1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)氣象干旱時(shí)空特征及致災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估

王曉利,張春艷,3,侯西勇,*

1 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所,煙臺(tái) 264003 2 中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,煙臺(tái) 264003 3 江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院,贛州 341000

近年來,在全球氣候變暖的大背景下,干旱災(zāi)害已發(fā)展成為對(duì)人類社會(huì)影響最廣泛、最嚴(yán)重的主要?dú)夂驗(yàn)?zāi)害之一,對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的影響越來越強(qiáng)烈,由此帶來的損失也不斷增加[1- 3]。例如,自2010年以來,非洲地區(qū)先后發(fā)生了多次重度干旱事件,引發(fā)上千萬人遭遇饑荒乃至霍亂,更導(dǎo)致索馬里地區(qū)近3萬名兒童喪失生命[4- 5];2012年,美國(guó)約三分之二的國(guó)土面積遭受了中度以上的干旱災(zāi)害,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)增速造成重創(chuàng)[6];歐洲、大洋洲等地區(qū)也遭遇了嚴(yán)重的干旱災(zāi)害,給當(dāng)?shù)厮Y源管理以及農(nóng)業(yè)發(fā)展等帶來重大損失[7- 8]。我國(guó)干旱災(zāi)害發(fā)生頻次約占總自然災(zāi)害的1/3,平均每年干旱受災(zāi)面積約占總受災(zāi)面積的57%,干旱災(zāi)害損失占總自然災(zāi)害損失的15%以上[9]。因其多發(fā)性、普遍性和高致災(zāi)性等特征,干旱災(zāi)害已對(duì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅,因此,干旱過程的確定、干旱演變特征以及干旱災(zāi)害的評(píng)估等問題越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和重視[10- 14]。

干旱主要分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[15],其中,氣象干旱是其他各類干旱發(fā)生的主要原因,其評(píng)估結(jié)果可作為進(jìn)一步探究其他干旱災(zāi)害特征的依據(jù)[16-17]。氣象干旱指數(shù)是指基于氣象要素并根據(jù)一定的計(jì)算方法所獲得的指標(biāo),主要用于監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)某區(qū)域特定時(shí)段內(nèi)因天氣氣候異常引起的水分虧欠程度[18-19]。目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的氣象干旱指數(shù)主要有SPI[20]、PDSI[21]、SPEI[22]和Z指數(shù)[23]等。上述氣象干旱指數(shù)基于降水或兼顧蒸散,適合多時(shí)間尺度和多空間尺度上的氣象干旱演變規(guī)律分析,然而,它們基本僅限于對(duì)干旱現(xiàn)象的簡(jiǎn)單描述,時(shí)間尺度未能達(dá)到逐日的精度,也無法評(píng)價(jià)更長(zhǎng)時(shí)間的干旱累積效應(yīng)。由國(guó)家氣象局提出的CI氣象干旱指數(shù)同時(shí)考慮了降水和蒸散發(fā)對(duì)干旱形成的影響,可確定出干旱事件開始和結(jié)束的日期,已在全國(guó)[24]、區(qū)域[25]以及地區(qū)[12,16,26]等不同空間尺度上得到應(yīng)用。盡管CI能較好的度量干旱程度,為旱情分析提供有效的技術(shù)方法,但CI對(duì)降水過程反應(yīng)過于敏感,而對(duì)長(zhǎng)期降水偏少的干旱反應(yīng)又不夠明顯[27]。鑒于此,國(guó)家氣候中心定義了新的氣象干旱綜合指數(shù)(Meteorological drought Composite Index,MCI),主要針對(duì)CI存在的問題進(jìn)行了改進(jìn),同時(shí),MCI增加考慮了前150天的降水狀況,有效兼顧了更長(zhǎng)時(shí)間的干旱累積效應(yīng)。相關(guān)研究表明,MCI在繼承CI對(duì)干旱監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)的同時(shí),有效地規(guī)避了其不符合干旱發(fā)展規(guī)律的跳變問題[28-32],在干旱評(píng)估和旱情監(jiān)測(cè)方面更科學(xué)和合理。

