王 敏，尹义星，陈晓旸，郭 阳，徐 梅，罗传军

(1.天津市气象信息中心，天津 300074；2.南京信息工程大学水文与水资源工程学院，江苏 南京 210044；3.广东省韶关市气象局，广东 韶关 512000)

引 言

干旱作为主要的自然灾害之一，具有持续时间长、发生频率高等特点[1]，会对农业生产、水资源利用、社会经济发展造成严重影响[2]。干旱类型众多，主要包括气象、水文、农业和社会经济干旱四种类型[3]。气象干旱作为其他干旱发生的基础，通常由气候异常引起，如降水不足、高温异常等[4]。在对干旱进行分析时，国内外通用的干旱指数主要包括标准化降水指数(standard precipitation index，SPI)、帕默尔干旱指数(Palmer drought severity index， PDSI)、降水Z指数、标准化降水蒸散指数(standard precipitation evapotranspiration index，SPEI)[5-9]，其中SPI和降水Z指数考虑了降水对干旱的影响[5]，而PDSI主要考虑了降水、水分供给等因素[6]，然而因其有固定的时间尺度，不能反映多时间尺度干旱特征；SPEI是依据降水量和潜在蒸散发的差值偏离平均态的程度来研究干旱[7-8]，不仅考量了降水和蒸散发对干旱的作用，而且具有多时间尺度。目前SPEI得到广泛应用。

华北地区位于中国北部，干旱灾害频繁，据统计，该地区旱灾平均受灾面积居全国受灾面积首位[10]，且气象干旱强度呈明显增强趋势。研究表明，基于气温和降水的标准化降水蒸散指数(SPEI)更能表征华北地区的干旱特征，与实际干旱发生状况吻合度更高[11-12]。但针对华北地区百年尺度的干旱时空变化研究很少。干旱主要受气候自然变率驱动，是一种周期性的气候变化[3]，分析长序列干旱的时空变化特征有助于进一步认识干旱的变化规律。考虑到天津作为华北地区极少数具有较早气象观测资料的地区之一，自1890年以来有单站连续的观测资料[13]，因此选用天津地区作为代表区域，以SPEI为干旱指标，进行干旱长期特征的时空演变分析。

考虑到天津地区长序列站点数据单一，无法满足空间变化特征分析，因此进一步利用美国全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre，GPCC)降水产品[14-15]、东英吉利(East Anglia)大学气候研究中心(Climate Research Unit，CRU)研发的降水、气温等产品[16-17]进行分析。首先对降水、气温产品进行天津地区的适用性评估，通过分析天津地区各年代四季干旱的时空演变特征，结合降水、气温趋势变化及太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation，PDO)与干旱的关系，探讨在全球变暖背景下气温和降水对干旱的影响，以期揭示天津地区干旱的年代际变化特征，为抗旱减灾、农业服务等决策提供借鉴。

1 资料和方法

1.1 资 料

1.1.1 台站观测数据

所用的天津单站1921—2016年和13个国家站(蓟州、天津、武清、宝坻、东丽、西青、北辰、宁河、汉沽、静海、津南、塘沽和大港站)1979—2016年的气温和降水观测数据来源于天津市气象信息中心，站点空间分布如图1所示。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为宁GS(2016)2923号的标准地图制作，底图无修改。

图1 研究区13个气象站点分布

1.1.2 格点数据

CRU TS4.0 4月气温数据空间分辨率为0.5°×0.5°，资料长度为1901年1月至2019年12月；GPCC-P月降水数据空间分辨率为0.5°×0.5°，资料长度为1901年1月至2016年12月。本文选用的分析时段为1921—2016年。

采用双线性插值方法将格点数据转换至对应站点，进一步进行对比。春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月。

1.1.3 PDO指数数据

PDO指数是揭示年代际时间尺度的气候变率强信号[18]，数据来源于https://psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/，时间长度选取1921—2016年。1.2方 法

