不同干旱指數集對1961-2009年東北地區干旱描述的比較

梁 豐, 劉丹丹, 徐紅梅, 孫嘉駿, 馮雪菲, 慕萬峰

(遼寧省朝陽市氣象局, 遼寧 朝陽 122000)

根據不同學科對干旱的定義，干旱通常可分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱四類。按其發生程度不同，又可分為輕旱、中旱、重旱和特旱四個等級。研究表明，自20世紀50年代以來，全球很多地區都有明顯的變干趨勢，特別是70年代以后，全球干旱面積顯著增加[1-3]。中國地域廣袤，各地氣候與自然地理條件差異較大，這就導致干旱問題在中國表現出很強的區域特征。研究顯示，近40年，頻繁發生的干旱已導致中國西北、東北和華北地區出現嚴重的水資源短缺和生態環境退化等一系列環境問題[4-11]。

干旱指數能夠有效地監測和評估干旱的發生與發展，因此得到廣泛應用。目前應用較多的干旱指數有帕爾默干旱指數(PDSI)、相對濕潤度指數(MI)、綜合氣象干旱指數(CI)和標準化降水蒸散指數(SPEI)等[12-15]。近年來，不少學者利用這些干旱指數開展了一系列卓有成效的研究工作，對于進一步了解不同地區的干旱狀況和未來演變趨勢提供了參考[16-19]。但我們也注意到，在研究干旱問題時，不同的學者會用到不同的干旱指數集，而這些指數集對全球或區域干旱的描述有一定差異。

東北地區是干旱的多發區，近年來，研究人員應用干旱指數對東北干旱問題進行了相關分析，并取得了顯著的成果[20-21]。但對不同干旱指數集刻畫的東北干旱差異也沒有一個清晰的認識。鑒于此，本文應用基于站點數據的SPEI_TH和基于CRU數據的全球干旱指數集SPEI_PM，scPDSI_PM，從干旱時空變率、干旱頻次、干旱強度和對典型干旱年的描述等方面，對3套干旱指數集描述的東北地區1961—2009年干旱演變進行比較。希望通過此類研究，能夠加深人們對東北地區干旱變化的了解與認識，還能為今后利用這些干旱指數集開展東北地區氣候、生態、水文等多方面研究提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

本文所指東北地區包括遼寧、吉林、黑龍江省和內蒙古東部的赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市，總面積124.3萬km2。東北地區自南向北跨中溫帶與寒溫帶，四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥。東北地區東南部年均降水超過800 mm，屬濕潤區；而西北部地區年均降水不足400 mm，屬半干旱區。

1.2 數據介紹

(1) SPEI_TH：基于中國氣象局國家氣象信息中心提供的東北地區78個地面氣象站1961—2009年逐月氣溫、降水數據所計算，本文計算的SPEI為12個月時間尺度，計算潛在蒸散發時利用Thornthwaite公式，關于SPEI的更多信息可參考Vicente-Serrano等的工作[16]。

(2) SPEI_PM：來自西班牙國家研究委員會(CSIC)，該數據集基于CRUTS3.22(關于CRU資料的詳細說明及在中國地區的適用性可參考文獻[22-23])氣候數據，計算的SPEI為12個月時間尺度，計算潛在蒸散發時利用Penman-Monteith公式，空間分辨率0.5°×0.5°，下載網址為(http:∥digital.csic.es/)。

(3) scPDSI_PM：scPDSI_PM數據來源于英國環境數據檔案中心(CEDA)。該數據集基于CRUTS3.10.01氣候數據，計算潛在蒸散發時利用Penman-Monteith公式，空間分辨率0.5°×0.5°，下載網址為(http:∥www.ceda.ac.uk/)。

(4) 干旱實況：以《中國氣象干旱圖集(1956—2009)年》[24]的記錄為準，圖集的時間分辨率為季節尺度。

1.3 研究方法

本文采用雙線性插值方法將SPEI_PM，scPDSI_PM格點數據插值到站點，采用氣候傾向率、M-K統計檢驗方法對3套干旱指數集進行分析。季節的劃分標準為：當年的12月和下一年的1月，2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。干旱的劃分標準見表1[15,20]。

表1 干旱等級劃分

2 結果與分析

2.1 1961-2009年東北地區干旱指數時間變化

圖1給出了1961—2009年東北地區干旱指數時間變化。可以看出各干旱指數都呈減小趨勢，表明研究時段內東北地區總體表現出變干的趨勢。其中SPEI_TH(圖1A)的斜率為-0.016，主要的干旱時段在2000年以后。2000—2009年SPEI_TH值小于-0.5的年份有6 a，即2000年以后東北地區大多處于干旱的狀態，其中2000年、2001年為中度干旱(-1.5