環(huán)渤海地區(qū)地處東北亞經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶,是我國(guó)重要的工農(nóng)業(yè)基地。近十幾年來,該區(qū)域年平均氣溫顯著升高,降水總量持續(xù)偏少,氣候暖干化態(tài)勢(shì)明顯,干旱狀況趨于嚴(yán)重。例如,郭軍等[33]分析了1961—2007年環(huán)渤海地區(qū)降水狀況的變化特征,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)降水普遍減少,干旱程度加重;王璐璐等[34]基于Z指數(shù)分析了環(huán)渤海地區(qū)的旱澇特征,結(jié)果表明該區(qū)域的氣候總體呈暖干化趨勢(shì),其中,1988年氣溫發(fā)生增溫突變后,區(qū)域內(nèi)旱災(zāi)顯著增加。馬露[35]利用SPEI指數(shù)分析得出環(huán)渤海地區(qū)干旱多發(fā)區(qū)主要分布在遼寧西部、渤海灣沿岸以及京津冀中部,而遼寧東部較少發(fā)生干旱事件。雖然上述研究已對(duì)環(huán)渤海地區(qū)干旱演變特征有所發(fā)現(xiàn),但仍缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列季節(jié)尺度上干旱事件的時(shí)空特征分析,氣象干旱的致災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估也尚屬空白。因此,本文利用改進(jìn)的新氣象干旱綜合指數(shù)MCI,從季節(jié)尺度出發(fā),探究環(huán)渤海地區(qū)1961—2017年氣象干旱的時(shí)空演變特征,并進(jìn)一步定義干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù),評(píng)價(jià)該區(qū)域氣象干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性的格局特征,以期為環(huán)渤海地區(qū)的干旱評(píng)估、干旱災(zāi)害防治和防御等提供科學(xué)依據(jù),為區(qū)域水資源合理開發(fā)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等提供科學(xué)參考,促進(jìn)環(huán)渤海地區(qū)生態(tài)環(huán)境的健康和良性發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

環(huán)渤海地區(qū)介于34°23′—43°26′ N,113°04′—125°46′ E之間,由遼東半島、山東半島和華北平原組成,呈“C”字形雄踞于我國(guó)東部沿海的北部,轄遼寧、河北和山東三省以及北京和天津兩直轄市,總面積約52.3萬km2,約占全國(guó)陸地總面積的5.4%(圖1)。環(huán)渤海地區(qū)年平均氣溫在8—12℃之間,年降水量介于400—1000 mm之間,降水主要集中在夏季,尤以7、8月份居多。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)性氣候,光照充足,四季分明,其中,春季干旱少雨、夏季炎熱多雨、秋季冷暖適中、冬季寒冷干燥。環(huán)渤海地區(qū)地勢(shì)總體呈北高南低、西高東低的空間格局特征,地形地貌以平原和低山丘陵為主,也分布有高原和盆地等類型。區(qū)域內(nèi)海洋漁業(yè)、礦產(chǎn)以及油氣等資源豐富,交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá),工業(yè)設(shè)施密集,耕地面積廣袤,是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略區(qū)域,其中,臨海一線的港口城市,例如,大連、天津、秦皇島、青島、煙臺(tái)以及威海等在我國(guó)對(duì)外開放的沿海發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)著重要地位。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

氣象資料來源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心提供的1961—2017年中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。選用該數(shù)據(jù)集中環(huán)渤海地區(qū)83個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù),依據(jù)歷史數(shù)據(jù)記錄應(yīng)超過50 a以及連續(xù)缺測(cè)數(shù)據(jù)不能超過一個(gè)月為標(biāo)準(zhǔn),并進(jìn)一步通過真實(shí)值計(jì)算和均一化檢驗(yàn)[36]等步驟,最終選取出環(huán)渤海地區(qū)60個(gè)地面氣象站點(diǎn)(圖1)的日平均氣溫和日降水量數(shù)據(jù)。

圖1 環(huán)渤海地區(qū)地理位置及地面氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Location of Circum-Bohai-Sea region and distribution of surface meteorological stations

1.3 研究方法

1.3.1氣象干旱綜合指數(shù)MCI

(1)氣象干旱綜合指數(shù)MCI的定義

氣象干旱綜合指數(shù)MCI是對(duì)原綜合氣象干旱指數(shù)CI的改進(jìn)和發(fā)展。與CI的計(jì)算方法相比較,MCI的計(jì)算新引進(jìn)了近60天標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)和季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù),其計(jì)算公式如下：

