基于土壤含水率的驟發(fā)干旱和緩慢干旱時空特征分析

朱 燁，劉 懿，王 文，袁 飛，馬明衛(wèi)，吳光東，尹義星

（1. 南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院，南京 210044；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗，南京 210029；3. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；4. 華北水利水電大學(xué)水資源學(xué)院，鄭州 450046； 5. 長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

0 引言

干旱是大氣-陸面系統(tǒng)中的水分在一段時間內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)性短缺的自然現(xiàn)象[1]。與洪澇、地震等災(zāi)害不同，干旱的形成過程緩慢，旱情持續(xù)時間長達數(shù)月甚至數(shù)年，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境以及人民用水安全等諸多方面造成嚴重損害[2-3]。自20世紀80年代開始，以增暖為背景的全球氣候變化加速了水循環(huán)進程，干旱的頻次、強度以及影響程度均呈上升趨勢[4-8]。

近年來，一種以短歷時-高強度為特征的驟發(fā)干旱（簡稱驟旱）逐漸引起國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[9-11]。不同于傳統(tǒng)干旱緩慢、蠕變的特點，驟旱的爆發(fā)異常迅速，其嚴重程度通常可在極短時間內(nèi)達到一定規(guī)模[12-13]。水汽輸送不足、高溫熱浪、強風以及充足的日照等異常狀態(tài)是誘發(fā)驟旱的主因[14-15]，在這些氣候條件的促使下，植被蒸散發(fā)能力急速增強，土壤含水率急劇減少，陸-氣系統(tǒng)的水分支出與消耗加快[16-17]。相比于緩慢干旱，驟旱的發(fā)生更具反常性、突發(fā)性和不可預(yù)見性，并且致災(zāi)強度大，尤其對于以作物為主的糧食生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，極具威脅與破壞性[18-22]。

面對驟旱帶來的新挑戰(zhàn)，國內(nèi)外學(xué)者在驟旱驅(qū)動機制及其時空演變特征方面開展了一定的研究工作[23-25]。例如，Hunt等[18]以土壤含水率為指示變量，探討了驟旱形成初期降水與潛在蒸散發(fā)的平衡關(guān)系。Mo等[10,16]根據(jù)驟旱形成的物理條件進一步將其劃分為2種類型，即降水虧缺和高溫熱浪分別主導(dǎo)的驟旱。Ford等[14]采用邏輯回歸探究了驟旱爆發(fā)前的氣象條件，發(fā)現(xiàn)驟旱與前期10～15 d的水熱供需偏差（即降水與潛在蒸散發(fā)的差值）、飽和水汽壓差等變量的相關(guān)性明顯高于其與降水、氣溫的相關(guān)性。此外，還有一些研究基于陸面模式和水文模型模擬數(shù)據(jù)分析了不同區(qū)域驟旱發(fā)生頻次及未來增溫情景下驟旱的暴露度風險[13,17]。上述研究在認知驟旱現(xiàn)象層面取得了一定的成果，但相比于緩慢干旱，目前對驟旱的理解仍十分有限，國內(nèi)外學(xué)者對于如何定義、量化驟旱事件還存在爭議。例如，Mo等[10,16]通過對降水、土壤含水率、蒸散發(fā)、氣溫等變量設(shè)定不同閾值，給出了驟旱的操作性定義。Otkin等[26-27]則認為驟旱的識別方法中需要同時考慮干旱狀態(tài)和快速發(fā)展2個特性。從干旱形成與發(fā)展的角度，旱情隨時間的變化過程可大致可分為開始、持續(xù)、恢復(fù)、解除等幾個階段[28]。水分虧缺量在不同階段呈現(xiàn)不同的變化特性，就驟旱而言，其開始階段主要表現(xiàn)為水分虧缺量的急速累積，這一點與緩慢干旱的形成特征有本質(zhì)的區(qū)別。目前，鮮有研究關(guān)注旱情開始階段水分虧缺的衰減特性，并以此為出發(fā)點進一步分析驟發(fā)干旱與緩慢干旱的時空特征。

