周 蕾， 遲永剛， 李 悅

(1.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101)

干旱被認(rèn)為是最嚴(yán)重和頻發(fā)程度較高的自然災(zāi)害之一，它影響全球各地的農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等[1-2].識別干旱事件發(fā)生的頻率和程度有助于準(zhǔn)確評估我國未來氣候變化條件下陸地水文條件.迄今為止已經(jīng)發(fā)展了很多干旱指數(shù)來表征干旱事件，包括標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI[3](standardized precipitation index)、帕爾默干旱嚴(yán)重性指數(shù)PDSI[4](palmer drought severity index)、降水異常指數(shù)RAI[5](rainfall anomaly index)、農(nóng)作物水分指數(shù)CMI[6](crop moisture index)、地表水份供應(yīng)指數(shù)SWSI[7](surface water supply index)等.SPI依賴于大范圍的實(shí)測降水資料，從概率上描述所需時(shí)間尺度上的降水短缺，是普適性和實(shí)用性最優(yōu)的干旱指數(shù)之一.SPI相對于其他指數(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)：相對簡單、空間統(tǒng)一且時(shí)間靈活，可以在不同尺度上監(jiān)測水分虧缺[8].但該指數(shù)僅僅考慮降水因素，忽略了其他相關(guān)因子(溫度、土壤、植被等)對干旱的影響[9].PDSI采用兩層模型來計(jì)算土壤濕度，是許多干旱影響研究中表征干旱事件的重要指標(biāo).PDSI的優(yōu)勢在于考慮了溫度和土壤性質(zhì)，可以評價(jià)長時(shí)間尺度的干旱事件，并且利于不同區(qū)域的比較.但是PDSI的潛在蒸散通常采用基于溫度的經(jīng)驗(yàn)性thornthwaite模型來估算[10]，可能高估了區(qū)域及全球的干旱趨勢[11].隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，表征植被地表時(shí)空連續(xù)信息的生物物理變量[12]也被用來創(chuàng)建干旱指數(shù)[13]，例如干旱嚴(yán)重性指數(shù)DSI(drought severity index)[10].因此，比較多種干旱指數(shù)來遴選適宜的指數(shù),有助于準(zhǔn)確評估我國干旱狀況，減少不確定性.

我國位于季風(fēng)氣候區(qū)，溫度和降水變異都異常顯著，易受到干旱的影響[14].在2001—2010年這10年中，2003年華北干旱、2009/2010年西南大旱、2010年北方8省冬季干旱災(zāi)害都對社會和經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的影響.以往研究中，通常采用SPI和PDSI等基于降水或者土壤水的多個傳統(tǒng)干旱指數(shù)或者單一遙感指數(shù)來評估我國干旱狀態(tài)[15-18]，缺少傳統(tǒng)干旱指數(shù)與遙感干旱指數(shù)的對比研究.因此，本研究采用3種干旱指數(shù)(僅基于降水?dāng)?shù)據(jù)的SPI、基于兩層土壤模型的PDSI及基于遙感信息的DSI)來比較傳統(tǒng)指數(shù)與基于遙感信息指數(shù)的差異，進(jìn)而表征2001—2010年我國干旱事件的范圍、程度及變化趨勢.

1 材料與方法

1.1 干旱指數(shù)估算方法

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI利用中國氣象資料共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)提供的全國1970—2010年逐月降水觀測資料來估算.目前全國常規(guī)氣象臺站共有700多個，為了保證資料的完整性，剔除了缺測數(shù)據(jù)的站，選用了其中581個40年來的逐月的氣象觀測資料.SPI僅基于降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行估算，因此，降水時(shí)間資料的長短對結(jié)果有一定的影響.研究表明,30年以上的降水資料用來計(jì)算SPI比較準(zhǔn)確[19].

