基于氣候區(qū)的全球干旱形勢分析

吳陶櫻, 方秀琴, 吳小君, 杜曉彤, 汪 偉

(河海大學 地球科學與工程學院, 南京 211100)

干旱是一種發(fā)生在所有氣候區(qū)的常見的自然災(zāi)害，已經(jīng)引起了環(huán)境學家、生態(tài)學家、水文學家、氣象學家、地質(zhì)學家以及農(nóng)業(yè)科學家的注意。通常干旱被分為4類：氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱[1-5]。干旱發(fā)展緩慢，但造成的影響隨著季節(jié)或年份的持續(xù)而累積，并且在干旱結(jié)束后的一段時間內(nèi)，造成的影響并不會隨之結(jié)束[6]。例如，Schwalm等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當干旱發(fā)生后，干旱恢復(fù)時間與氣候和碳循環(huán)動態(tài)密切相關(guān)，熱帶地區(qū)和北半球高緯度地區(qū)(地球氣候系統(tǒng)的脆弱地區(qū))讓生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到干旱發(fā)生前的狀態(tài)需要的時間最長；Lesk等[8]研究發(fā)現(xiàn)由干旱造成的生產(chǎn)損失與收獲面積減少、產(chǎn)量下降有關(guān)，而極端高溫主要導致谷物產(chǎn)量下降；Doughty等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱發(fā)生期間，亞馬孫流域的樹木凈初級生產(chǎn)力沒有變化，光合作用減弱，樹木通過減少與生長無關(guān)(組織維護、自身防御)的自養(yǎng)呼吸來優(yōu)先生長，這將導致旱后樹木死亡率增加。因此對氣象干旱進行研究，了解氣象干旱的發(fā)生趨勢與模式，對預(yù)防可能引起的水文干旱及農(nóng)業(yè)干旱十分重要。

標準化降水指數(shù)(SPI)是McKee等[10]提出的，世界氣象組織(WMO)所推薦[11]的，用于描述氣象干旱的干旱指數(shù)。SPI的正值代表濕潤，負值代表干燥[12]。SPI值在-2到-1之間代表了中度干旱(下文用“中旱”表示)和嚴重干旱(下文用“重旱”表示)，當SPI≤-2時，代表了特大干旱(下文用“特旱”表示)[10]。由于SPI靈活簡單，它被廣泛用于各種干旱研究中，比如Wang等[13]、Leng等[14]、Hao等[15]、Mo[16]、張苗苗[17]、Park等[18]等均使用SPI來表示氣象干旱。

了解過去干旱發(fā)生的頻率和影響范圍對預(yù)計未來干旱的發(fā)生有極大幫助，目前對氣候與干旱的研究主要集中在兩方面：一方面是區(qū)域尺度氣候變化對干旱的影響，比如Leng等[14]利用標準化降水指數(shù)，標準化徑流指數(shù)和標準化土壤濕度指數(shù)，從氣象，農(nóng)業(yè)和水文角度評估氣候變化對我國干旱的影響，Wang等[13]基于氣候變化預(yù)測和降水尺度技術(shù)，評估氣候變化對伊利諾斯州中部干旱的影響可靠性，柳媛普等[19]對氣候變暖背景下我國西南地區(qū)的干旱風險進行評估；另一方面是氣候變化導致的干旱對生態(tài)、社會經(jīng)濟等方面造成的影響，比如Dallmann等[20]研究了氣候變化導致的干旱對印度移民的影響，Young等[21]研究了氣候變化導致的干旱對樹木死亡率的影響，王華等[22]研究了氣候變暖背景下廣東氣象災(zāi)害的變化及對廣東冬種的影響。而對于全球的氣候區(qū)內(nèi)干旱的特征及變化的研究不多，并且現(xiàn)有的少量研究僅在區(qū)域尺度上進行氣候區(qū)內(nèi)干旱特征探究，如Park等[18]對美國2000—2012年干旱區(qū)與濕潤區(qū)作物生長季的氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱進行了研究，以及Son等[23]對亞洲季風區(qū)不同氣候區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊祬^(qū)的干旱特征進行了研究。