鑒于此，本研究利用ERA-Interim再分析產(chǎn)品（European Re-Analysis）土壤含水率數(shù)據(jù)，提出基于土壤含水率分位數(shù)的干旱事件及旱情開始階段的識別方法，在此基礎(chǔ)上分析1979－2018年中國干旱事件及其開始階段歷時的時空分布規(guī)律，通過選取典型干旱事件，重點分析典型驟發(fā)干旱和緩慢干旱的時空特征及二者在干旱演進過程中的聯(lián)系，旨在從干旱監(jiān)測的角度深入認識驟發(fā)干旱與緩慢干旱在旱情形成初期的演變特性，為提高干旱預(yù)警與綜合應(yīng)對能力提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 ERA-Interim再分析產(chǎn)品

ERA-Interim再分析產(chǎn)品由歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMRWF）發(fā)布，該產(chǎn)品是基于上一代產(chǎn)品ERA-40發(fā)展而來[29]。相比于ECMRWF早期發(fā)布的產(chǎn)品資料，ERA-Interim在模擬精度、序列長度等方面都有顯著改善。ERA-Interim提供4個不同土層深度的逐日土壤含水率數(shù)據(jù)，即0～7、＞7～28、＞28～100、＞100～289 mm，其可選用的空間分辨率包括0.25°、0.5°、0.75°、1°等。本研究選取高空間分辨率0.25°，時間跨度為1979－2018年，0～100 cm（即前3層）土壤含水率數(shù)據(jù)進行干旱分析。

1.1.2 實測站點土壤含水率數(shù)據(jù)

收集國際土壤含水率網(wǎng)絡(luò)（International Soil Moisture Network，ISMN）發(fā)布的實測站點逐日土壤含水率數(shù)據(jù)，以驗證基于再分析土壤含水率數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性。該數(shù)據(jù)集涵蓋了分布在中國不同地區(qū)40個監(jiān)測站點的觀測數(shù)據(jù)以及CTP_SMTMN、HiWATER_EHWSN、MAQU 3個站網(wǎng)數(shù)據(jù)，其時間跨度為1981－1999年，監(jiān)測深度為1 m。根據(jù)數(shù)據(jù)時空覆蓋度分析結(jié)果，選取土壤含水率數(shù)據(jù)相對連續(xù)完整、分別位于干旱、半干旱、半濕潤和濕潤不同氣候區(qū)的4個站點（其地理坐標分別為（89.25°E，42.83°N）、（105.23°E，35.22°N）、（114.02°E，33°N）、（106.6°E，23.9°N））進行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤含水率分位數(shù)

土壤含水率具有顯著的區(qū)域性差異和季節(jié)性變化特征，不同區(qū)域或季節(jié)的土壤水深度或體積含水率側(cè)重于反映當前時刻的土壤濕度狀況，難以直接用于長歷時、大范圍干旱分析。鑒于此，本文將土壤含水率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為土壤水分位數(shù)，以增強識別結(jié)果的時空可比性。土壤含水率分位數(shù)的具體計算步驟包括：1）逐日土壤含水率數(shù)據(jù)（前3層，即垂直深度為1 m）平均至周尺度；2）以周尺度為單位，將原時間序列拆分為52個時間序列（如圖1所示，i=1, 2, …, 52周，n=1979, 1980, …, 2018年）；3）構(gòu)建包含多種常用概率分布的函數(shù)庫（如伽馬分布、貝塔分布、對數(shù)分布、邏輯對數(shù)分布、威布爾分布、極值分布、廣義極值分布等），并以Kolmogorov-Smirnov（KS）檢驗[30-31]、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、以及擬合偏差（BIAS）為評判標準，為每個周的時間序列分別優(yōu)選出擬合最佳的概率分布函數(shù)，進而計算土壤含水率分位數(shù)（如圖1所示）；4）將得到的52個土壤含水率分位數(shù)周序列按照日歷順序重新組合，形成1個連續(xù)的長時間序列。

1.2.2 干旱事件及其開始階段識別

1）基于土壤含水率分位數(shù)的干旱事件識別

本研究從土壤含水率的時程變化和旱情持續(xù)時間2個方面定義干旱事件。參考已有研究[32]，當土壤含水率低于40%分位數(shù)時，表明土壤開始出現(xiàn)由正常轉(zhuǎn)干的跡象，可作為干旱過程的上邊界；當土壤含水率低于20%分位數(shù)時，才會對生態(tài)環(huán)境造成顯著影響，因此，以此閾值作為干旱過程的下邊界以確保識別的干旱過程真正進入干旱狀態(tài)。基于上述考慮，干旱事件的判別規(guī)則如下：1）對于一場干旱事件，其任意時刻的土壤含水率值不超過40%分位數(shù)，同時至少有1個時刻的土壤含水率值應(yīng)低于20%分位數(shù)；2）一場干旱事件的起始時刻與終止時刻之間的時間間隔表示干旱事件的歷時（Devent），如圖2a中T1～T27和圖2b中T′1～T′32。考慮到短歷時干旱事件通常為小型干旱事件，致災(zāi)強度較弱，本研究主要考慮干旱歷時不少于12周的干旱事件（即季節(jié)性干旱）。

