鐘 鑫，劉柏鑫，丁 偉

（1沈陽城市建設學院，沈陽 110167；2吉林省氣候中心，長春 130062；3遼寧省城鄉(xiāng)建設集團有限責任公司，沈陽 110006）

0 引言

全球變暖對水文與水資源、農(nóng)業(yè)種植結構和產(chǎn)量及生態(tài)系統(tǒng)等的影響已引起人們的高度關注。IPCC最新研究報告表明，與工業(yè)化之前比較，預計2020—2040年，全球平均氣溫將升高1.5℃[1]。在此背景下，氣候會進一步偏離平均狀態(tài)，而極端氣候事件對輕微氣候偏離的響應極為敏感，這就會導致全球范圍內旱澇頻發(fā)、強度增強和受災面積不同程度的增加[2]。此外，極端干濕事件不僅會加劇區(qū)域的洪水和干旱風險，還會對陸地生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生不利影響，最終威脅區(qū)域水資源安全，影響農(nóng)業(yè)發(fā)展、韌性城市建設及發(fā)展規(guī)劃[3-4]。因此，系統(tǒng)分析極端干濕事件的時空動態(tài)及其演變規(guī)律，有助于進一步加深對全球氣候變化下極端水文氣候風險的認識，從而指導國家氣候變化應對、水資源規(guī)劃和管理及國土空間規(guī)劃等實踐開展適應性調控，減少極端災害損失，具有重要的意義。

20世紀80年代以來，在全球變化背景下，東北地區(qū)氣象水文環(huán)境發(fā)生了重大變化，主要表現(xiàn)在氣溫升高且極端氣象事件頻發(fā)、強度增強的趨勢特征。同時，降水量時空分異性更強，一方面引起區(qū)域洪水災害頻發(fā)，加劇區(qū)域汛期洪災風險；另一方面，加劇非汛期水資源匱缺，引起河湖濕地等系統(tǒng)退化等諸多生態(tài)環(huán)境問題[5]。由于東北是中國重要的“黑土糧倉”戰(zhàn)略區(qū)域，極端干濕事件的發(fā)生、發(fā)展和演變與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和濕地生態(tài)安全密切相關，極端氣候演變及其影響與驅動機制成為學者們關注的熱點問題。已有研究主要集中在東北地區(qū)氣候變化及其對區(qū)域水資源、農(nóng)業(yè)和濕地等的影響[6-8]，但有關區(qū)域極端干濕事件的研究較少。其次，區(qū)域干濕演變是多種因素共同作用的結果，其中大氣環(huán)流異常引起區(qū)域的水熱時空分配異常是引起區(qū)域干濕演變的直接原因[9]。學者們研究表明，氣候濤動與東北地區(qū)水熱演變密切相關，但氣候濤動與東北地區(qū)氣候干濕演變之間的關系有待進一步研究。

松嫩平原位于中國東北地區(qū)中部，是中國重要的商品糧基地和重要濕地分布區(qū)，更是全球氣候變化的敏感區(qū)。氣候變化引起松嫩平原水熱資源發(fā)生了明顯改變，旱澇頻發(fā)且強度增強，影響區(qū)域的農(nóng)業(yè)安全和生態(tài)安全[10]。尤其是21世紀以來，干旱和洪澇給東北地區(qū)農(nóng)業(yè)造成了重大的經(jīng)濟損失[11]，系統(tǒng)分析該區(qū)的極端干濕事件演變特征及其成因具有迫切的現(xiàn)實意義。鑒于此，本研究在厘清松嫩平原干濕變化的基礎上，采用交叉小波分析探究了其演變與濤動指數(shù)的關系，并進一步分析了極端干濕事件演變與區(qū)域社會經(jīng)濟部門用水量之間的關系，以期為深入認識中國東北極端氣候演變及其生態(tài)環(huán)境效應與科學應對提高重要支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

