基于PDSI的1982—2015年我國(guó)氣象干旱特征及時(shí)空變化分析

陶 然，張 珂,3

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.中國(guó)氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

氣象干旱是其他類型干旱發(fā)生的先導(dǎo)因素[1]。當(dāng)降水量在一定時(shí)期持續(xù)少于正常狀態(tài)時(shí)，如果不及時(shí)采取措施，河湖水資源量、土壤含水量會(huì)相應(yīng)減少[2]，引起干旱，甚至造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，因此研究我國(guó)氣象干旱具有重要的意義。

Dai[3]認(rèn)為全球氣象干旱呈增加趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者的研究也表明，1960年以來(lái)，我國(guó)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(guó)的干旱時(shí)空變化及特征規(guī)律具有重要意義[6]。通常認(rèn)為，干旱主要發(fā)生在我國(guó)北方，南方是較為濕潤(rùn)的地區(qū)，因此干旱風(fēng)險(xiǎn)較低。Shi等[7]發(fā)現(xiàn)，隨著氣候變化，南北方的干旱特征發(fā)生了改變，北方干旱的同時(shí)，南方干旱變得更加明顯。已有研究[8-9]表明，干旱不僅發(fā)生在干旱區(qū)和半干旱區(qū)，濕潤(rùn)區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)也常發(fā)生干旱。當(dāng)前已有的研究大多仍以我國(guó)北方干旱區(qū)為主要研究區(qū)域[10-14]，往往忽視濕潤(rùn)地區(qū)的干旱研究，且較少涉及全國(guó)范圍尺度[15]。

降水持續(xù)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(shù)都以降水量為唯一考慮要素并按不同原理計(jì)算得到[16]，如降雨十分位指數(shù)RD、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI等。但僅僅考慮降水會(huì)影響衡量氣象因素對(duì)干旱過(guò)程影響的準(zhǔn)確性。1965年P(guān)almer[17]建立了帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)，該指數(shù)考慮了土壤水分以及蒸散發(fā)，相較于其他氣象干旱指數(shù)，PDSI物理意義清晰明確，是研究和監(jiān)測(cè)氣象干旱應(yīng)用最為廣泛的指標(biāo)之一。在很多學(xué)者的努力下，PDSI也成為一個(gè)成熟的、易獲取的干旱指數(shù)。目前已有研究者建立了全球尺度的PDSI數(shù)據(jù)庫(kù)[18]，但空間分辨率較低，如何獲取我國(guó)地區(qū)較高分辨率的PDSI數(shù)據(jù)仍需進(jìn)一步研究。本文使用我國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集的降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)構(gòu)建1982—2015年全國(guó)0.25°分辨率的網(wǎng)格化月尺度PDSI指數(shù)，分區(qū)研究氣象干旱特征，包括干旱頻次、歷時(shí)與烈度及其變化特征，并分析氣溫及降水變化對(duì)氣象干旱時(shí)空變化的影響，以期為我國(guó)干旱研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn/)。利用全國(guó)613個(gè)氣象觀測(cè)站(圖1)的降雨、氣溫資料，時(shí)間上，少量缺失數(shù)據(jù)采用線性插補(bǔ)；空間上，采用克里金方法插值為網(wǎng)格數(shù)據(jù)，得到1982—2015年空間分辨率0.25°×0.25°的全國(guó)月尺度降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)。我國(guó)地域遼闊，本文為了簡(jiǎn)化分區(qū)研究的難度，對(duì)具有不同氣候特征的區(qū)域進(jìn)行氣象干旱的對(duì)比評(píng)價(jià)，依據(jù)多年平均降水量將我國(guó)劃分成四大氣候區(qū)，大于800 mm為濕潤(rùn)區(qū)、400～800 mm為半濕潤(rùn)區(qū)、200～400 mm為半干旱區(qū)、小于200 mm為干旱區(qū)。

