“一带一路”区域近57 a干旱事件及其人口暴露度特征

周舟 王艳君 黄金龙 吕嫣冉 姜彤，2

(1 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同中心/地理科学学院/灾害风险管理研究院，南京 210044；2 中国科学院新疆生态与地理研究所/荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 830011)

引 言

IPCC第五次评估报告特别指出，如果温室效应以现有速度增强，全球气温可能会在2030—2052年间相较于工业化前上升1.5 ℃。且气候变暖加速地球水循环，使干旱等极端气候事件增多[1-2]。平均每年因干旱造成的经济损失约142.19亿美元，未来可能导致更大的经济损失[3]。因此研究干旱及其社会经济影响有助于提高干旱风险管理能力，这也是应对气候变化中最为现实和紧迫的任务。

国内外学者对干旱演变特征、干旱成因以及干旱指标评估等方面开展了大量研究[4-7]。近年来，对干旱事件演变及其社会经济影响的研究逐渐得到加强，对干旱事件的识别也从单一站点气候要素的分析[8]发展为综合了考虑干旱持续时间与影响范围[9-11]，其中以改进的 ZHAI，et al[11]提出的结合极端事件强度、影响面积、持续时间三维特征的IAD(Intensity-Area-Duration)辨识方法在灾害事件识别中应用最为广泛[11-13]，如SU，et al[13]利用IAD方法科学评估了中国干旱事件在全球升温1.5 ℃和2.0 ℃情景下的经济损失变化。

“一带一路”是中国国家主席习近平在2013年提出有关建设“新丝绸之路经济带”与“21世纪海上丝绸之路”的倡议。“一带一路”区域气候变化敏感，气象灾害频发，抗灾能力弱，近年来发生了越来越严重的气候极端事件[14-15]。据统计，1900—2015年“一带一路”区域因干旱导致的死亡人数高达966.34 万，占总死亡人数的37.22%，其中96.6%的死亡人数发生在1970年[16]。目前，对于“一带一路”区域，大多聚焦经济、政治等战略格局研究，而对极端气候事件的研究集中在利用灾情数据描述自然灾害的分布特征以及灾害风险与防范对策上[17-18]，较少开展干旱等极端事件及其影响的定量研究。

本文选用东英吉利大学(Climatic Research Unit， CRU)逐月降水和潜在蒸散发数据，以标准化降水蒸散指数(Standardize Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)作为干旱指标，对1960—2016年“一带一路”区域的干旱时空变化特征进行分析，采用改进的强度—面积—持续时间(IAD)方法识别干旱事件，研究干旱事件演变特征及其对人口的影响，以期为区域的防灾减灾措施制定和区域水资源管理提供科学依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

“一带一路”区域涉及包括含中国在内的亚洲44个国家、欧洲20个国家、非洲1个国家，共计65国，是世界上最长的经济走廊，覆盖全球近1/3的国内生产总值[19]。区域内自然环境复杂多样，跨8种不同气候类型，季风和大陆性气候典型，水资源分布严重不均，是全球干旱灾害最频繁、损失最严重的地区之一。2016年区域总人口约占全球人口总数的62%，区域平均人口密度约81.08人/km2(图1)，其中东亚、南亚等地区人口密集，而中东欧、中亚等地区人口稀疏。

图1 2016年“一带一路”区域人口密度空间分布Fig.1 Spatial distribution of population density in the Belt andRoad region in 2016

1.2 研究数据

本文所用降水和潜在蒸散发数据来自英国东英吉利大学CRU的全球逐月格点数据集(CRU TS v4.01)，其中潜在蒸散发数据采用Penman-Montith方法计算；该数据通过严格的均一性检验、无缺测，空间分辨率为0.5°×0.5°。研究所用数据时段为1960年1月—2016年12月。

“一带一路”区域人口数据是根据1960—2016年世界银行逐年的总人口数据，参照哥伦比亚大学国际地球科学信息网所提供的第四版世界网格化人口(GPW v4)数据，利用面积权重模型方法[20-21]插值为空间分辨率为0.5°×0.5°的格点数据。

