基于SPEI干旱指數(shù)的東北地區(qū)干旱時空分布特征

蔡思揚　左德鵬　徐宗學(xué)　楊曉靜

摘要：基于東北地區(qū)86個國家基本氣象站1960年-2014年逐月降水量和平均氣溫數(shù)據(jù)，計算不同時間尺度下的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI），分析不同時間尺度下東北地區(qū)季節(jié)、年際以及年代際干旱時空分布特征，并與實際干旱成災(zāi)面積進行對比分析，驗證SPEI在東北地區(qū)干旱評估中的適用性。結(jié)果表明：春季、夏季和冬季重旱發(fā)生頻率隨時間尺度增大而升高；中旱發(fā)生頻率隨時間尺度增大而降低。近55年東北地區(qū)旱澇情勢交替出現(xiàn)，干旱頻率隨年代際變化逐漸升高，干旱程度逐漸加重。整體來看，隨時間尺度增加，極旱發(fā)生范圍逐漸擴大。東北三省在春季、夏季和秋季均有不同頻率的干旱事件發(fā)生；冬季吉林和遼寧無極旱發(fā)生；黑龍江中部無重旱發(fā)生。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)；多時間尺度；東北地區(qū)；干旱

中圖分類號：P467 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0015-07干旱是世界上普遍發(fā)生的一種氣象災(zāi)害、是指由于水分收支或供求不平衡而形成的水分短缺現(xiàn)象、是一種水量相對虧缺的自然現(xiàn)象、是造成嚴(yán)重損失的氣象災(zāi)害之一，其發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣，已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要因素之一。2014年我國因干旱所造成的糧食損失高達2006萬t、經(jīng)濟作物損失達到276億元、直接經(jīng)濟損失共910億元。東北三省是我國最主要的商品糧和經(jīng)濟作物的生產(chǎn)基地，近年來，東北地區(qū)的干旱有所加重，一些地區(qū)的降水量持續(xù)減少，已經(jīng)接近或者突破歷史極值，容易造成各種農(nóng)作物的減產(chǎn)。針對目前東北地區(qū)的干旱情況，楊貴羽等通過對1950年-2010年東北地區(qū)受旱面積率、干旱發(fā)生頻次等進行統(tǒng)計分析，認為東北地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生的頻次和程度均有增加趨勢；鄒旭愷等利用綜合氣象干旱指數(shù)（CI）研究得出，東北地區(qū)由于氣溫升高的原因?qū)е赂珊导又兀欢闻謇壤脴?biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)（SPI）分析吉林省東部山區(qū)的干旱時空特征，結(jié)果表明該地區(qū)的干旱呈加重趨勢；張淑杰等通過計算玉米水分虧缺指數(shù)分析玉米在不同生長發(fā)育期的干旱時空分布及其年際的變化特征，結(jié)果表明：近10年來干旱呈顯著增加，且在各發(fā)育階段會同時發(fā)生；胡實等通過計算在A1B，B1和A2三種情境下基于降水年蒸發(fā)力標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)（SPEI）預(yù)估中國北方地區(qū)未來40年呈現(xiàn)干旱化傾向；馬建勇等通過在A1B情景下計算相對濕潤指數(shù)，預(yù)估2011年-2100年東北地區(qū)農(nóng)作物生長季將持續(xù)干旱化；楊曉晨等進行標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）與東北春玉米氣候產(chǎn)量的關(guān)系分析，結(jié)果表明提高玉米產(chǎn)量需增加灌溉和提高水分利用效率；韓曉敏等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）分析東北農(nóng)牧交錯帶的旱澇特征變化，結(jié)果表明東北農(nóng)牧交錯帶暖干化的趨勢給該區(qū)農(nóng)牧業(yè)帶來不利影響，應(yīng)及時啟動干旱預(yù)警緊急方案。但是對于東北地區(qū)年代際和季節(jié)干旱情況的研究成果較少。

