劉珂 姜大膀

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基于兩種潛在蒸散發(fā)算法的SPEI對(duì)中國(guó)干濕變化的分析

劉珂1, 2姜大膀1, 3

1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國(guó)際研究中心，北京100029;2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3中國(guó)科學(xué)院氣候變化研究中心，北京100029

利用美國(guó)普林斯頓大學(xué)高分辨率的全球陸面同化數(shù)據(jù)集和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心的輻射再分析數(shù)據(jù)，根據(jù)Thornthwaite和Penman-Monteith公式分別計(jì)算了1948～2008年中國(guó)區(qū)域潛在蒸散發(fā)量；而后，使用降水和兩套潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)分別計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)SPEI（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index），并以此研究了1949～2008年中國(guó)區(qū)域干濕變化時(shí)空特征以及兩種SPEI結(jié)果之間的差異；最后，給出了兩種SPEI在中國(guó)的適用區(qū)域。結(jié)果表明：兩種SPEI均顯示中國(guó)地區(qū)整體上存在變干趨勢(shì)，季節(jié)上以春季的變干趨勢(shì)最為顯著；空間上表現(xiàn)為以長(zhǎng)江為界的南澇北旱，顯著變干的區(qū)域有內(nèi)蒙古中部、華北、東北以及四川東部地區(qū)，顯著變濕的地區(qū)主要位于新疆北部和西部。同時(shí)，各種不同等級(jí)干旱也呈增加趨勢(shì)，其中以中等干旱增加最為顯著。1990年代中后期以來(lái)是中等和極端干旱發(fā)生最多的時(shí)期，空間上與SPEI顯著減小的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。兩種SPEI在冬、春季差異最大，這主要是由于期間兩種潛在蒸散發(fā)的計(jì)算結(jié)果之間存在很大差異。在Penman-Monteith公式中，由于空氣動(dòng)力項(xiàng)對(duì)冬、春季北方潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)顯著增加，基于該公式的SPEI相對(duì)而言能更合理地描述干濕變化特征。

潛在蒸散發(fā) SPEI 干濕變化 干旱

1 引言

氣候干濕狀況及其變率與人民生產(chǎn)生活息息相關(guān)，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)亦有重要影響，是氣候?qū)W領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。在以變暖為主要特征的全球變化背景下，溫度和降水等要素變化會(huì)影響地表水分收支平衡，從而最終改變地表干濕狀況。目前，對(duì)干濕狀況的研究多是通過(guò)相應(yīng)的指數(shù)來(lái)開(kāi)展，這些指數(shù)大體上分為兩類，一類是基于降水的單因子指數(shù)，另一類是基于降水以及其他氣象要素的綜合性指數(shù)（衛(wèi)捷等，2003）。在溫度變化背景下，僅用降水來(lái)衡量干濕變化的指數(shù)會(huì)有局限性，因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)通過(guò)調(diào)制地表蒸散發(fā)等過(guò)程改變地表干濕狀況，而降水單因子指數(shù)則無(wú)法體現(xiàn)增暖或者變冷對(duì)干濕的影響，盡管降水仍是決定地表干濕變化的一個(gè)重要因子（馬柱國(guó)和符淙 斌，2006）。近幾十年來(lái)，隨著全球變暖逐漸加劇，溫度等地表氣象要素變化所引起的蒸發(fā)潛力等變化已經(jīng)對(duì)地表干濕狀況產(chǎn)生了重要影響（Richard and Heim, 2002）；大氣環(huán)流模式試驗(yàn)結(jié)果表明，蒸發(fā)和蒸騰作用總體上能消耗80%的降水，同時(shí)溫度異常對(duì)干旱的效能等價(jià)于降水（Abramopoulos et al., 1998）。因此，在分析氣候變化背景下的干濕狀況時(shí)，需要尋求客觀合理的指標(biāo)來(lái)表征環(huán)境的干濕變化。

