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.南京信息工程大學水文與水資源工程學院，江蘇 南京 210044；3.廣東省韶關市氣象局，廣東 韶關 512000)

引 言

干旱作為主要的自然災害之一，具有持續(xù)時間長、發(fā)生頻率高等特點[1]，會對農業(yè)生產、水資源利用、社會經濟發(fā)展造成嚴重影響[2]。干旱類型眾多，主要包括氣象、水文、農業(yè)和社會經濟干旱四種類型[3]。氣象干旱作為其他干旱發(fā)生的基礎，通常由氣候異常引起，如降水不足、高溫異常等[4]。在對干旱進行分析時，國內外通用的干旱指數主要包括標準化降水指數(standard precipitation index，SPI)、帕默爾干旱指數(Palmer drought severity index， PDSI)、降水Z指數、標準化降水蒸散指數(standard precipitation evapotranspiration index，SPEI)[5-9]，其中SPI和降水Z指數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間尺度，不能反映多時間尺度干旱特征；SPEI是依據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，而且具有多時間尺度。目前SPEI得到廣泛應用。

華北地區(qū)位于中國北部，干旱災害頻繁，據統(tǒng)計，該地區(qū)旱災平均受災面積居全國受災面積首位[10]，且氣象干旱強度呈明顯增強趨勢。研究表明，基于氣溫和降水的標準化降水蒸散指數(SPEI)更能表征華北地區(qū)的干旱特征，與實際干旱發(fā)生狀況吻合度更高[11-12]。但針對華北地區(qū)百年尺度的干旱時空變化研究很少。干旱主要受氣候自然變率驅動，是一種周期性的氣候變化[3]，分析長序列干旱的時空變化特征有助于進一步認識干旱的變化規(guī)律。考慮到天津作為華北地區(qū)極少數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，進行干旱長期特征的時空演變分析。

考慮到天津地區(qū)長序列站點數據單一，無法滿足空間變化特征分析，因此進一步利用美國全球降水氣候中心(Global Precipitation Climatology Centre，GPCC)降水產品[14-15]、東英吉利(East Anglia)大學氣候研究中心(Climate Research Unit，CRU)研發(fā)的降水、氣溫等產品[16-17]進行分析。首先對降水、氣溫產品進行天津地區(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空演變特征，結合降水、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、農業(yè)服務等決策提供借鑒。

1 資料和方法

1.1 資 料

1.1.1 臺站觀測數據

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據來源于天津市氣象信息中心，站點空間分布如圖1所示。文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網下載的審圖號為寧GS(2016)2923號的標準地圖制作，底圖無修改。

圖1 研究區(qū)13個氣象站點分布

1.1.2 格點數據

CRU TS4.0 4月氣溫數據空間分辨率為0.5°×0.5°，資料長度為1901年1月至2019年12月；GPCC-P月降水數據空間分辨率為0.5°×0.5°，資料長度為1901年1月至2016年12月。本文選用的分析時段為1921—2016年。

采用雙線性插值方法將格點數據轉換至對應站點，進一步進行對比。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指數數據

PDO指數是揭示年代際時間尺度的氣候變率強信號[18]，數據來源于https://psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/，時間長度選取1921—2016年。1.2方 法

1.2.1 判別方法

為驗證GPCC-P、CRU-T數據在天津地區(qū)的適用性，以觀測值為真值，應用相對誤差bias、相關系數R、標準差比率SDR作為指標進行評估。bias值越趨近于0，說明誤差越小，數據越接近；R的取值范圍為0～1，R越大，說明數據之間相關性越好，數據越接近；SDR越小，說明誤差越小。公式如下：

(1)

(2)

(3)

1.2.2 SPEI計算

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

(1) 采用Thornthwaite方法計算潛在蒸散量：

PET=16K(10T/I)M

(4)

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

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

(5)

式中：Γ為伽馬函數；ω0、ω1和ω2為原始數據序列Di的概率加權矩，計算方法參照文獻[7]。

(3)對累積概率密度進行標準化：

P=1-F(x)

(6)

(4)SPEI計算如下：

(7)

其中：當累積概率P≤0.5時，

當累積概率P>0.5時，

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 頻率計算

干旱頻率p的計算公式如下：

p=n/N

(8)

式中：n為季節(jié)干旱發(fā)生的次數；N為年數。

1.2.4 時間變化趨勢

對時間序列變化趨勢的計算參考文獻[15]，即以線性傾向率表示SPEI的時間變化趨勢。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，利用改進的modified Mann-Kendall趨勢檢驗方法(MMK)對干旱的變化趨勢進行顯著性檢驗[21-22]。