考慮到干旱的成因復(fù)雜，易受人類的活動影響，目前普遍使用干旱指數(shù)來描述干旱現(xiàn)象。常用的干旱指數(shù)有帕爾默干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index，PDSI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Stand-ardized Precipitation Index，SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspira-tion Index，SPEI）及白定義的干旱強度指數(shù)、水分虧缺指數(shù)等。PDSI指數(shù)基于固定的時間尺度進行計算，因此無法分析多時間尺度下干旱時空變化的特點；SPI是一種基于降水的干旱指標(biāo)，計算簡便，能夠很好地反映不同時間尺度下干旱變化，輸入數(shù)據(jù)只需降水量，從而不能反映由于氣溫變化所導(dǎo)致的干旱情勢；干旱強度指數(shù)、水分虧缺指數(shù)均基于降水和蒸散發(fā)的差值或比值，由于空間的不一致性，不易進行空間比較。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）具有多時間尺度的優(yōu)勢，能夠?qū)Σ煌瑫r間尺度的旱澇情勢進行比較，且具有良好的穩(wěn)定性。

綜上所述本文選取東北三?。ê邶埥?，吉林省和遼寧?。┳鳛檠芯繀^(qū)，選取標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）進行分析，文中選取研究區(qū)86個氣象站點1960年-2014年逐月降水和氣溫數(shù)據(jù)，計算在不同時間尺度（1個月、3個月、6個月、12個月和24個月）下，東北地區(qū)年代際干旱，年際干旱和季節(jié)干旱發(fā)生的時空分布特征。

1研究區(qū)概況

東北地區(qū)位于120°E-135°E，38°N-56°N之間，包括黑龍江省、吉林省和遼寧省，面積78.8萬km²，占中國陸地總面積的8.2%。年平均降水量為350～1200 mm，平均氣溫為-4.8℃～11.3℃。東北三省受東亞大陸季風(fēng)氣候的控制，冬季寒冷漫長，夏季溫暖而短促。自南向北跨暖溫帶、中溫帶與寒溫帶。東北地區(qū)典型植被有針葉林、針闊葉混交林、落葉闊葉林以及草甸草原等。地形以平原，山地為主；外圍是黑龍江、鴨綠江等流域的低地，中間是山地和丘陵，內(nèi)部則是廣闊的平原。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)是逐月降水和平均氣溫，均來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：∥edc.cma.gov.cn/home.do），東北三省包括96個國家氣象站點。為保證氣象站點數(shù)據(jù)序列的完整性，缺失的數(shù)據(jù)通過與其具有良好的相關(guān)性的鄰近氣象站建立線性回歸關(guān)系進行插值，所有的確定性系數(shù)（R²）均在0.8以上。最終選取其中86個基本氣象站點1960年-2014年逐月降水和平均氣溫數(shù)據(jù)進行干旱指數(shù)計算。研究區(qū)氣象站點分布見圖1。本文采用的遼寧、吉林、黑龍江三省干旱成災(zāi)面積數(shù)據(jù)均來自于《中國統(tǒng)計年鑒》。

2.2研究方法

Vicente-Serranof 2010提出了標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspira-tion Index，SPEI），計算過程如下。endprint

（1）潛在蒸散量的計算。計算公式如下：

3結(jié)果與分析

本文通過對不同時間尺度下（1個月、3個月、6個月、12個月和24個月）東北地區(qū)SPEI值進行計算，分析不同時間尺度下東北地區(qū)季節(jié)、年際以及年代際干旱的演變特征。

3.1東北地區(qū)干旱時間趨勢特征

3.1.1東北地區(qū)干旱季節(jié)變化

按照春季（3月-5月），夏季（6月-8月），秋季（9月-11月），冬季（12月-次年2月）對東北地區(qū)不同時間尺度下季節(jié)干旱發(fā)生頻率進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出如下結(jié)果。

（1）春季。SPEI極旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而升高，發(fā)生頻率在1.37%～1.77%之間；除1個月時間尺度外，SPEI重旱發(fā)生頻率也隨時間尺度增加而升高，發(fā)生頻率在5.11%～5.56%之間；而SPEI中旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而降低，發(fā)生頻率在10.32%～11.28%之間。