帕爾默干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index，PDSI；Palmer，1965）是目前干旱研究中常用的一種干濕指數(shù)，通過(guò)基于土壤水分平衡方程的PDSI能綜合反映降水和蒸發(fā)的作用。同時(shí)，該指數(shù)本身隨著時(shí)代的發(fā)展也得到了不斷修正和改進(jìn)，但其固有的缺陷依然存在，例如評(píng)估的干旱尺度依舊是9～12個(gè)月，自回歸特征使指數(shù)本身仍然受前4年指數(shù)的影響（Guttman, 1998）。目前氣象學(xué)者已經(jīng)利用PDSI進(jìn)行了大量干旱研究，研究結(jié)果總體表明1950年代以來(lái)中國(guó)東北、華北、西北東部和東北地區(qū)的干旱面積增加，新疆、長(zhǎng)江中下游、華南等地區(qū)的干旱面積呈減小趨勢(shì)（衛(wèi)捷等，2003；翟盤(pán)茂和鄒旭愷，2005；蘇明峰和王會(huì)軍，2006；姜大膀等，2009；Dai, 2011）。另一方面，干旱是一種多尺度現(xiàn)象，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI；McKee et al., 1993）因?yàn)槟茉诓煌臻g和時(shí)間尺度上評(píng)估干旱，且在6～12個(gè)月的時(shí)間尺度上與PDSI具有良好的可比性而被廣泛應(yīng)用在干旱研究中（Guttman，1998；Hayes et al., 1999；Lloyd-Hughes and Saunders，2002；Redmond，2002），但SPI受到質(zhì)疑最多的是該指數(shù)本身僅考慮了降水的作用。在我國(guó)，基于SPI對(duì)區(qū)域整體干濕變化趨勢(shì)的研究較少，已有的工作多是針對(duì)某一區(qū)域而展開(kāi)的。白永清等（2007）根據(jù)SPI指出中國(guó)南方大旱總體上呈減少趨勢(shì)，1980年代后以澇為主；馬建勇等（2012）利用SPI分析了中國(guó)東北5～9月的干濕變化，表明干旱呈增加趨勢(shì)，其中以東北南部增加最為明顯；李劍鋒等（2012）采用SPI分析了新疆干旱，表明北疆地區(qū)干旱發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間呈減少趨勢(shì)，南疆則有增加趨勢(shì)。

為了能綜合考慮降水、蒸發(fā)和蒸騰的作用，且能在多時(shí)間尺度上合理地評(píng)估干旱，一種基于降水量和潛在蒸散發(fā)（Potential Evapotranspiration，PET）的干濕指數(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI；Vicente-Serrano et al., 2010a）應(yīng)運(yùn)而生。鑒于SPEI綜合考慮了蒸散發(fā)和降水對(duì)干旱的影響，亦能在不同時(shí)間尺度上評(píng)估和檢測(cè)干旱，因此已被廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的干旱研究中（Vicente- Serrano et al., 2010b，2011；石崇和劉曉東，2012）。

現(xiàn)在，利用SPEI對(duì)中國(guó)區(qū)域干旱進(jìn)行評(píng)估和研究的工作還較少，同時(shí)SPEI原始計(jì)算過(guò)程中的潛在蒸散發(fā)的計(jì)算利用的是僅考慮了溫度的Thornthwaite（1948）公式，相對(duì)于Thornthwaite公式，Penman-Monteith公式（Monteith，1965）計(jì)算的潛在蒸散發(fā)不管是在干旱區(qū)還是在濕潤(rùn)區(qū)都與實(shí)測(cè)參考作物的蒸散量較為符合（Jensen et al., 1990）。因此，我們分別利用Thornthwaite和Penman- Monteith公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)，得到了基于兩套潛在蒸散發(fā)資料和同一套降水資料的SPEI值。其 中，SPEI_TH為根據(jù)Thornthwaite公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)，SPEI_PM則為根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)。本文基于這兩套SPEI結(jié)果，分析了1949～2008年中國(guó)區(qū)域干濕狀況及其時(shí)空演化特征以及二者之間的差異，最后討論給出了二者在中國(guó)的適用區(qū)域，以期為SPEI在中國(guó)區(qū)域干旱研究中的應(yīng)用提供參考。

2 數(shù)據(jù)和SPEI

本文所用資料為1948～2008年月平均地面氣象數(shù)據(jù)（包括：溫度、降水量、地表氣壓、2 m風(fēng)速、相對(duì)濕度、比濕、地表凈輻射通量、飽和水汽壓）。除地表輻射通量數(shù)據(jù)是NCEP再分析數(shù)據(jù)外，其他變量均來(lái)自美國(guó)普林斯頓大學(xué)的高分辨率全球陸面同化數(shù)據(jù)（http://hydrology.princeton.edu/ data.pgf.php[2013-11-17]；Sheffield et al., 2006），這套數(shù)據(jù)是利用全球站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與CRU（Climatic Research Unit）、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）、TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）和NASA（National Aeronautics and Space Administration）4種再分析數(shù)據(jù)對(duì)NCEP中的溫度和降水等要素進(jìn)行修正后得到的一套更加準(zhǔn)確的地面氣象變量數(shù)據(jù)集。目前這套數(shù)據(jù)已被用于了中國(guó)區(qū)域的干旱研究中（李明星和馬柱國(guó)，2012），且其中的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)與吳佳和高學(xué)杰（2013）新近發(fā)展的一套格點(diǎn)化的中國(guó)區(qū)域資料也具有較好的一致性。要素中地表輻射數(shù)據(jù)的水平分辨率是2.5°×2.5°，其他的水平分辨率為0.5°×0.5°，在計(jì)算潛在蒸散發(fā)時(shí)，輻射數(shù)據(jù)通過(guò)雙線性插值到與其他變量一致的0.5°×0.5°水平網(wǎng)格上。

