不同干旱指數(shù)集對1961-2009年東北地區(qū)干旱描述的比較

梁 豐, 劉丹丹, 徐紅梅, 孫嘉駿, 馮雪菲, 慕萬峰

(遼寧省朝陽市氣象局, 遼寧 朝陽 122000)

根據(jù)不同學(xué)科對干旱的定義，干旱通?？煞譃闅庀蟾珊?、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱四類。按其發(fā)生程度不同，又可分為輕旱、中旱、重旱和特旱四個(gè)等級。研究表明，自20世紀(jì)50年代以來，全球很多地區(qū)都有明顯的變干趨勢，特別是70年代以后，全球干旱面積顯著增加[1-3]。中國地域廣袤，各地氣候與自然地理?xiàng)l件差異較大，這就導(dǎo)致干旱問題在中國表現(xiàn)出很強(qiáng)的區(qū)域特征。研究顯示，近40年，頻繁發(fā)生的干旱已導(dǎo)致中國西北、東北和華北地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的水資源短缺和生態(tài)環(huán)境退化等一系列環(huán)境問題[4-11]。

干旱指數(shù)能夠有效地監(jiān)測和評估干旱的發(fā)生與發(fā)展，因此得到廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的干旱指數(shù)有帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)、相對濕潤度指數(shù)(MI)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等[12-15]。近年來，不少學(xué)者利用這些干旱指數(shù)開展了一系列卓有成效的研究工作，對于進(jìn)一步了解不同地區(qū)的干旱狀況和未來演變趨勢提供了參考[16-19]。但我們也注意到，在研究干旱問題時(shí)，不同的學(xué)者會(huì)用到不同的干旱指數(shù)集，而這些指數(shù)集對全球或區(qū)域干旱的描述有一定差異。

東北地區(qū)是干旱的多發(fā)區(qū)，近年來，研究人員應(yīng)用干旱指數(shù)對東北干旱問題進(jìn)行了相關(guān)分析，并取得了顯著的成果[20-21]。但對不同干旱指數(shù)集刻畫的東北干旱差異也沒有一個(gè)清晰的認(rèn)識。鑒于此，本文應(yīng)用基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)的SPEI_TH和基于CRU數(shù)據(jù)的全球干旱指數(shù)集SPEI_PM，scPDSI_PM，從干旱時(shí)空變率、干旱頻次、干旱強(qiáng)度和對典型干旱年的描述等方面，對3套干旱指數(shù)集描述的東北地區(qū)1961—2009年干旱演變進(jìn)行比較。希望通過此類研究，能夠加深人們對東北地區(qū)干旱變化的了解與認(rèn)識，還能為今后利用這些干旱指數(shù)集開展東北地區(qū)氣候、生態(tài)、水文等多方面研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文所指東北地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江省和內(nèi)蒙古東部的赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市，總面積124.3萬km2。東北地區(qū)自南向北跨中溫帶與寒溫帶，四季分明，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥。東北地區(qū)東南部年均降水超過800 mm，屬濕潤區(qū)；而西北部地區(qū)年均降水不足400 mm，屬半干旱區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)介紹

(1) SPEI_TH：基于中國氣象局國家氣象信息中心提供的東北地區(qū)78個(gè)地面氣象站1961—2009年逐月氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)所計(jì)算，本文計(jì)算的SPEI為12個(gè)月時(shí)間尺度，計(jì)算潛在蒸散發(fā)時(shí)利用Thornthwaite公式，關(guān)于SPEI的更多信息可參考Vicente-Serrano等的工作[16]。

(2) SPEI_PM：來自西班牙國家研究委員會(huì)(CSIC)，該數(shù)據(jù)集基于CRUTS3.22(關(guān)于CRU資料的詳細(xì)說明及在中國地區(qū)的適用性可參考文獻(xiàn)[22-23])氣候數(shù)據(jù)，計(jì)算的SPEI為12個(gè)月時(shí)間尺度，計(jì)算潛在蒸散發(fā)時(shí)利用Penman-Monteith公式，空間分辨率0.5°×0.5°，下載網(wǎng)址為(http:∥digital.csic.es/)。

(3) scPDSI_PM：scPDSI_PM數(shù)據(jù)來源于英國環(huán)境數(shù)據(jù)檔案中心(CEDA)。該數(shù)據(jù)集基于CRUTS3.10.01氣候數(shù)據(jù)，計(jì)算潛在蒸散發(fā)時(shí)利用Penman-Monteith公式，空間分辨率0.5°×0.5°，下載網(wǎng)址為(http:∥www.ceda.ac.uk/)。