同一氣候區(qū)內(nèi)因氣溫、降水條件相似，空間相關(guān)性較高，發(fā)生干旱特征也更相似，因此本文使用基于衛(wèi)星的數(shù)據(jù)集，采用SPI指數(shù)，對全球陸地及各氣候區(qū)內(nèi)的干旱趨勢進行研究，得到全球陸地及各氣候區(qū)內(nèi)的干旱特征及變化形勢。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù) 據(jù)

本文所使用的SPI數(shù)據(jù)來自于MERRA數(shù)據(jù)集(Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)。MERRA是最近推出的一套基于將現(xiàn)場和遙感觀測資料同化為全球大氣和陸地表面數(shù)值模式的全球長期再分析產(chǎn)品(http:∥dx.doi.org/10.608 4/m9.figshare.853 801)，除了估算大氣條件外，再分析產(chǎn)品還提供陸地表面場的估算，包括地面氣象強迫數(shù)據(jù)(如降水，輻射，氣溫和濕度)以及地表狀態(tài)和通量(如土壤濕度，雪和徑流)，其中包括SPI數(shù)據(jù)[24]。本研究所使用的SPI的時間跨度為1980年1月—2013年9月，空間分辨率為0.67°×0.5°，時間分辨率為月尺度，數(shù)據(jù)覆蓋全球陸地(其中格陵蘭島大部分地區(qū)和南極沒有數(shù)據(jù))。

氣候區(qū)的分類參考柯本—蓋格氣候分類方法[25](http:∥koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/present.htm)，并作了一定改進?？卤尽w格氣候分類按氣溫和降水分為30個氣候區(qū)，在此基礎(chǔ)上我們考慮氣溫、降水和區(qū)域位置及面積進行一定程度的歸類，歸類條件見表1，歸類后一共劃分了12個氣候分區(qū)，作為本研究所采用的氣候分區(qū)。

表1 中Tmin表示最冷月月均溫，Tmax表示最熱月月均溫，Tmon表示月均溫，Pmin表示最干燥月份降水量，Pann表示年降水量，Pth表示降水閾值，計算如式(1)所示，Psmin表示夏半年降水最少月份降水量，Pwmin表示冬半年降水最少月份降水量，Pwmax表示冬半年降水最多月份降水量。

(1)

其中Tann表示年均溫，夏半年指北半球4—9月，南半球10—3月，冬半年指北半球3—10月，南半球4—9月。

1.2 方 法

本文采用SPI-6(由當月及前5個月的降水計算得到)[10]進行研究，參考GB/T20481～2017氣象干旱等級，本研究使用的干旱等級是：(1)-2

表1 12個氣候分區(qū)歸類條件

M-K趨勢檢驗是指對樣本的相對大小進行比較，并返回一個樣本是否有某種趨勢的判斷。對一個隨機變量組X(x1,x2,…，xn)，M-K趨勢檢驗方法見式(2)：

(2)

其中n表示樣本大小，sgn是個符號函數(shù)：

(3)

在M-K檢驗中，當式(2)中的S>0時，表示隨機變量組有增長的趨勢，當S<0時，表示隨機變量組有減少的趨勢。趨勢的顯著性可以用z檢驗來獲得：

(4)

其中z代表標準z統(tǒng)計檢驗[28]，σ是標準差，可用式(5)近似表示：

(5)

本文使用0.05，0.01的置信水平，分別表示95%和99%的可信度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氣候區(qū)干旱面積占比變化