圖11961-2009年東北地區干旱指數時間變化特征

2.2 東北地區干旱發生頻率及干旱指數傾向率

附圖6A-C給出了東北地區干旱發生頻率的空間分布。由附圖6A可知，SPEI_TH顯示遼寧大部、吉林中北部和黑龍江大部是干旱發生頻率的高值區，其中高值中心位于黑龍江中東部，多年平均的干旱發生頻率達到40%。SPEI_PM(附圖6B)顯示除內蒙古的呼倫貝爾和黑龍江北部地區，在東北地區大部干旱發生頻率均較高，黑龍江中部是干旱發生頻率的高值中心，多年均值接近45%。scPDSI_PM給出的干旱頻率空間分布與SPEI_PM接近，高值區主要位于東北地區東南部，其中黑龍江中西部是干旱發生頻率的高值中心。SPEI_TH和SPEI_PM都顯示東北地區大部多年平均的干旱發生頻率介于28%～38%之間。scPDSI_PM對干旱頻率大小的描述與SPEI_TH，SPEI_PM不同，其給出的東北大部地區干旱頻率介于11%～58%之間。

圖2A—C是1961—2009年各指數月值變率的空間分布。可以看出東北地區大部SPEI_TH(圖2A)和scPDSI_PM(圖2C)都呈顯著的減小趨勢，即SPEI_TH和scPDSI_PM均檢測到1961—2009年東北地區顯著變干的趨勢。SPEI_PM(圖2B)在東北地區大部也以減小為主，但只有東部和南部的一些地區通過了顯著性檢驗，其中吉林中北部地區的SPEI_PM還表現出一些增大的趨勢。

2.3 不同等級干旱發生頻次年際變化

圖3是不同等級干旱發生頻次的年際變化。就輕旱(圖3A—C)而言，SPEI_TH和SPEI_PM均顯示70年代和2000年以后輕旱發生頻次偏多，年均有168.4站次和185.3站次輕旱發生。scPDSI_PM給出的輕旱多發期在70年代和90年代，尤以90年代最多，年均輕旱發生頻次達到170.1站次，70年代為169.4站次。

各指數均檢測到2000年以后中旱(圖D—F)發生頻次高于其他時期，SPEI_TH，SPEI_PM和scPDSI_PM給出的2000年以后年均中旱發生頻次分別為159.1，146.4，136.2站次，明顯高于2000年以前的80.2，103.9，86.2站次。

SPEI_TH和scPDSI_PM的計算結果表明2000年以后重旱(圖G—I)最多，而SPEI_PM顯示70年代是東北地區重旱發生最集中的時期，2000年以后次之。此外，SPEI_TH描述的1961—2009年東北地區重旱頻次增加最快，氣候傾向率達到21.7站次/10 a，SPEI_PM和scPDSI_PM給出的氣候傾向率分別為3.6站次/10 a和9.9站次/10 a。

圖2東北地區干旱指數傾向率(實心標注表示通過了0.05水平的顯著性檢驗)

可以看出，SPEI_TH和scPDSI_PM對東北地區特旱年際變化(圖3J—L)的描述與重旱是基本一致的，2個指數也表明2000年以后特旱發生頻次最多。此外，SPEI_TH計算的特旱頻次傾向率在3個指數中仍為最大，達到10.6站次/10 a；scPDSI_PM次之，為4.4站次/10 a；SPEI_PM最小，為0.9站次/10 a。

進一步研究發現，隨著2000年以后重旱和特旱頻次的增加，兩類干旱在不同等級干旱中所占的比重也在提高。3個干旱指數給出的2000年以前重旱和特旱發生頻次占各類干旱總頻次的百分比分別為17.6%，15.9%和13.6%，而2000年以后這一比例變為34.5%，18.3%和26.6%。可以看出，除SPEI_PM小幅提高外，SPEI_TH和scPDSI_PM都提高了近一倍。

2.4 不同季節干旱強度時間變化

圖4給出了各指數描述的東北地區不同季節干旱強度時間變化及M-K趨勢演變。從線性趨勢來看，不同季節干旱強度的斜率均為負值，即1961—2009年東北地區四季干旱強度均有不同程度的加強。

就春季(圖4A—C)而言，研究時段內SPEI_TH給出的干旱強度變化通過了0.05水平的顯著性檢驗，而SPEI_PM和scPDSI_PM的干旱加強趨勢不顯著。對比各指數M-K趨勢變化曲線可以看出，60年代初到80年代中期，3個指數的干旱強度都呈顯著的加強趨勢(UF<-1.96)；80年代中期到90年代末干旱強度有所減弱；2000年以后SPEI_TH的加強趨勢是顯著的，而SPEI_PM和scPDSI_PM的加強趨勢均不明顯。SPEI_TH描述的夏季、秋季和冬季干旱強度(圖4D，4G，4J)變化與春季基本一致，可以看出，三個季節的干旱加強趨勢也通過了顯著性檢驗，只是氣候傾向率略小于春季。SPEI_PM顯示的夏季、秋季和冬季干旱強度變化(圖4E，4H，4K)與春季也很類似。首先，各季節干旱強度升降變化時段是一致的；其次，夏季、秋季和冬季的干旱強度演變在研究時段內也沒有通過顯著性檢驗。scPDSI_PM檢測到東北地區秋季干旱強度(圖4I)加強趨勢達到了0.05的顯著性水平，斜率為-0.024，而夏季和冬季的干旱加強趨勢均不顯著。綜上所述，東北地區四季干旱強度均表現出不同程度的加強，這也是2000年以后重旱和特旱在各類干旱中所占比例提高的原因。

