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        2000—2018年黑龍江省干旱時(shí)空特征分析

        2022-05-05 01:53:24梅曉丹田澤宇劉丹丹
        測(cè)繪工程 2022年3期
        關(guān)鍵詞:年均值黑龍江省趨勢(shì)

        梅曉丹,李 丹,田 靜,田澤宇,王 強(qiáng),劉丹丹

        (黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院,哈爾濱 150050)

        干旱是我國(guó)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(duì)社會(huì)影響的廣泛性,干旱指標(biāo)的確定和分析對(duì)干旱的監(jiān)測(cè)及評(píng)估有重要的意義。現(xiàn)有干旱指數(shù)的種類(lèi)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(shí)間尺度及干旱表征上所具有的優(yōu)勢(shì),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(duì)比分析[4-7],干旱特征和變化趨勢(shì)及成因分析[8-15],土地利用/覆蓋變化對(duì)氣候影響[16],干旱脅迫和植被對(duì)干旱的響應(yīng)[17-23],氣象干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)警和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[24-27]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是關(guān)注干旱和半干旱區(qū)的干旱時(shí)空變化特征,而對(duì)于區(qū)域尺度下的干旱影響研究相對(duì)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(duì)較少,且主要基于氣象臺(tái)站點(diǎn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)尺度下SPEI計(jì)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(shí)間序列SPEI柵格數(shù)據(jù),在分析其時(shí)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(qiáng)度,從多角度探究2000—2018年黑龍江省干旱的時(shí)空特征,從而揭示區(qū)域尺度下干旱的時(shí)空變化規(guī)律。以期為黑龍江省準(zhǔn)確評(píng)估與監(jiān)測(cè)干旱,提供科學(xué)、合理、有效的干旱評(píng)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(xiāo),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)岫嘤辏锛疽诐吃缢?,冬季寒冷干燥[7]。地貌特征為地勢(shì)大致是西北、北部和東南部高,東北、西南部低,主要由山地、臺(tái)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(wàn)全國(guó)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)(2017年版)來(lái)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(tái)(http://geodata.pku.edu.cncn),采用研究區(qū)的行政區(qū)界線(xiàn)。全球柵格SPEI數(shù)據(jù)集(SPEIbase V.2.6)來(lái)源于西班牙國(guó)家研究委員會(huì)的機(jī)構(gòu)知識(shí)庫(kù),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(shí)間分辨率月尺度,選取了12月的多時(shí)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(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、空間插值、掩模裁切、柵格計(jì)算和分區(qū)統(tǒng)計(jì)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T(mén)IFF(*.tif),空間分辨率為1 km×1 km,投影類(lèi)型為UTM52-WGS84。

        2 研究方法

        2.1 干旱指標(biāo)和干旱等級(jí)

        1)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化潛在蒸散與降水差值的累積概率值表征一個(gè)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(rùn),越小越干旱[15]。

        2)干旱面積比。指在某一研究時(shí)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(lái)評(píng)價(jià)發(fā)生干旱的影響面積。

        3)干旱頻率。指研究時(shí)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(lái)衡量某地區(qū)發(fā)生干旱的頻率大小。

        4)單位面積干旱強(qiáng)度。指在某一研究時(shí)間,區(qū)域發(fā)生干旱的柵格單元SPEI之和的絕對(duì)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(qiáng)度,表示單位面積上干旱發(fā)生的強(qiáng)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(guó)家《氣象干旱等級(jí)》劃分標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20481-2017),文中基于SPEI進(jìn)行干旱等級(jí)分類(lèi),以SPEI≤-0.5時(shí),作為干旱的標(biāo)志,分別計(jì)算干旱面積比、干旱頻率和單位干旱強(qiáng)度,并劃分相應(yīng)的干旱等級(jí)(見(jiàn)表1)。

        表1 SPEI和干旱表征的干旱等級(jí)劃分

        2.2 M-K檢驗(yàn)方法

        曼-肯德?tīng)柗椒?Mann-Kendall,M-K)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,其優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(xiàn)能夠表示時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。若UF>0,表示時(shí)間序列呈上升趨勢(shì);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(shì)變化,即當(dāng)UF值超過(guò)臨界線(xiàn)時(shí),則表示時(shí)間序列上升或下降趨勢(shì)顯著。若UFk和UBk曲線(xiàn)相交且交點(diǎn)在臨界線(xiàn)之間,則交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是突變時(shí)間。采用M-K檢驗(yàn)方法分析黑龍江省SPEI時(shí)間特征的變化趨勢(shì),以及時(shí)間突變。設(shè)置α=0.05,則UF和UB的臨界線(xiàn)值為±1.96。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 黑龍江省SPEI的時(shí)空分析

        3.1.1 時(shí)間特征

        2000—2018年黑龍江省SPEI年均值,采用整個(gè)區(qū)域的平均值進(jìn)行時(shí)間特征分析(見(jiàn)圖1)。從線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)上,在研究期內(nèi)(19 a),取值范圍:-1.42~1.71,SPEI年均值隨著時(shí)間變化圍繞0值呈波動(dòng)上升趨勢(shì),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(gè)階段:持續(xù)干旱階段和干濕交替變化階段。從M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)上,SPEI年均值的UF曲線(xiàn)呈波動(dòng)上升趨勢(shì),UF曲線(xiàn)與UB曲線(xiàn)相交于3點(diǎn),2006、2007和2009年是發(fā)生干濕變化的時(shí)間突變點(diǎn)。UF曲線(xiàn)通過(guò)95%置信度的顯著性檢驗(yàn),表明了其上升趨勢(shì)顯著,即由干旱變?yōu)闈駶?rùn)的變化趨勢(shì)明顯。從UF曲線(xiàn)的線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)上,也表明了其明顯的上升趨勢(shì),R2=0.758 1。

