标准化降水蒸散指数在中国干旱监测的适用性分析

针对国际上最新提出的干旱指数——标准化降水蒸散指数(SPEI),从拟合优度检验、对历史干旱事件的刻画、以及SPEI与SPI、PDSI指数的关系角度出发,全面分析了SPEI指数在中国区域的适用性。结果表明,只有在冬季且时间尺度小于3个月时,新疆南部、西藏西北部和华北至河套地区的样本不服从Log-logistic分布;而在冬季且时间尺度大于3个月以及夏季的任何时间尺度,中国范围的样本都符合Log- logistic分布,所得SPEI指数可靠。SPEI指数能够准确刻画几次特大干旱事件的地域中心、影响范围和强度。与SPI指数相比,SPEI指数引入了影响干旱的潜在蒸发项,能够更精确地刻画干旱。而与PDSI指数相比,SPEI指数具有多时间尺度特征,计算更简便。     

标准化降水蒸发指数在中国区域的应用

利用中国气象局160个站1951～2010年月降水和月平均气温资料,分析了最近定义的一种干旱指数——标准化降水蒸发指数(SPEI)在我国不同等级降水区域的适用性,并与标准化降水指数(SPI)和湿润指数H进行了对比分析。结果表明:1)在我国年均降水量大于200 mm的地区,各种时间尺度的SPEI分析均适用;在干旱区(年均降水量小于200 mm),只有12个月以上的大尺度SPEI分析适用性较好;其中12个月尺度的SPEI分析在各区适用性最好。2)由于干旱区冬季的潜在蒸发量和降水量0值均较多,导致1、3、6个月的小尺度SPEI分析在该区不适用。3)与SPI和H指数相比,SPEI既能充分反映1997年气温跃变以后增温效应对干旱程度的影响,又可作为监测指数识别干旱是否发生和结束,能较准确地表征干旱状况。     

CI指数及SPEI指数在长江中下游地区的适用性分析

根据综合气象干旱指数(CI)在长江中下游地区应用中存在的不足,首先对CI中SPI指数等权累积降水进行合理的非等权处理及MI指数的优化,得到改进的综合气象干旱指数。然后利用1962—2013年长江中下游地区164个气象站的观测资料,对比分析了改进的综合气象干旱指数和标准化降水蒸散指数(SPEI)在长江中下游地区的适用性效果。结果表明:改进的综合气象干旱指数物理意义明确,解决了原CI指数对干旱开始时间、旱情发展中不连续加重现象和旱情解除时间滞后等不足,特别是对长江中下游地区的旱涝急转现象反映及时准确;设计的多时间尺度综合气象干旱指数与SPEI指数相关系数平均达0.8以上,说明得到的多时间尺度综合气象干旱指数对旱情的分析评估能力较强。经过适用性对比分析证明,月尺度综合气象干旱指数在江苏和安徽省应用效果要优于SPEI指数,湖南、江西和湖北省月尺度综合气象干旱指数在10—4月间的评估效果更好,SPEI指数在5—9月更优。因此,改进的综合气象干旱指数对长江中下游地区干旱分析与监测、预报预警等具有良好的推广应用价值。      

基于SPEI的河南省冬小麦生育期干旱时空特征分析

利用河南省24个地面气象站1961-2009年逐日降水和气温资料计算SPEI(标准化降水蒸散指数),并按照SPEI的标准界值将干旱强度划分为轻度干旱、中度干旱和极端干旱.根据河南省冬小麦的生长特点将小麦生育期划分为生育前期、分蘖期和返青-抽穗-成熟期.采用Meteoinfo软件、Morlet小波分析方法、线性回归研究不同生育期干旱变化趋势、覆盖范围、发生频率、周期及空间分布,结果表明,冬小麦各个生育阶段均出现过不同程度的干旱,只是不同地区、不同年份发生的频率和强度不同,但各阶段均存在着轻度干旱发生的概率最大,而极端干旱发生的概率最小的特点.驻马店地区在各阶段发生干旱的概率都较大.对河南省冬小麦全生育期的SPEI分析表明,全生育期干旱出现概率的极值中心有显著的10 a左右的周期变化特征,近年来干旱指数呈逐渐增大的趋势.     

