涂玉虹，劉進寶，呂振平，厲 莎，曾 瑜，姚悅鈴

(1.浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院 水利工程學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009)

干旱是指某一地區(qū)水分條件較當(dāng)?shù)卣Ｇ闆r持續(xù)性偏少的異常氣象水文現(xiàn)象[1]，干旱災(zāi)害給國民經(jīng)濟帶來了巨大的損失。積極應(yīng)對干旱災(zāi)害，增強抗旱減災(zāi)能力，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至人民生活、經(jīng)濟社會發(fā)展的重要保障[2]。對干旱事件進行精準(zhǔn)識別，深入認(rèn)識干旱特征，探究干旱時空分布并掌握其發(fā)展演變規(guī)律，有利于提前預(yù)警，對抗旱規(guī)劃和抗旱預(yù)案的編制具有積極的科學(xué)指導(dǎo)意義[3-4]。

干旱事件通常表現(xiàn)出顯著的時空異質(zhì)性和時空耦合特性[4]。傳統(tǒng)的干旱特征分析研究主要針對干旱在空間或者時間維度上獨立的演變情況，將時空尺度進行割裂，耦合時間與空間維度的三維時空動態(tài)演變特征的研究是新的研究熱點[5]。近年來，越來越多的研究開始從三維時空視角對區(qū)域干旱進行識別和分析。Xu等[6]提出三維聚類識別法并將其應(yīng)用于中國西南地區(qū)干旱事件識別中。Zhou等[7]提出了一種基于空間拓?fù)潢P(guān)系研究氣象干旱遷移特征的新方法，探討氣象干旱的遷移軌跡特征。馮凱等[8]基于三維干旱識別方法分析干旱時空連續(xù)動態(tài)演變特征。鄧翠玲等[9]將圖像三維連通性識別方法應(yīng)用于長江流域氣象干旱事件的識別，并探索其發(fā)展演變規(guī)律。

近年來,一些學(xué)者針對浙江省氣象干旱開展研究[10-13]，然而尚未從時空三維視角出發(fā)進行干旱識別，割裂時空尺度，導(dǎo)致難以精確描述干旱事件發(fā)展與演化機理，因此有必要對浙江省多年時間序列內(nèi)的干旱事件進行三維可視化，解析整體時空分布格局和每場干旱過程在時空維度交織下的變異特征。

筆者運用時空連續(xù)的三維識別方法，將空間與時間上相連貫的干旱格點聚集形成干旱體結(jié)構(gòu)，通過繪制三維閾值等值面來提取干旱事件，在三維時空下完整識別浙江省1960—2019年不同等級的氣象干旱事件并探究其整體三維時空分布格局，進而建立包括干旱強度、干旱時空質(zhì)心、干旱時空遷移速率等時空演變特征變量，展現(xiàn)干旱事件各年代的空間分布格局，從趨勢性角度解析干旱時空演變特征規(guī)律，有利于水利部門科學(xué)研判旱情及發(fā)展演變趨勢，以期為浙江省旱災(zāi)防治措施的制定提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 干旱指標(biāo)選取

筆者選用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI指數(shù)進行干旱識別，該指標(biāo)時間尺度靈活，時空可比性強，可消除降水時空差異，適用于干旱時空變化規(guī)律的研究[14]。

目前，一般基于游程理論進行干旱識別，選定一個干旱指標(biāo)閾值，若干旱指標(biāo)超過閾值就被認(rèn)定屬于干旱[14]。國家氣候中心制定的《氣象干旱等級標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了干旱等級，判定SPI<-0.5的格點為干旱格點[15]，可根據(jù)閾值-0.5，-1，-1.5,-2，依次提取輕旱、中旱、重旱、特旱4個不同等級的干旱事件。

1.2 時空連續(xù)的三維干旱識別方法

干旱事件一般具有一定的持續(xù)時間和影響范圍，在時間、空間維度均連續(xù)。在干旱識別中，無論是在特定區(qū)域內(nèi)識別干旱的起止時間，還是在特定時段內(nèi)識別干旱的影響區(qū)域，均存在著割裂時空維度的缺陷，無法時空連續(xù)地識別和表征干旱事件隨時空變化的動態(tài)演變情況[16]。為此，這里將干旱的演化視為一個經(jīng)度、緯度與時間維度的三維連續(xù)體，通過構(gòu)建三維干旱體結(jié)構(gòu)，完整識別提取干旱事件，模擬干旱發(fā)展演變過程，從不同視角觀察干旱事件的時空動態(tài)變化。下面詳細(xì)說明三維干旱體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程：