        圖1 2000—2018年黑龍江省SPEI和M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)

        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(jiàn)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(duì)區(qū)域進(jìn)行干旱等級(jí)的劃分,以無(wú)旱和輕旱為主(約占89.47%),發(fā)生特旱、重旱和中旱相對(duì)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(wú)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(shì),即東部相對(duì)濕潤(rùn),而西部相對(duì)干旱,2017年空間分布最為明顯;干旱等級(jí)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(shí)空分析

        3.2.1 時(shí)間特征

        基于2000—2018年黑龍江省SPEI年均值,計(jì)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(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖3。從線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)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(shí)間的增加而呈減少的趨勢(shì),即干旱影響范圍呈遞減的總趨勢(shì),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(rùn)年。從M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)上,干旱面積比的UF曲線(xiàn)呈波動(dòng)下降趨勢(shì),UF曲線(xiàn)與UB曲線(xiàn)相交于一點(diǎn),2005年是干旱發(fā)生面積變化的時(shí)間突變點(diǎn)。UF曲線(xiàn)通過(guò)95%置信度的顯著性檢驗(yàn),表明了其下降趨勢(shì)顯著,即由干旱變?yōu)闈駶?rùn)的變化趨勢(shì)明顯。從UF曲線(xiàn)的線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)上,也表明了其明顯的下降趨勢(shì),R2=0.707 2。

        圖3 2000—2018年黑龍江省干旱面積比和M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)

        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(jiàn)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(duì)區(qū)域進(jìn)行干旱等級(jí)的劃分,以無(wú)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(wú)明顯干旱發(fā)生。隨著時(shí)間變化,總體上呈干旱面積減少的趨勢(shì),各干旱等級(jí)由全域性干旱變?yōu)椴糠謪^(qū)域性干旱、局域性干旱和無(wú)明顯干旱的趨勢(shì)。

        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(shí)空分析

        3.3.1 時(shí)間特征

        基于2000—2018年黑龍江省SPEI年均值,計(jì)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(jiàn)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(jiàn),多年平均的干旱頻率具有季節(jié)特征,春季相對(duì)干旱,而其它季節(jié)則相對(duì)濕潤(rùn);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??傮w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(jiàn)圖6:在研究期(19 a)內(nèi),根據(jù)干旱頻率對(duì)區(qū)域進(jìn)行干旱等級(jí)的劃分,無(wú)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(shì),即自東向西干旱頻率增加。干旱頻率的干旱等級(jí)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(qiáng)度的時(shí)空分析

        3.4.1 時(shí)間特征

        基于2000—2018年黑龍江省SPEI年均值,計(jì)算獲得單位面積干旱強(qiáng)度,進(jìn)一步分析研究區(qū)干旱發(fā)生的嚴(yán)重程度(見(jiàn)圖7)。從線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)上,研究期內(nèi)(19 a),取值范圍:0~1.41,單位面積干旱強(qiáng)度的年均值隨時(shí)間的增加而呈減少的趨勢(shì),即干旱嚴(yán)重程度呈遞減的總趨勢(shì),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(rùn)年。從M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)上,單位面積干旱強(qiáng)度的UF曲線(xiàn)呈波動(dòng)下降趨勢(shì),UF曲線(xiàn)與UB曲線(xiàn)相交于一點(diǎn),2005年是單位面積干旱強(qiáng)度的時(shí)間突變點(diǎn)。UF曲線(xiàn)通過(guò)95%置信度的顯著性檢驗(yàn),表明其下降趨勢(shì)顯著,即由干旱變?yōu)闈駶?rùn)的變化趨勢(shì)明顯。從UF曲線(xiàn)的線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)上,也表明其明顯的下降趨勢(shì),R2=0.679 4。

        圖7 2000—2018年黑龍江省單位面積干旱強(qiáng)度和M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)

        3.4.2 空間分布特征

        2000—2018年黑龍江省單位面積干旱強(qiáng)度年均值的空間分布見(jiàn)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(qiáng)度對(duì)區(qū)域進(jìn)行干旱等級(jí)的劃分,以干旱強(qiáng)度不明顯和輕旱為主(約占78.95%),中旱為輔(約占21.05%),無(wú)重旱和特旱發(fā)生。其中,2010年和2013年全區(qū)為干旱強(qiáng)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(qiáng)度不明顯。隨著時(shí)間變化,總體上呈單位面積干旱強(qiáng)度減少的趨勢(shì),即干旱嚴(yán)重程度遞減的總趨勢(shì)。

        圖8 2000—2018年黑龍江省單位面積干旱強(qiáng)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(shí)空特征,研究表明2000—2018年黑龍江省干旱具有明顯的時(shí)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(shí)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(shì)性,總體上呈由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶?rùn)的明顯變化趨勢(shì)。在多年平均狀態(tài)下,夏季相對(duì)濕潤(rùn),而春季、秋季和冬季則相對(duì)干旱。以無(wú)旱和輕旱為主,發(fā)生重旱和中旱相對(duì)較少,無(wú)特旱;以無(wú)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(wú)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(qiáng)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(shì)。干旱等級(jí)由全域性干旱變?yōu)椴糠謪^(qū)域性干旱、局域性干旱和無(wú)明顯干旱;由中旱變?yōu)檩p旱和干旱強(qiáng)度不明顯。

        干旱機(jī)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(dòng)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(xiǎn)評(píng)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)。

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