基于PDSI的1982—2015年我国气象干旱特征及时空变化分析

陶 然，张 珂,3

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098； 3.中国气象局-河海大学水文气象研究联合实验室，江苏 南京 210098)

气象干旱是其他类型干旱发生的先导因素[1]。当降水量在一定时期持续少于正常状态时，如果不及时采取措施，河湖水资源量、土壤含水量会相应减少[2]，引起干旱，甚至造成社会经济损失，因此研究我国气象干旱具有重要的意义。

Dai[3]认为全球气象干旱呈增加趋势。国内不少学者的研究也表明，1960年以来，我国气象干旱程度在加重，干旱范围也在增加[4-5]。因此，研究我国的干旱时空变化及特征规律具有重要意义[6]。通常认为，干旱主要发生在我国北方，南方是较为湿润的地区，因此干旱风险较低。Shi等[7]发现，随着气候变化，南北方的干旱特征发生了改变，北方干旱的同时，南方干旱变得更加明显。已有研究[8-9]表明，干旱不仅发生在干旱区和半干旱区，湿润区和半湿润区也常发生干旱。当前已有的研究大多仍以我国北方干旱区为主要研究区域[10-14]，往往忽视湿润地区的干旱研究，且较少涉及全国范围尺度[15]。

降水持续偏少是气象干旱最主要的特征，因此，许多常用的气象干旱指数都以降水量为唯一考虑要素并按不同原理计算得到[16]，如降雨十分位指数RD、标准化降水指数SPI等。但仅仅考虑降水会影响衡量气象因素对干旱过程影响的准确性。1965年Palmer[17]建立了帕默尔干旱指数(Palmer drought severity index，PDSI)，该指数考虑了土壤水分以及蒸散发，相较于其他气象干旱指数，PDSI物理意义清晰明确，是研究和监测气象干旱应用最为广泛的指标之一。在很多学者的努力下，PDSI也成为一个成熟的、易获取的干旱指数。目前已有研究者建立了全球尺度的PDSI数据库[18]，但空间分辨率较低，如何获取我国地区较高分辨率的PDSI数据仍需进一步研究。本文使用我国地面气候资料月值数据集的降水、气温数据构建1982—2015年全国0.25°分辨率的网格化月尺度PDSI指数，分区研究气象干旱特征，包括干旱频次、历时与烈度及其变化特征，并分析气温及降水变化对气象干旱时空变化的影响，以期为我国干旱研究提供参考。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

本文的气象数据来自中国地面气候资料月值数据集(http://data.cma.cn/)。利用全国613个气象观测站(图1)的降雨、气温资料，时间上，少量缺失数据采用线性插补；空间上，采用克里金方法插值为网格数据，得到1982—2015年空间分辨率0.25°×0.25°的全国月尺度降水、气温数据。我国地域辽阔，本文为了简化分区研究的难度，对具有不同气候特征的区域进行气象干旱的对比评价，依据多年平均降水量将我国划分成四大气候区，大于800 mm为湿润区、400～800 mm为半湿润区、200～400 mm为半干旱区、小于200 mm为干旱区。

图1 干湿分区及气象站点分布Fig.1 Distribution of dry and wet areasand meteorological stations

本文使用Dai等[19]制作的面向陆面过程模型的中国土壤水文数据集(http://westdc.westgis.ac.cn/)的田间持水量和凋萎系数计算土壤有效含水量(available water capacity，AWC)，作为PDSI的输入。使用Dai[18]利用观测地面气温及降水数据建立的全球2.5°×2.5°(简称DAI-scPDSI)以及英国East Anglia大学气候研究中心(Climatic Research Unit，CRU)构建的全球0.5°×0.5°月尺度自校正PDSI数据库(简称CRU-scPDSI)来验证本文构建的全国0.25°×0.25°PDSI的可靠性。