圖1 干濕分區(qū)及氣象站點(diǎn)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(guò)程模型的中國(guó)土壤水文數(shù)據(jù)集(http://westdc.westgis.ac.cn/)的田間持水量和凋萎系數(shù)計(jì)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(cè)地面氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)建立的全球2.5°×2.5°(簡(jiǎn)稱DAI-scPDSI)以及英國(guó)East Anglia大學(xué)氣候研究中心(Climatic Research Unit，CRU)構(gòu)建的全球0.5°×0.5°月尺度自校正PDSI數(shù)據(jù)庫(kù)(簡(jiǎn)稱CRU-scPDSI)來(lái)驗(yàn)證本文構(gòu)建的全國(guó)0.25°×0.25°PDSI的可靠性。

1.2 研究方法

1.2.1PDSI的計(jì)算方法

PDSI基于一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)蒸發(fā)表現(xiàn)，下墊面通過(guò)AWC表現(xiàn)。關(guān)于PDSI的具體算法可參考文獻(xiàn)[18]。PDSI構(gòu)建的主要輸入?yún)?shù)為降水、氣溫和AWC，基于水量平衡原理建立水平衡方程，計(jì)算水分距平d：

(1)

水分距平d與該地某月的氣候權(quán)重系數(shù)ω相乘，得到水分異常指數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出PDSI：

IPDSI=0.897IPDSI-1+Zi/3

(2)

式中:IPDSI為當(dāng)月PDSI；IPDSI-1為上一個(gè)月PDSI，首月指數(shù)值為Z1/3；Zi為當(dāng)月水分異常指數(shù)。

本文使用美國(guó)內(nèi)布拉斯-林肯大學(xué)發(fā)布的PDSI計(jì)算程序(http://nadss.unl.edu)，將1980—1981年作為模型預(yù)熱期，預(yù)熱后輸出1982—2015年的結(jié)果。PDSI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 干濕等級(jí)劃分Table 1 Classification of wet and dry grades

1.2.2Mann-Kendall檢驗(yàn)及Sen趨勢(shì)度

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)是目前氣象水文領(lǐng)域進(jìn)行趨勢(shì)判斷的主要方法，依據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z判斷序列的趨勢(shì)顯著性。在顯著性水平α=0.05時(shí)、當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|Z|>1.96時(shí)表示趨勢(shì)顯著；當(dāng)|Z|<1.96時(shí)表示趨勢(shì)不顯著。

Sen趨勢(shì)度檢驗(yàn)是由Sen[21]提出的研究變量長(zhǎng)時(shí)序變化的方法，對(duì)于一時(shí)間序列x1,x2,…,xN，趨勢(shì)度β定義為

(3)

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

1.2.3干旱識(shí)別過(guò)程

游程理論是分析時(shí)間序列的一種方法，廣泛應(yīng)用于干旱事件的識(shí)別中[22]。傳統(tǒng)的干旱事件識(shí)別過(guò)程并沒(méi)有考慮將一些歷時(shí)很短的“小干旱事件”的影響忽略不計(jì)，也沒(méi)有將間隔時(shí)間很短的兩次歷時(shí)很長(zhǎng)的“強(qiáng)干旱事件”的影響合并，這樣容易降低干旱過(guò)程識(shí)別的精確度。本文利用He等[23]提出的一種包含3個(gè)閾值的改進(jìn)游程理論方法優(yōu)化干旱識(shí)別過(guò)程。以圖2為例，主要步驟如下：首先按照干旱發(fā)生閾值R1初步確定干旱事件，由此可以預(yù)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(shí)1個(gè)月且未達(dá)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(gè)月且間隔月的指數(shù)值小于濕潤(rùn)狀態(tài)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(gè)閾值依據(jù)指數(shù)干濕等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)選取，以PDSI的干濕等級(jí)劃分(表1)為標(biāo)準(zhǔn)，閾值R0為發(fā)生輕微濕潤(rùn)值(1)，閾值R1為發(fā)生輕微干旱值(-1)，閾值R2為發(fā)生中度干旱值(-2)。

圖2 3個(gè)閾值干旱識(shí)別Fig.2 Three threshold drought recognition

依據(jù)上述方法識(shí)別干旱過(guò)程，并定義干旱頻次(drought frequency，DF)為干旱發(fā)生的次數(shù)，干旱歷時(shí)(drought duration，DD)為一次干旱事件的時(shí)間跨度(月)，干旱烈度(drought severity，DS)為一次干旱事件中所有指數(shù)值的絕對(duì)值之和。

