基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)的東北干旱時(shí)空特征

孫濱峰，趙紅，王效科*

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100085

基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)的東北干旱時(shí)空特征

孫濱峰1,2，趙紅1,2，王效科1*

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100085

東北地區(qū)是我國(guó)重要的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)基地，易受異常降水和干旱的影響。隨著全球氣候變暖，東北地區(qū)溫度增高、降水量減少，干旱事件發(fā)生頻繁。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)東北地區(qū)干旱的研究較少、結(jié)果存在分歧，且主要關(guān)注干旱的時(shí)空變化特征和干旱的影響，較少研究關(guān)注干旱的區(qū)劃研究。依據(jù)1961─2013年?yáng)|北地區(qū)月平均氣溫和降水資料，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）分析了東北地區(qū)的干旱趨勢(shì)，并根據(jù)主成分分析和聚類(lèi)分析研究東北地區(qū)干旱的時(shí)空特征，研究結(jié)果表明：東北地區(qū)在1961─2012年期間干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢(shì)；在1961─1999年期間，東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率低、持續(xù)時(shí)間短，干旱危害較?。欢?000年以后，東北地區(qū)干旱事件頻發(fā)，干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，出現(xiàn)了2000─2002和2007─2008年2個(gè)連續(xù)干旱期。從空間分布來(lái)看，2000─2010年是東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率和影響范圍最大的時(shí)期，尤其是東北地區(qū)的中部和西部，其干旱頻率分別達(dá)到42.86%和33.34%。根據(jù)主成分析和聚類(lèi)分析的結(jié)果將東北劃分為8個(gè)干旱相似區(qū)。研究結(jié)果對(duì)于實(shí)現(xiàn)東北干旱監(jiān)測(cè)、評(píng)估，為減輕該區(qū)域干旱損失，指導(dǎo)區(qū)域水資源管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

標(biāo)準(zhǔn)降雨蒸發(fā)指數(shù)；東北地區(qū)；干旱；主成分分析

干旱作為最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活造成嚴(yán)重的影響（袁文平等，2004）。東北是我國(guó)主要的商品糧和經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)基地，易受異常降水和干旱的影響（Chen等，2011）。而國(guó)內(nèi)對(duì)干旱的研究主要集中于華北、西北和西南等典型的干旱區(qū)域（賀晉云等，2011；馬柱國(guó)等，2007；姚玉璧等，2014；Zhang等，2013），而對(duì)東北地區(qū)干旱情況的研究較少。

目前對(duì)東北地區(qū)干旱的研究存在一定的分歧，且主要關(guān)注干旱的時(shí)空變化特征和干旱的影響，較少研究關(guān)注干旱的區(qū)劃研究。Yu等（2014）利用SPI指數(shù)研究東北地區(qū)生長(zhǎng)季的干旱情況，認(rèn)為近幾十年?yáng)|北地區(qū)干旱更加嚴(yán)重；馬柱國(guó)等（2006）認(rèn)為東北地區(qū)在20世紀(jì)80年代以后極端干旱發(fā)生的頻率增加；而王亞平等（2008）認(rèn)為，在 1980─2005年期間東北3省大部分地區(qū)的干旱狀況有所緩解。但是隨著全球氣候變暖，溫度增高、降水量減少促進(jìn)了東北干旱的發(fā)生，特別是21世紀(jì)以來(lái)，東北地區(qū)干旱事件更加頻繁（陳莉等，2010；Yu等，2014），因此，有效的評(píng)估東北地區(qū)的干旱狀況具有重要的意義。

干旱成因復(fù)雜，其評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇也受到諸多因素的影響（李維京等，2003）。主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括 Palmer干旱指數(shù)（PDSI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、Z指數(shù)、土壤濕度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）等。較之其他干旱指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）具有多時(shí)間尺度的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)Σ煌臻g的旱澇進(jìn)行比較且穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，近些年在干旱監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文根據(jù)東北各省逐月降水觀測(cè)資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）研究東北旱澇時(shí)空的分布特征，并采用主成分分析（PCA）和聚類(lèi)分析分析東北的干旱區(qū)劃及其干旱特征和干旱頻率，目的是為實(shí)現(xiàn)東北旱澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、評(píng)估，為減輕該區(qū)域旱澇災(zāi)害損失、合理利用水資源提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)區(qū)域水資源管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本文的主要的目標(biāo)：1）根據(jù)SPEI指數(shù)評(píng)估東北近60年的干旱情況；2）分析東北干旱時(shí)空趨勢(shì)；3）研究東北的干旱區(qū)劃。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

