基于土壤含水率的骤发干旱和缓慢干旱时空特征分析

朱 烨，刘 懿，王 文，袁 飞，马明卫，吴光东，尹义星

（1. 南京信息工程大学水文与水资源工程学院，南京 210044；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验，南京 210029；3. 河海大学水文水资源学院，南京 210098；4. 华北水利水电大学水资源学院，郑州 450046； 5. 长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

0 引言

干旱是大气-陆面系统中的水分在一段时间内出现持续性短缺的自然现象[1]。与洪涝、地震等灾害不同，干旱的形成过程缓慢，旱情持续时间长达数月甚至数年，给工农业生产、生态环境以及人民用水安全等诸多方面造成严重损害[2-3]。自20世纪80年代开始，以增暖为背景的全球气候变化加速了水循环进程，干旱的频次、强度以及影响程度均呈上升趋势[4-8]。

近年来，一种以短历时-高强度为特征的骤发干旱（简称骤旱）逐渐引起国内外研究者的广泛关注[9-11]。不同于传统干旱缓慢、蠕变的特点，骤旱的爆发异常迅速，其严重程度通常可在极短时间内达到一定规模[12-13]。水汽输送不足、高温热浪、强风以及充足的日照等异常状态是诱发骤旱的主因[14-15]，在这些气候条件的促使下，植被蒸散发能力急速增强，土壤含水率急剧减少，陆-气系统的水分支出与消耗加快[16-17]。相比于缓慢干旱，骤旱的发生更具反常性、突发性和不可预见性，并且致灾强度大，尤其对于以作物为主的粮食生产与农业经济，极具威胁与破坏性[18-22]。

面对骤旱带来的新挑战，国内外学者在骤旱驱动机制及其时空演变特征方面开展了一定的研究工作[23-25]。例如，Hunt等[18]以土壤含水率为指示变量，探讨了骤旱形成初期降水与潜在蒸散发的平衡关系。Mo等[10,16]根据骤旱形成的物理条件进一步将其划分为2种类型，即降水亏缺和高温热浪分别主导的骤旱。Ford等[14]采用逻辑回归探究了骤旱爆发前的气象条件，发现骤旱与前期10～15 d的水热供需偏差（即降水与潜在蒸散发的差值）、饱和水汽压差等变量的相关性明显高于其与降水、气温的相关性。此外，还有一些研究基于陆面模式和水文模型模拟数据分析了不同区域骤旱发生频次及未来增温情景下骤旱的暴露度风险[13,17]。上述研究在认知骤旱现象层面取得了一定的成果，但相比于缓慢干旱，目前对骤旱的理解仍十分有限，国内外学者对于如何定义、量化骤旱事件还存在争议。例如，Mo等[10,16]通过对降水、土壤含水率、蒸散发、气温等变量设定不同阈值，给出了骤旱的操作性定义。Otkin等[26-27]则认为骤旱的识别方法中需要同时考虑干旱状态和快速发展2个特性。从干旱形成与发展的角度，旱情随时间的变化过程可大致可分为开始、持续、恢复、解除等几个阶段[28]。水分亏缺量在不同阶段呈现不同的变化特性，就骤旱而言，其开始阶段主要表现为水分亏缺量的急速累积，这一点与缓慢干旱的形成特征有本质的区别。目前，鲜有研究关注旱情开始阶段水分亏缺的衰减特性，并以此为出发点进一步分析骤发干旱与缓慢干旱的时空特征。

鉴于此，本研究利用ERA-Interim再分析产品（European Re-Analysis）土壤含水率数据，提出基于土壤含水率分位数的干旱事件及旱情开始阶段的识别方法，在此基础上分析1979－2018年中国干旱事件及其开始阶段历时的时空分布规律，通过选取典型干旱事件，重点分析典型骤发干旱和缓慢干旱的时空特征及二者在干旱演进过程中的联系，旨在从干旱监测的角度深入认识骤发干旱与缓慢干旱在旱情形成初期的演变特性，为提高干旱预警与综合应对能力提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1.1.1 ERA-Interim再分析产品

ERA-Interim再分析产品由欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMRWF）发布，该产品是基于上一代产品ERA-40发展而来[29]。相比于ECMRWF早期发布的产品资料，ERA-Interim在模拟精度、序列长度等方面都有显著改善。ERA-Interim提供4个不同土层深度的逐日土壤含水率数据，即0～7、＞7～28、＞28～100、＞100～289 mm，其可选用的空间分辨率包括0.25°、0.5°、0.75°、1°等。本研究选取高空间分辨率0.25°，时间跨度为1979－2018年，0～100 cm（即前3层）土壤含水率数据进行干旱分析。

