湖南省基于scPDSI指数的干旱时空特征分析

摘要 本文基于高空间分辨率的改进帕默尔干旱指数（scPDSI），采用Mann-Kendall非参数突变检验法、经验正交函数分析法（EOF）对湖南省干旱时空特征进行分析。结果表明，①1961—2009年，湖南省发生干旱的频率为8.2%；②整体上，湖南省年际、春季、秋季变湿趋势显著，且均以1988年为突变点，但是在进入2000年代后进入相对干旱的时期；夏季呈现由干变湿的显著趋势，并在1990年发生突变；冬季呈现显著变干趋势，并在2004年发生突变；③整体来看，湖南省处于正常状态，其中湘西北小面积处于轻微湿润，湘中小面积和湘西南小面积处于轻微干旱状态；④利用经验正交函数得到的前4个EOF空间模态，将湖南省划分为4个干湿特征区域，分别为湘南地区、湘西北地区、湘东北地区和湘中地区，其中湘东北和湘中地区变湿趋势显著，湘南和湘西北区域变干趋势显著。

关键词 干旱时空变化；scPDSI；Mann-Kendall非参数突变检验法；经验正交函数分析法

中图分类号 P426.616 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）17-0175-05

Abstract Based on the newly published self-calibrating Palmer drought severity index（scPDSI）data with high spatial resolution，the Mann-Kendall nonparametric test and the empirical orthogonal function analysis（EOF）were adopted to investigate the spatial and temporal variation characteristics of the drought in Hunan Province in this paper. The results showed that the frequency of drought in Hunan Province was 8.2% from 1961 to 2009. Hunan Province became moist significantly from 1961 to 2009 in annual，spring and autumn as a whole，and 1988 was the mutation point. But after 2000s，it was in a period of a relatively dry. Meanwhile，Hunan Province became moist significantly at summer scale with the mutations detected at 1990，winter became drought significantly scale with the mutations detected at 2004. Hunan Province was in a normal state as a whole，in which the small area of northwestern Hunan was slightly moist，small area in central Hunan and small area in southwestern Hunan were slightly dry.According to EOF，Hunan Province was divided into 4 regions with different characteristics of drought or wetness，namely South Hunan，Northwest Hunan，Northeast Hunan and Central Hunan. Among the 4 regions，Northwest Hunan and Central Hunan had significant trends to get moist；South Hunan and Northeast Hunan had significant trends to get dry.

Key words drought；spatial and temporal variation；scPDSI；Mann-Kendall nonparametric test；empirical orthogonal function analysis

在全球氣候变暖的背景条件下，全球气象灾害日益严重[1]，不仅危害人类的身体健康，而且危害世界经济增长[2]。湖南省地形复杂多样，为典型的亚热带季风气候区，降水季节分布不均匀，年际变化比较大，洪涝灾害较严重，严重影响着人们的生产和生活。

根据资料记载，公元前980年到公元2005年，湖南省共有599年发生旱灾[3-4]。公元 1世纪到14世纪之间共有151年发生旱灾，旱灾的发生频率为11%。从14世纪以后，旱灾发生的概率明显增多，而且旱灾强度也变强。其中，15世纪、16世纪、17世纪、18世纪发生旱灾的频率分别为50%、58%、79%、76%。根据湖南省（1950—1998年）降水资料记载，全省年均受灾面积高达64.2万hm2，约占湖南省耕地面积的15%[5]。因此，诸多学者就湖南省降水变化特征以及洪涝干旱进行了研究。张剑明等[6-7]研究认为，湖南省降水呈现减少的趋势，并进一步研究了湖南省降水的空间变化为湘江流域在2003年前后降水开始减少。常晓丽等[8]基于湖南省22个站点资料的分析得出，湖南省年平均降水量、极端降水量在1990—2012年呈现下降的趋势。王 婷等[9]研究发现，湖南省所在的洞庭湖流域夏季、秋季、夏秋和秋冬时节发生干旱的概率比较大，而且春季、夏季、夏秋、冬季干旱强度增强；薛联青等[10]研究发现，NCC2CI（CI改进指数）相对于传统的CI指数和CInew指数更能反映湖南省所在的洞庭湖流域干旱变化情况。上述研究的干旱指数均只考虑了降水量，而一个地区的干旱除了受降水影响之外，还受植被条件和气温条件等诸多因子的影响。因此，只有综合分析各种因素，才能更好地反映某地的干湿状况，从而为人类活动提供科学参考。

