一種大范圍干旱的識別方法及其應(yīng)用

殷雨婷 榮艷淑 呂星玥 劉書言

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098)

引 言

近幾十年來，我國發(fā)生了多次范圍大、持續(xù)時間長的干旱事件，如1999—2002年華北干旱[1]、2009—2010年西南干旱[2]、2011年和2013年長江中下游干旱[3-4]等。它們都對我國社會及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

以往針對干旱問題，通常都是選定固定區(qū)域討論干旱的時空分布、發(fā)展規(guī)律及形成原因。如，CHEN, et al[5]和馬柱國等[6]探討了北方干旱問題；趙昶昱等[7]和顏雅瓊等[8]分別以我國中部地區(qū)和黑龍江省為研究區(qū)域，探討干旱的多時間尺度特征；王思琪等[9]選定長江中下游五省為研究區(qū)域?qū)Χ喾N干旱指數(shù)的監(jiān)測效果進(jìn)行對比；榮艷淑等[10]則將長江中下游分為4個區(qū)域研究不同強(qiáng)度的La Nia事件對不同分區(qū)的旱澇頻率、強(qiáng)度和時空分布的影響；Arash, et al[11]基于1954—2016年40個氣象站點的數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)評估了伊朗胡齊斯坦省的干旱問題，給出了胡齊斯坦省西部、東部和南部發(fā)生重度干旱的可能性更高，而中部地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重和極端干旱的可能性明顯偏小的結(jié)論；ZOU, et al[12]和QIAN, et al[13]將研究區(qū)域選定為整個中國并劃分多個子區(qū)域，逐一探討不同區(qū)域的干旱特征，這種方法與固定區(qū)域邊界的研究并無差別。

實際上，一個干旱過程從開始到結(jié)束，范圍并不固定，而是在演變過程中不斷變化。例如，1998—2002年，華北出現(xiàn)了持續(xù)性干旱過程[14]，在這一時段，華南地區(qū)同樣出現(xiàn)過特大干旱[15]，東北地區(qū)也發(fā)了嚴(yán)重伏旱[16]，這些干旱在時間上高度一致，但在空間上，似乎并不重疊。然而，本文發(fā)現(xiàn)這些干旱不僅在時間持續(xù)，在空間上也是連續(xù)的。因此，將干旱區(qū)域固定，對認(rèn)識區(qū)域性干旱有很好的幫助，但卻不利于全面認(rèn)識一次干旱過程的空間分布和事件演變，也不利于評估干旱帶來的影響。針對這類問題，本文提出了一種大范圍干旱事件的識別方法，并以1998—2002年期間的干旱為例，對其進(jìn)行了重新評估。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)說明

本文主要使用了日本APHRO降水日值網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)與我國日降水資料的一致性較好[17-18]。選取APHRO_MA_025deg_V1101和APHRO_MA_025deg_V1101_EXR1數(shù)據(jù)集，空間范圍為15°S～55°N、60°～150°E，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為d，時間序列分別為1961年1月1日—2007年12月31日和2007年1月1日—2015年12月31日。

1.2 方法介紹

使用月尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index， SPI)作為氣象干旱指標(biāo)。SPI是Mckee,et al[19]首次提出，其認(rèn)為地區(qū)降水量分布服從偏態(tài)分布，可以利用概率密度函數(shù)求解累積概率，再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，最終通過標(biāo)準(zhǔn)化降水累積概率分布來劃分地區(qū)干旱等級。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級》(GB/T20481—2017)[20]，采用伽馬分布(Γ分布)概率來描述降水量的變化。SPI指數(shù)的等級劃分如表1所示。

每個格點的干旱過程用游程理論識別。以干旱事件作為隨機(jī)事件，以月作為干旱事件統(tǒng)計的時間步長時，游程是指干旱持續(xù)的歷程，游程長度表示干旱歷時?；谶x取的干旱指標(biāo)，確定3個閾值R0、R1、R2(R0>R1>R2，閾值取值按表1進(jìn)行，取R0=0，對應(yīng)無旱；R1=-0.5，對應(yīng)達(dá)到輕旱；R2=-1.0，對應(yīng)達(dá)到中等干旱)。

表1 SPI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification of droughts according to SPI values

圖1為基于游程理論識別的干旱過程?？勺R別出兩個干旱過程，分別是過程a以及中間有短暫中斷的過程c+d。將過程c+d視為一個過程的原因是，過程c和過程d中間只間隔了一個月，且該間隔月的SPI值≤R0，如果該間隔月的SPI值>R0，才視為干旱中斷[20]。對于圖1而言，第一個干旱過程的烈度就是a事件中的陰影面積，第二個干旱過程的烈度就是c和d事件的陰影面積之和。每個干旱過程的峰值就是SPI值的最小值，對于圖1中的第一個干旱過程a，干旱峰值就是第三個月的SPI值(圖1中的PT)。

根據(jù)圖1可以計算出每個格點每次干旱過程的烈度，其表達(dá)式為：

(1)