松嫩平原位于中國東北的大、小興安嶺與長白山脈及松遼分水嶺之間，主要由松花江和嫩江沖積而成；地理位置介于121°38′—128°33′E、42°49′—49°12′N之間，毗鄰內蒙古自治區(qū)，總面積為2.3萬km2，包括黑龍江省西南部（齊齊哈爾市和大慶市等）以及吉林省西部地區(qū)（白城市和松原市）。松嫩平原位于中國溫帶大陸性半濕潤、半干旱季風氣候區(qū)，冬夏季風交替控制區(qū)域氣候，四季分明，年平均氣溫呈自北向南逐漸增高，且氣溫等值線呈明顯的維度地帶性分布；區(qū)域年降水量為400～600 mm，自東向西逐漸減少；季節(jié)上，降水分為明顯的汛期和非汛期，其中6—8月為汛期，降水集中且極端降雨較多，降雨量占全年降水量的60%～70%，易引發(fā)洪水；春季氣溫回升，易形成春旱[11]。松嫩平原地勢地平，土壤肥沃，為重要的黑土分布區(qū)，濕地灌區(qū)交錯分布，是中國重要的濕地集中分布區(qū)和重要的商品糧基地[12]。區(qū)內主要河流為嫩江、松花江和第二松花江干流及其支流等，同時包括了扎龍、向海、莫莫格和查干湖等國際重要濕地和國家級自然保護區(qū)。

圖1 松嫩平原地理位置、河網(wǎng)水系、地形和氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

基于從中國國家氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)收集的氣象站數(shù)據(jù)，篩選出覆蓋1960—2020年的松嫩平原及其周邊的36個氣象站，這些氣象站具有較為完整的日氣象數(shù)據(jù)序列。氣象要素主要有：逐日降水量(mm)、平均氣溫(℃)、平均最低氣溫(℃)、平均最高氣溫(℃)等。鑒于部分數(shù)據(jù)存在缺失，本研究參考已有研究，采用5日滑動平均法對數(shù)據(jù)進行插補。

本研究采用1960—2020年北極濤動指數(shù)(Arctic Oscillation，AO)、大西洋北美濤動指數(shù)(Pacific-North America Oscillation，PNAO)、北 大 西 洋 濤 動 指 數(shù)(North Atlantic Oscillation，NAO)和南方濤動指數(shù)(Southern Oscillation Index，SOI)的月度數(shù)據(jù)分析大尺度氣候濤動對極端干濕事件的影響。AO、PNA、NAO和SOI數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣局(https://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/)。

利用Huang等[13]重構的全球尺度逐月水資源供需和消費數(shù)據(jù)庫，利用Matlab2018b提取松嫩平原1970—2010年的生活、灌溉、牲畜、電力、工業(yè)和采礦部門的用水量，累加作為松嫩平原區(qū)域的社會經(jīng)濟部門用水量，用于分析極端干濕事件與社會經(jīng)濟部門用水量的關系。

1.3 研究方法

1.3.1 地表濕潤指數(shù) 本研究采用地表濕潤指數(shù)評價氣候干濕狀況?；谑占臍庀髷?shù)據(jù)資料，利用降水量與潛在蒸散之比獲得月濕潤指數(shù)[14]，計算公式如式(1)所示。

式中：RH為逐月的濕潤指數(shù)，無量綱；P為月降水量(mm)；ET0為月潛在蒸散(mm)。

游樂園兒童票到底該“限高”還是該“限齡”，放在優(yōu)化消費環(huán)境、挖掘消費潛力的大背景下，還是需要做一番深入思考。

利用計算的逐月濕潤指數(shù)，采用標準差和均值對逐月濕潤指數(shù)進行標準化處理，然后確定極端干濕事件。其中，當RH的標準化變量DRHij小于-0.5時為發(fā)生了極端干旱事件，當DRHij大于0.5時為發(fā)生了極端濕潤事件；當0.5≥DRHij≥-0.5時，則無極端干濕事件的發(fā)生。月濕潤指數(shù)標準化計算公式如式(2)所示[15]。

式中：DRHij為第j年第i月標準化后的濕潤指數(shù)；RHij為第j年第i月濕潤指數(shù)；為i月濕潤指數(shù)的多年平均值；σi為i月濕潤指數(shù)的標準差。

采用世界糧農(nóng)組織推薦的修正后的Penman-Monteith模型計算逐月的ET0[15-16]，公式如式(3)所示。

式中：Δ為飽和水氣壓曲線斜率(kPa/℃)；Rn為凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]，在逐日估算時G=0；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；T為2 m高處的日平均氣溫(℃)；U2為2 m高處的平均風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)。

采用趨勢分析法分析松嫩平原年極端干旱事件頻次變化趨勢，并采用T檢驗對變化趨勢進行顯著性檢驗。利用ArcGIS10.4軟件采用克里金插值法對極端干旱事件頻次及其變化趨勢進行空間插值。