（2）夏季。SPEI-3和SPEI-6極旱發(fā)生頻率最高，約為1.7%；除1個月時間尺度外，SPEI重旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而升高，發(fā)生頻率在5.51%～5.99%之間；SPEI中旱發(fā)生頻率基本隨時間尺度增加而降低，發(fā)生頻率在1Q 47%～11_07%之間，但24個月時間尺度下中旱發(fā)生頻率有所升高，為10.79%。

（3）秋季。SPEI極旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而升高，發(fā)生頻率為1.21%～1.68%；1和3個月時間尺度下SPEI重旱發(fā)生頻率相對較低，分別為5.05%和5.12%，6個月時間尺度以上，SPEI重旱發(fā)生頻率相對較高，在5.66%～5.87%之間，且重旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而降低。1和3個月時間尺度下SPEI中旱發(fā)生頻率相對較高，分別為11.03%和11.65%，6個月時間尺度以上，SPEI中旱發(fā)生頻率相對較低，在10.47%～10.62%之間，且中旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而升高。

（4）冬季。SPEI極旱發(fā)生頻率基本隨時間尺度增加而降低，1個月時間尺度下發(fā)生頻率最小，為0.22%，12個月時間尺度下發(fā)生頻率最大，為1.83%；SPEI重旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而升高，發(fā)生頻率在3.21%～5.62%之間；而SPEI中旱發(fā)生頻率基本隨時間尺度增加而降低，發(fā)生頻率在10.49%～14%之間。

3.1.2東北地區(qū)干旱年際變化

不同時間尺度下東北地區(qū)SPEI值年際變化過程如圖3所示。近55年來東北地區(qū)旱澇事件交替發(fā)生，2000年以前，東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率低、干旱強度小且持續(xù)時間短；2000年-2002年，2007年-2009年東北地區(qū)發(fā)生干旱強度大。SPEI值在1、3和6個月時間尺度下，旱情年際變化不明顯；而SPEI-12和SPEI-24值表明東北地區(qū)在2000年-2002年發(fā)生連續(xù)干旱。結(jié)果與孫濱峰等計算結(jié)果相一致且與歷史干旱事件相符合。

3.1.3東北地區(qū)干旱年代際變化

東北地區(qū)不同時間尺度下年代際干旱發(fā)生頻率見圖4。由圖4可以看出，不同時間尺度下，1960年-2010年間，極旱、重旱以及中旱發(fā)生頻率基本都隨年代際變化而升高。2000s的SPEI-24極旱發(fā)生頻率達到最高為7.13%，重旱發(fā)生頻率最高為16.78%，中旱發(fā)生頻率最高為18.82%。

東北地區(qū)1978年-2013年干旱成災(zāi)面積如圖5所示。干旱成災(zāi)面積波動變化，在2000年干旱成災(zāi)面積達到最大，為658.9萬hm²，且在2001年發(fā)生連續(xù)嚴(yán)重干旱，干旱成災(zāi)面積為529 8萬hm²；其次是2007年，干旱成災(zāi)面積為604 4萬hm²；2009年干旱成災(zāi)面積達435萬hm²。由圖中可以看出，在1990年以前，干旱成災(zāi)面積較小且旱災(zāi)程度較弱，只在1989年較為嚴(yán)重，成災(zāi)面積為486.8萬hm²；進入20世紀(jì)90年代后，干旱成災(zāi)面積整體上有所擴大；進入21世紀(jì)之后，2000年-2002年、2007年-2009年發(fā)生連續(xù)嚴(yán)重干旱，其余年份的旱災(zāi)程度均在不同程度有所增加。干旱成災(zāi)面積與SPEI計算結(jié)果大體上相一致，驗證了SPEI在東北地區(qū)干旱評估工作中的適用性。