其中：IS(j)為第j個格點的干旱烈度；SPI1(i，j)為第j個格點干旱過程中第i月的SPI數(shù)值；R1為初始干旱的閾值，此處為-0.5，D(j)為該格點的干旱歷時，即持續(xù)的月數(shù)。

2 大范圍干旱事件的指數(shù)定義

評估一個干旱事件時，都要識別出干旱影響的區(qū)域、干旱持續(xù)的時間和干旱的強(qiáng)度，這3個方面對應(yīng)了干旱的3個特征變量，即干旱面積、干旱歷時和干旱烈度。此處的干旱烈度是指干旱累積強(qiáng)度。因此，針對一個大范圍干旱過程，其識別及評估可從以上3個方面進(jìn)行。

2.1 大范圍干旱事件面積指數(shù)的定義

干旱面積是衡量干旱范圍的指標(biāo)或參數(shù)，它決定了干旱事件對社會和經(jīng)濟(jì)影響的范圍。在評估逐月干旱面積時，要考慮：(1)干旱范圍具有隨時間變化的特征。干旱持續(xù)過程中，每個時段干旱擴(kuò)展的范圍可能不同，這就導(dǎo)致了每個月的干旱面積可能都不一樣；(2)如何確定大范圍干旱事件的面積閾值，即干旱面積達(dá)到多大可以稱為大范圍事件。

因此，以i時刻(某月)發(fā)生大范圍干旱事件的格點占全國總格點數(shù)的百分比，為i時刻的干旱面積指數(shù)，用IA(i)表示。同時，考慮我國的面積及區(qū)域差異，以我國國土面積的10%作為面積指數(shù)的最小閾值。為了保證i時刻識別得到的干旱事件在空間上具有連續(xù)性，以i時刻達(dá)到干旱面積閾值的所有格點中SPI值最小的格點作為起始格點，以此格點為中心向外拓展，將空間上連續(xù)達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)的格點納入統(tǒng)計范圍，如果統(tǒng)計的格點總數(shù)占全國格點的比例達(dá)到閾值10%，則認(rèn)為i時刻發(fā)生了大范圍干旱事件。

基于中國各省面積來確定閾值為10%。除了新疆、西藏、內(nèi)蒙古3個省的面積達(dá)到并超過了我國國土面積的10%以外，其余各省(除青海之外)面積均小于5%(https:∥baike.baidu.com/item/)。即使是華東、華中、華南等多個省份面積之和一般不超過10%。因此，干旱面積閾值取10%符合我國情況。

同時，為了保證識別的大范圍干旱事件的時間連續(xù)性，基于Sheffield, et al[22]和WANG, et al[23]，設(shè)置150 000 km2(約占全國面積 的1.5%)為最小重疊面積閾值，即i時刻和i+1時刻均發(fā)生干旱，同時兩個時段干旱重疊面積大于等于該閾值時，屬于在時間上連續(xù)的同一大范圍干旱事件。

對于月干旱面積指數(shù)IA(i)可用下式估計：

IA(i)=m(i)/A，

(2)

其中：IA(i)為某月干旱面積指數(shù)；m(i)為第i月某片干旱區(qū)的格點數(shù)，i=1，2，…，ID；ID為這一大范圍干旱事件的持續(xù)時間，即大范圍干旱事件的干旱歷時(它有別于格點干旱歷時D(j)，ID的計算方法將在后文說明)。該區(qū)域上每個格點上SPI值均小于等于-0.5，A為中國區(qū)域內(nèi)的總格點數(shù)。由于前文規(guī)定大范圍干旱事件的面積指數(shù)閾值要大于等于10%，因此，公式(2)成立的條件是IA(i)≥10%。當(dāng)局地短暫出現(xiàn)降水時，對干旱有緩解作用，對應(yīng)某月IA(i)可能小于10%。為保證干旱事件的連續(xù)性，在干旱事件持續(xù)過程中，IA(i)的值由≥10%轉(zhuǎn)為介于5%～10%，且持續(xù)時間不超過1個月，之后又轉(zhuǎn)為≥10%時，則認(rèn)為該干旱事件持續(xù)存在，需要連續(xù)統(tǒng)計干旱歷時。否則，認(rèn)為干旱終止。依此類推，便可得到整個干旱時段內(nèi)各個月份的干旱面積。

基于上述分析，干旱逐月面積指數(shù)在干旱演變過程中是時刻變化，為了能夠?qū)蓚€不同事件的干旱面積進(jìn)行比較，定義了大范圍干旱面積指數(shù)IA(Index of area)，它有別于月干旱面積指數(shù)IA(i)。IA是同一大范圍長歷時干旱事件從開始到結(jié)束(即干旱歷時ID)的時間內(nèi)，逐月干旱面積指數(shù)的累積值和與干旱歷時的比值，即：

(3)

