基于Copula函数的中国极端干旱事件时空演变与主导因子分析（1961-2022）

《Weather and Climate Extremes》：The Spatiotemporal Characteristics of Extreme Drought Events in China from 1961 to 2022 via a Copula Function

本研究针对传统固定阈值法识别极端干旱的局限性，利用标准化降水指数（SPI）和Copula函数构建了考虑干旱历时与严重程度联合概率的动态阈值模型，系统分析了1961-2022年中国极端干旱事件的时空演变规律。研究发现中国不同干湿分区极端干旱阈值存在显著空间异质性，且近30年来亚热带湿润区极端干旱事件频率和强度显著增加，为干旱风险管理提供了更精准的科学依据。

　　

干旱是全球范围内最具破坏性的自然灾害，而极端干旱事件更是对水资源安全、农业生产和生态系统构成严峻挑战。中国地域辽阔，气候类型复杂多样，不同区域对干旱的敏感性和响应机制存在显著差异。传统上，对极端干旱的识别多采用固定阈值法，即设定一个统一的干旱指数临界值（如SPI < -1.0）。然而，这种方法忽略了干旱本身是一个具有多维属性（如历时、严重程度、空间范围）的复杂现象，也忽视了不同区域气候背景和下垫面条件对干旱形成和影响的差异性。例如，在常年干旱的西北地区，与在湿润的东南沿海地区，同样数值的干旱指数所代表的实际干旱强度和可能造成的影响是完全不同的。因此，发展一种能够考虑干旱多维特性及区域适应性的动态阈值方法，对于精准识别极端干旱、评估其风险以及制定有效的应对策略至关重要。

为了回答上述问题，研究人员在《Weather and Climate Extremes》上发表了题为“Spatiotemporal variations and attributions of extreme drought events in China from 1961 to 2022”的研究论文。该研究旨在利用Copula函数构建一种动态的极端干旱识别阈值，并系统分析过去60多年来中国极端干旱事件的时空演变特征及其主导因子。

本研究主要运用了几个关键技术方法：首先，基于高分辨率（0.25°×0.25°）的CN05.1格点月降水数据集（1961-2022），计算了3个月时间尺度的标准化降水指数（SPI）以表征气象干旱。其次，采用游程理论识别干旱事件，并提取了干旱历时（Drought Duration）和干旱严重程度（Drought Severity，即SPI< -0.5的累积值）两个关键特征变量。核心方法是利用Copula函数（包括二元正态Copula、t-Copula以及Frank、Clayton、Gumbel三种Archimedean Copula）建立干旱历时与严重程度的联合分布，将两者联合超越概率低于5%的干旱事件定义为极端干旱事件（EDE），从而实现了基于区域气候特征的动态阈值设定。最后，通过分析极端干旱事件的频率、总月数、平均历时、平均严重程度和最大严重程度等属性，并比较1961-1991和1992-2022两个时段的变化，揭示了其时空演变规律。此外，还根据干旱历时和严重程度的边际尾概率对极端干旱事件进行了主导因子（历时主导、严重程度主导、两者共同主导）的分类分析。

3.1. 1961年至2022年SPI的变化

分析表明，1961-2022年间，中国SPI总体呈增加趋势（趋于湿润），但存在明显的空间异质性。西北温带暖温带荒漠区（1区）和青藏高原区（6区）大部分区域SPI显著增加（变湿），而东北温带湿润半湿润区（3区）北部、华北暖温带湿润半湿润区（4区）中部、华中-华南亚热带湿润区（5区）西部以及华南热带湿润区（7区）西部则呈现下降趋势（干旱化加剧）。

3.2. 1961年至2022年干旱事件的特征

在3个月时间尺度上，西北温带暖温带荒漠区（1区）西部和青藏高原区（6区）北部的干旱事件通常具有更长的平均历时和更高的平均严重程度。而内蒙古温带草原区（2区）、东北温带湿润半湿润区（3区）和华北暖温带湿润半湿润区（4区）的干旱平均严重程度相对较低。全国范围内，1961-2022年大部分地区经历的干旱事件总数超过20次。

3.3. 极端干旱阈值的空间分布

通过Copula函数计算得到的极端干旱阈值表现出显著的空间异质性。在相同的干旱历时下，西北温带暖温带荒漠区（1区）和青藏高原区（6区）的干旱严重程度阈值高于其他区域。同样，在相同的干旱严重程度下，这两个区域的干旱历时阈值也相对较高。这表明，在这些本就干旱或高寒的区域，需要更严重或更持久的缺水状况才会被判定为“极端干旱”。

3.4. 不同时期极端干旱事件的分布

对比1992-2022年与1961-1991年两个时期，中国极端干旱事件的时空格局发生了明显变化。早期（1961-1991），极端干旱事件多发于北方和中部地区；而近期（1992-2022），北方多数地区极端干旱的发生频次和影响月数有所减少，但长江中下游以南的部分地区，特别是华中-华南亚热带湿润区（5区），极端干旱事件的发生频次、总月数、平均严重程度和最大严重程度均呈现显著增加趋势。

3.5. 不同主导因子（严重程度/历时）极端干旱事件的变化

极端干旱事件的发生可由干旱历时异常偏长（历时主导）、干旱严重程度异常偏高（严重程度主导）或两者共同异常（共同主导）所引发。研究发现，由历时和严重程度共同主导的极端干旱事件涉及的范围最广。分区域看，近30年来，西北温带暖温带荒漠区（1区）、东北温带湿润半湿润区（3区）和青藏高原区（6区）由历时主导的极端干旱事件显著减少；而华南热带湿润区（7区）则由历时主导的极端干旱事件有所增加。内蒙古温带草原区（2区）由严重程度主导的极端干旱事件减少，而东北温带湿润半湿润区（3区）和华中-华南亚热带湿润区（5区）则由严重程度主导的极端干旱事件显著增加。

本研究得出结论，利用Copula函数设定的动态阈值能更准确地反映中国不同干湿分区极端干旱的区域特性。过去60多年间，中国极端干旱事件呈现出“北减南增”的时空分异特征，特别是亚热带湿润区极端干旱风险明显上升。极端干旱的主导因子在不同区域也表现出不同的变化趋势，反映了气候变化背景下干旱驱动机制的复杂性。

该研究的重要意义在于，它突破了传统固定阈值法的局限，提供了一种更科学、更精细化的极端干旱识别与评估框架。研究成果不仅有助于深入理解中国极端干旱的时空演变规律，而且为不同区域制定差异化的干旱监测预警指标和风险管理策略提供了重要的科学依据。对未来在气候变化背景下，更有效地应对日益频发的极端干旱事件具有重要的指导价值。