1.2.5 重標度極差分析法

重標度極差分析法(rescaled range analysis，簡稱R/S)，由英國水文學家HURST[23]提出，廣泛應用于水文、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(H)表示時間序列的分形特征和長期記憶過程[24]。當H<0.5時，表明具有反持續(xù)性；H=0.5，表明其為隨機序列，不具有持續(xù)性；當H>0.5時，表明具有正持續(xù)性;絕對值越靠近0.5，持續(xù)性越差。

2 數據適用性評估

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與其觀測值的相關系數均高于0.7，且均通過α=0.01的顯著性檢驗；冬季CRU-T、GPCC-P的相對誤差最高，夏季的相對誤差最??；GPCC-P的標準差比率(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與其觀測值相關系數均高于0.7，且均通過α=0.01的顯著性檢驗；春季和夏季CRU-T、GPCC-P的相對誤差低于秋、冬兩季；GPCC-P的標準差比率均在0.7以上，CRU-T的標準差比率均在0.5以上。

圖2 1921—2016年天津站逐月(數字1～12)CRU-T(紅色)、GPCC-P(藍色)(a)和1979—2016年春季(紅色)、夏季(藍色)、秋季(綠色)、冬季(紫色)13個站點(數字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，GPCC-P的適用性優(yōu)于CRU-T。

3 SPEI時空演變特征及預測

3.1 SPEI時間演變特征

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

為進一步分析天津地區(qū)干旱時間演變特征，以10 a為時間步長，每50 a作為一個時期，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個時期。從上述6個時期及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38.5%，春、夏季次之，秋季最小(33.5%)。

圖4 1921—2016年不同時期天津四季極旱(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個時期；7代表全時期)

天津所有等級干旱(SPEI≤-0.5)發(fā)生頻率的變化表現為春、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?？梢钥闯?，天津全區(qū)春季SPEI氣候趨勢在6個時期呈“升、降”分布特征，但均未通過MMK趨勢顯著性檢驗，具體表現為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。進一步探究SPEI變化與氣溫、降水的關系，天津全區(qū)春季CRU-T氣候趨勢在6個時期均呈上升趨勢，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為降水的增加；而1951—2000、1961—2010、1971—2016年春季干旱化主要是因為氣溫的升高。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)， 6個柱狀圖依次代表6個時期，紅色圓點代表通過MMK趨勢顯著性檢驗]

天津全區(qū)夏季SPEI氣候趨勢在6個時期整體呈“升、降”分布特征，具體表現為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個時期整體呈“降、升”分布特征，具體表現為1921—1970、1931—1980、1941—1990表現為下降趨勢，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，表明上升趨勢呈現明顯增大趨勢。天津全區(qū)夏季GPCC-P氣候趨勢在6個時期整體呈 “升、降”的分布特征，具體表表現為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-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個時期整體呈 “升、降、升”分布特征，具體表現為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個時期整體呈 “降、升”的分布特征，具體表現為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0.28 ℃·(10 a)-1。天津全區(qū)秋季GPCC-P氣候趨勢在6個時期整體呈“升、降、升”的分布特征，具體表現為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，其中1971—2016年天津北部薊州站氣候傾向率最大達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地位；1971—2016年濕潤化趨勢則是降水起主導作用。

天津全區(qū)冬季SPEI氣候趨勢在6個時期整體呈 “升、降”分布特征，具體表現為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個時期整體表現為上升趨勢，除1921—1970年上升趨勢不顯著外，其余時段均顯著，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個時期呈“升、降”分布特征，具體表現為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作用。

3.3 氣候影響因子分析

研究表明，氣候指數PDO與SPEI年代際變化有著密不可分的關系[3]。圖6為天津地區(qū)1921—2016年四季SPEI與PDO相關系數空間分布。可以看出，除秋季北部SPEI與PDO呈微弱正相關外，其他季節(jié)天津全區(qū)及秋季天津南部SPEI與PDO均呈負相關。春、夏季SPEI與PDO的相關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呈顯著負相關(P<0.05)，相關系數在天津北部可達0.29，秋、冬季相關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相關(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相關系數空間分布(紫色三角形表示通過α=0.05的顯著性檢驗)

3.4 未來SPEI趨勢

天津地區(qū)1951—2000、1961—2010、1971—2016年春、夏、冬季SPEI均表現為下降趨勢，秋季SPEI在1971—2016年為上升趨勢。進一步利用R/S分析未來SPEI的變化趨勢，對春季、夏季和冬季采用1951—2016年的數據進行分析，對秋季則采用1971—2016年的數據。通過R/S分析計算的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指數空間分布(藍色三角形表示H>0.65)

4 結 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個時期除秋季整體呈 “升、降、升”分布特征外，春、夏、冬季均表現為“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，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。