東北地區(qū)位于 40°86′N(xiāo)～53°56′N(xiāo)，118°80′E～134°37′E，行政區(qū)劃上包括黑龍江、吉林、遼寧 3省全部和內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市（圖1）。研究區(qū)域面積大約1.24×106km2，平均海拔低于1600 m。研究區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬長(zhǎng)寒冷，夏短濕潤(rùn)，東部地區(qū)年降水為400～700 mm，西部為250～400 mm，從南向北為溫暖帶、溫帶、半濕潤(rùn)和半干旱，平均溫度-4～12 ℃，是全球變化研究的敏感區(qū)域。西部大興安嶺山地是以興安落葉松為典型的寒溫帶落葉針葉林分區(qū)；東部長(zhǎng)白山是溫帶針闊葉混交林分布區(qū)；東北平原為溫帶森林草原、草甸草原和干草原分布區(qū)；西南還有面積廣闊的科爾沁沙地。

圖1 研究區(qū)及氣象站分布圖Fig. 1 Research area and spatial distribution of meteorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文采用的月降水?dāng)?shù)據(jù)和月均溫度數(shù)據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）。

1.3 研究方法

1.3.1 SPEI

干旱的形成和發(fā)展是就是地表水分虧缺緩慢積累的過(guò)程，而干旱程度就是水分虧缺量及其持續(xù)時(shí)間。SPEI指數(shù)就是從水分虧缺及其積累出發(fā)描述干旱的，既能反映多種事件尺度，又能反映溫度升高對(duì)干旱的影響，能夠反映東北地區(qū)近年由于降水減少、溫度升高導(dǎo)致的干旱的時(shí)空特征。

根據(jù) Vicente-Serrano（2010）分別計(jì)算不同時(shí)間尺度的SPEI（包括1、3、6和12個(gè)月，分別用SPEI-1，SPEI-3，SPEI-6，SPEI-12表示），其計(jì)算過(guò)程如下：

1）計(jì)算潛在蒸散（PET）。

本文采用Hamon模型計(jì)算PET，見(jiàn)公式（1）。

式中：k為比例系數(shù)，N為日長(zhǎng)，T為月平均溫度。

2）構(gòu)建不同時(shí)間尺度的累計(jì)水分虧缺量序列，計(jì)算其概率分布。

式中：P為降水，PET為潛在蒸散發(fā)量，k為時(shí)間尺度（月），n為計(jì)算次數(shù)。

引入三參數(shù)log-logistic概率分布函數(shù)，計(jì)算積累水分虧缺量序列的概率分布，log-logistic概率密度函數(shù)為：

式中：α、β、γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)，分別按公式（5）～（8）計(jì)算。

三參數(shù)log-logistic概率分布函數(shù)為：

給定時(shí)間尺度的累計(jì)概率按 P =1 -F(x)計(jì)算。

3）用標(biāo)準(zhǔn)化積累概率密度，計(jì)算SPEI。

式中：P為累計(jì)概率，C0、C1、C2分別為2.515517、0.802853和0.010328，d0、d1、d2分別為1.432788、0.189269和0.001308。

干旱劃分等級(jí)參照文獻(xiàn)（Yu等，2014）的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將 SPEI劃分為極干旱、中等干旱、輕度干旱、正常、輕度濕潤(rùn)、中等濕潤(rùn)和極濕潤(rùn)7個(gè)等級(jí)（表1）。

表1 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的旱澇等級(jí)劃分Table 1 Classification standard of drought and water log based on SPEI

1.3.2 主成分分析和聚類(lèi)分析

主成分分析和聚類(lèi)分析常被用來(lái)研究氣候和干旱的區(qū)劃（Fovell等，1994；Dinpashoh等，2004；Raziei等，2009）。主成分分析（PCA）又稱(chēng)主分量分析，也稱(chēng)經(jīng)驗(yàn)正交分解或者特征向量分解，是一種減少統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法。通常把轉(zhuǎn)化生成的綜合指標(biāo)稱(chēng)為主成分，其中每個(gè)主成分都是原始變量的線形組合。主成分之間既要互不相關(guān)，又要盡可能多的反映原來(lái)指標(biāo)的信息。Richman根據(jù)時(shí)間、對(duì)象和屬性的不同組合定義了PCA的6種模式（Richman，1986）。S-Mode常被用來(lái)研究降水和干旱的研究（Gocic等，2014）。聚類(lèi)分析的實(shí)質(zhì)是按照距離將數(shù)據(jù)分為若干個(gè)類(lèi)別，以使得類(lèi)別內(nèi)數(shù)據(jù)的差異盡可能小，類(lèi)別間差異盡可能大。

