王 敏，尹義星，陳曉旸，郭 陽，徐 梅，羅傳軍

(1.天津市氣象信息中心，天津 300074；2.南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.廣東省韶關(guān)市氣象局，廣東 韶關(guān) 512000)

引 言

干旱作為主要的自然災(zāi)害之一，具有持續(xù)時(shí)間長、發(fā)生頻率高等特點(diǎn)[1]，會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源利用、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響[2]。干旱類型眾多，主要包括氣象、水文、農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)干旱四種類型[3]。氣象干旱作為其他干旱發(fā)生的基礎(chǔ)，通常由氣候異常引起，如降水不足、高溫異常等[4]。在對干旱進(jìn)行分析時(shí)，國內(nèi)外通用的干旱指數(shù)主要包括標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standard precipitation index，SPI)、帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index， PDSI)、降水Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standard precipitation evapotranspiration index，SPEI)[5-9]，其中SPI和降水Z指數(shù)考慮了降水對干旱的影響[5]，而PDSI主要考慮了降水、水分供給等因素[6]，然而因其有固定的時(shí)間尺度，不能反映多時(shí)間尺度干旱特征；SPEI是依據(jù)降水量和潛在蒸散發(fā)的差值偏離平均態(tài)的程度來研究干旱[7-8]，不僅考量了降水和蒸散發(fā)對干旱的作用，而且具有多時(shí)間尺度。目前SPEI得到廣泛應(yīng)用。

華北地區(qū)位于中國北部，干旱災(zāi)害頻繁，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)旱災(zāi)平均受災(zāi)面積居全國受災(zāi)面積首位[10]，且氣象干旱強(qiáng)度呈明顯增強(qiáng)趨勢。研究表明，基于氣溫和降水的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)更能表征華北地區(qū)的干旱特征，與實(shí)際干旱發(fā)生狀況吻合度更高[11-12]。但針對華北地區(qū)百年尺度的干旱時(shí)空變化研究很少。干旱主要受氣候自然變率驅(qū)動，是一種周期性的氣候變化[3]，分析長序列干旱的時(shí)空變化特征有助于進(jìn)一步認(rèn)識干旱的變化規(guī)律。考慮到天津作為華北地區(qū)極少數(shù)具有較早氣象觀測資料的地區(qū)之一，自1890年以來有單站連續(xù)的觀測資料[13]，因此選用天津地區(qū)作為代表區(qū)域，以SPEI為干旱指標(biāo)，進(jìn)行干旱長期特征的時(shí)空演變分析。

考慮到天津地區(qū)長序列站點(diǎn)數(shù)據(jù)單一，無法滿足空間變化特征分析，因此進(jìn)一步利用美國全球降水氣候中心(Global Precipitation Climatology Centre，GPCC)降水產(chǎn)品[14-15]、東英吉利(East Anglia)大學(xué)氣候研究中心(Climate Research Unit，CRU)研發(fā)的降水、氣溫等產(chǎn)品[16-17]進(jìn)行分析。首先對降水、氣溫產(chǎn)品進(jìn)行天津地區(qū)的適用性評估，通過分析天津地區(qū)各年代四季干旱的時(shí)空演變特征，結(jié)合降水、氣溫趨勢變化及太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation，PDO)與干旱的關(guān)系，探討在全球變暖背景下氣溫和降水對干旱的影響，以期揭示天津地區(qū)干旱的年代際變化特征，為抗旱減災(zāi)、農(nóng)業(yè)服務(wù)等決策提供借鑒。

1 資料和方法

1.1 資 料

1.1.1 臺站觀測數(shù)據(jù)

所用的天津單站1921—2016年和13個國家站(薊州、天津、武清、寶坻、東麗、西青、北辰、寧河、漢沽、靜海、津南、塘沽和大港站)1979—2016年的氣溫和降水觀測數(shù)據(jù)來源于天津市氣象信息中心，站點(diǎn)空間分布如圖1所示。文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)下載的審圖號為寧GS(2016)2923號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