1.1.2 实测站点土壤含水率数据

收集国际土壤含水率网络（International Soil Moisture Network，ISMN）发布的实测站点逐日土壤含水率数据，以验证基于再分析土壤含水率数据结果的可靠性。该数据集涵盖了分布在中国不同地区40个监测站点的观测数据以及CTP_SMTMN、HiWATER_EHWSN、MAQU 3个站网数据，其时间跨度为1981－1999年，监测深度为1 m。根据数据时空覆盖度分析结果，选取土壤含水率数据相对连续完整、分别位于干旱、半干旱、半湿润和湿润不同气候区的4个站点（其地理坐标分别为（89.25°E，42.83°N）、（105.23°E，35.22°N）、（114.02°E，33°N）、（106.6°E，23.9°N））进行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤含水率分位数

土壤含水率具有显著的区域性差异和季节性变化特征，不同区域或季节的土壤水深度或体积含水率侧重于反映当前时刻的土壤湿度状况，难以直接用于长历时、大范围干旱分析。鉴于此，本文将土壤含水率数据转化为土壤水分位数，以增强识别结果的时空可比性。土壤含水率分位数的具体计算步骤包括：1）逐日土壤含水率数据（前3层，即垂直深度为1 m）平均至周尺度；2）以周尺度为单位，将原时间序列拆分为52个时间序列（如图1所示，i=1, 2, …, 52周，n=1979, 1980, …, 2018年）；3）构建包含多种常用概率分布的函数库（如伽马分布、贝塔分布、对数分布、逻辑对数分布、威布尔分布、极值分布、广义极值分布等），并以Kolmogorov-Smirnov（KS）检验[30-31]、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）、以及拟合偏差（BIAS）为评判标准，为每个周的时间序列分别优选出拟合最佳的概率分布函数，进而计算土壤含水率分位数（如图1所示）；4）将得到的52个土壤含水率分位数周序列按照日历顺序重新组合，形成1个连续的长时间序列。

1.2.2 干旱事件及其开始阶段识别

1）基于土壤含水率分位数的干旱事件识别

本研究从土壤含水率的时程变化和旱情持续时间2个方面定义干旱事件。参考已有研究[32]，当土壤含水率低于40%分位数时，表明土壤开始出现由正常转干的迹象，可作为干旱过程的上边界；当土壤含水率低于20%分位数时，才会对生态环境造成显著影响，因此，以此阈值作为干旱过程的下边界以确保识别的干旱过程真正进入干旱状态。基于上述考虑，干旱事件的判别规则如下：1）对于一场干旱事件，其任意时刻的土壤含水率值不超过40%分位数，同时至少有1个时刻的土壤含水率值应低于20%分位数；2）一场干旱事件的起始时刻与终止时刻之间的时间间隔表示干旱事件的历时（Devent），如图2a中T1～T27和图2b中T′1～T′32。考虑到短历时干旱事件通常为小型干旱事件，致灾强度较弱，本研究主要考虑干旱历时不少于12周的干旱事件（即季节性干旱）。

2）干旱开始阶段识别

同其他自然灾害类似，根据水分亏缺的时程演变规律，干旱过程可分为旱情开始、持续发展、旱情缓解以及解除几个阶段[28]。以土壤含水率为表征的干旱过程为例（图2），旱情开始阶段历时（Donset）以水分亏缺量偏离正常状态的第一时刻为起点，以水分维持在相对较低水平并且无明显的下降或上升趋势（此时旱情进入持续发展阶段）为终点，是区分骤发干旱与缓慢干旱的关键特征之一。图2基于网格数据，展示了缓慢干旱与骤发干旱形成发展过程的示意图。可以看出，图2a中土壤含水率的衰减速率十分缓慢，历经T1至T24时刻，土壤含水率才低于20%分位数（图2a）；相比之下，图2b中土壤含水率衰减至20%分位数以下仅需2周（T′1～T′2），爆发迅速，是典型的骤发干旱事件。为清楚区分典型骤发干旱与缓慢干旱，综合考虑干旱事件样本的统计特征、传统干旱监测方法的失效范围以及已有研究成果[18,21,24-25]，本研究采用Donset不超过2周作为骤发干旱，Donset不小于8周作为缓慢干旱。