目前，已经有相关学者探讨了PDSI、scPDSI、PDSI_CN、SWI、CLM3.5/ObsFC、SPI、SPEI等干旱指数在中国区域的适应性[11]。研究表明，前2种干旱指数在干旱区和湿润区的适应性较差，后2种干旱指数在干旱半干旱地区的适应性较差；CLM3.5/ObsFC干旱指数在2000年前在干旱与半干旱区适应性较好，2000年之后适应性较差；在年尺度的干湿变化上，SWI与其他干旱指数表现出一致的年际和年代变化，但是其不能研究多时间尺度的干湿变化；scPDSI（self-calibrating palmer drought severity index）干旱指数在中国的适应性最优，且能够很好地反映中国干湿变化的长期趋势[11]。因此，本文采用scPDSI指数表征湖南省的干湿变化具有一定的可靠性和真实性。本文将采用Mann-Kendall非参数突变检验法、经验正交函数分析法（EOF）对湖南省干旱时空特征进行分析。

1 数据与研究方法

1.1 数据来源

本文数据来源于英国环境数据分析中心的自校正PDSI（scPDSI），时间范围为1961—2009年，空间分辨率为0.5°×0.5°。scPDSI计算了潜在蒸散量，用实际植被代替参考作物，同时考虑了积雪的季节性动态变化，具有空间可比性。其计算方法可以参考文献[12]。scPDSI指数将干湿特征分为9级，分别为极端湿润、严重湿润、中等湿润、轻微湿润、轻微干旱、中等干旱、严重干旱、极端干旱、正常，具体分级如表1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非参数突变检验法。Mann-Kendall非参数突变检验法在径流、气温、降水和水质等自然要素的时间序列变化趋势等方面广泛应用。该方法在进行统计计算时，不仅不要求数据样本遵从特定的分布函数，而且研究变化趋势和突变检测的显著性检验，计算十分简便。其计算公式如下[13-14]：

UFk为标准正态分布，给定显著性分析α，若|UFk|>Uα/2，则说明该序列趋势变化明显。若UFk值大于0，则表明变量随着时间的增长而增长；反之，小于0则表明变量随着时间的增长而减少；当超过临界直线时，表明该序列变化趋势明显。UFk曲线和UBk曲线的相交处，如果交点在2条临界线之间，那么这个交点所对应的时间便是开始发生突变现象的时间点。

1.2.2 经验正交函数分析法（EOF）。E0F分析方法能够将随时间变化的变量场分解为不随时间变化的空间场和只随时间变化的时间序列。该方法可以从观测资料中将区域划分主要的空间型且能得出该区域中变量的时间演变规律[15]。其计算方法为：

2 结果与分析

2.1 湖南省干湿变化时间分布特征分析

2.1.1 湖南省干湿变化时间变化趋势分析。通过图1可以了解湖南省干湿状况在时间序列上的分布特征。结合scPDSI干湿等级划分标准（表1）可以发现，在49年间，中等干旱仅发生了1年（1986年），发生频率为2.0%；轻微干旱发生了3年，分别为1979年、1987年和2007年，发生频率为6.1%；处于正常状态的年份有38年，发生频率为77.6%；轻微湿润年有5年，分别为1970年、1983年、1994年、1995年和2001年，发生频率为10.2%；发生中等湿润的有2年，是1973年和2002年，发生频率为4.1%。