1) 二維干旱斑塊演變

干旱事件是一種動態(tài)演變的地理現(xiàn)象，它隨著時間的推移會在不同區(qū)域里出現(xiàn)、遷移、擴大、縮小或消失。篩選出各時刻SPI值小于閾值-0.5的干旱斑塊，標(biāo)記為灰色，干旱斑塊的幾何形狀時刻會發(fā)生變化，以某一場干旱事件為例，t1～t8時刻二維干旱斑塊的演變過程示意圖見圖1。對二維干旱斑塊的演變情況進行分析，干旱事件從t1時刻開始至t8時刻結(jié)束，t1時刻產(chǎn)生了四個分散的干旱斑塊，在t2時刻干旱范圍擴大，合并為一塊，t3時刻分離為兩塊，t4時刻研究區(qū)域左上角的干旱斑塊消失，另一塊范圍縮小，t5時刻范圍繼續(xù)縮小，t6時刻范圍開始擴大，且區(qū)域上方又出現(xiàn)了一個新的小干旱斑塊，t7時刻兩個干旱斑塊合并為一塊，t8時刻向區(qū)域右下方遷移。在干旱發(fā)展過程中，干旱斑塊在空間上經(jīng)歷了合并—分散—消失—縮小—擴大等演變過程。再將每一場干旱事件中的二維干旱斑塊增加時間維度屬性，按照(圖1)時間發(fā)生先后順序t1～t8在時間軸上進行串聯(lián)。

圖1 干旱事件二維干旱斑塊演變示意圖

2) 三維干旱體結(jié)構(gòu)構(gòu)建

將地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用較多的Voxler平臺應(yīng)用于干旱識別領(lǐng)域[17]。通過在三維時空中繪制形狀不規(guī)則的干旱指標(biāo)閾值等值面，將空間與時間上相連通的干旱格點進行聚類和包裹。三維干旱體結(jié)構(gòu)由每個閾值等值面及內(nèi)部的干旱格點構(gòu)成，分別構(gòu)建每一場干旱事件對應(yīng)的三維干旱體結(jié)構(gòu)，并在時間軸上按照發(fā)生時間先后順序進行串聯(lián)，依次提取出所有干旱事件。運用該方法，可根據(jù)閾值為-0.5,-1,-1.5,-2的等值面，依次提取輕旱、中旱、重旱、特旱4個不同等級的干旱事件，對應(yīng)示意圖如圖2所示。

圖2 不同等級的三維干旱體結(jié)構(gòu)示意圖

該場干旱事件開始于t1時刻結(jié)束于t8時刻，不同等級的干旱體結(jié)構(gòu)層層包裹，最內(nèi)層的結(jié)構(gòu)為特旱等級的干旱體結(jié)構(gòu)，閾值等值面為SPI=-2。往外層依次為重旱、中旱和輕旱，其中SPI=-2和SPI=-1.5兩個閾值等值面之間的結(jié)構(gòu)區(qū)域為重旱，SPI=-1.5和SPI=-1兩個閾值等值面之間為中旱，SPI=-1和SPI=-0.5兩個閾值等值面之間為輕旱。干旱體結(jié)構(gòu)提取法的空間經(jīng)緯度坐標(biāo)、研究時期長短可以隨意變化，干旱閾值也可以任意選取，對不同等級的氣象干旱事件進行完整識別，具有較強的時空靈活性和適應(yīng)性。

1.3 干旱時空演變特征變量

采用干旱歷時、干旱面積、干旱烈度、干旱強度、干旱時空質(zhì)心、干旱時空遷移速率等6項干旱時空演變特征變量[16]，來探究一定時間范圍內(nèi)某區(qū)域連續(xù)性干旱事件的時空演變特征與規(guī)律。

1) 干旱歷時Da：第a場干旱事件的持續(xù)時間，月。

2) 干旱面積Aa：第a場干旱事件的實際影響范圍，即干旱體投影面積，km2。

3) 干旱烈度Sa：反映第a場干旱事件的整體缺水程度，即干旱體質(zhì)量，km2·月，計算公式為

(1)

