不同干旱指数集对1961-2009年东北地区干旱描述的比较

梁 丰, 刘丹丹, 徐红梅, 孙嘉骏, 冯雪菲, 慕万峰

(辽宁省朝阳市气象局, 辽宁 朝阳 122000)

根据不同学科对干旱的定义，干旱通常可分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱四类。按其发生程度不同，又可分为轻旱、中旱、重旱和特旱四个等级。研究表明，自20世纪50年代以来，全球很多地区都有明显的变干趋势，特别是70年代以后，全球干旱面积显著增加[1-3]。中国地域广袤，各地气候与自然地理条件差异较大，这就导致干旱问题在中国表现出很强的区域特征。研究显示，近40年，频繁发生的干旱已导致中国西北、东北和华北地区出现严重的水资源短缺和生态环境退化等一系列环境问题[4-11]。

干旱指数能够有效地监测和评估干旱的发生与发展，因此得到广泛应用。目前应用较多的干旱指数有帕尔默干旱指数(PDSI)、相对湿润度指数(MI)、综合气象干旱指数(CI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)等[12-15]。近年来，不少学者利用这些干旱指数开展了一系列卓有成效的研究工作，对于进一步了解不同地区的干旱状况和未来演变趋势提供了参考[16-19]。但我们也注意到，在研究干旱问题时，不同的学者会用到不同的干旱指数集，而这些指数集对全球或区域干旱的描述有一定差异。

东北地区是干旱的多发区，近年来，研究人员应用干旱指数对东北干旱问题进行了相关分析，并取得了显著的成果[20-21]。但对不同干旱指数集刻画的东北干旱差异也没有一个清晰的认识。鉴于此，本文应用基于站点数据的SPEI_TH和基于CRU数据的全球干旱指数集SPEI_PM，scPDSI_PM，从干旱时空变率、干旱频次、干旱强度和对典型干旱年的描述等方面，对3套干旱指数集描述的东北地区1961—2009年干旱演变进行比较。希望通过此类研究，能够加深人们对东北地区干旱变化的了解与认识，还能为今后利用这些干旱指数集开展东北地区气候、生态、水文等多方面研究提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

本文所指东北地区包括辽宁、吉林、黑龙江省和内蒙古东部的赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市，总面积124.3万km2。东北地区自南向北跨中温带与寒温带，四季分明，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥。东北地区东南部年均降水超过800 mm，属湿润区；而西北部地区年均降水不足400 mm，属半干旱区。

1.2 数据介绍

(1) SPEI_TH：基于中国气象局国家气象信息中心提供的东北地区78个地面气象站1961—2009年逐月气温、降水数据所计算，本文计算的SPEI为12个月时间尺度，计算潜在蒸散发时利用Thornthwaite公式，关于SPEI的更多信息可参考Vicente-Serrano等的工作[16]。

(2) SPEI_PM：来自西班牙国家研究委员会(CSIC)，该数据集基于CRUTS3.22(关于CRU资料的详细说明及在中国地区的适用性可参考文献[22-23])气候数据，计算的SPEI为12个月时间尺度，计算潜在蒸散发时利用Penman-Monteith公式，空间分辨率0.5°×0.5°，下载网址为(http:∥digital.csic.es/)。

(3) scPDSI_PM：scPDSI_PM数据来源于英国环境数据档案中心(CEDA)。该数据集基于CRUTS3.10.01气候数据，计算潜在蒸散发时利用Penman-Monteith公式，空间分辨率0.5°×0.5°，下载网址为(http:∥www.ceda.ac.uk/)。

(4) 干旱实况：以《中国气象干旱图集(1956—2009)年》[24]的记录为准，图集的时间分辨率为季节尺度。

1.3 研究方法

本文采用双线性插值方法将SPEI_PM，scPDSI_PM格点数据插值到站点，采用气候倾向率、M-K统计检验方法对3套干旱指数集进行分析。季节的划分标准为：当年的12月和下一年的1月，2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。干旱的划分标准见表1[15,20]。

表1 干旱等级划分

2 结果与分析

2.1 1961-2009年东北地区干旱指数时间变化

图1给出了1961—2009年东北地区干旱指数时间变化。可以看出各干旱指数都呈减小趋势，表明研究时段内东北地区总体表现出变干的趋势。其中SPEI_TH(图1A)的斜率为-0.016，主要的干旱时段在2000年以后。2000—2009年SPEI_TH值小于-0.5的年份有6 a，即2000年以后东北地区大多处于干旱的状态，其中2000年、2001年为中度干旱(-1.5

