朱麗,呂瀟雨,郭浩,孟翔晨,田蕓菲
(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,山東 日照 276826)
干旱是一種頻發(fā)的自然災(zāi)害,與其他自然災(zāi)害相比,干旱災(zāi)害具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、損失嚴(yán)重等特點,造成農(nóng)作物損失、城市供水短缺、社會緊急狀態(tài)、土地退化和荒漠化加劇以及森林大火等一系列后果(侯瓊等,2020;張翔等,2021;王鶯等,2022)。緊急事件數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計結(jié)果表明,干旱災(zāi)害占總災(zāi)害數(shù)量的5%,但其帶來的損失卻占所有自然災(zāi)害損失的30%(Wang et al., 2014)。在氣候變化和人類活動不斷加劇背景下,干旱頻次不斷增加,影響面積也在不斷擴大(Yu and Zhai, 2020)。
基于站點觀測數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)干旱監(jiān)測研究為干旱風(fēng)險管理提供了重要的科學(xué)參考(張卓群等,2022)。但受建站時間、儀器損壞等影響,站點觀測資料經(jīng)常存在數(shù)據(jù)缺失和空間代表性差等問題,難以滿足大尺度、實時的干旱監(jiān)測需求。再分析資料具有時間序列長、時空分辨率高、數(shù)據(jù)一致性好、空間覆蓋范圍廣等優(yōu)勢,為氣候尺度的干旱監(jiān)測研究提供了寶貴的替代資料(Jiang et al., 2021;Zhang et al., 2021)。但受資料來源和再分析模型等影響,再分析資料在不同地區(qū)的干旱監(jiān)測應(yīng)用中表現(xiàn)各異(劉婷婷等,2022)。因此,再分析資料的適用性評價是干旱監(jiān)測研究的重要內(nèi)容。
ERA5(the Fifth Generation of European Reanalysis)是歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)推出的第五代再分析產(chǎn)品,包含大氣、陸地和海洋200余種變量數(shù)據(jù)。ERA5-Land(the Land Component of ERA5)是ERA5的陸地表面產(chǎn)品數(shù)據(jù)集,包含自1980年以來全球50多個變量的高空間分辨率(0.1°×0.1°)和時間分辨率(1 h)數(shù)據(jù)且免費開放獲?。∕uoz-Sabater et al., 2021)。近年來,諸多學(xué)者針對ERA5的降水要素精度開展了定量研究,發(fā)現(xiàn)ERA5降水資料能夠基本反映降水的實際空間分布格局和季節(jié)變化特征但仍存在多種降水誤差(Sharifi et al., 2019; 孫赫等, 2020; Amjad et al.,2020; Kolluru et al., 2020; Jiao et al., 2021)。比如,復(fù)雜地形會對ERA5降水?dāng)?shù)據(jù)的精度產(chǎn)生限制影響,且隨著地形坡度的增加,ERA5的降水資料精度下降(Sharifi et al., 2019; Amjad et al., 2020;楊麗杰等,2022;張海耀等,2022);干燥氣候?qū)RA5的降水估計造成較大偏差(Kolluru et al., 2020);在降水時間變化模擬方面,ERA5存在明顯的季節(jié)性降水誤差(Jiao et al., 2021),在夏秋季的準(zhǔn)確性普遍低于冬春季(呂潤清和李響,2021;劉婷婷等,2022)。以上研究強調(diào)了在水文氣候?qū)W等應(yīng)用中使用ERA5降水?dāng)?shù)據(jù)前需進行不同應(yīng)用場景下的適用性評價。如果忽略ERA5的降水誤差,會導(dǎo)致水文模擬中降水強迫徑流與實際情況嚴(yán)重偏離(Khanal et al., 2021)。然而,現(xiàn)有研究大多將ERA5降水?dāng)?shù)據(jù)與實測站點進行直接對比,較少關(guān)注其在干旱監(jiān)測等應(yīng)用中的適用性評價?;诖耍疚囊灾袊鴼庀缶职l(fā)布的逐日降水分析產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),對ERA5-Land降水產(chǎn)品的精度及其在黃河流域干旱監(jiān)測應(yīng)用中的誤差進行綜合定量評價,為ERA5-Land模型算法改進和干旱監(jiān)測應(yīng)用提供科學(xué)參考。