假設(shè)一次干旱事件開(kāi)始時(shí)間為ts，結(jié)束時(shí)間為te，時(shí)間為i的指數(shù)值為Ii。對(duì)于該次干旱事件，干旱歷時(shí)DD和干旱烈度DS計(jì)算公式為

DD=te-ts

(4)

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 與DAI-scPDSI、CRU-scPDSI的比較

為了驗(yàn)證構(gòu)建的全國(guó)0.25°逐月PDSI的適用性，將其與目前運(yùn)用較多的兩個(gè)PDSI數(shù)據(jù)庫(kù)(DAI-scPDSI、CRU-scPDSI)進(jìn)行比較，3種PDSI計(jì)算數(shù)據(jù)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(guó)區(qū)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(guó)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(gè)PDSI略高，1996—2010年三者較為相近，2011—2014年本文PDSI低于其他2個(gè)PDSI。本研究PDSI與DAI-scPDSI和CRU-scPDSI的相關(guān)系數(shù)分別為0.66和0.79，相關(guān)性較高，說(shuō)明本文計(jì)算的PDSI在中國(guó)區(qū)域具有較強(qiáng)的可靠性。

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

表2 3種PDSI計(jì)算數(shù)據(jù)比較Table 2 Comparison of three PDSI calculated data

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

由于中國(guó)青藏高原和內(nèi)蒙古地區(qū)氣象站點(diǎn)空間密度較低，可能導(dǎo)致該地區(qū)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和不確定性增大。總體而言，本文PDSI數(shù)據(jù)同其他兩個(gè)不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)一致性較高，相互可以作為印證。由于本文采用中國(guó)氣象局提供的全國(guó)范圍的觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)覆蓋密度和精度上應(yīng)該優(yōu)于其他兩個(gè)數(shù)據(jù)源，因此有理由認(rèn)為本文獲得的PDSI應(yīng)該更能反映中國(guó)的實(shí)際情況。

(a) PDSI與DAI-scPDSI的相關(guān)關(guān)系

(b) PDSI與CRU-scPDSI的相關(guān)關(guān)系圖4 相關(guān)系數(shù)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(shí)與烈度

為了研究氣象干旱的不同指標(biāo)特征，對(duì)PDSI進(jìn)行DF、DD、DS這3個(gè)干旱特征指標(biāo)的分析，并利用多年平均降水量劃分我國(guó)干濕區(qū)(圖1)，分區(qū)研究干旱特征。表3為分區(qū)干旱特征統(tǒng)計(jì)。從整體來(lái)看，1982—2015年單位面積上我國(guó)氣象干旱平均頻率為0.44次/a，平均干旱歷時(shí)6月/次(包含輕微干旱)。我國(guó)氣象干旱特征情況分布不均，半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)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(shí)較長(zhǎng)(分別為每次8個(gè)月和6個(gè)月)，且烈度較大；濕潤(rùn)、干旱區(qū)干旱次數(shù)較多(分別為0.44次/a和0.50次/a)，但平均歷時(shí)較短(5月/次)，烈度較低。

表3 1982—2015年分區(qū)干旱特征統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of regional droughtcharacteristics from 1982 to 2015

2.2.2干旱特征時(shí)間變化

為了進(jìn)一步分析3種干旱特征的時(shí)間變化，將1982—2015年分成7個(gè)時(shí)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(shí)段1,2,3,4,5,6,7)，計(jì)算全國(guó)各時(shí)段的干旱總頻率、歷時(shí)及干旱烈度(圖5)。由圖5可知，1982—2015年單位面積上我國(guó)干旱頻率、干旱歷時(shí)、干旱烈度總體都有上升的趨勢(shì)。雖然干旱歷時(shí)與烈度的變化過(guò)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(shí)與烈度都在減小的同時(shí)，干旱頻率卻在增大；具體來(lái)看，1996—2000年以及2006—2010年這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，干旱頻率、干旱歷時(shí)及烈度都呈同步上升。