1.3 研究方法

1.3.1 SPEI指数

干旱指数在干旱评估中应用广泛，目前常使用的干旱指数有Palmer干旱指数(Palmer Drought Severity Index，PDSI)、标准化降水指数(Standardized Precipitation Index，SPI)、标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)等。其中，SPEI指数既考虑了PDSI[22-23]所关注的蒸散发对干旱的作用及对于温度敏感的特点，又兼具了SPI[24]空间一致性、多时间尺度的特点，在中国西南地区、东北地区、华中地区等[25-27]都得到了很好的应用。因此，本文采用SPEI指数，由月降水与月潜在蒸散发的差额序列标准化处理得到月尺度的 SPEI 指数，年降水与年潜在蒸散发的差值序列，即得到年尺度的SPEI指数。具体的计算过程参见文献[28—29]，对干旱等级的划分(表1)参照了相关文献[25—27]。

表1 标准化降水蒸散指数干旱强度等级划分Table 1 Classification of drought intensity by SPEI

1.3.2 强度—面积—持续时间(IAD)方法

强度—面积—持续时间(IAD)方法可用来辨识干旱事件，其中I为干旱事件强度，A为干旱事件的影响面积，即达到阈值(SPEI≤-1)的所有格点所覆盖的面积，D为干旱事件的持续时间，即连续不间断发生干旱的时间跨度。IAD方法可以将干旱事件的强度、面积和持续时间三者联立起来，讨论不同持续时间区域干旱事件强度—面积的变化，进一步分析干旱事件时空特征[11-13]。传统IAD方法仅能识别给定时间尺度的干旱事件，对迁移的干旱事件不能有效识别，并且会将连续时间尺度非连续面积的干旱事件自动判别为新事件，最终造成事件次数的重复计算。本文采用改进的IAD方法，在识别任意持续时间的干旱事件和迁移的干旱事件上有较大提升。

改进的IAD方法对干旱事件的识别首先从某年某月研究区内干旱中心(即月干旱强度最大的格点)开始，逐步移动聚类识别其相邻满足阈值(SPEI≤-1)条件的格点，然后通过设定月尺度的干旱中心重叠面积阈值判断是否属于同一事件。Sheffield，et al[30]和Lloyd-Hughes，et al[31]的研究表明，干旱中心重叠面积阈值对干旱事件识别具有敏感性，他们均认为在全球与欧洲尺度上，50×104km2是一个较为合适的阈值。考虑到本文的研究范围跨洲际尺度，故设定重叠面积阈值为50×104km2，以此判断事件在时间上的连续性，直到将所有满足条件的格点找到集合形成一次干旱事件。本文设定5类持续时间的干旱事件，即持续时间1～2、3～5、6～8、9～11和大于等于12 mon的干旱事件。干旱事件频次为事件发生的次数，最强中心强度为事件影响范围内所有格点最大值，影响面积为事件影响的所有格点面积。

1.3.3 M-K趋势检验

Mann-Kendall趋势检验是基于秩的非参数显著性检验方法，本文中，M-K检验主要用于分析“一带一路”区域年和月的干旱变化趋势。统计检验显著性水平α取0.05，则|Zα|=1.96，|Z|>|Zα|为通过检验且变化趋势显著，Z>1.96 为显著增加，0

1.3.4 人口暴露度

人口暴露度是指“一带一路”区域内暴露在干旱事件影响下的人口数量，即干旱事件影响范围内所有格点对应的人口数量。本文基于改进的IAD方法识别出1960—2016年所有干旱事件的影响面积，并叠加相应时期的人口格点数据，分析干旱事件的人口暴露度特征。