式中：SPIa(i)為第a場干旱事件中第i個干旱格點的SPI值(i=1,2,…,k)；S0為干旱指標(biāo)閾值；area為每個干旱斑塊的面積,km2；time為時間步長，取1個月。

4) 干旱強度Ia：為了度量第a場干旱事件中平均缺水程度，即干旱體密度，將干旱烈度與干旱面積與干旱歷時乘積的比值定義為干旱強度，計算公式為

(2)

式中：Aa為第a場干旱的干旱面積，km2；Da為第a場干旱的干旱歷時，月。

5) 干旱時空質(zhì)心Ca：表征一場干旱事件在三維時空中集中發(fā)生位置，即干旱體質(zhì)心坐標(biāo)[9]，坐標(biāo)為(Xa,Ya,Ta)，對干旱烈度值進行加權(quán)可求得，計算公式分別為

(3)

(4)

式中：Sim為第a場干旱事件中第m個月第i個干旱格點的烈度值；xim,yim分別為第m個月第i個干旱格點的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)；Xa,Ya為第a場干旱時空質(zhì)心的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)，(°)；ta為干旱時空質(zhì)心時間坐標(biāo)，月；Ta由ta轉(zhuǎn)換而來，年；yeara、montha分別為第a場干旱事件發(fā)生的年份和月份。

6) 干旱時空遷移速率(va，km/年)：表征干旱體在三維時空坐標(biāo)系中移動速率快慢，可由從第a場到第a+1場干旱事件的干旱時空質(zhì)心沿經(jīng)緯度方向移動的空間距離與其時間坐標(biāo)差之商來計算,其計算式分別為

(5)

ΔYa=110.94×(Ya+1-Ya)

(6)

ΔTa=Ta+1-Ta

(7)

(8)

式中：ΔXa,ΔYa為從第a場到第a+1場干旱事件干旱時空質(zhì)心沿經(jīng)度、緯度方向遷移的距離，km；ΔTa為兩場干旱事件的干旱時空質(zhì)心時間坐標(biāo)之差，年。

2 浙江省氣象干旱時空演變特征研究

2.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

筆者研究區(qū)域為浙江省，位于中國東南沿海地區(qū)，介于東經(jīng)118°01′～123°10′，北緯27°02′～31°11′，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，河流水系眾多，多年平均降水量為1 100～2 400 mm，降水時空分布不均勻[18]。浙江省干旱災(zāi)害比較頻繁，據(jù)資料統(tǒng)計，1949—2004年浙江省發(fā)生較明顯干旱的有31年[19]。

經(jīng)過合理篩查，筆者采用浙江省44個雨量站點1960—2019年的逐月降水觀測資料，選取的雨量站點覆蓋各市，具有較好的代表性，浙江省雨量代表站點如圖3所示。通過空間內(nèi)插，把離散的氣象臺站資料轉(zhuǎn)變成規(guī)則的0.25°×0.25°格點數(shù)據(jù)，浙江省地理高程及研究格點數(shù)據(jù)空間分布如圖3所示，研究網(wǎng)格覆蓋了整個研究區(qū)域。

圖3 浙江省地理高程及研究格點數(shù)據(jù)空間分布圖

2.2 浙江省氣象干旱事件識別

用干旱體結(jié)構(gòu)提取法識別浙江省1960—2019年不同等級的氣象干旱事件，可知干旱歷時不少于3個月的干旱事件有51場，浙江省各年代氣象干旱事件數(shù)量見表1，1960—1969年和2000—2009年干旱事件頻繁發(fā)生。在720個月中，共有339個月發(fā)生了干旱，占比約47.1%。浙江省分別在1963，1964，1967，1971，1978，1979，1986，1988，2003—2005，2011年發(fā)生的干旱事件干旱強度大，持續(xù)時間長，覆蓋范圍廣，屬于典型干旱事件，該結(jié)果與浙江省歷史干旱災(zāi)情記錄，以及金新芽等[12]研究結(jié)果基本吻合，表明時空連續(xù)的三維干旱識別方法對浙江省具有較好的適用性。對干旱季節(jié)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)67個月發(fā)生了春旱，101個月發(fā)生了夏旱，99個月發(fā)生了秋旱，72個月發(fā)生了冬旱，可知夏旱發(fā)生頻率最高，其次為秋旱。

