王曉利,張春艷,3,侯西勇,*

1 中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所,煙臺 264003 2 中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室,煙臺 264003 3 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(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)展成為對人類社會影響最廣泛、最嚴重的主要氣候災(zāi)害之一,對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展造成的影響越來越強烈,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,美國約三分之二的國土面積遭受了中度以上的干旱災(zāi)害,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟增速造成重創(chuàng)[6];歐洲、大洋洲等地區(qū)也遭遇了嚴重的干旱災(zāi)害,給當?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)害已對人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴重威脅,因此,干旱過程的確定、干旱演變特征以及干旱災(zāi)害的評估等問題越來越受到國內(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)干旱和社會經(jīng)濟干旱[15],其中,氣象干旱是其他各類干旱發(fā)生的主要原因,其評估結(jié)果可作為進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)一定的計算方法所獲得的指標,主要用于監(jiān)測和評價某區(qū)域特定時段內(nèi)因天氣氣候異常引起的水分虧欠程度[18-19]。目前,國內(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,它們基本僅限于對干旱現(xiàn)象的簡單描述,時間尺度未能達到逐日的精度,也無法評價更長時間的干旱累積效應(yīng)。由國家氣象局提出的CI氣象干旱指數(shù)同時考慮了降水和蒸散發(fā)對干旱形成的影響,可確定出干旱事件開始和結(jié)束的日期,已在全國[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對降水過程反應(yīng)過于敏感,而對長期降水偏少的干旱反應(yīng)又不夠明顯[27]。鑒于此,國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CI存在的問題進行了改進,同時,MCI增加考慮了前150天的降水狀況,有效兼顧了更長時間的干旱累積效應(yīng)。相關(guān)研究表明,MCI在繼承CI對干旱監(jiān)測優(yōu)勢的同時,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],在干旱評估和旱情監(jiān)測方面更科學(xué)和合理。

環(huán)渤海地區(qū)地處東北亞經(jīng)濟圈的中心地帶,是我國重要的工農(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)勢明顯,干旱狀況趨于嚴重。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,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。雖然上述研究已對環(huán)渤海地區(qū)干旱演變特征有所發(fā)現(xiàn),但仍缺乏長時間序列季節(jié)尺度上干旱事件的時空特征分析,氣象干旱的致災(zāi)危險性評估也尚屬空白。因此,本文利用改進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年氣象干旱的時空演變特征,并進一步定義干旱致災(zāi)危險性指數(shù),評價該區(qū)域氣象干旱致災(zāi)危險性的格局特征,以期為環(huán)渤海地區(qū)的干旱評估、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霛駶櫦撅L(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,工業(yè)設(shè)施密集,耕地面積廣袤,是我國經(jīng)濟發(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、煙臺以及威海等在我國對外開放的沿海發(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氣象局氣象數(shù)據(jù)中心提供的1961—2017年中國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個氣象站點的氣象數(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)缺測數(shù)據(jù)不能超過一個月為標準,并進一步通過真實值計算和均一化檢驗[36]等步驟,最終選取出環(huán)渤海地區(qū)60個地面氣象站點(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是對原綜合氣象干旱指數(shù)CI的改進和發(fā)展。與CI的計算方法相比較,MCI的計算新引進了近60天標準化權(quán)重降水指數(shù)和季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù),其計算公式如下：

MCI =a×SPIW60+b×M30+c×SPI90+d×SPI150

(1)

式中,SPIW60是近60天標準化權(quán)重降水指數(shù),其基于60天滑動加權(quán)平均降水計算得到[37];M30代表近30天的相對濕潤度指數(shù);SPI90和SPI150分別是近90天和近150天的標準化降水指數(shù);a、b、c和d為各項權(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引進標準化權(quán)重降水指數(shù),考慮了前期更長時間降水對當前干旱的影響,與CI相比,不僅解決了干旱監(jiān)測發(fā)生跳躍的問題,同時克服了CI反映干旱偏輕以及時空不連續(xù)等缺陷[32,39]?；贛CI劃分的氣象干旱等級如表1所示。