(a) 全國(guó)DF、DD

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

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

(a) 分區(qū)DF、DD

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

馬鵬里等[5]發(fā)現(xiàn)1960年以來(lái)，中國(guó)各區(qū)域干旱程度加重，次數(shù)增多，持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。果華雯等[25]研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)南北過(guò)渡帶的干旱強(qiáng)度、干旱歷時(shí)隨時(shí)間均呈上升趨勢(shì)。賈艷青等[26]研究表明，我國(guó)氣象干旱嚴(yán)重程度高的地區(qū)集中在半濕潤(rùn)及半干旱區(qū)的交界處，以內(nèi)蒙古東部及華北地區(qū)為主。說(shuō)明我國(guó)氣象干旱頻次增多、歷時(shí)增加、烈度加重，尤其是在半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)，這些與本文的結(jié)果基本一致。

2.3 氣象干旱時(shí)空變化

本文PDSI的年際及季節(jié)(春：3—5月，夏：6—8月，秋：9—11月，冬：12月至次年2月)尺度時(shí)間變化(圖7)。結(jié)果表明，1982—2015年，全國(guó)年際PDSI整體以每年0.03的速率下降，說(shuō)明我國(guó)氣象干旱程度總體在加重。1982—1998年P(guān)DSI并沒(méi)有達(dá)到輕微干旱的標(biāo)準(zhǔn)，然而2000—2002年及2006—2008年P(guān)DSI持續(xù)低于輕微干旱的標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該時(shí)段全國(guó)氣象干旱加重明顯，2012—2015年氣象干旱有減輕的趨勢(shì)。季節(jié)變化上，與年際變化相似，全國(guó)PDSI整體呈下降趨勢(shì)，從2000年后，氣象干旱加重明顯，季節(jié)之間變化差異不大。

圖7 PDSI年際、季節(jié)性時(shí)間變化Fig.7 Temporal variation ofinterannualand seasonal PDSI

逐網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算年際、季節(jié)尺度PDSI的Sen趨勢(shì)度，并對(duì)其進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)(圖8)，圖8(a)表明，我國(guó)年尺度氣象干旱整體有加重的趨勢(shì)，主要集中在半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)，較為嚴(yán)重的有青海東南部、陜甘寧、山西、內(nèi)蒙古北部及與黑龍江省交界處等地區(qū)。濕潤(rùn)地區(qū)中，四川中部、重慶、湖北及云貴地區(qū)也有大面積的干旱加重趨勢(shì)。圖8(b)～(e)表明，季節(jié)性氣象干旱在半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)均有顯著加重趨勢(shì)，其中，夏季干旱有顯著加重趨勢(shì)的地區(qū)占比最大(24%)，冬季干旱有顯著減輕趨勢(shì)的地區(qū)占比最大(2%)。

3 結(jié) 論

a. 我國(guó)氣象干旱特征空間差異顯著。半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)干旱頻率較小，但平均干旱歷時(shí)較長(zhǎng)，且烈度較大；濕潤(rùn)、干旱區(qū)干旱次數(shù)較多，但平均歷時(shí)較短，烈度較低。從全國(guó)整體來(lái)看，單位面積上干旱頻率為0.44次/a，平均干旱歷時(shí)為每次6月/次。

(a) 年際

(b) 春

(e) 冬圖8 PDSI年際、季節(jié)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(rùn)、半干旱區(qū)干旱形勢(shì)逐漸嚴(yán)峻。1982—2015年我國(guó)干旱頻率、平均干旱歷時(shí)、干旱烈度總體都有上升的趨勢(shì)，尤其是在半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)。濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)的干旱烈度上升速率明顯高于干旱區(qū)。

c. 氣象干旱時(shí)空變化顯著。時(shí)間上，無(wú)論是年際還是季節(jié)變化，全國(guó)單位面積PDSI均呈下降趨勢(shì)，2000年后氣象干旱程度加重明顯，季節(jié)之間變化差異不大。空間上，半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)氣象干旱程度有顯著加重的趨勢(shì)，較為嚴(yán)重的有青海東南部、陜甘寧、山西、內(nèi)蒙古北部及與黑龍江省交界處等地區(qū)。濕潤(rùn)地區(qū)中，四川中部、重慶、湖北及云貴地區(qū)也有大面積的氣象干旱程度加重趨勢(shì)。