基于氣候區的全球干旱形勢分析

吳陶櫻, 方秀琴, 吳小君, 杜曉彤, 汪 偉

(河海大學 地球科學與工程學院, 南京 211100)

干旱是一種發生在所有氣候區的常見的自然災害，已經引起了環境學家、生態學家、水文學家、氣象學家、地質學家以及農業科學家的注意。通常干旱被分為4類：氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱[1-5]。干旱發展緩慢，但造成的影響隨著季節或年份的持續而累積，并且在干旱結束后的一段時間內，造成的影響并不會隨之結束[6]。例如，Schwalm等[7]研究發現，當干旱發生后，干旱恢復時間與氣候和碳循環動態密切相關，熱帶地區和北半球高緯度地區(地球氣候系統的脆弱地區)讓生態系統恢復到干旱發生前的狀態需要的時間最長；Lesk等[8]研究發現由干旱造成的生產損失與收獲面積減少、產量下降有關，而極端高溫主要導致谷物產量下降；Doughty等[9]研究發現，在干旱發生期間，亞馬孫流域的樹木凈初級生產力沒有變化，光合作用減弱，樹木通過減少與生長無關(組織維護、自身防御)的自養呼吸來優先生長，這將導致旱后樹木死亡率增加。因此對氣象干旱進行研究，了解氣象干旱的發生趨勢與模式，對預防可能引起的水文干旱及農業干旱十分重要。

標準化降水指數(SPI)是McKee等[10]提出的，世界氣象組織(WMO)所推薦[11]的，用于描述氣象干旱的干旱指數。SPI的正值代表濕潤，負值代表干燥[12]。SPI值在-2到-1之間代表了中度干旱(下文用“中旱”表示)和嚴重干旱(下文用“重旱”表示)，當SPI≤-2時，代表了特大干旱(下文用“特旱”表示)[10]。由于SPI靈活簡單，它被廣泛用于各種干旱研究中，比如Wang等[13]、Leng等[14]、Hao等[15]、Mo[16]、張苗苗[17]、Park等[18]等均使用SPI來表示氣象干旱。

了解過去干旱發生的頻率和影響范圍對預計未來干旱的發生有極大幫助，目前對氣候與干旱的研究主要集中在兩方面：一方面是區域尺度氣候變化對干旱的影響，比如Leng等[14]利用標準化降水指數，標準化徑流指數和標準化土壤濕度指數，從氣象，農業和水文角度評估氣候變化對我國干旱的影響，Wang等[13]基于氣候變化預測和降水尺度技術，評估氣候變化對伊利諾斯州中部干旱的影響可靠性，柳媛普等[19]對氣候變暖背景下我國西南地區的干旱風險進行評估；另一方面是氣候變化導致的干旱對生態、社會經濟等方面造成的影響，比如Dallmann等[20]研究了氣候變化導致的干旱對印度移民的影響，Young等[21]研究了氣候變化導致的干旱對樹木死亡率的影響，王華等[22]研究了氣候變暖背景下廣東氣象災害的變化及對廣東冬種的影響。而對于全球的氣候區內干旱的特征及變化的研究不多，并且現有的少量研究僅在區域尺度上進行氣候區內干旱特征探究，如Park等[18]對美國2000—2012年干旱區與濕潤區作物生長季的氣象干旱與農業干旱進行了研究，以及Son等[23]對亞洲季風區不同氣候區轉變為干旱區的干旱特征進行了研究。

同一氣候區內因氣溫、降水條件相似，空間相關性較高，發生干旱特征也更相似，因此本文使用基于衛星的數據集，采用SPI指數，對全球陸地及各氣候區內的干旱趨勢進行研究，得到全球陸地及各氣候區內的干旱特征及變化形勢。