表1 浙江省各年代識別的氣象干旱事件數(shù)量

2.3 浙江省氣象干旱事件時空演變特征分析

2.3.1 干旱三維時空分布格局

將研究時期1960—2019年分為6個年代，分析浙江省干旱事件的時空分布格局，以三維干旱體結(jié)構(gòu)可視化展現(xiàn)浙江省干旱事件，觀察閾值等值面的三維輪廓邊界可以明確不同等級干旱事件的發(fā)生范圍與時空分布。各年代干旱事件的干旱體結(jié)構(gòu)時空分布格局見圖4，圖中顏色渲染表示干旱指標(biāo)SPI值大小，顏色越深表示該時空區(qū)域內(nèi)旱情越嚴(yán)重。

圖4 1960—2019年各年代干旱體結(jié)構(gòu)時空分布格局(圖中年月數(shù)據(jù)為根據(jù)干旱體結(jié)構(gòu)提取法得到的每場干旱的發(fā)生與結(jié)束時間坐標(biāo))

干旱體結(jié)構(gòu)時空分布格局直觀地展現(xiàn)了1960—2019年浙江省旱情，浙江省分別在1963，1965，1967，1971，1978，1979，1986，1988，2003—2005，2011年發(fā)生了典型干旱事件，干旱體體積較大，內(nèi)部區(qū)域顏色較深，表明旱情較為嚴(yán)重。20世紀(jì)60年代區(qū)域整體偏旱，面積大、強度高的干旱事件常有發(fā)生。20世紀(jì)70年代前期旱災(zāi)發(fā)生依舊較為頻繁，但1974年以后旱情得以緩解，以干旱面積較小的小范圍干旱事件居多，一直到1978年以后才有強度較大的全域性干旱事件發(fā)生。20世紀(jì)80年代旱災(zāi)依舊頻繁發(fā)生，影響面積較大，但是干旱事件的持續(xù)時間相比之前明顯縮短，說明旱災(zāi)的響應(yīng)機制正在不斷完善。20世紀(jì)90年代旱情得到一定的緩解，前期旱災(zāi)發(fā)生較少，且影響范圍與持續(xù)時間較小，1995—1997年間有較嚴(yán)重的干旱發(fā)生。進入21世紀(jì)以后旱情又加重，2000—2009年干旱體數(shù)量增多，干旱事件發(fā)生相對較為頻繁，尤其是2003—2005年旱情較為嚴(yán)重，持續(xù)時間較長，影響范圍大；在2010—2009年干旱事件數(shù)量減少且強度不大，旱情得以緩解，與樊高峰等[19]研究結(jié)論較為吻合。

2.3.2 干旱各年代空間分布格局

為揭示干旱各年代空間分布格局，使用克里金插值法展現(xiàn)6個年代內(nèi)干旱年SPI平均值的空間分布格局與干旱時空質(zhì)心分布圖如圖5所示。將干旱時空質(zhì)心在研究區(qū)域平面上進行投影，用黑色圓球表示干旱時空質(zhì)心的地理位置，圓球的大小表示該場干旱事件的干旱烈度，展現(xiàn)了各年代每一場干旱事件主要集中區(qū)域的空間位置分布以及干旱烈度的變化。

分析SPI平均值空間分布可知，各年代干旱分布格局有所差異，用黑圈標(biāo)記干旱嚴(yán)重區(qū)域。20世紀(jì)60年代干旱嚴(yán)重區(qū)域主要分布于浙江省東北部，其中寧波市和舟山市等濱海區(qū)域，以及金華和杭州交界處較嚴(yán)重；20世紀(jì)70年代旱情得到了一定的緩解，干旱嚴(yán)重區(qū)域向西南方向轉(zhuǎn)移，麗水市和金華市較為嚴(yán)重；20世紀(jì)80年代干旱繼續(xù)向周邊的衢州市和臺州市等城市擴散，浙江南部地區(qū)旱情相對比較嚴(yán)重；20世紀(jì)90年代干旱分布空間格局未發(fā)生顯著變化，麗水市和金華市依舊相對嚴(yán)重，衢州市旱情也較嚴(yán)重；進入21世紀(jì)以后，干旱嚴(yán)重區(qū)域向東北方向轉(zhuǎn)移，2010年以前嘉興市、寧波市和紹興市整體旱情嚴(yán)重，而2010—2019年旱情整體得到了緩解，干旱繼續(xù)向西南方向轉(zhuǎn)移，衢州市、麗水市和溫州市范圍內(nèi)均出現(xiàn)了旱情。從整體上看，1960—1969年和2000—2009年干旱嚴(yán)重區(qū)域主要分布在浙江省東北部，1970—1999年和2010—2019年間干旱嚴(yán)重區(qū)域主要集中于浙江省西南部地區(qū)。