圖1 研究區(qū)13個氣象站點(diǎn)分布

1.1.2 格點(diǎn)數(shù)據(jù)

CRU TS4.0 4月氣溫?cái)?shù)據(jù)空間分辨率為0.5°×0.5°，資料長度為1901年1月至2019年12月；GPCC-P月降水?dāng)?shù)據(jù)空間分辨率為0.5°×0.5°，資料長度為1901年1月至2016年12月。本文選用的分析時(shí)段為1921—2016年。

采用雙線性插值方法將格點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至對應(yīng)站點(diǎn)，進(jìn)一步進(jìn)行對比。春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月。

1.1.3 PDO指數(shù)數(shù)據(jù)

PDO指數(shù)是揭示年代際時(shí)間尺度的氣候變率強(qiáng)信號[18]，數(shù)據(jù)來源于https://psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/，時(shí)間長度選取1921—2016年。1.2方 法

1.2.1 判別方法

為驗(yàn)證GPCC-P、CRU-T數(shù)據(jù)在天津地區(qū)的適用性，以觀測值為真值，應(yīng)用相對誤差bias、相關(guān)系數(shù)R、標(biāo)準(zhǔn)差比率SDR作為指標(biāo)進(jìn)行評估。bias值越趨近于0，說明誤差越小，數(shù)據(jù)越接近；R的取值范圍為0～1，R越大，說明數(shù)據(jù)之間相關(guān)性越好，數(shù)據(jù)越接近；SDR越小，說明誤差越小。公式如下：

(1)

(2)

(3)

1.2.2 SPEI計(jì)算

SPEI首先由VICENTE-SERRANO等[7]提出，具有1、3、6、12和24個月等多時(shí)間尺度特征[17]，為分析天津地區(qū)季節(jié)SPEI長序列的演變情況，分別選取對應(yīng)季節(jié)的SPEI-3，作為四季SPEI。SPEI值越小，表示越干旱。SPEI計(jì)算公式如下：

(1) 采用Thornthwaite方法計(jì)算潛在蒸散量：

PET=16K(10T/I)M

(4)

式中：PET(mm)為潛在蒸散量；K為根據(jù)緯度計(jì)算的修正系數(shù)；T(℃)為月平均氣溫；I(℃)為年熱量指數(shù)；j為月份；M是由年熱量指數(shù)決定的系數(shù)。

(2)計(jì)算逐月降水量與潛在蒸散量的差值，記作Di，對其進(jìn)行正態(tài)化處理，因原始序列Di可能存在負(fù)值，SPEI計(jì)算采用了3參數(shù)的Log-logistic概率密度函數(shù)，其概率分布函數(shù)如下：

(5)

式中：Γ為伽馬函數(shù)；ω0、ω1和ω2為原始數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[7]。

(3)對累積概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

P=1-F(x)

(6)

(4)SPEI計(jì)算如下：

(7)

其中：當(dāng)累積概率P≤0.5時(shí)，

當(dāng)累積概率P>0.5時(shí)，

式中：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI可劃分為5個干旱等級[19-20]，如表1所示。

表1 基于SPEI干旱等級劃分

1.2.3 頻率計(jì)算

干旱頻率p的計(jì)算公式如下：

p=n/N

(8)

式中：n為季節(jié)干旱發(fā)生的次數(shù)；N為年數(shù)。

1.2.4 時(shí)間變化趨勢

對時(shí)間序列變化趨勢的計(jì)算參考文獻(xiàn)[15]，即以線性傾向率表示SPEI的時(shí)間變化趨勢。如SPEI呈下降趨勢，則表示干旱化趨勢，反之則表明濕潤化趨勢。此外，利用改進(jìn)的modified Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)方法(MMK)對干旱的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[21-22]。