1.2.1 判别方法

为验证GPCC-P、CRU-T数据在天津地区的适用性，以观测值为真值，应用相对误差bias、相关系数R、标准差比率SDR作为指标进行评估。bias值越趋近于0，说明误差越小，数据越接近；R的取值范围为0～1，R越大，说明数据之间相关性越好，数据越接近；SDR越小，说明误差越小。公式如下：

(1)

(2)

(3)

1.2.2 SPEI计算

SPEI首先由VICENTE-SERRANO等[7]提出，具有1、3、6、12和24个月等多时间尺度特征[17]，为分析天津地区季节SPEI长序列的演变情况，分别选取对应季节的SPEI-3，作为四季SPEI。SPEI值越小，表示越干旱。SPEI计算公式如下：

(1) 采用Thornthwaite方法计算潜在蒸散量：

PET=16K(10T/I)M

(4)

式中：PET(mm)为潜在蒸散量；K为根据纬度计算的修正系数；T(℃)为月平均气温；I(℃)为年热量指数；j为月份；M是由年热量指数决定的系数。

(2)计算逐月降水量与潜在蒸散量的差值，记作Di，对其进行正态化处理，因原始序列Di可能存在负值，SPEI计算采用了3参数的Log-logistic概率密度函数，其概率分布函数如下：

(5)

式中：Γ为伽马函数；ω0、ω1和ω2为原始数据序列Di的概率加权矩，计算方法参照文献[7]。

(3)对累积概率密度进行标准化：

P=1-F(x)

(6)

(4)SPEI计算如下：

(7)

其中：当累积概率P≤0.5时，

当累积概率P>0.5时，

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可划分为5个干旱等级[19-20]，如表1所示。

表1 基于SPEI干旱等级划分

1.2.3 频率计算

干旱频率p的计算公式如下：

p=n/N

(8)

式中：n为季节干旱发生的次数；N为年数。

1.2.4 时间变化趋势

对时间序列变化趋势的计算参考文献[15]，即以线性倾向率表示SPEI的时间变化趋势。如SPEI呈下降趋势，则表示干旱化趋势，反之则表明湿润化趋势。此外，利用改进的modified Mann-Kendall趋势检验方法(MMK)对干旱的变化趋势进行显著性检验[21-22]。

1.2.5 重标度极差分析法

重标度极差分析法(rescaled range analysis，简称R/S)，由英国水文学家HURST[23]提出，广泛应用于水文、气象等事件序列的分析，该方法可有效探索干旱等非线性系统趋势的未来变化特征。通常用Hurst指数(H)表示时间序列的分形特征和长期记忆过程[24]。当H<0.5时，表明具有反持续性；H=0.5，表明其为随机序列，不具有持续性；当H>0.5时，表明具有正持续性;绝对值越靠近0.5，持续性越差。

2 数据适用性评估

为评估GPCC-P、CRU-T在天津地区的适用性，利用Taylor图对其进行分析。从1921—2016年天津站逐月GPCC-P、CRU-T相对于其观测值的Taylor图[图2(a)]可以看出，GPCC-P、CRU-T与其观测值的相关系数均高于0.7，且均通过α=0.01的显著性检验；冬季CRU-T、GPCC-P的相对误差最高，夏季的相对误差最小；GPCC-P的标准差比率(0.5～1)高于CRU-T。

从1979—2016年四季天津地区13个站CRU-T[图2(b)]和GPCC-P[图2(c)]相对于其观测值的Taylor图可以看出，GPCC-P、CRU-T与其观测值相关系数均高于0.7，且均通过α=0.01的显著性检验；春季和夏季CRU-T、GPCC-P的相对误差低于秋、冬两季；GPCC-P的标准差比率均在0.7以上，CRU-T的标准差比率均在0.5以上。