根据春、夏、秋、冬季的scPDSI指数时间分布图（图2）得知，湖南省春季发生中等干旱事件的有2年，见图2（a），分别发生在1986年和1987年，发生频率为4.1%；发生轻微干旱事件的有6年，分别为1972年、1979年、1999年、2004年、2007年和2008年，发生频率为12.2%；49年中有30年处于正常的干湿状况，占据61.2%；发生轻微湿润的有9年，分别为1964年、1970年、1992年、1994年、1995年、1998年和2001—2003年，发生频率为18.4%；发生中等湿润的有1973年和1983年，发生频率为4.1%。

由图2（b）可知，夏季发生中等干旱的仅1年（1986年），发生频率为2.0%；发生轻微干旱的有7年，分别为1963年、1965年、1972年、1985年、1987年、1988年、2005年，发生频率为14.3%；处于正常状态的有26年，发生频率为53.1%；发生轻微湿润的有12年，分别为1968年、1975年、1977年、1980年、1983年、1992—1996年、1998年和2001年，发生频率为24.5%；处于中等湿润水平的有3年，分别为1970年、1973年和2002年，发生频率为6.1%。

由图2（c）可知，秋季发生中等干旱的仅1年（1986年），发生频率为2.0%；发生轻微干旱的有7年，分别为1963年、1966年、1978年、1985年、2005年、2007年、2009年，发生的频率为14.3%；处于正常干湿状态的有24年，发生的频率为49.0%；发生轻微湿润的有12年，分别为1961年、1969年、1972年、1975—1977年、1983年、1993年、1996年、1997年、2000年和2001年，发生频率为24.5%；有5年发生了中等湿润，分别为1970年、1973年、1982年、1994年和2002年，发生频率为10.2%。

由图2（d）可知，在49年间，冬季没有发生中等干旱事件；发生轻微干旱事件的有5年，分别为1979年、1986年、1987年、1999年和2006年，发生频率为10.2%；处于正常干湿水平的有35年，发生频率为71.4%；發生轻微湿润事件的年份有1970年、1973年、1994年、1997年、2001—2003年（共有7年），发生频率为14.3%；处于中等湿润水平的有2年，1983年和1995年，发生频率为4.1%。

2.1.2 湖南省干湿变化突变分析。为了科学研究湖南省1961—2009年的干湿突变状况，采用Mann-Kendall非参数突变检验法（M-K检验法）对49年scPDSI时间序列进行突变分析（图3）。由图3可以看出，在1988年之前，UF曲线和UB曲线基本都是在显著性水平0.1的临界线内，虽然UF曲线和UK曲线有多个交点，但是变化趋势不显著，不存在突变现象。20世纪70年代之前以及1985—1995年，UF曲线小于0，意味着2段时间内湖南省有变干的趋势，处于相对干旱的时期，但是变干的趋势不显著。在1988年之后，UF曲线呈现上升趋势，并且在2003年与临界线相交，说明1988年以后湖南省由干变湿。在进入21世纪后，UF曲线转向负方向变化，说明进入2003年之后，湖南省scPDSI呈现变小趋势，这意味着湖南省将进入一个相对比较干旱的时期。

从图4（a）、图4（c）和图3可以看出，湖南省春季、秋季与年系列的scPDSI变化趋势基本一致。但是在2003年之后，UF曲线均转向负方向变化，将进入一个相对干旱的时期。由图4（b）可以看出，1990年为UF曲线和UB曲线的交点，在1990年以前，虽然有几个交点，但是未超过临界线，变化不显著；1990年后scPDSI指数的M-K统计值呈现上升的趋势，并且在2002年达到0.1临界线，由此说明，湖南省夏季scPDSI指数在1990年发生突变，并且呈现显著的由干变湿趋势。由图4（d）可以看出，2004年之前2条曲线具有多个交点，但是由于没有超过临界线，干湿变化并不显著；2004年之后，UB曲线呈现上升趋势，并且在2006年超过了临界线，而UF曲线向负方向变化，由此可以说明，湖南省冬季scPDSI指数在2004年发生突变，并且存在显著的由湿变干趋势。