1 數據和方法

1.1 數 據

本文所使用的SPI數據來自于MERRA數據集(Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)。MERRA是最近推出的一套基于將現場和遙感觀測資料同化為全球大氣和陸地表面數值模式的全球長期再分析產品(http:∥dx.doi.org/10.608 4/m9.figshare.853 801)，除了估算大氣條件外，再分析產品還提供陸地表面場的估算，包括地面氣象強迫數據(如降水，輻射，氣溫和濕度)以及地表狀態和通量(如土壤濕度，雪和徑流)，其中包括SPI數據[24]。本研究所使用的SPI的時間跨度為1980年1月—2013年9月，空間分辨率為0.67°×0.5°，時間分辨率為月尺度，數據覆蓋全球陸地(其中格陵蘭島大部分地區和南極沒有數據)。

氣候區的分類參考柯本—蓋格氣候分類方法[25](http:∥koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/present.htm)，并作了一定改進。柯本—蓋格氣候分類按氣溫和降水分為30個氣候區，在此基礎上我們考慮氣溫、降水和區域位置及面積進行一定程度的歸類，歸類條件見表1，歸類后一共劃分了12個氣候分區，作為本研究所采用的氣候分區。

表1 中Tmin表示最冷月月均溫，Tmax表示最熱月月均溫，Tmon表示月均溫，Pmin表示最干燥月份降水量，Pann表示年降水量，Pth表示降水閾值，計算如式(1)所示，Psmin表示夏半年降水最少月份降水量，Pwmin表示冬半年降水最少月份降水量，Pwmax表示冬半年降水最多月份降水量。

(1)

其中Tann表示年均溫，夏半年指北半球4—9月，南半球10—3月，冬半年指北半球3—10月，南半球4—9月。

1.2 方 法

本文采用SPI-6(由當月及前5個月的降水計算得到)[10]進行研究，參考GB/T20481～2017氣象干旱等級，本研究使用的干旱等級是：(1)-2

表1 12個氣候分區歸類條件

M-K趨勢檢驗是指對樣本的相對大小進行比較，并返回一個樣本是否有某種趨勢的判斷。對一個隨機變量組X(x1,x2,…，xn)，M-K趨勢檢驗方法見式(2)：

(2)

其中n表示樣本大小，sgn是個符號函數：

(3)

在M-K檢驗中，當式(2)中的S>0時，表示隨機變量組有增長的趨勢，當S<0時，表示隨機變量組有減少的趨勢。趨勢的顯著性可以用z檢驗來獲得：

(4)

其中z代表標準z統計檢驗[28]，σ是標準差，可用式(5)近似表示：

(5)

本文使用0.05，0.01的置信水平，分別表示95%和99%的可信度。

2 結果與分析

2.1 不同氣候區干旱面積占比變化

1980—2013年中旱、重旱(-2

(1) 在熱帶氣候區內，2000年之前發生大范圍(干旱面積占比超過全球陸地)干旱的頻率較小，但是干旱發生時的影響范圍(干旱面積占比)較大。2000年之后發生大范圍干旱的頻率有較大幅度增加，但是干旱發生時的影響范圍比2000年之前有略微減小。在熱帶的3個氣候區內，熱帶雨林氣候區在2000年前干旱發生的影響范圍最大，2000年之后干旱發生的影響范圍有所下降；熱帶季風氣候區在2000年后干旱發生的影響范圍最大，發生大范圍干旱的頻率有所上升；熱帶稀樹草原氣候區在2000年之后發生大范圍干旱的頻率有所增加。

(2) 在干燥氣候區內，干旱發生的影響范圍與發生大范圍干旱的頻率沒有太大差別。在干燥氣候的兩個氣候區內，半干旱氣候區在2003年前干旱發生的影響范圍較大，而2003年之后干旱發生的影響范圍大幅度減小，而沙漠氣候區發生干旱的影響范圍與發生大范圍干旱的頻率均沒有太大差別。

