；γ为干湿表常数(kPa/℃)；T为2 m高处的日平均气温(℃)；U2为2 m高处的平均风速(m/s)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)。

采用趋势分析法分析松嫩平原年极端干旱事件频次变化趋势，并采用T检验对变化趋势进行显著性检验。利用ArcGIS10.4软件采用克里金插值法对极端干旱事件频次及其变化趋势进行空间插值。

1.3.2 交叉小波变换 交叉小波变换可以用于揭示两个时间序列在不同时间尺度上的相关性，普遍应用在气候要素之间或气象水文要素之间的相关性分析[14]。交叉小波变换分析通过结合交叉谱分析与小波变换，可以在表征时域和频域关系的同时明晰气候信号的局部化特征，在区域气候变化与大气环流之间相关性研究中具有显著的优越性[15]。本研究基于计算的月尺度干湿事件频次和和逐月涛动指数，分别统计年极端干湿事件的频次和年涛动指数的均值，然后采用交叉小波分析两者的共振周期及其位相关系。

2 结果与分析

2.1 松嫩平原干湿事件时间变化特征

图2 1960—2020年松嫩平原极端干湿事件频次变化趋势

年代变化上，年极端干旱事件频次总体呈减少趋势，其中1970s平均频次达到最大，为8.13次，2010s平均频次最小，为7.45次。而极端湿润事件年代平均频次总体呈先减少（1960s—1970s中期）—后增减（1970s中期—1980s中期）—再减少（1980s中期—2000s）—再增加(2000s—2010s)的年代变化特征；其中，2010s极端湿润事件平均频率最大（0.94次），1970s极端湿润事件平均频次最小（0.47次）。年代际变化上，年极端干旱事件频次总体呈现变异性增强的特征，尤其是在2000s以后，变异性更明显；而年极端湿润事件频次在1990s以后变异性较明显。

2.2 松嫩平原干湿事件空间分布及变化趋势特征

从年极端干旱事件频次的空间分布（图3a）可以看出，极端干旱事件频次的变化范围为0.00～9.27次，其中整个研究区极端干旱事件频发，极端干旱事件频次变化范围在8.26～9.27次之间的区域占研究区的80%；其中，极端干旱事件频次在中南部发生次数较少，甚至在部分地区未发生过极端干旱事件。从变化趋势的空间分布（图3b）可以看出，松嫩平原年极端干旱事件频次均呈减少趋势，年际倾向率为变化范围为-0.03～0.00次/10 a，但减少趋势不明显（未通过0.05水平检验）；其次，减少趋势在空间上有明显的差异性，总体呈明显的经度地带性特征。综上所述，1960—2020年松花江流域极端干旱事件较为频发，且气候变化下干旱频次仍呈现频发的特征。

与年极端干旱事件频次空间分布比较，年极端湿润事件少发，且在空间上呈明显的经度地带性分布特征，其中在中部湿润事件频次相对较高，变化范围为0.56～1.50次；在松嫩平原的西部和东南部，极端湿润事件发生频次较少，其范围主要为0.07～0.55次（图3c）。变化趋势上，极端湿润事件发生频次在空间也呈明显的差异性，其中西部地区以减少趋势为主，年际倾向率为-0.01～-0.00次/10 a；东部地区呈不明显的增加趋势，年际倾向率为0.00～0.01次/10 a（图3d）。

