基于水分盈亏影响衰减的改进日标准化降水蒸散指数

《Agricultural Water Management》：Modified daily standardized precipitation evapotranspiration index based on influence attenuation of water surplus and deficit

　　

研究人员提出了一种考虑水分盈亏影响衰减的改进日标准化降水蒸散指数（modified daily standardized precipitation evapotranspiration index，MDSPEI）。传统日标准化降水蒸散指数（daily standardized precipitation evapotranspiration index，DSPEI）在聚合日尺度水分盈亏时采用等权累加，隐含“前期信号无衰减、近期与远期等同贡献”的假设，违背干旱累积过程中近期效应主导、早期信号衰减的物理规律。研究人员参照正态分布概率密度函数，构建基于指数函数的非线性衰减系数以量化水分盈亏诱导的衰减特征，并将衰减参数依据MDSPEI与不同深度土壤湿度的最大相关性进行优化。基于1979—2020年中国陆域1°×1°网格降水、参考蒸散（ETo）与土壤湿度再分析数据，将数据集划分为训练集与测试集进行参数率定与验证。结果表明，MDSPEI在干旱事件识别能力、与标准化土壤湿度指数（SSMI）的相关性、与受旱面积的关联强度，以及测试集上与土壤湿度的相关系数方面均优于原始DSPEI，验证了改进指数在捕捉干旱起讫、强度及演变过程方面的优势与适用性。

研究背景方面，干旱作为全球最具破坏性的自然灾害之一，对农业生产、水资源安全、生态系统稳定与社会经济发展构成严重威胁。在气候变化背景下，全球多地干旱频次、强度与持续时间呈上升趋势。标准化降水蒸散指数（SPEI）因同时纳入降水与蒸散、对变暖敏感而广受应用，但其日尺度版本DSPEI在多层时间尺度聚合时对日水分盈亏（D_i=P_i?ET_o）采用等权累加，假定历史盈亏无衰减地等同影响当日干湿状况，偏离“近期主导、远期衰减”的物理实际，限制了对干旱起始、终止、强度与演变的刻画精度。既有SPEI改进多聚焦潜在蒸散（PET）计算方案、分布拟合、非平稳建模及多变量耦合，少有从水分盈亏聚合物理基础本身修正。该研究由此提出MDSPEI，旨在弥补DSPEI等权累积缺陷。论文发表于《Agricultural Water Management》。

关键技术方法上，研究人员以1979—2020年中国陆域1°×1°网格（经空值剔除后962个采样点）的逐日降水、PM公式算得的ET_o及多深度土壤湿度为样本队列，来源为CMA全球陆面再分析系统。方法核心包括：用Penman-Monteith方程计算ET_o；以D_i=P_i?ET_o定义日水分盈亏；参照正态密度构造指数函数型非线性衰减系数ω(τ)=exp(?τ/λ)，对前τ日D_i?τ加权累加得到衰减聚合序列；以MDSPEI与各层土壤湿度相关系数最大为目标在训练集优化衰减参数λ，测试集验证；最终经log-logistic分布拟合与正态变换得MDSPEI，并与DSPEI在干旱事件对比、SSMI相关、受旱面积相关三方面比较。

研究结果部分，引言指出SPEI及DSPEI现状与等权缺陷，明确MDSPEI动机。材料与方法中“研究区与数据”说明中国陆域962网格点及42年三要素再分析数据；“方法”下设“日标准化降水蒸散指数”给出ET_o的Penman-Monteith式（含R_n、G、T、U₂、e_s、e_a、?、γ）与D_i定义，并指出DSPEI等权累积式。后续小节建立衰减系数与MDSPEI算式，以土壤湿度最大相关率定λ，训练/测试划分防过拟合。结果显示：MDSPEI与浅层及深层土壤湿度相关均高于DSPEI，测试集提升显著；以SSMI为基准，MDSPEI时序吻合更好；在识别出的干旱事件次数、持续日数、峰值强度与受旱网格比例上，MDSPEI更贴近土壤湿度记录的实测旱情；与统计年鉴受旱面积的空间相关，MDSPEI相关系数更大。讨论部分研究人员指出，等权累积低估近期降水亏缺权重、使旱情起讫滞后，指数衰减还原了水分记忆的时空衰减结构，λ存在季节与区域差异但整体处于物理合理区间；MDSPEI不改变SPEI原有分布框架，仅修正聚合核，故可无缝替代DSPEI用于日尺度旱情监测。结论为：考虑水分盈亏影响衰减的MDSPEI较DSPEI在与中国陆域土壤湿度及受旱面积的关联上表现更优，能更准确定位干旱发生与消退、量化强度，为农业水资源管理与旱灾预警提供更高保真度工具。