2 結(jié)果與分析

圖2 （a）1961─2013年不同時(shí)間尺度SPEI,（b）2000─2010年干旱影響范圍的比例Fig. 2 (a) Time series of SPEI for Northeast China and (b) percentage of Northeast China affected by drought, 2000─2010

2.1 干旱的時(shí)空特征

2.1.1 干旱的時(shí)間特征

本文用不同時(shí)間尺度的SPEI來(lái)研究1961年到2013年?yáng)|北地區(qū)的干旱時(shí)空格局。SPEI-1反映了短期內(nèi)干旱情況；SPEI-3和SPEI-6反映了干濕季節(jié)的變化規(guī)律；而SPEI-12則反映了干旱的年際變化。根據(jù)圖2（a），1961─1999年間，東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率低、持續(xù)時(shí)間短，干旱危害較小。而 2000年以后，東北地區(qū)進(jìn)入到干旱頻繁的階段，干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（Yu，2014）。2000、2001、2002、2007和2008年都是典型的干旱年份，干旱影響范圍廣、損失嚴(yán)重（國(guó)家環(huán)保總局，2001；2002；2003；2008；2009）。根據(jù)圖 2（b），2000年干旱面積約占總面積的57.55%，其中嚴(yán)重干旱、中等干旱分別占總面積的7.87%和24.76%；2001年干旱面積占總面積的62.51%，比2000年增加了4.96%，其中輕度干旱面積增加了6.62%、中度干旱面積減少了2.71%、嚴(yán)重干旱面積增加了1.04%；2002年干旱面積約占總面積的64.19%，與2000和2001年相比，嚴(yán)重干旱和中度干旱面積減少，輕度干旱面積增加。2007年以輕度干旱為主，約占總面積的34.23%，中度干旱約占總面積的 22.43%，嚴(yán)重干旱約占總面積的3.96%。2008年干旱面積約占總面積的51.68%，嚴(yán)重干旱主要發(fā)生在黑龍江的中南部，約占總面積的4.08%。2013年?yáng)|北降水量大，洪澇災(zāi)害損失嚴(yán)重。研究結(jié)果表明，東北地區(qū)在 2000─2010年進(jìn)入到最嚴(yán)重的干旱階段，出現(xiàn)了2000─2002年3年中等干旱程度的連旱和2007─2008年2年中等干旱程度的連旱。

2.1.2 干旱的空間特征

本文采用區(qū)域干旱分析來(lái)研究干旱的空間分布及其特征和干旱事件的影響范圍。圖3是2000、2001、2002、2007、2008和2010年SPEI-12的空間分布圖。2000─2002年是東北最嚴(yán)重的干旱時(shí)期，干旱影響面積逐步擴(kuò)大，主要影響東北地區(qū)的中部和南部。其中，2000年干旱面積約占總面積的57.55%，其中嚴(yán)重干旱主要分布在遼寧省的東部和南部、中等干旱主要分布于東北地區(qū)的中部和小興安嶺東南部；2001年干旱面積占總面積的62.51%，較之2000年增加了4.96%，其中中度干旱區(qū)主要分布于東北中部和西部、嚴(yán)重干旱分布離散；2002年干旱面積約占總面積的 64.19%，與 2000和 2001年相比，嚴(yán)重干旱主要分布在遼寧省。2007年干旱主要發(fā)生在東北的中部和西部，以輕度干旱為主，中度干旱主要分布在東北的西部和南部，嚴(yán)重干旱主要分布在內(nèi)蒙古的西南。2008年干旱主要影響了東北地區(qū)的北部，干旱面積約占總面積的51.68%，嚴(yán)重干旱主要發(fā)生在黑龍江的中南部，約占總面積4.08%。2010年，東北整體上處于正常情況，干旱影響主要集中于東北地區(qū)的西南區(qū)域。根據(jù)SPEI-12的空間分布，東北地區(qū)的中部和西部是干旱易發(fā)區(qū)域。

