基于强度场框架的气象干旱空间结构与演变：中国多时间尺度分析

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Spatial structure and evolution of meteorological droughts using an intensity-field framework: A multi-timescale analysis across China

　　

研究区域中国。研究重点精确刻画干旱空间结构对于理解干旱传播和风险评估至关重要。现有方法忽视了强度对空间动态的影响。在本研究中，研究人员提出了一种考虑干旱强度场（DIF）的空间范围（SPEs）测量框架。基于空间自相关和各向异性原理，研究人员应用基于半变异函数的方法来量化强度与时空结构之间的耦合关系。研究人员利用由四个高分辨率降水数据集（ERA5、PERSIANN-CDR、GPM和TRMM）导出的多时间尺度（1、3、6和12个月）SPI，量化了中国气象干旱的气候学空间范围，并分析了空间形态结构和时空演变模式。区域新水文见解结果表明：（1）基于DIF的方法能够更准确地估计干旱空间范围，有效降低了二元方法固有的偏差；（2）空间范围随时间尺度的增加而扩大，伴随空间结构异质性和不确定性的增强。高影响干旱区域呈现南移趋势；（3）湿润地区空间范围在中长期时间尺度上显著扩大，表明需要密切监测中国南方长期干旱风险。所提出的框架增进了对干旱时空动态的理解，并支持干旱迁移和传播研究，为干旱监测、预测和水资源管理提供了重要见解。

**一、研究背景与科学问题**

近年来，极端灾害事件日益频繁和剧烈，对生态系统、社会经济发展和人类健康构成严重威胁。干旱因其缓慢 onset 和隐蔽的演变过程，可在任何时间和地点发生。气象干旱通常作为其他类型干旱的先兆，常由持续降水亏缺引发，进而演变为土壤干旱、水文干旱，最终形成社会经济干旱。强化后的水文循环改变了降水分配和蒸散发过程，加速了全球干旱的发生与加剧。由于地理和气候条件的差异，区域干旱事件也表现出显著不同的特征。

准确表征干旱的空间结构对于理解干旱传播和风险评估至关重要。以往研究虽采用了聚类分析、主成分分析、小波分析、严重度-面积-持续时间（SAD）曲线、三维（3D）连续性识别等多种统计技术来描述干旱空间格局，但这些方法往往忽略关键的时空信息，难以捕捉干旱演变的非线性动态特征。尽管基于空间自相关和各向异性原理的框架能够量化不同时间尺度下任意地点的干旱空间场，但其对干旱空间范围的估计常基于二元分类，未考虑连续干旱强度场对空间传播的驱动作用，也忽视了干旱强度与气候学空间表征之间的关系。这降低了干旱空间范围估计的真实性和准确性。干旱强度特征与空间范围之间的内在联系仍需进一步研究。此外，干旱空间范围在不同时间尺度上的演变也值得更多关注。

针对上述局限性，研究人员提出了一种纳入干旱强度信息的新空间范围测量方法，旨在：（1）开发一种“强度驱动”的干旱空间识别模型，使用标准化降水指数（SPI）在多个时间尺度上对气象干旱进行分类，通过半变异函数进行强度-时空分析，并利用四个高分辨率降水数据集进行交叉验证；（2）分析中国主要流域气象干旱空间范围的时空分布。研究结果通过与历史干旱斑块及前人研究结果对比进行交叉验证，表明在分析干旱空间范围时纳入干旱强度变化的重要性。

**二、主要技术方法**

研究人员提出了一种考虑干旱强度的空间范围识别方法，主要关键技术包括：（1）使用标准化降水指数（SPI）在多时间尺度（1、3、6和12个月）上表征气象干旱，以SPI≤-1作为干旱阈值（中国气象局标准）；（2）构建干旱强度场（DIF），即每个格点在时间t若SPI值高于干旱阈值则赋值为0，否则保留其SPI值作为干旱强度指标；（3）基于空间自相关和各向异性原理，采用半变异函数方法，通过扫描窗口（角度容差α=22.5°、距离步长h=25 km、带宽bandw=56.95 km、搜索方向m=8、搜索半径Sr=500 km并可动态扩展至1000 km）计算各方向干旱空间相关长度（CL），并依此推算气候学空间范围（SPE）。研究使用了四个高分辨率降水数据集：ERA5（1983-2023，0.25°）、GPM（2000-2023，0.1°重采样至0.25°）、TRMM（2000-2019，0.25°）和PERSIANN-CDR（1983-2019，0.25°），统一重采样至0.25°分辨率并聚合到月尺度，以2000-2019年为交叉验证的重叠期。

**三、主要研究结果**

**3.1 气象干旱气候学空间相关长度**

随着时间尺度从1个月增加到12个月，平均空间相关长度显著增加。四个数据集中，SPI-1的中位数范围为320-343 km，SPI-12则扩展至323-483 km。在1个月尺度上，四分位距（IQR）跨度仅54-76 km，而在12个月尺度上显著扩大至109-147 km。标准差分布曲线随时间尺度增加而右移并趋于平缓，表明长期干旱空间结构变率和不确定性显著增强。SPI-12尺度上，标准差大于200 km的格点比例增加至11.98%-39.35%。方向性标准差（SDdir）也随时标增大而显著增加，以ERA5为例，其整体平均值从SPI-1的67 km增至SPI-12的141 km。在方向偏好上，随尺度增加，干旱趋向于沿东西方向（0°-180°）及其邻近方向延伸，南北方向优势比例显著下降。四个数据集中，TRMM的CL值整体偏低，尤其在12个月尺度上IQR为252-399 km，明显低于其他数据集，这可能与其高纬度地区样本缺乏有关。