基于SPEI干旱指数的凉山州干旱特征分析

本文采用凉山州17个国家气象站1971~2017年的气象资料,利用基于Penman-Monteith模型的标准化降水蒸散指数SPEI,分析月、季、年不同时间尺度下凉山州SPEI干旱指数的时空分布状况,并以西昌气象站为代表进行了SPEI干旱指数的突变性M-K检验。结果表明:(1)标准化降水蒸散指数能较好地反映凉山州干旱发生程度;(2)凉山州干旱的年代际变化明显,20世纪70年代、80年代和21世纪10年代总体偏旱,20世纪90年代和21世纪00年代则相对较为湿润;(3)凉山州干旱发生频率空间分布不均,中部干旱发生频率高于北部和南部地区;(4)西昌市近30年来干旱总体偏轻,最近一次干湿突变发生于1987年;⑤各季节最近一次由干转湿的突变点,冬季在1999年、春季在1996年、夏季在1994年、秋季在1991年,呈逐季提前的趋势。      

基于日值SPEI东北地区近58a干旱时空演变特征

在全球变暖的大背景下,关于灾害性天气事件的研究有利于灾害的风险性管理,对农业生产有指导作用。本文主要基于1960-2017年日值标准化降水蒸散指数（SPEI）数据,对东北地区的干旱进行时空演变分析。结果发现,日值SPEI相比月值SPEI能更加精准地识别干旱事件的发生,相较之下月值SPEI更容易低估干旱事件的强度和持续时间;干旱的时空变化,在时间上主要表现为2000年是东北地区干旱事件变化的转折点,2000年前易发生持续时间长且强度高的极端干旱,而2000年以后易发生严重干旱,持续时间和强度比极端干旱事件少,因而受到严重干旱的发生频率、强度以及持续时间的增长和极端干旱事件的发生频率和强度、持续时间减少的影响,东北地区近58年来所有干旱事件频率呈上升趋势,但是强度和持续时间呈下降趋势;干旱持续时间和强度在空间上增长的区域集中在内蒙古西部,减少的区域集中在东北地区的中东部;干旱事件的年代际变化表现为1990-1999年干旱事件的持续时间和强度是这58年来最少的,增长较明显的年代主要是在2000年以后。     

基于SPEI的1960—2018年赣江流域干旱特征

基于赣江流域39个气象站点逐月降水和气温数据,计算不同时间尺度标准化降水蒸散发指数(SPEI),采用Mann-Kendall突变检验、主成分分析(PCA)等方法,分析了赣江流域1960—2018年干旱时空变化特征.研究表明:不同时间尺度SPEI均有微弱升高的趋势,干旱形势有所缓解,SPEI能够较好地表征赣江流域旱涝情况.赣江流域中部的轻旱和特旱发生频率要高于其他地区,中旱主要高发地区主要分布在南部和西部区域,重旱主要集中在东部和北部.赣江流域干旱的空间分布具有较好的一致性,旱涝变化整体保持一致,南部与北部旱涝状态存在相反的纵向差异,且中部与南部、北部旱状况涝存在空间差异.     