2.2 湖南省干湿空间变化特征分析

2.2.1 湖南省干湿空间分布特征。由于年尺度和季节尺度的干湿空间分布特征大致相似。因此，本文分析年尺度的干湿空间特征。根据图5得出，年均scPDSI指数值分布大致是山区丘陵>平原区。湖南省整体来看处于正常状态，其中湘西北小面积处于轻微湿润；湘中小面积和湘西南小面积处于轻微干旱状态。

2.2.2 湖南干湿EOF空间分析。利用经验正交函数（EOF）分解，分析湖南省49年间年和四季的干湿空间变化。研究表明，年和四季的干湿度变化的空间分布相似。因此，本文仅仅分析年尺度的干湿空间分布特征。经过计算处理，前4个主分量的方差贡献率为45.46%、17.76%、8.25%、5.43%，累积贡献占总方差的76.9%。图6为年scPDSI指数前4个经验正交函数的载荷向量（load vector，缩写为LV）的空间分布。

（1）图6（a）为第一空间模态，其方差贡献率占总方差的45.46%。LV1在湖南省区域内的数值均为正值，并且LV1值由东南向西北递增，高载荷集中在湘西北区域，其中心荷载绝对值高于0.1，其余区域的荷载则向0靠近，说明湖南省的干湿变化一致，即普遍趋于湿润或者干旱。在一定程度上能说明湖南省的干湿变化受热力环流等天气系统的影响较大。

（2）图6（b）为第二空间模态，其方差贡献率占总方差的17.76%。LV2的分布表现为东南—西北反向变化的特征。湘东南部为正值，湘西北部为负值，说明湘东南的干湿变化趋势和湘西北的干湿变化趋势相反，即湘东南部趋于干旱则湘西北部趋于湿润或者湘东南部趋于湿润则湘西北部趋于干旱。其中，负的高值区位于湘西北的山地地区，正的高值区位于湘南的南岭地区，两者的中心荷载绝对值均高于0.1，说明这2个区域是该种空间分布结构中干湿变化最显著的地方。

（3）图6（c）为第三空间模态，其方差贡献率占总方差的8.25%。LV3的分布表现为西南—东北反向变化的特征。湘西南部为负值，湘东北部为正值，说明其干湿变化趋势相反，即湘西南部趋于干旱则湘东北部趋于湿润或者湘西南部趋于湿润则湘东北部趋于干旱。其中，正高值中心位于湘东北的洞庭湖地区，负高值中心位于湘西南的邵阳市，两者的中心荷载绝对值均高于0.1，说明这2个区域是该种空间分布结构中干湿变化最显著的地方。

（4）图6（d）为第四空间模态，其方差贡献率占总方差的5.43%。从图中可以看出，湘中地区的载荷向量为正值，湘北、湘南部分地区为负值。出现这种现象，可能是因为某些年份湖南省处于副热带高气压带的控制之下，导致气候常出现气温高、降水量少、蒸发量大的特点，从而出现干旱程度加深的情况。

湖南省1961—2009年干湿EOF的载荷向量的空间分布与张剑明[16]所得的结论一致。

3 结论

根据湖南省1961—2009年高空间分辨率（0.5°×0.5°）scPDSI数据集（数据来源于英国环境数据分析中心的自校正的PDSI），利用M-K非参数突变检验法、经验正交函数（EOF）分析法分析湖南省干旱时空特征，得到如下相关的结果：

（1）1961—2009年，干旱发生年份有4年（包括中等干旱和轻微干旱），干旱的发生频率为8.2%。在季节方面，发生1次冬春连旱、5次春夏连旱、6次夏秋连旱、7次秋冬连旱。

（2）利用M-K检测研究表明，近49年（1961—2009年）来，湖南省整体上年和春季、秋季呈现显著变湿的趋势，并且均于1988年发生突变，但是在进入21世纪之后进入相对干旱的时期；而夏季则呈现显著的由干变湿趋势，冬季则表现出显著的变干趋势，突变分别发生于1990年和2004年。

