基于标准化降水蒸发指数(SPEI)的东北干旱时空特征

孙滨峰，赵红，王效科*

1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；2. 中国科学院大学，北京 100085

基于标准化降水蒸发指数(SPEI)的东北干旱时空特征

孙滨峰1,2，赵红1,2，王效科1*

1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；2. 中国科学院大学，北京 100085

东北地区是我国重要的粮食作物和经济作物的生产基地，易受异常降水和干旱的影响。随着全球气候变暖，东北地区温度增高、降水量减少，干旱事件发生频繁。但是目前国内对东北地区干旱的研究较少、结果存在分歧，且主要关注干旱的时空变化特征和干旱的影响，较少研究关注干旱的区划研究。依据1961─2013年东北地区月平均气温和降水资料，运用标准化降水蒸发指数（SPEI）分析了东北地区的干旱趋势，并根据主成分分析和聚类分析研究东北地区干旱的时空特征，研究结果表明：东北地区在1961─2012年期间干旱发生频率呈现波动增加的趋势；在1961─1999年期间，东北地区干旱发生频率低、持续时间短，干旱危害较小；而2000年以后，东北地区干旱事件频发，干旱持续时间长、强度大，出现了2000─2002和2007─2008年2个连续干旱期。从空间分布来看，2000─2010年是东北地区干旱发生频率和影响范围最大的时期，尤其是东北地区的中部和西部，其干旱频率分别达到42.86%和33.34%。根据主成分析和聚类分析的结果将东北划分为8个干旱相似区。研究结果对于实现东北干旱监测、评估，为减轻该区域干旱损失，指导区域水资源管理和农业生产具有重要的现实意义。

标准降雨蒸发指数；东北地区；干旱；主成分分析

干旱作为最严重的气象灾害之一，对我国社会经济和人民生活造成严重的影响（袁文平等，2004）。东北是我国主要的商品粮和经济作物的生产基地，易受异常降水和干旱的影响（Chen等，2011）。而国内对干旱的研究主要集中于华北、西北和西南等典型的干旱区域（贺晋云等，2011；马柱国等，2007；姚玉璧等，2014；Zhang等，2013），而对东北地区干旱情况的研究较少。

目前对东北地区干旱的研究存在一定的分歧，且主要关注干旱的时空变化特征和干旱的影响，较少研究关注干旱的区划研究。Yu等（2014）利用SPI指数研究东北地区生长季的干旱情况，认为近几十年东北地区干旱更加严重；马柱国等（2006）认为东北地区在20世纪80年代以后极端干旱发生的频率增加；而王亚平等（2008）认为，在 1980─2005年期间东北3省大部分地区的干旱状况有所缓解。但是随着全球气候变暖，温度增高、降水量减少促进了东北干旱的发生，特别是21世纪以来，东北地区干旱事件更加频繁（陈莉等，2010；Yu等，2014），因此，有效的评估东北地区的干旱状况具有重要的意义。

干旱成因复杂，其评价指标的选择也受到诸多因素的影响（李维京等，2003）。主要的评价指标包括 Palmer干旱指数（PDSI）、标准化降水指数（SPI）、Z指数、土壤湿度指数、标准化降水蒸发指数（SPEI）等。较之其他干旱指标，标准化降水蒸发指数（SPEI）具有多时间尺度的优势，能够对不同空间的旱涝进行比较且稳定性好的特点，近些年在干旱监测中得到了广泛应用。因此，本文根据东北各省逐月降水观测资料，采用标准化降水蒸发指数（SPEI）研究东北旱涝时空的分布特征，并采用主成分分析（PCA）和聚类分析分析东北的干旱区划及其干旱特征和干旱频率，目的是为实现东北旱涝灾害监测、评估，为减轻该区域旱涝灾害损失、合理利用水资源提供科学依据，指导区域水资源管理和农业生产。本文的主要的目标：1）根据SPEI指数评估东北近60年的干旱情况；2）分析东北干旱时空趋势；3）研究东北的干旱区划。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

