基于SPEI干旱指数的东北地区干旱时空分布特征

蔡思扬　左德鹏　徐宗学　杨晓静

摘要：基于东北地区86个国家基本气象站1960年-2014年逐月降水量和平均气温数据，计算不同时间尺度下的标准化降水蒸散指数（SPEI），分析不同时间尺度下东北地区季节、年际以及年代际干旱时空分布特征，并与实际干旱成灾面积进行对比分析，验证SPEI在东北地区干旱评估中的适用性。结果表明：春季、夏季和冬季重旱发生频率随时间尺度增大而升高；中旱发生频率随时间尺度增大而降低。近55年东北地区旱涝情势交替出现，干旱频率随年代际变化逐渐升高，干旱程度逐渐加重。整体来看，随时间尺度增加，极旱发生范围逐渐扩大。东北三省在春季、夏季和秋季均有不同频率的干旱事件发生；冬季吉林和辽宁无极旱发生；黑龙江中部无重旱发生。

关键词：标准化降水蒸散指数；多时间尺度；东北地区；干旱

中图分类号：P467 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0015-07干旱是世界上普遍发生的一种气象灾害、是指由于水分收支或供求不平衡而形成的水分短缺現象、是一种水量相对亏缺的自然现象、是造成严重损失的气象灾害之一，其发生频率高、持续时间长、影响范围广，已经成为制约我国经济发展和社会进步的重要因素之一。2014年我国因干旱所造成的粮食损失高达2006万t、经济作物损失达到276亿元、直接经济损失共910亿元。东北三省是我国最主要的商品粮和经济作物的生产基地，近年来，东北地区的干旱有所加重，一些地区的降水量持续减少，已经接近或者突破历史极值，容易造成各种农作物的减产。针对目前东北地区的干旱情况，杨贵羽等通过对1950年-2010年东北地区受旱面积率、干旱发生频次等进行统计分析，认为东北地区干旱灾害发生的频次和程度均有增加趋势；邹旭恺等利用综合气象干旱指数（CI）研究得出，东北地区由于气温升高的原因导致干旱加重；段佩利等利用标准化蒸散指数（SPI）分析吉林省东部山区的干旱时空特征，结果表明该地区的干旱呈加重趋势；张淑杰等通过计算玉米水分亏缺指数分析玉米在不同生长发育期的干旱时空分布及其年际的变化特征，结果表明：近10年来干旱呈显著增加，且在各发育阶段会同时发生；胡实等通过计算在A1B，B1和A2三种情境下基于降水年蒸发力标准化干旱指数（SPEI）预估中国北方地区未来40年呈现干旱化倾向；马建勇等通过在A1B情景下计算相对湿润指数，预估2011年-2100年东北地区农作物生长季将持续干旱化；杨晓晨等进行标准化降水蒸散指数（SPEI）与东北春玉米气候产量的关系分析，结果表明提高玉米产量需增加灌溉和提高水分利用效率；韩晓敏等利用标准化降水指数（SPI）分析东北农牧交错带的旱涝特征变化，结果表明东北农牧交错带暖干化的趋势给该区农牧业带来不利影响，应及时启动干旱预警紧急方案。但是对于东北地区年代际和季节干旱情况的研究成果较少。

考虑到干旱的成因复杂，易受人类的活动影响，目前普遍使用干旱指数来描述干旱现象。常用的干旱指数有帕尔默干旱指数（Palmer Drought Severity Index，PDSI）、标准化降水指数（Stand-ardized Precipitation Index，SPI）、标准化降水蒸发指数（Standardized Precipitation Evapotranspira-tion Index，SPEI）及白定义的干旱强度指数、水分亏缺指数等。PDSI指数基于固定的时间尺度进行计算，因此无法分析多时间尺度下干旱时空变化的特点；SPI是一种基于降水的干旱指标，计算简便，能够很好地反映不同时间尺度下干旱变化，输入数据只需降水量，从而不能反映由于气温变化所导致的干旱情势；干旱强度指数、水分亏缺指数均基于降水和蒸散发的差值或比值，由于空间的不一致性，不易进行空间比较。标准化降水蒸发指数（SPEI）具有多时间尺度的优势，能够对不同时间尺度的旱涝情势进行比较，且具有良好的稳定性。

综上所述本文选取东北三省（黑龙江省，吉林省和辽宁省）作为研究区，选取标准化降水蒸发指数（SPEI）进行分析，文中选取研究区86个气象站点1960年-2014年逐月降水和气温数据，计算在不同时间尺度（1个月、3个月、6个月、12个月和24个月）下，东北地区年代际干旱，年际干旱和季节干旱发生的时空分布特征。

