淮河流域气象干旱的时空演化特征与关联因子识别（1982–2024）：基于BEAST、MMK–Hurst耦合、三阈值游程理论与偏小波相干性的多方法集成分析

《Hydrology》：Spatiotemporal Evolution Characteristics and Associated Factors Identification of Meteorological Drought in Huaihe River Basin

　　

淮河流域（HRB）位于中国南北气候过渡带，其降水呈现明显的时空异质性，频发的气象干旱严重威胁区域粮食与水资源安全。阐明流域气象干旱的时空变化、非线性突变及多尺度驱动机制，对于区域干旱风险防控和水资源优化配置具有重要意义。本研究采用一个月时间尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI-1）作为量化气象干旱的主要指标，构建了一套集成了贝叶斯突变、季节性与趋势估计器（BEAST）、改进曼-肯德尔与赫斯特指数（MMK–Hurst）耦合趋势与持续性判别、三阈值游程理论以及偏小波相干性（PWC）的分析工作流。该框架系统研究了1982–2024年间干旱的时空演变、突变特征、持续性趋势模式及气候驱动效应。结果表明：（1）1982–2024年，全流域干旱呈轻微加剧趋势，平均干旱趋势率为?0.000387。空间上，西部进展较快而东部较慢，西部旱情更重、东部较轻。（2）1988年为研究期内最干旱年份，4月、6月和11月出现三个干旱峰值。年均SPEI-1值显示，沂沭泗水系（YSR）旱情最重（?0.62），其次为山东半岛及沿海诸河系（SPCR，?0.56）、淮河干流水系（HRMR，?0.55）和里下河水系（LR，?0.52）。（3）SPEI季节分量突变点发生在2001年3月的概率为74%，趋势分量潜在突变信号发生在1998年9月的概率为44.1%。（4）在HRB内，覆盖超过95%流域面积的区域在春季和秋季干旱加剧。平均赫斯特指数为0.70，表明干旱演化整体具有持续性。MMK–Hurst耦合分析揭示，流域以轻度、不显著、持续性干旱为主。（5）1998–1999年典型跨季节干旱事件呈现多阶段波动，中西部丘陵区构成极端干旱的核心集群。该事件中，中度干旱面积占41.79%，极端干旱仅占1.47%，干旱强度由西向东逐渐减弱。（6）空气比湿（AH）的平均小波相干性（AWC）为0.94，显著功率百分比（POSP）为12.20%。AH的总POSP最高，但仅略高于土壤水分（SM）。本研究所建立的多方法耦合分析框架，为HRB的区域化干旱预警、水资源调控及防灾减灾提供了理论支撑。

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一、研究背景与问题提出

淮河流域（HRB）地处中国南北气候过渡带，受东亚季风环流控制，降水的年内与年际分布极不均匀，气象干旱频发，严重威胁区域粮食安全和水资源可持续利用。在全球变暖背景下，大气持水能力持续增强，导致中纬度半湿润气候过渡区的降水供给持续下降，同时蒸散发上升，使得即使年均降水量未明显减少的地区也可能出现蒸发主导的潜在气象干旱。现有研究在数据源、统计方法和归因框架方面存在显著不足：传统站点观测和低分辨率遥感数据空间分辨率有限；常规突变检测方法难以区分时间序列中的季节性和趋势性变化过程，也无法量化变化发生的概率区间；干旱趋势识别与持续性预测多为孤立进行，尚未建立栅格尺度的耦合分类方案；传统的单阈值游程模型容易遗漏短期干旱，且无法合理合并同类型间断干旱事件；多数归因分析聚焦于温度和降水指标，忽视了土壤水分（SM）和空气湿度等陆面水分组分，且缺乏基于多时间尺度小波的定量分析方法。因此，亟需一套整合多源长时序数据、多种统计方法的综合分析框架，系统揭示HRB气象干旱的时空演化规律及其气候驱动机制。

二、研究内容与主要结论

研究人员基于1982–2024年的FLDAS陆面同化数据集、SPEI-1指数、30米数字高程模型（DEM）和1公里土地利用数据，将HRB划分为四个二级子流域（里下河水系LR、山东半岛及沿海诸河系SPCR、淮河干流水系HRMR、沂沭泗水系YSR），从六个维度进行了定量分析：干湿长期趋势、最干旱年空间格局、时间序列突变、干湿耦合特征、典型干旱事件时程演化以及气候关联因子的时频识别。主要结论包括：全流域干旱呈轻微加剧趋势（趋势率?0.000387），西部HRMR下降最显著（?0.000461），北部SPCR最弱（?0.000182）；1988年为最干旱年份，4月、6月和11月出现三个干旱峰值，年均干旱覆盖面积55.00%，极端干旱仅占2.16%，干旱强度呈现西重东轻的空间格局；BEAST算法检测到SPEI季节分量在2001年3月发生突变的概率为74%，趋势分量在1998年9月存在潜在突变信号的概率为44.1%；MMK分析显示春季和秋季超过95%的区域干旱持续加剧，年均赫斯特指数0.70表明干旱演化整体具有持续性，MMK–Hurst耦合分析揭示流域以轻度非显著持续性干旱为主导；1998–1999年典型跨季节干旱事件中，中度干旱占41.79%，极端干旱仅占1.47%，干旱强度由西向东递减；偏小波相干性（PWC）分析表明，空气比湿（AH）和土壤水分（SM）的全时频域平均小波相干性（AWC）均为0.94，AH的显著功率百分比（POSP）最高（12.20%），但仅微弱领先于SM（11.80%），二者属于同一等级的影响因子。