东北地区位于 40°86′N～53°56′N，118°80′E～134°37′E，行政区划上包括黑龙江、吉林、辽宁 3省全部和内蒙古东北部的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市（图1）。研究区域面积大约1.24×106km2，平均海拔低于1600 m。研究区域属于温带大陆性季风气候，冬长寒冷，夏短湿润，东部地区年降水为400～700 mm，西部为250～400 mm，从南向北为温暖带、温带、半湿润和半干旱，平均温度-4～12 ℃，是全球变化研究的敏感区域。西部大兴安岭山地是以兴安落叶松为典型的寒温带落叶针叶林分区；东部长白山是温带针阔叶混交林分布区；东北平原为温带森林草原、草甸草原和干草原分布区；西南还有面积广阔的科尔沁沙地。

图1 研究区及气象站分布图Fig. 1 Research area and spatial distribution of meteorological stations

1.2 数据来源与处理

本文采用的月降水数据和月均温度数据中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）。

1.3 研究方法

1.3.1 SPEI

干旱的形成和发展是就是地表水分亏缺缓慢积累的过程，而干旱程度就是水分亏缺量及其持续时间。SPEI指数就是从水分亏缺及其积累出发描述干旱的，既能反映多种事件尺度，又能反映温度升高对干旱的影响，能够反映东北地区近年由于降水减少、温度升高导致的干旱的时空特征。

根据 Vicente-Serrano（2010）分别计算不同时间尺度的SPEI（包括1、3、6和12个月，分别用SPEI-1，SPEI-3，SPEI-6，SPEI-12表示），其计算过程如下：

1）计算潜在蒸散（PET）。

本文采用Hamon模型计算PET，见公式（1）。

式中：k为比例系数，N为日长，T为月平均温度。

2）构建不同时间尺度的累计水分亏缺量序列，计算其概率分布。

式中：P为降水，PET为潜在蒸散发量，k为时间尺度（月），n为计算次数。

引入三参数log-logistic概率分布函数，计算积累水分亏缺量序列的概率分布，log-logistic概率密度函数为：

式中：α、β、γ分别为尺度参数、形状参数和位置参数，分别按公式（5）～（8）计算。

三参数log-logistic概率分布函数为：

给定时间尺度的累计概率按 P =1 -F(x)计算。

3）用标准化积累概率密度，计算SPEI。

式中：P为累计概率，C0、C1、C2分别为2.515517、0.802853和0.010328，d0、d1、d2分别为1.432788、0.189269和0.001308。

干旱划分等级参照文献（Yu等，2014）的等级标准，将 SPEI划分为极干旱、中等干旱、轻度干旱、正常、轻度湿润、中等湿润和极湿润7个等级（表1）。

表1 基于标准化降水指数的旱涝等级划分Table 1 Classification standard of drought and water log based on SPEI

1.3.2 主成分分析和聚类分析

主成分分析和聚类分析常被用来研究气候和干旱的区划（Fovell等，1994；Dinpashoh等，2004；Raziei等，2009）。主成分分析（PCA）又称主分量分析，也称经验正交分解或者特征向量分解，是一种减少统计指标的多元统计方法。通常把转化生成的综合指标称为主成分，其中每个主成分都是原始变量的线形组合。主成分之间既要互不相关，又要尽可能多的反映原来指标的信息。Richman根据时间、对象和属性的不同组合定义了PCA的6种模式（Richman，1986）。S-Mode常被用来研究降水和干旱的研究（Gocic等，2014）。聚类分析的实质是按照距离将数据分为若干个类别，以使得类别内数据的差异尽可能小，类别间差异尽可能大。

2 结果与分析

图2 （a）1961─2013年不同时间尺度SPEI,（b）2000─2010年干旱影响范围的比例Fig. 2 (a) Time series of SPEI for Northeast China and (b) percentage of Northeast China affected by drought, 2000─2010