1.2 研究方法

1.2.1PDSI的计算方法

PDSI基于一个简易的两层土壤水分收支模型，综合考虑了温度、降水及下垫面的影响，其中温度的影响通过蒸发表现，下垫面通过AWC表现。关于PDSI的具体算法可参考文献[18]。PDSI构建的主要输入参数为降水、气温和AWC，基于水量平衡原理建立水平衡方程，计算水分距平d：

(1)

水分距平d与该地某月的气候权重系数ω相乘，得到水分异常指数，进而计算出PDSI：

IPDSI=0.897IPDSI-1+Zi/3

(2)

式中:IPDSI为当月PDSI；IPDSI-1为上一个月PDSI，首月指数值为Z1/3；Zi为当月水分异常指数。

本文使用美国内布拉斯-林肯大学发布的PDSI计算程序(http://nadss.unl.edu)，将1980—1981年作为模型预热期，预热后输出1982—2015年的结果。PDSI干旱等级划分标准见表1。

表1 干湿等级划分Table 1 Classification of wet and dry grades

1.2.2Mann-Kendall检验及Sen趋势度

Mann-Kendall趋势检验是目前气象水文领域进行趋势判断的主要方法，依据检验统计量Z判断序列的趋势显著性。在显著性水平α=0.05时、当检验统计量|Z|>1.96时表示趋势显著；当|Z|<1.96时表示趋势不显著。

Sen趋势度检验是由Sen[21]提出的研究变量长时序变化的方法，对于一时间序列x1,x2,…,xN，趋势度β定义为

(3)

式中:xj和xi分别为不同时刻下的时间序列值；Median为中位数函数。当β>0时表示待分析变量的时间序列呈上升趋势，当β<0时表示待分析变量的时间序列呈下降趋势。

1.2.3干旱识别过程

游程理论是分析时间序列的一种方法，广泛应用于干旱事件的识别中[22]。传统的干旱事件识别过程并没有考虑将一些历时很短的“小干旱事件”的影响忽略不计，也没有将间隔时间很短的两次历时很长的“强干旱事件”的影响合并，这样容易降低干旱过程识别的精确度。本文利用He等[23]提出的一种包含3个阈值的改进游程理论方法优化干旱识别过程。以图2为例，主要步骤如下：首先按照干旱发生阈值R1初步确定干旱事件，由此可以预选a、b、c、d、e 5次干旱事件；第二步为剔除，若干旱事件历时1个月且未达到中度干旱阈值R2，则剔除该次干旱事件，由此可剔除a事件；第三步为合并，若相邻两次干旱事件间隔1个月且间隔月的指数值小于湿润状态阈值R0，则将这两次干旱合并成一次干旱，由此可以将b、c两次干旱合并成一次干旱。本文中3个阈值依据指数干湿等级划分标准选取，以PDSI的干湿等级划分(表1)为标准，阈值R0为发生轻微湿润值(1)，阈值R1为发生轻微干旱值(-1)，阈值R2为发生中度干旱值(-2)。

图2 3个阈值干旱识别Fig.2 Three threshold drought recognition

依据上述方法识别干旱过程，并定义干旱频次(drought frequency，DF)为干旱发生的次数，干旱历时(drought duration，DD)为一次干旱事件的时间跨度(月)，干旱烈度(drought severity，DS)为一次干旱事件中所有指数值的绝对值之和。

假设一次干旱事件开始时间为ts，结束时间为te，时间为i的指数值为Ii。对于该次干旱事件，干旱历时DD和干旱烈度DS计算公式为

DD=te-ts

(4)

(5)

2 结果与分析

2.1 与DAI-scPDSI、CRU-scPDSI的比较

为了验证构建的全国0.25°逐月PDSI的适用性，将其与目前运用较多的两个PDSI数据库(DAI-scPDSI、CRU-scPDSI)进行比较，3种PDSI计算数据源(降水、气温、AWC)在表2中列出。为了方便研究，提取1982—2014年中国区域的DAI-scPDSI和CRU-scPDSI，并将其空间插值至0.25°分辨率，与本研究PDSI比较。