其中：各參數(shù)說明與公式(2)相同。由此可知，一個干旱過程的面積指數(shù)也是干旱歷時ID的函數(shù)，受到干旱歷時指數(shù)的約束。根據(jù)IA的大小，將大范圍干旱事件進(jìn)行等級劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。表2中按15%、30%分別設(shè)置了更高的面積閾值，即干旱面積指數(shù)超過30%，則屬于極端大范圍干旱事件，介于15%～30%事件屬于中等大范圍干旱事件，介于10%～15%事件屬于一般大范圍干旱事件。

表2 大范圍長歷時干旱的面積指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification of large-scale and long-duration droughtsaccording to drought area index %

2.2 大范圍干旱事件的歷時定義

首先，定義干旱歷時指數(shù)ID(Index of Duration)為大范圍干旱事件開始月份到結(jié)束月份的間隔。此處干旱歷時的定義與游程理論中的歷時定義并無區(qū)別，但是，其計算并不是針對格點干旱歷時統(tǒng)計的，而是達(dá)到干旱的大范圍閾值時的開始與結(jié)束時間的間隔。由于干旱面積的變動，導(dǎo)致干旱區(qū)域內(nèi)每個格點干旱歷時可能不同，因此，ID與格點干旱歷時D(j)可能不一致。這同樣表明了干旱面積與干旱歷時是相互制約的兩個參數(shù)。

其次，對于ID也要考慮閾值問題，ID過小達(dá)不到大范圍長歷時干旱的要求。為了確定ID的閾值，從以下兩個方面進(jìn)行分析。首先從農(nóng)業(yè)干旱的角度設(shè)置干旱歷時閾值。由于農(nóng)業(yè)上常常以季節(jié)為單位討論干旱的影響，例如，冬季干旱影響作物的播種、出苗和生長發(fā)育；春季干旱影響播種、插秧、春收作物后期的生長，果樹的發(fā)芽時間和發(fā)育勢；夏季干旱影響夏種作物的出苗和生長、早稻和春玉米正常灌漿及晚稻的移栽成活；秋季干旱影響晚稻、其他秋收作物的生長發(fā)育和農(nóng)作物產(chǎn)量。因此，考慮農(nóng)業(yè)干旱影響時，干旱歷時的閾值以3個月為最小閾值。圖2為每個格點干旱歷時大于等于3個月的干旱次數(shù)的空間分布?？梢钥吹?，對于歷時為3個月的干旱次數(shù)，只有少數(shù)地區(qū)在30次以下，絕大多數(shù)地區(qū)在30次以上。但是，超過60次的區(qū)域范圍很小。表明對于格點而言，季節(jié)性(3個月)干旱是經(jīng)常出現(xiàn)的事件。

圖2 1961—2015年各格點干旱歷時大于等于3個月的干旱過程發(fā)生次數(shù)的空間分布Fig.2 The spatial distribution of the occurrence times of drought process in grid point with drought duration more thanor equal to 3 months from 1961 to 2015

其次，根據(jù)格點干旱歷時序列頻率，確定我國干旱的歷時變動范圍，然后，再確定最小閾值。根據(jù)這一思路，計算得到了1961—2015年期間每個格點干旱歷時大于等于4個月的干旱總次數(shù)和不同干旱歷時頻率的空間分布(圖3)。

在圖3中可以看到，我國大部分地區(qū)干旱歷時大于等于4個月的頻率比較高，很多地區(qū)達(dá)到了70%以上(圖3a)。歷時大于等于5個月的頻率明顯下降，多數(shù)地區(qū)小于40%(圖3b)。歷時大于等于6個月的頻率顯著下降，近半數(shù)地區(qū)這一頻率在40%以下，還有相當(dāng)多的地區(qū)在20%以下(圖3c)。因此，歷時超過4個月的干旱事件頻率較多，而歷時超過5個月的頻率明顯下降。

圖3 1961—2015年格點干旱不同干旱歷時出現(xiàn)頻率的空間分布:(a) 干旱歷時≥4個月；(b) 干旱歷時≥5個月；(c) 干旱歷時≥6個月Fig.3 The spatial distribution of the occurrence times of drought process in grid point with different drought duration from 1961 to 2015：(a) drought duration more than or equal to 4 months； (b) drought duration more than or equal to 5 months；(c) drought duration more than or equal to 6 months

根據(jù)上述兩點的考慮，干旱歷時達(dá)到3個月應(yīng)當(dāng)是ID的最小閾值，歷時達(dá)到6個月，應(yīng)當(dāng)是比較長的干旱歷時。

根據(jù)前一節(jié)的定義，大范圍干旱事件開始的標(biāo)志是IA(i)≥10%，結(jié)束的標(biāo)志是IA(i)<10%。由于干旱影響范圍不固定，干旱歷時不僅要達(dá)到最小閾值，還要保證每個格點干旱歷時都要達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)。因此，大范圍長歷時干旱事件的歷時與其干旱面積相關(guān)聯(lián)。