1研究区概况

东北地区位于120°E-135°E，38°N-56°N之间，包括黑龙江省、吉林省和辽宁省，面积78.8万km²，占中国陆地总面积的8.2%。年平均降水量为350～1200 mm，平均气温为-4.8℃～11.3℃。东北三省受东亚大陆季风气候的控制，冬季寒冷漫长，夏季温暖而短促。自南向北跨暖温带、中温带与寒温带。东北地区典型植被有针叶林、针阔叶混交林、落叶阔叶林以及草甸草原等。地形以平原，山地为主；外围是黑龙江、鸭绿江等流域的低地，中间是山地和丘陵，内部则是广阔的平原。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

本文采用的数据是逐月降水和平均气温，均来自于中国气象科学数据共享服务网（http：∥edc.cma.gov.cn/home.do），东北三省包括96个国家气象站点。为保证气象站点数据序列的完整性，缺失的数据通过与其具有良好的相关性的邻近气象站建立线性回归关系进行插值，所有的确定性系数（R²）均在0.8以上。最终选取其中86个基本气象站点1960年-2014年逐月降水和平均气温数据进行干旱指数计算。研究区气象站点分布见图1。本文采用的辽宁、吉林、黑龙江三省干旱成灾面积数据均来自于《中国统计年鉴》。

2.2研究方法

Vicente-Serranof 2010提出了标准化蒸散发指数（Standardized Precipitation Evapotranspira-tion Index，SPEI），计算过程如下。endprint

（1）潜在蒸散量的计算。计算公式如下：

3结果与分析

本文通过对不同时间尺度下（1个月、3个月、6个月、12个月和24个月）东北地区SPEI值进行计算，分析不同时间尺度下东北地区季节、年际以及年代际干旱的演变特征。

3.1东北地区干旱时间趋势特征

3.1.1东北地区干旱季节变化

按照春季（3月-5月），夏季（6月-8月），秋季（9月-11月），冬季（12月-次年2月）对东北地区不同时间尺度下季节干旱发生频率进行统计分析，结果见图2。

由图2可以看出如下结果。

（1）春季。SPEI极旱发生频率随时间尺度增加而升高，发生频率在1.37%～1.77%之间；除1个月时间尺度外，SPEI重旱发生频率也随时间尺度增加而升高，发生频率在5.11%～5.56%之间；而SPEI中旱发生频率随时间尺度增加而降低，发生频率在10.32%～11.28%之间。

（2）夏季。SPEI-3和SPEI-6极旱发生频率最高，约为1.7%；除1个月时间尺度外，SPEI重旱发生频率随时间尺度增加而升高，发生频率在5.51%～5.99%之间；SPEI中旱发生频率基本随时间尺度增加而降低，发生频率在1Q 47%～11_07%之间，但24个月时间尺度下中旱发生频率有所升高，为10.79%。

（3）秋季。SPEI极旱发生频率随时间尺度增加而升高，发生频率为1.21%～1.68%；1和3个月时间尺度下SPEI重旱发生频率相对较低，分别为5.05%和5.12%，6个月时间尺度以上，SPEI重旱发生频率相对较高，在5.66%～5.87%之间，且重旱发生频率随时间尺度增加而降低。1和3个月时间尺度下SPEI中旱发生频率相对较高，分别为11.03%和11.65%，6个月时间尺度以上，SPEI中旱发生频率相对较低，在10.47%～10.62%之间，且中旱发生频率随时间尺度增加而升高。

（4）冬季。SPEI极旱发生频率基本随时间尺度增加而降低，1个月时间尺度下发生频率最小，为0.22%，12个月时间尺度下发生频率最大，为1.83%；SPEI重旱发生频率随时间尺度增加而升高，发生频率在3.21%～5.62%之间；而SPEI中旱发生频率基本随时间尺度增加而降低，发生频率在10.49%～14%之间。

3.1.2东北地区干旱年际变化

不同时间尺度下东北地区SPEI值年际变化过程如图3所示。近55年来东北地区旱涝事件交替发生，2000年以前，东北地区干旱发生频率低、干旱强度小且持续时间短；2000年-2002年，2007年-2009年东北地区发生干旱强度大。SPEI值在1、3和6个月时间尺度下，旱情年际变化不明显；而SPEI-12和SPEI-24值表明东北地区在2000年-2002年发生连续干旱。结果与孙滨峰等计算结果相一致且与历史干旱事件相符合。

3.1.3东北地区干旱年代际变化

东北地区不同时间尺度下年代际干旱发生频率见图4。由图4可以看出，不同时间尺度下，1960年-2010年间，极旱、重旱以及中旱发生频率基本都随年代际变化而升高。2000s的SPEI-24极旱发生频率达到最高为7.13%，重旱发生频率最高为16.78%，中旱发生频率最高为18.82%。

