基于PDSI的1982—2015年我國氣象干旱特征及時空變化分析

陶 然，張 珂,3

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 3.中國氣象局-河海大學水文氣象研究聯合實驗室，江蘇 南京 210098)

氣象干旱是其他類型干旱發生的先導因素[1]。當降水量在一定時期持續少于正常狀態時，如果不及時采取措施，河湖水資源量、土壤含水量會相應減少[2]，引起干旱，甚至造成社會經濟損失，因此研究我國氣象干旱具有重要的意義。

Dai[3]認為全球氣象干旱呈增加趨勢。國內不少學者的研究也表明，1960年以來，我國氣象干旱程度在加重，干旱范圍也在增加[4-5]。因此，研究我國的干旱時空變化及特征規律具有重要意義[6]。通常認為，干旱主要發生在我國北方，南方是較為濕潤的地區，因此干旱風險較低。Shi等[7]發現，隨著氣候變化，南北方的干旱特征發生了改變，北方干旱的同時，南方干旱變得更加明顯。已有研究[8-9]表明，干旱不僅發生在干旱區和半干旱區，濕潤區和半濕潤區也常發生干旱。當前已有的研究大多仍以我國北方干旱區為主要研究區域[10-14]，往往忽視濕潤地區的干旱研究，且較少涉及全國范圍尺度[15]。

降水持續偏少是氣象干旱最主要的特征，因此，許多常用的氣象干旱指數都以降水量為唯一考慮要素并按不同原理計算得到[16]，如降雨十分位指數RD、標準化降水指數SPI等。但僅僅考慮降水會影響衡量氣象因素對干旱過程影響的準確性。1965年Palmer[17]建立了帕默爾干旱指數(Palmer drought severity index，PDSI)，該指數考慮了土壤水分以及蒸散發，相較于其他氣象干旱指數，PDSI物理意義清晰明確，是研究和監測氣象干旱應用最為廣泛的指標之一。在很多學者的努力下，PDSI也成為一個成熟的、易獲取的干旱指數。目前已有研究者建立了全球尺度的PDSI數據庫[18]，但空間分辨率較低，如何獲取我國地區較高分辨率的PDSI數據仍需進一步研究。本文使用我國地面氣候資料月值數據集的降水、氣溫數據構建1982—2015年全國0.25°分辨率的網格化月尺度PDSI指數，分區研究氣象干旱特征，包括干旱頻次、歷時與烈度及其變化特征，并分析氣溫及降水變化對氣象干旱時空變化的影響，以期為我國干旱研究提供參考。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

本文的氣象數據來自中國地面氣候資料月值數據集(http://data.cma.cn/)。利用全國613個氣象觀測站(圖1)的降雨、氣溫資料，時間上，少量缺失數據采用線性插補；空間上，采用克里金方法插值為網格數據，得到1982—2015年空間分辨率0.25°×0.25°的全國月尺度降水、氣溫數據。我國地域遼闊，本文為了簡化分區研究的難度，對具有不同氣候特征的區域進行氣象干旱的對比評價，依據多年平均降水量將我國劃分成四大氣候區，大于800 mm為濕潤區、400～800 mm為半濕潤區、200～400 mm為半干旱區、小于200 mm為干旱區。

圖1 干濕分區及氣象站點分布Fig.1 Distribution of dry and wet areasand meteorological stations

本文使用Dai等[19]制作的面向陸面過程模型的中國土壤水文數據集(http://westdc.westgis.ac.cn/)的田間持水量和凋萎系數計算土壤有效含水量(available water capacity，AWC)，作為PDSI的輸入。使用Dai[18]利用觀測地面氣溫及降水數據建立的全球2.5°×2.5°(簡稱DAI-scPDSI)以及英國East Anglia大學氣候研究中心(Climatic Research Unit，CRU)構建的全球0.5°×0.5°月尺度自校正PDSI數據庫(簡稱CRU-scPDSI)來驗證本文構建的全國0.25°×0.25°PDSI的可靠性。