2）干旱開始階段識別

同其他自然災(zāi)害類似，根據(jù)水分虧缺的時程演變規(guī)律，干旱過程可分為旱情開始、持續(xù)發(fā)展、旱情緩解以及解除幾個階段[28]。以土壤含水率為表征的干旱過程為例（圖2），旱情開始階段歷時（Donset）以水分虧缺量偏離正常狀態(tài)的第一時刻為起點，以水分維持在相對較低水平并且無明顯的下降或上升趨勢（此時旱情進入持續(xù)發(fā)展階段）為終點，是區(qū)分驟發(fā)干旱與緩慢干旱的關(guān)鍵特征之一。圖2基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)，展示了緩慢干旱與驟發(fā)干旱形成發(fā)展過程的示意圖。可以看出，圖2a中土壤含水率的衰減速率十分緩慢，歷經(jīng)T1至T24時刻，土壤含水率才低于20%分位數(shù)（圖2a）；相比之下，圖2b中土壤含水率衰減至20%分位數(shù)以下僅需2周（T′1～T′2），爆發(fā)迅速，是典型的驟發(fā)干旱事件。為清楚區(qū)分典型驟發(fā)干旱與緩慢干旱，綜合考慮干旱事件樣本的統(tǒng)計特征、傳統(tǒng)干旱監(jiān)測方法的失效范圍以及已有研究成果[18,21,24-25]，本研究采用Donset不超過2周作為驟發(fā)干旱，Donset不小于8周作為緩慢干旱。

2 結(jié)果與分析

2.1 近40年中國干旱事件的時空分布特征

圖3所示為1979－2018年干旱發(fā)生次數(shù)和平均干旱歷時的空間分布情況。可以看出，二者均呈現(xiàn)顯著的南北差異。其中，長江以北地區(qū)干旱事件數(shù)量整體偏多，干旱發(fā)生頻次大多在15次以上（約每2～3 a發(fā)生1次），旱情持續(xù)時間超過26周。尤其在青海、寧夏以及新疆北部等地，長歷時的干旱事件發(fā)生較為頻繁。長江以南地區(qū)干旱事件數(shù)量相對較少，大多數(shù)地區(qū)不足場（約每4～5 a發(fā)生1次），并且旱情持續(xù)時間短，以干旱歷時不超過20周居多。

根據(jù)干旱歷時的大小，可進一步將上述干旱事件細分為季節(jié)干旱（12～26周）、多季干旱（＞26～52周）及跨年干旱（＞52周）。圖4表明了不同干旱歷時下旱情影響面積百分率（即處于干旱狀態(tài)的網(wǎng)格數(shù)量與中國國土面積的比值）的時程演變規(guī)律。可以看出，對于旱情持續(xù)時間不足26周（約半年）的干旱事件，其影響面積在10%～20%之間波動并且沒有明顯的變化趨勢。相比之下，干旱歷時超過半年甚至1 a的長歷時干旱事件變化顯著，其旱情波及范圍在2005－2015年間增幅明顯，特別在2010年前后，受旱面積占全國面積的40%以上。上述分析表明，近40年中國干旱情勢有朝著長歷時、大范圍的發(fā)展趨勢。