江门市2003—2021年干旱特征分析

基于2003—2021年江门市6个国家气象观测站和17个区域自动气象站逐月降水和气温资料，应用标准降水蒸发指数(SPEI)分析该区域干旱时空特征。研究结果表明：(1)近19年来，江门市干旱整体有不明显的湿润趋势，年发生频率为31.6%,平均站次比为38.4%,平均强度值为0.7,发生干旱时，以全域性轻旱为主。空间分布上，干旱发生的频率较高，但强度较低且以轻旱为主。全市存在一致变旱或变涝的特征，易出现全域性的干旱或洪涝。(2)江门市除了夏季有微弱的干旱趋势外，其他季节都呈湿润趋势，冬季最为明显。各个季节干旱发生的频率都较高，发生干旱时覆盖的范围也较大，且多数为全域性或区域性干旱。各个季节的干旱强度也比较接近，都以轻旱为主。年尺度SPEI在江门地区的适用性表现优秀，能准确识别出5个干旱过程，但季节尺度SPEI适用性表现一般，仅识别出3个干旱过程。     

5种干旱指数在西藏高原地区的适用性评估

为了解不同干旱指标在西藏高原地区的适用性,本文通过利用Pa、MI、SPI、CI和FAO P-M干旱指数对西藏高原月尺度旱情等级进行评估,分析了各指标在描述旱情时的异同,并统计出各种指数的一致性及等级差异。结果表明:近20 a干旱过程中,MI、FAO P-M指数未监测出轻旱等级,而对于中旱、重旱等级,FAO P-M指数表现较好。从空间分布来看,FAO P-M指数在各个地区表现较好。从时间分布来看,FAO P-M指数在不同干旱过程期间,描述的干旱强度和中心位置与实际情况更接近;其次是Pa指数,其他指数综合表现相对较差。5种干旱指数在衡量西藏地区干旱程度上的一致性并不好;从两两指数之间反映干旱程度上出现一致性频次上看出,Pa-FAO P-M指数出现的次数最多,其次是Pa-SPI-CI指数的出现次数,MI-CI指数的出现次数最少。通过差异性分析得出,全区干旱指数不一致率平均大于20%,阿里地区和林芝地区的干旱指数整体不一致率最高,拉萨地区的干旱指数整体不一致率最低。     

基于SPEI的甘南高原气象干旱变化特征

干旱灾害是甘南高原发生最频繁的气象灾害之一,严重影响该地区农牧业生产和生态环境安全。利用1973—2022年甘南高原及周边31个气象观测站逐月降水和气温观测数据,选取标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）表征气象干旱,采用Mann-Kendall检验和Sen’s slope估计方法,研究甘南高原年、季尺度的干旱时空分布及变化特征。结果表明：近50 a来,甘南高原年SPEI呈显著减小趋势,全域整体趋向干旱化,1986年为突变年。干旱变化趋势存在季节差异,夏、秋季呈干旱加剧趋势,春、冬季则相反。年和季SPEI变化趋势存在空间差异性,年和秋季全域呈干旱化趋势;夏季甘南高原中东部呈干旱加剧趋势,春季与夏季相似,但春季干旱加重区域和干旱化程度明显小于夏季;冬季整体呈干旱减轻趋势。甘南高原年和季节尺度不同等级干旱发生频率有明显的空间差异,高原中东部轻旱频发,高原南部中旱和重旱高发,特旱各区域发生频率均较低;高原西部干旱发生频率总体小于高原中东部。     

基于两种潜在蒸散发算法的SPEI对中国干湿变化的分析

利用美国普林斯顿大学高分辨率的全球陆面同化数据集和美国国家环境预测中心的辐射再分析数据,根据Thornthwaite和Penman-Monteith公式分别计算了1948～2008年中国区域潜在蒸散发量;而后,使用降水和两套潜在蒸散发数据分别计算得到标准化降水蒸散发指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index),并以此研究了1949～2008年中国区域干湿变化时空特征以及两种SPEI结果之间的差异;最后,给出了两种SPEI在中国的适用区域。结果表明:两种SPEI均显示中国地区整体上存在变干趋势,季节上以春季的变干趋势最为显著;空间上表现为以长江为界的南涝北旱,显著变干的区域有内蒙古中部、华北、东北以及四川东部地区,显著变湿的地区主要位于新疆北部和西部。同时,各种不同等级干旱也呈增加趋势,其中以中等干旱增加最为显著。1990年代中后期以来是中等和极端干旱发生最多的时期,空间上与SPEI显著减小的区域相对应。两种SPEI在 冬、春季差异最大,这主要是由于期间两种潜在蒸散发的计算结果之间存在很大差异。在Penman-Monteith公式中,由于空气动力项对冬、春季北方潜在蒸散发的贡献显著增加,基于该公式的SPEI相对而言能更合理地描述干湿变化特征。     