(3) 在溫帶氣候區內，發生大范圍中旱、重旱的頻率沒有太大差別，2003年之后干旱發生的影響范圍略微有所增加，而對于特旱，2005年前發生大范圍干旱的頻率與影響范圍均比2005年后大。在溫帶的3個氣候區內，2005年后海洋性氣候區發生大范圍特旱的影響范圍與頻率下降到與全球平均相當，發生大范圍中旱、重旱的影響范圍與頻率沒有太大差別；地中海氣候區2005年后發生大范圍特旱的影響范圍與頻率也有大幅度下降，發生大范圍中旱、重旱的影響范圍與頻率同樣沒有太大差別；而濕潤亞熱帶氣候區發生大范圍中旱、重旱以及大范圍特旱的影響范圍與頻率均無太大差別。

圖1 1980-2013年中旱、重旱(-2

圖2 1980-2013年特旱(SPI≤-2)在全球陸地及12個氣候分區面積占比

(4) 在大陸性氣候區內，發生大范圍干旱的影響范圍與頻率均在2000年后有所下降。在大陸性氣候區的兩個氣候區內，濕潤大陸性氣候區在2000年后發生干旱的影響范圍有略微減少，頻率有較大幅度下降；而亞寒帶氣候區在2000年后大范圍干旱發生的影響范圍以及頻率均有較大幅度下降。

(5) 在極地氣候區內，由于冰原氣候區所在范圍主要是南極和格陵蘭島，我們的原始數據只覆蓋了很小一部分，即便有干旱發生，影響范圍也十分有限。而苔原氣候區除1990年代有較大范圍的干旱，其余年份的干旱情況與全球平均相持平，并且自2000年后發生干旱的影響范圍略低于全球平均水平。

表2 1980-2013年全球陸地和各氣候區干旱面積

表2分別列出了1980—2013年全球陸地和各氣候區處于干旱下的面積百分比變化范圍和平均值。從圖1、圖2和表2中可以得知，對于全球五大氣候區(熱帶氣候區、干燥氣候區、溫帶氣候區、大陸性氣候區和極地氣候區)：

(1) 相對濕潤的氣候區(如熱帶氣候區中的熱帶雨林氣候區、干燥氣候區中的半干旱氣候區、大陸性氣候區中的濕潤大陸性氣候區、極地氣候區中的苔原氣候區)內發生干旱的影響范圍更大；

(2) 降水相對較少的氣候區(如熱帶氣候區中年均降水最少的熱帶稀樹草原氣候區，以及干燥氣候區)內發生大范圍干旱的頻率相對更高；

(3) 各氣候區發生干旱影響范圍與大范圍干旱的頻率大部分在21世紀后發生變化：熱帶氣候區在2000年前后發生干旱影響范圍減小、大范圍干旱的頻率增加，干燥氣候區中的半干旱氣候區在2003年前后發生干旱影響范圍大幅度減小，溫帶氣候區在2003—2005年前后發生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率有較復雜的變化，大陸性氣候區在2000年前后發生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率均有所下降，極地氣候區中的苔原氣候區在2000年前后發生干旱的影響范圍與大范圍干旱頻率均降低，且略低于全球平均水平。

2.2 不同氣候區干旱面積變化趨勢

在統計了全球陸地及各氣候區發生干旱的面積變化情況后，我們使用M-K檢驗對全球及各氣候區的干旱面積變化趨勢進行了檢驗，結果見表3。

表3 1980-2013年全球陸地及各氣候區干旱面積變化趨勢

注：*表示通過0.05顯著性檢驗；**表示通過0.01顯著性檢驗

從表3可看出，熱帶雨林氣候區、半干旱氣候區、地中海氣候區和冰原氣候區沒有顯著的干旱面積變化趨勢。熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區、濕潤亞熱帶氣候區和海洋性氣候區發生干旱的面積均有變大趨勢，并且熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區、濕潤亞熱帶氣候區均通過了0.01顯著性檢驗，海洋性氣候區通過了0.05顯著性檢驗；熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區和濕潤亞熱帶氣候區發生特旱等級干旱的面積都有顯著變大的趨勢，并且都通過了0.01顯著性檢驗。全球陸地、濕潤大陸性氣候區、亞寒帶氣候區和苔原氣候區干旱面積均有變小趨勢，并且均通過了0.01顯著性檢驗；亞寒帶氣候區發生特旱等級干旱的面積有顯著變小的趨勢，并且通過了0.01顯著性檢驗。