2 结果与分析

2.1 近40年中国干旱事件的时空分布特征

图3所示为1979－2018年干旱发生次数和平均干旱历时的空间分布情况。可以看出，二者均呈现显著的南北差异。其中，长江以北地区干旱事件数量整体偏多，干旱发生频次大多在15次以上（约每2～3 a发生1次），旱情持续时间超过26周。尤其在青海、宁夏以及新疆北部等地，长历时的干旱事件发生较为频繁。长江以南地区干旱事件数量相对较少，大多数地区不足场（约每4～5 a发生1次），并且旱情持续时间短，以干旱历时不超过20周居多。

根据干旱历时的大小，可进一步将上述干旱事件细分为季节干旱（12～26周）、多季干旱（＞26～52周）及跨年干旱（＞52周）。图4表明了不同干旱历时下旱情影响面积百分率（即处于干旱状态的网格数量与中国国土面积的比值）的时程演变规律。可以看出，对于旱情持续时间不足26周（约半年）的干旱事件，其影响面积在10%～20%之间波动并且没有明显的变化趋势。相比之下，干旱历时超过半年甚至1 a的长历时干旱事件变化显著，其旱情波及范围在2005－2015年间增幅明显，特别在2010年前后，受旱面积占全国面积的40%以上。上述分析表明，近40年中国干旱情势有朝着长历时、大范围的发展趋势。

2.2 旱情开始阶段的干旱特征分析

旱情开始阶段水分亏缺量的统计特性是区分骤发干旱与缓慢干旱的关键。基于前述方法，图5分别从旱情开始阶段的平均历时、开始阶段占干旱事件总历时的比例、骤发干旱和缓慢干旱发生频次的空间格局4个方面进行分析。从旱情开始阶段的平均历时来看（图5a），西北以及新疆地区，其旱情开始阶段的平均历时相对较长（超过12周），是缓慢干旱发生频次较高的区域（图5d）。土壤含水率衰减速率较快（干旱历时不超过5周）的地区则主要集中在长江以南、黄淮海以及东北北部。特别是在内蒙古中东部、西南地区、珠江上游以及长江下游，其干旱开始阶段的平均历时不足3周。结合图5c可以看出，这些地区也是骤发干旱频繁出现的区域。从开始阶段占干旱总历时的比例来看（图5b），青藏高原、黄河上游、西南三省、内蒙古东部、东北黑龙江等地比例相对较小，约为20%，表明上述区域易出现由骤发干旱发展为长历时持续性干旱的情形。从干旱监测的角度，由于骤旱爆发异常迅速（如不到2周的时间土壤含水率即可从40%分位数以上快速衰减至20%分位数以下），而目前较常用的干旱监测工具多以月尺度为主，因此在中国西南、黄淮海、内蒙古中东部、中国东北等骤旱发生频次较高的地区开展干旱监测与预警的难度加大。

图6所示为1979－2018年受骤发干旱和缓慢干旱影响的国土面积（发生骤旱或缓慢干旱的网格数量占中国国土面积的百分比）的时间序列。可以看出，2个序列的时程变化与图4干旱事件总影响面积的演变规律基本一致，整体呈略微上升趋势，并且在2005－2015年旱情的覆盖范围显著增加。2000年以前，骤发干旱的影响面积与缓慢干旱的差距不大，甚至在个别年份（如1988－1989年），骤旱事件的覆盖范围略高于缓慢干旱。2000年以后，缓慢干旱的影响范围显著增加。例如2006－2015年，缓慢干旱的覆盖范围约为骤旱波及范围的1.5～2.0倍。虽然缓慢干旱形成初期比骤旱更容易监测，但由于其涉及范围广，其危害性不容小觑，应当引起重视。

2.3 骤发干旱与缓慢干旱的联系

图7和图8分别提取了始于2010年秋季和2017年夏季的2场典型干旱事件，通过分析旱情形成过程中土壤含水率分位数的时空演变规律和旱情开始阶段的历时，进一步探讨骤发干旱与缓慢干旱的关系。如图7所示，2010年10－12月的旱情主要集中在黄淮海平原、内蒙古东北部以及四川北部。其中，位于内蒙古东北部、四川北部的旱情演进过程较快，从进入水分亏缺状态起历经2～4周，旱情便达到相对稳定状态，属于爆发迅速的骤发干旱。相比之下，黄淮海平原的旱情发展较缓慢，10月初该地区出现少数干旱斑块，随后旱情向东南扩张，5周以后干旱覆盖面积便初具规模，直到12月初大部分区域土壤含水率低于10%分位数，此时旱情处于稳定状态。总体上，黄淮海平原的干旱时空演变轨迹遵循传统缓慢干旱的形成规律，并且从旱情持续时间和波及范围看，该区域遭受的干旱程度更为严重。