2.5 各干旱指數集與實況的對比

為了更好地檢驗各指數對東北地區實際干旱狀況的描述能力，特別是對重旱和特旱的檢測能力，我們對各指數干旱強度空間分布與東北地區干旱實況(實況資料來自中國氣象干旱圖集)進行了比較。見附圖7，選取2002年秋季(重旱年)和2007年秋季(特旱年)作為典型年進行對比(圖中實線橢圓即為重旱和特旱落區)。

就各指數與東北地區典型重旱年的對比來看，SPEI_TH(附圖7A)檢測到的重旱落區與實況基本一致，即在遼寧北部、吉林西部和內蒙的通遼一帶旱情較重，但對于黑龍江西部地區發生的重旱SPEI_TH沒能有所體現。SPEI_PM(附圖7B)明顯低估了2002年秋季東北地區的干旱強度，在重旱地區SPEI_PM只表現出正常略偏干和輕度干旱的等級。相比于SPEI_TH和SPEI_PM，scPDSI_PM(附圖7C)對2002年東北地區秋旱的描述要更準確。首先，scPDSI_PM對東北南部地區干旱范圍和強度有更好的把握；其次，scPDSI_PM能夠檢測到黑龍江西部的重旱。

2007年東北地區發生了嚴重的秋旱，三個指數中SPEI_TH對干旱范圍和強度的把握與實況最接近。SPEI_PM與scPDSI_PM同樣檢測到東北西部嚴重干旱的事實，但二者對呼倫貝爾東部、黑龍江西北部和吉林中北部的干旱程度有所低估，同時SPEI_PM高估了黑龍江中部的干旱強度。

總的來看，SPEI_TH和scPDSI_PM對典型干旱年的再現能力要好于SPEI_PM。但本文僅就季節尺度的干旱強度進行了探討，若要檢驗2個指數在東北地區干旱監測、評估中是否較其他指數更具優越性，特別是能否對不同時間尺度、不同強度的干旱進行準確甄別，還需要在今后做更多的驗證和比較工作。

圖3不同等級干旱發生頻次年際變化

圖4不同季節干旱強度時間變化

3 結 論

本文應用SPEI_TH，SPEI_PM和scPDSI_PM數據集，對比分析了1961—2009年東北地區干旱時空變化、干旱發生頻率、不同等級干旱發生頻次和不同季節干旱強度的演變特征，并對各指數描述的東北地區典型干旱年與實況進行了比較，得出以下主要結論：

(1) 1961—2009年東北地區總體表現出變干的趨勢，其中SPEI_TH顯示的主要干旱時段在2000年以后，而SPEI_PM和scPDSI_PM都檢測到1980年前后東北地區也處于一個較為明顯的干期。

(2) 各指數對東北地區干旱頻率空間分布的描述是接近的，且SPEI_TH和SPEI_PM都顯示東北地區大部多年平均的干旱發生頻率介于28%～38%之間。scPDSI_PM對干旱頻率大小的描述與SPEI_TH，SPEI_PM不同，其給出的東北大部地區干旱頻率介于11%～58%之間。從干旱指數變率來看，東北地區大部SPEI_TH和scPDSI_PM都呈顯著的減小趨勢，SPEI_PM在東北地區大部也以減小為主。

(3) 就輕旱而言，SPEI_TH和SPEI_PM均顯示70年代和2000年以后輕旱發生頻次偏多，而scPDSI_PM描述的輕旱多發期在70年代和90年代。各指數均檢測到2000年以后中旱發生頻次高于其他時期。SPEI_TH和scPDSI_PM的計算結果表明2000年以后重旱最多，而SPEI_PM顯示70年代是東北地區重旱發生最集中的時期。SPEI_TH和scPDSI_PM對東北地區特旱年際變化的描述與重旱是基本一致的。進一步研究發現，2000年以后重旱和特旱在不同等級干旱中所占的比重明顯提高。

(4) 各指數描述的1961—2009年東北地區四季干旱強度均有不同程度的加強。其中SPEI_TH給出的四季干旱強度變化均通過了0.05水平的顯著性檢驗，而SPEI_PM描述的各季干旱加強趨勢均不顯著，scPDSI_PM只檢測到秋季干旱強度變化是顯著的。

(5) 從各指數與東北地區干旱實況的對比來看，SPEI_TH和scPDSI_PM對東北地區典型干旱年的描述能力要好于SPEI_PM。但本文僅就季節尺度的干旱強度這一個方面進行了探討，若要檢驗各指數在東北地區干旱監測、評估中是否較其他指數更具優越性，還需要在今后做更多的驗證和比較工作。

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