基于SPEI的華東地區近30年干旱時空特征分布研究

袁小軍 徐亞軍 王柳松 于曉光

（1.南通市測繪院有限公司，江蘇 南通 226006；2.河南省軍區數據信息室，河南 鄭州 450003；3.32023 部隊，遼寧 大連 116023 ）

1 引言

干旱是指在一定時間尺度內，由水分收支或水資源供需失衡而造成的缺水現象，通常伴有降水不足和氣溫升高現象。當前，干旱已位列全球十大自然災害之首，而未來的干旱在時長、規模、影響程度及頻率上均會遠超以往。盡管通過節能減排降低室溫氣體排放可降低風險，但低水平的變暖仍能加劇全球大部分地區的干旱程度[1]，因此，干旱研究尤為重要。

干旱研究目前運用較多的指數主要有標準化降水指數（Standardized Precipitation Index，SPI）、帕默爾干旱指數（Palmer Drought Severity Index，PDSI）、標準化降水蒸散指數（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測時效性要求；SPEI 指數在延續SPI 多時間尺度優點的前提下，綜合考慮氣溫所帶來的水分盈虧影響，滿足干旱指數準確性研究，因此成為研究重點，被廣泛應用于地區干旱檢測、氣溫要素利用、氣候變暖環境下的干旱變化趨勢預測等領域。如熊光潔[2]等運用SPEI指數研究中國西南地區在不同時間尺度下干旱的變化特征；武英嬌[3]基于SPEI 指數分析中國東部干旱變化特征及其與東亞夏季風和海表溫度的關系；高琳慧[4]基于SPEI 指數研究中國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，華東地區干旱研究需考慮溫度變化的影響，且需兼顧對不同時空干旱特征的評估?；谏鲜隹紤]，本研究采用SPEI 指數結合經驗正交函數分析法（Empirical Orthogonal Function Analysis，EOF）、REOF 等分析方法，利用華東地區30 年氣象數據，對干旱在時間和空間上的分布特征及其相關性等進行研究，揭示其變化規律，為華東地區農業生產、干旱預警等提供科學依據。

2 數據與方法

2.1 研究數據

本研究選取華東地區（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。研究區面積為79.83 萬km2，氣候類型以季風氣候為主。

研究數據來自中國氣象數據網，包括華東地區113 個氣象站點30 年的月平均降水、溫度、月最大一天日照時等數據。根據數據的完整性和氣象站點空間位置分布進行篩選，最終保留108 個站點作為研究對象。研究區及氣象站點分布如圖1 所示。

圖1 研究區及氣象站點分布

2.2SPEI 指數計算方法

（1）區域潛在蒸發量的計算

本研究使用Thornthwaite 公式[5]，采用簡單的PET計算方法，即只考慮月平均氣溫進行評估。

PET計算方法如下：

表1 SPEI干旱等級劃分標準

3 特征分析

（3）對水分盈虧累積序列進行正態化

使用三參數的對數logistic 概率分布對Di序列進行正態化，計算各數值相應的干旱指數，對數logistic 概率分布的累積函數的計算公式如下:

基于EOF、REOF 分析法，采用Matlab 語言，分別計算三種不同時間尺度下SPEI 指數。年時間尺度的分析，采用1990 ～2020 年每年第12 個月的SPEI 值作為干旱頻率和EOF 分析的基礎數據；而季節時間尺度的分析，使用每年第3、第6、第9 和第12 個月的SPEI 值分別作為對應年份春、夏、秋、冬四個季節的基礎數據。

3.1 年尺度干旱的時空變化特征

（1）年尺度干旱頻率空間分布

當SPEI 數值小于-1 時記為干旱事件。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是華東地區干旱發生頻率最低的地區，大致呈由西向東遞減的趨勢。

圖2 年尺度干旱頻率空間分布

（2）基于EOF 年尺度干旱時空變化分析

由年尺度SPEI 的EOF 分析結果（如表2 所示）可知，前三個模態的方差貢獻率為62%，這表明選取前三個模態能夠較好顯示華東地區年尺度在時間和空間上的旱澇變化趨勢。

表2 前3個EOF分析對總方差的貢獻和累計貢獻

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

圖3 年尺度SPEI的EOF前三個模態空間分布

時間系數代表了分布型式的時間變化特征。系數絕對值越大，表明這一時刻這類分布型式越典型。本研究采用年系數絕對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，第一模態的時間系數趨勢斜率大于零，在一定程度上說明北部有逐漸變旱的趨勢，而南部相反。而第二模態和第三模態趨勢斜率相反，與空間分布對應，皆表明長江中下游地區由偏旱期轉為偏澇期的變化趨勢。結合第一模態的結果分析，可以看出長江中下游整體雖呈濕潤化的趨勢，但其中西北部更趨向于干旱化的變化趨勢。

圖4 年尺度SPEI的EOF前三個模態所對應的時間系數變曲線

3.2 季尺度干旱的時空變化特征

（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數據，其中將小于-1 出現的頻率，作為該區干旱發生頻率。圖5 為華東地區四個季節干旱發生頻率的空間分布。從圖5（a）中可以明顯看出，春季頻率最低，干旱發生頻率都在6%以下。而圖5（d）的冬季干旱發生頻率是最高的，除了山東大部分地區以外，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，夏季華東地區北部干旱發生頻率更高，而秋季相反。

圖5 季尺度干旱頻率空間分布

（2）基于EOF 季尺度干旱時空變化分析

基于季尺度SPEI 指數進行EOF 分析，得到四個季節第一模態和時間系數，從表3 可以看到，四季第一模態的方差貢獻率都較高，具有良好的代表性，因此這里使用四季的第一模態對華東地區四個季節的旱澇變化趨勢進行分析。

表3 四個季節EOF分析第一模態對總方差的貢獻率

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

圖6 季尺度SPEI的EOF第一模態空間分布

圖7 季尺度SPEI的EOF第一模態所對應的時間系數變化曲線

3.3 干旱危險性空間分析

（1）年尺度干旱危險性分析

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

圖8 年尺度干旱危險性空間分布

（2）季尺度干旱危險性分析

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

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

圖9 季尺度干旱危險性空間分布

4 結論

本文利用華東地區108 個氣象站點，1990 ～2020年近30 年的月平均降水、溫度、月最大一天日照時數數據，基于標準化降水蒸散指數（SPEI）評估研究區干旱狀況，采用K-S 檢驗SPEI 指數的可靠性，并通過經驗正交函數分解（EOF）和干旱危險性分析等統計分析方法，探討了該區域不同時間尺度的干旱時空變化特征，對具有特殊旱澇特征的地區進行了劃分，得到了以下主要結論：

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

通過EOF 對華東地區30 年旱澇變化趨勢的分析得出： 華東地區北部地區呈干旱化趨勢，而南部相反。從季節的角度來看，華東地區整體春季有偏旱的趨勢，冬季有偏澇的趨勢；夏季和秋季以2005 年為節點，北部有由偏澇到偏旱的趨勢，南部則由偏旱至偏澇。

對華東地區30 年干旱SPEI 指數結合干旱強度和頻率，即結合干旱危險性進一步分析得出：華東地區以長江中下游為過渡帶，呈北高南低的分布，由此得出北方干旱強度高于南方的結論。從季節角度來看，華東地區春季干旱強度整體較低，而秋季為一年中干旱強度最高的季節。