MCI =a×SPIW60+b×M30+c×SPI90+d×SPI150

(1)

式中,SPIW60是近60天標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù),其基于60天滑動(dòng)加權(quán)平均降水計(jì)算得到[37];M30代表近30天的相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù);SPI90和SPI150分別是近90天和近150天的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù);a、b、c和d為各項(xiàng)權(quán)重系數(shù),其取值需根據(jù)地區(qū)和季節(jié)的變化作靈活調(diào)整,本文將冬半年(10月到次年3月)的4個(gè)系數(shù)分別確定為0.2、0.2、0.3和0.4,夏半年的(4—9月)分別確定為0.3、0.5、0.3和0.2[38]。MCI引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù),考慮了前期更長(zhǎng)時(shí)間降水對(duì)當(dāng)前干旱的影響,與CI相比,不僅解決了干旱監(jiān)測(cè)發(fā)生跳躍的問題,同時(shí)克服了CI反映干旱偏輕以及時(shí)空不連續(xù)等缺陷[32,39]?；贛CI劃分的氣象干旱等級(jí)如表1所示。

(2)基于MCI的氣象干旱評(píng)估

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)》[40],根據(jù)相應(yīng)的定義方法確定出氣象干旱過程、干旱持續(xù)時(shí)間和干旱強(qiáng)度等,并定義干旱發(fā)生頻率和干旱覆蓋范圍等指標(biāo)[16],以季節(jié)為研究尺度對(duì)環(huán)渤海地區(qū)1961—2017年氣象干旱的演變規(guī)律進(jìn)行探究。對(duì)季節(jié)劃分作如下定義：3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月和次年的1、2月為冬季。

干旱發(fā)生頻率的計(jì)算公式為：

(2)

式中,p為干旱發(fā)生頻率;n是實(shí)際有干旱事件發(fā)生的年數(shù);N指資料年代序列數(shù),由于MCI的計(jì)算是向后滾動(dòng)的,本文帶入資料計(jì)算的MCI值是從1962年開始,因此N取56。

干旱覆蓋范圍的計(jì)算公式為：

(3)

式中,S為干旱覆蓋范圍;m為每年有干旱事件發(fā)生的站點(diǎn)個(gè)數(shù),M為氣象站點(diǎn)總個(gè)數(shù)。

計(jì)算環(huán)渤海地區(qū)歷年所有氣象站點(diǎn)和各站點(diǎn)所有年份達(dá)到輕旱以上干旱等級(jí)的所有干旱天數(shù)的MCI值之和,分別取各自的平均值,前者即是歷年研究區(qū)干旱強(qiáng)度的區(qū)域均值,后者是各站點(diǎn)干旱強(qiáng)度的多年均值,分別用以評(píng)價(jià)干旱強(qiáng)度的時(shí)間變化特征和空間格局特征。

表1 基于MCI的干旱等級(jí)劃分

MCI：綜合氣象干旱指數(shù) Meteorological drought Composite Index

1.3.2干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

對(duì)于某地區(qū)而言,干旱發(fā)生頻率和干旱強(qiáng)度對(duì)干旱災(zāi)害的形成起決定性影響作用,因此,本文參考李紅英等[41]的研究方法,基于干旱發(fā)生頻率和干旱強(qiáng)度定義干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)R,其計(jì)算公式為：

R=p×I

(2)

式中,p為各站點(diǎn)的干旱發(fā)生頻率,I為各站點(diǎn)的干旱強(qiáng)度。

進(jìn)一步對(duì)干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)R進(jìn)行歸一化處理,計(jì)算方法為：

Ni= (Ri-Rmin)/(Rmax-Rmin)

(3)

式中,Ni為第i個(gè)氣象站的干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)歸一化值,Ri為第i個(gè)站的干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù),Rmax和Rmin分別表示第i個(gè)氣象站危險(xiǎn)性指數(shù)序列中的最大值和最小值,i代表1—60個(gè)氣象站點(diǎn)。

將經(jīng)過歸一化處理后的干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)作為區(qū)劃指標(biāo),對(duì)環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)氣象干旱的致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行劃分,共劃分為低危險(xiǎn)性、較低危險(xiǎn)性、中危險(xiǎn)性、較高危險(xiǎn)性和高危險(xiǎn)性共5個(gè)危險(xiǎn)性等級(jí)。各等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 環(huán)渤海地區(qū)基于致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)的干旱危險(xiǎn)性等級(jí)