图11961-2009年东北地区干旱指数时间变化特征

2.2 东北地区干旱发生频率及干旱指数倾向率

附图6A-C给出了东北地区干旱发生频率的空间分布。由附图6A可知，SPEI_TH显示辽宁大部、吉林中北部和黑龙江大部是干旱发生频率的高值区，其中高值中心位于黑龙江中东部，多年平均的干旱发生频率达到40%。SPEI_PM(附图6B)显示除内蒙古的呼伦贝尔和黑龙江北部地区，在东北地区大部干旱发生频率均较高，黑龙江中部是干旱发生频率的高值中心，多年均值接近45%。scPDSI_PM给出的干旱频率空间分布与SPEI_PM接近，高值区主要位于东北地区东南部，其中黑龙江中西部是干旱发生频率的高值中心。SPEI_TH和SPEI_PM都显示东北地区大部多年平均的干旱发生频率介于28%～38%之间。scPDSI_PM对干旱频率大小的描述与SPEI_TH，SPEI_PM不同，其给出的东北大部地区干旱频率介于11%～58%之间。

图2A—C是1961—2009年各指数月值变率的空间分布。可以看出东北地区大部SPEI_TH(图2A)和scPDSI_PM(图2C)都呈显著的减小趋势，即SPEI_TH和scPDSI_PM均检测到1961—2009年东北地区显著变干的趋势。SPEI_PM(图2B)在东北地区大部也以减小为主，但只有东部和南部的一些地区通过了显著性检验，其中吉林中北部地区的SPEI_PM还表现出一些增大的趋势。

2.3 不同等级干旱发生频次年际变化

图3是不同等级干旱发生频次的年际变化。就轻旱(图3A—C)而言，SPEI_TH和SPEI_PM均显示70年代和2000年以后轻旱发生频次偏多，年均有168.4站次和185.3站次轻旱发生。scPDSI_PM给出的轻旱多发期在70年代和90年代，尤以90年代最多，年均轻旱发生频次达到170.1站次，70年代为169.4站次。

各指数均检测到2000年以后中旱(图D—F)发生频次高于其他时期，SPEI_TH，SPEI_PM和scPDSI_PM给出的2000年以后年均中旱发生频次分别为159.1，146.4，136.2站次，明显高于2000年以前的80.2，103.9，86.2站次。

SPEI_TH和scPDSI_PM的计算结果表明2000年以后重旱(图G—I)最多，而SPEI_PM显示70年代是东北地区重旱发生最集中的时期，2000年以后次之。此外，SPEI_TH描述的1961—2009年东北地区重旱频次增加最快，气候倾向率达到21.7站次/10 a，SPEI_PM和scPDSI_PM给出的气候倾向率分别为3.6站次/10 a和9.9站次/10 a。

图2东北地区干旱指数倾向率(实心标注表示通过了0.05水平的显著性检验)

可以看出，SPEI_TH和scPDSI_PM对东北地区特旱年际变化(图3J—L)的描述与重旱是基本一致的，2个指数也表明2000年以后特旱发生频次最多。此外，SPEI_TH计算的特旱频次倾向率在3个指数中仍为最大，达到10.6站次/10 a；scPDSI_PM次之，为4.4站次/10 a；SPEI_PM最小，为0.9站次/10 a。

进一步研究发现，随着2000年以后重旱和特旱频次的增加，两类干旱在不同等级干旱中所占的比重也在提高。3个干旱指数给出的2000年以前重旱和特旱发生频次占各类干旱总频次的百分比分别为17.6%，15.9%和13.6%，而2000年以后这一比例变为34.5%，18.3%和26.6%。可以看出，除SPEI_PM小幅提高外，SPEI_TH和scPDSI_PM都提高了近一倍。

2.4 不同季节干旱强度时间变化

图4给出了各指数描述的东北地区不同季节干旱强度时间变化及M-K趋势演变。从线性趋势来看，不同季节干旱强度的斜率均为负值，即1961—2009年东北地区四季干旱强度均有不同程度的加强。

就春季(图4A—C)而言，研究时段内SPEI_TH给出的干旱强度变化通过了0.05水平的显著性检验，而SPEI_PM和scPDSI_PM的干旱加强趋势不显著。对比各指数M-K趋势变化曲线可以看出，60年代初到80年代中期，3个指数的干旱强度都呈显著的加强趋势(UF<-1.96)；80年代中期到90年代末干旱强度有所减弱；2000年以后SPEI_TH的加强趋势是显著的，而SPEI_PM和scPDSI_PM的加强趋势均不明显。SPEI_TH描述的夏季、秋季和冬季干旱强度(图4D，4G，4J)变化与春季基本一致，可以看出，三个季节的干旱加强趋势也通过了显著性检验，只是气候倾向率略小于春季。SPEI_PM显示的夏季、秋季和冬季干旱强度变化(图4E，4H，4K)与春季也很类似。首先，各季节干旱强度升降变化时段是一致的；其次，夏季、秋季和冬季的干旱强度演变在研究时段内也没有通过显著性检验。scPDSI_PM检测到东北地区秋季干旱强度(图4I)加强趋势达到了0.05的显著性水平，斜率为-0.024，而夏季和冬季的干旱加强趋势均不显著。综上所述，东北地区四季干旱强度均表现出不同程度的加强，这也是2000年以后重旱和特旱在各类干旱中所占比例提高的原因。