SPI采用伽馬分布的概率函數(shù)來描述降水量的變化，將偏態(tài)概率分析的降水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終采用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分析來劃分干旱等級[3].SPI的時(shí)間尺度非常靈活，包括3個月、6個月、12個月等多個時(shí)間尺度，表征某一個時(shí)間尺度的濕潤和干旱狀況[20].因此，本研究利用全國1970—2010年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)來計(jì)算3個尺度的SPI，即：3個月的SPI(3)、6個月的SPI(6)和12個月的SPI(12)，然后提取2001—2010年的SPI進(jìn)行干旱狀況的分析.按照《氣象干旱等級GB/T 20481—2006》的分級標(biāo)準(zhǔn),SPI分為特旱(SPI≤-2.0)、重旱(-2.0-0.5).

1.1.2 帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)

帕爾默干旱嚴(yán)重性指數(shù)PDSI整合降水、濕度供給及濕度需求(基于蒸散)到水文計(jì)量系統(tǒng)中，采用兩層模型來計(jì)算土壤濕度，建立一定的假設(shè)并從不同層間水分的相互轉(zhuǎn)化[4].PDSI數(shù)據(jù)集來自于美國蒙大拿大學(xué)NTSG(the numerical terradynamic simulation group)計(jì)算的全球PDSI數(shù)據(jù)集(ftp://ftp.ntsg.umt.edu/pub/NPP_Science_2010/PDSI/)[21]，空間分辨率為0.5°，時(shí)間分辨率是月.原始數(shù)據(jù)集提供了1979年以來的全球PDSI，在本研究中僅僅使用了2001—2010年的PDSI來降低初始狀態(tài)的不確定性.PDSI的范圍是-6.0～6.0，正值代表濕潤，負(fù)值代表干燥.通常情況下，-1.0

1.1.3 干旱嚴(yán)重性指數(shù) (DSI)

干旱嚴(yán)重性指數(shù)DSI是結(jié)合蒸散(evaportranspiration，ET)、潛在蒸散(potential evapotranspiration,PET)及NDVI(normalized difference vegetation index)遙感產(chǎn)品用于監(jiān)測全球尺度的干旱事件[10]，輸入數(shù)據(jù)包括MOD16 ET/PET產(chǎn)品[22-23]和MOD13 NDVI產(chǎn)品[24].全球DSI數(shù)據(jù)集能較好地捕捉過去10年全球主要地區(qū)的嚴(yán)重干旱事件(ftp://ftp.ntsg.umt.edu/pub/MODIS/Mirror/DSI).本研究從全球DSI數(shù)據(jù)集(空間分辨率0.05°，時(shí)間尺度8 d)中提取中國2001—2010年干旱指數(shù)，用于研究中國10年干旱的時(shí)空變異.DSI估算首先用ET/PET和NDVI的產(chǎn)品計(jì)算各自的標(biāo)準(zhǔn)化值(standardized values)，然后兩者的標(biāo)準(zhǔn)化值相加再標(biāo)準(zhǔn)化得到DSI[10,25].DSI干旱劃分類型參照了PDSI的劃分，只是DSI范圍更加小，特旱、重旱、中旱分別為≤-1.5;-1.49～-1.20;-1.19～-0.90[10].

1.2 干旱時(shí)空分布分析

由于中國氣候條件多樣，地形復(fù)雜，因此,把中國劃分為9個區(qū)域[26-27]，分別用R1表示內(nèi)蒙古、R2表示中國西北部、R3表示青藏高原、R4表示中國西南部、R5表示中國中部、R6表示中國東北部、R7表示中國北部、R8表示中國東南部及R9表示中國南部，其中臺灣島歸入R8，海南島歸入R9.分別計(jì)算了3種干旱指數(shù)在2001—2010每年年均值的空間分布，同樣按照上述的分區(qū)圖，得到每個區(qū)域內(nèi)的3種干旱指數(shù)的每年年均值.在每個區(qū)域內(nèi)，每種干旱指數(shù)按照各自干旱等級計(jì)算該區(qū)域內(nèi)各種干旱等級的像元(PDSI,DSI)或者站點(diǎn)(SPI(12))的百分比，分析各個地區(qū)干旱的面積和程度的變化趨勢.