SPEI原始程序可于網(wǎng)址（http://digital.csic.es/ handle/10261/10002?locale=en[2013-11-30]）下載。本文在計(jì)算SPEI時(shí)，分別利用了Penman-Monteith和Thornthwaite公式來(lái)計(jì)算潛在蒸散發(fā)，SPEI具體的計(jì)算過(guò)程這里不再贅述，更多信息請(qǐng)參閱Vicente- Serrano et al.（2010a）。與SPI一樣，SPEI是對(duì)表征干旱特征量的標(biāo)準(zhǔn)化，反映的是當(dāng)年干旱偏離正常年份的程度。文中對(duì)各類干濕事件的劃分按表1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。鑒于降水是年及更長(zhǎng)時(shí)間尺度上影響干旱的主要因子。而在更短的季節(jié)時(shí)間尺度上，除了降水因子外，溫度、氣壓、風(fēng)速等要素也會(huì)通過(guò)影響潛在蒸散發(fā)對(duì)干旱產(chǎn)生很大影響。因此，這里我們主要討論時(shí)間尺度為3個(gè)月的季節(jié)尺度干旱的時(shí)空變化特征。

3 1949～2008年中國(guó)干濕變化趨勢(shì)

3.1 1949～2008年SPEI時(shí)空變化特征

圖1是1949～2008年中國(guó)區(qū)域平均的年和季節(jié)SPEI_PM和SPEI_TH變化趨勢(shì)圖。兩種SPEI結(jié)果均顯示：近60年來(lái)，年和季節(jié)平均的SPEI都為明顯的減小趨勢(shì)，四季中以春季的減小趨勢(shì)最為明顯，冬季干濕變化趨勢(shì)最不明顯。此外，SPEI_TH顯示秋季也有顯著的變干趨勢(shì)，但SPEI_PM則未檢測(cè)到這種顯著的變干趨勢(shì)。其中，SPEI_TH所揭示的中國(guó)區(qū)域干濕變化趨勢(shì)與李偉光等（2012）利用160個(gè)觀測(cè)站的氣象資料根據(jù)Thornthwaite公式計(jì)算所得的SPEI結(jié)果相似，即年、春季和秋季的變干趨勢(shì)最為顯著。

圖1 1949～2008年中國(guó)區(qū)域平均的年（YEAR）、春季（MAM）、夏季（JJA）、秋季（SON）和冬季（DJF）SPEI_PM（實(shí)線）和SPEI_TH（虛線）變化趨勢(shì)，其中，“*”表示SPEI_PM通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)，“”表示SPEI_TH通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)

表1 SPEI的干濕等級(jí)劃分與概率

圖2是1949～2008年SPEI年均值變化趨勢(shì)的空間分布，表明兩個(gè)結(jié)果在干濕變化格局的空間分布上具有較好的一致性，但在干濕變化程度上存有一定的差異。一致性主要表現(xiàn)在：在30°N以北，除西北地區(qū)西部有一定的增加趨勢(shì)外，其他地區(qū)SPEI均為減小趨勢(shì)，其中以黃河中游的河套地 區(qū)、華北和東北地區(qū)南部的減小趨勢(shì)最為顯著，即這些地區(qū)有顯著的變干趨勢(shì)，這一空間分布特征與石崇和劉曉東（2012）直接利用Vicente-Serrano等的SPEI數(shù)據(jù)集在中國(guó)區(qū)域的分析結(jié)果具有較好的相似性，其他干旱指數(shù)如PDSI和CI指數(shù)也都揭示出中國(guó)北方具有明顯的變干趨勢(shì)（翟盤(pán)茂和鄒旭愷，2005；鄒旭愷等，2010；Dai, 2011）。差異性主要是，相對(duì)于SPEI_TH，SPEI_PM所示的中國(guó)北方變干而南方變濕趨勢(shì)更為清晰。

圖2 中國(guó)區(qū)域年平均的（a）SPEI_PM和（b）SPEI_TH變化趨勢(shì)分布 [單位：(10 a)?1]，其中標(biāo)豎線區(qū)為通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域