2 结果与分析

2.1 干旱指数特征

采用SPEI干旱指数作为干旱指标，对1960—2016年“一带一路”区域的干旱时空变化特征进行分析。

2.1.1 时间特征

1960—2016年“一带一路”区域平均SPEI指数结果显示：近57 a来SPEI指数以0.16/(10 a)的速度降低，研究区域总体呈现变干趋势，M-K趋势统计结果为-1.67，表明在年尺度上区域变干趋势不显著。从SPEI指数5 a滑动平均曲线来看，1992年之前“一带一路”区域SPEI指数持续下降，且在1960—1992年期间共有8 a发生干旱，其中5 a为中度干旱、2 a为重度干旱、1 a为极端干旱；最严重的干旱发生在1972年，SPEI指数达-2.02。1992年之后SPEI指数呈波动上升，说明整个区域干旱程度有所缓解，期间共有7 a发生干旱，包括4 a中度干旱、2 a重度干旱和1 a极端干旱；最严重的干旱发生在2014年，SPEI指数达-2.24，2015年亦发生了严重干旱，SPEI干旱指数达-1.82(图2)。据记载，1972年干旱肆虐亚洲多国，中国受旱面积超过4.5×108km2；2015年印度3.3亿人受到干旱影响，越南则遭受了近一个世纪以来最严重的旱灾，而中国的内蒙古自治区、辽宁、吉林等省份也遭受了不同程度的干旱，这与本文基于SPEI指数识别出的“一带一路”区域干旱事件及严重程度具有很好的一致性。

图2 1960—2016年“一带一路”区域SPEI干旱指数年变化Fig.2 Annual variation of SPEI in the Belt and Road region(1960-2016)

2.1.2 空间特征

1960—2016年“一带一路”区域干旱指数的M-K趋势检验结果表明：整体来看，SPEI干旱指数呈现不明显的变化趋势，呈显著变化趋势的区域零散斑块状分布，但显著干旱区域明显大于显著湿润，在空间上集中分布在12°～40°N 的中低纬度地区，包括中东欧(乌克兰、匈牙利等)、中亚(乌兹别克斯坦、土库曼斯坦等)、西亚(埃及、沙特阿拉伯、伊朗等)和东亚(蒙古、中国西北部)等地区，还有少部分零星分散在俄罗斯北部。

图3 “一带一路”区域年SPEI干旱指数M-K趋势空间分布Fig.3 Spatial distribution of M-K trends of annual SPEIin the Belt and Road region

2.2 干旱事件特征

采用改进的IAD方法辨识了持续时间为1～2、3～5、6～8、9～11和大于12 mon的5类干旱事件，并对不同干旱事件的发生频次、影响面积和事件最强中心强度变化特征进行了分析。

2.2.1 频次

“一带一路”区域不同持续时间干旱事件频次的变化如图4所示。1960—2016年研究区域共发生干旱事件5 072次，平均每年约发生89次。其中，以持续时间1～2和3～5 mon的干旱事件为主，两类事件每年分别约发生73和13 次，占干旱事件总数的96.19%；持续时间6～8 mon的干旱事件发生频次较少，每年约发生3次；长期干旱事件(大于9 mon)发生次数最少，其中持续时间大于等于12个月的事件仅在1970、1974、1986、1997和2012年中发生。

图4 “一带一路”区域不同持续时间的干旱事件频次变化Fig.4 Frequency changes of drought events with different durations in the Belt and Road region

从年代际变化来看，1990s之前干旱事件发生较频繁，多年平均干旱事件频次为91次，尤其是1970s中后期到1990s初，干旱事件发生频次最高的年份均集中在此期间，分别是1980年(121次)、1976年(110次)、1991年(109次)、1985年(107次)和1994年(103次)；2000s以后，干旱事件频次略有下降，多年平均干旱事件频次为83次。

从干旱事件频次的多年变化趋势上看，干旱事件总频次呈下降趋势，1960—2016年减少了约15.15%。这主要由于占干旱频次比重最大的持续时间1—2个月的干旱事件显著减少所致，其57 a以2.55次/(10 a)的速度减少。但持续时间3～5和6～8 mon的干旱事件呈微弱增多趋势，分别以0.11次/(10 a)和0.22次/(10 a)的速度增加。

2.2.2 影响面积

图5 “一带一路”区域不同持续时间的干旱事件影响面积变化Fig.5 Changes of areas affected by drought events with different durations in the Belt and Road region