1.2 研究方法

1.2.1PDSI的計算方法

PDSI基于一個簡易的兩層土壤水分收支模型，綜合考慮了溫度、降水及下墊面的影響，其中溫度的影響通過蒸發表現，下墊面通過AWC表現。關于PDSI的具體算法可參考文獻[18]。PDSI構建的主要輸入參數為降水、氣溫和AWC，基于水量平衡原理建立水平衡方程，計算水分距平d：

(1)

水分距平d與該地某月的氣候權重系數ω相乘，得到水分異常指數，進而計算出PDSI：

IPDSI=0.897IPDSI-1+Zi/3

(2)

式中:IPDSI為當月PDSI；IPDSI-1為上一個月PDSI，首月指數值為Z1/3；Zi為當月水分異常指數。

本文使用美國內布拉斯-林肯大學發布的PDSI計算程序(http://nadss.unl.edu)，將1980—1981年作為模型預熱期，預熱后輸出1982—2015年的結果。PDSI干旱等級劃分標準見表1。

表1 干濕等級劃分Table 1 Classification of wet and dry grades

1.2.2Mann-Kendall檢驗及Sen趨勢度

Mann-Kendall趨勢檢驗是目前氣象水文領域進行趨勢判斷的主要方法，依據檢驗統計量Z判斷序列的趨勢顯著性。在顯著性水平α=0.05時、當檢驗統計量|Z|>1.96時表示趨勢顯著；當|Z|<1.96時表示趨勢不顯著。

Sen趨勢度檢驗是由Sen[21]提出的研究變量長時序變化的方法，對于一時間序列x1,x2,…,xN，趨勢度β定義為

(3)

式中:xj和xi分別為不同時刻下的時間序列值；Median為中位數函數。當β>0時表示待分析變量的時間序列呈上升趨勢，當β<0時表示待分析變量的時間序列呈下降趨勢。

1.2.3干旱識別過程

游程理論是分析時間序列的一種方法，廣泛應用于干旱事件的識別中[22]。傳統的干旱事件識別過程并沒有考慮將一些歷時很短的“小干旱事件”的影響忽略不計，也沒有將間隔時間很短的兩次歷時很長的“強干旱事件”的影響合并，這樣容易降低干旱過程識別的精確度。本文利用He等[23]提出的一種包含3個閾值的改進游程理論方法優化干旱識別過程。以圖2為例，主要步驟如下：首先按照干旱發生閾值R1初步確定干旱事件，由此可以預選a、b、c、d、e 5次干旱事件；第二步為剔除，若干旱事件歷時1個月且未達到中度干旱閾值R2，則剔除該次干旱事件，由此可剔除a事件；第三步為合并，若相鄰兩次干旱事件間隔1個月且間隔月的指數值小于濕潤狀態閾值R0，則將這兩次干旱合并成一次干旱，由此可以將b、c兩次干旱合并成一次干旱。本文中3個閾值依據指數干濕等級劃分標準選取，以PDSI的干濕等級劃分(表1)為標準，閾值R0為發生輕微濕潤值(1)，閾值R1為發生輕微干旱值(-1)，閾值R2為發生中度干旱值(-2)。

圖2 3個閾值干旱識別Fig.2 Three threshold drought recognition

依據上述方法識別干旱過程，并定義干旱頻次(drought frequency，DF)為干旱發生的次數，干旱歷時(drought duration，DD)為一次干旱事件的時間跨度(月)，干旱烈度(drought severity，DS)為一次干旱事件中所有指數值的絕對值之和。

假設一次干旱事件開始時間為ts，結束時間為te，時間為i的指數值為Ii。對于該次干旱事件，干旱歷時DD和干旱烈度DS計算公式為

DD=te-ts

(4)

(5)

2 結果與分析

2.1 與DAI-scPDSI、CRU-scPDSI的比較

為了驗證構建的全國0.25°逐月PDSI的適用性，將其與目前運用較多的兩個PDSI數據庫(DAI-scPDSI、CRU-scPDSI)進行比較，3種PDSI計算數據源(降水、氣溫、AWC)在表2中列出。為了方便研究，提取1982—2014年中國區域的DAI-scPDSI和CRU-scPDSI，并將其空間插值至0.25°分辨率，與本研究PDSI比較。