黃河發(fā)源于青藏高原,流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和山東9個?。▍^(qū))。黃河流域位于中國中北部地區(qū)(32.15°N—41.87°N,95.87°E—119.07°E),流域長1 900 km,南北寬1 100 km,干流總長5 464 km,流域總面積約79.5萬km2,占我國國土面積的8.28%(圖1)。內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)以上為上游,河長3 472 km,流域面積38.6萬km2;河口鎮(zhèn)至河南桃花峪為中游,河長1 206 km,流域面積34.4萬km2;河南桃花峪以下為下游,河長786 km,流域面積2.3萬km2(孫永軍,2008;唐梅英等,2022)。黃河流域地勢起伏顯著,主要包含青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原等地形區(qū)。流域大部地處干旱半干旱地區(qū),以溫帶季風(fēng)氣候為主,年降水量為200~600 mm,呈東南多、西北少的空間格局,降水季節(jié)分布不均,春季少雨、夏季多雨、冬季干冷(周帥等,2019;王俊杰等,2022)。該地區(qū)水資源匱乏且分布不均,氣候變化敏感性高,生態(tài)環(huán)境脆弱。受氣候變化與人類活動共同影響,干旱事件頻發(fā),給流域生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響(史尚渝等,2020)。
圖1 黃河流域地形及氣象站點空間分布Fig.1 The terrain and spatial distribution of the meteorological stations in the Yellow River Basin
1.2.1 中國逐日降水分析產(chǎn)品
1981—2020年中國逐日降水分析產(chǎn)品(China Precipitation Analysis Product, CPAP)(0.25°×0.25°)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.data.cma.cn),由國家氣象信息中心和中國氣象局基于2 400個氣象站點降水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合最優(yōu)插值技術(shù)得到。圖1為黃河流域用于生成CPAP的氣象站點分布。CPAP所用氣象資料均經(jīng)過極值檢驗、內(nèi)部一致性檢驗和空間一致性檢驗的三級質(zhì)量控制(Shen et al., 2010),經(jīng)獨立驗證發(fā)現(xiàn),CPAP具有較高精度,在0.5°×0.5°空間尺度上相對誤差為3.21%(Yan et al., 2010)。該數(shù)據(jù)集已廣泛應(yīng)用于遙感降水誤差評價的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)(Shen et al., 2010;Guo et al., 2016; Guo et al.,2022)。本文將日尺度CPAP累加至月尺度,作為評價ERA5-Land數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
1.2.2 ERA5-Land資料
ERA5-Land降水產(chǎn)品空間分辨率為0.1°×0.1°,時間分辨率為小時和月兩個版本,覆蓋范圍為90°S—90°N(Muoz-Sabater et al., 2021)。本文使用1981—2020年ERA5-Land月尺度降水網(wǎng)格數(shù)據(jù)(https://cds.climate.copernicus.eu/),為保證數(shù)據(jù)空間一致性,利用ArcGIS軟件的‘Aggregate’聚合工具,將空間分辨率0.1°×0.1°的ERA5-Land數(shù)據(jù)升尺度為0.25°×0.25°,以符合CPAP數(shù)據(jù)的空間分辨率。