研究干旱時空質(zhì)心的遷移方向和趨勢，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，各年代干旱嚴(yán)重區(qū)域的轉(zhuǎn)移方向與干旱時空質(zhì)心的遷移趨勢大致吻合，干旱時空質(zhì)心基本位于干旱嚴(yán)重區(qū)域?qū)?yīng)的黑圈范圍內(nèi)。

2.3.3 干旱時空演變趨勢性分析

為了量化干旱事件三維時空分布格局，解析1960—2019年干旱時空演變特征的整體趨勢變化，分別對干旱歷時、干旱強度、干旱面積、干旱時空遷移速率、干旱時空質(zhì)心經(jīng)緯度的歷史時間序列進行趨勢性分析，繪制整體變化趨勢線如圖6所示。圖中的R是趨勢擬合程度指標(biāo)。觀察上述特征的多年變化特征可知，浙江省干旱歷時和干旱面積均呈現(xiàn)下降趨勢，干旱強度輕微下降，表明浙江省干旱事件整體輕微減弱，旱情逐漸緩解，持續(xù)時間縮短，且區(qū)域影響范圍也逐漸縮小，干旱體結(jié)構(gòu)外形呈現(xiàn)出逐漸縮小的趨勢。干旱時空遷移速率整體呈上升趨勢，在2010年前較為平穩(wěn)，變化幅度不大，2020年后干旱時空遷移速率加快。干旱時空質(zhì)心的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)整體上均呈增大趨勢，表明1960—2019年浙江省干旱整體上有逐漸向東北方向遷移的趨勢。

結(jié)合2.3.1節(jié)的干旱事件三維時空分布格局進行分析，在20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)以后浙江省干旱強度相對較強，大多在平均線以上，20世紀(jì)70年代干旱強度顯著減小，干旱面積下降，20世紀(jì)70年代末從干旱期轉(zhuǎn)入濕潤期，20世紀(jì)80—90年代干旱歷時相比之前縮短，干旱強度較弱。步入21世紀(jì)以后，浙江省各等級干旱事件頻發(fā)，干旱強度呈增加趨勢，干旱強度和面積波動較大。

3 結(jié) 論

應(yīng)用時空連續(xù)的三維干旱識別方法，完整提取浙江省1960—2019年氣象干旱事件并構(gòu)建三維干旱體結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)各年代不同等級干旱事件的時空分布格局與發(fā)展過程中的時空動態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上建立6項干旱時空演變特征變量，通過克里金插值法和趨勢性分析，在多年時間序列中定量解析浙江省干旱事件時空演變特征。研究結(jié)果表明：1) 浙江省1960—2019年干旱歷時不少于3個月的干旱事件有51場，夏旱和秋旱頻率較高，干旱體結(jié)構(gòu)提取法在浙江省具有較好的適用性；2) 干旱空間分布格局為1960—1969年和2000—2009年干旱嚴(yán)重區(qū)域主要分布在浙江省東北部，1970—1999年和2010—2019年之間干旱嚴(yán)重區(qū)域主要集中于浙江省西南部地區(qū)，干旱時空質(zhì)心的遷移趨勢與干旱嚴(yán)重區(qū)域的轉(zhuǎn)移方向大致吻合；3) 浙江省干旱強度較強的時期為20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)后，20世紀(jì)70年代干旱顯著減弱，影響面積縮小，20世紀(jì)80—90年代干旱歷時相比之前縮短，干旱強度較弱，自21世紀(jì)以后，干旱強度呈增加趨勢，干旱強度和面積波動較大；4) 從整個時間序列看，浙江省干旱事件持續(xù)時間縮短，且區(qū)域影響范圍也逐漸縮小，呈輕微減弱趨勢，干旱體結(jié)構(gòu)外形呈現(xiàn)出逐漸縮小的趨勢，在空間地理位置上逐漸向東北方向遷移，干旱事件時空遷移的速率整體為上升趨勢。