圖3 2000、2001、2002、2007、2008和2010年?yáng)|北干旱空間分布特征Fig. 3 Spatial distribution of drought over the course of 2000, 2001, 2002, 2007, 2008 and 2010

本文以干旱次數(shù)和干旱強(qiáng)度作為指標(biāo)來(lái)研究2000─2010年間干旱的空間特征。干旱次數(shù)是指SPEI指數(shù)小于-1的月數(shù)，干旱強(qiáng)度指干旱月的SPEI均值。在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生了5000個(gè)點(diǎn)，回歸分析研究多年平均降水和 2000─2010年間干旱的關(guān)系。多年平均降水與干旱次數(shù)和干旱強(qiáng)度的回歸分析的結(jié)果見(jiàn)圖4（a）和4（b）。結(jié)果顯示多年平均降水少的區(qū)域干旱發(fā)生的次數(shù)更多，強(qiáng)度更大。說(shuō)明東北的干旱區(qū)域在 2000─2010年期間變得更加干旱。

圖4 （a）多年平均降水與干旱次數(shù)，（b）多年平均降水與干旱強(qiáng)度Fig. 4 (a) Relationship between mean annual precipitations and number of drought, (b) Relationship between mean annual precipitations and number of drought severity

2.2 干旱區(qū)劃

本文將 S-Mode的主成分分析應(yīng)用到 SPEI-12數(shù)據(jù)中，得到了4個(gè)主成分，其中主成分1和主成分2能夠解釋76.8%的方差。對(duì)前2個(gè)主成分聚類(lèi)分析，我們?cè)诳臻g上將東北地區(qū)分成了8個(gè)干旱相似區(qū)（圖5）。

1）大興安嶺北部森林干濕頻發(fā)區(qū)。該區(qū)域主要包括了黑龍江大興安嶺地區(qū)的大部和呼倫貝爾市的東北部，以森林為主，面積約4.97×104km2。區(qū)域內(nèi)溫度較低，蒸發(fā)量低，降水量偏低相對(duì)濕潤(rùn)，年平均降水490 mm，平均溫度-3.7 ℃，研究期內(nèi)干旱濕潤(rùn)發(fā)生頻繁。1961年至2013年共發(fā)生干旱事件85次、洪澇事件76次，干旱發(fā)生和洪澇頻率分別為13.36%和11.95%，其中生長(zhǎng)季干旱發(fā)生率14%。1961─1999年間發(fā)生旱災(zāi)事件41次，2000以后干旱事件發(fā)生了44次。其中，在2002、2003、2005和2008年發(fā)生了嚴(yán)重干旱事件，嚴(yán)重干旱發(fā)生頻率約為2.36%。由圖6（1）可知，該區(qū)域是干濕發(fā)生頻繁區(qū)域，1961─2012年間呈現(xiàn)干旱增加趨勢(shì)。2013年降水偏多，洪澇影響嚴(yán)重。

圖5 東北干旱區(qū)劃Fig. 5 Drought-based regionalization in Northeast China

2）呼倫貝爾-黑河森林干旱增加區(qū)。該區(qū)域包括內(nèi)蒙古呼倫貝爾市的北部、黑龍江省黑河市的大部、宜春和鶴崗的北部，以及大興安嶺地區(qū)的部分區(qū)域，面積約1.52×105km2。區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率高，年降水量510 mm，平均溫度-2.6 ℃。在1965、1974、1979、1980、2000─2008年發(fā)生旱災(zāi)，干旱發(fā)生頻率約為10.85%，嚴(yán)重干旱發(fā)生頻率約低。該區(qū)域在2000年前發(fā)生16次干旱事件，而2000后發(fā)生了53次干旱事件，其中生長(zhǎng)季共發(fā)生了20次干旱事件，生長(zhǎng)季干旱發(fā)生率低，對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響小。根據(jù)圖6（2）可知，在1961─1999年期間，該區(qū)域干濕影響小，而2000年以后干旱頻發(fā)。