Mckee等(1993)在評估美國科羅拉多地區(qū)干旱狀況時,提出了基于降水量的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index, SPI),能夠從多個時間尺度反饋干濕變化,其中1個月、3~6個月、9~24個月尺度的SPI分別用來表征氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱。SPI<0時表示降水低于多年平均水平,處于干旱狀態(tài),SPI>0則表示濕潤狀態(tài),按照SPI大小可以將干濕狀態(tài)劃分8個等級(表1)(Zarch et al.,2015)。作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的干旱指數(shù),SPI主要關(guān)注降水的相對變化,而非其絕對量。在降水量存在整體性偏差的情況下,SPI能夠忽略這種整體偏差,準(zhǔn)確捕捉干濕變化情況。本文基于1981—2020年黃河流域降水?dāng)?shù)據(jù),計算該流域1個月、3個月、6個月、12個月尺度的SPI,分別記為SPI1、SPI3、SPI6、SPI12。
表1 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)的干旱等級劃分Tab.1 The classification of drought grades based on standardized precipitation index
在任一尺度下,當(dāng)SPI連續(xù)3個月持續(xù)小于0,且SPI最小值小于-1時,認(rèn)為發(fā)生一次干旱事件。本文基于3個月時間尺度SPI(SPI3)識別干旱事件(Zhang et al., 2017; Bachmair et al., 2018),并對干旱特征進行定量分析,包括干旱歷時(Drought Duration, DD)、干旱嚴(yán)重度(Drought Severity, DS)、干旱烈度(Drought Intensity, DI)和干旱峰值(Drought Peak, DP)4個干旱特征指標(biāo)(圖2)。當(dāng)SPI開始小于0的月份定義為干旱事件開始月份,而SPI恢復(fù)為0時的月份為干旱結(jié)束月份(即由干旱轉(zhuǎn)為濕潤狀態(tài)),干旱結(jié)束月份與干旱開始月份差值即為干旱歷時(DD);干旱嚴(yán)重度(DS)為干旱期間所有SPI絕對值的累加,表示干旱總嚴(yán)重程度;干旱烈度(DI)為干旱嚴(yán)重度與干旱歷時比值,表示干旱事件烈度;干旱峰值(DP)為干旱期間SPI最大絕對值,表示干旱最嚴(yán)重狀態(tài)。
圖2 干旱特征示意圖Fig.2 The sketch of drought characteristics
研究區(qū)域內(nèi)每個網(wǎng)格識別的干旱事件數(shù)量不同,無法直接對比不同地區(qū)干旱歷時、干旱嚴(yán)重度和干旱烈度等,因此,對黃河流域內(nèi)逐網(wǎng)格識別干旱事件后,分別統(tǒng)計其干旱頻次,并對干旱歷時、烈度、嚴(yán)重度和峰值4個干旱特征進行平均得到平均干旱歷時(DDmean)、平均干旱嚴(yán)重度(DSmean)、平均干旱烈度(DImean)和平均干旱峰值(DPmean),具體公式如下:
式中:j表示干旱事件;N代表研究期間內(nèi)識別的干旱事件總數(shù);SPIi代表第i個月的SPI值。
采用相對誤差(Relative Bias, RB)、皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Correlation Coefficient, CC)、均方根誤差(Root Mean Squre Error, RMSE)和比例均方根誤差(Fractional Root Mean Square Error, FRMSE)作為評價ERA5-Land降水產(chǎn)品干旱監(jiān)測適用性的基本指標(biāo),具體公式詳見Guo等(2017)。
圖3為1981—2020年黃河流域CPAP和ERA5-Land降水產(chǎn)品的多年平均月降水量空間分布??梢钥闯觯S河流域降水呈現(xiàn)東南多、西北少的基本格局,ERA5-Land降水產(chǎn)品能夠反映出這種空間格局。然而,ERA5-Land降水產(chǎn)品在黃河流域上游和中游地區(qū)的南部以及黃河下游地區(qū)均存在明顯的降水高估。
圖3 1981—2020年黃河流域CPAP(a)和ERA5-Land降水產(chǎn)品(b)多年平均月降水量空間分布(單位:mm)Fig.3 The spatial distribution of multiyear mean monthly precipitation of CPAP (a) and ERA5-Land precipitation products (b) in the Yellow River Basin during 1981-2020 (Unit: mm)