(2)基于MCI的氣象干旱評估

參考國家標準《氣象干旱等級》[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)時間和干旱強度等,并定義干旱發(fā)生頻率和干旱覆蓋范圍等指標[16],以季節(jié)為研究尺度對環(huán)渤海地區(qū)1961—2017年氣象干旱的演變規(guī)律進行探究。對季節(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)生頻率的計算公式為：

(2)

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

干旱覆蓋范圍的計算公式為：

(3)

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

計算環(huán)渤海地區(qū)歷年所有氣象站點和各站點所有年份達到輕旱以上干旱等級的所有干旱天數(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)干旱強度的區(qū)域均值,后者是各站點干旱強度的多年均值,分別用以評價干旱強度的時間變化特征和空間格局特征。

表1 基于MCI的干旱等級劃分

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

1.3.2干旱致災(zāi)危險性評價

對于某地區(qū)而言,干旱發(fā)生頻率和干旱強度對干旱災(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)生頻率和干旱強度定義干旱致災(zāi)危險性指數(shù)R,其計算公式為：

R=p×I

(2)

式中,p為各站點的干旱發(fā)生頻率,I為各站點的干旱強度。

進一步對干旱致災(zāi)危險性指數(shù)R進行歸一化處理,計算方法為：

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

(3)

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

將經(jīng)過歸一化處理后的干旱致災(zāi)危險性指數(shù)作為區(qū)劃指標,對環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)氣象干旱的致災(zāi)危險性等級進行劃分,共劃分為低危險性、較低危險性、中危險性、較高危險性和高危險性共5個危險性等級。各等級劃分標準見表2。

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

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

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象干旱的時間變化特征

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,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%,達大范圍干旱發(fā)生標準,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,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,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,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%。

對環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱覆蓋范圍的年際變化趨勢進行M-K顯著性檢驗,發(fā)現(xiàn)各季干旱覆蓋范圍的線性變化趨勢均不顯著。

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,多年均值為39 d。春旱持續(xù)日數(shù)最長是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,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)時間較長。

夏季,干旱持續(xù)日數(shù)呈弱上升趨勢,多年均值為33 d。2000年夏旱持續(xù)日數(shù)最長,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,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,多年平均值為30 d。秋旱持續(xù)時長最長的是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)時間最長,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)時長超過季節(jié)半數(shù)的共有18年,主要出現(xiàn)在21世紀初期和1980s。

冬季,干旱持續(xù)日數(shù)呈下降趨勢,多年均值為25 d。冬旱持續(xù)時間最長為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,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)的線性變化趨勢均不顯著。

2.1.3干旱強度的年際變化特征

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

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

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

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

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

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

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

2.2 氣象干旱的空間分布特征

2.2.1干旱強度的空間分布特征

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)春季干旱強度最強,夏、秋季居中,冬季干旱強度最弱。

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

夏季,環(huán)渤海地區(qū)各站點的干旱強度介于-38.8至-17.1之間,其中,干旱強度的絕對值在30.0以上的站點比例約為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)的夏旱強度相對較強;遼寧東部和河北北部夏旱強度的絕對值多在30.0以下,尤其是遼寧東部的清原-桓仁-寬甸一帶,夏旱強度的絕對值基本在20.0左右,干旱強度較低。

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

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

圖5 1961—2017年環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強度的空間分布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,大部分站點夏、秋兩季的干旱頻率相近。

春季,研究區(qū)各站點的干旱頻率介于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,饒陽和南宮的夏旱發(fā)生率最高,頻率達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,各站點秋旱頻率的整體差距相對較小,其中,秋旱頻率介于40.0%—50.0%之間的站點個數(shù)最多,占比達83.3%;秋季干旱發(fā)生率在50%以上和40%以下的站點個數(shù)分別為3個和7個,分別占總站點個數(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)危險性等級的空間分布特征

