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基于逐日SPEI的中国黄淮海平原干旱减缓趋势分析

Qianfeng Wang, a,b Peijun Shi, a Tianjie Lei, a,b Guangpo Geng, a,b Jinghui Liu, a,b Xinyu Mo, a,b

Xiaohan Li, a,b Hongkui Zhou a,b and Jianjun Wu a,b *

摘要：干旱是对地区建筑、水资源和环境造成严重问题的主要自然灾害，为了评估黄淮海平原干旱特征的变化性和模式，本文将根据逐日的气象数据深入研究SPEI指数。28个气象台站在1981年到2010年期间利用SPEI指数计算了ATDS、ATDD、ADF指数，我们利用这些指数（ATDS、ATDD和ADF）、Hovmoller表和Mann-Kendall测验中可靠的无参数统计方法来估算1981~2010年黄淮海平原干旱特征的变化性和模式。结果表明在二十世纪八十年代和二十世纪末二十一世纪初发生过严重干旱，分别在1981、1986、1997和2002发生过几次严重干旱事件。从ATDS和ATDD显示的下降趋势来看，在过去三十年里干旱情况并没有因为全球气候变暖而恶化，并且整个黄淮海平原的干旱情况正在有所缓解。黄淮海平原的东北部和西南部地区曾遭遇过更为严重的干旱，并且北部地区更容易遭遇干旱。该研究的结果可以为应对局部干旱而采取的防御措施提供科学依据并且可以作为分析干旱灾害脆弱性的参考点。

关键词：变化性；模式；干旱；黄淮海平原

1、引言

干旱是造成经济损失最为严重的自然灾害之一（Wilhite，2000；He et al ，2011），同时它也是对人类影响最为复杂也是最难理解的自然灾害（Hagman et al ，1984；Wilhite，1996）。干旱的发生次数和持续时间都有可能呈上升趋势（Blunden et al 2011；Li et al ，2011）。尤其是，严重的干旱还会带来更多毁灭性的影响，例如加重和加强环境的退化和荒漠化、严重的河流干枯、农作物减产、森林火灾风险的增加、资源竞争的增加和社会暴力（Bruins and Berliner，1998；Quiring and Papakryiakou，2003；Pausas， 2004；MacDonald，2007； Zhang et al ）。1997年一场干旱造成226天里黄河从河南省到山东省的河流量为零（Liu and Zhang，2002； Wang et al ，2011)；2002年，美国26个州遭遇了极端干旱，总计经济损失超过了27亿美元(Wilhite et al ，2007)，因此干旱造成的影响所引发的关注已经超过了科学届(Leuzinger et al ， 2005)。

目前常见的干旱监测指标包括 SPI (Standardized Precipitation Index)、 PDSI(Palmer Drought Severity Index)、 ISDI (Integrated Sur-face Drought Index)、 SPEI (Standardized PrecipitationEvapotranspiration Index)、TCI (Temperature Condition Index)、 VCI (Vegetation Condition Index) 和VHI(Vegetation Health Index) (Rhee et al ，2010； Banimahd和Khalili，2013；Wu et al ， 2013；Hu et al ，2014)；其中SPEI (Vicente-Serrano et al ，2010；Wang et al ，2014)、SPI (McKee et al ，1993)和PDSI (Palmer,1965)是应用最为广泛的干旱指标。利用SPI算出的结果上具有空间和时间上的可比性(Guttman，1998； Hayes et al ， 1999)，并且它多尺度的特征适用于多种不同类型的干旱，但是SPI只考虑了降水因素并没有反映出气候暖化造成的干旱情况。PDSI反映的是气候暖化造成的干旱影响 (Dubrovsky et al ，2009)以及全球范围内基于PDSI调查显示出的干旱地区的动态(Sheffield et al ，2012)，尽管PDSI考虑了温度因素，但是缺少了评价多种不同类型干旱最为重要的多尺度特征。为了将时间和温度对干旱过程的影响因素考虑进去，SPEI成为了在气候变暖的情况下监测和研究干旱特征最适用的指标，并且对于SPEI干旱的分析已经有一些研究 (Vicente-Serrano et al ，2010；Wang et al ；2014)。SPEI能够从干旱开始进行持续连贯的空间时间的探测，它有可能被用以监测干旱 (Vicente-Serrano et al ，2010)，然而，SPEI只能通过普通的SPEI月值数据来鉴别连续几个月的干旱，而不能鉴别出几天的干旱。植物生长期内出现的几天干旱会对植物产生严重的伤害。然而，SPEI的日值数据可以监测和评估任何尺度的干旱，比如日尺度、周尺度、月尺度甚至更长的时间尺度，换句话说，日值的干旱指标可以弥补监测干旱开始和持续性这一方面的欠缺 (Lu et al ，2013)。因此，日值SPEI的发展是目前急需的，短期规模的日值SPEI和长期规模的日值SPEI可以监测气象干旱和水文气象干旱，因为日值SPEI的计算和应用与月值得SPEI相似，根据多时间尺度可以用来鉴别不同类型的干旱（气象干旱、农业干旱和水文气象干旱）(Wang et et al ，2014)。

