摘要：全球變化背景下，干旱事件頻發給區域水資源管理和社會經濟可持續發展帶來了巨大挑戰，科學合理地辨識干旱發生發展過程一直是干旱研究領域的前沿與難點。該研究將圖像三維連通性識別方法應用于氣象干旱事件的識別和提取。在長江流域的應用表明此方法識別出的干旱事件與歷史記錄的吻合度較高，能有效識別氣象干旱事件。基于1960—2015年標準化降水蒸散發指數（StandardizedPrecipitationEvapotranspirationIndex,SPEI），長江流域共發生281場氣象干旱事件，其中長歷時干旱事件（歷時大于4個月）64場。長歷時干旱事件在流域中部發生次數多于東部和西部，2000年之后的發生頻次、干旱面積和干旱強度大于2000年之前，單場事件發展方向以西北和東南為主。整體上，干旱事件發生頻次和干旱強度在長江流域中部呈增加趨勢，在流域東部和西部呈減小趨勢。該研究有助于探索長江流域干旱事件發展演變規律。

　　關鍵詞：干旱；三維；圖像連通；時空特征；演變規律；長江流域

　　0引言

　　干旱通常是指在一定時期內由降水不足等因素引發的區域水份供需不平衡的氣候事件，具有持續時間長、范圍波及廣、發生頻率高、產生危害大等特征[1]。全球約有45%的土地受到干旱威脅[2]，每年受旱災影響的人口數超過其他任何一種氣象災害[3]。自20世紀70年代以來，干旱在造成的經濟損失每年高達上千億人民幣[1]。干旱不僅會給農業生產帶來巨大損失，影響區域經濟可持續發展，還會造成區域水資源短缺、生態惡化、荒漠化加劇等諸多不利影響[4-5]。IPCC（2019）第六次評估報告《氣候變化與土地》特別報告[6]指出1961—2013年間，受干旱影響的面積平均每年增加幅度高于1%。有研究表明1950年之后區域干旱發生頻次和影響范圍逐漸增加，造成的經濟損失呈大幅上升趨勢[7-8]。干旱的多發、頻發已成為制約區域社會經濟可持續發展不可忽視的因素。因此，明晰區域干旱發生發展演變規律具有重要的現實意義與價值。

　　1研究區和數據

　　1.1研究區概況

　　長江發源于青藏高原的唐古拉山脈，向東流經11個省級行政區后注入東海，長江干流全長6387km，是世界上第三長的河流。長江流域位于90°33'E～122°25'E，24°30'N～35°45'N（圖1），總面積達180萬km2，約占中國國土面積的18.8%，流域內人口占總人口的1/3[26]。其中，宜昌站以上、從宜昌到湖口、湖口至入海口分別為長江流域上游、中游和下游，流域控制面積分別約為100萬、68萬和12萬km2。長江流域氣候溫暖，雨量較為豐沛，多年平均降水量為1127mm[27]，受水汽輸送和地形因素的影響，降水量時空分配不均，干旱在各個季節均有發生，且影響面積較大[28]。有研究表明1961—2015年期間長江流域年均干旱發生次數為3.77次[29]，給區域內水資源管理、農業生產及社會經濟可持續發展帶來巨大壓力[29-30]。因此，開展區域干旱事件的識別并研究其發展遷移規律對長江流域防旱抗旱和水資源優化配置等均具有重要現實意義。

　　1.2數據

　　本文選取長江流域及周邊206個氣象站點（圖1）的逐日氣象資料（降水、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日照時數、風速、相對濕度、大氣壓）開展長江流域的氣象干旱分析，數據來源于氣象科學數據中心（http://data.cma.cn/）。潛在蒸散發由聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式[31]計算得到。利用反距離加權（InversedDistanceWeighted,IDW）插值方法將計算得到的氣象站點月降水和潛在蒸散發月數據插值成0.25°×0.25°的空間格點數據，最后根據SPEI指數計算方法[32]得到長江流域各格點1960—2015年SPEI3指數序列。

　　2研究方法

　　2.1干旱指數的選取

　　本文采用SPEI指數刻畫氣象干旱，該指標考慮了降水和潛在蒸散發對干旱的影響，具有計算簡單、多時間尺度等優點[32]，在氣象干旱評估中應用廣泛。干旱具有較為明顯的季節性特征，研究表明，3個月尺度的干旱指數的既不會因為時間太短造成干旱指數變化激烈，又不會因為時間太長而均化干旱指數序列變化過程[10]，被國內外學者廣泛應用到不同地區的氣象干旱事件識別[9-10,20,22]。因此，本文選取3個月尺度的SPEI（記為SPEI3）指數開展后續分析。參照SPEI干旱等級劃分標準[32]和長江流域干旱有關研究[28,33]，當SPEI3<?1時，認為發生干旱；當SPEI3≥?1時，認為未發生干旱。