圖6 各個(gè)分區(qū)SPEI-12時(shí)間序列Fig. 6 Time series of SPEI-12 for six sub-regions

3）呼倫貝草原干旱增加區(qū)。該區(qū)域主要包括內(nèi)蒙古呼倫貝爾市的西部，以草原為主，面積約4.90×104km2，是東北地區(qū)的生態(tài)脆弱區(qū)，年降水量約 280 mm，平均溫度-2.7 ℃。1961年至 2013年共發(fā)生干旱事件 85次、干旱發(fā)生頻率分別為13.36%，生長(zhǎng)季干旱發(fā)生率14%。由圖6（3）可知，該區(qū)域2000以后干旱事件發(fā)生了72次，其中極干旱事件10次、中等干旱27次、輕度干旱35次，干旱概率42.86%。干旱的頻繁發(fā)生加劇了該區(qū)域沙化退化（趙慧穎，2007）。

4）東北中部森林-農(nóng)田干旱增加區(qū)。該區(qū)域主要包括內(nèi)蒙古呼倫貝爾南部、興安盟和通遼，黑龍江的西部和中部，吉林省的西部以及遼寧省的西北部，面積約5.38×105km2。區(qū)域內(nèi)年降水量較少，約490 mm，年平均溫度約2.46 ℃。該區(qū)域以農(nóng)田和森林為主，是東北地區(qū)主要的糧食產(chǎn)區(qū)，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境破壞最嚴(yán)重的區(qū)域，干旱發(fā)生率約為9.57%。生長(zhǎng)季干旱對(duì)該區(qū)域糧食生產(chǎn)帶來(lái)了較大的影響。由圖 6（4）可知，2000年以后，該區(qū)域干旱事件增長(zhǎng)明顯，干旱發(fā)生頻率約為33.34%。干旱頻發(fā)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

5）東北東部森林-農(nóng)田濕潤(rùn)區(qū)。該區(qū)域主要包括黑龍江東部和吉林省東部，以農(nóng)田和森林為主，面積約為1.87×105km2。年降水量約600 mm，平均溫度2.85 ℃。由圖6（5）可知，1961─1999年間，共發(fā)生干旱事件 60次，較之其他區(qū)域，該地區(qū)在2000─2013年期間的干旱發(fā)生次數(shù)較少。

6）西南農(nóng)田-草地干旱高發(fā)區(qū)。該區(qū)域主要包括內(nèi)蒙古赤峰市以及遼寧省的西部，以農(nóng)田和草地為主，總面積約1.38×105km2。區(qū)域內(nèi)年降水量約460 mm，年平均溫度約5.35 ℃。該區(qū)域是干旱的高發(fā)區(qū)域（張淑杰等，2013；周揚(yáng)等，2013），以輕度干旱為主，其中春季干旱發(fā)生率高（張淑杰等，2013）。根據(jù)圖 6（6），2000─2011年間，干旱發(fā)生頻繁，對(duì)草牧和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響嚴(yán)重（國(guó)家氣象局，2007；張淑杰等，2013；周揚(yáng)，2013）。

7）遼寧中南森林-農(nóng)田濕潤(rùn)區(qū)。主要包括遼寧省的中部和南部，該區(qū)域以森林和農(nóng)田為主，總面積約5.95×104km2。年降水量分別約為790 mm，平均溫度分別約為7.3 ℃。根據(jù)圖6（7），干旱事件主要發(fā)生在 1997─2002年期間，以春旱和夏旱為主，降水減少、分布不均是干旱產(chǎn)生的主要原因（張淑杰等，2013）。

8）遼寧東部森林-農(nóng)田濕潤(rùn)區(qū)。該區(qū)域主要包括遼寧省的東部，以森林和農(nóng)田為主，總面積約6.68×104km2。年降水量約為810 mm，平均溫度約5.05 ℃。根據(jù)圖6（8），該區(qū)域在1961─2013年期間共發(fā)生干旱84次，主要發(fā)生在1997─2003年期間。其中輕度干旱和中度干旱分別發(fā)生52和23次，降水減少及其時(shí)空不均是該區(qū)域干旱發(fā)生的主要原因（張淑杰等，2013）。

3 結(jié)論

干旱指數(shù) SPEI能反映地表水分的虧缺量及其積累過(guò)程，能夠敏感的反應(yīng)氣溫增高導(dǎo)致的干旱，適合研究東北地區(qū)的干旱變化。本文利用東北地區(qū)1961─2013年逐月的降水和溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算不同時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)，得到了東北地區(qū)1、3、6和12個(gè)月尺度的SPEI指數(shù)，分析了近53年來(lái)東北地區(qū)干旱的時(shí)空特征及其頻率和影響。并根據(jù) 12個(gè)月尺度的SPEI指數(shù)，利用PCA和聚類(lèi)分析，分析研究東北干旱的時(shí)空變化特征。

