中國亞熱帶干旱多尺度時空格局及演變趨勢

尹世燕, 毛方杰, 周國模, 杜華強, 李雪建, 陳 琦, 閆夢潔

(1.浙江農林大學 亞熱帶森林培育國家重點實驗室, 杭州 310000; 2.浙江農林大學 浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點試驗, 杭州 310000; 3.浙江農林大學 環境與資源學院, 杭州 310000)

氣象干旱是指某時段，由于蒸發量和降水量的收支不平衡，水分支出大于收入而造成的水分短缺現象。干旱雖然僅占世界全部自然災害的5%，但其帶來的損失卻占全部自然災害造成損失的30%[1]。而中國是受干旱最嚴重的國家，年均受旱面積約為21.57×105km2，總受災面積的55%[2]。亞熱帶具有明顯的季風特征，降雨具有明顯季節和年際變化，加之全球氣候變化的影響，使得過去幾十年來極端天氣事件頻發，尤其是極端干旱，造成的社會經濟損失巨大，僅2016年西南地區的秋季極端干旱就已造成17.4萬人受災，直接經濟損失1 400余萬元[3]。

干旱評價歷來是國內外研究的熱點。目前干旱評價指標主要有綜合氣象干旱指數(CI)、Palmer干旱指數(PDSI)、標準化降水指數(SPI)和標準化降水蒸散指數(SPEI)等。CI指數既反映短時間尺度(月)，又反映長時間尺度(季)降水量氣候異常情況，適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估[4]，謝五三等[5]基于CI指數獲得淮河流域的歷年干旱日數與受災面積和成災面積的相關性通過了0.01的顯著性水平檢驗，表明CI指數在淮河流域具有較好的區域適應性；PDSI指數表征一段時間內實際水分供應持續少于當地氣候適宜水分供應的水分虧缺，適用于月尺度的水分盈虧監測和評估[6]，Jia等[7]利用1951—2012年PDSI長期月自校準數據，研究了中國西部地區干旱的時空變化特征；SPI指數該計算簡單，僅考慮降水因素，且具有多時間尺度[8]，Sobral等[9]描述1979—2009年里約熱內盧州年度SPI指數的變化，并與ENSO事件結合分析里約熱內盧州的干旱時空變化特征。然而，CI指數權累積過程中容易出現不合理旱情加劇的問題；PDSI指數權重因子來源于美國中西部的站點，使得該指數在全球不同的地方不具有空間可比性，并且數據要求高，需要土壤持水量資料作為輸入量，計算復雜[10]；SPI指數考慮致旱因子過于單一，未考慮影響干旱的其他因素如溫度、蒸散等[11]。

SPEI綜合考慮溫度、濕度、降水和蒸散等氣象因素，并融合了SPI多時間尺度特征，能夠從多時空尺度穩定地評價干旱時空特征[12]，適于監測全球變暖背景下干旱的變化特征，在世界上得到了廣泛應用，Polong等[13]利用SPEI指數研究了肯尼亞塔納河流域(TRB)干濕事件的時空變化特征，Hernandez等[14]采用SPEI指數并結合兩種大氣環流模式(GCMs)的降水和溫度預測得出：21世紀，德克薩斯州南部的沿海半干旱地區干旱程度將逐漸增加，Jia等[7]利用日尺度的SPEI指數對1960—2016年中國西南地區干旱的區域時空特征進行識別，揭示了中國西南地區干旱特征的變異特征。

雖然以上研究已表明SPEI指數幾乎在世界各地區都進行過干旱特征研究，然而，大部分的研究使用的氣象數據過于粗糙，而局部區域的研究無法代表整個亞熱帶干旱的時空特征，并且多在單一尺度上對干旱進行分析，未充分發揮SPEI在亞熱帶干旱評價中的重要作用。政府間氣候變化專業委員會(IPCC)于2013年發布的第5次評估報告中指出，干旱在世界范圍內不僅影響范圍呈增大趨勢，而且未來發生頻率將持續增加。因此，本文以中國亞熱帶為研究區域，基于1 km空間分辨率氣象格點數據，獲取相同分辨率的SPEI格點數據作為干旱等級劃分指標，結合干旱變化趨勢、影響范圍、強度及頻率，探討不同時間尺度下中國亞熱帶區域干旱的時空特征。

1 研究區概況

中國亞熱帶位于23°—35°N，92°—123°E，包括秦嶺淮河以南、雷州半島以北、橫斷山脈以東的20個省市，面積約占中國總面積的1/4(圖1)。該地區東亞季風盛行，具有冬冷夏熱、四季分明的氣候特點，年平均氣溫在15.74～16.81℃，年均降水量為800～1 600 mm，物種豐富，植被類型多樣，頂級群落為常綠闊葉林[15]。