2.2 旱情開始階段的干旱特征分析

旱情開始階段水分虧缺量的統(tǒng)計特性是區(qū)分驟發(fā)干旱與緩慢干旱的關(guān)鍵。基于前述方法，圖5分別從旱情開始階段的平均歷時、開始階段占干旱事件總歷時的比例、驟發(fā)干旱和緩慢干旱發(fā)生頻次的空間格局4個方面進行分析。從旱情開始階段的平均歷時來看（圖5a），西北以及新疆地區(qū)，其旱情開始階段的平均歷時相對較長（超過12周），是緩慢干旱發(fā)生頻次較高的區(qū)域（圖5d）。土壤含水率衰減速率較快（干旱歷時不超過5周）的地區(qū)則主要集中在長江以南、黃淮海以及東北北部。特別是在內(nèi)蒙古中東部、西南地區(qū)、珠江上游以及長江下游，其干旱開始階段的平均歷時不足3周。結(jié)合圖5c可以看出，這些地區(qū)也是驟發(fā)干旱頻繁出現(xiàn)的區(qū)域。從開始階段占干旱總歷時的比例來看（圖5b），青藏高原、黃河上游、西南三省、內(nèi)蒙古東部、東北黑龍江等地比例相對較小，約為20%，表明上述區(qū)域易出現(xiàn)由驟發(fā)干旱發(fā)展為長歷時持續(xù)性干旱的情形。從干旱監(jiān)測的角度，由于驟旱爆發(fā)異常迅速（如不到2周的時間土壤含水率即可從40%分位數(shù)以上快速衰減至20%分位數(shù)以下），而目前較常用的干旱監(jiān)測工具多以月尺度為主，因此在中國西南、黃淮海、內(nèi)蒙古中東部、中國東北等驟旱發(fā)生頻次較高的地區(qū)開展干旱監(jiān)測與預(yù)警的難度加大。

圖6所示為1979－2018年受驟發(fā)干旱和緩慢干旱影響的國土面積（發(fā)生驟旱或緩慢干旱的網(wǎng)格數(shù)量占中國國土面積的百分比）的時間序列。可以看出，2個序列的時程變化與圖4干旱事件總影響面積的演變規(guī)律基本一致，整體呈略微上升趨勢，并且在2005－2015年旱情的覆蓋范圍顯著增加。2000年以前，驟發(fā)干旱的影響面積與緩慢干旱的差距不大，甚至在個別年份（如1988－1989年），驟旱事件的覆蓋范圍略高于緩慢干旱。2000年以后，緩慢干旱的影響范圍顯著增加。例如2006－2015年，緩慢干旱的覆蓋范圍約為驟旱波及范圍的1.5～2.0倍。雖然緩慢干旱形成初期比驟旱更容易監(jiān)測，但由于其涉及范圍廣，其危害性不容小覷，應(yīng)當引起重視。

2.3 驟發(fā)干旱與緩慢干旱的聯(lián)系

圖7和圖8分別提取了始于2010年秋季和2017年夏季的2場典型干旱事件，通過分析旱情形成過程中土壤含水率分位數(shù)的時空演變規(guī)律和旱情開始階段的歷時，進一步探討驟發(fā)干旱與緩慢干旱的關(guān)系。如圖7所示，2010年10－12月的旱情主要集中在黃淮海平原、內(nèi)蒙古東北部以及四川北部。其中，位于內(nèi)蒙古東北部、四川北部的旱情演進過程較快，從進入水分虧缺狀態(tài)起歷經(jīng)2～4周，旱情便達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，屬于爆發(fā)迅速的驟發(fā)干旱。相比之下，黃淮海平原的旱情發(fā)展較緩慢，10月初該地區(qū)出現(xiàn)少數(shù)干旱斑塊，隨后旱情向東南擴張，5周以后干旱覆蓋面積便初具規(guī)模，直到12月初大部分區(qū)域土壤含水率低于10%分位數(shù)，此時旱情處于穩(wěn)定狀態(tài)。總體上，黃淮海平原的干旱時空演變軌跡遵循傳統(tǒng)緩慢干旱的形成規(guī)律，并且從旱情持續(xù)時間和波及范圍看，該區(qū)域遭受的干旱程度更為嚴重。

與2010年秋季的時空演變格局不同，圖8顯示，內(nèi)蒙古、東北東南部和東南沿海地區(qū)在2017年既遭遇了緩慢干旱，也有驟發(fā)干旱的侵襲。例如，橫貫內(nèi)蒙古和東北東南部地區(qū)，自2017年10月－2018年2月均顯示較嚴重旱情（土壤含水率低至20%分位數(shù)以下），但從其相應(yīng)開始階段的歷時來看，各干旱斑塊之間差異較大，從不足2周到8周以上不等。這意味著上述地區(qū)既包含了發(fā)展速度較快的驟旱，同時也混合了開始階段較長的緩慢干旱。2018年4月，在中國東南沿海地區(qū)也出現(xiàn)類似情形。以上分析表明，驟發(fā)干旱與緩慢干旱在空間上既可以獨立存在，也可能相伴發(fā)生。

