基于SPEI的華東地區(qū)近30年干旱時(shí)空特征分布研究

袁小軍 徐亞軍 王柳松 于曉光

（1.南通市測(cè)繪院有限公司，江蘇 南通 226006；2.河南省軍區(qū)數(shù)據(jù)信息室，河南 鄭州 450003；3.32023 部隊(duì)，遼寧 大連 116023 ）

1 引言

干旱是指在一定時(shí)間尺度內(nèi)，由水分收支或水資源供需失衡而造成的缺水現(xiàn)象，通常伴有降水不足和氣溫升高現(xiàn)象。當(dāng)前，干旱已位列全球十大自然災(zāi)害之首，而未來的干旱在時(shí)長(zhǎng)、規(guī)模、影響程度及頻率上均會(huì)遠(yuǎn)超以往。盡管通過節(jié)能減排降低室溫氣體排放可降低風(fēng)險(xiǎn)，但低水平的變暖仍能加劇全球大部分地區(qū)的干旱程度[1]，因此，干旱研究尤為重要。

干旱研究目前運(yùn)用較多的指數(shù)主要有標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）、帕默爾干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index，PDSI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）。降水和溫度均為干旱研究的重要因素。SPI 具有多時(shí)間尺度特性，卻未考慮溫度帶來的地表蒸散影響；PDSI 考慮了溫度和降水的影響，卻無法滿足多尺度和重大干旱預(yù)測(cè)時(shí)效性要求；SPEI 指數(shù)在延續(xù)SPI 多時(shí)間尺度優(yōu)點(diǎn)的前提下，綜合考慮氣溫所帶來的水分盈虧影響，滿足干旱指數(shù)準(zhǔn)確性研究，因此成為研究重點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地區(qū)干旱檢測(cè)、氣溫要素利用、氣候變暖環(huán)境下的干旱變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。如熊光潔[2]等運(yùn)用SPEI指數(shù)研究中國(guó)西南地區(qū)在不同時(shí)間尺度下干旱的變化特征；武英嬌[3]基于SPEI 指數(shù)分析中國(guó)東部干旱變化特征及其與東亞夏季風(fēng)和海表溫度的關(guān)系；高琳慧[4]基于SPEI 指數(shù)研究中國(guó)南方秋季干旱變化特征及其可能原因。

隨著近百年來全球氣溫上升，華東地區(qū)干旱研究需考慮溫度變化的影響，且需兼顧對(duì)不同時(shí)空干旱特征的評(píng)估。基于上述考慮，本研究采用SPEI 指數(shù)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法（Empirical Orthogonal Function Analysis，EOF）、REOF 等分析方法，利用華東地區(qū)30 年氣象數(shù)據(jù)，對(duì)干旱在時(shí)間和空間上的分布特征及其相關(guān)性等進(jìn)行研究，揭示其變化規(guī)律，為華東地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、干旱預(yù)警等提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究選取華東地區(qū)（山東省、江蘇省、安徽省、浙江省、江西省、福建省和上海市）為研究區(qū)。研究區(qū)面積為79.83 萬km2，氣候類型以季風(fēng)氣候?yàn)橹鳌?/p>

研究數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，包括華東地區(qū)113 個(gè)氣象站點(diǎn)30 年的月平均降水、溫度、月最大一天日照時(shí)等數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)的完整性和氣象站點(diǎn)空間位置分布進(jìn)行篩選，最終保留108 個(gè)站點(diǎn)作為研究對(duì)象。研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分布如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

2.2SPEI 指數(shù)計(jì)算方法

（1）區(qū)域潛在蒸發(fā)量的計(jì)算

本研究使用Thornthwaite 公式[5]，采用簡(jiǎn)單的PET計(jì)算方法，即只考慮月平均氣溫進(jìn)行評(píng)估。

PET計(jì)算方法如下：

表1 SPEI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 特征分析

（3）對(duì)水分盈虧累積序列進(jìn)行正態(tài)化

使用三參數(shù)的對(duì)數(shù)logistic 概率分布對(duì)Di序列進(jìn)行正態(tài)化，計(jì)算各數(shù)值相應(yīng)的干旱指數(shù)，對(duì)數(shù)logistic 概率分布的累積函數(shù)的計(jì)算公式如下:

基于EOF、REOF 分析法，采用Matlab 語言，分別計(jì)算三種不同時(shí)間尺度下SPEI 指數(shù)。年時(shí)間尺度的分析，采用1990 ～2020 年每年第12 個(gè)月的SPEI 值作為干旱頻率和EOF 分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；而季節(jié)時(shí)間尺度的分析，使用每年第3、第6、第9 和第12 個(gè)月的SPEI 值分別作為對(duì)應(yīng)年份春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 年尺度干旱的時(shí)空變化特征

（1）年尺度干旱頻率空間分布

當(dāng)SPEI 數(shù)值小于-1 時(shí)記為干旱事件。從圖2 年尺度干旱頻率分布圖中可以看出，太湖流域、上海市、安徽省北部以及山東中部地區(qū)是華東地區(qū)干旱發(fā)生頻率最低的地區(qū)，大致呈由西向東遞減的趨勢(shì)。

圖2 年尺度干旱頻率空間分布

（2）基于EOF 年尺度干旱時(shí)空變化分析

由年尺度SPEI 的EOF 分析結(jié)果（如表2 所示）可知，前三個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為62%，這表明選取前三個(gè)模態(tài)能夠較好顯示華東地區(qū)年尺度在時(shí)間和空間上的旱澇變化趨勢(shì)。

表2 前3個(gè)EOF分析對(duì)總方差的貢獻(xiàn)和累計(jì)貢獻(xiàn)

圖3（a）可以看出，北部以山東中部為中心，而南部地區(qū)以江西東部為中心，表明干旱特征呈現(xiàn)南北差異，即北部與南部呈現(xiàn)不同的旱澇變化趨勢(shì)。從圖3（b）、圖3（c）可以看出，第二模態(tài)與第三模態(tài)由北向南分別表現(xiàn)為“+ - +”和“- + -”的分布趨勢(shì)，第二模態(tài)負(fù)值區(qū)與第三模態(tài)正值區(qū)皆集中在長(zhǎng)江中下游地區(qū)。根據(jù)EOF 原理分析，華東地區(qū)主要有兩種表現(xiàn)類型：第一模態(tài)決定華東地區(qū)呈南北相反的分布類型；第二、第三模態(tài)決定長(zhǎng)江中下游地區(qū)有明顯的旱澇變化趨勢(shì)。

圖3 年尺度SPEI的EOF前三個(gè)模態(tài)空間分布

時(shí)間系數(shù)代表了分布型式的時(shí)間變化特征。系數(shù)絕對(duì)值越大，表明這一時(shí)刻這類分布型式越典型。本研究采用年系數(shù)絕對(duì)值最大的特征向量作為干旱空間分布模式。從圖4（a）和（b）可以看到，第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)趨勢(shì)斜率大于零，在一定程度上說明北部有逐漸變旱的趨勢(shì)，而南部相反。而第二模態(tài)和第三模態(tài)趨勢(shì)斜率相反，與空間分布對(duì)應(yīng)，皆表明長(zhǎng)江中下游地區(qū)由偏旱期轉(zhuǎn)為偏澇期的變化趨勢(shì)。結(jié)合第一模態(tài)的結(jié)果分析，可以看出長(zhǎng)江中下游整體雖呈濕潤(rùn)化的趨勢(shì)，但其中西北部更趨向于干旱化的變化趨勢(shì)。