1）通過(guò)分析各個(gè)時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)呈現(xiàn)出總體干旱趨勢(shì)，尤其是進(jìn)入到 21世紀(jì)后，干旱影響嚴(yán)重。在 1961─1999年期間，東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率低、持續(xù)時(shí)間短，干旱危害較小。而 2000年以后，東北地區(qū)干旱發(fā)生頻繁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（Yu，2014）。

2）從空間分布來(lái)看，2000─2010年作為東北最干旱時(shí)期，干旱發(fā)生面積最廣，干旱區(qū)域變得更加干旱。2000─2002年間干旱影響面積逐步擴(kuò)大，主要影響東北地區(qū)的中部和南部，2000年干旱面積約占總面積的57.55%，其中嚴(yán)重干旱主要分布在遼寧省的東部和南部、中等干旱主要分布于東北地區(qū)的中部和小興安嶺東南部。根據(jù)SPEI-12的空間分布，東北地區(qū)的中部和西部等干旱區(qū)的干旱次數(shù)和干旱強(qiáng)度高于其他區(qū)域。

3）根據(jù)PCA和聚類(lèi)分析，將東北地區(qū)分為8個(gè)干旱相似區(qū)。各子區(qū)干旱特征分析的結(jié)果顯示：干旱災(zāi)害在 1961─2013年期間呈現(xiàn)波動(dòng)性增加趨勢(shì)；2000─2010年是東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率和影響范圍最大的時(shí)期，尤其是東北地區(qū)的中、西部。

綜上所述，東北地區(qū)呈現(xiàn)逐步干旱趨勢(shì)。2000─2010年是東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率和影響范圍最大的時(shí)期，尤其是東北地區(qū)的中、西部。干旱的時(shí)空格局研究結(jié)果可為區(qū)域干旱的監(jiān)測(cè)和防治、水資源管理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供決策支持。

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Spatiotemporal Characteristics of Drought in Northeast China Based on SPEI

SUN Binfeng1,2, ZHAO Hong1,2, WANG Xiaoke1*
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, 18 Shuangqing Road, Beijing 100085, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Yuquanlu 19, Beijing 100049, China

As an important agricultural production zone of commercial and economic crop, Northeast China is susceptible to suffering from precipitation anomaly and drought risk. With global climate change and regional reduction of precipitation reducing, droughts happened much more frequently in Northeast China. At present, only a few studies paid attention to droughts in Northeast China, and inconsistent results was showed in these studies. Additionally, most of these studies tried to detect the spatiotemporal variation or to explore the effects of drought. However, few researchs have identified the regionalization of drought in Northeast China. Based on the monthly mean air temperature and precipitation data from 1961 to 2013, the temporal and spatial patterns of drought were analyzed by applying the S-mode PCA to the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) estimated on 12-month timescales. The result showed that during the period of 1961 to 2013, drought in Northeast China tended to be gradually severe. In 1961─1999, droughts happened at a lower frequency, shorter duration and lesser damage than that in 2000─2012. Two consecutive drought periods occurred in the years of 2000─2002 and 2007─2008. According to the spatial distribution of drought in Northeast China in the past half century, the driest period was from 2000 to 2010, which affected the largest drought area and exhibited highest drought frequency, especially in the central and south part, with a respectively drought frequency of 42.86% and 33.34%. Principal component analysis and cluster analysis were applied to regionalize the drought of Northeast China, and eight different drought sub-regions were identified. Our results could make contribution to monitoring and assessment of drought. And it could also be further used in the alleviation of the loss resulting from droughts and guidelines of water resource management and regional agricultural production.

Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI); northeast China; drought; Principal Component Analysis (PCA)

S16

A

1674-5906（2015）01-022-07

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.004

孫濱峰，趙紅，王效科. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)的東北干旱時(shí)空特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(1): 22-28.

SUN Binfeng, ZHAO Hong, WANG Xiaoke. Spatiotemporal Characteristics of Drought in Northeast China Based on SPEI [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 22-28.

國(guó)家生態(tài)安全屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評(píng)估（STSN-09-00）子課題“東北森林帶生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評(píng)估”（STSN-09-03）

孫濱峰（1983年生），男，博士研究生，研究方向?yàn)?S應(yīng)用與生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估。E-mail: binfengsun@sina.com *通訊作者：E-mail: wangxk@rcees.ac.cn

2014-09-22