（3）通过分析湖南省的干湿空间分布发现，湖南省整体来看处于正常状态，其中湘西北小面积处于轻微湿润状态，湘中小面积和湘西南小面积处于轻微干旱状态。

（4）利用经验正交函数得到的前4个EOF空间模态[17-18]，将湖南省划分为4个干湿特征区域，分别为湘南地区、湘西北地区、湘东北地区、湘中地区。同时，还表现出以下特征：湖南省的干湿变化具有一致性，湘东南和湘西北呈反向变化，湘西南和湘东北呈反向变化，湘中和湘南、湘北也呈反向變化。通过时间系数的分析[19-21]发现，当4个EOF对应时间系数为正值时，4个EOF分别表现为全区趋于湿润、湘西北趋于干旱、湘东南趋于湿润、湘西南部趋于干旱、湘东北部趋于湿润、湘中地区趋于湿润、湘北和湘南趋于干旱。

4 参考文献

[1] 闫桂霞，陆桂华，吴志勇，等.基于PDSI和SPI的综合气象干旱指数研究[J].水利水电技术，2009（4）：10-13.

[2] 谢五三，田红.安徽省近50年干旱时空特征分析[J].灾害学，2011，26（1）：94-98.

[3] 曾庆华，祝燕德.中国气象灾害大典·湖南卷[M].北京：气象出版社，2006.

[4] 左利芳，仇财兴.湖南干旱特征及其对经济的影响[J].经济地理，2000，20（2）：36-39.

[5] 周盛，高沁，徐冬英，等.湖南近61年特大干旱时空变化特征[C]//中国气象学会.第32届中国气象学会年会s6应对气候变化、低碳发展与生态文明建设.天津：中国气象学会，2015.

[6] 张剑明，黎祖贤，章新平，等.湖南省近46年来降水时空分布特征及趋势分析[J].水文，2009（4）：73-78.

[7] 张剑明，黎祖贤，章新平.近50年湘江流域干湿气候变化若干特点[J].灾害学，2009，24（4）：95-101.

[8] 常晓丽，刘庆龙.湖南省90年代以来降水时空分布特征分析[J].赤峰学院学报（自然科学版），2016，32（10）：22-24.

[9] 王婷，章新平，黎祖贤，等.近52年来洞庭湖流域气象干旱的时空分布特征[J].长江流域资源与环境，2016，25（3）：514-522.

[10] 薛联青，张竞楠.三种综合气象干旱指数在洞庭湖流域的适用性分析[J].长江流域资源与环境，2015，24（3）：469-475.

[11] 杨庆，李明星，郑子彦，等.7种气象干旱指数的中国区域适应性[J].中国科学：地球科学，2017，47（3）：337-353.

[12] SCHRIER G V D，BARICHIVICH J，BRIFFA K R，et al.A scPDSI-based global data set of dry and wet spells for 1901-2009[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2013，118（10）：4025-4048.

[13] KENDALL M G.Rank Correlation Methods[M].4th ed.London：Charles Griffin，1975.

[14] MANN H B.Nonparametric tests against trend[J].Econometric，1945，13（3）：245-259.

[15] BASTAGLI F，COADY D，GUPTA S.An evaluation of rotated EOF analysis and its application to tropical Pacific SST variability[J].Journal of Climate，2012，25（15）：5361-5373.

[16] 张剑明.近36年来湖南省干旱的时空分布特征[D].长沙：湖南师范大学，2008.

[17] 赵伟，张宇，张智红.1981-2010年重庆地区季节性干旱时空变化特征分析[J].水土保持研究，2016，23（3）：192-198.

[18] 吴琼，赵春雨，王大钧，等.1951-2014年辽宁省气象干旱时空特征分析[J].干旱区资源与环境，2016，30（3）：151-157.

[19] 王春林，邹菊香，麦北坚，等.近50年华南气象干旱时空特征及其变化趋势[J].生态学报，2015，35（3）：595-602.

[20] 罗艳青，邹滨，邱永红.华东地区干旱灾害时空演化特征研究[J].干旱区资源与环境，2013，27（10）：58-64.

[21] 曹燕燕，馮平.天津市干旱时空变化特征研究[J].灾害学，2013，28（2）：40-45.

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