ID的確定也是要從格點干旱歷時開始?；谟纬汤碚?，j格點上SPI≤-0.5作為一次干旱的開始，連續(xù)統(tǒng)計SPI≤-0.5的月數(shù)，若持續(xù)時間大于等于3個月，則記錄一次干旱歷時；在統(tǒng)計過程中，若出現(xiàn)1個月由SPI≤-0.5轉(zhuǎn)變?yōu)?0.5-0.5的月數(shù)持續(xù)了兩個月，則記為干旱終止。

為了確定歷時的等級，分別設(shè)置格點干旱歷時達(dá)3個月、4個月和6個月作為格點發(fā)生一般、中等和極端長歷時干旱事件的閾值，在此基礎(chǔ)上，再確定大范圍干旱的干旱歷時的等級劃分方法。

表3給出了格點和大范圍干旱的干旱歷時的等級劃分結(jié)果。對某格點而言，當(dāng)其干旱歷時達(dá)到3個月時，認(rèn)為該格點發(fā)生了一次一般長歷時干旱事件，當(dāng)其干旱歷時達(dá)4個月且不足6個月時，發(fā)生了一次中等長歷時干旱事件，當(dāng)其干旱歷時達(dá)6個月及其以上時，認(rèn)定該格點發(fā)生了一次極端長歷時干旱事件。

在格點干旱歷時的基礎(chǔ)上，再給出評估大范圍干旱歷時的劃分方法。表3中的第三列即為一般、中等和極端長歷時大范圍干旱的劃分方法。

表3 大范圍長歷時干旱事件的格點和區(qū)域的歷時指數(shù)識別方法Table 3 Classification of region and grid on large-scale andlong-duration drought according to drought duration index

根據(jù)面積指數(shù)IA連續(xù)識別一次大范圍干旱事件后，對其內(nèi)的每個格點計算干旱歷時。用ID(j)表示每個格點的干旱歷時，其中j取值范圍為1，2，3，…，m(i)，m(i)表示第i時刻的SPI≤R1的格點數(shù)。M為干旱事件中格點達(dá)到3個月及以上的格點總數(shù)。用m4和m6分別表示干旱區(qū)域內(nèi)達(dá)到4個月和6個月的干旱格點數(shù)，用m4/M和m6/M的比值作為衡量一般長歷時和極端長歷時干旱事件歷時的基本依據(jù)，當(dāng)m4/M≥50%且m6/M<10%，則認(rèn)為該次大范圍干旱事件為一般長歷時干旱過程；如果m4/M≥80%且m6/M介于10%～50%之間，則認(rèn)為該次大范圍干旱事件為中等長歷時干旱過程；如果m6/M≥50%，則認(rèn)為該次大范圍干旱事件為極端長歷時干旱過程。因此，大范圍干旱事件的干旱歷時ID是由干旱區(qū)內(nèi)m4和m6共同確定的。

3.3 大范圍干旱的過程指數(shù)的定義

為了更好地描述一次大范圍干旱事件的特征，同時實現(xiàn)對不同事件的比較，本文除了考慮干旱烈度參數(shù)外，還考慮干旱中心問題。因此，定義了兩個中間變量，即干旱烈度指數(shù)和干旱中心兩個指數(shù)，作為大范圍干旱的過程指數(shù)。

(1)干旱烈度指數(shù)

定義大范圍干旱過程的烈度指數(shù)IS(Index of Severity)為該次干旱事件中所包含的各個格點干旱烈度的平均值，其中，某格點的干旱烈度是該格點SPI與閾值(R1)的差值的累積和，按式(1)計算，然后，求所有格點的干旱烈度平均值，便可得到大范圍干旱過程的烈度指數(shù)，其計算公式為：

(4)

其中：M為干旱區(qū)內(nèi)干旱歷時超過3個月的格點總數(shù)；ID(j)為j格點干旱過程的歷時。

(2)干旱過程的干旱中心為了反映一次大范圍干旱事件過程內(nèi)干旱中心C(Center of Drought)的遷移過程，將i時刻(i=1，2，3，…，ID)M個干旱格點中SPI值最小的格點作為i時刻的干旱中心。若同一時刻SPI值最小的格點不唯一(假設(shè)有k個)，則取相對處于k個格點中心的格點作為干旱中心。跟蹤每一時刻的C值，便可求得此次大范圍長歷時干旱中心的遷移軌跡。

3 大范圍干旱事件的選取與分析

3.1 1961—2015年以來大范圍干旱事件的識別結(jié)果

根據(jù)前文所述，采用干旱面積指數(shù)和干旱歷時指數(shù)對1961—2015年以來的大范圍長歷時干旱事件進(jìn)行識別。在這55 a中，共挑選了69個大范圍長歷時干旱過程，以年代為單位，將這些過程的特征參數(shù)列于表4，其中，2010s的截止時間為2015年，數(shù)據(jù)不完整，因而未做特征參數(shù)統(tǒng)計。

由表4可知， 我國1961—2015年間大范圍干旱過程的平均面積指數(shù)為30.49%，平均干旱歷時8.15個月，平均干旱烈度為-4.192。

表4 我國1961—2015年大范圍長歷時干旱事件統(tǒng)計Table 4 Large-scale and long-duration drought happened from 1961 to 2015 in China