注：該圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)123號的標準地圖制作，底圖無修改。圖1 中國亞熱帶地理位置

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

1959—2019年研究區氣象資料(包括月平均氣溫和月降水量數據)是基于國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)提供的全國824個氣象站的日氣象資料處理獲取。首先，利用1 km空間分辨率的距離加權方法對日氣象數據進行插值，獲取同等空間分辨率下的全國日氣象格點數據；其次，利用Aster DEM V3.0(https:∥ssl.jspacesystems.or.jp/ersdac/GDEM/E/)對氣溫進行了修正，并假設氣溫下降速率為6.5℃/km[16]；然后，根據日氣象資料的平均值或總和計算月氣象因子的值，獲取全國月氣象資料；最后，通過裁剪獲得中國亞熱帶地區月氣象資料。

2.2 研究方法

2.2.1 SPEI的計算 本文用不同時間尺度的SPEI來研究1959—2019年亞熱帶地區的干旱時空格局，包括1，3，6，12個月，分別用SPEI1，SPEI3，SPEI6，SPEI12表示。其中SPEI1可反映出短期內干旱情況；SPEI3可反映出季節的變化規律(SPEI3spring：3—5月，SPEI3summer：6—8月，SPEI3antumn：9—11月，SPEI3winter：12—2月)；SPEI6可反映出干濕季的變化規律；而SPEI12則反映了干旱的年際變化。其中干濕季的判斷依據為1959—2019年月平均降水數據，以100 mm(1959—2019年月平均降水中值)為分界線劃分亞熱帶地區的干濕兩季(圖2，SPEI6dry：10—3月，SPEI6wet：4—9月)。SPEI的計算過程見參考文獻[11]。

圖2 1959-2019年月平均降水

2.2.2 干旱線性變化趨勢 干旱隨時間變化的趨勢和特征采用線性回歸的方式計算，公式如下：

(1)

式中:θ為變化趨勢(當θ>0時,代表c正在增加,當θ<0時,代表SPEI正在減小);y為發生干旱年數；i為第幾年的個數(i=1,2,…,n)；SPEIi為第i年的SPEI值。

2.2.3 干旱程度影響范圍 干旱程度影響范圍是指對應年份里發生不同等級干旱的柵格數占總研究區域柵格數量的比例，計算公式如下：

(2)

式中:Ad為不同等級干旱的影響范圍；nd為不同等級干旱的柵格數；N為總研究區域柵格數量。

2.2.4 干旱強度 干旱強度定義為發生干旱時SPEI累積值的平均值的絕對值，其值越大干旱程度越強，計算公式如下：

(3)

式中:I為干旱強度；m為發生干旱次數；SPEIi為研究期間內發生干旱時SPEI的值。

2.2.5 干旱頻率 干旱頻率是用來評價某區域有資料年份內干旱發生頻繁程度即該區域發生干旱年數占總年數百分比，計算方法為：

(4)

式中:F為干旱頻率；r為發生干旱年數；H為總年數。

2.2.6 干旱等級及強度劃分 基于SPEI和I將干旱劃分無干旱、輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱、極端干旱5個等級[17]，見表1。

表1 干旱等級及干旱強度劃分

3 結果與分析

3.1 多時空尺度SPEI變化及干旱趨勢分析

不同時間尺度下SPEI值波動規律明顯不同，隨著時間尺度的增大，波動整體上呈現逐步減小趨勢(圖3)，表明SPEI在不同時間尺度上體現出不同的干旱周期性和連續性。1959—1999年，亞熱帶地區干旱發生頻率低、持續時間短，干旱危害較小。主要發生在1963年、1972年、1979年、1987年、1999年。而2000年以后，亞熱帶地區進入到干旱頻繁的階段，干旱持續時間長，2004—2014年都處于持續干旱狀態。由于月尺度(SPEI1)波動較大，且短時間的降水和溫度無法決定區域的干濕程度，因此，本文重點從季尺度(SPEI3)、干濕季尺度(SPEI6)和年尺度(SPEI12)分析1959—2019年干旱演變規律。