**3.2 气象干旱气候学空间范围**

气象干旱空间范围在空间上呈现带状分布格局，存在两条显著的高值干旱带：一条自东北经黄淮地区延伸至西北，另一条自东南经长江流域延伸至西南。高值区主要集中在东北、内陆流域、黄河流域和南部沿海地区。随时间尺度增大，干旱分布空间中心逐渐南移。平均SPE从SPI-1的约29.00×10⁴-36.68×10⁴ km²增至SPI-12的33.85×10⁴-68.79×10⁴ km²，标准差从9.81×10⁴-12.59×10⁴ km²（SPI-1）增至19.56×10⁴-27.00×10⁴ km²（SPI-12）。通过平均CL与SPE的幂律拟合（y=ax^b），所有数据集和时间尺度上指数b稳定介于1.95-2.01之间，系数a介于2.79-3.09，接近理想圆形的理论值π，表明干旱遵循近圆形或椭圆形的二维面状扩散模式。

**3.3 流域尺度干旱空间范围分布特征**

中国主要流域气象干旱SPE中位数总体随尺度增大呈阶梯式增长。珠江流域（湿润区）的扩张最为显著，中位数SPE从SPI-1的25.85×10⁴-31.57×10⁴ km²增至SPI-12的约40.76×10⁴-75.42×10⁴ km²，除TRMM外各数据集均超过70×10⁴ km²。淮河、长江和东南诸河流域也呈现类似趋势，表明湿润南部地区在长期累积效应下面临日益增长的干旱风险。黄河流域和松辽河流域（干旱半干旱区）在SPI-1即表现出较高的中位数SPE，并随尺度持续增长。内陆流域和西南流域的时间变率相对较低，但存在高值实例，可能与喀斯特地貌等复杂地形对干旱发展和传播的影响有关。总体而言，SPE在SPI-3至SPI-6之间的扩张幅度最大，此后（SPI-6至SPI-12）增速放缓，反映了干旱演变的累积特性。

**四、讨论与结论**

**讨论部分：** 研究人员通过多种方式验证了SPE结果的物理合理性。基于空间连通性聚类的历史干旱斑块识别表明，1983-2023年间历史极端干旱斑块大多起源于高SPE区域，且累积干旱强度与SPE在所有时间尺度上呈显著正相关（P<0.01），R值在SPI-1至SPI-6间为0.34-0.47，表明SPE不仅是一个几何指标，还承载了干旱强度和持续性的物理信息。与原二元方法的对比显示，原方法会高估SPE的整体量级（平均值约56.39×10⁴-62.46×10⁴ km²），同时低估方向变率及其对时间尺度的依赖性。与前人研究对比发现，本研究识别的东北-西北和长江-西南干旱带、湿润南部地区SPE随尺度扩张、干旱重心南移等空间格局与既有研究结果广泛一致。不确定性方面，四个数据集时间覆盖范围不同导致SPI参考期不一致，TRMM因高纬度样本缺失导致其估计值偏低，但数据集间的空间相关性和热点重叠分析表明主要时空演变模式在不同数据集中保持稳健。干旱阈值敏感性分析（thd=-0.5、-1.0、-1.5）显示，阈值选择影响SPE绝对量级，但随尺度增大的空间演变趋势保持一致。

**研究结论：** 本研究调查了气象干旱的时空演变，并提出了一种通过纳入干旱强度信息来识别其空间范围的新框架。利用ERA5、PERSIANN-CDR、GPM和TRMM四个高分辨率降水数据集，系统量化了中国多时间尺度气象干旱的空间范围。主要结论如下：（1）所提出的框架有效捕捉了干旱强度的空间梯度，并突显了其在塑造空间相关结构中的作用，解决了二元评估方法的局限性。研究人员引入干旱强度场（DIF）取代二元阈值，并将其与空间自相关和各向异性原理相结合。与原方法相比，新框架显著改进了空间相关长度（CLs）和方向变率的估计，避免了对SPE的高估和对方向异质性的低估。（2）气象干旱的空间范围随时间尺度的增加而增大，同时伴随区域异质性和结构不确定性的增强。四个降水数据集的结果一致表明，随时间尺度从1个月延长至12个月，干旱SPE稳定扩张。平均SPE从SPI-1的约29.00×10⁴-36.68×10⁴ km²增至SPI-12的33.85×10⁴-68.79×10⁴ km²，相应标准差从9.81×10⁴-12.59×10⁴ km²（SPI-1）升至19.56×10⁴-27.00×10⁴ km²（SPI-12）。空间上，SPE呈现显著的带状高值区和明显的风险南移趋势。在SPI-6及以上时间尺度，干旱空间结构呈现纬向（东西向）延伸特征。此外，CL的中位数和标准差均随时标显著增加，空间各向异性更加明显，表明干旱空间格局日趋复杂和破碎化。（3）流域尺度干旱演变格局揭示了湿润南部地区长期干旱风险增加。中国九大主要流域中，南部流域（如珠江、长江和东南诸河流域）在较长时间尺度上表现出明显的SPE扩张。相比之下，黄河流域和松辽河流域等干旱半干旱流域在所有时间尺度上均持续显示大面积干旱影响范围。在ERA5 SPI-1下，这两个流域的中位数SPE分别达到37.20×10⁴ km²和38.20×10⁴ km²，显著高于其他流域，表明其干旱频率和严重程度持续偏高。总体而言，所提出的强度场框架具有普遍适用性，可适用于表征全球其他极端气候事件（如热浪和极端降水）的空间尺度。在区域应用中，所揭示的时空尺度规律和流域特定各向异性模式为国家干旱预警系统、跨区域水资源调配以及脆弱环境下气候变化适应策略的制定提供了重要的科学基础。