三、关键技术方法概述

研究人员采用了五种核心方法：①标准化降水蒸散指数（SPEI-1），基于FAO–Penman–Monteith公式逐像元计算潜在蒸散（PET），结合FLDAS降水数据构建月水量平衡序列，以1991–2020年为气候基准期拟合三参数对数逻辑斯蒂分布，获取可比的长期SPEI-1序列；②贝叶斯突变、季节性与趋势估计器（BEAST），基于贝叶斯统计理论对时间序列进行层次分解，分别识别季节分量和趋势分量的突变点并输出概率及置信区间；③改进曼-肯德尔检验（MMK）与赫斯特指数（Hurst）耦合判别，MMK消除序列自相关干扰后计算栅格趋势统计量Z_s，R/S重标极差法估算Hurst指数（H），将两者耦合形成八类干旱演化模式；④三阈值游程理论，设置三级阈值（X₀=0、X₁=?0.3、X₂=?0.5），通过识别干旱片段、剔除瞬时干旱和合并间隔一月事件三个步骤实现精细化干旱事件识别；⑤偏小波相干性（PWC），采用复Morlet小波作为母小波，通过200次蒙特卡罗相位随机化傅里叶替代零模型确定95%显著性阈值，在排除其他变量耦合干扰后提取单一气候因子对SPEI-1的净效应，并以平均小波相干性（AWC）和显著功率百分比（POSP）两个聚合指标进行定量评估。

四、研究结果详述

3.1 SPEI-1的时间演化特征：全流域及各二级子流域的SPEI线性拟合斜率均为负值，表明1982–2024年间存在潜在变干倾向，但整体幅度较弱。HRMR下降最明显（斜率?0.000461），SPCR最弱（?0.000182）。西部YSR和HRMR丘陵区多次记录到低于?1.4的月均SPEI值，干旱频率相对较高；东部LR平原干湿波动较为平缓。所有栅格像元均未出现湿润化趋势，差异主要体现在下降幅度的空间分布上。

3.2 气象干旱的空间分布格局：1988年为研究期内最干旱年份，流域年均SPEI达?0.56。年内呈现多峰型演化：4月首次大面积干旱爆发（98.62%面积受影响，59.34%为重旱）；6月达到年度峰值（极端+重旱覆盖67.32%，LR保持非干旱状态）；11月再次出现干旱高峰（99.88%栅格受旱，重旱占68.16%）。全年干旱结构以中度（20.74%）、重度（16.43%）和轻度（15.67%）为主，极端干旱仅占2.16%。各子流域年均SPEI排序为YSR（?0.62）< SPCR（?0.56）< HRMR（?0.55）< LR（?0.52），干旱强度总体呈西重东轻格局。

3.3 基于BEAST算法的季节与趋势突变检测：BEAST算法分解结果显示，SPEI季节分量呈现规则的年际振荡，峰值集中在冬季至春季。季节分量存在一个突变点的概率为74%，突变中心时间为2001年3月，置信区间为1992年10月至2011年10月。趋势分量存在一个突变点的概率为44.1%（小于50%），仅能检测到潜在的趋势转折信号，突变候选中心时间为1998年9月，置信区间为1991年3月至1999年6月。

3.4 气象干旱的时空耦合趋势：MMK分析表明，3月、5月、9月和10月超过95%的栅格干旱加剧，流域平均Z_s分别为?0.44、?0.41、?0.30和?0.29；2月和4月为干旱缓解主导期（缓解栅格占比80.80%和78.39%）。全流域仅极少数孤立栅格达到显著性水平（p<0.05），干湿变化以非显著渐变为主。HRMR在所有12个月份均记录负Z_s值，呈现全年干旱加剧趋势。赫斯特指数分析显示，4月持续性最强（H=0.91，99.40%栅格具持续性），11月非持续性栅格升至67.57%（H=0.43）。流域年均H值为0.70，整体呈持续性演化模式。MMK–Hurst耦合分析揭示，春季和秋季以非显著持续性干旱加剧为主导（3月和5月分别占93.66%和95.92%），4月为非显著持续性干旱缓解主导期（77.57%），11月超过60%栅格呈现非持续性。全流域显著变化（p<0.05）栅格比例低于0.7%。