1980—2013年中旱、重旱(-2

(1) 在熱帶氣候區(qū)內(nèi)，2000年之前發(fā)生大范圍(干旱面積占比超過全球陸地)干旱的頻率較小，但是干旱發(fā)生時的影響范圍(干旱面積占比)較大。2000年之后發(fā)生大范圍干旱的頻率有較大幅度增加，但是干旱發(fā)生時的影響范圍比2000年之前有略微減小。在熱帶的3個氣候區(qū)內(nèi)，熱帶雨林氣候區(qū)在2000年前干旱發(fā)生的影響范圍最大，2000年之后干旱發(fā)生的影響范圍有所下降；熱帶季風氣候區(qū)在2000年后干旱發(fā)生的影響范圍最大，發(fā)生大范圍干旱的頻率有所上升；熱帶稀樹草原氣候區(qū)在2000年之后發(fā)生大范圍干旱的頻率有所增加。

(2) 在干燥氣候區(qū)內(nèi)，干旱發(fā)生的影響范圍與發(fā)生大范圍干旱的頻率沒有太大差別。在干燥氣候的兩個氣候區(qū)內(nèi)，半干旱氣候區(qū)在2003年前干旱發(fā)生的影響范圍較大，而2003年之后干旱發(fā)生的影響范圍大幅度減小，而沙漠氣候區(qū)發(fā)生干旱的影響范圍與發(fā)生大范圍干旱的頻率均沒有太大差別。

(3) 在溫帶氣候區(qū)內(nèi)，發(fā)生大范圍中旱、重旱的頻率沒有太大差別，2003年之后干旱發(fā)生的影響范圍略微有所增加，而對于特旱，2005年前發(fā)生大范圍干旱的頻率與影響范圍均比2005年后大。在溫帶的3個氣候區(qū)內(nèi)，2005年后海洋性氣候區(qū)發(fā)生大范圍特旱的影響范圍與頻率下降到與全球平均相當，發(fā)生大范圍中旱、重旱的影響范圍與頻率沒有太大差別；地中海氣候區(qū)2005年后發(fā)生大范圍特旱的影響范圍與頻率也有大幅度下降，發(fā)生大范圍中旱、重旱的影響范圍與頻率同樣沒有太大差別；而濕潤亞熱帶氣候區(qū)發(fā)生大范圍中旱、重旱以及大范圍特旱的影響范圍與頻率均無太大差別。

圖1 1980-2013年中旱、重旱(-2

圖2 1980-2013年特旱(SPI≤-2)在全球陸地及12個氣候分區(qū)面積占比

(4) 在大陸性氣候區(qū)內(nèi)，發(fā)生大范圍干旱的影響范圍與頻率均在2000年后有所下降。在大陸性氣候區(qū)的兩個氣候區(qū)內(nèi)，濕潤大陸性氣候區(qū)在2000年后發(fā)生干旱的影響范圍有略微減少，頻率有較大幅度下降；而亞寒帶氣候區(qū)在2000年后大范圍干旱發(fā)生的影響范圍以及頻率均有較大幅度下降。

(5) 在極地氣候區(qū)內(nèi)，由于冰原氣候區(qū)所在范圍主要是南極和格陵蘭島，我們的原始數(shù)據(jù)只覆蓋了很小一部分，即便有干旱發(fā)生，影響范圍也十分有限。而苔原氣候區(qū)除1990年代有較大范圍的干旱，其余年份的干旱情況與全球平均相持平，并且自2000年后發(fā)生干旱的影響范圍略低于全球平均水平。

表2 1980-2013年全球陸地和各氣候區(qū)干旱面積

表2分別列出了1980—2013年全球陸地和各氣候區(qū)處于干旱下的面積百分比變化范圍和平均值。從圖1、圖2和表2中可以得知，對于全球五大氣候區(qū)(熱帶氣候區(qū)、干燥氣候區(qū)、溫帶氣候區(qū)、大陸性氣候區(qū)和極地氣候區(qū))：

(1) 相對濕潤的氣候區(qū)(如熱帶氣候區(qū)中的熱帶雨林氣候區(qū)、干燥氣候區(qū)中的半干旱氣候區(qū)、大陸性氣候區(qū)中的濕潤大陸性氣候區(qū)、極地氣候區(qū)中的苔原氣候區(qū))內(nèi)發(fā)生干旱的影響范圍更大；