不同持续时间干旱事件影响面积变化如图5所示。1960—2016年“一带一路”区域干旱事件平均每年约影响0.92×108km2，其中2009年影响面积最大，约1.19×108km2。据史料记载，2009年中国东北、华北西南部、西北地区东部和黄淮地区、华南大部和云南遭遇了严重干旱，中东和中亚也遭受着严重干旱，粮食产量降至几十年来的最低水平[32]。1960—2016年“一带一路”区域以持续时间3～5个月的干旱事件影响面积最大，为0.41×108km2，约占总影响面积的44.8%；持续时间1～2个月、6～8个月次之，分别为0.23×108km2、0.20×108km2，约占总影响面积的24.9%和22.3%。

从影响面积的变化趋势上看，所有干旱事件的影响总面积呈增多趋势。2000s之前，影响面积变化较为平稳，没有明显趋势，2000s之后，影响面积明显增大，增长幅度为13.4%，这主要由于持续时间3～5和6～8 mon的干旱事件影响面积增加，分别以1.12×106km2/(10 a)和3.72×106km2/(10 a)的速度增多，但持续时间1～2个月的干旱事件影响面积呈减少趋势，下降速率为1.35×106km2/(10 a)。

图6 “一带一路”区域不同持续时间干旱事件最强中心强度变化Fig.6 Changes of the strongest intensity of drought events center with different durations in the Belt and Road region

2.2.3 最强中心强度

“一带一路”区域干旱事件的最强中心强度变化如图6所示。1960—2016年不同持续时间的干旱事件最强中心强度的多年均值均小于-2.0，达到极端干旱强度，大致表现为持续时间越长，事件最强中心强度越大，强度的离散程度也越大，表明持续时间越长的干旱事件其强度也越强。近57 a来，不同持续时间的干旱事件强度均呈现增强趋势，除持续12 mon以上的干旱事件外(发生次数太少)，持续时间越长的干旱事件，其强度增强的趋势也越明显。整个时段上看，在1970s和1990s中期以后，是干旱事件强度较强的时期。

相较于传统的IAD方法，本文使用改进的IAD方法可有效去除重复识别的干旱事件和辨识干旱事件的迁移过程。使用传统的IAD方法识别出“一带一路”区域1960—2016年共发生约7 326次干旱事件，较改进的IAD方法识别出的事件多44.4%。同时分别用两种IAD方法识别2009年发生在中国西南地区的干旱事件，改进的IAD方法显示，该事件始于2009年7月，持续到2010年3月，持续时间为9个月，且该事件开始于贵州遵义，8月迁移到广西河池，9、10月转移到西藏阿里，11月迁至西藏山南，12月移至新疆和田，2010年1月迁移到云南楚雄，2月移至云南曲靖，3月又迁至贵州安顺，该事件总体呈现一个先向西、再向南迁移的过程，事件过程与相关文献记载基本一致[33-34]；传统IAD方法，虽然也能辨识出该次干旱事件，且干旱事件的影响面积与改进后的IAD方法识别出的影响面积基本一致，但该事件却分别被识别为持续时间1、3、2和3 mon的4次独立的干旱事件。

2.3 干旱事件的人口暴露度分析

统计每次干旱事件影响面积内的人口数量，即可得到干旱事件的人口暴露度。从干旱事件的影响面积分析可知，持续1～2、3～5和6～8 mon的干旱事件影响面积约占总影响面积的92.1%，持续时间大于9 mon的干旱事件影响面积小，且在发生时间上不连续，因此，本文重点讨论持续时间小于等于8 mon的干旱事件对人口数量的影响。

1960—2016年“一带一路”区域多年平均人口暴露度为5.43亿人。其中持续1～2、3～5和6～8 mon的干旱事件多年平均暴露人口分别为1.46亿、2.21亿和1.76亿人，以持续3～5 mon的干旱事件影响人口最多，占总暴露人口的40%。从人口暴露度的变化趋势来看，近57 a来区域不同持续时间的干旱事件人口暴露度均呈显著增加趋势(通过α=0.01的置信水平)，其中持续3～5 mon的干旱事件暴露人口上升趋势最为明显，增长速度为0.15亿人/(10 a)。整个时段人口暴露度的变化可分为3个阶段：(1)1984年前，人口暴露度变化比较平稳且暴露人口较少，年平均人口暴露度为3.73亿人，较多年平均人口暴露度低31%；(2)1985—1999年间，年均人口暴露度较多年均值略高，达到5.47亿人，期间1985和2000年出现两次明显的人口暴露度增加；(3)2000年之后，人口暴露度再次明显增加，达到年均人口暴露度7.88亿人，较多年均值高出45%(图7)。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文基于CRU逐月降水与潜在蒸散发数据，以SPEI干旱指数作为干旱指标，讨论1960—2016年“一带一路”区域干旱事件时空特征及其人口暴露度的变化特征。主要结论如下：