(4) 干旱實(shí)況：以《中國氣象干旱圖集(1956—2009)年》[24]的記錄為準(zhǔn)，圖集的時(shí)間分辨率為季節(jié)尺度。

1.3 研究方法

本文采用雙線性插值方法將SPEI_PM，scPDSI_PM格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到站點(diǎn)，采用氣候傾向率、M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對3套干旱指數(shù)集進(jìn)行分析。季節(jié)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)年的12月和下一年的1月，2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。干旱的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1[15,20]。

表1 干旱等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 1961-2009年東北地區(qū)干旱指數(shù)時(shí)間變化

圖1給出了1961—2009年東北地區(qū)干旱指數(shù)時(shí)間變化。可以看出各干旱指數(shù)都呈減小趨勢，表明研究時(shí)段內(nèi)東北地區(qū)總體表現(xiàn)出變干的趨勢。其中SPEI_TH(圖1A)的斜率為-0.016，主要的干旱時(shí)段在2000年以后。2000—2009年SPEI_TH值小于-0.5的年份有6 a，即2000年以后東北地區(qū)大多處于干旱的狀態(tài)，其中2000年、2001年為中度干旱(-1.5

圖11961-2009年東北地區(qū)干旱指數(shù)時(shí)間變化特征

2.2 東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率及干旱指數(shù)傾向率

附圖6A-C給出了東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率的空間分布。由附圖6A可知，SPEI_TH顯示遼寧大部、吉林中北部和黑龍江大部是干旱發(fā)生頻率的高值區(qū)，其中高值中心位于黑龍江中東部，多年平均的干旱發(fā)生頻率達(dá)到40%。SPEI_PM(附圖6B)顯示除內(nèi)蒙古的呼倫貝爾和黑龍江北部地區(qū)，在東北地區(qū)大部干旱發(fā)生頻率均較高，黑龍江中部是干旱發(fā)生頻率的高值中心，多年均值接近45%。scPDSI_PM給出的干旱頻率空間分布與SPEI_PM接近，高值區(qū)主要位于東北地區(qū)東南部，其中黑龍江中西部是干旱發(fā)生頻率的高值中心。SPEI_TH和SPEI_PM都顯示東北地區(qū)大部多年平均的干旱發(fā)生頻率介于28%～38%之間。scPDSI_PM對干旱頻率大小的描述與SPEI_TH，SPEI_PM不同，其給出的東北大部地區(qū)干旱頻率介于11%～58%之間。

圖2A—C是1961—2009年各指數(shù)月值變率的空間分布?？梢钥闯鰱|北地區(qū)大部SPEI_TH(圖2A)和scPDSI_PM(圖2C)都呈顯著的減小趨勢，即SPEI_TH和scPDSI_PM均檢測到1961—2009年東北地區(qū)顯著變干的趨勢。SPEI_PM(圖2B)在東北地區(qū)大部也以減小為主，但只有東部和南部的一些地區(qū)通過了顯著性檢驗(yàn)，其中吉林中北部地區(qū)的SPEI_PM還表現(xiàn)出一些增大的趨勢。

2.3 不同等級干旱發(fā)生頻次年際變化

圖3是不同等級干旱發(fā)生頻次的年際變化。就輕旱(圖3A—C)而言，SPEI_TH和SPEI_PM均顯示70年代和2000年以后輕旱發(fā)生頻次偏多，年均有168.4站次和185.3站次輕旱發(fā)生。scPDSI_PM給出的輕旱多發(fā)期在70年代和90年代，尤以90年代最多，年均輕旱發(fā)生頻次達(dá)到170.1站次，70年代為169.4站次。

各指數(shù)均檢測到2000年以后中旱(圖D—F)發(fā)生頻次高于其他時(shí)期，SPEI_TH，SPEI_PM和scPDSI_PM給出的2000年以后年均中旱發(fā)生頻次分別為159.1，146.4，136.2站次，明顯高于2000年以前的80.2，103.9，86.2站次。

SPEI_TH和scPDSI_PM的計(jì)算結(jié)果表明2000年以后重旱(圖G—I)最多，而SPEI_PM顯示70年代是東北地區(qū)重旱發(fā)生最集中的時(shí)期，2000年以后次之。此外，SPEI_TH描述的1961—2009年東北地區(qū)重旱頻次增加最快，氣候傾向率達(dá)到21.7站次/10 a，SPEI_PM和scPDSI_PM給出的氣候傾向率分別為3.6站次/10 a和9.9站次/10 a。

圖2東北地區(qū)干旱指數(shù)傾向率(實(shí)心標(biāo)注表示通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn))