(2) 降水相對較少的氣候區(qū)(如熱帶氣候區(qū)中年均降水最少的熱帶稀樹草原氣候區(qū)，以及干燥氣候區(qū))內(nèi)發(fā)生大范圍干旱的頻率相對更高；

(3) 各氣候區(qū)發(fā)生干旱影響范圍與大范圍干旱的頻率大部分在21世紀后發(fā)生變化：熱帶氣候區(qū)在2000年前后發(fā)生干旱影響范圍減小、大范圍干旱的頻率增加，干燥氣候區(qū)中的半干旱氣候區(qū)在2003年前后發(fā)生干旱影響范圍大幅度減小，溫帶氣候區(qū)在2003—2005年前后發(fā)生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率有較復(fù)雜的變化，大陸性氣候區(qū)在2000年前后發(fā)生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率均有所下降，極地氣候區(qū)中的苔原氣候區(qū)在2000年前后發(fā)生干旱的影響范圍與大范圍干旱頻率均降低，且略低于全球平均水平。

2.2 不同氣候區(qū)干旱面積變化趨勢

在統(tǒng)計了全球陸地及各氣候區(qū)發(fā)生干旱的面積變化情況后，我們使用M-K檢驗對全球及各氣候區(qū)的干旱面積變化趨勢進行了檢驗，結(jié)果見表3。

表3 1980-2013年全球陸地及各氣候區(qū)干旱面積變化趨勢

注：*表示通過0.05顯著性檢驗；**表示通過0.01顯著性檢驗

從表3可看出，熱帶雨林氣候區(qū)、半干旱氣候區(qū)、地中海氣候區(qū)和冰原氣候區(qū)沒有顯著的干旱面積變化趨勢。熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)、濕潤亞熱帶氣候區(qū)和海洋性氣候區(qū)發(fā)生干旱的面積均有變大趨勢，并且熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)、濕潤亞熱帶氣候區(qū)均通過了0.01顯著性檢驗，海洋性氣候區(qū)通過了0.05顯著性檢驗；熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)和濕潤亞熱帶氣候區(qū)發(fā)生特旱等級干旱的面積都有顯著變大的趨勢，并且都通過了0.01顯著性檢驗。全球陸地、濕潤大陸性氣候區(qū)、亞寒帶氣候區(qū)和苔原氣候區(qū)干旱面積均有變小趨勢，并且均通過了0.01顯著性檢驗；亞寒帶氣候區(qū)發(fā)生特旱等級干旱的面積有顯著變小的趨勢，并且通過了0.01顯著性檢驗。

2.3 柵格SPI值M-K檢驗結(jié)果

在對全球陸地及各氣候區(qū)發(fā)生干旱的趨勢進行檢驗后，我們又對所有柵格的SPI值進行了M-K檢驗，以查看全球陸地的變化趨勢(變干趨勢和變濕趨勢)。對柵格SPI值進行M-K檢驗的結(jié)果如圖3所示，顏色越深表示變干或變濕的趨勢越顯著。

圖3 柵格M-K檢驗結(jié)果

從圖3可以看出，北美洲西海岸、南美洲大部分地區(qū)、非洲東部一大半地區(qū)、歐洲西部和北部、阿拉伯半島、亞洲中南半島北部、白令海峽一帶有非常顯著的變干趨勢；北美洲北部、北美洲南部加勒比海地區(qū)、亞洲北部、東南亞、澳大利亞大部分地區(qū)有非常顯著的變濕趨勢。

從圖4和圖5可以進一步看出，加拿大西部、美國西部和南部、墨西哥、南美洲絕大部分地區(qū)、非洲東部絕大部分地區(qū)、西歐、北歐、阿拉伯半島、中南半島、中國西南部分地區(qū)、蒙古、巴布亞新幾內(nèi)亞、新西蘭南島、俄羅斯遠東地區(qū)白令海峽一帶均有顯著的變干趨勢。加拿大北部、美國東海岸、北美洲南部加勒比海地區(qū)、非洲地中海沿岸西部、歐洲中部、俄羅斯亞洲境內(nèi)、中亞、中國北緯30°～40°、青藏高原東部、東南亞、澳大利亞西部和北部均有顯著的變濕趨勢。美國大平原、非洲西部和南部、歐洲東部、印度大部分地區(qū)、中國南方和東北、澳大利亞東南均沒有顯著的變干趨勢或變濕趨勢。

