基于图像三维连通性识别方法的长江流域干旱事件特征

　　摘要：全球变化背景下，干旱事件频发给区域水资源管理和社会经济可持续发展带来了巨大挑战，科学合理地辨识干旱发生发展过程一直是干旱研究领域的前沿与难点。该研究将图像三维连通性识别方法应用于气象干旱事件的识别和提取。在长江流域的应用表明此方法识别出的干旱事件与历史记录的吻合度较高，能有效识别气象干旱事件。基于1960—2015年标准化降水蒸散发指数（StandardizedPrecipitationEvapotranspirationIndex,SPEI），长江流域共发生281场气象干旱事件，其中长历时干旱事件（历时大于4个月）64场。长历时干旱事件在流域中部发生次数多于东部和西部，2000年之后的发生频次、干旱面积和干旱强度大于2000年之前，单场事件发展方向以西北和东南为主。整体上，干旱事件发生频次和干旱强度在长江流域中部呈增加趋势，在流域东部和西部呈减小趋势。该研究有助于探索长江流域干旱事件发展演变规律。

　　关键词：干旱；三维；图像连通；时空特征；演变规律；长江流域

　　0引言

　　干旱通常是指在一定时期内由降水不足等因素引发的区域水份供需不平衡的气候事件，具有持续时间长、范围波及广、发生频率高、产生危害大等特征[1]。全球约有45%的土地受到干旱威胁[2]，每年受旱灾影响的人口数超过其他任何一种气象灾害[3]。自20世纪70年代以来，干旱在造成的经济损失每年高达上千亿人民币[1]。干旱不仅会给农业生产带来巨大损失，影响区域经济可持续发展，还会造成区域水资源短缺、生态恶化、荒漠化加剧等诸多不利影响[4-5]。IPCC（2019）第六次评估报告《气候变化与土地》特别报告[6]指出1961—2013年间，受干旱影响的面积平均每年增加幅度高于1%。有研究表明1950年之后区域干旱发生频次和影响范围逐渐增加，造成的经济损失呈大幅上升趋势[7-8]。干旱的多发、频发已成为制约区域社会经济可持续发展不可忽视的因素。因此，明晰区域干旱发生发展演变规律具有重要的现实意义与价值。

　　1研究区和数据

　　1.1研究区概况

　　长江发源于青藏高原的唐古拉山脉，向东流经11个省级行政区后注入东海，长江干流全长6387km，是世界上第三长的河流。长江流域位于90°33'E～122°25'E，24°30'N～35°45'N（图1），总面积达180万km2，约占中国国土面积的18.8%，流域内人口占总人口的1/3[26]。其中，宜昌站以上、从宜昌到湖口、湖口至入海口分别为长江流域上游、中游和下游，流域控制面积分别约为100万、68万和12万km2。长江流域气候温暖，雨量较为丰沛，多年平均降水量为1127mm[27]，受水汽输送和地形因素的影响，降水量时空分配不均，干旱在各个季节均有发生，且影响面积较大[28]。有研究表明1961—2015年期间长江流域年均干旱发生次数为3.77次[29]，给区域内水资源管理、农业生产及社会经济可持续发展带来巨大压力[29-30]。因此，开展区域干旱事件的识别并研究其发展迁移规律对长江流域防旱抗旱和水资源优化配置等均具有重要现实意义。

　　1.2数据

　　本文选取长江流域及周边206个气象站点（图1）的逐日气象资料（降水、日最高气温、日最低气温、日平均气温、日照时数、风速、相对湿度、大气压）开展长江流域的气象干旱分析，数据来源于气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）。潜在蒸散发由联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式[31]计算得到。利用反距离加权（InversedDistanceWeighted,IDW）插值方法将计算得到的气象站点月降水和潜在蒸散发月数据插值成0.25°×0.25°的空间格点数据，最后根据SPEI指数计算方法[32]得到长江流域各格点1960—2015年SPEI3指数序列。

　　2研究方法

　　2.1干旱指数的选取

　　本文采用SPEI指数刻画气象干旱，该指标考虑了降水和潜在蒸散发对干旱的影响，具有计算简单、多时间尺度等优点[32]，在气象干旱评估中应用广泛。干旱具有较为明显的季节性特征，研究表明，3个月尺度的干旱指数的既不会因为时间太短造成干旱指数变化激烈，又不会因为时间太长而均化干旱指数序列变化过程[10]，被国内外学者广泛应用到不同地区的气象干旱事件识别[9-10,20,22]。因此，本文选取3个月尺度的SPEI（记为SPEI3）指数开展后续分析。参照SPEI干旱等级划分标准[32]和长江流域干旱有关研究[28,33]，当SPEI3<?1时，认为发生干旱；当SPEI3≥?1时，认为未发生干旱。

