陶 然，張 珂,3

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，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.中國氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實驗室，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)降水量在一定時期持續(xù)少于正常狀態(tài)時，如果不及時采取措施，河湖水資源量、土壤含水量會相應(yīng)減少[2]，引起干旱，甚至造成社會經(jīng)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(nèi)不少學(xué)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(guī)律具有重要意義[6]。通常認為，干旱主要發(fā)生在我國北方，南方是較為濕潤的地區(qū)，因此干旱風(fēng)險較低。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，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)，濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)也常發(fā)生干旱。當(dāng)前已有的研究大多仍以我國北方干旱區(qū)為主要研究區(qū)域[10-14]，往往忽視濕潤地區(qū)的干旱研究，且較少涉及全國范圍尺度[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算得到[16]，如降雨十分位指數(shù)RD、標準化降水指數(shù)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)測氣象干旱應(yīng)用最為廣泛的指標之一。在很多學(xué)者的努力下，PDSI也成為一個成熟的、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[18]，但空間分辨率較低，如何獲取我國地區(qū)較高分辨率的PDSI數(shù)據(jù)仍需進一步研究。本文使用我國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集的降水、氣溫數(shù)據(jù)構(gòu)建1982—2015年全國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(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的氣象數(shù)據(jù)來自中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采用線性插補；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°的全國月尺度降水、氣溫數(shù)據(jù)。我國地域遼闊，本文為了簡化分區(qū)研究的難度，對具有不同氣候特征的區(qū)域進行氣象干旱的對比評價，依據(jù)多年平均降水量將我國劃分成四大氣候區(qū)，大于800 mm為濕潤區(qū)、400～800 mm為半濕潤區(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(shù)據(jù)集(http://westdc.westgis.ac.cn/)的田間持水量和凋萎系數(shù)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?dāng)?shù)據(jù)建立的全球2.5°×2.5°(簡稱DAI-scPDSI)以及英國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(簡稱CRU-scPDSI)來驗證本文構(gòu)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(fā)表現(xiàn)，下墊面通過AWC表現(xiàn)。關(guān)于PDSI的具體算法可參考文獻[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)，進而計算出PDSI：

IPDSI=0.897IPDSI-1+Zi/3

(2)

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

本文使用美國內(nèi)布拉斯-林肯大學(xué)發(fā)布的PDSI計算程序(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(lǐng)域進行趨勢判斷的主要方法，依據(jù)檢驗統(tǒng)計量Z判斷序列的趨勢顯著性。在顯著性水平α=0.05時、當(dāng)檢驗統(tǒng)計量|Z|>1.96時表示趨勢顯著；當(dāng)|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(shù)函數(shù)。當(dāng)β>0時表示待分析變量的時間序列呈上升趨勢，當(dāng)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(yīng)用于干旱事件的識別中[22]。傳統(tǒng)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(yōu)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(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(shù)值小于濕潤狀態(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個閾值依據(jù)指數(shù)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(fā)生輕微濕潤值(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個閾值干旱識別Fig.2 Three threshold drought recognition

依據(jù)上述方法識別干旱過程，并定義干旱頻次(drought frequency，DF)為干旱發(fā)生的次數(shù)，干旱歷時(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(shù)值的絕對值之和。

假設(shè)一次干旱事件開始時間為ts，結(jié)束時間為te，時間為i的指數(shù)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(jié)果與分析

2.1 與DAI-scPDSI、CRU-scPDSI的比較

為了驗證構(gòu)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(shù)據(jù)庫(DAI-scPDSI、CRU-scPDSI)進行比較，3種PDSI計算數(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(guān)系數(shù)分別為0.66和0.79，相關(guān)性較高，說明本文計算的PDSI在中國區(qū)域具有較強的可靠性。

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?？傮w而言，本文PDSI與DAI-scPDSI、CRU-scPDSI在我國東部季風(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)。

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

(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(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。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(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較長(分別為每次8個月和6個月)，且烈度較大；濕潤、干旱區(qū)干旱次數(shù)較多(分別為0.44次/a和0.50次/a)，但平均歷時較短(5月/次)，烈度較低。

表3 1982—2015年分區(qū)干旱特征統(tǒng)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(nèi)，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(qū)變化(圖6)來看，1982—2015年我國半濕潤、半干旱區(qū)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(qū)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(qū)的干旱歷時、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、烈度有輕微下降的趨勢。另外，我國濕潤、半濕潤區(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，中國各區(qū)域干旱程度加重，次數(shù)增多，持續(xù)時間增長。果華雯等[25]研究發(fā)現(xiàn)，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(qū)集中在半濕潤及半干旱區(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(qū)，這些與本文的結(jié)果基本一致。

2.3 氣象干旱時空變化

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)尺度時間變化(圖7)。結(jié)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P(guān)DSI并沒有達到輕微干旱的標準，然而2000—2002年及2006—2008年P(guān)DSI持續(xù)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(jié)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(jié)之間變化差異不大。

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

逐網(wǎng)格點計算年際、季節(jié)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(qū)，較為嚴重的有青海東南部、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。圖8(b)～(e)表明，季節(jié)性氣象干旱在半濕潤、半干旱區(qū)均有顯著加重趨勢，其中，夏季干旱有顯著加重趨勢的地區(qū)占比最大(24%)，冬季干旱有顯著減輕趨勢的地區(qū)占比最大(2%)。

3 結(jié) 論

a. 我國氣象干旱特征空間差異顯著。半濕潤、半干旱區(qū)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(qū)干旱次數(shù)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(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、半干旱區(qū)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(qū)。濕潤、半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)的干旱烈度上升速率明顯高于干旱區(qū)。

c. 氣象干旱時空變化顯著。時間上，無論是年際還是季節(jié)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(jié)之間變化差異不大。空間上，半濕潤、半干旱區(qū)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(nèi)蒙古北部及與黑龍江省交界處等地區(qū)。濕潤地區(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。