可以看出，SPEI_TH和scPDSI_PM對東北地區(qū)特旱年際變化(圖3J—L)的描述與重旱是基本一致的，2個(gè)指數(shù)也表明2000年以后特旱發(fā)生頻次最多。此外，SPEI_TH計(jì)算的特旱頻次傾向率在3個(gè)指數(shù)中仍為最大，達(dá)到10.6站次/10 a；scPDSI_PM次之，為4.4站次/10 a；SPEI_PM最小，為0.9站次/10 a。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著2000年以后重旱和特旱頻次的增加，兩類干旱在不同等級干旱中所占的比重也在提高。3個(gè)干旱指數(shù)給出的2000年以前重旱和特旱發(fā)生頻次占各類干旱總頻次的百分比分別為17.6%，15.9%和13.6%，而2000年以后這一比例變?yōu)?4.5%，18.3%和26.6%?？梢钥闯?，除SPEI_PM小幅提高外，SPEI_TH和scPDSI_PM都提高了近一倍。

2.4 不同季節(jié)干旱強(qiáng)度時(shí)間變化

圖4給出了各指數(shù)描述的東北地區(qū)不同季節(jié)干旱強(qiáng)度時(shí)間變化及M-K趨勢演變。從線性趨勢來看，不同季節(jié)干旱強(qiáng)度的斜率均為負(fù)值，即1961—2009年東北地區(qū)四季干旱強(qiáng)度均有不同程度的加強(qiáng)。

就春季(圖4A—C)而言，研究時(shí)段內(nèi)SPEI_TH給出的干旱強(qiáng)度變化通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，而SPEI_PM和scPDSI_PM的干旱加強(qiáng)趨勢不顯著。對比各指數(shù)M-K趨勢變化曲線可以看出，60年代初到80年代中期，3個(gè)指數(shù)的干旱強(qiáng)度都呈顯著的加強(qiáng)趨勢(UF<-1.96)；80年代中期到90年代末干旱強(qiáng)度有所減弱；2000年以后SPEI_TH的加強(qiáng)趨勢是顯著的，而SPEI_PM和scPDSI_PM的加強(qiáng)趨勢均不明顯。SPEI_TH描述的夏季、秋季和冬季干旱強(qiáng)度(圖4D，4G，4J)變化與春季基本一致，可以看出，三個(gè)季節(jié)的干旱加強(qiáng)趨勢也通過了顯著性檢驗(yàn)，只是氣候傾向率略小于春季。SPEI_PM顯示的夏季、秋季和冬季干旱強(qiáng)度變化(圖4E，4H，4K)與春季也很類似。首先，各季節(jié)干旱強(qiáng)度升降變化時(shí)段是一致的；其次，夏季、秋季和冬季的干旱強(qiáng)度演變在研究時(shí)段內(nèi)也沒有通過顯著性檢驗(yàn)。scPDSI_PM檢測到東北地區(qū)秋季干旱強(qiáng)度(圖4I)加強(qiáng)趨勢達(dá)到了0.05的顯著性水平，斜率為-0.024，而夏季和冬季的干旱加強(qiáng)趨勢均不顯著。綜上所述，東北地區(qū)四季干旱強(qiáng)度均表現(xiàn)出不同程度的加強(qiáng)，這也是2000年以后重旱和特旱在各類干旱中所占比例提高的原因。

2.5 各干旱指數(shù)集與實(shí)況的對比

為了更好地檢驗(yàn)各指數(shù)對東北地區(qū)實(shí)際干旱狀況的描述能力，特別是對重旱和特旱的檢測能力，我們對各指數(shù)干旱強(qiáng)度空間分布與東北地區(qū)干旱實(shí)況(實(shí)況資料來自中國氣象干旱圖集)進(jìn)行了比較。見附圖7，選取2002年秋季(重旱年)和2007年秋季(特旱年)作為典型年進(jìn)行對比(圖中實(shí)線橢圓即為重旱和特旱落區(qū))。

就各指數(shù)與東北地區(qū)典型重旱年的對比來看，SPEI_TH(附圖7A)檢測到的重旱落區(qū)與實(shí)況基本一致，即在遼寧北部、吉林西部和內(nèi)蒙的通遼一帶旱情較重，但對于黑龍江西部地區(qū)發(fā)生的重旱SPEI_TH沒能有所體現(xiàn)。SPEI_PM(附圖7B)明顯低估了2002年秋季東北地區(qū)的干旱強(qiáng)度，在重旱地區(qū)SPEI_PM只表現(xiàn)出正常略偏干和輕度干旱的等級。相比于SPEI_TH和SPEI_PM，scPDSI_PM(附圖7C)對2002年東北地區(qū)秋旱的描述要更準(zhǔn)確。首先，scPDSI_PM對東北南部地區(qū)干旱范圍和強(qiáng)度有更好的把握；其次，scPDSI_PM能夠檢測到黑龍江西部的重旱。