2 結(jié)果分析

2.1 2001—2010年中國干旱狀況

2001—2010年3種干旱指數(shù)(SPI，PDSI和DSI)全國平均值的年際變異如圖1所示.

利用線性回歸的趨勢分析表明,3類干旱指數(shù)的時(shí)序變化都不顯著(P>0.05).3類干旱指數(shù)在時(shí)間變異上相對一致，其中PDSI與SPI和DSI的Pearson相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.66(P<0.000 1)和0.50(P<0.000 1)，這可能是因?yàn)镻DSI與SPI都有降水作為輸入變量，故相關(guān)性高；而DSI更多地考慮了植被指數(shù)的變異，相關(guān)性略低.

不同時(shí)間尺度的SPI可以用于監(jiān)測不同程度的旱澇，多種時(shí)間尺度的SPI綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對不同地區(qū)干旱程度的綜合.研究表明，較短的時(shí)間尺度(3個月)對于每次降水的變化都顯著，SPI時(shí)間序列正負(fù)波動大，旱澇頻率變化快，反映出短期的旱澇變化特征；較長時(shí)間尺度的SPI(6個月和12個月)只有在持續(xù)多次降水時(shí)才會發(fā)生波動，旱澇出現(xiàn)的頻率減小，周期更加明顯，每次持續(xù)的時(shí)間相對增加，反映出長期旱澇趨勢特征(見圖 1(a)).PDSI變異范圍相對于其他2種干旱指數(shù)來說變異范圍最大，干旱事件發(fā)生的頻率較小，就全國平均值來講,2001和2009年干旱程度最高(見圖 1(b)).DSI由于時(shí)間分辨率較高，是3種干旱指數(shù)中波動頻率最大的一種，表明該干旱指數(shù)對于干旱事件的發(fā)生較為敏感(見圖 1(c)).3種干旱指數(shù)綜合表明，2001年、2006年和2009年相比于其他年份都呈現(xiàn)干旱狀態(tài).2009—2010年西南干旱主要是因?yàn)闃O強(qiáng)的北極濤動伴隨著較弱的中東急流、阿拉伯海氣旋異常、青藏高原附近的反氣旋異常導(dǎo)致這個地區(qū)水分輸入的減少；而貝加爾湖的氣旋異常改變了東亞大槽，使得干冷空氣覆蓋整個西南地區(qū)[28].

圖1 2001—2010年中國干旱指數(shù)全國均值

2.2 2001—2010年中國分區(qū)域干旱狀況

由SPI(12)多年均值可以看出，中國陸地59%的氣象站點(diǎn)的SPI多年年均值為負(fù)值(見圖2).由于中國各地干旱發(fā)生的不均質(zhì)性，因此，SPI多年均值都集中在-1和1之間.區(qū)域SPI站點(diǎn)百分比的年際波動反映了該區(qū)域在2001—2010年干旱范圍和程度是否在加重、減弱或者保持不變：R6紅色部分(相對干旱)逐漸下降、藍(lán)色部分(相對濕潤)逐漸增加，特別是2001—2006年,中旱程度(SPI<-1.0)比例有顯著下降趨勢(R2=0.891,P<0.005)，表征干旱化程度在減弱；R4雖然地處濕潤地區(qū)，但是在2001—2010年負(fù)值的SPI所占的比例在增加，而正值的SPI所占的比例相對下降，特別是2001—2006年中旱(SPI≤-1.0)比例有顯著增加趨勢(R2=0.649,P=0.053)，因此，西南地區(qū)干旱化程度加大，特別在2009—2010年出現(xiàn)了極端干旱；R5從2002和2003年的濕潤轉(zhuǎn)向2004—2010年7年的相對干旱；R9的SPI負(fù)值在這10年間的中期所占比例較大，2009和2010年恢復(fù)到正常水平；R8除了2004年干旱比例較大外，總體來講干旱程度也在不斷加重；其他區(qū)域并沒有明顯的變化趨勢.