2.1 干旱的时空特征

2.1.1 干旱的时间特征

本文用不同时间尺度的SPEI来研究1961年到2013年东北地区的干旱时空格局。SPEI-1反映了短期内干旱情况；SPEI-3和SPEI-6反映了干湿季节的变化规律；而SPEI-12则反映了干旱的年际变化。根据图2（a），1961─1999年间，东北地区干旱发生频率低、持续时间短，干旱危害较小。而 2000年以后，东北地区进入到干旱频繁的阶段，干旱持续时间长（Yu，2014）。2000、2001、2002、2007和2008年都是典型的干旱年份，干旱影响范围广、损失严重（国家环保总局，2001；2002；2003；2008；2009）。根据图 2（b），2000年干旱面积约占总面积的57.55%，其中严重干旱、中等干旱分别占总面积的7.87%和24.76%；2001年干旱面积占总面积的62.51%，比2000年增加了4.96%，其中轻度干旱面积增加了6.62%、中度干旱面积减少了2.71%、严重干旱面积增加了1.04%；2002年干旱面积约占总面积的64.19%，与2000和2001年相比，严重干旱和中度干旱面积减少，轻度干旱面积增加。2007年以轻度干旱为主，约占总面积的34.23%，中度干旱约占总面积的 22.43%，严重干旱约占总面积的3.96%。2008年干旱面积约占总面积的51.68%，严重干旱主要发生在黑龙江的中南部，约占总面积的4.08%。2013年东北降水量大，洪涝灾害损失严重。研究结果表明，东北地区在 2000─2010年进入到最严重的干旱阶段，出现了2000─2002年3年中等干旱程度的连旱和2007─2008年2年中等干旱程度的连旱。

2.1.2 干旱的空间特征

本文采用区域干旱分析来研究干旱的空间分布及其特征和干旱事件的影响范围。图3是2000、2001、2002、2007、2008和2010年SPEI-12的空间分布图。2000─2002年是东北最严重的干旱时期，干旱影响面积逐步扩大，主要影响东北地区的中部和南部。其中，2000年干旱面积约占总面积的57.55%，其中严重干旱主要分布在辽宁省的东部和南部、中等干旱主要分布于东北地区的中部和小兴安岭东南部；2001年干旱面积占总面积的62.51%，较之2000年增加了4.96%，其中中度干旱区主要分布于东北中部和西部、严重干旱分布离散；2002年干旱面积约占总面积的 64.19%，与 2000和 2001年相比，严重干旱主要分布在辽宁省。2007年干旱主要发生在东北的中部和西部，以轻度干旱为主，中度干旱主要分布在东北的西部和南部，严重干旱主要分布在内蒙古的西南。2008年干旱主要影响了东北地区的北部，干旱面积约占总面积的51.68%，严重干旱主要发生在黑龙江的中南部，约占总面积4.08%。2010年，东北整体上处于正常情况，干旱影响主要集中于东北地区的西南区域。根据SPEI-12的空间分布，东北地区的中部和西部是干旱易发区域。

图3 2000、2001、2002、2007、2008和2010年东北干旱空间分布特征Fig. 3 Spatial distribution of drought over the course of 2000, 2001, 2002, 2007, 2008 and 2010

本文以干旱次数和干旱强度作为指标来研究2000─2010年间干旱的空间特征。干旱次数是指SPEI指数小于-1的月数，干旱强度指干旱月的SPEI均值。在研究区内随机产生了5000个点，回归分析研究多年平均降水和 2000─2010年间干旱的关系。多年平均降水与干旱次数和干旱强度的回归分析的结果见图4（a）和4（b）。结果显示多年平均降水少的区域干旱发生的次数更多，强度更大。说明东北的干旱区域在 2000─2010年期间变得更加干旱。

图4 （a）多年平均降水与干旱次数，（b）多年平均降水与干旱强度Fig. 4 (a) Relationship between mean annual precipitations and number of drought, (b) Relationship between mean annual precipitations and number of drought severity

2.2 干旱区划

本文将 S-Mode的主成分分析应用到 SPEI-12数据中，得到了4个主成分，其中主成分1和主成分2能够解释76.8%的方差。对前2个主成分聚类分析，我们在空间上将东北地区分成了8个干旱相似区（图5）。

1）大兴安岭北部森林干湿频发区。该区域主要包括了黑龙江大兴安岭地区的大部和呼伦贝尔市的东北部，以森林为主，面积约4.97×104km2。区域内温度较低，蒸发量低，降水量偏低相对湿润，年平均降水490 mm，平均温度-3.7 ℃，研究期内干旱湿润发生频繁。1961年至2013年共发生干旱事件85次、洪涝事件76次，干旱发生和洪涝频率分别为13.36%和11.95%，其中生长季干旱发生率14%。1961─1999年间发生旱灾事件41次，2000以后干旱事件发生了44次。其中，在2002、2003、2005和2008年发生了严重干旱事件，严重干旱发生频率约为2.36%。由图6（1）可知，该区域是干湿发生频繁区域，1961─2012年间呈现干旱增加趋势。2013年降水偏多，洪涝影响严重。