2007年東北地區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的秋旱，三個(gè)指數(shù)中SPEI_TH對干旱范圍和強(qiáng)度的把握與實(shí)況最接近。SPEI_PM與scPDSI_PM同樣檢測到東北西部嚴(yán)重干旱的事實(shí)，但二者對呼倫貝爾東部、黑龍江西北部和吉林中北部的干旱程度有所低估，同時(shí)SPEI_PM高估了黑龍江中部的干旱強(qiáng)度。

總的來看，SPEI_TH和scPDSI_PM對典型干旱年的再現(xiàn)能力要好于SPEI_PM。但本文僅就季節(jié)尺度的干旱強(qiáng)度進(jìn)行了探討，若要檢驗(yàn)2個(gè)指數(shù)在東北地區(qū)干旱監(jiān)測、評估中是否較其他指數(shù)更具優(yōu)越性，特別是能否對不同時(shí)間尺度、不同強(qiáng)度的干旱進(jìn)行準(zhǔn)確甄別，還需要在今后做更多的驗(yàn)證和比較工作。

圖3不同等級干旱發(fā)生頻次年際變化

圖4不同季節(jié)干旱強(qiáng)度時(shí)間變化

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用SPEI_TH，SPEI_PM和scPDSI_PM數(shù)據(jù)集，對比分析了1961—2009年東北地區(qū)干旱時(shí)空變化、干旱發(fā)生頻率、不同等級干旱發(fā)生頻次和不同季節(jié)干旱強(qiáng)度的演變特征，并對各指數(shù)描述的東北地區(qū)典型干旱年與實(shí)況進(jìn)行了比較，得出以下主要結(jié)論：

(1) 1961—2009年東北地區(qū)總體表現(xiàn)出變干的趨勢，其中SPEI_TH顯示的主要干旱時(shí)段在2000年以后，而SPEI_PM和scPDSI_PM都檢測到1980年前后東北地區(qū)也處于一個(gè)較為明顯的干期。

(2) 各指數(shù)對東北地區(qū)干旱頻率空間分布的描述是接近的，且SPEI_TH和SPEI_PM都顯示東北地區(qū)大部多年平均的干旱發(fā)生頻率介于28%～38%之間。scPDSI_PM對干旱頻率大小的描述與SPEI_TH，SPEI_PM不同，其給出的東北大部地區(qū)干旱頻率介于11%～58%之間。從干旱指數(shù)變率來看，東北地區(qū)大部SPEI_TH和scPDSI_PM都呈顯著的減小趨勢，SPEI_PM在東北地區(qū)大部也以減小為主。

(3) 就輕旱而言，SPEI_TH和SPEI_PM均顯示70年代和2000年以后輕旱發(fā)生頻次偏多，而scPDSI_PM描述的輕旱多發(fā)期在70年代和90年代。各指數(shù)均檢測到2000年以后中旱發(fā)生頻次高于其他時(shí)期。SPEI_TH和scPDSI_PM的計(jì)算結(jié)果表明2000年以后重旱最多，而SPEI_PM顯示70年代是東北地區(qū)重旱發(fā)生最集中的時(shí)期。SPEI_TH和scPDSI_PM對東北地區(qū)特旱年際變化的描述與重旱是基本一致的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，2000年以后重旱和特旱在不同等級干旱中所占的比重明顯提高。

(4) 各指數(shù)描述的1961—2009年東北地區(qū)四季干旱強(qiáng)度均有不同程度的加強(qiáng)。其中SPEI_TH給出的四季干旱強(qiáng)度變化均通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，而SPEI_PM描述的各季干旱加強(qiáng)趨勢均不顯著，scPDSI_PM只檢測到秋季干旱強(qiáng)度變化是顯著的。

(5) 從各指數(shù)與東北地區(qū)干旱實(shí)況的對比來看，SPEI_TH和scPDSI_PM對東北地區(qū)典型干旱年的描述能力要好于SPEI_PM。但本文僅就季節(jié)尺度的干旱強(qiáng)度這一個(gè)方面進(jìn)行了探討，若要檢驗(yàn)各指數(shù)在東北地區(qū)干旱監(jiān)測、評估中是否較其他指數(shù)更具優(yōu)越性，還需要在今后做更多的驗(yàn)證和比較工作。

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