圖4 柵格M-K檢驗通過0.05置信水平變濕趨勢和變干趨勢分布

圖5 柵格M-K檢驗通過0.01置信水平變濕趨勢和變干趨勢分布

圖6 全球陸地和各氣候區(qū)有顯著變濕趨勢和變干趨勢面積占比

從圖6可以看出，全球有20%以上的陸地分別有顯著變干趨勢和顯著變濕趨勢，變濕趨勢所占面積更大。在熱帶氣候區(qū)中：熱帶雨林氣候區(qū)有35%左右的面積有顯著變濕趨勢，有25%左右的面積有顯著變干趨勢；熱帶季風氣候區(qū)有20%以上的面積有顯著變濕趨勢，而有顯著變干趨勢的面積占比是顯著變濕面積的兩倍多；熱帶稀樹草原氣候區(qū)同樣是顯著變干趨勢面積是顯著變濕趨勢面積的兩倍多。在干燥氣候區(qū)中：半干旱氣候區(qū)顯著變干趨勢和顯著變濕趨勢所占的面積均在30%左右，顯著變濕趨勢所占面積更大；沙漠氣候區(qū)有20%以上的面積有顯著變濕趨勢，顯著變干趨勢面積達到了30%以上。在溫帶氣候區(qū)中：僅地中海氣候區(qū)顯著變濕趨勢所占面積更大，達到了30%左右；濕潤亞熱帶氣候區(qū)和海洋性氣候區(qū)有顯著變干趨勢的面積是有顯著變濕趨勢面積的近1.5倍。在大陸性氣候區(qū)中：濕潤大陸性氣候區(qū)和亞寒帶氣候區(qū)的顯著變干趨勢所占面積均為20%左右，而這兩個氣候區(qū)中顯著變濕的面積均大大超過顯著變干趨勢的面積，前者達到了40%左右，后者達到了50%左右。在極地氣候區(qū)中：苔原氣候區(qū)僅不到20%的面積有顯著變干趨勢，而有顯著變濕趨勢的面積達到了40%；冰原氣候區(qū)由于數(shù)據(jù)覆蓋范圍太小，兩種趨勢所占面積可以忽略不計。

3 討 論

本文使用1980—2013年的SPI-6數(shù)據(jù)對全球陸地及12個氣候大區(qū)進行了干旱形勢分析。分析表明，在不同氣候區(qū)中，較濕潤氣候區(qū)發(fā)生干旱的范圍變化較大，較干旱氣候區(qū)發(fā)生大范圍干旱的頻率較高，各氣候區(qū)干旱發(fā)生的影響范圍與大范圍干旱的頻率大部分在21世紀后發(fā)生變化(圖1，圖2，表2)。熱帶氣候區(qū)中熱帶季風氣候區(qū)和熱帶稀樹草原氣候區(qū)發(fā)生大范圍干旱的頻率在2000年后有所增加，與表3、圖6的結(jié)果一致；大陸性氣候區(qū)中濕潤大陸性氣候區(qū)和亞寒帶氣候區(qū)在2000年后發(fā)生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率均有一定程度的下降，與表3、圖6的結(jié)果一致；極地氣候區(qū)中苔原氣候區(qū)發(fā)生干旱的影響范圍與大范圍干旱的頻率在2000年后有一定程度的下降，與表3、圖6的結(jié)果一致。