圖4 為1981—2020年黃河流域CPAP和ERA5-Land降水量月際變化??梢钥闯?,黃河流域的降水量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征,其中冬季少雨,降水量集中于夏季,7月降水量最多。ERA5-Land能夠有效反映黃河流域降水量的月際變化,但各月均存在不同程度高估,冬季降水量高估5~15 mm,而夏季高估10~20 mm。
圖4 1981—2020年黃河流域CPAP和ERA5-Land降水量月際變化Fig.4 The monthly variation of precipitation of CPAP and ERA5-Land from 1981 to 2020 in the Yellow River Basin during 1981-2020
為定量評價ERA5-Land降水產(chǎn)品誤差,針對黃河全流域及流域上游、中游和下游繪制CPAP和ERA5-Land降水量散點圖并計算其相關(guān)系數(shù)、相對誤差、均方根誤差和比例均方根誤差(圖5)??梢钥闯?,在黃河全流域,ERA5-Land降水產(chǎn)品與CPAP存在較高相關(guān)性(CC=0.90),散點主要位于1:1線上方,降水量越大,偏離程度越大。說明ERA5-Land降水產(chǎn)品在全流域存在降水量的系統(tǒng)性高估(相對誤差為25.99%),且高估程度與降水量呈正比(RMSE=13.77 mm,F(xiàn)RMSE=0.27)。ERA5-Land降水產(chǎn)品對3個子流域降水量均存在一定程度高估,其中上游降水量誤差最大,相對誤差為30.26%;中游次之,相對誤差為22.28%;下游最低,相對誤差為9.07%。從ERA5-Land降水產(chǎn)品與CPAP的相關(guān)性看,ERA5-Land降水產(chǎn)品在上游和中游表現(xiàn)較好,CC分別為0.93和0.84,而下游CC僅0.60。盡管下游CC較低,但RMSE和FRMSE并不高(RMSE=6.26 mm、FRMSE=0.11)。這種現(xiàn)象歸結(jié)于兩方面原因:一方面,下游降水量較多,ERA5-Land降水產(chǎn)品在降水量多的地區(qū)誤差相對較大;另一方面,下游地區(qū)面積小、樣本量少,對相關(guān)系數(shù)和均方根誤差的計算存在一定影響。
圖5 1981—2020年黃河流域不同區(qū)域CPAP和ERA5-Land降水產(chǎn)品多年平均月降水量散點圖(a)全流域,(b)上游,(c)中游,(d)下游Fig.5 The scatterplots of multiyear mean monthly precipitation between CPAP and ERA5-Land precipitation products in different areas of the Yellow River Basin during 1981-2020(a) the whole basin, (b) the upper reaches, (c) the middle reaches, (d) the lower reaches
從1981—2020年黃河流域不同區(qū)域CPAP和ERA5-Land平均降水量逐月變化(圖6)可以看出,ERA5-Land降水產(chǎn)品在全流域存在較嚴(yán)重高估,誤差約29.65%。不同區(qū)域高估程度差異明顯,降水高估誤差幅度從上游到下游逐漸減少,上游ERA5-Land降水量高估明顯(RB=36.61%),中游次之(RB=23.02%),下游最低(RB=9.31%),與圖5一致。
圖6 1981—2020年黃河流域不同區(qū)域CPAP和ERA5-Land平均降水量逐月變化(a)全流域,(b)上游,(c)中游,(d)下游Fig.6 The monthly variations of mean precipitation in different areas of the Yellow River Basin of CPAP and ERA5-Land during 1981-2020(a) the whole basin, (b) the upper reaches, (c) the middle reaches, (d) the lower reaches