圖3 1959-2019年不同時間尺度SPEI時間序列

季節變化上(圖4)，SPEI3spring，SPEI3antumn，SPEI3winter分別有75.2%，94.7%，51.5%區域呈現下降趨勢，總體下降速率分別為0.055/10 a，0.096/10 a，0.015/10 a。其中，SPEI3spring下降區域主要分布在亞熱帶東部和西北部，尤其是陜西、江蘇和浙江部分地區下降趨勢超過0.2/10 a以上，干旱趨勢從1992年開始大幅增加，在2003—2010年干旱較為嚴重；SPEI3antumn在四川、廣東、云南三省交界處下降趨勢尤為明顯，下降趨勢超過0.3/10 a以上，干旱趨勢以1989年為界，主要集中在1998—2009年，尤其是1998年、2009年出現了中度干旱，SPEI3antumn分別為-1.21，-1.27；SPEI3winter下降區域主要分布在亞熱帶西部，尤其在四川西南部少部分地區，下降趨勢超過0.4/10 a以上，干旱趨勢以1998年為界，主要發生在1999年，以及2009—2019年，特別是1999年發生了嚴重干旱，SPEI3winter達-1.66；SPEI3summer呈現下降趨勢范圍僅占亞熱帶地區的42.7%，主要分布在亞熱帶西部，且除了個別年份，如1972年，發生輕度干旱外，總體較為正常。

注：直線為一元線性擬合，虛線為5 a滑動平均SPEI值，下圖同。圖4 1959-2019年四季干旱趨勢空間分布和SPEI3時間變化趨勢

干濕季變化上(圖5)，SPEI6dry，SPEI6wet分別有65.1%，69.4%區域呈下降趨勢，總體下降速率分別為0.049/10 a，0.038/10 a。其中，SPEI6dry下降區域主要分布在亞熱帶西部的大部分地區，尤其是四川、甘肅少部分地區下降趨勢超過0.3/10 a以上，干旱時期主要集中在1999年，2004—2015年，同樣也診斷出1999年發生了嚴重干旱事件，SPEI6dry達-1.54；SPEI6wet下降區域主要分布在亞熱帶西部和東部的少部分地區，下降趨勢主要集中在0～-0.2/10 a，干旱事件集中發生在2003—2013年，特別是2009年、2011年干旱較為嚴重，SPEI6wet分別達-0.87，-1.14。

圖5 1959-2019年干濕季干旱趨勢空間分布和SPEI6時間變化趨勢

年際變化上(圖6)，SPEI12有73.8%區域呈現下降趨勢，總體下降速率為0.06/10 a，下降區域主要分布在亞熱帶西部的大部分地區，尤其是四川、云南少部分地區下降趨勢超過0.2/10 a以上，干旱趨勢自2001年波動明顯，干旱時期主要集中在2001—2013年，特別是2009年和2011年發生了中度干旱事件，SPEI12分別達-1.16，-1.18。

圖6 1959-2019年年際干旱趨勢空間分布和SPEI12時間變化趨勢

3.2 多時空尺度干旱程度影響范圍分析

就整體干旱程度影響范圍而言(圖7)，1959—2019年，除夏季以外的時間尺度的干旱程度影響范圍都處于不斷波動上升的趨勢，尤其是在1995年之后，上升趨勢尤為明顯。SPEI3spring，SPEI3antumn，SPEI3winter，SPEI6dry，SPEI6wet和SPEI12分別在2007年(71.9%)、1998年(81.5%)、1999年(95.1%)、1999年(86.4%)、2011年(75.3%)和2009年(81.9%)達到干旱程度影響范圍極值，SPEI3summer呈現明顯“凹”字型的波動趨勢，在1990—2005年出現明顯的“下降—上升”的波動趨勢以外，其余年份波動幅度較小，在1972年(73.4%)達到干旱程度影響范圍極值。

圖7 1959-2019年各時間尺度干旱程度影響范圍

就不同干旱程度影響范圍而言，1959—1995年期間，亞熱帶大部分區域都處于輕度干旱和中度干旱，少部分區域處于嚴重干旱，極少發生極端干旱事件，即使發生，極端干旱事件影響范圍極小，但自1995年之后，極端干旱事件頻發，極端干旱影響范圍不斷擴大，SPEI3spring，SPEI3summer，SPEI3antumn，SPEI3winter，SPEI6dry，SPEI6wet和SPEI12分別在2011年(27.8%)、2006年(21.9%)、2009年(21.9%)、1999年(27%)、1999年(37.8%)、2011年(23.7%)和2011年(20.8%)達到極端干旱影響范圍極值。

3.3 多時空尺度干旱強度空間分布特征

就亞熱帶干旱強度空間分布而言(圖8)，1959—2019年期間，各時間尺度SPEI的干旱強度范圍為0.91～1.55，并且大部分區域的干旱強度主要集中在1.0～1.2，即處于中度干旱狀態。