圖4 年尺度SPEI的EOF前三個(gè)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變曲線

3.2 季尺度干旱的時(shí)空變化特征

（1）季尺度干旱頻率空間分布

將季尺度SPEI 值中的3、6、9、12 月作為春夏秋冬干旱分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中將小于-1 出現(xiàn)的頻率，作為該區(qū)干旱發(fā)生頻率。圖5 為華東地區(qū)四個(gè)季節(jié)干旱發(fā)生頻率的空間分布。從圖5（a）中可以明顯看出，春季頻率最低，干旱發(fā)生頻率都在6%以下。而圖5（d）的冬季干旱發(fā)生頻率是最高的，除了山東大部分地區(qū)以外，頻率幾乎都在21%以上。從圖5（b）、（c）中可以看出，夏季與秋季頻率分布狀況近乎相反，夏季華東地區(qū)北部干旱發(fā)生頻率更高，而秋季相反。

圖5 季尺度干旱頻率空間分布

（2）基于EOF 季尺度干旱時(shí)空變化分析

基于季尺度SPEI 指數(shù)進(jìn)行EOF 分析，得到四個(gè)季節(jié)第一模態(tài)和時(shí)間系數(shù)，從表3 可以看到，四季第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率都較高，具有良好的代表性，因此這里使用四季的第一模態(tài)對(duì)華東地區(qū)四個(gè)季節(jié)的旱澇變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

表3 四個(gè)季節(jié)EOF分析第一模態(tài)對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率

圖6 為華東地區(qū)季尺度特征值空間分布，圖7 為其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)序列曲線。圖6（a）、圖7（a）為春季特征值分布及時(shí)間系數(shù)，可以看出春季第一模態(tài)皆為正值，表明整個(gè)區(qū)域的特征具有同向性，時(shí)間系數(shù)變化幅度適中，整體呈下降趨勢(shì)，由此得出30 年來春季華東地區(qū)由偏澇轉(zhuǎn)為偏旱的趨勢(shì)；圖6（b）、圖7（b）為夏季特征值分布及時(shí)間系數(shù)，特征值南北符號(hào)相反，即旱澇變化呈南北相反的變化趨勢(shì)，而其時(shí)間系數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明30 年來夏季華東地區(qū)北部以2005 年為節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)干旱化的趨勢(shì)，而南部相反 ； 圖6（c）、圖7（c）為秋季特征值分布及時(shí)間系數(shù)，與夏季相比，秋季的旱澇時(shí)空分布也呈現(xiàn)南北相反的分布，并且分界線移動(dòng)至長(zhǎng)江流域附近，時(shí)間系數(shù)變化更為劇烈，表明秋季的旱澇變化特征更為明顯，且整體呈一個(gè)略微下降的趨勢(shì)，這說明30 年來華東地區(qū)秋季的旱澇變化呈北部干旱化而南部與之相反的趨勢(shì) ；圖6（d）、圖7（d）為冬季特征值分布及時(shí)間系數(shù)，所有的數(shù)值皆大于0，表明華東地區(qū)冬季旱澇變化在空間上呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，且冬季的時(shí)間系數(shù)變化幅度明顯，即年代際變化明顯，并總體呈上升趨勢(shì)，表明華東地區(qū)30 年冬季干旱變化特征明顯，并整體有由旱轉(zhuǎn)澇的趨勢(shì)。

圖6 季尺度SPEI的EOF第一模態(tài)空間分布

圖7 季尺度SPEI的EOF第一模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化曲線

3.3 干旱危險(xiǎn)性空間分析

（1）年尺度干旱危險(xiǎn)性分析

圖8 為華東地區(qū)年尺度干旱危險(xiǎn)性分布圖，從整體來看華東地區(qū)30 年干旱危險(xiǎn)性的分布呈由南向北增加的趨勢(shì)，山東地區(qū)整體危險(xiǎn)性偏高，長(zhǎng)江中下游地區(qū)危險(xiǎn)性適中，小范圍呈現(xiàn)由北向南、由高向低的趨勢(shì)，長(zhǎng)江流域以南的地區(qū)整體干旱危險(xiǎn)性偏低。