3.2東北地區(qū)干旱空間分布特征

3.2.1東北地區(qū)干旱季節(jié)空間變化

本節(jié)以SPEI-3為例，以5月、8月、11月和次年2月的干旱發(fā)生頻率分別代表春季、夏季、秋季和冬季干旱發(fā)生頻率，分析東北地區(qū)季節(jié)干旱發(fā)生頻率空間分布，結(jié)果如圖6所示。春季極旱發(fā)生頻率主要分布在遼寧西部、黑龍江西部和東部，吉林省幾乎無極旱發(fā)生；夏秋兩季極旱發(fā)生頻率較高且主要集中在黑龍江中部和西部、吉林東西部地區(qū)；冬季極旱只發(fā)生在黑龍江中部。東北的中部在春夏兩季發(fā)生重旱頻率較高，秋冬兩季除黑龍江中部，吉林和遼寧西部外其他地區(qū)重旱發(fā)生頻率相差不大。中旱四季發(fā)生頻率在吉林省較低，春季黑龍江北部發(fā)生頻率較高，夏季黑龍江東部發(fā)生頻率較高，秋冬兩季主要集中在遼寧西部以及黑龍江省與吉林省交界處。

3.2.2東北地區(qū)干旱年代際空間變化

東北地區(qū)不同時間尺度下不同年代際的SPEI值空間分布如圖7所示，由圖可以看出：1960s，東北地區(qū)SPEI值基本在正常范圍內(nèi)，干旱程度較弱。1970s，不同時間尺度下東北地區(qū)均有干旱趨勢，對于SPEI-3而言，黑龍江省大部以及吉林東部干旱程度較顯著。1980s，東北地區(qū)干旱程度稍有加重，但是干旱區(qū)域有所改變，除黑龍江中部外，黑龍江省其他地區(qū)干旱程度得到緩解，遼寧東部和西部干旱程度加重。1990s，1個月，3個月和6個月時間尺度下，黑龍江西北和東北地區(qū)，東北中部地區(qū)和遼寧西部地區(qū)干旱程度有所緩解，其他地區(qū)干旱程度稍有加重。2000s，東北地區(qū)不同時間尺度下的干旱程度達到最大值，東北西部地區(qū)SPEI-12干旱程度較重，黑龍江中部、吉林西部以及遼寧西部少數(shù)地區(qū)SPEI-24達到極旱程度。2010年一2014年，東北大部分地區(qū)干旱程度有所減弱，其中以黑龍江北部、吉林東南部和遼寧中部地區(qū)改善最為明顯。

3.2.3東北地區(qū)干旱頻率空間變化

東北地區(qū)不同時間尺度下干旱發(fā)生頻率空間分布如圖8所示，由圖中可以看出：隨時間尺度的增加，極旱發(fā)生范圍逐漸擴大，24個月時間尺度下東北西部地區(qū)極旱發(fā)生頻率較高。1個月和3個月時間尺度下，重旱發(fā)生頻率在三省基本相同但黑龍江中南部發(fā)生頻率稍大于其他省份地區(qū)；6個月、12個月和24個月時間尺度下，黑龍江東部，吉林和遼寧西部地區(qū)重旱發(fā)生頻率較高。1個月時間尺度下吉林西部和中部、黑龍江西部以及遼寧南部中旱發(fā)生頻率較高；3個月時間尺度下各省中旱發(fā)生頻率相差不大；6個月時間尺度下吉林大部中旱發(fā)生頻率較高于其他地區(qū)；12個月和24個月時間尺度下，黑龍江中部和吉林東部中旱發(fā)生頻率較高。

4結(jié)論

（1）從時間分布上來看，東北地區(qū)春季和秋季極旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而升高；春季、夏季和冬季重旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而升高，中旱發(fā)生頻率隨時間尺度增加而降低。

（2）從空間分布上來看，以SPEI-3為例，冬季只有黑龍江發(fā)生極旱；春季、夏季和秋季各省份均有較低頻率的極旱發(fā)生；春季和夏季重旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)為吉林和黑龍江交界處；中旱發(fā)生頻率在各省均較高且分布不均勻。

（3）不同時間尺度下干旱發(fā)生頻率隨年代際變化而升高，表明東北地區(qū)存在明顯的變干旱趨勢；SPEI值在2000年以后明顯小于2000年之前，表明東北地區(qū)干旱程度日趨嚴(yán)重。

（4）與東北地區(qū)實際近40年干旱成災(zāi)面積進行對比分析，結(jié)果證明了SPEI在東北地區(qū)干旱評估中的適用性。endprint