為評價ERA5-Land降水產(chǎn)品在干濕變化方面的表現(xiàn),分別對SPI1、SPI3、SPI6和SPI12的區(qū)域平均SPI值進行對比(圖7)??梢钥闯?,時間尺度越小,SPI振幅越大、頻次越高。ERA5-Land降水產(chǎn)品能夠有效捕捉不同時間尺度下大部分的干濕變化情況,但對干濕變化的頻次和幅度均存在明顯的高(低)估現(xiàn)象。不同時間尺度下,2006年以前,ERA5-Land降水產(chǎn)品傾向于低估干旱狀態(tài)而高估濕潤狀態(tài),2006年之后則相反,這種現(xiàn)象隨著時間尺度增大而愈加明顯。以3個月時間尺度為例[圖7(b)],1999年CPAP數(shù)據(jù)顯示黃河流域經(jīng)歷了一次嚴(yán)重的干旱事件,流域平均的SPI最低值達(dá)-2.27。盡管ERA5-Land也能檢測到此次干旱事件,但明顯低估了干旱的程度,其流域平均SPI最低值僅為-1.07。2015年夏秋季ERA5-Land雖然能夠捕捉到干旱事件的發(fā)生,但與基于CPAP計算的結(jié)果相比,其存在干旱程度的高估?;贑PAP計算的流域平均SPI最小值為-0.83,而ERA5-Land計算的流域平均SPI最小值則為-1.27??傮w上,ERA5-Land降水產(chǎn)品的表現(xiàn)隨著時間尺度增大而變差,相關(guān)系數(shù)從SPI1的0.80降低到SPI12的0.38,而RMSE則從SPI1的0.39增加至SPI12的0.60。
圖7 1981—2020年黃河流域不同時間尺度基于CPAP和ERA5-Land降水產(chǎn)品的區(qū)域平均SPI對比(a)SPI1,(b)SPI3,(c)SPI6,(d)SPI12Fig.7 The comparison of regional mean SPI with different time scales in the Yellow River Basin during 1981-2020(a) SPI1, (b) SPI3, (c) SPI6, (d) SPI12
2.3.1 多事件平均干旱特征誤差評價
為衡量ERA5-Land降水產(chǎn)品對干旱事件特征的捕捉能力,逐網(wǎng)格分別提取1981—2020年黃河流域基于CPAP和ERA5-Land降水產(chǎn)品的所有干旱事件,并對比其干旱特征空間分布(圖8)??梢钥闯觯^去40 a黃河流域上游干旱頻次較少但干旱歷時相對較長,而中下游干旱頻次較多但干旱歷時相對較短[圖8(a)、(c)]。經(jīng)統(tǒng)計,1981—2020年,CPAP在上游地區(qū)的平均干旱頻次約為24.96次,平均歷時約為6.73個月,而中游和下游干旱頻次分別為27.53、26.72次,平均歷時分別為5.83、6.05個月。在黃河流域,CPAP和ERA5-Land監(jiān)測到的平均干旱頻次分別為25.92、26.70次,平均歷時分別為6.39、6.02個月。ERA5-Land降水產(chǎn)品明顯高估黃河流域干旱頻次而低估干旱歷時[圖8(b)、(d)]。黃河流域在上游西北部和中游東南部地區(qū)干旱嚴(yán)重度較高且烈度較大[圖8(e)]。上游西北部地區(qū),ERA5-Land降水產(chǎn)品能夠有效捕捉干旱事件的嚴(yán)重度,而在中游東南部地區(qū)則低估對應(yīng)干旱事件的嚴(yán)重度[圖8(f)],同時對中下游的干旱烈度存在低估[圖8(g)、(h)]。值得注意的是,ERA5-Land對干旱頻次的高估可能與2006年以后SPI值的明顯低估有關(guān)。
圖8 1981—2020年黃河流域基于CPAP(a、c、e、g)和ERA5-Land降水產(chǎn)品(b、d、f、h)的干旱頻次(a、b,單位:次)、平均干旱歷時(c、d,單位:月)、平均干旱嚴(yán)重度(e、f)及平均干旱烈度(g、h)空間分布Fig.8 The spatial distribution of drought frequency (a, b, Unit: times), average drought duration (c, d, Unit: month number),average drought severity (e, f) and average drought intensity (g, h) based on CPAP and ERA5-Land precipitation products in the Yellow River Basin during 1981-2020
2.3.2 典型干旱事件特征