在55 a間，極端最長干旱歷時事件的干旱歷時為23個月。該事件發(fā)生在1990年8月—1992年2月，這一事件的烈度為-8.84，面積指數(shù)為34.14%，干旱范圍從我國中部擴(kuò)展到西部，在1991年11月出現(xiàn)了單月面積指數(shù)的最大值，為68.55%，該月除了東北北部和廣西部分地區(qū)外，我國其余各地均處于干旱狀態(tài)。這一干旱事件創(chuàng)造了我國大范圍長歷時干旱事件的最長歷時記錄。

極端最大面積指數(shù)為54.26%。該事件發(fā)生1964年10月—1965年11月，這一事件的干旱歷時為14個月，烈度指數(shù)為-10.232，主要干旱區(qū)為新疆、東北、華北地區(qū)。在這次干旱事件中，有9個月的單月面積指數(shù)超過50%，其中有兩個月甚至超過70%，這就導(dǎo)致這個事件的面積指數(shù)成為1961年以來我國最高紀(jì)錄。

極端最強(qiáng)干旱烈度為-16.492。該事件發(fā)生在1987年4月—1988年7月，這一事件的干旱歷時為16個月，面積指數(shù)為27.76%，主要干旱區(qū)為東北、華北地區(qū)。這次干旱事件中，有10個月達(dá)到極端干旱的格點數(shù)達(dá)到當(dāng)月干旱總格點數(shù)35%，因而，其烈度值達(dá)到了我國1961—2015年來的最大值。

3.2 本方法與其它方法對典型干旱事件評估的比較

為了確定本文提出的大范圍長歷時干旱的評估方法是否準(zhǔn)確，本文挑選了一個歷史上評估比較多的干旱事件，即1998—2002年華北地區(qū)持續(xù)干旱過程，使用本文提出的評估結(jié)果與榮艷淑等[1]和衛(wèi)捷等[14]的分析結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。

可知，以華北地區(qū)內(nèi)均勻分布的17個代表站修正PDSI(IPDS)平均值作為分析對象，使用了北京、天津、河北省、山西省、山東省、內(nèi)蒙古自治區(qū)及河南省作為華北地區(qū)的代表，使用區(qū)域內(nèi)104個氣象站降水量的平均值進(jìn)行分析。從圖4a可以看到，自1998年下半年，修正PDSI(IPDS)顯示華北進(jìn)入干旱狀態(tài)，并持續(xù)到2000年夏季。在圖4b中，1998年底開始的降水量負(fù)距平現(xiàn)象，一直持續(xù)到2002年。

圖4 1997—2002年華北干旱指標(biāo)的時間序列：(a)1997年1月—2000年10月華北區(qū)域平均標(biāo)準(zhǔn)化IPDS逐月變化；(b)1997—2002年華北降水距平和氣溫距平的逐月分布Fig.4 Time series of droughts indices in North China from 1997 to 2002： (a) IPDS time series in North China from January 1997 to October 2002；(b) precipitation departure time series and temperature departure time series in North China from 1997 to 2002

以上研究集中在華北地區(qū)，然而，從大范圍干旱事件的角度，這一時期實際上出現(xiàn)了4次大范圍干旱過程(表5)，分別是1998年8月—1999年12月(事件1：干旱區(qū)在西北、華北、東北及華南地區(qū))、2000年2—7月(事件2：干旱區(qū)在西北東部、華北、東北、華中、西南、華東及華南地區(qū))、2001年2—12月(事件3：干旱區(qū)在西北、華北、東北地區(qū))和2002年7月—2003年2月(事件4：干旱區(qū)在西北、華北、東北地區(qū))。

表5 1998—2003年影響范圍涵蓋華北地區(qū)的大范圍長歷時干旱事件的特征統(tǒng)計Table 5 Large-scale and long-duration drought affecting North China from 1998 to 2003

3.2.1 4個干旱過程的分析

(1)事件1

圖5從下往上展示了我國1998年7月—1999年5月以及1999年4月—2000年1月SPI值的空間分布。在1998年7月(圖5a)，我國基本不存在滿足大范圍事件閾值的區(qū)域。當(dāng)年8月，只有華南地區(qū)的干旱面積達(dá)到大范圍干旱事件閾值。9月，西藏、長江流域及華中地區(qū)出現(xiàn)旱情，并與8月的華南干旱區(qū)合并，形成一個更大干旱區(qū)；10月，旱情得到短暫緩解，此時新疆東北部、甘肅和青海北部干旱區(qū)的當(dāng)月面積指數(shù)介于5%～10%，東部干旱區(qū)逐月面積指數(shù)仍超過10%，且與上月干旱區(qū)的重疊面積超出1.5%，所以10月新疆地區(qū)的干旱區(qū)應(yīng)連續(xù)歸入干旱區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計。11月時干旱面積再次變大，新疆、華北、華中、華南地區(qū)存在大片干旱區(qū)。12月華北、陜甘、新疆等地區(qū)還存在當(dāng)月面積指數(shù)介于5%～10%的干旱區(qū)。1999年1月干旱區(qū)再次擴(kuò)大，并波及到甘肅、寧夏、山西、陜西以及河北。到1999年4月，新疆以及西藏北部面積指數(shù)超10%，同時東北干旱面積介于5%～10%。1999年5月(圖5b)，新疆地區(qū)干旱面積指數(shù)介于5%～10%，但東北地區(qū)干旱面積指數(shù)超過10%，6月華北、內(nèi)蒙、西北等地也相繼進(jìn)入干旱狀態(tài)，當(dāng)月干旱面積指數(shù)已經(jīng)達(dá)到了32.7%。