在季節(jié)尺度上（圖3），以春季的干濕變化分布特征最為清晰，其空間分布和年平均情形最相似，除了相同的變干區(qū)域外，春季的長(zhǎng)江中下游地區(qū)也有明顯變干趨勢(shì)。夏季，SPEI顯著減小的地區(qū)發(fā)生在內(nèi)蒙古中部、華北、東北地區(qū)以及四川盆地，同時(shí)變化趨勢(shì)顯著的地區(qū)較春季范圍要小一些。秋季，SPEI變化的空間分布特點(diǎn)是西南、東北和華北地區(qū)顯著變干，西北西部部分地區(qū)顯著變濕。冬季，河套、東北東部以及內(nèi)蒙古中部地區(qū)顯著變干，新疆北部以及東北西部顯著變濕。兩種SPEI在大的空間格局上具有較高的相似性，但在不同地區(qū)和不同季節(jié)間也存在著一定差異，在區(qū)域水平上主要表現(xiàn)為：春季，SPEI_PM顯著變干的面積和趨勢(shì)明顯要大于SPEI_TH結(jié)果，同時(shí)在青藏高原北部地區(qū)，兩者結(jié)果相反，即SPEI_PM結(jié)果為顯著變干，SPEI_TH則為顯著變濕；兩種SPEI結(jié)果在夏季和秋季的差異較?。欢?，SPEI_TH和SPEI_PM除在干濕變化程度方面存在差異之外，在新疆西部、黃河上游、西南地區(qū)東部和華南地區(qū)，兩者結(jié)果也相反，SPEI_TH為顯著變濕（新疆西部地區(qū)變干），而SPEI_PM則為顯著變干（新疆西部地區(qū)變濕）。

圖3 中國(guó)（a、e）春、（b、f）夏、（c、g）秋、（d、h）冬季（a、b、c、d）SPEI_PM和（e、f、g、h）SPEI_TH變化趨勢(shì) [單位：(10 a)?1]，其中標(biāo)豎線區(qū)為通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域

3.2 1949～2008年各級(jí)干旱事件的時(shí)空變化特征

圖4是按照SPEI干濕標(biāo)準(zhǔn)給出的中國(guó)區(qū)域平均的各級(jí)濕潤(rùn)和干旱事件發(fā)生月數(shù)變化趨勢(shì)圖。從中可以看出，除了極端濕潤(rùn)事件外，其他干濕事件都有顯著的變化趨勢(shì)，其中顯著減少的是中等和輕度濕潤(rùn)事件，極端、中等和輕度干旱事件則顯著增加。

干旱往往能造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生活帶來(lái)極大的威脅。在分析了中國(guó)區(qū)域整體的干濕變化趨勢(shì)后，我們根據(jù)SPEI定義的三類不同程度的干旱，分析了中國(guó)區(qū)域各級(jí)干旱事件的變化趨勢(shì)。從圖4可以看出，與SPEI減小趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，各級(jí)干旱均呈顯著增加趨勢(shì)。SPEI_PM結(jié)果表明：1960年代至1970年代中期，以及1990年代中期以來(lái)的兩個(gè)時(shí)段，是極端干旱的相對(duì)多發(fā)期。相對(duì)于極端干旱變化而言，中等干旱的增加趨勢(shì)更顯著，在極端干旱多發(fā)的兩個(gè)時(shí)期，中等干旱也處于多發(fā)期。輕度干旱整體上則呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)。就SPEI_TH來(lái)說(shuō)，極端干旱多發(fā)期只出現(xiàn)在1990年代中后期之后；在中等干旱方面，SPEI_TH與SPEI_PM結(jié)果較為一致；輕度干旱的增加趨勢(shì)則不顯著。

圖4 1949～2008年中國(guó)區(qū)域平均的年均6類干濕事件發(fā)生月數(shù)趨勢(shì)（單位：月）：（a）為SPEI_PM結(jié)果；（b）為SPEI_TH結(jié)果。“**”表示通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)

圖5是1949～2008年中國(guó)區(qū)域平均的季節(jié)尺度輕度、中等和極端干旱發(fā)生月數(shù)的變化趨勢(shì)圖。在變化趨勢(shì)最顯著的冬、春季，輕度干旱的變化可以概括為“中間多兩頭少”，1950年代和2000年后輕度干旱發(fā)生較少，中間時(shí)段較多。中等和極端干旱的增加趨勢(shì)在春、夏季也最為顯著，而在秋、冬季則不明顯。相對(duì)于中等干旱的逐漸增加，極端干旱增加只集中在兩個(gè)時(shí)段，一是1960年代和1970年代，二是1990年代中期以后。與年平均結(jié)果相似，SPEI_TH和SPEI_PM只在輕度和極端干旱方面存在較大差異，即與SPEI_PM所示的輕度干旱先增加再減小趨勢(shì)不同，SPEI_TH的變化特征不明顯，而且SPEI_TH的極端干旱發(fā)生月數(shù)在1960年代和1970年代要小于SPEI_PM的結(jié)果。