1.2.5 重標(biāo)度極差分析法

重標(biāo)度極差分析法(rescaled range analysis，簡稱R/S)，由英國水文學(xué)家HURST[23]提出，廣泛應(yīng)用于水文、氣象等事件序列的分析，該方法可有效探索干旱等非線性系統(tǒng)趨勢的未來變化特征。通常用Hurst指數(shù)(H)表示時(shí)間序列的分形特征和長期記憶過程[24]。當(dāng)H<0.5時(shí)，表明具有反持續(xù)性；H=0.5，表明其為隨機(jī)序列，不具有持續(xù)性；當(dāng)H>0.5時(shí)，表明具有正持續(xù)性;絕對值越靠近0.5，持續(xù)性越差。

2 數(shù)據(jù)適用性評估

為評估GPCC-P、CRU-T在天津地區(qū)的適用性，利用Taylor圖對其進(jìn)行分析。從1921—2016年天津站逐月GPCC-P、CRU-T相對于其觀測值的Taylor圖[圖2(a)]可以看出，GPCC-P、CRU-T與其觀測值的相關(guān)系數(shù)均高于0.7，且均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)；冬季CRU-T、GPCC-P的相對誤差最高，夏季的相對誤差最小；GPCC-P的標(biāo)準(zhǔn)差比率(0.5～1)高于CRU-T。

從1979—2016年四季天津地區(qū)13個站CRU-T[圖2(b)]和GPCC-P[圖2(c)]相對于其觀測值的Taylor圖可以看出，GPCC-P、CRU-T與其觀測值相關(guān)系數(shù)均高于0.7，且均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)；春季和夏季CRU-T、GPCC-P的相對誤差低于秋、冬兩季；GPCC-P的標(biāo)準(zhǔn)差比率均在0.7以上，CRU-T的標(biāo)準(zhǔn)差比率均在0.5以上。

圖2 1921—2016年天津站逐月(數(shù)字1～12)CRU-T(紅色)、GPCC-P(藍(lán)色)(a)和1979—2016年春季(紅色)、夏季(藍(lán)色)、秋季(綠色)、冬季(紫色)13個站點(diǎn)(數(shù)字1～13)CRU-T(b)、GPCC-P(c)相對于其觀測值的Taylor圖

總體來看，GPCC-P和CRU-T均能較好地反映天津地區(qū)降水和氣溫的變化，同時(shí)，GPCC-P的適用性優(yōu)于CRU-T。

3 SPEI時(shí)空演變特征及預(yù)測

3.1 SPEI時(shí)間演變特征

1921—2016年春季[圖3(a)]極旱主要發(fā)生在2001年，重旱和中旱發(fā)生于1935、1941和2002年，整體而言全區(qū)干旱發(fā)生一致性較高；夏季[圖3(b)]1990年代后期發(fā)生干旱的頻率增大，極旱主要發(fā)生在1968、1997和1999年；秋季[圖3(c)]重旱和極旱主要發(fā)生在2005—2006年；冬季[圖3(d)]干旱集中發(fā)生在1920—1940年代，極旱和重旱主要發(fā)生在1990年代后期及2000年代初。

圖3 1921—2016年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)天津各站SPEI分布

為進(jìn)一步分析天津地區(qū)干旱時(shí)間演變特征，以10 a為時(shí)間步長，每50 a作為一個時(shí)期，將天津地區(qū)1921—2016年分為1921—1970、1931—1980、1941—1990、1951—2000、1961—2010、1971—2016共6個時(shí)期。從上述6個時(shí)期及1921—2016年四季天津地區(qū)各等級干旱發(fā)生平均頻率(圖4)可以看出， 1921—2016年四季天津地區(qū)均以輕旱及中旱為主，極旱發(fā)生頻率最低，不超過2%，其頻率在1951年后呈增加趨勢；冬季干旱最為頻繁，平均干旱頻率達(dá)38.5%，春、夏季次之，秋季最小(33.5%)。

圖4 1921—2016年不同時(shí)期天津四季極旱(a)、重旱(b)、中旱(c)、輕旱(d)和所有等級干旱(e)的平均頻率(1～6分別代表6個時(shí)期；7代表全時(shí)期)