1.3.2 交叉小波變換 交叉小波變換可以用于揭示兩個時間序列在不同時間尺度上的相關性，普遍應用在氣候要素之間或氣象水文要素之間的相關性分析[14]。交叉小波變換分析通過結合交叉譜分析與小波變換，可以在表征時域和頻域關系的同時明晰氣候信號的局部化特征，在區(qū)域氣候變化與大氣環(huán)流之間相關性研究中具有顯著的優(yōu)越性[15]。本研究基于計算的月尺度干濕事件頻次和和逐月濤動指數(shù)，分別統(tǒng)計年極端干濕事件的頻次和年濤動指數(shù)的均值，然后采用交叉小波分析兩者的共振周期及其位相關系。

2 結果與分析

2.1 松嫩平原干濕事件時間變化特征

圖2 1960—2020年松嫩平原極端干濕事件頻次變化趨勢

年代變化上，年極端干旱事件頻次總體呈減少趨勢，其中1970s平均頻次達到最大，為8.13次，2010s平均頻次最小，為7.45次。而極端濕潤事件年代平均頻次總體呈先減少（1960s—1970s中期）—后增減（1970s中期—1980s中期）—再減少（1980s中期—2000s）—再增加(2000s—2010s)的年代變化特征；其中，2010s極端濕潤事件平均頻率最大（0.94次），1970s極端濕潤事件平均頻次最小（0.47次）。年代際變化上，年極端干旱事件頻次總體呈現(xiàn)變異性增強的特征，尤其是在2000s以后，變異性更明顯；而年極端濕潤事件頻次在1990s以后變異性較明顯。

2.2 松嫩平原干濕事件空間分布及變化趨勢特征

從年極端干旱事件頻次的空間分布（圖3a）可以看出，極端干旱事件頻次的變化范圍為0.00～9.27次，其中整個研究區(qū)極端干旱事件頻發(fā)，極端干旱事件頻次變化范圍在8.26～9.27次之間的區(qū)域占研究區(qū)的80%；其中，極端干旱事件頻次在中南部發(fā)生次數(shù)較少，甚至在部分地區(qū)未發(fā)生過極端干旱事件。從變化趨勢的空間分布（圖3b）可以看出，松嫩平原年極端干旱事件頻次均呈減少趨勢，年際傾向率為變化范圍為-0.03～0.00次/10 a，但減少趨勢不明顯（未通過0.05水平檢驗）；其次，減少趨勢在空間上有明顯的差異性，總體呈明顯的經(jīng)度地帶性特征。綜上所述，1960—2020年松花江流域極端干旱事件較為頻發(fā)，且氣候變化下干旱頻次仍呈現(xiàn)頻發(fā)的特征。

與年極端干旱事件頻次空間分布比較，年極端濕潤事件少發(fā)，且在空間上呈明顯的經(jīng)度地帶性分布特征，其中在中部濕潤事件頻次相對較高，變化范圍為0.56～1.50次；在松嫩平原的西部和東南部，極端濕潤事件發(fā)生頻次較少，其范圍主要為0.07～0.55次（圖3c）。變化趨勢上，極端濕潤事件發(fā)生頻次在空間也呈明顯的差異性，其中西部地區(qū)以減少趨勢為主，年際傾向率為-0.01～-0.00次/10 a；東部地區(qū)呈不明顯的增加趨勢，年際傾向率為0.00～0.01次/10 a（圖3d）。

圖3 1960—2020年松嫩平原極端干旱事件（a和b）和極端濕潤事件（c和d）頻率空間分布及變化趨勢

2.3 松嫩平原干濕演變與濤動指數(shù)的關系

基于Matlab軟件，對極端干濕事件頻次和年濤動指數(shù)的小波系數(shù)求積，獲得兩者時間序列在不同時間尺度下的相互關系（系數(shù)越大，相關性越好），并繪制了松嫩平原年極端干旱指數(shù)和極端濕潤指數(shù)頻次與AO、SOI、NAO及PNA的小波相干譜。從年極端干旱事件頻次與年AO均值的交叉小波（圖4a）可以看出，兩者共同震蕩較高能量區(qū)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，且通過0.05的顯著性檢驗；而在其他周期尺度上，震蕩能量相對較低，沒能通過顯著性檢驗。這表明AO在1960s—1980s對極端干旱事件年際變化影響明顯，在2000s以后對極端干旱事件年代變化影響明顯。SOI對極端干旱事件頻次年代尺度的變化影響最明顯，主要發(fā)生在8～12年周期的1990s—2000s（圖4b）；同時，在4年和6年周期上對極端干旱事件頻次也有影響，但持續(xù)時間較短。NAO對極端干旱事件頻次的影響主要表現(xiàn)在年際尺度上，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，均通過0.05的顯著性檢驗（圖4c）。PNA對極端干旱事件頻次的影響主要發(fā)生在4～5年周期1960s和9～14年周期的2000s，即在年際和年代尺度上具有影響效應（圖4d）。此外，還可以看出，極端干旱事件頻次與AO、NAO、SOI和PNA主要呈正相關（變化相位一致）；然而，在年際尺度上，SOI與年極端干旱事件頻次呈負相關。