圖5 1949～2008年（a，b，c）SPEI_PM和（d，e，f）SPEI_TH所示的中國(guó)區(qū)域平均的春（MAM）、夏（JJA）、秋（SON）和冬（DJF）季（a，d）輕度干旱、（b，e）中等干旱和（c，f）極端干旱發(fā)生月數(shù)趨勢(shì)（單位：月），其中“**”表示通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)，其他說(shuō)明如圖1

圖6是輕度、中等和極端干旱年際變化趨勢(shì)的空間分布圖。兩種SPEI結(jié)果均顯示：河套、華北、西北地區(qū)南部和東北地區(qū)的中等干旱顯著增加。四季中，春季中等干旱增加趨勢(shì)顯著的區(qū)域最多，且主要集中在華北、河套、東北以及長(zhǎng)江中下游地區(qū)，其他季節(jié)增加趨勢(shì)顯著的地區(qū)只出現(xiàn)在華北和東北的某些區(qū)域。不同于中等干旱，輕度和極端干旱變化趨勢(shì)的空間特征不明顯，出現(xiàn)輕度和極端干旱顯著增加或減小的區(qū)域相對(duì)較少，增加趨勢(shì)明顯的地區(qū)與中等干旱明顯增加的地區(qū)一致。在總體增加趨勢(shì)最明顯的春季，極端干旱顯著增加的地區(qū)主要位于內(nèi)蒙古中部、河套和華北某些地區(qū)，其他季節(jié)變化趨勢(shì)顯著的地區(qū)分布則比較零散，輕度干旱顯著增加的地區(qū)主要位于華北北部。SPEI_TH與SPEI_PM差異較大的地區(qū)主要位于新疆北部、云南、華南和西藏高原北部等；在四季中，兩種結(jié)果在冬、春季的差異最大。

圖6 1949～2008年（a，b，c）SPEI_PM和（d，e，f）SPEI_TH所示的中國(guó)區(qū)域年均（a，d）輕度干旱、（b，e）中等干旱和（c，f）極端干旱變化趨勢(shì)分布（單位：a?1），標(biāo)豎線區(qū)為通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域，其他說(shuō)明如圖1

4 SPEI_PM和SPEI_TH差異原因分析

4.1 降水量變化對(duì)SPEI的影響

一個(gè)地區(qū)干濕變化的決定性因子是降水。由圖7可見(jiàn)，1949～2008年中國(guó)年和季節(jié)降水變化具有明顯的季節(jié)和區(qū)域差異。就年平均而言，降水變化呈現(xiàn)西北至東南向的正—負(fù)—正分布，東北東部、華北、河套以及西南的部分地區(qū)表現(xiàn)為顯著減少，西北西部地區(qū)、華東和華南地區(qū)則為顯著增加。季節(jié)尺 度上，江淮和長(zhǎng)江以南地區(qū)降水變化趨勢(shì)的季節(jié)差異最大，除夏季降水為增加趨勢(shì)外，其他季節(jié)降水均表現(xiàn)為不同程度的減少，東北東部、華北、河套和西南的部分地區(qū)降水量的減少趨勢(shì)在夏、秋季節(jié)最為顯著。這一結(jié)果與王大鈞等（2006）的臺(tái)站資料分析結(jié)果有很好的一致性。

在年降水量顯著減少的華北、西南、長(zhǎng)江中下游和海南島等地區(qū)（圖7a），對(duì)應(yīng)的是SPEI的顯著減小趨勢(shì)。但是從四季降水變化趨勢(shì)圖（圖7b–e）上，我們發(fā)現(xiàn)降水變化和SPEI變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在不同，特別是在春季，即某些降水增加的地區(qū)對(duì)應(yīng)的是SPEI減小趨勢(shì)，例如春季的山東半島地區(qū)；另外，某些降水減少不顯著地區(qū)對(duì)應(yīng)的是SPEI顯著減小的地區(qū)，例如在內(nèi)蒙古、華北和東北地區(qū)。這說(shuō)明降水對(duì)干濕變化有指示作用，但是在某些地區(qū)和季節(jié)也具有局限性，因此綜合考慮潛在蒸散發(fā)的影響能更加合理的識(shí)別和監(jiān)測(cè)干旱。

