河南省1961–2023年基于SPEI与时空分析的干旱时空演变特征及持续性研究

《Sustainability》：Spatiotemporal Characteristics of Meteorological Drought in Henan Province, Central China, Using the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index Junhui Yan, Sai Zhao, Xinxin Liu, Zhijia Gu, Gaohan Xu, Maidinamu Reheman and Tong Zhu

　　

摘要：本研究以中国河南省79个气象站1961–2023年的月降水与气温数据为研究对象，研究人员计算不同时间尺度（1、3、12个月）的标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）以表征水收支平衡，依据国家标准GB/T 20481?2017划分干旱等级，统计各等级干旱发生频率；采用逆距离加权（Inverse Distance Weighting，IDW）插值获取空间分布，应用经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF）分解揭示干旱时空模态，结合Theil–Sen中位数斜率估计与Mann–Kendall（M?K）检验分析SPEI长时间序列变化趋势，并利用重标极差（Rescaled Range Analysis，R/S）法计算Hurst指数以判定干旱演变持续性。结果表明：河南省年际干旱频次呈不显著上升趋势，1995年为突变点；春旱显著增加（p＜0.05），重旱与极端干旱亦呈显著增长（p＜0.05）；EOF第一模态反映全区一致变化特征，第二模态显示南北反相分布；Hurst指数＞0.5表明未来干旱具正持续性。研究成果可为区域干旱监测与水资源适应性管理提供科学依据。

研究背景与意义

干旱是中国及全球最具破坏性的气象灾害之一，其发生频率与强度受气候变化影响日益显著。河南省作为我国重要的农业产区，对气象干旱高度敏感，但针对该省长时序（1961–2023年）、多时间尺度SPEI（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，标准化降水蒸散指数）结合时空分解与持续性分析的综合研究仍较缺乏。现有研究多关注单一时间尺度或短时段，对干旱时空演化规律及未来持续特征的系统性探讨不足。为此，研究人员基于79个地面气象站63年观测资料开展多尺度SPEI计算、干旱等级评定、时空特征提取及趋势与持续性分析，旨在揭示河南省干旱的时空演变规律与未来演变倾向，为区域抗旱减灾决策提供科学支撑。论文发表于Sustainability。

主要技术方法概述

研究人员收集河南省79个国家气象站1961–2023年月降水与平均气温资料，经质量控制后采用Thornthwaite法估算潜在蒸散量（PET），构建不同时间尺度（1、3、12个月）的水收支序列并拟合3参数Log?logistic分布得到SPEI值；依据GB/T 20481?2017将SPEI划分为无旱、轻旱、中旱、重旱、极端干旱五个等级，统计站点及区域干旱频率；以逆距离加权（IDW）插值生成空间分布图；对年SPEI距平场进行经验正交函数（EOF）分解获取主导空间模态及其时间系数（PC）；采用Theil?Sen斜率估计量化SPEI序列变化趋势，辅以Mann?Kendall（M?K）检验验证趋势显著性；基于R/S（Rescaled Range）分析法计算Hurst指数H判断时间序列长程相关性及未来演变持续性。

研究结果

2.1. 数据来源与预处理

使用河南省79个气象站长时序月降水与气温数据，经异常值检验与缺测处理确保数据完整性。

2.2. 水平衡与水收支计算

基于Thornthwaite公式计算月潜在蒸散量（Potential Evapotranspiration，PET），以降水量减PET得到逐月水收支（水平衡）序列，并按1、3、12个月时间尺度累加形成不同累积时间尺度的水收支D(t)。

2.3. SPEI计算

将水收支序列拟合三参数Log?logistic概率分布，通过概率积分变换及近似正态逆函数获得SPEI值，其中α为尺度系数、β为形状系数、γ为位置（原点）参数，由L?矩（L?moment）法估计。累积分布函数F(x)=[1+(α/(χ?γ))^β]^?1，SPEI=W?(C₀+C₁W+C₂W²)/(1+d₁W+d₂W²+d₃W³)，式中W=√(?2ln(P))，P为超过概率。