基于CART算法的夏季干旱预测模型研究及应用

利用标准化降水蒸散指数(SPEI)作为判断干旱是否发生的标准,基于数据挖掘方法中的CART算法探究夏季西太平洋副高北界、夏季西太平洋副高强度指数、准两年振荡(QBO)、东亚夏季风指数、夏季北大西洋涛动(NAO)、夏季太平洋年代际振荡(PDO)、厄尔尼诺指数等多项气候因子与干旱的关系,构造分类决策树,得到干旱预报规则集,从而建立干旱的预报模型。预报模型以各项气候因子为输入变量,是否干旱为目标变量。根据1955—2012年商丘月平均气温和月总降水资料计算出商丘夏季58 a的SPEI指数作为干旱判定指标;以同期的多项气候因子数据作为输入变量,随机选取46 a的数据得到7条分类规则集,分类准确率为86.96%。使用剩余12 a的数据验证,准确率高达91.67%。结果有力地证明了基于CART算法建立干旱预报模型的可行性、科学性、有效性以及与干旱研究理论的一致性,为干旱模型的研究及季节性预测提供了科学有效的新思路。     

Probabilistic assessment of projected climatological drought characteristics over the Southeast USA

The study makes a probabilistic assessment of drought risks due to climate change over the southeast USA based on 15 Global Circulation Model (GCM) simulations and two emission scenarios. The effects of climate change on drought characteristics such as drought intensity, frequency, areal extent, and duration are investigated using the seasonal and continuous standard precipitation index (SPI) and the standard evapotranspiration index (SPEI). The GCM data are divided into four time periods namely Historical (1961–1990), Near (2010–2039), Mid (2040–2069), and Late (2070–2099), and significant differences between historical and future time periods are quantified using the mapping model agreement technique. Further, the kernel density estimation approach is used to derive a novel probability-based severity-area-frequency (PBS) curve for the study domain. Analysis suggests that future increases in temperature and evapotranspiration will outstrip increases in precipitation and significantly affect future droughts over the study domain. Seasonal drought analysis suggest that the summer season will be impacted the most based on SPI and SPEI. Projections based on SPI follow precipitation patterns and fewer GCMs agree on SPI and the direction of change compared to the SPEI. Long-term and extreme drought events are projected to be affected more than short-term and moderate ones. Based on an analysis of PBS curves, especially based on SPEI, droughts are projected to become more severe in the future. The development of PBS curves is a novel feature in this study and will provide policymakers with important tools for analyzing future drought risks, vulnerabilities and help build drought resilience. The PBS curves can be replicated for studies around the world for drought assessment under climate change.     

Impact of Drought on Agriculture in the Indo-Gangetic Plain,India

In this study, we investigate the spatiotemporal characteristics of drought in India and its impact on agriculture during the summer season(April–September). In the analysis, we use Standardized Precipitation Evapotranspiration Index(SPEI)datasets between 1982 and 2012 at the six-monthly timescale. Based on the criterion SPEI -1, we obtain a map of the number of occurrences of drought and find that the humid subtropical Upper Middle Gangetic Plain(UMGP) region is highly drought-prone, with an occurrence frequency of 40%–45%. This UMGP region contributes at least 18%–20% of India's annual cereal production. Not only the probability of drought, but the UMGP region has become increasingly drought-prone in recent decades. Moreover, cereal production in the UMGP region has experienced a gradual declining trend from 2000 onwards, which is consistent with the increase in drought-affected areas from 20%–25% to 50%–60%, before and after 2000,respectively. A higher correlation coefficient(-0.69) between the cereal production changes and drought-affected areas confirms that at least 50% of the agricultural(cereal) losses are associated with drought. While analyzing the individual impact of precipitation and surface temperature on SPEI at 6 month timescale [SPEI(6)] we find that, in the UMGP region,surface temperature plays the primary role in the lowering of the SPEI. The linkage is further confirmed by correlation analysis between SPEI(6) and surface temperature, which exhibits strong negative values in the UMGP region. Higher temperatures may have caused more evaporation and drying, which therefore increased the area affected by drought in recent decades.     