图5 东北干旱区划Fig. 5 Drought-based regionalization in Northeast China

2）呼伦贝尔-黑河森林干旱增加区。该区域包括内蒙古呼伦贝尔市的北部、黑龙江省黑河市的大部、宜春和鹤岗的北部，以及大兴安岭地区的部分区域，面积约1.52×105km2。区域内森林覆盖率高，年降水量510 mm，平均温度-2.6 ℃。在1965、1974、1979、1980、2000─2008年发生旱灾，干旱发生频率约为10.85%，严重干旱发生频率约低。该区域在2000年前发生16次干旱事件，而2000后发生了53次干旱事件，其中生长季共发生了20次干旱事件，生长季干旱发生率低，对生态环境和农业生产影响小。根据图6（2）可知，在1961─1999年期间，该区域干湿影响小，而2000年以后干旱频发。

图6 各个分区SPEI-12时间序列Fig. 6 Time series of SPEI-12 for six sub-regions

3）呼伦贝草原干旱增加区。该区域主要包括内蒙古呼伦贝尔市的西部，以草原为主，面积约4.90×104km2，是东北地区的生态脆弱区，年降水量约 280 mm，平均温度-2.7 ℃。1961年至 2013年共发生干旱事件 85次、干旱发生频率分别为13.36%，生长季干旱发生率14%。由图6（3）可知，该区域2000以后干旱事件发生了72次，其中极干旱事件10次、中等干旱27次、轻度干旱35次，干旱概率42.86%。干旱的频繁发生加剧了该区域沙化退化（赵慧颖，2007）。

4）东北中部森林-农田干旱增加区。该区域主要包括内蒙古呼伦贝尔南部、兴安盟和通辽，黑龙江的西部和中部，吉林省的西部以及辽宁省的西北部，面积约5.38×105km2。区域内年降水量较少，约490 mm，年平均温度约2.46 ℃。该区域以农田和森林为主，是东北地区主要的粮食产区，同时也是农业生态环境破坏最严重的区域，干旱发生率约为9.57%。生长季干旱对该区域粮食生产带来了较大的影响。由图 6（4）可知，2000年以后，该区域干旱事件增长明显，干旱发生频率约为33.34%。干旱频发对农业生产、生态安全和区域可持续发展构成了严重威胁。

5）东北东部森林-农田湿润区。该区域主要包括黑龙江东部和吉林省东部，以农田和森林为主，面积约为1.87×105km2。年降水量约600 mm，平均温度2.85 ℃。由图6（5）可知，1961─1999年间，共发生干旱事件 60次，较之其他区域，该地区在2000─2013年期间的干旱发生次数较少。

6）西南农田-草地干旱高发区。该区域主要包括内蒙古赤峰市以及辽宁省的西部，以农田和草地为主，总面积约1.38×105km2。区域内年降水量约460 mm，年平均温度约5.35 ℃。该区域是干旱的高发区域（张淑杰等，2013；周扬等，2013），以轻度干旱为主，其中春季干旱发生率高（张淑杰等，2013）。根据图 6（6），2000─2011年间，干旱发生频繁，对草牧和农业生产影响严重（国家气象局，2007；张淑杰等，2013；周扬，2013）。

7）辽宁中南森林-农田湿润区。主要包括辽宁省的中部和南部，该区域以森林和农田为主，总面积约5.95×104km2。年降水量分别约为790 mm，平均温度分别约为7.3 ℃。根据图6（7），干旱事件主要发生在 1997─2002年期间，以春旱和夏旱为主，降水减少、分布不均是干旱产生的主要原因（张淑杰等，2013）。

8）辽宁东部森林-农田湿润区。该区域主要包括辽宁省的东部，以森林和农田为主，总面积约6.68×104km2。年降水量约为810 mm，平均温度约5.05 ℃。根据图6（8），该区域在1961─2013年期间共发生干旱84次，主要发生在1997─2003年期间。其中轻度干旱和中度干旱分别发生52和23次，降水减少及其时空不均是该区域干旱发生的主要原因（张淑杰等，2013）。