采用ArcGIS中反距離權(quán)重插值方法對(duì)各氣象站的危險(xiǎn)性指數(shù)進(jìn)行空間插值,得到環(huán)渤海地區(qū)氣象干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象干旱的時(shí)間變化特征

2.1.1干旱覆蓋范圍的年際變化特征

1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱覆蓋范圍的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱覆蓋范圍的變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of seasonal drought coverage area probability in Circum-Bohai-Sea region during 1961—2017

春季,干旱覆蓋范圍總體呈下降趨勢(shì),干旱覆蓋范圍的多年均值為65.4%。共有12年的春旱覆蓋范圍超過90%,達(dá)大范圍干旱發(fā)生標(biāo)準(zhǔn),其中,1984年干旱覆蓋范圍為100%,表明全區(qū)域均發(fā)生春旱事件。1964年和1990年的干旱覆蓋范圍為0,表明這些年份研究區(qū)無春旱發(fā)生。從各年代來看,1970s春旱最普遍,平均覆蓋范圍達(dá)74%,1960s平均覆蓋范圍最少,約為52.7%。

夏季,干旱覆蓋范圍呈上升趨勢(shì),多年均值為58.4%。1965年、1972年、1992年、1996—1997年以及1999—2001年共8年夏旱覆蓋范圍在90%以上,其中,1965年和1972年的覆蓋范圍均為98.4%,夏旱發(fā)生范圍最廣。相反,夏季干旱覆蓋范圍最小值為1964年的6.7%,干旱發(fā)生范圍較少。各年代中,1980s夏旱平均覆蓋范圍最廣,為65.3%,1960s最小,為51.9%。

秋季,干旱覆蓋范圍呈增加趨勢(shì),多年均值為44.4%。2002年秋旱覆蓋范圍最廣,為91.7%,1964年無秋旱發(fā)生,其余年份干旱覆蓋范圍不一,但均無大范圍秋旱發(fā)生。各年代中,21世紀(jì)初期秋旱發(fā)生范圍最廣,平均覆蓋范圍為59.3%,1970s最小,平均覆蓋范圍為29.8%。

冬季,干旱覆蓋范圍呈上升趨勢(shì),多年均值為39.9%。各年份均有一定范圍的冬旱發(fā)生,其中,1983年發(fā)生了大范圍干旱事件。各年代中,1980s冬旱覆蓋范圍最廣,為52.0%,1970s最小,僅為28.5%。

對(duì)環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱覆蓋范圍的年際變化趨勢(shì)進(jìn)行M-K顯著性檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)各季干旱覆蓋范圍的線性變化趨勢(shì)均不顯著。

2.1.2干旱持續(xù)日數(shù)的年際變化特征

1961—2017年,環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱持續(xù)日數(shù)的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱持續(xù)日數(shù)的變化趨勢(shì)Fig.3 Trends of seasonal drought duration in Circum-Bohai-Sea region during 1961—2017

春季,干旱持續(xù)日數(shù)呈下降趨勢(shì),多年均值為39 d。春旱持續(xù)日數(shù)最長(zhǎng)是1996年的78 d,1990年持續(xù)日數(shù)為0 d,無春旱發(fā)生。各年代中,1980s和1990s春旱平均持續(xù)日數(shù)最長(zhǎng),約44 d,1970s次之,為42 d,其余年代春旱平均持續(xù)日數(shù)均在30 d左右。近57年中,春旱持續(xù)日數(shù)超過46 d(季節(jié)總天數(shù)的一半)的年份共有21年,其中,1974—1977年連續(xù)4年春旱持續(xù)日數(shù)過半,干旱持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

夏季,干旱持續(xù)日數(shù)呈弱上升趨勢(shì),多年均值為33 d。2000年夏旱持續(xù)日數(shù)最長(zhǎng),為70 d,1964年的最短,僅3 d。各年代中,1980s夏旱平均持續(xù)日數(shù)最長(zhǎng),為38 d,其余各年代的均介于30—34 d之間。夏旱持續(xù)日數(shù)超過季節(jié)總天數(shù)一半的年份共有13年,各年代均有分布。