Spatiotemporal patterns of drought at various time scales in Shandong Province of Eastern China

The temporal variations and spatial patterns of drought in Shandong Province of Eastern China were investigated by calculating the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) at 1-, 3-, 6-, 12-, and 24-month time scales. Monthly precipitation and air temperature time series during the period 1960–2012 were collected at 23 meteorological stations uniformly distributed over the region. The non-parametric Mann-Kendall test was used to explore the temporal trends of precipitation, air temperature, and the SPEI drought index. S-mode principal component analysis (PCA) was applied to identify the spatial patterns of drought. The results showed that an insignificant decreasing trend in annual total precipitation was detected at most stations, a significant increase of annual average air temperature occurred at all the 23 stations, and a significant decreasing trend in the SPEI was mainly detected at the coastal stations for all the time scales. The frequency of occurrence of extreme and severe drought at different time scales generally increased with decades; higher frequency and larger affected area of extreme and severe droughts occurred as the time scale increased, especially for the northwest of Shandong Province and Jiaodong peninsular. The spatial pattern of drought for SPEI-1 contains three regions: eastern Jiaodong Peninsular and northwestern and southern Shandong. As the time scale increased to 3, 6, and 12 months, the order of the three regions was transformed into another as northwestern Shandong, eastern Jiaodong Peninsular, and southern Shandong. For SPEI-24, the location identified by REOF1 was slightly shifted from northwestern Shandong to western Shandong, and REOF2 and REOF3 identified another two weak patterns in the south edge and north edge of Jiaodong Peninsular, respectively. The potential causes of drought and the impact of drought on agriculture in the study area have also been discussed. The temporal variations and spatial patterns of drought obtained in this study provide valuable information for water resources planning and drought disaster prevention and mitigation in Eastern China.     

基于SPEI指数的近58 a甘肃省干旱特征分析北大核心

利用甘肃省19个气象站点1960—2018年逐月平均降水量、气温等数据,应用标准化降水蒸散量指数(Standardized Preapitation Evapotranspiration Index,SPEI)、Penman-Monteith模型、小波分析等方法分析了甘肃省近58 a不同时间尺度干旱事件的时空演变特征。结果表明:月尺度干旱频率3月最高,2月最低;季尺度上秋季干旱最严重,春季次之;冬季干旱化趋势最慢,春季最快。近58 a甘肃省SPEI指数呈下降趋势,年尺度SPEI指数存在8 a、12 a、26 a的周期。干旱发生频率在年尺度和月尺度上的分布较为一致,河西走廊东段与甘南州地区频率较低,酒泉北部地区与甘肃省东、中部地区频率较高;季尺度上,春季兰州与武威南部地区频率较高,庆阳地区频率最低;夏季为白银与武威北部地区频率最高,张掖中部地区、白银北部地区以及临夏、庆阳、平凉地区最低;秋季频率最高的地区为兰州东部、定西东北部以及嘉峪关地区,最低的地区在酒泉、张掖、武威北部及平凉中部地区;冬季高值区在平凉,低值区在武威与甘南。干旱发生强度最高的地区为张掖,其次为酒泉、庆阳及白银等地区,最低的区域位于甘肃西南地区。酒泉、嘉峪关等地区干旱化程度逐年加剧;甘肃东南地区干旱速率较西北地区慢;中西部地区干旱化速率最慢,且甘南北部与武威西南部地区有湿润化趋势。