圖5 SPI的空間分布：(a) 1998年7月—1999年4月；(b) 1999年5月—2000年1月Fig.5 The spatial distribution of SPI in China：(a) from July 1998 to April 1999；(b)from May 1999 to January 2000

7月新疆干旱區(qū)、東北、華北干旱區(qū)均與6月干旱重疊面積超1.5%，因此，此干旱事件尚未結(jié)束，此時干旱面積指數(shù)已經(jīng)達(dá)到了41.0%。8月干旱區(qū)向華北和華中一帶集中，西北和東北地區(qū)干旱解除，該月面積指數(shù)略有減小，不足30%。9月，東北地區(qū)干旱再次加重，華北干旱略有減輕，干旱區(qū)向華中、西南地區(qū)轉(zhuǎn)移。10月，干旱區(qū)再次減小，但是，當(dāng)月面積指數(shù)仍超過了10%。11月干旱區(qū)再次擴(kuò)大，在12月干旱區(qū)向黃河流域和長江流域擴(kuò)展。在2000年1月，干旱區(qū)完全消散，存在的干旱區(qū)的面積均不足5%，已經(jīng)不能滿足干旱事件連續(xù)的閾值。此次大范圍干旱事件結(jié)束。

在表5中可以看到該事件每個月份的干旱面積、干旱烈度、干旱中心等數(shù)據(jù)。這一干旱事件面積最大值出現(xiàn)在1999年9月，面積指數(shù)超過了50%，區(qū)域內(nèi)最大干旱烈度達(dá)到了-4.19，但其平均烈度僅為-0.99。這一事件平均最大干旱烈度出現(xiàn)在8月但該月面積指數(shù)只有28.8%。

(2)事件2

圖6是2000年2—5月的SPI空間分布?？梢钥吹?，在2000年2月時，我國東部地區(qū)(包括東北、華北和華中等地)出現(xiàn)旱情，達(dá)到了大范圍干旱的閾值，計為一個大范圍干旱區(qū)。新疆西部也有成片干旱區(qū)，但并未達(dá)到面積閾值，此時不作為一個大范圍干旱事件處理。東部干旱區(qū)逐漸向西北地區(qū)移動，同時新疆干旱區(qū)擴(kuò)大，并向東擴(kuò)展，在2000年3月中國北部干旱區(qū)相接。在2000年5月，我國西部干旱區(qū)消失，主要干旱區(qū)在華北、華中和東南地區(qū)。2000年6月，干旱區(qū)進(jìn)一步縮小，僅存東北干旱區(qū)，然而，東北干旱區(qū)與前一月的干旱區(qū)重疊面積不足1.5%，不能認(rèn)定它們屬于同一干旱區(qū)的干旱事件，故認(rèn)為此次干旱事件終止。

圖6 2000年1—6月SPI空間分布Fig.6 The spatial distribution of SPI in Chinafrom January 2000 to June 2000

(3)事件3

圖7是2001年1月—2002年1月的逐月SPI空間分布?？梢钥吹剑?001年2月起，內(nèi)蒙至陜甘地區(qū)和東北地區(qū)出現(xiàn)兩個面積指數(shù)均超10%的干旱區(qū)(圖7a)，3月，內(nèi)蒙至陜甘地區(qū)的干旱向南擴(kuò)張到整個華北和華東地區(qū)、向西擴(kuò)張到新疆地區(qū)，同時東北干旱區(qū)西移，此時形成了遍布大半個中國的干旱區(qū)。該月面積指數(shù)達(dá)到了54.1%，成為此事件的最大單月面積指數(shù)，該月的烈度指數(shù)也達(dá)到了這一事件的最大值。因此，2001年3月是該干旱過程最嚴(yán)重的月份。在2001年4月干旱范圍有所減小，但東北南部和黃河流域一帶仍存在一個面積指數(shù)超10%的干旱區(qū)。2001年5月，干旱區(qū)再次擴(kuò)展，形成我國東部直至西部的大片干旱區(qū)。該月面積指數(shù)略小于3月，達(dá)到了52.4%。當(dāng)年6—7月華東和東北地區(qū)旱情得到緩解，而華北和西北地區(qū)的干旱再次合并為一個整體。在2001年8月時(圖7b)，主要干旱區(qū)為華北和東北地區(qū)，但是，它們與前一個月的干旱區(qū)重疊均超1.5%，此次事件仍未結(jié)束。此后，干旱區(qū)在我國東部呈南北震蕩現(xiàn)象，直至2001年12月干旱范圍開始縮小、減弱，不再滿足大范圍干旱事件的面積閾值。