4.2 PET_PM和PET_TH比較分析

目前，考慮潛在蒸散發(fā)作用的干濕指數(shù)在計(jì)算過(guò)程中用的多是僅依賴于溫度因子的Thornthwaite公式，而與實(shí)際潛在蒸散發(fā)較為接近的Penman- Monteith公式由于用到的氣象因子數(shù)較多且計(jì)算復(fù)雜而少被使用。前面我們分析得到：同一個(gè)降水變化序列，兩種不同的潛在蒸散發(fā)計(jì)算方法得到的SPEI_TH和SPEI_PM之間存在著一定的差異，因此有必要把兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以尋求其內(nèi)在原因。圖8a是Thornthwaite和Penman-Monteith公式計(jì)算得到的中國(guó)區(qū)域平均潛在蒸散發(fā)（PET_TH和PET_PM）的季節(jié)循環(huán)變化曲線?？梢钥吹剑瑑煞N結(jié)果間存在的差異主要是：與PET_PM相比，PET_ TH在冬春季偏小，夏季偏大，其變化與溫度變化曲線一致；PET_TH在7月最大，而PET_PM峰值則出現(xiàn)在6月份，4～6月份兩者間差異達(dá)到最大。參照施曉暉和徐祥德（2006）的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，圖8b–g是中國(guó)各地區(qū)PET_TH和PET_PM的季節(jié)循環(huán)變化圖，可見(jiàn)在我國(guó)東北、華北和西北等北方地區(qū)PET_TH與PET_PM結(jié)果在4～6月份差異（負(fù)偏差）較大，7～9月份由負(fù)偏差轉(zhuǎn)為正偏差，9月份之后轉(zhuǎn)為負(fù)偏差；在長(zhǎng)江流域和西南地區(qū)，PET_TH都偏小，且在7月之前，負(fù)偏差逐漸增加，之后兩者間差異減小。而在華南地區(qū)，兩者間差異與北方地區(qū)類似，但是PET_TH從負(fù)偏差轉(zhuǎn)為正偏差的時(shí)間為5月，由正偏差轉(zhuǎn)為負(fù)偏差的時(shí)間為10月；相對(duì)于北方，華南地區(qū)PET_TH的單峰特征更明顯。

圖7 1949～2008年中國(guó)區(qū)域（a）年、（b）春季、（c）夏季、（d）秋季和冬（e）季降水變化趨勢(shì)（單位：mm d?1 a?1），其中標(biāo)豎線區(qū)為通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域

而在年際變化趨勢(shì)上，兩種潛在蒸散發(fā)也存在較大的差異。二者在中國(guó)區(qū)域整體上為增加趨勢(shì)，但在不同地區(qū)，PET_PM的增加趨勢(shì)表現(xiàn)出與PET_TH不同的特征。在東北、華北、江淮等地區(qū)，PET_PM在1960年代中期到1980年代為相對(duì)高值，這一特征對(duì)應(yīng)著SPEI_PM定義的各級(jí)干旱在這一時(shí)段發(fā)生較多（圖5a、b），同時(shí)也對(duì)應(yīng)著SPEI_PM在這一時(shí)段較大的負(fù)值區(qū)間（圖1a），而在PET_TH的變化趨勢(shì)中并不存在這一特征。

從上面的分析結(jié)果來(lái)看，PET_TH計(jì)算的潛在蒸散發(fā)要小于PET_PM結(jié)果，這是因?yàn)橛?jì)算潛在蒸散發(fā)的原理不同所致，Thornthwaite公式僅考慮了熱量因子對(duì)潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)，而Penman-Monteith公式則綜合考慮了熱量和空氣動(dòng)力兩個(gè)因子。雖然熱量因子對(duì)潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)相對(duì)較高，但隨著一年四季氣候條件的變化，空氣動(dòng)力因子的影響也在不停變化，進(jìn)一步計(jì)算Penman-Monteith公式中的輻射因子和空氣動(dòng)力因子的季節(jié)變化顯示，從春季到夏季，輻射項(xiàng)是主導(dǎo)因子，但在秋、冬季，空氣動(dòng)力因子逐漸占主導(dǎo)地位（圖8）。在空間上，北方地區(qū)的空氣動(dòng)力因子項(xiàng)對(duì)總潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)大于南方。此外，我們還計(jì)算了中國(guó)各區(qū)域1949～2008年輻射因子和空氣動(dòng)力因子占全年總潛在蒸散發(fā)百分比（圖9），發(fā)現(xiàn)輻射項(xiàng)約占全年潛在蒸散發(fā)的80%，但具有明顯的下降趨勢(shì)（約下降了10%）。四季中，以秋季、冬季和春季下降趨勢(shì)最明顯，即空氣動(dòng)力因子的影響不斷增加，特別是在北方地區(qū)。這說(shuō)明在估算中國(guó)北方的潛在蒸散發(fā)時(shí)，輻射因子項(xiàng)和空氣動(dòng)力因子項(xiàng)的影響都不能忽視，而在南方，潛在蒸散發(fā)的決定因子只是輻射因子項(xiàng)。