2.3 柵格SPI值M-K檢驗結果

在對全球陸地及各氣候區發生干旱的趨勢進行檢驗后，我們又對所有柵格的SPI值進行了M-K檢驗，以查看全球陸地的變化趨勢(變干趨勢和變濕趨勢)。對柵格SPI值進行M-K檢驗的結果如圖3所示，顏色越深表示變干或變濕的趨勢越顯著。

圖3 柵格M-K檢驗結果

從圖3可以看出，北美洲西海岸、南美洲大部分地區、非洲東部一大半地區、歐洲西部和北部、阿拉伯半島、亞洲中南半島北部、白令海峽一帶有非常顯著的變干趨勢；北美洲北部、北美洲南部加勒比海地區、亞洲北部、東南亞、澳大利亞大部分地區有非常顯著的變濕趨勢。

從圖4和圖5可以進一步看出，加拿大西部、美國西部和南部、墨西哥、南美洲絕大部分地區、非洲東部絕大部分地區、西歐、北歐、阿拉伯半島、中南半島、中國西南部分地區、蒙古、巴布亞新幾內亞、新西蘭南島、俄羅斯遠東地區白令海峽一帶均有顯著的變干趨勢。加拿大北部、美國東海岸、北美洲南部加勒比海地區、非洲地中海沿岸西部、歐洲中部、俄羅斯亞洲境內、中亞、中國北緯30°～40°、青藏高原東部、東南亞、澳大利亞西部和北部均有顯著的變濕趨勢。美國大平原、非洲西部和南部、歐洲東部、印度大部分地區、中國南方和東北、澳大利亞東南均沒有顯著的變干趨勢或變濕趨勢。

圖4 柵格M-K檢驗通過0.05置信水平變濕趨勢和變干趨勢分布

圖5 柵格M-K檢驗通過0.01置信水平變濕趨勢和變干趨勢分布

圖6 全球陸地和各氣候區有顯著變濕趨勢和變干趨勢面積占比

從圖6可以看出，全球有20%以上的陸地分別有顯著變干趨勢和顯著變濕趨勢，變濕趨勢所占面積更大。在熱帶氣候區中：熱帶雨林氣候區有35%左右的面積有顯著變濕趨勢，有25%左右的面積有顯著變干趨勢；熱帶季風氣候區有20%以上的面積有顯著變濕趨勢，而有顯著變干趨勢的面積占比是顯著變濕面積的兩倍多；熱帶稀樹草原氣候區同樣是顯著變干趨勢面積是顯著變濕趨勢面積的兩倍多。在干燥氣候區中：半干旱氣候區顯著變干趨勢和顯著變濕趨勢所占的面積均在30%左右，顯著變濕趨勢所占面積更大；沙漠氣候區有20%以上的面積有顯著變濕趨勢，顯著變干趨勢面積達到了30%以上。在溫帶氣候區中：僅地中海氣候區顯著變濕趨勢所占面積更大，達到了30%左右；濕潤亞熱帶氣候區和海洋性氣候區有顯著變干趨勢的面積是有顯著變濕趨勢面積的近1.5倍。在大陸性氣候區中：濕潤大陸性氣候區和亞寒帶氣候區的顯著變干趨勢所占面積均為20%左右，而這兩個氣候區中顯著變濕的面積均大大超過顯著變干趨勢的面積，前者達到了40%左右，后者達到了50%左右。在極地氣候區中：苔原氣候區僅不到20%的面積有顯著變干趨勢，而有顯著變濕趨勢的面積達到了40%；冰原氣候區由于數據覆蓋范圍太小，兩種趨勢所占面積可以忽略不計。