东北地区1978年-2013年干旱成灾面积如图5所示。干旱成灾面积波动变化，在2000年干旱成灾面积达到最大，为658.9万hm²，且在2001年发生连续严重干旱，干旱成灾面积为529 8万hm²；其次是2007年，干旱成灾面积为604 4万hm²；2009年干旱成灾面积达435万hm²。由图中可以看出，在1990年以前，干旱成灾面积较小且旱灾程度较弱，只在1989年较为严重，成灾面积为486.8万hm²；进入20世纪90年代后，干旱成灾面积整体上有所扩大；进入21世纪之后，2000年-2002年、2007年-2009年发生连续严重干旱，其余年份的旱灾程度均在不同程度有所增加。干旱成灾面积与SPEI计算结果大体上相一致，验证了SPEI在东北地区干旱评估工作中的适用性。

3.2东北地区干旱空间分布特征

3.2.1东北地区干旱季节空间变化

本节以SPEI-3为例，以5月、8月、11月和次年2月的干旱发生频率分别代表春季、夏季、秋季和冬季干旱发生频率，分析东北地区季节干旱发生频率空间分布，结果如图6所示。春季极旱发生频率主要分布在辽宁西部、黑龙江西部和东部，吉林省几乎无极旱发生；夏秋两季极旱发生频率较高且主要集中在黑龙江中部和西部、吉林东西部地区；冬季极旱只发生在黑龙江中部。东北的中部在春夏两季发生重旱频率较高，秋冬两季除黑龙江中部，吉林和辽宁西部外其他地区重旱发生频率相差不大。中旱四季发生频率在吉林省较低，春季黑龙江北部发生频率较高，夏季黑龙江东部发生频率较高，秋冬两季主要集中在辽宁西部以及黑龙江省与吉林省交界处。

3.2.2东北地区干旱年代际空间变化

东北地区不同时间尺度下不同年代际的SPEI值空间分布如图7所示，由图可以看出：1960s，东北地区SPEI值基本在正常范围内，干旱程度较弱。1970s，不同时间尺度下东北地区均有干旱趋势，对于SPEI-3而言，黑龙江省大部以及吉林东部干旱程度较显著。1980s，东北地区干旱程度稍有加重，但是干旱区域有所改变，除黑龙江中部外，黑龙江省其他地区干旱程度得到缓解，辽宁东部和西部干旱程度加重。1990s，1个月，3个月和6个月时间尺度下，黑龙江西北和东北地区，东北中部地区和辽宁西部地区干旱程度有所缓解，其他地区干旱程度稍有加重。2000s，东北地区不同时间尺度下的干旱程度达到最大值，东北西部地区SPEI-12干旱程度较重，黑龙江中部、吉林西部以及辽宁西部少数地区SPEI-24达到极旱程度。2010年一2014年，东北大部分地区干旱程度有所减弱，其中以黑龙江北部、吉林东南部和辽宁中部地区改善最为明显。

3.2.3东北地区干旱频率空间变化

东北地区不同时间尺度下干旱发生频率空间分布如图8所示，由图中可以看出：隨时间尺度的增加，极旱发生范围逐渐扩大，24个月时间尺度下东北西部地区极旱发生频率较高。1个月和3个月时间尺度下，重旱发生频率在三省基本相同但黑龙江中南部发生频率稍大于其他省份地区；6个月、12个月和24个月时间尺度下，黑龙江东部，吉林和辽宁西部地区重旱发生频率较高。1个月时间尺度下吉林西部和中部、黑龙江西部以及辽宁南部中旱发生频率较高；3个月时间尺度下各省中旱发生频率相差不大；6个月时间尺度下吉林大部中旱发生频率较高于其他地区；12个月和24个月时间尺度下，黑龙江中部和吉林东部中旱发生频率较高。

4结论

（1）从时间分布上来看，东北地区春季和秋季极旱发生频率随时间尺度增加而升高；春季、夏季和冬季重旱发生频率随时间尺度增加而升高，中旱发生频率随时间尺度增加而降低。

（2）从空间分布上来看，以SPEI-3为例，冬季只有黑龙江发生极旱；春季、夏季和秋季各省份均有较低频率的极旱发生；春季和夏季重旱发生频率较高的地区为吉林和黑龙江交界处；中旱发生频率在各省均较高且分布不均匀。

（3）不同时间尺度下干旱发生频率随年代际变化而升高，表明东北地区存在明显的变干旱趋势；SPEI值在2000年以后明显小于2000年之前，表明东北地区干旱程度日趋严重。

（4）与东北地区实际近40年干旱成灾面积进行对比分析，结果证明了SPEI在东北地区干旱评估中的适用性。endprint