天津所有等級干旱(SPEI≤-0.5)發(fā)生頻率的變化表現(xiàn)為春、夏干旱發(fā)生頻率增加，秋、冬季節(jié)減少，這表明天津地區(qū)干旱高頻季節(jié)由秋冬季逐漸向春夏季演變。

3.2 SPEI空間趨勢及影響因素

圖5為四季天津地區(qū)SPEI、CRU-T和GPCC-P的氣候傾向率空間分布。可以看出，天津全區(qū)春季SPEI氣候趨勢在6個時(shí)期呈“升、降”分布特征，但均未通過MMK趨勢顯著性檢驗(yàn)，具體表現(xiàn)為1921—1970、1941—1990年天津全區(qū)呈上升趨勢，其中1941—1990年天津南部每 10 a上升0.1；1951—2000、1961—2010、1971—2016年均呈下降趨勢，天津中部每10 a下降0.12。進(jìn)一步探究SPEI變化與氣溫、降水的關(guān)系，天津全區(qū)春季CRU-T氣候趨勢在6個時(shí)期均呈上升趨勢，且上升趨勢逐漸增大，1941—1990年天津東北部、1961—2000年及1971—2016年天津全區(qū)春季CRU-T上升趨勢顯著。春季GPCC-P除在1941—1990年呈下降趨勢(P>0.5)(西南部為微弱的上升趨勢)外，其余時(shí)期均呈上升趨勢。綜上所述，1921—1970、1941—1990年天津全區(qū)和1931—1980年天津西南部濕潤化主要是因?yàn)榻邓脑黾?；?951—2000、1961—2010、1971—2016年春季干旱化主要是因?yàn)闅鉁氐纳?。因此，前期天津春季濕潤化主要受降水增多影響，后期氣溫升高對干旱化趨勢貢獻(xiàn)更大。

圖5 春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)天津地區(qū)SPEI[單位：10-1 (10 a)-1]、CRU-T [單位：℃·(10 a)-1]和GPCC-P[單位：mm·(10 a)-1]的氣候傾向率空間分布[柱狀向上(向下)代表氣候傾向率為正(負(fù))， 6個柱狀圖依次代表6個時(shí)期，紅色圓點(diǎn)代表通過MMK趨勢顯著性檢驗(yàn)]

天津全區(qū)夏季SPEI氣候趨勢在6個時(shí)期整體呈“升、降”分布特征，具體表現(xiàn)為1921—1970、1931—1980、1941—1990年為上升趨勢，其中1931—1980年上升趨勢顯著，南部每10 a上升0.24，上升速率最大， 1941—1990年天津南部上升趨勢顯著，位于天津東南沿海的塘沽站和漢沽站每10 a上升0.14；而1951—2000、1961—2010、1971—2016年表現(xiàn)為下降趨勢，其中1961—2010、1971—2016年下降趨勢顯著，1961—2010年寧河每10 a下降0.30。 天津全區(qū)夏季CRU-T氣候趨勢在6個時(shí)期整體呈“降、升”分布特征，具體表現(xiàn)為1921—1970、1931—1980、1941—1990表現(xiàn)為下降趨勢，其中1921—1970年天津北部下降顯著，1931—1980、1941—1990年全區(qū)下降顯著；而1951—2000、1961—2010、1971—2016年均表現(xiàn)為上升趨勢，1941—1990年氣候傾向率為0.10～0.12 ℃·(10 a)-1且上升趨勢不顯著，而1961—2010、1971—2016年均上升顯著，且1971—2016年氣候傾向率為0.21～0.23 ℃·(10 a)-1，表明上升趨勢呈現(xiàn)明顯增大趨勢。天津全區(qū)夏季GPCC-P氣候趨勢在6個時(shí)期整體呈 “升、降”的分布特征，具體表表現(xiàn)為1921—1970、1931—1980、1941—1990年呈上升趨勢，其中1931—1980年上升顯著，氣候傾向率達(dá)5.78～9.72 mm·(10 a)-1，1941—1990年天津東南部上升顯著，氣候傾向率達(dá)3.98～4.99 mm·(10 a)-1； 1951—2000、1961—2010、1971—2016年呈下降趨勢，其中1961—2010年天津東部下降趨勢最為顯著，北辰站氣候傾向率達(dá)-11.99 mm·(10 a)-1。綜上所述，夏季天津地區(qū)干旱受氣溫、降水協(xié)同作用。