3 结论

干旱指数 SPEI能反映地表水分的亏缺量及其积累过程，能够敏感的反应气温增高导致的干旱，适合研究东北地区的干旱变化。本文利用东北地区1961─2013年逐月的降水和温度数据，计算不同时间尺度的SPEI指数，得到了东北地区1、3、6和12个月尺度的SPEI指数，分析了近53年来东北地区干旱的时空特征及其频率和影响。并根据 12个月尺度的SPEI指数，利用PCA和聚类分析，分析研究东北干旱的时空变化特征。

1）通过分析各个时间尺度的SPEI指数发现，东北地区呈现出总体干旱趋势，尤其是进入到 21世纪后，干旱影响严重。在 1961─1999年期间，东北地区干旱发生频率低、持续时间短，干旱危害较小。而 2000年以后，东北地区干旱发生频繁、持续时间长（Yu，2014）。

2）从空间分布来看，2000─2010年作为东北最干旱时期，干旱发生面积最广，干旱区域变得更加干旱。2000─2002年间干旱影响面积逐步扩大，主要影响东北地区的中部和南部，2000年干旱面积约占总面积的57.55%，其中严重干旱主要分布在辽宁省的东部和南部、中等干旱主要分布于东北地区的中部和小兴安岭东南部。根据SPEI-12的空间分布，东北地区的中部和西部等干旱区的干旱次数和干旱强度高于其他区域。

3）根据PCA和聚类分析，将东北地区分为8个干旱相似区。各子区干旱特征分析的结果显示：干旱灾害在 1961─2013年期间呈现波动性增加趋势；2000─2010年是东北地区干旱发生频率和影响范围最大的时期，尤其是东北地区的中、西部。

综上所述，东北地区呈现逐步干旱趋势。2000─2010年是东北地区干旱发生频率和影响范围最大的时期，尤其是东北地区的中、西部。干旱的时空格局研究结果可为区域干旱的监测和防治、水资源管理以及农业生产提供决策支持。

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Spatiotemporal Characteristics of Drought in Northeast China Based on SPEI

SUN Binfeng1,2, ZHAO Hong1,2, WANG Xiaoke1*
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, 18 Shuangqing Road, Beijing 100085, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Yuquanlu 19, Beijing 100049, China

As an important agricultural production zone of commercial and economic crop, Northeast China is susceptible to suffering from precipitation anomaly and drought risk. With global climate change and regional reduction of precipitation reducing, droughts happened much more frequently in Northeast China. At present, only a few studies paid attention to droughts in Northeast China, and inconsistent results was showed in these studies. Additionally, most of these studies tried to detect the spatiotemporal variation or to explore the effects of drought. However, few researchs have identified the regionalization of drought in Northeast China. Based on the monthly mean air temperature and precipitation data from 1961 to 2013, the temporal and spatial patterns of drought were analyzed by applying the S-mode PCA to the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) estimated on 12-month timescales. The result showed that during the period of 1961 to 2013, drought in Northeast China tended to be gradually severe. In 1961─1999, droughts happened at a lower frequency, shorter duration and lesser damage than that in 2000─2012. Two consecutive drought periods occurred in the years of 2000─2002 and 2007─2008. According to the spatial distribution of drought in Northeast China in the past half century, the driest period was from 2000 to 2010, which affected the largest drought area and exhibited highest drought frequency, especially in the central and south part, with a respectively drought frequency of 42.86% and 33.34%. Principal component analysis and cluster analysis were applied to regionalize the drought of Northeast China, and eight different drought sub-regions were identified. Our results could make contribution to monitoring and assessment of drought. And it could also be further used in the alleviation of the loss resulting from droughts and guidelines of water resource management and regional agricultural production.

Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI); northeast China; drought; Principal Component Analysis (PCA)

S16

A

1674-5906（2015）01-022-07

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.004

孙滨峰，赵红，王效科. 基于标准化降水蒸发指数(SPEI)的东北干旱时空特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(1): 22-28.

SUN Binfeng, ZHAO Hong, WANG Xiaoke. Spatiotemporal Characteristics of Drought in Northeast China Based on SPEI [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 22-28.

国家生态安全屏障区生态环境调查与评估（STSN-09-00）子课题“东北森林带生态环境调查与评估”（STSN-09-03）

孙滨峰（1983年生），男，博士研究生，研究方向为3S应用与生态服务功能评估。E-mail: binfengsun@sina.com *通讯作者：E-mail: wangxk@rcees.ac.cn

2014-09-22