圖7 SPI空間分布：(a) 2001年1—7月；(b) 2001年8月—2002年1月Fig.7 The spatial distribution of SPI in China： (a) from January to July 2001；(b) from August 2001 to January 2002

(4)事件4

在2002年7月大范圍長歷時干旱事件再次出現(xiàn)(圖8)。干旱首先集中在華北地區(qū)，8月開始在東西方向上拓展，向東延伸到東北大部分地區(qū)，向西延伸到新疆東部(圖8a)。9月干旱區(qū)雖然分裂，但是它們與8月的干旱區(qū)重疊面積均超1.5%，仍屬于同一干旱區(qū)。同理，10—11月干旱區(qū)雖有變動，但仍屬同一干旱區(qū)。特別需要說明的是2002年12月至2003年2月的干旱分布問題(圖8b)。這3個月的干旱區(qū)分布與8月似乎有較大出入，但是，追蹤每個分裂的小片干旱區(qū)時，都可以發(fā)現(xiàn)，它們與前一個月的干旱區(qū)重疊面積均超過5%，故認(rèn)定為同一干旱事件。

圖8 我國2002年6月—2003年4月SPI空間分布：(a) 2002年6—11月；(b) 2002年11月—2003年4月Fig.8 The spatial distribution of SPI in China from June 2002 to April 2003： (a) from June to November 2002；(b)from December 2002 to April 2003

3.2.2 對這一時段干旱中斷期的討論

從上述4個大范圍長歷時干旱事件的討論可以得知，1998年8月—2003年2月期間不僅僅華北出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，同時，干旱還波及了東北、西北、華南、西南、華東等地區(qū)。這一時期華北地區(qū)也并非處于持續(xù)干旱狀態(tài)，在2000年1月、2000年8月—2001年1月以及2001年12月—2002年6月，干旱事件中斷或不能達(dá)到大范圍干旱的標(biāo)準(zhǔn)。

對于事件1(1998年8月—1999年12月)和事件2(2000年2—5月)之間，僅間隔了1個月(2000年1月)，在這1個月中(圖5b最后一個月)，除了三小片輕微干旱區(qū)外，我國不存在大片干旱區(qū)，而且，它們的SPI值均大于0，達(dá)到了第2.2節(jié)定義的干旱中斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，認(rèn)為1998年8月至2000年5月分別發(fā)生了兩次大范圍長歷時干旱過程。

對于2000年6—12月，文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[1]都是將其計入干旱過程，而本文將其視為一個干旱中斷期。這一時段SPI的空間分布情況由圖9可以看出，在2000年6—7月期間，華北確實干旱嚴(yán)重，而且范圍并不是只局限于華北地區(qū)，而是向東擴(kuò)展到東北地區(qū)，向西擴(kuò)展到陜甘地區(qū)。但是，這種現(xiàn)象僅僅持續(xù)了2個月，8月，干旱區(qū)便消散為幾片較小的干旱區(qū)，且均未達(dá)到本文大范圍長歷時干旱面積閾值和歷時閾值。10月以后，華北地區(qū)不存在完整的干旱區(qū)，因此，2000年6—12月不被計入大范圍長歷時干旱事件的統(tǒng)計范疇，它是大范圍長歷時干旱中斷期。

圖9 2000年6月—2001年1月SPI的空間分布Fig.9 The spatial distribution of SPI in China fromJune 2000 to January 2001

在事件3之后，我國華北、東北、西藏、西北、西南、華南等地區(qū)仍有旱情出現(xiàn)，但這些地區(qū)的干旱或因面積未達(dá)到大范圍事件的面積閾值，或因干旱歷時不足3個月，而不被計入大范圍長歷時干旱事件(圖10)。因此，2001年12月到2002年6月不屬于大范圍長歷時干旱過程。對比圖4b也能看到，在2001年底到2002年上半年，華北地區(qū)降水負(fù)距平很小。

圖10 我國2001年12月—2002年6月SPI空間分布Fig.10 Spatial distribution of SPI from December 2001 to June 2002 in China

3.2.3 本方法與其他典型干旱事件評估的比較

通過上述分析我們可以發(fā)現(xiàn)，1998—2002年的華北干旱并非是一個連續(xù)的干旱過程，其中有明顯的中斷，中斷期短則1個月，長則8個月。有些中斷期中不存在大范圍干旱，有些屬于沒有達(dá)到大范圍干旱的歷時最低閾值。此外還發(fā)現(xiàn)1998—2002年大范圍干旱過程，其影響范圍遠(yuǎn)不止華北地區(qū)，還波及東北、西北、西南、華南等地區(qū)。