1961—2017年,環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱致災(zāi)危險性等級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)危險性等級呈西高東低、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)危險性均處于中等級別以上,其中,河北中南部和北部圍場一帶處于較高等級以上的干旱致災(zāi)危險性區(qū)域;遼寧東部和山東東部沿海地區(qū)春季干旱的致災(zāi)危險性等級相對較低。

夏季,干旱致災(zāi)危險性較高的區(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)危險性均處于中等級別;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)的危險性相對較低。

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

冬季,以河北保定-饒陽至山東惠民-東營為界,以北地區(qū)的冬旱致災(zāi)危險性基本處于較低級別以下,以南的多處于中危險性等級以上,其中,冬旱致災(zāi)低危險性的區(qū)域主要分布在遼寧東北部和河北東北部,而致災(zāi)危險性較大的地區(qū)主要位于河北的邢臺和南宮、山東的濟南和海陽-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)危險性等級的空間分布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,干旱強度有所增強;夏、秋兩季干旱覆蓋范圍和持續(xù)日數(shù)均呈上升趨勢,干旱強度下降;冬季干旱覆蓋范圍和干旱強度均增加,但干旱持續(xù)日數(shù)呈下降趨勢。綜合上述干旱指標的變化趨勢可知,環(huán)渤海地區(qū)氣象干旱總體較嚴重,進一步證實了王璐璐等[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,冬旱相對最輕。春旱多發(fā)區(qū)主要位于河北中南部和北部圍場一帶,這些地區(qū)也屬于春季干旱高致災(zāi)危險性區(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)危險性一般位于中等級別以上;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)果認為,山東省春旱最嚴重、河北省次之,與本文所得出的河北省春旱最嚴重的結(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,兩者的計算方法存在一定的差異,其評價結(jié)果精準度的比較有待于結(jié)合實際旱情記錄等進一步深入探究。

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復(fù)雜,其通常與大氣環(huán)流、太陽黑子活動以及海表熱力狀態(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,太陽黑子的劇烈活動可導(dǎo)致環(huán)渤海地區(qū)秋季降水的減少,進而引發(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引起大氣活動強度和位置等的改變,進而影響區(qū)域降水,最終對該地區(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,當暖濕氣流遇到高山阻礙時,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少發(fā),致災(zāi)危險性普遍較低;到達逆風(fēng)坡的氣流一般比較干燥,降水較少,因此,遼西地區(qū)相對更易發(fā)生干旱。土壤蓄水能力也會對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,旱情更易嚴重化[44-45]。

本文通過對環(huán)渤海地區(qū)1961—2017年氣象干旱的時空特征及致災(zāi)危險性進行綜合分析,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,但干旱強度有所增強;夏、秋兩季干旱覆蓋范圍和持續(xù)日數(shù)均呈上升趨勢,而干旱強度有所減弱;冬季干旱覆蓋范圍和干旱強度均呈增加狀態(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)、干旱強度以及干旱發(fā)生頻率均居四季之首,干旱狀況最嚴重,夏、秋季次之,冬季干旱相對最輕。

(3) 環(huán)渤海地區(qū)各季節(jié)干旱強度和干旱發(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)危險性等級總體呈西高東低、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)危險性總體較高,夏、秋季次之,冬季最低。

MCI基于氣溫和降水數(shù)據(jù)計算得來,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)模式以及社會經(jīng)濟發(fā)展等眾多因素的共同影響,實際干旱情勢的定性分析和干旱對農(nóng)業(yè)、林業(yè)等生態(tài)系統(tǒng)影響的定量評估等仍存在一定的挑戰(zhàn)。未來時期,將繼續(xù)致力于環(huán)渤海乃至中國沿海地區(qū)不同類型干旱的演變和干旱對生態(tài)系統(tǒng)影響的定量評估研究,并結(jié)合IPCC未來排放情景以及氣候模式等,對區(qū)域干旱的發(fā)展及致災(zāi)風(fēng)險等進行模擬和預(yù)測。