圖8 1959-2019年各時間尺度干旱強度空間分布

季節變化上，SPEI3spring，SPEI3summer，SPEI3antumn，SPEI3winter嚴重及以上干旱強度分別占亞熱帶區域的10.3%，8.5%，6.2%，13.9%。其中，SPEI3spring嚴重及以上干旱強度區域主要分布在甘肅以及湖南東南部的少部分地區，SPEI3summer主要分布在浙江東部以及廣東西南部的少部分地區，SPEI3antumn主要分布在福建西南部的少部分地區，SPEI3winter主要分布在重慶、四川、貴州和云南4省的交界處，以及廣西南部的少部分地區，且季節變化中，僅有SPEI3summer的0.001 7%區域處于極端干旱強度。

干濕季變化上，SPEI6dry，SPEI6wet嚴重及以上干旱強度分別占亞熱帶區域的9.6%，7.8%。其中，SPEI6dry嚴重及以上干旱強度區域主要分布在江西北部、貴州西北部以及青海與西藏交界的少部分地區，SPEI6wet零星分布在福建、云南、四川3省，且干濕季變化中，僅有SPEI6dry的0.002 2%區域處于極端干旱強度。年際變化上，SPEI12嚴重干旱強度占亞熱帶區域的9.1%，主要分布在福建和廣東交界的少部分地區。

3.4 多時空尺度干旱頻率格局分析

就亞熱帶區域干旱發生頻率而言(圖9)，1959—2019年期間，不同時間尺度的干旱發生頻率范圍為18%～44.3%，大部分區域的干旱發生頻率主要集中在25%～35%，中等及以上干旱發生頻率范圍為4.9%～27.9%，大部分區域的中等及以上干旱發生頻率主要集中在10%～20%。

注：左側7個圖為干旱發生頻率; 右側7個圖為中等及以上干旱發生頻率。圖9 1959-2019年各時間尺度干旱發生頻率

季節變化上，SPEI3spring，SPEI3summer，SPEI3antumn，SPEI3winter平均發生干旱頻率分別為32.5%，32.4%，33.1%，31.2%。其中，SPEI3spring超過20%的高頻中等及以上干旱頻率區域主要分布在西藏、四川等地，SPEI3summer和SPEI3antumn零星分布在廣西、廣東、福建、湖南等地，SPEI3winter主要分布在四川、重慶等地，最高頻率可達到27.9%。

干濕季變化上，SPEI6dry，SPEI6wet平均發生干旱頻率分別為31.6%，32.5%。其中，SPEI6dry超過20%的高頻中等及以上干旱頻率區域零星分布在貴州、四川、江西等地，SPEI6wet主要分布在湖南、江西、福建等地，最高頻率可達到26.2%。

年際變化上，SPEI12平均發生干旱頻率為32.8%，SPEI12超過20%的高頻中等及以上干旱頻率區域主要分布在云南、貴州、重慶、浙江等地，最高頻率可達到27.9%。

4 討 論

4.1 輸入數據及蒸散計算對SPEI的影響

SPEI計算原理是利用降水量與蒸散量差值偏離平均狀態的程度來表征某地區的干旱。本文采用Thornthwaite蒸散方法計算PET，其主要優點是僅以溫度和站點(或格點)所在的緯度作為輸入量，不論在全球或中國區域，相比于其他資料，溫度資料比較容易獲取且觀測時間較長[18]，因而得到廣泛利用。但是，Thornthwaite公式也存在一定的問題。在全球變暖的背景下，基于緯度和溫度使用Thornthwaite公式估算的短波輻射與潛在蒸散量的關系也會發生變化，這將導致未來潛在蒸散量的計算出現錯誤[19]。相對來說，Penman-Monteith公式雖然能得到相對準確的潛在蒸散量，但是計算涉及到太陽輻射、溫度、風速和相對濕度等指標的高時空精度數據在全球大部分地區無法獲取，這同樣限制了SPEI的精確描述。本文首次利用1 km空間分辨率逐月氣象數據計算中國亞熱帶區域SPEI，通過與典型干旱事件核準(表2)可知，本文與前人的統計結果類似，具有一定的適用性，且相較于目前全球SPEI產品〔如The Global SPEI database v2.6(https:∥spei.csic.es/spei_database)等〕結果[20]而言，具有更高的精度。

表2 典型干旱事件核準

4.2 亞熱帶干旱時空特征分析

以往干旱的研究多集中于干旱/半干旱區，鮮有針對受氣候變化影響劇烈的亞熱帶地區開展干旱時空特征變化的研究。本研究基于多時空尺度SPEI的分析發現，中國亞熱帶地區呈現干旱化趨勢，空間上表現出自西向東的“濕—干—濕”變化趨勢，干旱影響范圍不斷波動上升，這與Wang[30]和Song[31]等的研究結果類似。