為分析ERA5-Land降水產(chǎn)品在干旱事件中的具體表現(xiàn),根據(jù)干旱嚴(yán)重度、烈度和歷時選擇4次典型干旱事件(表2),分別簡稱D1、D2、D3、D4。D1(1986年7月至1987年4月)歷時10個月,屬于歷時最長且嚴(yán)重度較高但烈度較低的干旱事件;D2(1995年3—7月)屬于歷時短但烈度高的干旱事件類型;D3(1998年9月至1999年6月)為過去40 a黃河流域最嚴(yán)重的干旱事件,干旱嚴(yán)重度高達(dá)8.81,峰值月份SPI平均絕對值高達(dá)2.27;D4(2013年2—5月)為歷時較短且烈度和嚴(yán)重度均較低的干旱事件。
表2 1986—2013年黃河流域典型干旱事件特征Tab.2 Characteristics of typical drought events in the Yellow River Basin from 1986 to 2013
圖9 為典型干旱事件干旱峰值月份不同等級干旱的空間分布,表3為典型干旱事件峰值月份不同等級干旱的面積比??梢钥闯觯珽RA5-Land降水產(chǎn)品基本能夠捕捉到干旱峰值的空間格局,但存在高估或低估。1986年11月,重度和極端干旱基本分布在黃河上游中部地區(qū)[圖9(a)],極端干旱面積占比9%,重度干旱面積占比26%。ERA5-Land降水產(chǎn)品在上游中部存在低估現(xiàn)象,而在中游北部存在一定高估[圖9(b)]。從不同等級干旱面積占比來看,中度干旱面積存在10%高估,重度干旱和極端干旱面積分別存在5%和4%的低估。1995年5月,重度和極端干旱主要集中在黃河上游地區(qū)[圖9(c)],總干旱面積占比達(dá)95%。ERA5-Land對極端和重度干旱存在較大程度低估[圖9(d)],極端干旱面積存在20%的低估。1999年2月黃河流域98%的地區(qū)處于干旱狀態(tài)[圖9(e)],極端干旱面積占比高達(dá)58%。ERA5-Land降水產(chǎn)品對極端干旱面積存在17%的低估。2013年3月,黃河流域干旱面積高達(dá)99%,但極端和重度干旱面積占比較低,ERA5-Land降水產(chǎn)品對極端和重度干旱面積分別存在19%和6%的高估,而對輕微干旱面積存在19%的低估。
表3 典型干旱事件峰值月份不同等級干旱面積占比Tab.3 The area ratio of drought with different grades at drought peak stage of typical drought events單位:%
圖9 1986年11月(a、b)、1995年5月(c、d)、1999年2月(e、f)及2013年3月(g、h)黃河流域基于CPAP(a、c、e、g)和ERA5-Land降水產(chǎn)品(b、d、f、h)的不同等級干旱空間分布Fig. 9 The spatial distribution of drought with different grades based on CPAP (a, c, e, g) and ERA5-Land precipitation products(b, d, f, h) in the Yellow River Basin in November 1986 (a, b), May 1995 (c, d), February 1999 (e, f) and March 2013 (g, h)
本文通過對黃河流域1981—2020年EAR5-Land降水產(chǎn)品在降水、干濕狀況、干旱事件特征等方面的捕捉能力進行評價和分析,得出以下結(jié)論:
(1)ERA5-Land降水產(chǎn)品在黃河流域存在明顯的降水高估現(xiàn)象,其中上游高估明顯,相對誤差高達(dá)30.26%,中游次之,相對誤差為22.28%,下游表現(xiàn)相對較好,相對誤差為9.07%。
(2)ERA5-Land降水產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)表征的干濕狀況存在一定程度高估或低估,隨著SPI尺度增大,高估(或低估)幅度也增加。從12個月時間尺度的SPI表現(xiàn)來看,2006年以前以高估為主,以后以低估為主。
(3)1981—2020年,ERA5-Land降水產(chǎn)品明顯高估干旱頻次,但低估干旱事件持續(xù)時間。同時,干旱烈度及干旱嚴(yán)重度也存在不同程度的高(低)估現(xiàn)象??傮w來看,在黃河流域上游對干旱事件特征高(低)估幅度最大,中游次之,下游最低。
(4)在典型干旱事件評價中,ERA5-Land降水產(chǎn)品表現(xiàn)一般,雖能捕捉到干旱分布區(qū)域,但不同等級的干旱面積占比誤差較大,對重度干旱和極端干旱面積存在較大幅度的高估或低估。