3 討 論

本文使用1980—2013年的SPI-6數據對全球陸地及12個氣候大區進行了干旱形勢分析。分析表明，在不同氣候區中，較濕潤氣候區發生干旱的范圍變化較大，較干旱氣候區發生大范圍干旱的頻率較高，各氣候區干旱發生的影響范圍與大范圍干旱的頻率大部分在21世紀后發生變化(圖1，圖2，表2)。熱帶氣候區中熱帶季風氣候區和熱帶稀樹草原氣候區發生大范圍干旱的頻率在2000年后有所增加，與表3、圖6的結果一致；大陸性氣候區中濕潤大陸性氣候區和亞寒帶氣候區在2000年后發生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率均有一定程度的下降，與表3、圖6的結果一致；極地氣候區中苔原氣候區發生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率在2000年后有一定程度的下降，與表3、圖6的結果一致。

對全球陸地整體和各氣候區分別進行M-K檢驗的結果(表3)顯示，全球總體而言并無顯著的干旱面積增加趨勢，這與Sheffield等[29]，Damberg等[30]的研究結果一致。然而，熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區、濕潤亞熱帶氣候區和海洋性氣候區發生干旱的面積有顯著增加的趨勢，其中熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區和濕潤亞熱帶氣候區發生特旱等級干旱的面積有十分顯著的增加趨勢，這可能是由于極端降水增多，而總降水量并無太大變化[31]造成的。全球陸地整體、濕潤大陸性氣候區、亞寒帶氣候區和苔原氣候區發生干旱的面積有顯著減少的趨勢；亞寒帶氣候區發生特旱等級干旱的面積有十分顯著的減少趨勢，這可能是由于全球變暖，亞寒帶地區降水增加[32]造成的。

對柵格進行M-K檢驗的結果顯示，全球20%以上的陸地有顯著變干趨勢，20%以上的陸地有顯著變濕趨勢，其中熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區、濕潤亞熱帶氣候區和海洋性氣候區有變干趨勢的面積更大，而全球陸地、熱帶雨林氣候區、半干旱氣候區、地中海氣候區、濕潤大陸性氣候區、亞寒帶氣候區和苔原氣候區有變濕趨勢的面積更大，熱帶地區有變干的趨勢可能是由于極端降水增多，而總降水量并無太大變化[31]造成的，寒冷地區有變濕的趨勢可能是由于全球變暖，寒冷地區降水增加[32]造成的。

4 結論與展望

本文使用SPI-6對全球陸地及各氣候區過去三十多年間的干旱情況進行了分析，結果表明：在干旱發生影響范圍上，濕潤地區的影響范圍更大；而在大范圍干旱發生的頻率上，干旱半干旱地區的頻率更高。

全球陸地及各氣候區干旱面積的變化趨勢分析結果顯示，干旱的發生和變化具有強烈的空間異質性，表現為全球總體而言并無顯著干旱面積增加趨勢，這與其他學者[29-30]的研究結果一致，而熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區、濕潤亞熱帶氣候區和海洋性氣候區干旱面積有顯著變大趨勢，其中熱帶季風氣候區、熱帶稀樹草原氣候區、沙漠氣候區和濕潤亞熱帶氣候區發生特旱等級干旱的面積有十分顯著的變大趨勢；同時全球陸地、濕潤大陸性氣候區、亞寒帶氣候區和苔原氣候區干旱面積有顯著變小趨勢，其中亞寒帶氣候區發生特旱等級干旱的面積有顯著變小的趨勢。

過去三十多年間全球和各氣候區的變干趨勢和變濕趨勢顯示全球有20%以上的陸地有顯著變干趨勢，20%以上的陸地有顯著變濕趨勢，其中熱帶季風氣候區和熱帶稀樹草原氣候區有40%以上面積有顯著變干趨勢，亞寒帶氣候區和苔原氣候區有40%以上面積有顯著變濕趨勢。

本文對氣候區的劃分較為粗糙，未來可以對劃分更加精細的氣候區進行研究。在對氣候區重新劃分的過程中，我們發現氣候區的劃分也有季節之分，未來同樣也可以對不同季節下各氣候區進行研究。本文僅對各氣候區干旱的整體情況進行研究，無法顯示具體干旱區域的變化，未來可對典型干旱區域、典型干旱事件進行研究。