同時，本研究發現1995年以后，亞熱帶地區干旱，特別是極端干旱的影響范圍不斷擴大，與馬志婷[32]針對全國干旱的研究結果一致。另外，本研究發現亞熱帶干旱強度主要為中等干旱，其中湖南、江西、廣東、廣西、福建均出現了嚴重甚至極端干旱，然而，這些地區干旱頻率卻較低，主要原因可能是隨著全球變暖現象的持續，大尺度區域的極端氣候災害頻發，局部區域的極端氣候氣象事件突發性逐漸增強[33]，中國南方的驟旱發生概率很大。此外，高頻干旱頻率區域主要發生在湖北、安徽、江西、湖南等地，這也印證了前人關于近20 a長江中下游地區干旱事件發生頻率呈現增加的趨勢已成為不爭事實的論斷[34]。然而，現有柴榮繁[35]、Wu[36]等沒有檢測出亞熱帶東南的干旱化現象，也有基于全球再分析氣象數據集的研究發現北半球干旱頻率呈減少趨勢[37]，我們需要關注這些區域的氣象變化，開展更深入研究。

4.3 亞熱帶干旱成因分析

導致干旱的原因是復雜且多方面的，既有氣候自然變化的原因，也有人類活動的原因。通過降水、濕度、最高溫和最低溫4種氣象因素與年尺度SPEI偏相關分析可知(圖10)，降水無疑是中國亞熱帶地區干旱的最大影響因素，所有區域的偏相關系數都高達0.9以上；濕度與干旱的偏相關系數絕對值主要集中在0.5左右，影響程度較為一般；最高溫對中國亞熱帶干旱的影響出現明顯的東西分界，東部地區主要呈現正相關性，但相關性較小，西部地區主要呈現負相關性，影響力較大的地區主要集中在西藏、四川等地，最大值可達0.87；中國亞熱帶的絕大部分區域都與最低溫呈現負相關性，尤其是西南地區，相關性最大可達0.91。Zhang等[38]研究發現，近55年來，華南地區年降水量呈波動趨勢，沒有明顯的線性變化趨勢，但21世紀初，年平均降水量明顯減少，振蕩幅度增大，近年來平均氣溫呈顯著上升趨勢，增長速度甚至高于全球平均水平。降水量減少，氣溫上升可能是亞熱帶21世紀以來干旱程度不斷加深的主要原因，更深層次的氣候變化原因還涉及到大西洋多年代際振蕩(Atlantic Multidecadal Oscillation)、南方濤動(Southern Oscillation)等大氣環流的變化。此外，人類活動已經并將繼續改變陸地表面，地表因子的變化，如植被退化、積雪增加或土地利用變化，導致地表反照率增加和大氣沉降增加，從而改變大氣和陸地表面之間的能量、動量和水的交換，這在區域尺度上抑制降水且顯著影響干旱。在分析了解亞熱帶地區氣象干旱時空變化規律的基礎上，進一步探討旱災成因對于干旱監測預警和防旱抗旱、減輕旱災損失有著十分重要的理論和實踐意義。

圖10 1959-2019年各氣象因素與SPEI的偏相關系數

5 結 論

(1) 1959—2019年各時間尺度SPEI統計表明亞熱帶地區干旱化速率平均為0.052/10 a，其中干旱化最嚴重為秋季，干旱化速率達0.096/10 a。空間統計結果顯示約有71.6%亞熱帶地區呈現干旱化趨勢，干旱化趨勢主要集中在0～-0.2/10 a，主要分布在西部地區的四川、貴州和云南等省份。

(2) 1959—2019年各時間尺度SPEI的干旱程度影響范圍都處于不斷波動上升的趨勢，尤其是在1995年之后，干旱程度影響范圍上升趨勢尤為明顯，最大達95.1%，且極端干旱事件頻發，極端干旱影響范圍不斷擴大，最大達37.8%。

(3) 1959—2019年各時間尺度SPEI的干旱強度處于0.91～1.55，大部分區域的干旱強度主要集中在1.0～1.2，即處于中等干旱階段，嚴重及以上干旱強度占亞熱帶區域的平均范圍為9.36%，主要分布在福建、湖南、貴州和廣西等省份。

(4) 1959—2019年各時間尺度SPEI的平均干旱發生頻率為32.3%，中等及以上干旱發生頻率范圍位于4.3%～27.9%，大部分區域的中等及以上干旱頻率主要集中在10%～20%，高頻的中等及以上干旱頻率區域主要分布在四川、西藏、重慶等省份。