图2 1921—2016年天津站逐月(数字1～12)CRU-T(红色)、GPCC-P(蓝色)(a)和1979—2016年春季(红色)、夏季(蓝色)、秋季(绿色)、冬季(紫色)13个站点(数字1～13)CRU-T(b)、GPCC-P(c)相对于其观测值的Taylor图

总体来看，GPCC-P和CRU-T均能较好地反映天津地区降水和气温的变化，同时，GPCC-P的适用性优于CRU-T。

3 SPEI时空演变特征及预测

3.1 SPEI时间演变特征

1921—2016年春季[图3(a)]极旱主要发生在2001年，重旱和中旱发生于1935、1941和2002年，整体而言全区干旱发生一致性较高；夏季[图3(b)]1990年代后期发生干旱的频率增大，极旱主要发生在1968、1997和1999年；秋季[图3(c)]重旱和极旱主要发生在2005—2006年；冬季[图3(d)]干旱集中发生在1920—1940年代，极旱和重旱主要发生在1990年代后期及2000年代初。

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

为进一步分析天津地区干旱时间演变特征，以10 a为时间步长，每50 a作为一个时期，将天津地区1921—2016年分为1921—1970、1931—1980、1941—1990、1951—2000、1961—2010、1971—2016共6个时期。从上述6个时期及1921—2016年四季天津地区各等级干旱发生平均频率(图4)可以看出， 1921—2016年四季天津地区均以轻旱及中旱为主，极旱发生频率最低，不超过2%，其频率在1951年后呈增加趋势；冬季干旱最为频繁，平均干旱频率达38.5%，春、夏季次之，秋季最小(33.5%)。

图4 1921—2016年不同时期天津四季极旱(a)、重旱(b)、中旱(c)、轻旱(d)和所有等级干旱(e)的平均频率(1～6分别代表6个时期；7代表全时期)

天津所有等级干旱(SPEI≤-0.5)发生频率的变化表现为春、夏干旱发生频率增加，秋、冬季节减少，这表明天津地区干旱高频季节由秋冬季逐渐向春夏季演变。

3.2 SPEI空间趋势及影响因素

图5为四季天津地区SPEI、CRU-T和GPCC-P的气候倾向率空间分布。可以看出，天津全区春季SPEI气候趋势在6个时期呈“升、降”分布特征，但均未通过MMK趋势显著性检验，具体表现为1921—1970、1941—1990年天津全区呈上升趋势，其中1941—1990年天津南部每 10 a上升0.1；1951—2000、1961—2010、1971—2016年均呈下降趋势，天津中部每10 a下降0.12。进一步探究SPEI变化与气温、降水的关系，天津全区春季CRU-T气候趋势在6个时期均呈上升趋势，且上升趋势逐渐增大，1941—1990年天津东北部、1961—2000年及1971—2016年天津全区春季CRU-T上升趋势显著。春季GPCC-P除在1941—1990年呈下降趋势(P>0.5)(西南部为微弱的上升趋势)外，其余时期均呈上升趋势。综上所述，1921—1970、1941—1990年天津全区和1931—1980年天津西南部湿润化主要是因为降水的增加；而1951—2000、1961—2010、1971—2016年春季干旱化主要是因为气温的升高。因此，前期天津春季湿润化主要受降水增多影响，后期气温升高对干旱化趋势贡献更大。

图5 春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)天津地区SPEI[单位：10-1 (10 a)-1]、CRU-T [单位：℃·(10 a)-1]和GPCC-P[单位：mm·(10 a)-1]的气候倾向率空间分布[柱状向上(向下)代表气候倾向率为正(负)， 6个柱状图依次代表6个时期，红色圆点代表通过MMK趋势显著性检验]