PDSI多年年均值空間變異存在著較大非均質(zhì)性(見圖3).整體而言，中國東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東北部地區(qū)PDSI多年年均值遠(yuǎn)低于其他地區(qū)；而青藏高原西北地區(qū)干旱程度相對較輕.區(qū)域PDSI像元百分比年際變異規(guī)律如下：R4,R8及R2在2001—2010年干旱程度都在加深，特別是中國西南地區(qū)在2001—2006年呈現(xiàn)顯著干旱化(PDSI≤-1.0)趨勢(R2=0.660,P=0.049)；R1,R6,R7干旱程度在逐漸減弱.總體而言，PDSI指示區(qū)域干旱化程度與SPI相對一致.

DSI多年年均值的空間分布在中國東北部與上述2個干旱指數(shù)多年均值相似，但是DSI在中國西南部表現(xiàn)為相對低值(見圖4).區(qū)域DSI像元百分比年際變化規(guī)律如下：R4DSI負(fù)值所占的面積在研究時(shí)段內(nèi)不斷增加，特別在2004到2010年，DIS≤1.0的范圍在顯著增加(R2=0.614,P=0.037)；R5干旱的范圍和程度都在不斷加大；R8在2001—2010年都呈現(xiàn)干旱化的趨勢；R6,R7干旱化趨勢減弱，尤其是中國北部DSI正值所在的面積在研究時(shí)段內(nèi)逐年增加；相比于上述2個干旱指數(shù)，中國的內(nèi)蒙古地區(qū)的DSI像元百分比的變化趨勢不明顯(P>0.05).

圖2 中國9個區(qū)域SPI氣象站點(diǎn)百分比的年際變異(中間地圖代表2001—2010年的年均SPI空間分布;負(fù)值代表干旱，正值代表濕潤)

圖3 中國9個區(qū)域PDSI像元百分比的年際變異(中間地圖代表2001—2010年的年均PDSI空間分布;負(fù)值代表干旱，正值代表濕潤)

圖4 中國9個區(qū)域DSI像元百分比的年際變異(中間地圖代表2001—2010年的年均DSI空間分布;負(fù)值代表干旱，正值代表濕潤)

3 討 論

雖然3類干旱指數(shù)計(jì)算所需要的輸入?yún)?shù)各有不同，但是三者在指示中國干旱程度卻相對一致.從空間分布上看，3類干旱指數(shù)在東北地區(qū)都呈現(xiàn)較多的負(fù)值(圖2～圖4)；而從時(shí)間變異上而言，東北地區(qū)和北方地區(qū)雖然地處歷史上的干旱、半干旱地區(qū)，但是在2001—2010年,3類干旱指數(shù)所呈現(xiàn)的干旱面積有所下降，干旱趨勢有所減弱；而隸屬于濕潤地區(qū)的南方地區(qū)卻呈現(xiàn)干旱化加重的趨勢.2001—2010年是過去30年內(nèi)降水最少的10年，因此，雖然干旱程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20世紀(jì)八九十年代，但是在那10年內(nèi),北方干旱化趨勢在逐年減弱.有研究表明,過去20年，內(nèi)蒙古地區(qū)和西北部地區(qū)極端干旱趨勢減弱的原因是由于降水的增加[27].同時(shí)很多研究表明，在那10年內(nèi)，中國濕潤的南方地區(qū)干旱頻率增加[27,29].