　　2.2基于图像三维连通性识别技术的干旱事件提取方法

　　干旱事件具有明显时空连续性和动态演变三维特征，发生干旱的格点与图像中的有效像素格点类似，从空间中识别三维图像连通体与从干旱指标中识别三维气象干旱事件具有相似性，因此可以将三维图像连通性识别技术引入到气象干旱事件的识别。图像三维连通性识别技术基于图像有效像素格点之间的距离判断图像之间是否相互连通，若距离为1则表示相互连通，大于1则不连通[34]。棋盘距离常被用来描述图像像素格点之间的距离，它是指两点间横纵（竖）坐标之差的最大值。

　　3结果与分析

　　3.1基于图像三维连通性识别方法的干旱事件识别

　　面积阈值的选取对干旱事件识别影响较大，不合理的面积阈值往往会提取出不符合实际情况的长历时干旱事件[35]。研究表明面积阈值设置为研究区面积的1.6%能有效识别研究区内的干旱事件[10,20,23,36]，考虑到不同研究区干旱发生演变特征不同，本文将面积阈值A、B设定为同一值，分析了不同面积阈值（从1.0%至2.0%）对长江流域干旱事件识别的影响（图4）。可以看出，当干旱面积阈值取值为研究区面积的1.5%时，在长江流域识别出的最长干旱事件历时和对应事件的干旱面积逐渐趋于平稳。考虑到长江流域属于亚热带季风气候，根据历史干旱事件发生记录，该区域很少发生20个月以上的长历时干旱事件[37]，因此，本文将面积阈值设置为研究区面积的1.5%（约为2.7万km2）。

　　3.2长江流域干旱特征变化分析

　　图7展示了长江流域1960－2015年长历时干旱事件的时空发展过程。可以看出，时间上，强度高、影响面积广的干旱事件大多发生在1960－1962年、1966－1969年、1978－1979年、1992－1994年、1996－1999年、2002－2004年、2006－2007年、2009－2010年、2012－2014年等时间段；空间上，长江流域中部地区长历时干旱发生相对较为频繁。1980－1990年长历时干旱事件平均干旱面积相对较小，2000年之后长历时干旱事件发生次数明显增多，1960－1999年40a间共发生43场长历时干旱事件，平均每年1.1次，平均干旱持续时间和面积分别为8.1个月和2.74×104km2；2000—2015年16a间发生长历时干旱事件21场，平均每年1.5场，平均干旱持续时间和面积分别为7.6个月和3.50×104km2。

　　4结论

　　本文将图像三维连通性识别方法引入到气象干旱事件识别过程中，不同于基于聚类算法的干旱事件识别方法先识别干旱斑块再合并，该方法先识别三维连通体，再根据阈值条件对连通体进行拆分，从而得到干旱事件。应用此方法识别了1960－2015年长江流域气象干旱事件，并分析了干旱事件发展演变特征。主要结论如下：

　　1）将本文提出的基于图像三维连通性识别方法的干旱事件识别方法所识别出的干旱事件与历史记录、干旱事件影响范围内的土壤水分亏缺情况和基于聚类算法识别出的干旱事件进行综合对比，结果表明本文提出的干旱事件识别方法能有效识别区域气象干旱事件。基于SPEI3数据，长江流域1960－2015年共识别出281场气象干旱事件，其中长历时干旱事件64场，；

　　2）长江流域中部区域长历时干旱事件发生次数较多，1980－1990年长历时干旱事件发生频率较低，2000年之后长历时干旱事件发生频率和影响面积较1960－1990年增加，约83%的长历时干旱事件向西北和东南方向发展；

　　3）长江流域中部干旱事件发生频率和年累积干旱强度大于源头区域和流域东部，且存在明显增加趋势。本文发展的三维干旱事件识别方法为基于事件角度分析干旱提供了新途径，对长江流域干旱事件演变规律分析有助于更好理解长江流域历史干旱事件发展变化特征。但本文只分析长江流域干旱事件整体的变化和迁移特征，下一步研究可以考虑分析影响干旱发生和干旱事件逐月集中点迁移的因素，以更好地从影响干旱发生机理角度分析长江流域干旱发生演变规律。

　　[参考文献]

　　[1]冯凯，粟晓玲.基于三维视角的农业干旱对气象干旱的时空响应关系[J].农业工程学报，2020，36(8)：103-113.FengKai,SuXiaoling.Spatiotemporalresponsecharacteristicsofagriculturaldroughttometeorologicaldroughtfromathree-dimensionalperspective[J].TransactionsofTheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2020,36(8):103-113.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]HuangJP,YuHP,GuanXD,etal.Accelerateddrylandexpansionunderclimatechange.NatureClimateChange,2016,6:166-171.

　　[3]DonaldAW.DroughtasANaturalHazard:ConceptsandDefinitions.InDrought:AGlobalAssessment[M].London:Routledge,2000:16.

　　邓翠玲，佘敦先※，张利平，张琴，柳鑫，王书霞

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