對全球陸地整體和各氣候區(qū)分別進行M-K檢驗的結(jié)果(表3)顯示，全球總體而言并無顯著的干旱面積增加趨勢，這與Sheffield等[29]，Damberg等[30]的研究結(jié)果一致。然而，熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)、濕潤亞熱帶氣候區(qū)和海洋性氣候區(qū)發(fā)生干旱的面積有顯著增加的趨勢，其中熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)和濕潤亞熱帶氣候區(qū)發(fā)生特旱等級干旱的面積有十分顯著的增加趨勢，這可能是由于極端降水增多，而總降水量并無太大變化[31]造成的。全球陸地整體、濕潤大陸性氣候區(qū)、亞寒帶氣候區(qū)和苔原氣候區(qū)發(fā)生干旱的面積有顯著減少的趨勢；亞寒帶氣候區(qū)發(fā)生特旱等級干旱的面積有十分顯著的減少趨勢，這可能是由于全球變暖，亞寒帶地區(qū)降水增加[32]造成的。

對柵格進行M-K檢驗的結(jié)果顯示，全球20%以上的陸地有顯著變干趨勢，20%以上的陸地有顯著變濕趨勢，其中熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)、濕潤亞熱帶氣候區(qū)和海洋性氣候區(qū)有變干趨勢的面積更大，而全球陸地、熱帶雨林氣候區(qū)、半干旱氣候區(qū)、地中海氣候區(qū)、濕潤大陸性氣候區(qū)、亞寒帶氣候區(qū)和苔原氣候區(qū)有變濕趨勢的面積更大，熱帶地區(qū)有變干的趨勢可能是由于極端降水增多，而總降水量并無太大變化[31]造成的，寒冷地區(qū)有變濕的趨勢可能是由于全球變暖，寒冷地區(qū)降水增加[32]造成的。

4 結(jié)論與展望

本文使用SPI-6對全球陸地及各氣候區(qū)過去三十多年間的干旱情況進行了分析，結(jié)果表明：在干旱發(fā)生影響范圍上，濕潤地區(qū)的影響范圍更大；而在大范圍干旱發(fā)生的頻率上，干旱半干旱地區(qū)的頻率更高。

全球陸地及各氣候區(qū)干旱面積的變化趨勢分析結(jié)果顯示，干旱的發(fā)生和變化具有強烈的空間異質(zhì)性，表現(xiàn)為全球總體而言并無顯著干旱面積增加趨勢，這與其他學者[29-30]的研究結(jié)果一致，而熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)、濕潤亞熱帶氣候區(qū)和海洋性氣候區(qū)干旱面積有顯著變大趨勢，其中熱帶季風氣候區(qū)、熱帶稀樹草原氣候區(qū)、沙漠氣候區(qū)和濕潤亞熱帶氣候區(qū)發(fā)生特旱等級干旱的面積有十分顯著的變大趨勢；同時全球陸地、濕潤大陸性氣候區(qū)、亞寒帶氣候區(qū)和苔原氣候區(qū)干旱面積有顯著變小趨勢，其中亞寒帶氣候區(qū)發(fā)生特旱等級干旱的面積有顯著變小的趨勢。

過去三十多年間全球和各氣候區(qū)的變干趨勢和變濕趨勢顯示全球有20%以上的陸地有顯著變干趨勢，20%以上的陸地有顯著變濕趨勢，其中熱帶季風氣候區(qū)和熱帶稀樹草原氣候區(qū)有40%以上面積有顯著變干趨勢，亞寒帶氣候區(qū)和苔原氣候區(qū)有40%以上面積有顯著變濕趨勢。

本文對氣候區(qū)的劃分較為粗糙，未來可以對劃分更加精細的氣候區(qū)進行研究。在對氣候區(qū)重新劃分的過程中，我們發(fā)現(xiàn)氣候區(qū)的劃分也有季節(jié)之分，未來同樣也可以對不同季節(jié)下各氣候區(qū)進行研究。本文僅對各氣候區(qū)干旱的整體情況進行研究，無法顯示具體干旱區(qū)域的變化，未來可對典型干旱區(qū)域、典型干旱事件進行研究。