秋季,干旱持續(xù)日數(shù)整體呈增加趨勢(shì),多年平均值為30 d。秋旱持續(xù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的是2002年的74 d,最短的是1964年的0 d,無秋旱發(fā)生。各年代中,1980s秋旱平均持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),為37 d,1970s的最短,僅19 d,其余年代的均在30 d左右。秋旱持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過季節(jié)半數(shù)的共有18年,主要出現(xiàn)在21世紀(jì)初期和1980s。

冬季,干旱持續(xù)日數(shù)呈下降趨勢(shì),多年均值為25 d。冬旱持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為1983年的68 d,2003年和2012年的最短,均為2 d。各年代中,1980s冬旱平均持續(xù)日數(shù)最長(zhǎng),為33 d,1970s的最短,為16 d,其余年代的均約為25 d。冬旱持續(xù)日數(shù)超過季節(jié)總?cè)諗?shù)一半的年份共有9年,除1970s以外,其余年代均有分布。

顯著性檢驗(yàn)表明,1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱持續(xù)日數(shù)的線性變化趨勢(shì)均不顯著。

2.1.3干旱強(qiáng)度的年際變化特征

1961—2017年,環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強(qiáng)度區(qū)域均值的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)Fig.4 Trends of seasonal drought intensity in Circum-Bohai-Sea region during 1961—2017

春季,干旱強(qiáng)度呈增加趨勢(shì),多年均值為-36.5。1996年春旱強(qiáng)度為-82.6,為最高值,最低值是1990年的-0.2。各年代中,1980s的平均干旱強(qiáng)度最高,為-42.3,1990s和1970s次之,平均干旱強(qiáng)度均約為-40.0,其余年代的一般在-30.0左右。

夏季,干旱強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì),多年平均值為-30.7。1972年夏季干旱強(qiáng)度最高,達(dá)-85.0,1964年的最低,僅為-1.9。就各年代而言,1980s、1990s以及21世紀(jì)初期夏旱強(qiáng)度均在-30.0左右,其余年代的均略低。

秋季,干旱強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì),多年均值為-27.5。秋旱最強(qiáng)年份為2002年,干旱強(qiáng)度達(dá)-85.7,最弱年是1964年,干旱強(qiáng)度為0。各年代中,1980s秋旱強(qiáng)度最高,平均為-33.6,其次是21世紀(jì)初期的-31.9,1970s最弱,為-16.2,其余年代的秋旱平均強(qiáng)度均在-25.0左右。

冬季,干旱強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),多年均值為-19.7。1983年冬旱強(qiáng)度最高,為-68.4,2012年的最弱,僅-1.0。各年代冬旱平均強(qiáng)度均相對(duì)較低,其中,1970s的最低,為-11.8,其余年代的均在-20.0左右。

顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)均不顯著。

2.2 氣象干旱的空間分布特征

2.2.1干旱強(qiáng)度的空間分布特征

1961—2017年,環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強(qiáng)度多年均值的空間分布特征如圖5所示。整體而言,研究區(qū)春季干旱強(qiáng)度最強(qiáng),夏、秋季居中,冬季干旱強(qiáng)度最弱。

春季,各氣象站點(diǎn)的干旱強(qiáng)度在-42.2至-27.8之間,其絕對(duì)值在40.0以上的站點(diǎn)個(gè)數(shù)為8個(gè),占比約為13.3%,主要分布在河北省中南部;春旱強(qiáng)度介于-40.0到-30.0之間的站點(diǎn)個(gè)數(shù)最多,占比為85%,該類站點(diǎn)廣泛分布在遼寧、山東和河北北部;僅遼寧省寬甸站春旱強(qiáng)度的絕對(duì)值在30.0以下。

夏季,環(huán)渤海地區(qū)各站點(diǎn)的干旱強(qiáng)度介于-38.8至-17.1之間,其中,干旱強(qiáng)度的絕對(duì)值在30.0以上的站點(diǎn)比例約為61.7%,主要位于遼寧西部、河北中南部和山東省內(nèi),上述地區(qū)的夏旱強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng);遼寧東部和河北北部夏旱強(qiáng)度的絕對(duì)值多在30.0以下,尤其是遼寧東部的清原-桓仁-寬甸一帶,夏旱強(qiáng)度的絕對(duì)值基本在20.0左右,干旱強(qiáng)度較低。