2.4. 干旱等级划分

按GB/T 20481?2017标准划分：SPEI＞?0.5为无旱，?1.0＜SPEI≤?0.5为轻度干旱，?1.5＜SPEI≤?1.0为中度干旱，?2.0＜SPEI≤?1.5为重度干旱，SPEI≤?2.0为极端干旱。

2.5. 统计分析

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  受旱站点百分比：P=m/M×100%，m为某时段内发生干旱的站点数，M为总站数。
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  干旱频率（分类型i与等级j）：P_ij=m_ij/M×100%，m_ij为i类（春/夏/秋/冬/年）j级干旱出现年数。
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  单类型干旱频率：P_i=Σ_j=i⁴m_ij/M×100%。

2.6. EOF分析

对SPEI年距平矩阵X_m×n作奇异值分解X=V·T，V为空间特征向量（EOF模态），T为时间系数（PC），提取前几阶载荷量大的模态解释干旱空间变化格局。

2.7. IDW空间插值

以IDW法将站点SPEI及干旱频率插值为栅格表面，揭示空间异质性。

2.8. Theil–Sen趋势与M?K检验

Sen斜率ρ=median{(x_j?x_i)/(j?i), 1＜i＜j≤n}，ρ＞0为上升趋，ρ＜0为下降趋；M?K统计量Z检验趋势显著性（α=0.05）。

2.9. Hurst指数（R/S分析法）

标准差S(τ)=|1/τ·Σ_i=1^τ(x_i?x?)²|^1/2，R/S(τ)∝(τ/2)^H，H∈(0,1)。H≈0.5为随机；H＞0.5为正持续性（未来延续现趋势）；H＜0.5为反持续性。

3.1. 干旱时间变化特征

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  年际变化：1961–2023年河南省年均干旱站次455次，以1995年为界前期均值419次、后期496次；年总干旱频次呈不显著上升趋势（p＞0.05）。轻旱年均229次、中旱160次、重旱57次、极端旱9次；重旱与极端干旱发生频次在1998年后明显增多且呈显著上升趋势（p＜0.05），轻旱呈不显著下降、中旱呈不显著上升。
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  季节变化：四季总干旱频次差异不大（春107、夏111、秋117、冬120次/年）。春旱呈显著上升（p＜0.05），2000年前均值83次/年后增至146次/年；夏旱不显著下降；秋冬旱不显著上升。春季与秋季重旱呈极显著上升（p＜0.01）。

3.2. 空间分布特征（EOF与IDW结果）

EOF第一模态（解释方差最大）表现为全省正负号一致，反映干旱发生具区域一致性；第二模态呈豫南与豫北反相分布特征，指示空间非均匀性。IDW插值显示干旱高频区主要位于豫西山区及豫东平原局部，豫南部分地区干旱频率相对较低。

3.3. 趋势与持续性

Theil?Sen与M?K检验表明SPEI?12（年尺度）在大部分地区呈不显著下降（即干旱化倾向），其中豫北及豫西下降趋势较明显；Hurst指数计算结果显示河南省多数站点H＞0.5（0.55–0.78），表明SPEI及干旱状况具正持续性，即若当前呈干旱化趋势则未来可能维持或加重。

讨论与结论

研究人员通过对河南省63年SPEI的多尺度计算及时空分析得出如下结论：①河南省干旱发生频次整体呈微弱上升趋势，1995年前后为阶段性分界；②春旱与重/极端干旱显著增加，应重点关注春季及高强度干旱的防御；③EOF分析揭示干旱空间分布存在全区一致与南北反相两种主导模态；④Hurst指数＞0.5指示干旱演变具正持续性，提示需建立长效监测预警机制。本研究系统刻画了河南省1961–2023年干旱时空演变特征与持续属性，弥补了该区域长时序多尺度SPEI综合评估的不足，对农业旱灾风险管理与水资源规划具参考价值。