圖8 年尺度干旱危險(xiǎn)性空間分布

（2）季尺度干旱危險(xiǎn)性分析

圖9 為華東地區(qū)季尺度干旱危險(xiǎn)性分布圖，使用以3 個(gè)月為時(shí)間尺度的SPEI，選擇3、6、9、12 月做危險(xiǎn)性計(jì)算并插值，分別代表春、夏、秋、冬的干旱危險(xiǎn)性。圖9（a）為春季干旱危險(xiǎn)性分布，可以明顯看出，山東南部和東南丘陵為低值中心，春季危險(xiǎn)性整體偏低；圖9（b）中夏季危險(xiǎn)性分布呈現(xiàn)南北分布，北部以山東南部為低值中心，而南部以江西中部為高值中心，但整體數(shù)值不超過0.18；圖9（c）為秋季干旱危險(xiǎn)性分布，秋季危險(xiǎn)性在四個(gè)季節(jié)中最高，大部分地區(qū)都高于2.0；圖9（d）中冬季干旱危險(xiǎn)性分布呈明顯南北差異，南北部危險(xiǎn)性數(shù)值差異明顯，并且以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為過渡帶，最低值和最高值所占面積較多。

整體分析，華東地區(qū)干旱危險(xiǎn)性中，春季為干旱危險(xiǎn)性最低的季節(jié)，而秋季則為危險(xiǎn)性最高的季節(jié)，而夏季與冬季呈數(shù)值趨勢(shì)相反的南北分布，其中冬季的數(shù)值差異較大，危險(xiǎn)性南北分布差異明顯。

圖9 季尺度干旱危險(xiǎn)性空間分布

4 結(jié)論

本文利用華東地區(qū)108 個(gè)氣象站點(diǎn)，1990 ～2020年近30 年的月平均降水、溫度、月最大一天日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）評(píng)估研究區(qū)干旱狀況，采用K-S 檢驗(yàn)SPEI 指數(shù)的可靠性，并通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）和干旱危險(xiǎn)性分析等統(tǒng)計(jì)分析方法，探討了該區(qū)域不同時(shí)間尺度的干旱時(shí)空變化特征，對(duì)具有特殊旱澇特征的地區(qū)進(jìn)行了劃分，得到了以下主要結(jié)論：

通過華東地區(qū)30 年來年、季兩個(gè)尺度的干旱發(fā)生頻率分析，得出華東地區(qū)干旱發(fā)生頻率呈南高北低的分布，其中春季整體干旱頻率較低，而除了山東地區(qū)夏季及下半年發(fā)生干旱的頻率更高以外，秋季與冬季分別以長(zhǎng)江中下游地區(qū)與山東南部地區(qū)為過渡帶呈南高北低的分布。

通過EOF 對(duì)華東地區(qū)30 年旱澇變化趨勢(shì)的分析得出： 華東地區(qū)北部地區(qū)呈干旱化趨勢(shì)，而南部相反。從季節(jié)的角度來看，華東地區(qū)整體春季有偏旱的趨勢(shì)，冬季有偏澇的趨勢(shì)；夏季和秋季以2005 年為節(jié)點(diǎn)，北部有由偏澇到偏旱的趨勢(shì)，南部則由偏旱至偏澇。

對(duì)華東地區(qū)30 年干旱SPEI 指數(shù)結(jié)合干旱強(qiáng)度和頻率，即結(jié)合干旱危險(xiǎn)性進(jìn)一步分析得出：華東地區(qū)以長(zhǎng)江中下游為過渡帶，呈北高南低的分布，由此得出北方干旱強(qiáng)度高于南方的結(jié)論。從季節(jié)角度來看，華東地區(qū)春季干旱強(qiáng)度整體較低，而秋季為一年中干旱強(qiáng)度最高的季節(jié)。