秋季,各站點(diǎn)的干旱強(qiáng)度在-32.1到-19.4之間,干旱強(qiáng)度絕對(duì)值高于30的站點(diǎn)比例約為16.7%,主要分布在京津唐地區(qū)及遼寧西北部;多數(shù)站點(diǎn)的秋旱強(qiáng)度在-30.0和-25.0之間,該類站點(diǎn)的占比約為66.7%,廣泛分布在整個(gè)環(huán)渤海地區(qū);僅約16.7%的站點(diǎn)的秋旱強(qiáng)度絕對(duì)值在25.0以下,遼寧東部地區(qū)多分布該類站點(diǎn)。

冬季,各氣象站點(diǎn)的干旱強(qiáng)度介于-25.6至-15.5之間,其中,山東濟(jì)南站冬旱強(qiáng)度為-25.6,干旱強(qiáng)度最大;約33.3%的站點(diǎn)冬旱強(qiáng)度在-25.0到-20.0之間,其主要分布于山東和河北中南部;冬旱強(qiáng)度的絕對(duì)值在20.0以下的站點(diǎn)個(gè)數(shù)最多,占比約為65%,主要分布在遼寧和河北北部,這些區(qū)域的冬旱強(qiáng)度相對(duì)較低。

圖5 1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強(qiáng)度的空間分布Fig.5 Spatial distribution of seasonal drought intensity in Circum-Bohai-Sea region during 1961—2017

2.2.2干旱頻率的空間分布特征

1961—2017年,環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱頻率的空間分布特征如圖6所示。整體上,環(huán)渤海地區(qū)春旱頻率最高,冬旱頻率最低,大部分站點(diǎn)夏、秋兩季的干旱頻率相近。

春季,研究區(qū)各站點(diǎn)的干旱頻率介于45.6%—79.0%之間;除遼寧寬甸以外,其余各站點(diǎn)的春旱頻率均在50%以上,高值區(qū)主要位于遼寧西部和南部、河北以及山東大部分地區(qū)。

夏季,各氣象站點(diǎn)的干旱頻率介于38.5%—72.0%之間;夏旱頻率較高的區(qū)域主要分布在河北中南部,其中,饒陽(yáng)和南宮的夏旱發(fā)生率最高,頻率達(dá)70%以上;遼寧東北部、河北北部以及山東西南部夏旱發(fā)生率相對(duì)較低,一般在50%以下,其中,山東泰山的夏旱頻率最低,僅為38.5%。

秋季,干旱頻率在33.3%—52.7%之間,各站點(diǎn)秋旱頻率的整體差距相對(duì)較小,其中,秋旱頻率介于40.0%—50.0%之間的站點(diǎn)個(gè)數(shù)最多,占比達(dá)83.3%;秋季干旱發(fā)生率在50%以上和40%以下的站點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為3個(gè)和7個(gè),分別占總站點(diǎn)個(gè)數(shù)的5.0%和11.7%,前者主要位于遼寧西南沿海和山東半島東部,后者多分布在遼寧東北部和山東西北部。

冬季,各站點(diǎn)的干旱頻率介于29.8%—50.9%;遼寧和河北東北部的冬旱發(fā)生率普遍較低,干旱頻率多在40%以下,占比為51.7%;而河北南部和山東大部分地區(qū)冬旱發(fā)生率在40.0%—50.0%之間,占總站點(diǎn)數(shù)的45%。

圖6 1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱頻率的空間分布Fig.6 Spatial distribution of seasonal drought frequency in Circum-Bohai-Sea region during 1961—2017

2.3 干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)的空間分布特征

1961—2017年,環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)的空間分布特征如圖7所示。總體上,研究區(qū)各季節(jié)干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)呈西高東低、南高北低的格局特征。

春季,遼寧西部和遼東半島南端、河北以及山東內(nèi)陸大部分地區(qū)干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性均處于中等級(jí)別以上,其中,河北中南部和北部圍場(chǎng)一帶處于較高等級(jí)以上的干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性區(qū)域;遼寧東部和山東東部沿海地區(qū)春季干旱的致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)相對(duì)較低。