天津全区夏季SPEI气候趋势在6个时期整体呈“升、降”分布特征，具体表现为1921—1970、1931—1980、1941—1990年为上升趋势，其中1931—1980年上升趋势显著，南部每10 a上升0.24，上升速率最大， 1941—1990年天津南部上升趋势显著，位于天津东南沿海的塘沽站和汉沽站每10 a上升0.14；而1951—2000、1961—2010、1971—2016年表现为下降趋势，其中1961—2010、1971—2016年下降趋势显著，1961—2010年宁河每10 a下降0.30。 天津全区夏季CRU-T气候趋势在6个时期整体呈“降、升”分布特征，具体表现为1921—1970、1931—1980、1941—1990表现为下降趋势，其中1921—1970年天津北部下降显著，1931—1980、1941—1990年全区下降显著；而1951—2000、1961—2010、1971—2016年均表现为上升趋势，1941—1990年气候倾向率为0.10～0.12 ℃·(10 a)-1且上升趋势不显著，而1961—2010、1971—2016年均上升显著，且1971—2016年气候倾向率为0.21～0.23 ℃·(10 a)-1，表明上升趋势呈现明显增大趋势。天津全区夏季GPCC-P气候趋势在6个时期整体呈 “升、降”的分布特征，具体表表现为1921—1970、1931—1980、1941—1990年呈上升趋势，其中1931—1980年上升显著，气候倾向率达5.78～9.72 mm·(10 a)-1，1941—1990年天津东南部上升显著，气候倾向率达3.98～4.99 mm·(10 a)-1； 1951—2000、1961—2010、1971—2016年呈下降趋势，其中1961—2010年天津东部下降趋势最为显著，北辰站气候倾向率达-11.99 mm·(10 a)-1。综上所述，夏季天津地区干旱受气温、降水协同作用。

天津全区秋季SPEI气候趋势在6个时期整体呈 “升、降、升”分布特征，具体表现为1921—1970、1931—1980呈上升趋势，其中1921—1970年上升趋势显著，每10 a上升0.18～0.21；而1941—1990、1951—2000和1961—2010年呈下降趋势，其中1941—1990年天津东南部下降显著，每10 a下降0.08～0.10，1951—2000年全区下降显著，每10 a下降0.14～0.16；而1971—2016年呈上升趋势，其中天津北部蓟州站上升趋势显著，每10 a上升0.14。天津全区秋季CRU-T气候趋势在6个时期整体呈 “降、升”的分布特征，具体表现为1921—1970、1931—1980年为下降趋势，其中1931—1980年下降显著，气候倾向率为-0.10～-0.08 ℃·(10 a)-1；而1941—1990、1951—2000、1961—2010和1971—2016年均呈上升趋势，其中1951—2000、1961—2010和1971—2016年上升趋势显著， 1961—2010年天津西南部5站气候倾向率达0.28 ℃·(10 a)-1。天津全区秋季GPCC-P气候趋势在6个时期整体呈“升、降、升”的分布特征，具体表现为1921—1970年呈上升趋势，其中南部上升趋势显著，气候倾向率为1.99～2.27 mm·(10 a)-1；1931—1980年天津北部下降趋势不显著，南部上升趋势不显著；1941—1990和1951—2000年下降趋势不显著；1961—2010、1971—2016年呈上升趋势，且上升趋势在增强，其中1971—2016年天津北部蓟州站气候倾向率最大达3.20 mm·(10 a)-1。综上可知，1921—1970和1931—1980年呈湿润化趋势，是由气温和降水的协同影响所致，湿润化最显著地区出现在天津西南部；1941—1990和1951—2000年呈干旱化趋势，是受气温升高和降水减少的协同影响；1961—2010年干旱化趋势则是气温上升占主导地位；1971—2016年湿润化趋势则是降水起主导作用。