3.5 基于游程理论的典型干旱事件动态变化：识别出1998年9月至1999年2月的典型跨季节干旱事件。时间演化呈现多阶段波动：1998年9月为初始爆发期（94.26%面积受旱，均值SPEI=?1.43）；10月和12月出现暂时缓解（LR基本脱旱）；11月达到首个峰值（99.20%面积受旱）；1999年1月极端干旱面积占比达4.42%（全区域均值SPEI=?1.33）；2月干旱覆盖率达100%，但以轻度和中度为主。整个干旱周期中，中度干旱占41.79%，极端干旱仅占1.47%。空间上呈现西强东弱分布，YSR、HRMR和SPCR西部丘陵区干旱胁迫最重，LR东部下游平原最轻。

五、讨论与结论

讨论部分要点：AH和SM的AWC均为0.94，AH的总POSP最高（12.20%），但仅领先SM（11.80%）0.40个百分点，二者属同一等级影响因子。近地表空气湿度直接决定地表与大气之间的饱和水汽压梯度，是控制区域蒸散发速率的关键气象条件；土壤水分作为滞后缓冲元素，代表土壤剖面累积的长期水储量。PWC分析中AH和SM与SPEI-1的相关性显著高于温度或降水，这从机理上解释了为何仅基于降水序列构建的SPI在增温环境下难以充分表征实际干旱强度。人类活动（灌溉、水库调度、地下水开采）虽不能直接改变降水和潜在蒸散，但通过改变水资源再分配和储水能力，间接影响气象干旱向农业和水文干旱的传播过程。研究方法优势在于：BEAST克服了传统确定性检验无法分离季节与趋势信号及量化不确定性的局限；三阈值游程理论解决了单阈值模型易遗漏短历时干旱和无法合并间断事件的缺陷；MMK–Hurst耦合模型避免了单独使用两指标可能产生的矛盾解读；PWC排除了二元交叉小波中其他变量的伪相关干扰。局限性包括：FLDAS同化产品本身包含遥感反演、模型参数化和空间插值的误差；研究未将人类活动因素纳入分析边界；AH和SM的驱动能力差异微小，因子排序结果存在一定不确定性。未来方向包括：整合GRACE地下水储量、农业灌溉和水资源调度数据集，构建气候与人为驱动的联合归因框架；引入土壤和水文干旱指数开展多类型干旱耦合分析；纳入西太平洋副高、北太平洋指数和北极涛动等大尺度环流信号，构建多层次小波耦合模型解释持续性干旱的大尺度遥联机制；基于AH、SM和AT核心耦合指标优化现有干旱预警系统。

研究结论翻译：

（1）1982–2024年间，全HRB区域的SPEI趋势率为?0.000387。四个子区域均呈现负趋势，干旱加重速率存在显著差异。HRMR丘陵区下降最大（?0.000461），SPCR山区仅为?0.000182。YSR和HRMR区域频繁记录月均值低于?1.4，极端干旱事件频率较高。

（2）1988年为研究期最干旱年份，全流域年均SPEI为?0.56。4月、6月和11月出现三个干旱峰值，年均受旱面积比例为55.00%，极端干旱比例为2.16%。各子区域年均SPEI排序为YSR（?0.62）< SPCR（?0.56）< HRMR（?0.55）< LR（?0.52），呈现西重东轻格局。

（3）基于BEAST算法，SPEI季节分量存在突变点的概率为74%，发生于2001年3月；SPEI趋势分量包含一个潜在突变信号的概率为44.1%，发生于1998年9月。

（4）MMK分析显示，春季和秋季超过95%的区域干旱持续加剧，仅在2月和4月出现暂时缓解。流域年均赫斯特指数为0.70，干旱演化总体呈持续性特征。MMK–Hurst耦合分析表明，流域以轻度非显著持续性干旱为主导，YSR、HRMR和SPCR旱情更为严重。

（5）游程理论分析识别出1998年9月至1999年2月的典型干旱期，中度干旱占41.79%，极端干旱仅占1.47%。干旱严重程度由西向东逐渐降低。1999年1月干旱覆盖率达99.81%，极端干旱比例为4.42%，全区域平均SPEI为?1.33。

（6）在单因子PWC结果中，AH和SM在全时频域的AWC均为0.94，AH获得最高的总POSP（12.20%），但仅以微弱优势领先SM。SPEI与AH在时频域的高能量相干区域主要集中在8–32个月的中尺度周期，两者大多呈现正相位关系。