2.5 各干旱指数集与实况的对比

为了更好地检验各指数对东北地区实际干旱状况的描述能力，特别是对重旱和特旱的检测能力，我们对各指数干旱强度空间分布与东北地区干旱实况(实况资料来自中国气象干旱图集)进行了比较。见附图7，选取2002年秋季(重旱年)和2007年秋季(特旱年)作为典型年进行对比(图中实线椭圆即为重旱和特旱落区)。

就各指数与东北地区典型重旱年的对比来看，SPEI_TH(附图7A)检测到的重旱落区与实况基本一致，即在辽宁北部、吉林西部和内蒙的通辽一带旱情较重，但对于黑龙江西部地区发生的重旱SPEI_TH没能有所体现。SPEI_PM(附图7B)明显低估了2002年秋季东北地区的干旱强度，在重旱地区SPEI_PM只表现出正常略偏干和轻度干旱的等级。相比于SPEI_TH和SPEI_PM，scPDSI_PM(附图7C)对2002年东北地区秋旱的描述要更准确。首先，scPDSI_PM对东北南部地区干旱范围和强度有更好的把握；其次，scPDSI_PM能够检测到黑龙江西部的重旱。

2007年东北地区发生了严重的秋旱，三个指数中SPEI_TH对干旱范围和强度的把握与实况最接近。SPEI_PM与scPDSI_PM同样检测到东北西部严重干旱的事实，但二者对呼伦贝尔东部、黑龙江西北部和吉林中北部的干旱程度有所低估，同时SPEI_PM高估了黑龙江中部的干旱强度。

总的来看，SPEI_TH和scPDSI_PM对典型干旱年的再现能力要好于SPEI_PM。但本文仅就季节尺度的干旱强度进行了探讨，若要检验2个指数在东北地区干旱监测、评估中是否较其他指数更具优越性，特别是能否对不同时间尺度、不同强度的干旱进行准确甄别，还需要在今后做更多的验证和比较工作。

图3不同等级干旱发生频次年际变化

图4不同季节干旱强度时间变化

3 结 论

本文应用SPEI_TH，SPEI_PM和scPDSI_PM数据集，对比分析了1961—2009年东北地区干旱时空变化、干旱发生频率、不同等级干旱发生频次和不同季节干旱强度的演变特征，并对各指数描述的东北地区典型干旱年与实况进行了比较，得出以下主要结论：

(1) 1961—2009年东北地区总体表现出变干的趋势，其中SPEI_TH显示的主要干旱时段在2000年以后，而SPEI_PM和scPDSI_PM都检测到1980年前后东北地区也处于一个较为明显的干期。

(2) 各指数对东北地区干旱频率空间分布的描述是接近的，且SPEI_TH和SPEI_PM都显示东北地区大部多年平均的干旱发生频率介于28%～38%之间。scPDSI_PM对干旱频率大小的描述与SPEI_TH，SPEI_PM不同，其给出的东北大部地区干旱频率介于11%～58%之间。从干旱指数变率来看，东北地区大部SPEI_TH和scPDSI_PM都呈显著的减小趋势，SPEI_PM在东北地区大部也以减小为主。

(3) 就轻旱而言，SPEI_TH和SPEI_PM均显示70年代和2000年以后轻旱发生频次偏多，而scPDSI_PM描述的轻旱多发期在70年代和90年代。各指数均检测到2000年以后中旱发生频次高于其他时期。SPEI_TH和scPDSI_PM的计算结果表明2000年以后重旱最多，而SPEI_PM显示70年代是东北地区重旱发生最集中的时期。SPEI_TH和scPDSI_PM对东北地区特旱年际变化的描述与重旱是基本一致的。进一步研究发现，2000年以后重旱和特旱在不同等级干旱中所占的比重明显提高。

(4) 各指数描述的1961—2009年东北地区四季干旱强度均有不同程度的加强。其中SPEI_TH给出的四季干旱强度变化均通过了0.05水平的显著性检验，而SPEI_PM描述的各季干旱加强趋势均不显著，scPDSI_PM只检测到秋季干旱强度变化是显著的。

(5) 从各指数与东北地区干旱实况的对比来看，SPEI_TH和scPDSI_PM对东北地区典型干旱年的描述能力要好于SPEI_PM。但本文仅就季节尺度的干旱强度这一个方面进行了探讨，若要检验各指数在东北地区干旱监测、评估中是否较其他指数更具优越性，还需要在今后做更多的验证和比较工作。

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