天津全区冬季SPEI气候趋势在6个时期整体呈 “升、降”分布特征，具体表现为1921—1970、1931—1980和1941—1990年呈上升趋势，其中1921—1970上升显著，东部每10 a 上升0.34， 1931—1980年除北部蓟州上升趋势不显著外，其余站点上升均显著，每10 a 上升0.26～0.39，1941—1990年天津南部地区上升显著；1951—2000、1961—2010和1971—2016年呈下降趋势，但不显著。天津全区冬季CRU-T气候趋势在6个时期整体表现为上升趋势，除1921—1970年上升趋势不显著外，其余时段均显著，1961—2010年天津东部地区气候倾向率最大[0.51 ℃·(10 a)-1]。天津全区冬季GPCC-P气候趋势在6个时期呈“升、降”分布特征，具体表现为1921—1970、1931—1980和1941—1990年呈上升趋势，其中1931—1980年天津东南部上升最为显著，气候倾向率达1.11 mm·(10 a)-1；1951—2000、1961—2010年呈下降趋势但不显著；1961—2010年天津东南部3站为微弱上升趋势，气候倾向率为0.05～0.09 mm·(10 a)-1，1971—2016年全区下降不显著，北部GPCC-P下降速率最大[0.36 mm·(10 a)-1]。综上可知，1921—1970、1931—1980、1941—1990年全区均表现为气温上升、降水增多趋势，降水增加是天津冬季湿润化的主导因素；1951—2000、1961—2010、1971—2016年全区干旱化是由气温上升、降水下降协同作用造成，其中1961—2010年天津东南部冬季干旱化趋势则主要是气温升高起主导作用。

3.3 气候影响因子分析

研究表明，气候指数PDO与SPEI年代际变化有着密不可分的关系[3]。图6为天津地区1921—2016年四季SPEI与PDO相关系数空间分布。可以看出，除秋季北部SPEI与PDO呈微弱正相关外，其他季节天津全区及秋季天津南部SPEI与PDO均呈负相关。春、夏季SPEI与PDO的相关性整体上从西北向东南递减，夏季天津西部、北部地区SPEI与PDO呈显著负相关(P<0.05)，相关系数在天津北部可达0.29，秋、冬季相关性则由东南向西北递减，其中冬季在天津东部单站呈显著负相关(P<0.05)。

图6 天津地区1921—2016年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)SPEI与PDO相关系数空间分布(紫色三角形表示通过α=0.05的显著性检验)

3.4 未来SPEI趋势

天津地区1951—2000、1961—2010、1971—2016年春、夏、冬季SPEI均表现为下降趋势，秋季SPEI在1971—2016年为上升趋势。进一步利用R/S分析未来SPEI的变化趋势，对春季、夏季和冬季采用1951—2016年的数据进行分析，对秋季则采用1971—2016年的数据。通过R/S分析计算的H空间分布如图7所示，可以看出，春、秋季SPEI的H均趋近于0.5，这表明SPEI趋势未来的持续性较弱；夏季SPEI的H>0.65，即SPEI将继续保持下降趋势；冬季天津西南部SPEI的H>0.65，表明天津西南部SPEI将保持下降趋势。因此，未来夏季天津全区、冬季天津西南部呈干旱化趋势，而春季干旱化趋势、秋季湿润化趋势不明显。

图7 天津地区春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)SPEI的Hurst指数空间分布(蓝色三角形表示H>0.65)

4 结 论

(1)天津地区干旱主要发生于1940年代初期、1990年代末期和2000年代初期，冬季干旱最为频繁，四季干旱均以轻旱和中旱为主。

(2)天津全区SPEI气候趋势在6个时期除秋季整体呈 “升、降、升”分布特征外，春、夏、冬季均表现为“升、降”的分布特征，且夏季下降趋势最为显著， 1961—2010年宁河每10 a下降0.30；1921—1970、1931—1980、1941—1990年天津春、冬季湿润化趋势主要由降水主导，而夏、秋季则由气温和降水协同影响； 1951—2000、1961—2010、1971—2016年春季干旱化趋势主要受气温影响，夏、冬季则为气温和降水协同影响。

(3)Hurst指数表明，未来夏季天津全区、冬季天津西南部呈干旱化趋势，而春季干旱化趋势和秋季湿润化趋势不明显。