圖4 1960—2020年松嫩平原年極端干旱指數(shù)與AO、SOI、NAO及PNA的小波相干譜

從年極端濕潤事件頻次與年AO交叉小波（圖5a）可以看出，兩者共同震蕩較高能量區(qū)主要分布在1～5年周 期的 1960s—1980s、16～20 年 周 期的 1980s—2000s，且通過0.05的顯著性檢驗；兩時間序列相位變化分析可以看出，極端濕潤事件頻次與年AO呈明顯的負相關。SOI對極端濕潤事件頻次年代尺度的變化影響最明顯，主要發(fā)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（圖5b）；同時，在年際尺度上，SOI與年極端干旱事件頻次呈明顯的正相關。NAO對極端濕潤事件頻次的影響主要表現(xiàn)在年際尺度上，即2～5年周期的1980s初期，均通過0.05的顯著性檢驗（圖5c）；且兩者呈明顯的負相關。PNA對極端干旱事件頻次的影響主要發(fā)生在年代尺度上，即8～20年周期1960s—1990s。

圖5 1960—2020年松嫩平原年極端濕潤指數(shù)與AO、SOI、NAO及PNA的小波相干譜

2.4 極端干濕事件對社會經(jīng)濟部門用水量的影響

為分析極端干濕事件對社會經(jīng)濟部門用水量的影響，首先統(tǒng)計了社會經(jīng)濟部門的逐年用水量，然后分析了極端干濕事件與社會經(jīng)濟部門的關系。圖6a和6b可以看出，雖然年松嫩平原極端干旱事件頻次變化趨勢不明顯，但社會經(jīng)濟部門年用水量總體呈增加的趨勢。這一方面是由于松嫩平原農(nóng)業(yè)用地的增加，尤其是水田面積的大幅度增加，增加了區(qū)域對水資源的消耗；另一方面，極端干旱較為頻發(fā)，進一步加劇生活、灌溉、牲畜、電力、工業(yè)和采礦部分對水資源的利用量。相關分析進一步表明，極端干旱事件頻次與區(qū)域水資源利用量呈正相關(r=0.13，P＞0.05)。與年極端干旱事件頻次比較，年松嫩平原極端濕潤事件少發(fā)（6c和6d），但3次擬合曲線和相關分析均表明極端濕潤事件頻次與區(qū)域水資源利用量呈明顯的負相關(r=0.17，P＜0.05)，即極端濕潤事件多發(fā)的年份，區(qū)域水資源利用量相對較低。這表明，嫩江流域極端濕潤事件可以在一定程度上補充區(qū)域的水資源，緩解區(qū)域的水資源不足等現(xiàn)實問題。

圖6 極端干濕事件對松嫩平原社會經(jīng)濟部門用水量的影響

3 結論

全球變化下，區(qū)域極端干濕演變特征、變化趨勢及其驅動研究至關重要，對區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)安全保障至關重要。基于1960—2020年松嫩平原36個氣象站點的逐日觀測資料，在揭示區(qū)域極端干事事件時空演變的基礎上，分析了極端干濕事件演變與濤動指數(shù)的關系，結果發(fā)現(xiàn)：

（1）1960—2020年松嫩平原年極端干旱事件頻次呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，年極端濕潤事件頻次呈上升趨勢，年極端干旱事件頻次和年極端濕潤事件頻次的年際傾向率分別-0.10次/10 a和0.02次/10 a；研究時段年極端干旱事件頻次的均值為7.86次，而年極端濕潤事件較為少發(fā)。

（2）松嫩平原極端干濕事件呈明顯的時空差異性，其中極端干旱事件頻發(fā)且呈不明顯的減弱趨勢，極端濕潤事件少發(fā)且變化趨勢呈明顯的東增西減的變化趨勢特征。其中，松嫩平原大部分地區(qū)極端干旱事件頻發(fā)，東部極端濕潤事件發(fā)生頻次較高。