2.4 結(jié)果合理性分析

基于ERA-Interim土壤含水率數(shù)據(jù)的分析表明，在旱情開始階段，中國南方濕潤地區(qū)土壤含水率衰減速度相對較快，比北方干旱地區(qū)更容易發(fā)生驟旱。這一現(xiàn)象與前人基于再分析資料、陸面模式模擬數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測等土壤含水率產(chǎn)品得到的結(jié)果基本一致[13,15,17,24-25]。為進一步驗證上述結(jié)果的合理性，選取位于中國不同氣候區(qū)具有較長實測土壤含水率資料的站點（數(shù)據(jù)來源于ISMN），按照前述步驟提取典型干旱事件，并分析旱情開始階段土壤含水率的時程演變特性（圖9）。

同ERA-Interim土壤含水率數(shù)據(jù)揭示的空間格局類似，基于實測土壤含水率的分析顯示，位于濕潤、半濕潤地區(qū)的站點，其土壤含水率不足1月即可從40%分位數(shù)減少至20%分位數(shù)以下，衰減速率遠快于干旱和半干旱地區(qū)。這表明旱情形成初期土壤含水率的衰減特性具有一定的地區(qū)差異，其空間分布特性很大程度上與研究區(qū)所處的氣候條件以及下墊面土壤、植被等因素有關(guān)[27,32]。總體而言，ERA-Interim土壤含水率數(shù)據(jù)能夠較準確地反映旱情開始階段土壤水分的變化特性，可用于驟旱的監(jiān)測與評估。

值得注意的是，作為一種極端現(xiàn)象，驟旱的發(fā)生具有反常性和突發(fā)性，旱情爆發(fā)前期及初期的氣象驅(qū)動條件也極大地影響著旱情的進程。如在降水虧缺、高溫熱浪、強風等其他氣象要素的共同作用下，植被蒸散發(fā)能力迅速增強，進而引起土壤含水率急劇減少，北方干旱地區(qū)也會出現(xiàn)驟發(fā)干旱，需要引起重視。

3 結(jié)論

本文提出基于土壤含水率分位數(shù)的干旱事件及旱情開始階段的識別方法，分析了中國1979－2018年干旱事件及旱情開始階段歷時的時空分布特征，比較了驟發(fā)干旱與緩慢干旱在發(fā)生頻次、影響范圍上的差異，并選取典型干旱事件從其時空演變角度探討了這2類干旱的聯(lián)系，得出以下主要結(jié)論：

1）以土壤含水率為表征的干旱特征呈現(xiàn)明顯的空間差異，長江以北地區(qū)干旱歷時長且發(fā)生頻繁，長江以南地區(qū)干旱事件數(shù)量相對較少且干旱歷時較短；干旱影響面積方面，旱情持續(xù)時間不足26周的干旱事件，其影響面積的時間序列無明顯變化，而對于干旱歷時超過半年的干旱事件，其影響面積在2005－2015年間增幅明顯，表明近40年中國干旱情勢有朝著長歷時、大范圍的發(fā)展趨勢。

2）旱情開始階段的結(jié)果顯示，西北、新疆地區(qū)旱情開始階段的平均歷時在12周以上，是緩慢干旱頻繁發(fā)生的區(qū)域；長江以南、黃淮海以及東北北部土壤含水率衰減較快，旱情開始階段平均歷時不超過2周的典型驟旱事件主要集中在內(nèi)蒙古中東部、珠江上游以及長江下游；驟發(fā)干旱的覆蓋范圍整體略微呈上升趨勢但沒有緩慢干旱變化顯著，2000年以前，驟旱的影響面積與緩慢干旱較為接近，2006－2015年緩慢干旱的覆蓋范圍增幅顯著，其覆蓋范圍約為驟旱影響范圍的1.5～2.0倍。

3）2010 秋季和2017夏季2場典型干旱事件的時空演變軌跡表明，驟發(fā)干旱與緩慢干旱既可以獨立存在也可能相伴發(fā)生。本研究的結(jié)果顯示，在中國部分區(qū)域土壤含水率從正常狀態(tài)衰減至臨近凋萎僅需2周，其發(fā)展速度已遠遠超出目前以月尺度為主的干旱監(jiān)測工具。在未來的研究中，亟需重新遴選最佳時間尺度，發(fā)展能夠同時兼顧驟旱快速變化特性以及傳統(tǒng)干旱緩慢、蠕變規(guī)律的新技術(shù)。