　　2.2基于圖像三維連通性識別技術的干旱事件提取方法

　　干旱事件具有明顯時空連續性和動態演變三維特征，發生干旱的格點與圖像中的有效像素格點類似，從空間中識別三維圖像連通體與從干旱指標中識別三維氣象干旱事件具有相似性，因此可以將三維圖像連通性識別技術引入到氣象干旱事件的識別。圖像三維連通性識別技術基于圖像有效像素格點之間的距離判斷圖像之間是否相互連通，若距離為1則表示相互連通，大于1則不連通[34]。棋盤距離常被用來描述圖像像素格點之間的距離，它是指兩點間橫縱（豎）坐標之差的最大值。

　　3結果與分析

　　3.1基于圖像三維連通性識別方法的干旱事件識別

　　面積閾值的選取對干旱事件識別影響較大，不合理的面積閾值往往會提取出不符合實際情況的長歷時干旱事件[35]。研究表明面積閾值設置為研究區面積的1.6%能有效識別研究區內的干旱事件[10,20,23,36]，考慮到不同研究區干旱發生演變特征不同，本文將面積閾值A、B設定為同一值，分析了不同面積閾值（從1.0%至2.0%）對長江流域干旱事件識別的影響（圖4）。可以看出，當干旱面積閾值取值為研究區面積的1.5%時，在長江流域識別出的最長干旱事件歷時和對應事件的干旱面積逐漸趨于平穩。考慮到長江流域屬于亞熱帶季風氣候，根據歷史干旱事件發生記錄，該區域很少發生20個月以上的長歷時干旱事件[37]，因此，本文將面積閾值設置為研究區面積的1.5%（約為2.7萬km2）。

　　3.2長江流域干旱特征變化分析

　　圖7展示了長江流域1960－2015年長歷時干旱事件的時空發展過程。可以看出，時間上，強度高、影響面積廣的干旱事件大多發生在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年等時間段；空間上，長江流域中部地區長歷時干旱發生相對較為頻繁。1980－1990年長歷時干旱事件平均干旱面積相對較小，2000年之后長歷時干旱事件發生次數明顯增多，1960－1999年40a間共發生43場長歷時干旱事件，平均每年1.1次，平均干旱持續時間和面積分別為8.1個月和2.74×104km2；2000—2015年16a間發生長歷時干旱事件21場，平均每年1.5場，平均干旱持續時間和面積分別為7.6個月和3.50×104km2。

　　4結論

　　本文將圖像三維連通性識別方法引入到氣象干旱事件識別過程中，不同于基于聚類算法的干旱事件識別方法先識別干旱斑塊再合并，該方法先識別三維連通體，再根據閾值條件對連通體進行拆分，從而得到干旱事件。應用此方法識別了1960－2015年長江流域氣象干旱事件，并分析了干旱事件發展演變特征。主要結論如下：

　　1）將本文提出的基于圖像三維連通性識別方法的干旱事件識別方法所識別出的干旱事件與歷史記錄、干旱事件影響范圍內的土壤水分虧缺情況和基于聚類算法識別出的干旱事件進行綜合對比，結果表明本文提出的干旱事件識別方法能有效識別區域氣象干旱事件。基于SPEI3數據，長江流域1960－2015年共識別出281場氣象干旱事件，其中長歷時干旱事件64場，；

　　2）長江流域中部區域長歷時干旱事件發生次數較多，1980－1990年長歷時干旱事件發生頻率較低，2000年之后長歷時干旱事件發生頻率和影響面積較1960－1990年增加，約83%的長歷時干旱事件向西北和東南方向發展；

　　3）長江流域中部干旱事件發生頻率和年累積干旱強度大于源頭區域和流域東部，且存在明顯增加趨勢。本文發展的三維干旱事件識別方法為基于事件角度分析干旱提供了新途徑，對長江流域干旱事件演變規律分析有助于更好理解長江流域歷史干旱事件發展變化特征。但本文只分析長江流域干旱事件整體的變化和遷移特征，下一步研究可以考慮分析影響干旱發生和干旱事件逐月集中點遷移的因素，以更好地從影響干旱發生機理角度分析長江流域干旱發生演變規律。

　　[參考文獻]

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

　　鄧翠玲，佘敦先※，張利平，張琴，柳鑫，王書霞