圖3為3種PDSI全國平均月尺度變化，可以看出，本文PDSI與DAI-scPDSI、CRU-scPDSI月尺度變化基本一致，1982—1995年本文PDSI較其他兩個PDSI略高，1996—2010年三者較為相近，2011—2014年本文PDSI低于其他2個PDSI。本研究PDSI與DAI-scPDSI和CRU-scPDSI的相關系數分別為0.66和0.79，相關性較高，說明本文計算的PDSI在中國區域具有較強的可靠性。

圖3 3種指數月尺度變化Fig.3 Monthly changes of the three indices

表2 3種PDSI計算數據比較Table 2 Comparison of three PDSI calculated data

圖4為本文PDSI與DAI-scPDSI、CRU-scPDSI相關系數的空間分布圖。總體而言，本文PDSI與DAI-scPDSI、CRU-scPDSI在我國東部季風區(108°E以東地區)、云南及新疆西北部地區相關性較高(相關系數r>0.7)，而在青藏高原、內蒙古以西地區相關性較低(r<0.5)。

由于中國青藏高原和內蒙古地區氣象站點空間密度較低，可能導致該地區數據的不準確和不確定性增大。總體而言，本文PDSI數據同其他兩個不同數據源數據一致性較高，相互可以作為印證。由于本文采用中國氣象局提供的全國范圍的觀測氣象數據，在數據覆蓋密度和精度上應該優于其他兩個數據源，因此有理由認為本文獲得的PDSI應該更能反映中國的實際情況。

(a) PDSI與DAI-scPDSI的相關關系

(b) PDSI與CRU-scPDSI的相關關系圖4 相關系數空間分布Fig.4 Distribution of the correlation coefficient

2.2 氣象干旱特征

2.2.1干旱頻率、歷時與烈度

為了研究氣象干旱的不同指標特征，對PDSI進行DF、DD、DS這3個干旱特征指標的分析，并利用多年平均降水量劃分我國干濕區(圖1)，分區研究干旱特征。表3為分區干旱特征統計。從整體來看，1982—2015年單位面積上我國氣象干旱平均頻率為0.44次/a，平均干旱歷時6月/次(包含輕微干旱)。我國氣象干旱特征情況分布不均，半濕潤、半干旱區雖然干旱頻率較小(分別為0.38次/a和0.41次/a)，但平均每次干旱歷時較長(分別為每次8個月和6個月)，且烈度較大；濕潤、干旱區干旱次數較多(分別為0.44次/a和0.50次/a)，但平均歷時較短(5月/次)，烈度較低。

表3 1982—2015年分區干旱特征統計Table 3 Statistics of regional droughtcharacteristics from 1982 to 2015

2.2.2干旱特征時間變化

為了進一步分析3種干旱特征的時間變化，將1982—2015年分成7個時段(1982—1985年、1986—1990年、1991—1995年、1996—2000年、2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年，圖5、6中記為時段1,2,3,4,5,6,7)，計算全國各時段的干旱總頻率、歷時及干旱烈度(圖5)。由圖5可知，1982—2015年單位面積上我國干旱頻率、干旱歷時、干旱烈度總體都有上升的趨勢。雖然干旱歷時與烈度的變化過程相似性很高，但干旱頻率與它們并不是同步變化的，如，1986—1990年在干旱歷時與烈度都在減小的同時，干旱頻率卻在增大；具體來看，1996—2000年以及2006—2010年這兩個時段內，干旱頻率、干旱歷時及烈度都呈同步上升。

(a) 全國DF、DD

(b) 全國DS圖5 干旱特征時段變化Fig.5 Changes of drought characteristicsin different periods

從干旱特征分區變化(圖6)來看，1982—2015年我國半濕潤、半干旱區的氣象干旱的干旱頻率、干旱歷時、干旱烈度總體都有上升的趨勢。濕潤區的干旱頻率雖然有下降的趨勢，但干旱歷時、干旱烈度都逐漸上升，尤其是2011—2015年這一時段，濕潤區的干旱歷時、干旱烈度上升速率較大。干旱區的干旱頻率雖在增加，但干旱歷時、烈度有輕微下降的趨勢。另外，我國濕潤、半濕潤區、半干旱區的干旱烈度上升速率明顯高于干旱區。