与2010年秋季的时空演变格局不同，图8显示，内蒙古、东北东南部和东南沿海地区在2017年既遭遇了缓慢干旱，也有骤发干旱的侵袭。例如，横贯内蒙古和东北东南部地区，自2017年10月－2018年2月均显示较严重旱情（土壤含水率低至20%分位数以下），但从其相应开始阶段的历时来看，各干旱斑块之间差异较大，从不足2周到8周以上不等。这意味着上述地区既包含了发展速度较快的骤旱，同时也混合了开始阶段较长的缓慢干旱。2018年4月，在中国东南沿海地区也出现类似情形。以上分析表明，骤发干旱与缓慢干旱在空间上既可以独立存在，也可能相伴发生。

2.4 结果合理性分析

基于ERA-Interim土壤含水率数据的分析表明，在旱情开始阶段，中国南方湿润地区土壤含水率衰减速度相对较快，比北方干旱地区更容易发生骤旱。这一现象与前人基于再分析资料、陆面模式模拟数据、遥感监测等土壤含水率产品得到的结果基本一致[13,15,17,24-25]。为进一步验证上述结果的合理性，选取位于中国不同气候区具有较长实测土壤含水率资料的站点（数据来源于ISMN），按照前述步骤提取典型干旱事件，并分析旱情开始阶段土壤含水率的时程演变特性（图9）。

同ERA-Interim土壤含水率数据揭示的空间格局类似，基于实测土壤含水率的分析显示，位于湿润、半湿润地区的站点，其土壤含水率不足1月即可从40%分位数减少至20%分位数以下，衰减速率远快于干旱和半干旱地区。这表明旱情形成初期土壤含水率的衰减特性具有一定的地区差异，其空间分布特性很大程度上与研究区所处的气候条件以及下垫面土壤、植被等因素有关[27,32]。总体而言，ERA-Interim土壤含水率数据能够较准确地反映旱情开始阶段土壤水分的变化特性，可用于骤旱的监测与评估。

值得注意的是，作为一种极端现象，骤旱的发生具有反常性和突发性，旱情爆发前期及初期的气象驱动条件也极大地影响着旱情的进程。如在降水亏缺、高温热浪、强风等其他气象要素的共同作用下，植被蒸散发能力迅速增强，进而引起土壤含水率急剧减少，北方干旱地区也会出现骤发干旱，需要引起重视。

3 结论

本文提出基于土壤含水率分位数的干旱事件及旱情开始阶段的识别方法，分析了中国1979－2018年干旱事件及旱情开始阶段历时的时空分布特征，比较了骤发干旱与缓慢干旱在发生频次、影响范围上的差异，并选取典型干旱事件从其时空演变角度探讨了这2类干旱的联系，得出以下主要结论：

1）以土壤含水率为表征的干旱特征呈现明显的空间差异，长江以北地区干旱历时长且发生频繁，长江以南地区干旱事件数量相对较少且干旱历时较短；干旱影响面积方面，旱情持续时间不足26周的干旱事件，其影响面积的时间序列无明显变化，而对于干旱历时超过半年的干旱事件，其影响面积在2005－2015年间增幅明显，表明近40年中国干旱情势有朝着长历时、大范围的发展趋势。

2）旱情开始阶段的结果显示，西北、新疆地区旱情开始阶段的平均历时在12周以上，是缓慢干旱频繁发生的区域；长江以南、黄淮海以及东北北部土壤含水率衰减较快，旱情开始阶段平均历时不超过2周的典型骤旱事件主要集中在内蒙古中东部、珠江上游以及长江下游；骤发干旱的覆盖范围整体略微呈上升趋势但没有缓慢干旱变化显著，2000年以前，骤旱的影响面积与缓慢干旱较为接近，2006－2015年缓慢干旱的覆盖范围增幅显著，其覆盖范围约为骤旱影响范围的1.5～2.0倍。

3）2010 秋季和2017夏季2场典型干旱事件的时空演变轨迹表明，骤发干旱与缓慢干旱既可以独立存在也可能相伴发生。本研究的结果显示，在中国部分区域土壤含水率从正常状态衰减至临近凋萎仅需2周，其发展速度已远远超出目前以月尺度为主的干旱监测工具。在未来的研究中，亟需重新遴选最佳时间尺度，发展能够同时兼顾骤旱快速变化特性以及传统干旱缓慢、蠕变规律的新技术。