天津全區(qū)秋季SPEI氣候趨勢在6個時(shí)期整體呈 “升、降、升”分布特征，具體表現(xiàn)為1921—1970、1931—1980呈上升趨勢，其中1921—1970年上升趨勢顯著，每10 a上升0.18～0.21；而1941—1990、1951—2000和1961—2010年呈下降趨勢，其中1941—1990年天津東南部下降顯著，每10 a下降0.08～0.10，1951—2000年全區(qū)下降顯著，每10 a下降0.14～0.16；而1971—2016年呈上升趨勢，其中天津北部薊州站上升趨勢顯著，每10 a上升0.14。天津全區(qū)秋季CRU-T氣候趨勢在6個時(shí)期整體呈 “降、升”的分布特征，具體表現(xiàn)為1921—1970、1931—1980年為下降趨勢，其中1931—1980年下降顯著，氣候傾向率為-0.10～-0.08 ℃·(10 a)-1；而1941—1990、1951—2000、1961—2010和1971—2016年均呈上升趨勢，其中1951—2000、1961—2010和1971—2016年上升趨勢顯著， 1961—2010年天津西南部5站氣候傾向率達(dá)0.28 ℃·(10 a)-1。天津全區(qū)秋季GPCC-P氣候趨勢在6個時(shí)期整體呈“升、降、升”的分布特征，具體表現(xiàn)為1921—1970年呈上升趨勢，其中南部上升趨勢顯著，氣候傾向率為1.99～2.27 mm·(10 a)-1；1931—1980年天津北部下降趨勢不顯著，南部上升趨勢不顯著；1941—1990和1951—2000年下降趨勢不顯著；1961—2010、1971—2016年呈上升趨勢，且上升趨勢在增強(qiáng)，其中1971—2016年天津北部薊州站氣候傾向率最大達(dá)3.20 mm·(10 a)-1。綜上可知，1921—1970和1931—1980年呈濕潤化趨勢，是由氣溫和降水的協(xié)同影響所致，濕潤化最顯著地區(qū)出現(xiàn)在天津西南部；1941—1990和1951—2000年呈干旱化趨勢，是受氣溫升高和降水減少的協(xié)同影響；1961—2010年干旱化趨勢則是氣溫上升占主導(dǎo)地位；1971—2016年濕潤化趨勢則是降水起主導(dǎo)作用。

天津全區(qū)冬季SPEI氣候趨勢在6個時(shí)期整體呈 “升、降”分布特征，具體表現(xiàn)為1921—1970、1931—1980和1941—1990年呈上升趨勢，其中1921—1970上升顯著，東部每10 a 上升0.34， 1931—1980年除北部薊州上升趨勢不顯著外，其余站點(diǎn)上升均顯著，每10 a 上升0.26～0.39，1941—1990年天津南部地區(qū)上升顯著；1951—2000、1961—2010和1971—2016年呈下降趨勢，但不顯著。天津全區(qū)冬季CRU-T氣候趨勢在6個時(shí)期整體表現(xiàn)為上升趨勢，除1921—1970年上升趨勢不顯著外，其余時(shí)段均顯著，1961—2010年天津東部地區(qū)氣候傾向率最大[0.51 ℃·(10 a)-1]。天津全區(qū)冬季GPCC-P氣候趨勢在6個時(shí)期呈“升、降”分布特征，具體表現(xiàn)為1921—1970、1931—1980和1941—1990年呈上升趨勢，其中1931—1980年天津東南部上升最為顯著，氣候傾向率達(dá)1.11 mm·(10 a)-1；1951—2000、1961—2010年呈下降趨勢但不顯著；1961—2010年天津東南部3站為微弱上升趨勢，氣候傾向率為0.05～0.09 mm·(10 a)-1，1971—2016年全區(qū)下降不顯著，北部GPCC-P下降速率最大[0.36 mm·(10 a)-1]。綜上可知，1921—1970、1931—1980、1941—1990年全區(qū)均表現(xiàn)為氣溫上升、降水增多趨勢，降水增加是天津冬季濕潤化的主導(dǎo)因素；1951—2000、1961—2010、1971—2016年全區(qū)干旱化是由氣溫上升、降水下降協(xié)同作用造成，其中1961—2010年天津東南部冬季干旱化趨勢則主要是氣溫升高起主導(dǎo)作用。