图3 1960—2020年松嫩平原极端干旱事件（a和b）和极端湿润事件（c和d）频率空间分布及变化趋势

2.3 松嫩平原干湿演变与涛动指数的关系

基于Matlab软件，对极端干湿事件频次和年涛动指数的小波系数求积，获得两者时间序列在不同时间尺度下的相互关系（系数越大，相关性越好），并绘制了松嫩平原年极端干旱指数和极端湿润指数频次与AO、SOI、NAO及PNA的小波相干谱。从年极端干旱事件频次与年AO均值的交叉小波（图4a）可以看出，两者共同震荡较高能量区主要分布在1～2年周期的1960s—1970s、3～5 年周期的 1980s初、4～6 年周期的1970s初以及3～6年周期的2000s末和2010s初期，且通过0.05的显著性检验；而在其他周期尺度上，震荡能量相对较低，没能通过显著性检验。这表明AO在1960s—1980s对极端干旱事件年际变化影响明显，在2000s以后对极端干旱事件年代变化影响明显。SOI对极端干旱事件频次年代尺度的变化影响最明显，主要发生在8～12年周期的1990s—2000s（图4b）；同时，在4年和6年周期上对极端干旱事件频次也有影响，但持续时间较短。NAO对极端干旱事件频次的影响主要表现在年际尺度上，即3～5年周期的1980s初期、5年左右周期的1970s初期和3～6年周期的2010s初期，均通过0.05的显著性检验（图4c）。PNA对极端干旱事件频次的影响主要发生在4～5年周期1960s和9～14年周期的2000s，即在年际和年代尺度上具有影响效应（图4d）。此外，还可以看出，极端干旱事件频次与AO、NAO、SOI和PNA主要呈正相关（变化相位一致）；然而，在年际尺度上，SOI与年极端干旱事件频次呈负相关。

图4 1960—2020年松嫩平原年极端干旱指数与AO、SOI、NAO及PNA的小波相干谱

从年极端湿润事件频次与年AO交叉小波（图5a）可以看出，两者共同震荡较高能量区主要分布在1～5年周 期的 1960s—1980s、16～20 年 周 期的 1980s—2000s，且通过0.05的显著性检验；两时间序列相位变化分析可以看出，极端湿润事件频次与年AO呈明显的负相关。SOI对极端湿润事件频次年代尺度的变化影响最明显，主要发生在2～4年周期的1960s—2000s、3年左右周期的2010s和4年周期左右的1990s中期（图5b）；同时，在年际尺度上，SOI与年极端干旱事件频次呈明显的正相关。NAO对极端湿润事件频次的影响主要表现在年际尺度上，即2～5年周期的1980s初期，均通过0.05的显著性检验（图5c）；且两者呈明显的负相关。PNA对极端干旱事件频次的影响主要发生在年代尺度上，即8～20年周期1960s—1990s。

图5 1960—2020年松嫩平原年极端湿润指数与AO、SOI、NAO及PNA的小波相干谱

2.4 极端干湿事件对社会经济部门用水量的影响

为分析极端干湿事件对社会经济部门用水量的影响，首先统计了社会经济部门的逐年用水量，然后分析了极端干湿事件与社会经济部门的关系。图6a和6b可以看出，虽然年松嫩平原极端干旱事件频次变化趋势不明显，但社会经济部门年用水量总体呈增加的趋势。这一方面是由于松嫩平原农业用地的增加，尤其是水田面积的大幅度增加，增加了区域对水资源的消耗；另一方面，极端干旱较为频发，进一步加剧生活、灌溉、牲畜、电力、工业和采矿部分对水资源的利用量。相关分析进一步表明，极端干旱事件频次与区域水资源利用量呈正相关(r=0.13，P＞0.05)。与年极端干旱事件频次比较，年松嫩平原极端湿润事件少发（6c和6d），但3次拟合曲线和相关分析均表明极端湿润事件频次与区域水资源利用量呈明显的负相关(r=0.17，P＜0.05)，即极端湿润事件多发的年份，区域水资源利用量相对较低。这表明，嫩江流域极端湿润事件可以在一定程度上补充区域的水资源，缓解区域的水资源不足等现实问题。

图6 极端干湿事件对松嫩平原社会经济部门用水量的影响

3 结论

全球变化下，区域极端干湿演变特征、变化趋势及其驱动研究至关重要，对区域农业发展和生态安全保障至关重要。基于1960—2020年松嫩平原36个气象站点的逐日观测资料，在揭示区域极端干事事件时空演变的基础上，分析了极端干湿事件演变与涛动指数的关系，结果发现：

（1）1960—2020年松嫩平原年极端干旱事件频次呈现明显的下降趋势，年极端湿润事件频次呈上升趋势，年极端干旱事件频次和年极端湿润事件频次的年际倾向率分别-0.10次/10 a和0.02次/10 a；研究时段年极端干旱事件频次的均值为7.86次，而年极端湿润事件较为少发。