图3为3种PDSI全国平均月尺度变化，可以看出，本文PDSI与DAI-scPDSI、CRU-scPDSI月尺度变化基本一致，1982—1995年本文PDSI较其他两个PDSI略高，1996—2010年三者较为相近，2011—2014年本文PDSI低于其他2个PDSI。本研究PDSI与DAI-scPDSI和CRU-scPDSI的相关系数分别为0.66和0.79，相关性较高，说明本文计算的PDSI在中国区域具有较强的可靠性。

图3 3种指数月尺度变化Fig.3 Monthly changes of the three indices

表2 3种PDSI计算数据比较Table 2 Comparison of three PDSI calculated data

图4为本文PDSI与DAI-scPDSI、CRU-scPDSI相关系数的空间分布图。总体而言，本文PDSI与DAI-scPDSI、CRU-scPDSI在我国东部季风区(108°E以东地区)、云南及新疆西北部地区相关性较高(相关系数r>0.7)，而在青藏高原、内蒙古以西地区相关性较低(r<0.5)。

由于中国青藏高原和内蒙古地区气象站点空间密度较低，可能导致该地区数据的不准确和不确定性增大。总体而言，本文PDSI数据同其他两个不同数据源数据一致性较高，相互可以作为印证。由于本文采用中国气象局提供的全国范围的观测气象数据，在数据覆盖密度和精度上应该优于其他两个数据源，因此有理由认为本文获得的PDSI应该更能反映中国的实际情况。

(a) PDSI与DAI-scPDSI的相关关系

(b) PDSI与CRU-scPDSI的相关关系图4 相关系数空间分布Fig.4 Distribution of the correlation coefficient

2.2 气象干旱特征

2.2.1干旱频率、历时与烈度

为了研究气象干旱的不同指标特征，对PDSI进行DF、DD、DS这3个干旱特征指标的分析，并利用多年平均降水量划分我国干湿区(图1)，分区研究干旱特征。表3为分区干旱特征统计。从整体来看，1982—2015年单位面积上我国气象干旱平均频率为0.44次/a，平均干旱历时6月/次(包含轻微干旱)。我国气象干旱特征情况分布不均，半湿润、半干旱区虽然干旱频率较小(分别为0.38次/a和0.41次/a)，但平均每次干旱历时较长(分别为每次8个月和6个月)，且烈度较大；湿润、干旱区干旱次数较多(分别为0.44次/a和0.50次/a)，但平均历时较短(5月/次)，烈度较低。

表3 1982—2015年分区干旱特征统计Table 3 Statistics of regional droughtcharacteristics from 1982 to 2015

2.2.2干旱特征时间变化

为了进一步分析3种干旱特征的时间变化，将1982—2015年分成7个时段(1982—1985年、1986—1990年、1991—1995年、1996—2000年、2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年，图5、6中记为时段1,2,3,4,5,6,7)，计算全国各时段的干旱总频率、历时及干旱烈度(图5)。由图5可知，1982—2015年单位面积上我国干旱频率、干旱历时、干旱烈度总体都有上升的趋势。虽然干旱历时与烈度的变化过程相似性很高，但干旱频率与它们并不是同步变化的，如，1986—1990年在干旱历时与烈度都在减小的同时，干旱频率却在增大；具体来看，1996—2000年以及2006—2010年这两个时段内，干旱频率、干旱历时及烈度都呈同步上升。