图7 “一带一路”区域不同持续时间干旱事件的人口暴露度变化Fig.7 Changes of population exposure to drought events with different durations in the Belt and Road region

(1)1960—2016年“一带一路”区域呈变干趋势，主要源于潜在蒸散发的显著增加，但1992年以后区域降水有明显增多，干旱有所缓解。干旱显著增强的区域集中分布在12°～40°N中低纬度地区，包括乌克兰、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、埃及、沙特阿拉伯、伊朗、蒙古、中国西北部等。

(2)近57 a，“一带一路”区域发生干旱事件5 072次，年均发生89次，其中以持续1～2 mon的干旱事件频次最高，占总事件频次的82%，由于此类事件频次的显著下降，区域干旱事件总频次也显著减少。

(3)干旱事件年均影响总面积约0.92×108km2，以持续3～5 mon的干旱事件影响面积最多，约占年均总影响面积的44.8%。总影响面积在2000年以后明显增大。

(4)不同持续时间的干旱事件最强中心强度均达到极端干旱强度，持续时间长的干旱事件其极端性也强，强度的增强趋势也越明显。

(5)干旱事件人口暴露度多年均值约5.43亿人，以持续3～5 mon的干旱事件影响人口最多，占总暴露人口的40%。不同持续时间的干旱事件人口暴露度均呈现显著增加的趋势(通过α=0.01的置信水平)，且2000年之后，人口暴露度明显增加，年均人口暴露度达7.88亿人，较多年均值高出45%。

3.2 讨论

1960—2016年“一带一路”区域总体呈现变干趋势，潜在蒸散发的显著增加是区域变干的主要原因。但1992年以来的降水明显增大减缓了干旱趋势，这一结论与不同区域的干旱变化研究结果一致[35-37]。研究区显著干旱的区域集中分布在12°～40°N 的中低纬度地区，包括中东欧(乌克兰、匈牙利等)、中亚(乌兹别克斯坦、土库曼斯坦等)、西亚(埃及、沙特阿拉伯等)、东亚(蒙古、中国西北部)等地区，这与王飞等[18]对“一带一路”近百年尺度的干旱化研究结果较为相似。

“一带一路”区域近57 a来以持续1～2 mon的干旱事件为主，占事件发生总数的82%，但影响面积则以持续3～5 mon事件为主，占总影响面积的44.8%，这主要因为持续3～5 mon的干旱事件单次影响面积是1～2 mon事件的10倍。此外，区域内干旱事件总频次虽呈减少趋势，但持续3～5和6～8 mon事件的频次在增加，且其影响面积显著增长，导致干旱事件的总影响面积呈现增长趋势，可见，“一带一路”区域应加强对持续3～5和6～8 mon干旱事件的重视。

干旱事件的人口暴露度既与事件影响面积有关，也与事件影响范围内的人口密度联系。“一带一路”区域近57 a来的人口持续增多，从1960年约18.7亿人增长至2016年约46.2亿人，人口年均增长率约为2.6%，加之干旱事件的影响面积呈增多趋势，受人口增长和干旱事件影响面积增加的共同作用，区域干旱事件的人口暴露度也呈现出2000年后的显著增加特征，较多年均值高45%。

由于“一带一路”区域范围较大，本文对干旱事件及其人口暴露度的研究未进行分区探讨，对不同区域的差异性特征有待深入；同时，本文仅选择考虑降水和蒸发要素的SPEI干旱指数作为干旱指标，对干旱事件的评估存在一定的不确定性，今后可采用多干旱指标的方法降低干旱结果的不确定性；未来气候持续变暖，进一步探讨气候和社会经济变化条件下区域的干旱事件风险，可更好地为“一带一路”战略的顺利推进规避风险。