（2）松嫩平原极端干湿事件呈明显的时空差异性，其中极端干旱事件频发且呈不明显的减弱趋势，极端湿润事件少发且变化趋势呈明显的东增西减的变化趋势特征。其中，松嫩平原大部分地区极端干旱事件频发，东部极端湿润事件发生频次较高。

（3）松嫩平原干湿演变与涛动指数密切相关，但在不同周期尺度上相关程度有所差异。极端干旱事件频次与AO、NAO和PNA主要呈正相关，年极端湿润事件频次与AO、NAOI和PNA主要呈负相关；极端干湿润事件与SOI在年际尺度上和年代尺度上位相关系不稳定且呈明显差异。

（4）极端干旱事件频次与区域水资源利用量呈正相关，而极端湿润事件的减少趋势可以在一定程度上缓解区域的水资源不足问题。

4 讨论

本研究利用标准化后的湿润指数研究了松嫩平原极端干湿事件演变特征及其与涛动指数的关系，结果表明极端干旱事件频次呈减少趋势，极端湿润事件频次呈增加趋势。本研究结果与贾艳青和张勃[18]得出的中国干旱半干旱地区极端干旱区面积在缩小的研究结果一致。但是，本研究还发现，年极端干湿事件频次总体呈变异性增强的特征，尤其是在2000s以后，变异性更明显。此外，在部分年份（图2a），东北地区极端干旱事件频次多发，因旱灾受损的情况明显重于南方，且作物生育期，极端干旱的频次和强度呈逐渐加重的趋势[6,10-11,19]。因此，仍需开展干旱监测预警，并开展面向“保障国家黑土粮仓”的干旱灾害风险评估研究，充分考虑未来气候变化下区域的干旱演变及其对农业的影响，预先制定科学的适应性对策。

此外，松嫩平原草原、沼泽湿地和森林对气候变化极为敏感，极端干湿演变关乎东北的生态格局和生态安全。已有研究表明，由于近十年来松嫩平原气温不断升高，引起蒸发量增大和降水量减少，导致该地区沼泽面积减小、格局变化（如破碎化加剧）和功能退化[8]。同时，干湿演变关乎松嫩平原沙丘—草甸复合生态系统土壤水分和盐碱时空变化[20]及农作物产量[21]。因此，迫切需要建立科学合理的生态补水方案体系，维护松嫩平原湿地生态系统健康，维持湿地生态系统在松嫩平原健康且可持续的发挥。此外，水资源作为国土空间管控的基本要素，与可承载农业生产、城镇建设的规模及生态修复保护的效益息息相关，是国土空间规划的编制基础和区域国土整治的重要依据。然而，全球气候变化下水资源的时空重分配，尤其是未来气候变化下极端气象水文事件发生的频次和强度，会进一步影响区域的水土资源综合配置。因此，未来气候变化下松嫩平原极端干湿事件演变及其对区域水资源的影响有待进一步研究。

本研究系统分析了松嫩平原极端干湿事件时空演变特征及其与涛动指数的关系，明晰了1960—2020年松嫩平原极端干旱事件和湿润事件发生频次的变化趋势特征及其时空差异性，并从涛动指数视角分析了其演变成因，可为松嫩平原干旱应对提供重要支撑。但是，本研究仅仅从气象干旱演变角度开展了探索，而松嫩平原下垫面生态水文格局有明显的时空差异性，尤其是人类活动（如湿地开垦、水库建设和城市发展规划等）对农业和湿地集中分布区松嫩平原干湿演变有一定的影响[22-23]。因此，在气候变化和人类活动双重影响下，松嫩平原的干旱演的驱动机理及其综合调控有待进一步研究。其次，极端干湿演变还与区域景观尺度格局优化（如城市水土配置、农田-湿地格局发展规划及生态修复保护规划等）密切相关，未来松嫩平原应加强气候变化应对，综合利用现有水利工程设施，增强农业应对极端干旱的能力，从而保障区域的粮食安全和生态安全，从水安全视角践行“筑牢农业根基，守护黑土粮仓”的国家战略。