夏季,干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性較高的區(qū)域集中分布在河北省西南部;遼寧西部及渤海灣東部沿海一帶、河北中南部和山東大部分地區(qū)夏季干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性均處于中等級(jí)別;而遼寧東部、河北東北部以及山東省泰山、日照等零星地區(qū)夏旱致災(zāi)的危險(xiǎn)性相對(duì)較低。

秋季,干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)的空間差異相對(duì)較小,除遼寧東部、河北圍場(chǎng)-承德-遵化一帶以及山東惠民-濟(jì)南-泰山一帶的致災(zāi)危險(xiǎn)性較低以外,其他地區(qū)秋旱致災(zāi)危險(xiǎn)性均在中等級(jí)別以上,其中,中危險(xiǎn)性等級(jí)的分布范圍最為廣泛。

冬季,以河北保定-饒陽(yáng)至山東惠民-東營(yíng)為界,以北地區(qū)的冬旱致災(zāi)危險(xiǎn)性基本處于較低級(jí)別以下,以南的多處于中危險(xiǎn)性等級(jí)以上,其中,冬旱致災(zāi)低危險(xiǎn)性的區(qū)域主要分布在遼寧東北部和河北東北部,而致災(zāi)危險(xiǎn)性較大的地區(qū)主要位于河北的邢臺(tái)和南宮、山東的濟(jì)南和海陽(yáng)-青島一帶。

圖7 1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)的空間分布Fig.7 Spatial distribution of seasonal drought hazard classification in Circum-Bohai-Sea region during 1961—2017

3 討論與結(jié)論

1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)春旱覆蓋范圍和持續(xù)日數(shù)總體呈下降趨勢(shì),干旱強(qiáng)度有所增強(qiáng);夏、秋兩季干旱覆蓋范圍和持續(xù)日數(shù)均呈上升趨勢(shì),干旱強(qiáng)度下降;冬季干旱覆蓋范圍和干旱強(qiáng)度均增加,但干旱持續(xù)日數(shù)呈下降趨勢(shì)。綜合上述干旱指標(biāo)的變化趨勢(shì)可知,環(huán)渤海地區(qū)氣象干旱總體較嚴(yán)重,進(jìn)一步證實(shí)了王璐璐等[34]利用Z指數(shù)和馬露[35]基于SPEI分析得出該地區(qū)旱災(zāi)顯著增加的研究結(jié)果。從各季節(jié)干旱的空間格局來看,環(huán)渤海地區(qū)春旱尤為突出,夏、秋季旱情居中,冬旱相對(duì)最輕。春旱多發(fā)區(qū)主要位于河北中南部和北部圍場(chǎng)一帶,這些地區(qū)也屬于春季干旱高致災(zāi)危險(xiǎn)性區(qū)域;遼寧西部、河北以及山東大部分地區(qū)易發(fā)生夏、秋季干旱,夏旱致災(zāi)危險(xiǎn)性一般位于中等級(jí)別以上;冬旱多發(fā)區(qū)主要在河北南部和山東大部分地區(qū)。吳瓊等[30]、Wang等[16]和張金龍等[42]利用MCI或CI指數(shù)分別分析遼寧、山東以及河北地區(qū)氣象干旱空間差異所得研究結(jié)果與本文結(jié)果基本一致。但馬露[35]的研究結(jié)果認(rèn)為,山東省春旱最嚴(yán)重、河北省次之,與本文所得出的河北省春旱最嚴(yán)重的結(jié)果存在差異,原因可能在于所采用的氣象干旱指數(shù)不一樣,兩者的計(jì)算方法存在一定的差異,其評(píng)價(jià)結(jié)果精準(zhǔn)度的比較有待于結(jié)合實(shí)際旱情記錄等進(jìn)一步深入探究。