(a) 全国DF、DD

(b) 全国DS图5 干旱特征时段变化Fig.5 Changes of drought characteristicsin different periods

从干旱特征分区变化(图6)来看，1982—2015年我国半湿润、半干旱区的气象干旱的干旱频率、干旱历时、干旱烈度总体都有上升的趋势。湿润区的干旱频率虽然有下降的趋势，但干旱历时、干旱烈度都逐渐上升，尤其是2011—2015年这一时段，湿润区的干旱历时、干旱烈度上升速率较大。干旱区的干旱频率虽在增加，但干旱历时、烈度有轻微下降的趋势。另外，我国湿润、半湿润区、半干旱区的干旱烈度上升速率明显高于干旱区。

(a) 分区DF、DD

(b) 分区DS图6 分区干旱特征时段变化Fig.6 Changes of regional drought characteristicsin different periods

马鹏里等[5]发现1960年以来，中国各区域干旱程度加重，次数增多，持续时间增长。果华雯等[25]研究发现，我国南北过渡带的干旱强度、干旱历时随时间均呈上升趋势。贾艳青等[26]研究表明，我国气象干旱严重程度高的地区集中在半湿润及半干旱区的交界处，以内蒙古东部及华北地区为主。说明我国气象干旱频次增多、历时增加、烈度加重，尤其是在半湿润、半干旱区，这些与本文的结果基本一致。

2.3 气象干旱时空变化

本文PDSI的年际及季节(春：3—5月，夏：6—8月，秋：9—11月，冬：12月至次年2月)尺度时间变化(图7)。结果表明，1982—2015年，全国年际PDSI整体以每年0.03的速率下降，说明我国气象干旱程度总体在加重。1982—1998年PDSI并没有达到轻微干旱的标准，然而2000—2002年及2006—2008年PDSI持续低于轻微干旱的标准，说明该时段全国气象干旱加重明显，2012—2015年气象干旱有减轻的趋势。季节变化上，与年际变化相似，全国PDSI整体呈下降趋势，从2000年后，气象干旱加重明显，季节之间变化差异不大。

图7 PDSI年际、季节性时间变化Fig.7 Temporal variation ofinterannualand seasonal PDSI

逐网格点计算年际、季节尺度PDSI的Sen趋势度，并对其进行Mann-Kendall趋势检验(图8)，图8(a)表明，我国年尺度气象干旱整体有加重的趋势，主要集中在半湿润、半干旱区，较为严重的有青海东南部、陕甘宁、山西、内蒙古北部及与黑龙江省交界处等地区。湿润地区中，四川中部、重庆、湖北及云贵地区也有大面积的干旱加重趋势。图8(b)～(e)表明，季节性气象干旱在半湿润、半干旱区均有显著加重趋势，其中，夏季干旱有显著加重趋势的地区占比最大(24%)，冬季干旱有显著减轻趋势的地区占比最大(2%)。

3 结 论

a. 我国气象干旱特征空间差异显著。半湿润、半干旱区干旱频率较小，但平均干旱历时较长，且烈度较大；湿润、干旱区干旱次数较多，但平均历时较短，烈度较低。从全国整体来看，单位面积上干旱频率为0.44次/a，平均干旱历时为每次6月/次。

(a) 年际

(b) 春

(e) 冬图8 PDSI年际、季节性空间变化Fig.8 Spatial variation of interannual and seasonal PDSI

b. 气象干旱特征变化明显，半湿润、半干旱区干旱形势逐渐严峻。1982—2015年我国干旱频率、平均干旱历时、干旱烈度总体都有上升的趋势，尤其是在半湿润、半干旱区。湿润、半湿润区、半干旱区的干旱烈度上升速率明显高于干旱区。

c. 气象干旱时空变化显著。时间上，无论是年际还是季节变化，全国单位面积PDSI均呈下降趋势，2000年后气象干旱程度加重明显，季节之间变化差异不大。空间上，半湿润、半干旱区气象干旱程度有显著加重的趋势，较为严重的有青海东南部、陕甘宁、山西、内蒙古北部及与黑龙江省交界处等地区。湿润地区中，四川中部、重庆、湖北及云贵地区也有大面积的气象干旱程度加重趋势。