(a) 分區DF、DD

(b) 分區DS圖6 分區干旱特征時段變化Fig.6 Changes of regional drought characteristicsin different periods

馬鵬里等[5]發現1960年以來，中國各區域干旱程度加重，次數增多，持續時間增長。果華雯等[25]研究發現，我國南北過渡帶的干旱強度、干旱歷時隨時間均呈上升趨勢。賈艷青等[26]研究表明，我國氣象干旱嚴重程度高的地區集中在半濕潤及半干旱區的交界處，以內蒙古東部及華北地區為主。說明我國氣象干旱頻次增多、歷時增加、烈度加重，尤其是在半濕潤、半干旱區，這些與本文的結果基本一致。

2.3 氣象干旱時空變化

本文PDSI的年際及季節(春：3—5月，夏：6—8月，秋：9—11月，冬：12月至次年2月)尺度時間變化(圖7)。結果表明，1982—2015年，全國年際PDSI整體以每年0.03的速率下降，說明我國氣象干旱程度總體在加重。1982—1998年PDSI并沒有達到輕微干旱的標準，然而2000—2002年及2006—2008年PDSI持續低于輕微干旱的標準，說明該時段全國氣象干旱加重明顯，2012—2015年氣象干旱有減輕的趨勢。季節變化上，與年際變化相似，全國PDSI整體呈下降趨勢，從2000年后，氣象干旱加重明顯，季節之間變化差異不大。

圖7 PDSI年際、季節性時間變化Fig.7 Temporal variation ofinterannualand seasonal PDSI

逐網格點計算年際、季節尺度PDSI的Sen趨勢度，并對其進行Mann-Kendall趨勢檢驗(圖8)，圖8(a)表明，我國年尺度氣象干旱整體有加重的趨勢，主要集中在半濕潤、半干旱區，較為嚴重的有青海東南部、陜甘寧、山西、內蒙古北部及與黑龍江省交界處等地區。濕潤地區中，四川中部、重慶、湖北及云貴地區也有大面積的干旱加重趨勢。圖8(b)～(e)表明，季節性氣象干旱在半濕潤、半干旱區均有顯著加重趨勢，其中，夏季干旱有顯著加重趨勢的地區占比最大(24%)，冬季干旱有顯著減輕趨勢的地區占比最大(2%)。

3 結 論

a. 我國氣象干旱特征空間差異顯著。半濕潤、半干旱區干旱頻率較小，但平均干旱歷時較長，且烈度較大；濕潤、干旱區干旱次數較多，但平均歷時較短，烈度較低。從全國整體來看，單位面積上干旱頻率為0.44次/a，平均干旱歷時為每次6月/次。

(a) 年際

(b) 春

(e) 冬圖8 PDSI年際、季節性空間變化Fig.8 Spatial variation of interannual and seasonal PDSI

b. 氣象干旱特征變化明顯，半濕潤、半干旱區干旱形勢逐漸嚴峻。1982—2015年我國干旱頻率、平均干旱歷時、干旱烈度總體都有上升的趨勢，尤其是在半濕潤、半干旱區。濕潤、半濕潤區、半干旱區的干旱烈度上升速率明顯高于干旱區。

c. 氣象干旱時空變化顯著。時間上，無論是年際還是季節變化，全國單位面積PDSI均呈下降趨勢，2000年后氣象干旱程度加重明顯，季節之間變化差異不大。空間上，半濕潤、半干旱區氣象干旱程度有顯著加重的趨勢，較為嚴重的有青海東南部、陜甘寧、山西、內蒙古北部及與黑龍江省交界處等地區。濕潤地區中，四川中部、重慶、湖北及云貴地區也有大面積的氣象干旱程度加重趨勢。