黄淮海平原是中国一个非常重要的粮食生产区 (Shi et al ，2014)，华北平原小麦和玉米的种植区域约分别占中国总种植区域的45%和33% (Guo et al ，2010)，但是，黄淮海平原也更容易遭遇干旱 (Chen et al ，2011)。高温会导致土壤潜在蒸散量的增加和干旱的增加(Sheffield 和Wood，2008)，在过去几十年里，气候的多样性影响了世界众多地方的水循环，其中包括黄淮海平原，气候的多样性同时也导致了水资源匮乏的出现和加剧（Gao et al ，2006；Huntington， 2006；Sheffield and Wood，2008)。关于黄淮海平原地区，已经有多项研究开始关注干旱指标和环境因素的关系，环境因素包括土壤水分、作物水分胁迫、圣婴南方震荡现象（ENSO）等 (Chen et al ，2011；Huang et al ，2013；Wu et al ，2014)。为了将干旱风险量化和采取有效的干旱防御措施，需要彻底了解黄淮海平原干旱特征的可变性和模式。另外，确定黄淮海平原的干旱时空特征并了解全球气候变暖是否加剧了干旱十分重要。

此次研究的目的是深入研究日值SPEI的计算方法并将它应用到估算黄淮海平原的干旱特征（严重性、持续性和频率）。在本次研究中，利用Hovmoller表研究每个气象站的干旱特征的年际变化，利用Mann-Kendall测验中无参数统计方法来确定干旱特征变化趋势，最后，分析出干旱特征的空间模式。 本研究结果可为旱灾灾害的规划和风险管理提供重要的技术支持。

2、研究区域和数据来源

黄淮海平原位于中国北部（(31–42°E,114–121 °N)，由黄河、淮河、海河冲积平原形成。根据地形和中国综合农业区划的原理，黄淮海平原可分为四个区，包括太行-燕山山脉山麓平原、冀鲁豫低平原、山东丘陵农林地区和黄淮平原（图1），黄淮海平原土地利用类型的主要类型是耕地（图2）。本研究我们选用28个气象站（表1），这28个站均匀地分布在黄淮海平原上，因此，这28个气象站可以代表黄淮海平原的干旱空间模式。从中国气象局收集了1980〜2010年间逐日气象数据，包括最低气温和最高气温（℃）、降水量（mm）和日照时数（h）。为确保连续完整的数据记录，我们在去掉了在1980 - 2010年期间含有缺失值的台站后，共选出了28个气象站。 我们将选用2010年中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）500m空间分辨率的土地覆盖产品（MCD12Q1）数据，这些数据可从美国地质调查局（https://lpdaac.usgs.gov/products/modis_products_table/mcd12q1）。 土地利用类型分为六类：水体，草地，林地，耕地，建成用地和未利用地区（Liu等，2003）。

图1 研究区（A：太行-燕山山麓平原; B：冀鲁豫低地平原; C：山东丘陵农林地区; D：黄淮平原）

图2 黄淮海平原土地利用和气象站的空间分布图（圆圈表示28个空间分布气象站; 图例中的矩形识别不同的土地利用类型）

表1 黄淮海平原中28个选定站的基本信息