圖8 基于Thornthwaite（PET_TH）和Penman-Monteith（PET_PM，PET_PM_rad為輻射因子項(xiàng)，PET_PM_dyc為空氣動(dòng)力因子項(xiàng)）公式計(jì)算的（a）中國(guó)、（b）東北、（c）華北、（d）江淮、（e）華南、（f）西南和（g）西北區(qū)域平均的月平均潛在蒸散發(fā)

圖9 Penman-Monteith公式計(jì)算的中國(guó)、東北、華北、江淮、華南、西南和西北潛在蒸散發(fā)中的輻射因子（PET_PM_rad）和空氣動(dòng)力因子（PET_PM_dyc）占總潛在蒸散發(fā)的百分比

通過(guò)以上對(duì)潛在蒸散發(fā)計(jì)算結(jié)果的比較可見(jiàn)，兩者不管在均值和趨勢(shì)上都具有明顯差異，Thornthwaite公式由于只考慮了熱力作用，使其結(jié)果與Penman-Monteith公式相差較大；而Penman- Monteith公式同時(shí)考慮了熱力和動(dòng)力作用，其中熱力作用在春、夏季起主要作用，空氣動(dòng)力作用在秋、冬季逐漸占主導(dǎo)位置。隨著氣候變暖，其中空氣動(dòng)力因子對(duì)總潛在蒸散發(fā)貢獻(xiàn)明顯增加，特別是在北方地區(qū)。

5 結(jié)論和討論

分別利用Thornthwaite和Penman-Monteith公式計(jì)算了中國(guó)區(qū)域1948～2008年潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，并以此計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)SPEI_TH和SPEI_PM，進(jìn)而對(duì)中國(guó)年和季節(jié)干濕變化以及各級(jí)干旱事件變化進(jìn)行了分析，主要結(jié)論是：

從時(shí)間上來(lái)看，全國(guó)平均的SPEI_TH/PM均表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)，即變干趨勢(shì)。季節(jié)上，以春季變干趨勢(shì)最為顯著，冬季變干趨勢(shì)最不顯著。空間分布上，中國(guó)區(qū)域整體表現(xiàn)為南澇北旱，其間以長(zhǎng)江為界，顯著變干的區(qū)域主要包括內(nèi)蒙古中部、華北、東北以及四川東部地區(qū)，而長(zhǎng)江以南地區(qū)為變濕趨勢(shì)，但變濕的趨勢(shì)較不顯著，顯著變濕的地區(qū)主要位于新疆的北部和西部。四季中，以春季干濕變化的南北對(duì)比最為突出，另外春季長(zhǎng)江中下游地區(qū)變干趨勢(shì)也很明顯。

對(duì)于不同等級(jí)的干旱，中國(guó)區(qū)域整體都表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中中等干旱的增加趨勢(shì)最顯著；四季中，春季的增加趨勢(shì)最明顯。在整個(gè)時(shí)段上，1960年代～1990年代是輕度干旱發(fā)生最多的時(shí)段，1990年代中后期以來(lái)是中等和極端干旱發(fā)生最多的時(shí)期。四季中，冬、春季節(jié)的輕度干旱和冬季的中等干旱發(fā)生最多的時(shí)段出現(xiàn)在1960年代～1980年代，其他季節(jié)的各級(jí)干旱發(fā)生最多的時(shí)段則為2000年之后。空間分布上，各級(jí)干旱增加趨勢(shì)較顯著的地區(qū)對(duì)應(yīng)著SPEI_TH/PM顯著減小的區(qū)域，華北、內(nèi)蒙古中部、東北地區(qū)都是各級(jí)干旱發(fā)生頻繁的區(qū)域，各級(jí)干旱顯著減少的地區(qū)位于新疆地區(qū)。

雖然SPEI_TH和SPEI_PM在時(shí)間演變和空間分布上具有很大的相似性，但在具體區(qū)域和季節(jié)間仍有不同。差異較大的地區(qū)主要位于新疆、云南、華南和西藏高原北部等地區(qū)；差異較大的季節(jié)是冬、春季節(jié)。