氣溫和降水是影響氣象干旱的直接因素,而水熱條件變化的成因則相對(duì)復(fù)雜,其通常與大氣環(huán)流、太陽(yáng)黑子活動(dòng)以及海表熱力狀態(tài)等相關(guān)聯(lián)[34-35, 43]。從年內(nèi)變化來看,季風(fēng)氣候是決定環(huán)渤海地區(qū)氣象干旱季節(jié)特征形成的主要因素。環(huán)渤海地區(qū)位于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),夏季盛行東南季風(fēng),降水充足,易澇難旱;冬季多刮偏北風(fēng),氣溫偏低,蒸散量小,不易發(fā)生干旱;春季少雨,氣溫回升較快,蒸散發(fā)旺盛,容易發(fā)生干旱事件。對(duì)于秋季而言,該季節(jié)氣溫冷暖適中,干旱發(fā)生受降水影響較大,已有研究表明,太陽(yáng)黑子的劇烈活動(dòng)可導(dǎo)致環(huán)渤海地區(qū)秋季降水的減少,進(jìn)而引發(fā)秋旱[35]。環(huán)渤海地區(qū)臨西北太平洋,與同緯度陸地區(qū)域相比,該地區(qū)熱量變化受海洋和大陸的共同影響,而海陸間熱力變化會(huì)引起大氣活動(dòng)強(qiáng)度和位置等的改變,進(jìn)而影響區(qū)域降水,最終對(duì)該地區(qū)干旱形成也產(chǎn)生一定程度的影響[43]。

從自然地理角度來看,環(huán)渤海地區(qū)地形、土壤等因素也對(duì)干旱格局的形成產(chǎn)生一定的影響。例如,遼寧千山山脈一帶屬迎風(fēng)坡地形,當(dāng)暖濕氣流遇到高山阻礙時(shí),氣流被迫沿著山坡上升,海拔高度越高氣溫越低,迫使暖濕氣流的溫度下降,水蒸氣開始冷凝,產(chǎn)生降雨,因而遼寧東南部一帶干旱事件相對(duì)少發(fā),致災(zāi)危險(xiǎn)性普遍較低;到達(dá)逆風(fēng)坡的氣流一般比較干燥,降水較少,因此,遼西地區(qū)相對(duì)更易發(fā)生干旱。土壤蓄水能力也會(huì)對(duì)氣象干旱的形成與發(fā)展產(chǎn)生一定的影響,例如,遼寧西部地區(qū)屬于丘陵地帶,年降水量較少,易發(fā)生干旱事件,且該地區(qū)土壤以沙土為主,蓄水能力差,降水時(shí)水分滲漏過快,徑流較多,導(dǎo)致水分利用不充分,干旱一旦形成,旱情更易嚴(yán)重化[44-45]。

本文通過對(duì)環(huán)渤海地區(qū)1961—2017年氣象干旱的時(shí)空特征及致災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合分析,得出以下結(jié)論：

(1) 環(huán)渤海地區(qū)春旱覆蓋范圍和持續(xù)日數(shù)呈下降趨勢(shì),但干旱強(qiáng)度有所增強(qiáng);夏、秋兩季干旱覆蓋范圍和持續(xù)日數(shù)均呈上升趨勢(shì),而干旱強(qiáng)度有所減弱;冬季干旱覆蓋范圍和干旱強(qiáng)度均呈增加狀態(tài),干旱持續(xù)日數(shù)有所下降。

(2) 環(huán)渤海地區(qū)春季干旱覆蓋范圍、干旱持續(xù)日數(shù)、干旱強(qiáng)度以及干旱發(fā)生頻率均居四季之首,干旱狀況最嚴(yán)重,夏、秋季次之,冬季干旱相對(duì)最輕。

(3) 環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強(qiáng)度和干旱發(fā)生頻率的高值區(qū)主要分布在遼寧西北部、河北中南部和山東大部分地區(qū),低值區(qū)主要位于遼寧東部地區(qū)。

(4) 環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)總體呈西高東低、南高北低的分布特征,其中,河北中南部氣象干旱的致災(zāi)危險(xiǎn)性總體較高,遼寧東部地區(qū)的較低;研究區(qū)春旱致災(zāi)危險(xiǎn)性總體較高,夏、秋季次之,冬季最低。

MCI基于氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得來,僅可用于分析氣象干旱的過程與特征,而環(huán)渤海地區(qū)受土壤墑情、水資源開發(fā)與利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等眾多因素的共同影響,實(shí)際干旱情勢(shì)的定性分析和干旱對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)等生態(tài)系統(tǒng)影響的定量評(píng)估等仍存在一定的挑戰(zhàn)。未來時(shí)期,將繼續(xù)致力于環(huán)渤海乃至中國(guó)沿海地區(qū)不同類型干旱的演變和干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的定量評(píng)估研究,并結(jié)合IPCC未來排放情景以及氣候模式等,對(duì)區(qū)域干旱的發(fā)展及致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。