3類干旱指數(shù)在各個地區(qū)指示干旱狀況有所差異.R1,R2和R6這3個地區(qū)3種干旱指數(shù)無論在干旱的面積和程度上都相對一致.R3,R4,R5,R8這4個地區(qū)3類干旱指數(shù)雖然干濕比例的變化趨勢一致，但是PDSI相比其他2個干旱指數(shù)指示的干旱程度明顯要小，面積較小，這可能歸因于PDSI來源于全球數(shù)據(jù)，沒有對這個指數(shù)的持續(xù)因子和氣候權(quán)重因子用中國的站點(diǎn)進(jìn)行修正[30].而在R7內(nèi)，2001年DSI的值明顯低于其他年份，極端干旱面積占了整個地區(qū)的一半左右，雖然整個地區(qū)以華北平原的農(nóng)田生態(tài)系為主，有人為灌溉的措施，但是干旱程度超過了植被所能承受的能力.R9的SPI和PDSI二者比較一致，而DSI在2008年明顯下降，指示該地區(qū)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的干旱事件.由此可見，DSI綜合考慮了水分及植被狀況的變異，相對于僅考慮水分的SPI和基于土壤模型的PDSI來說對，干旱事件更加敏感.

鑒于上述，本研究基于DSI干旱指數(shù)來劃分2001—2010年中國干旱等級圖(見圖 5).結(jié)果表明，2001年的華北平原的極端干旱和2009—2010年的西南地區(qū)的極端干旱是那個10年內(nèi)最大的2個干旱事件(見圖5).2001年中國華北平原、內(nèi)蒙古草原及東北部分地區(qū)出現(xiàn)了極端干旱(D5)，特旱、重旱和中旱影響范圍分別達(dá)到129.00 萬km2、0.54 萬km2和0.60 萬km2.隨后，2002年干旱持續(xù)發(fā)生在上述地區(qū)，但是干旱的范圍和程度大幅降低.2003年極端干旱出現(xiàn)在中國的東北地區(qū).2004—2007年中國絕大多數(shù)地區(qū)處于正常的干濕狀態(tài)，只有2006年特旱、重旱和中旱影響范圍分別達(dá)到0.30 萬km2、0.37 萬km2和0.65 萬km2.2008年中國西北的部分干旱地區(qū)、東北地區(qū)及南部出現(xiàn)了極端和嚴(yán)重干旱，2009年南方地區(qū)干旱程度減弱，但是范圍增加；青藏高原西南部出現(xiàn)了極端干旱事件；西南地區(qū)和青藏高原西南部干旱持續(xù)發(fā)生到2010年，并且干旱程度大大增加.

圖5 中國2001—2010年干旱等級分布圖(D5:特旱;D4:重旱;D3:中旱;D2:輕旱;D1:早期干旱;WD:無旱;W1:無澇;W2:微澇;W3:中澇;W4:重澇;W5:特澇)

4 結(jié) 論

本研究利用3類干旱指數(shù)(僅基于降水?dāng)?shù)據(jù)的SPI、基于兩層土壤模型的PDSI干旱指數(shù)及基于遙感信息的DSI)的時(shí)空分布特征來探究中國2001—2010年的干旱化趨勢，比較了各類干旱指數(shù)指示干旱的能力，分析了各類干旱指數(shù)在全國及區(qū)域上指示的差異，劃分了中國干旱等級分布圖：

1)就國家尺度上而言，3類干旱指數(shù)指示干旱事件相對一致，在2001—2010年，干旱沒有顯著變化趨勢；SPI和PDSI在時(shí)間尺度上的相關(guān)性達(dá)到66%；2001，2006和2009年是那個10年內(nèi)中國干旱程度最大的3個年份；

2)統(tǒng)計(jì)3類干旱指數(shù)在中國9個區(qū)域內(nèi)的干旱等級像元或者站點(diǎn)百分比的年際變異后發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)及北部地區(qū)(華北平原一帶)干旱化范圍和程度在減弱；而南部地區(qū)，特別是西南地區(qū)，其干旱影響的范圍在加大，干旱的程度有嚴(yán)重的趨勢；

3)基于遙感信息的DSI在反映干旱事件時(shí)相比其他2種干旱指數(shù)更加敏感.根據(jù)DSI劃分了中國干旱等級圖，結(jié)果表明,2001年的華北平原的極端干旱和2009—2010年的西南地區(qū)的極端干旱是那個10年內(nèi)最大的2個干旱事件.