在降水量和干濕變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系上，我們發(fā)現(xiàn)降水量是一個(gè)地區(qū)干濕變化的主控因子，但是在某些地區(qū)和季節(jié)，干濕變化更多地受到潛在蒸散發(fā)影響。通過(guò)對(duì)比分析Thornthwaite和Penman-Monteith公式計(jì)算所得的潛在蒸散發(fā)，發(fā)現(xiàn)它們不管在季節(jié)循環(huán)還是年際變化趨勢(shì)上都存在較大的不同，這種差異主要表現(xiàn)在：季節(jié)循環(huán)上，春季兩者間差異最大；年際變化上，由于Thornthwaite公式只是溫度的函數(shù)，因此PET_TH變化與溫度變化趨勢(shì)一致，Penman-Monteith公式是溫度等多氣象要素的函數(shù)，使得PET_PM變化趨勢(shì)較為復(fù)雜。造成兩種PET計(jì)算結(jié)果存在較大差異的原因主要是：Penman- Monteith公式除考慮了熱量因子之外，同時(shí)也考慮了空氣動(dòng)力因子的影響，其中空氣動(dòng)力因子對(duì)北方的秋、冬、春季節(jié)的潛在蒸散發(fā)影響較大，而對(duì)南方地區(qū)潛在蒸散發(fā)影響普遍較小。1949～2008年期間，空氣動(dòng)力因子對(duì)北方地區(qū)潛在蒸散發(fā)總的貢獻(xiàn)約增加了10%。鑒于Thornthwaite公式計(jì)算潛在蒸 散發(fā)較為簡(jiǎn)單，且在夏、秋季兩種SPEI結(jié)果差異較小，因而基于Thornthwaite公式的SPEI使用更為方便；而基于Penman-Monteith公式的SPEI則對(duì)中國(guó)冬、春季節(jié)北方地區(qū)的干濕變化有更好的刻畫(huà)能力。

需要指出的是，以往研究表明1980年代以來(lái)西北特別是西北西部地區(qū)的暖濕化趨勢(shì)被大量觀測(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí)（馬柱國(guó)和符淙斌，2006；王大鈞等，2006）。基于Thornthwaite公式的SPEI未能檢測(cè)出這一趨勢(shì)，而基于Penman-Monteith公式的SPEI則檢測(cè)到了新疆西部地區(qū)的明顯濕潤(rùn)化趨勢(shì)（圖2和3）。因此在西北干旱區(qū)，鑒于Thornthwaite公式計(jì)算的SPEI過(guò)度夸大了溫度對(duì)該區(qū)干旱的影響，因此宜謹(jǐn)慎使用。

致謝 感謝兩位審稿人的寶貴評(píng)閱意見(jiàn)。

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Analysis of Dryness/Wetness over China Using Standardized Precipitation Evapotranspiration Index Based on Two Evapotranspiration Algorithms

LIU Ke1, 2and JIANG Dabang1, 3

1,,1000292,1000493,100029

On the basis ofa high-resolution global meteorological dataset from Princeton University and monthly radiation data from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP), two types of Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) were established using precipitation in addition to two sets of potential evapotranspiration (PET) data, in which PET was calculated by Thornthwaite and Penman–Monteith formulas, respectively. On the basis of these results, the dryness/wetness trends over China during 1949–2008 measured by two SPEIs and their differences are analyzed. In addition, the applicable regions of the two SPEIs are evaluated. It is determined that a dryness trend for the entire country was indicated by the two SPEIs. Seasonally, the most significant dryness trend occurred in spring. Geographically, drought clearly increased in northern China but decreased in southern China, with a dividing line approximately along with the Yangtze River valley. A significant dryness trend was apparent over the areas of western Inner Mongolia, North China, northeastern China, and eastern Sichuan, whereas the opposite was indicated for northern and western Xinjiang. Moreover, different grades of drought events increased across the entire country. Among them, the moderate drought event showed the most significant increasing trend, and the occurrences of moderate and extreme drought events were the most frequent after the late 1990s for the entire study period. Spatially, the regions with an obvious upward trend of drought events corresponded to the regions with a downward trend of SPEI. It is noted that the difference between the two types of SPEI was largest in winter and spring because of differences in PET. In northern China, the contribution of an aerodynamic term to PET in the Penman–Monteith formula was determined to be important in winter and spring and hence gave more reasonable results.

Evapotranspiration, SPEI, Dryness/wetness, Drought

1006?9895(2015)01?0023?14

P467

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13265

2013?09?16；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2014?05?07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2012CB955401，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)GYHY201006022，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41175072

劉珂，女，1985年出生，博士研究生，主要從事干旱監(jiān)測(cè)和預(yù)估方面研究。E-mail: liuke@mail.iap.ac.cn