（3）松嫩平原干濕演變與濤動指數(shù)密切相關，但在不同周期尺度上相關程度有所差異。極端干旱事件頻次與AO、NAO和PNA主要呈正相關，年極端濕潤事件頻次與AO、NAOI和PNA主要呈負相關；極端干濕潤事件與SOI在年際尺度上和年代尺度上位相關系不穩(wěn)定且呈明顯差異。

（4）極端干旱事件頻次與區(qū)域水資源利用量呈正相關，而極端濕潤事件的減少趨勢可以在一定程度上緩解區(qū)域的水資源不足問題。

4 討論

本研究利用標準化后的濕潤指數(shù)研究了松嫩平原極端干濕事件演變特征及其與濤動指數(shù)的關系，結果表明極端干旱事件頻次呈減少趨勢，極端濕潤事件頻次呈增加趨勢。本研究結果與賈艷青和張勃[18]得出的中國干旱半干旱地區(qū)極端干旱區(qū)面積在縮小的研究結果一致。但是，本研究還發(fā)現(xiàn)，年極端干濕事件頻次總體呈變異性增強的特征，尤其是在2000s以后，變異性更明顯。此外，在部分年份（圖2a），東北地區(qū)極端干旱事件頻次多發(fā)，因旱災受損的情況明顯重于南方，且作物生育期，極端干旱的頻次和強度呈逐漸加重的趨勢[6,10-11,19]。因此，仍需開展干旱監(jiān)測預警，并開展面向“保障國家黑土糧倉”的干旱災害風險評估研究，充分考慮未來氣候變化下區(qū)域的干旱演變及其對農(nóng)業(yè)的影響，預先制定科學的適應性對策。

此外，松嫩平原草原、沼澤濕地和森林對氣候變化極為敏感，極端干濕演變關乎東北的生態(tài)格局和生態(tài)安全。已有研究表明，由于近十年來松嫩平原氣溫不斷升高，引起蒸發(fā)量增大和降水量減少，導致該地區(qū)沼澤面積減小、格局變化（如破碎化加?。┖凸δ芡嘶痆8]。同時，干濕演變關乎松嫩平原沙丘—草甸復合生態(tài)系統(tǒng)土壤水分和鹽堿時空變化[20]及農(nóng)作物產(chǎn)量[21]。因此，迫切需要建立科學合理的生態(tài)補水方案體系，維護松嫩平原濕地生態(tài)系統(tǒng)健康，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)在松嫩平原健康且可持續(xù)的發(fā)揮。此外，水資源作為國土空間管控的基本要素，與可承載農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)建設的規(guī)模及生態(tài)修復保護的效益息息相關，是國土空間規(guī)劃的編制基礎和區(qū)域國土整治的重要依據(jù)。然而，全球氣候變化下水資源的時空重分配，尤其是未來氣候變化下極端氣象水文事件發(fā)生的頻次和強度，會進一步影響區(qū)域的水土資源綜合配置。因此，未來氣候變化下松嫩平原極端干濕事件演變及其對區(qū)域水資源的影響有待進一步研究。

本研究系統(tǒng)分析了松嫩平原極端干濕事件時空演變特征及其與濤動指數(shù)的關系，明晰了1960—2020年松嫩平原極端干旱事件和濕潤事件發(fā)生頻次的變化趨勢特征及其時空差異性，并從濤動指數(shù)視角分析了其演變成因，可為松嫩平原干旱應對提供重要支撐。但是，本研究僅僅從氣象干旱演變角度開展了探索，而松嫩平原下墊面生態(tài)水文格局有明顯的時空差異性，尤其是人類活動（如濕地開墾、水庫建設和城市發(fā)展規(guī)劃等）對農(nóng)業(yè)和濕地集中分布區(qū)松嫩平原干濕演變有一定的影響[22-23]。因此，在氣候變化和人類活動雙重影響下，松嫩平原的干旱演的驅動機理及其綜合調控有待進一步研究。其次，極端干濕演變還與區(qū)域景觀尺度格局優(yōu)化（如城市水土配置、農(nóng)田-濕地格局發(fā)展規(guī)劃及生態(tài)修復保護規(guī)劃等）密切相關，未來松嫩平原應加強氣候變化應對，綜合利用現(xiàn)有水利工程設施，增強農(nóng)業(yè)應對極端干旱的能力，從而保障區(qū)域的糧食安全和生態(tài)安全，從水安全視角踐行“筑牢農(nóng)業(yè)根基，守護黑土糧倉”的國家戰(zhàn)略。