因此，將研究區(qū)域固定在華北時，并不能完整地認(rèn)識這些干旱事件的時空分布及連續(xù)特征，而使整個干旱時段的分析不夠精準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文提出了大范圍長歷時干旱事件的識別過程和劃分方法，實現(xiàn)了干旱面積和干旱歷時的動態(tài)識別，兼顧了干旱事件在時空上的連續(xù)性，反映了大范圍干旱事件的自然演變過程。定義了大范圍長歷時干旱的面積指數(shù)、歷時指數(shù)、烈度指數(shù)和干旱中心4個指數(shù)，它們的物理意義與以前的定義并無差別，但是計算方法有所不同。主要結(jié)論如下：

(1) 關(guān)于大范圍干旱的面積指數(shù)。對干旱面積占我國國土面積10%作為閾值，當(dāng)干旱面積達(dá)到并超過10%作為一次大范圍干旱事件的開始，小于10%作為干旱事件的中止；對于干旱進(jìn)行中，面積指數(shù)介于5%～10%之間只有一個月，且下個月面積指數(shù)再次超過10%時，可以連續(xù)計入干旱時段；對于干旱進(jìn)行中，干旱區(qū)變動較大，但是相鄰兩個月份干旱區(qū)重疊面積達(dá)到我國國土面積1.5%時，視它們?yōu)橥桓珊祬^(qū)，連續(xù)計入干旱過程統(tǒng)計。對于面積指數(shù)超過國土面積30%的事件，稱為極端大范圍干旱事件，對于介于15%～30%之間和10%～15%之間的事件，分別稱為中等和一般大范圍干旱事件。

(2) 關(guān)于大范圍長歷時干旱的歷時指數(shù)。以3個月作為基礎(chǔ)歷時，開始記錄為一個大范圍長歷時干旱事件，如果干旱區(qū)內(nèi)存在50%以上的格點出現(xiàn)連續(xù)6個月干旱，則記錄為一次極端長歷時干旱；如果干旱區(qū)內(nèi)超過80%的格點連續(xù)4個月干旱，但連續(xù)6個月干旱的格點不足50%，則記錄為一次中等長歷時干旱，否則，為一般長歷時干旱。

(3) 關(guān)于大范圍長歷時干旱的過程指數(shù)。過程指數(shù)包括干旱烈度和干旱中心，首先計算逐月干旱面積內(nèi)的平均烈度，再計算整個事件的干旱烈度；以干旱面積內(nèi)格點SPI值最小值判定為干旱中心，當(dāng)SPI值最小值不唯一時，取SPI較小值的中心點為干旱中心。

(4) 基于上述指數(shù)定義，提出了首先識別大范圍干旱區(qū)，然后進(jìn)行大范圍干旱的時間連續(xù)性判定和識別歷時，最后計算大范圍長歷時干旱事件的干旱烈度及干旱中心的分析過程，并以此為依據(jù)識別了1961—2015年期間共計69次大范圍長歷時干旱事件。我國大范圍長歷時干旱事件的平均面積指數(shù)為30.40%，平均歷時為8.15個月，平均干旱烈度為-3.96。極端最長干旱歷時為23個月，最大面積指數(shù)為54.26%，最強(qiáng)干旱烈度指數(shù)為-16.49。每個大范圍干旱事件呈現(xiàn)動態(tài)變化特征，有些干旱區(qū)是較小干旱區(qū)合并為更大范圍的干旱區(qū)；有些是移動型干旱，即事件的發(fā)展過程中始終只有一個干旱區(qū)在空間上移動，但是，干旱區(qū)中心發(fā)生南北向或東西向的變動；有些屬于分裂型變化，即事件在發(fā)展過程中，原本的干旱區(qū)分裂成兩個或以上面積閾值均滿足大范圍干旱面積閾值的干旱區(qū)，然后分別發(fā)展。

(5) 針對我國華北地區(qū)1998—2002年的干旱過程，使用本文提出的評估方法重新評估后，發(fā)現(xiàn)在此期間，我國共發(fā)生了4次大范圍的干旱事件，干旱范圍從東北、華北延伸到西北，甚至延伸到華中、西南和華南地區(qū)。華北區(qū)域干旱只是這些大范圍干旱事件的一部分。因此，相比于固定區(qū)域干旱研究，本文提出的方法能夠識別更大范圍的干旱過程，能夠完整呈現(xiàn)干旱發(fā)展過程的全貌，對干旱的認(rèn)識更完整。

上述大范圍干旱的評估方法使用的是SPI指數(shù)，該指數(shù)基于降水的指標(biāo)，后續(xù)研究將采用SPEI或PDSI等考慮了多種因素的綜合干旱指標(biāo)，或許對評估此類干旱事件更有效果。另外，本文僅對干旱面積以及干旱歷時進(jìn)行了等級劃分，后續(xù)研究將對干旱烈度進(jìn)行等級劃分，以便對此類干旱事件的強(qiáng)度有更精確的評估。