3.3 氣候影響因子分析

研究表明，氣候指數(shù)PDO與SPEI年代際變化有著密不可分的關(guān)系[3]。圖6為天津地區(qū)1921—2016年四季SPEI與PDO相關(guān)系數(shù)空間分布?？梢钥闯?，除秋季北部SPEI與PDO呈微弱正相關(guān)外，其他季節(jié)天津全區(qū)及秋季天津南部SPEI與PDO均呈負(fù)相關(guān)。春、夏季SPEI與PDO的相關(guān)性整體上從西北向東南遞減，夏季天津西部、北部地區(qū)SPEI與PDO呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)在天津北部可達(dá)0.29，秋、冬季相關(guān)性則由東南向西北遞減，其中冬季在天津東部單站呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖6 天津地區(qū)1921—2016年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)SPEI與PDO相關(guān)系數(shù)空間分布(紫色三角形表示通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))

3.4 未來SPEI趨勢

天津地區(qū)1951—2000、1961—2010、1971—2016年春、夏、冬季SPEI均表現(xiàn)為下降趨勢，秋季SPEI在1971—2016年為上升趨勢。進(jìn)一步利用R/S分析未來SPEI的變化趨勢，對春季、夏季和冬季采用1951—2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對秋季則采用1971—2016年的數(shù)據(jù)。通過R/S分析計(jì)算的H空間分布如圖7所示，可以看出，春、秋季SPEI的H均趨近于0.5，這表明SPEI趨勢未來的持續(xù)性較弱；夏季SPEI的H>0.65，即SPEI將繼續(xù)保持下降趨勢；冬季天津西南部SPEI的H>0.65，表明天津西南部SPEI將保持下降趨勢。因此，未來夏季天津全區(qū)、冬季天津西南部呈干旱化趨勢，而春季干旱化趨勢、秋季濕潤化趨勢不明顯。

圖7 天津地區(qū)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)SPEI的Hurst指數(shù)空間分布(藍(lán)色三角形表示H>0.65)

4 結(jié) 論

(1)天津地區(qū)干旱主要發(fā)生于1940年代初期、1990年代末期和2000年代初期，冬季干旱最為頻繁，四季干旱均以輕旱和中旱為主。

(2)天津全區(qū)SPEI氣候趨勢在6個時(shí)期除秋季整體呈 “升、降、升”分布特征外，春、夏、冬季均表現(xiàn)為“升、降”的分布特征，且夏季下降趨勢最為顯著， 1961—2010年寧河每10 a下降0.30；1921—1970、1931—1980、1941—1990年天津春、冬季濕潤化趨勢主要由降水主導(dǎo)，而夏、秋季則由氣溫和降水協(xié)同影響； 1951—2000、1961—2010、1971—2016年春季干旱化趨勢主要受氣溫影響，夏、冬季則為氣溫和降水協(xié)同影響。

(3)Hurst指數(shù)表明，未來夏季天津全區(qū)、冬季天津西南部呈干旱化趨勢，而春季干旱化趨勢和秋季濕潤化趨勢不明顯。