基于多干旱指数理解温度驱动的东北亚干旱加剧

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Understanding temperature-driven drought intensification in Northeast Asia through multiple drought indices

　　

本研究利用标准化降水指数（Standardized Precipitation Index, SPI）、标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index, SPEI）和蒸发需求干旱指数（Evaporative Demand Drought Index, EDDI），探究东北亚（Northeast Asia, NEA）区域干旱加剧的时空动态特征。研究人员应用多指数框架结合广义线性模型（General Linear Modeling, GLM）评估气候变量对干旱严重程度的影响，采用ERA5再分析数据（1974–2023年），在1个月、3个月、6个月和12个月时间尺度上分析干旱特征。趋势分析揭示2004年前后的干旱模式发生转变：由季节性干旱转向持续性长期干旱事件。华北和蒙古成为主要长期干旱热点区域。SPEI和EDDI对温度驱动型干旱的敏感性显著高于SPI。GLM分析表明，最低气温与干旱加剧的关联性最强（偏η²_p = 0.046–0.105），其次为露点温度（η²_p = 0.037–0.077）。EDDI对最低气温的敏感度最高（η²_p = 0.105），而SPI响应最弱（η²_p = 0.046）。升高的温度和太阳辐射加剧干旱，而较高的露点温度则减轻干旱严重程度。这些发现表明，东北亚干旱加剧主要与温度和能量相关过程的相互作用有关，而非仅由降水不足导致。这种多指数、气候分层方法为理解驱动干旱变异性的水—能量相互作用机制提供了深入认识，支持气候变化背景下的监测与适应性水资源管理。

## 一、研究背景、问题与意义

干旱作为全球性自然灾害，以其渐进性 onset（发生）、持续时间长和恢复周期长等特征，对生态系统、经济和社会构成严峻挑战。传统上，降水 deficit（亏缺）被视为评估干旱的核心变量，但全球降水趋势的复杂性以及未来干旱预测的不确定性，使得单纯依赖降水指标难以准确刻画气候变化下的干旱严重程度。特别是大气蒸发需求（atmospheric evaporation demand）在干旱评估中的作用日益受到关注。温度通过Expiry requirement（需求）通过蒸散发过程影响土壤水分亏缺，而温度与太阳辐射、风速、大气湿度等因子的协同作用，在不同气候区表现出差异化的干旱驱动机制。

东北亚地区涵盖日本、韩国、朝鲜、中国和蒙古，跨越热带、干旱、温带、大陆性和极地五种主要气候类型的九个柯本气候分区，具有显著的水热梯度空间异质性。然而，既有研究多局限于单一干旱指数和简单的温度—干旱相关性分析，无法区分观测到的干旱加剧究竟源于降水亏缺、蒸发需求增加，还是两者的协同作用。更为关键的是，尚无研究在该区域采用多指数、多时间尺度、气候分层的框架结合多元统计分解方法来定量识别具体气候变量的独立贡献。

基于此背景，研究人员开展了此项研究，旨在构建一个综合的多指数、气候分层分析框架，揭示东北亚干旱加剧的关键驱动机制，为气候变化背景下的干旱监测适应性水资源管理提供机理性科学依据。该研究发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》，其意义在于突破了传统相关性分析的局限，通过统计分解量化了各气候因子的独立效应，并识别了不同时间尺度和气候区的主导驱动机制。

## 二、主要技术方法

本研究采用的关键技术方法包括：（1）基于ERA5再分析数据（1974–2023年，空间分辨率约9 km），提取最高气温、最低气温、露点温度、降水、10 m风速（u/v分量）、地表气压和太阳辐射等变量；（2）应用SPI、SPEI和EDDI三种干旱指数，在1、3、6、12个月时间尺度上进行干旱评估，其中SPEI与EDDDI所需的潜在蒸散发（PET）通过FAO-56 Penman-Monteith方程计算；（3）采用Mann-Kendall（MK）趋势检验结合Sen's slope估计量进行趋势检测与量化；（4）运用Spearman秩相关分析评估不同指数间的空间响应关系；（5）构建广义线性模型（GLM），以SPI、SPEI、EDDI为因变量，以8个气候要素为预测变量，通过方差分析（ANOVA）和效应量指标（η²、η²_p、ω²）量化各变量的独立贡献。

## 三、研究结果

### 3.1 干旱的时间特征

基于SPI、SPEI和EDDDI的时间分析揭示了东北亚各气候区干旱模式的显著转变。在研究的前三十年，多数区域呈现周期性干旱特征，无显著长期趋势，唯有苔原气候区（ET）在研究前半期干旱事件发生频率较高。2004年后，各指数一致显示出从季节性干旱向持续性长期干旱的转变，这一趋势在干旱和半干旱地区尤为明显。ET气候区则因降水形式由雪转雨而呈现增湿趋势。在热带季风气候（Am）区，干旱与湿润状况与季风降水变化紧密相关。整体而言，SPI在降水较少的BWk、BSk和Dwc气候区对干旱响应更为显著，而在季风影响较强的湿润地区，EDDI和SPEI对干旱的响应更为敏感。

### 3.2 不同指数和时间尺度的干旱趋势

1个月尺度的趋势分析显示显著的空间和季节变异：春季（3–5月），BSk和Dwc气候区及华北、蒙古出现显著干旱趋势；夏季（6–8月），BWk和BSk区域干旱趋势显著；秋季（9–11月），Dwc气候区及Cfa区的东南中国干旱持续；冬季（12–2月），Dwa和Dwb气候区出现负趋势。3个月尺度结果 bridging（桥接）了短期变异与长期趋势：春季Cfa和Cwa气候区显著干旱，夏季湿润区域出现干旱，秋冬季干旱模式持续。6个月尺度揭示了更 geographic（地理上的）分异：6月和12月，Cfa和Cwa气候区的东南中国、朝鲜半岛和日本出现显著趋势。12个月尺度全面呈现长期干旱格局：东南中国成为最突出的长期干旱热点，所有三种指数均显示显著趋势；华北和蒙古的BSk、Dwc、BWk气候区同样呈现持续性干旱趋势。Spearman相关分析表明，SPI与EDDI在短中期尺度多呈负相关，12个月尺度转为正相关；SPEI与EDDI在各时间尺度均呈强正相关，SPI与SPEI在多数区域正相关，但BWk区域较弱。

### 3.3 气候驱动因子对干旱指数的影响

GLM分析量化了各气候变量对干旱指数的独立效应。在12个月尺度，最低气温是增加干旱严重程度的首要因子，分别解释SPI方差的4.6%（η²_p = 0.046）、SPEI的8.1%（η²_p = 0.081）和EDDI的10.5%（η²_p = 0.105），p < 0.0001；露点温度为第二重要变量（η²_p = 0.037–0.077），正系数表明其通过降低水汽压 deficit 缓解干旱；太阳辐射位列第三（η²_p = 0.030–0.072），对EDDI影响强于SPI；最高气温效应弱于最低气温（η²_p = 0.017–0.028）；降水贡献较小（η²_p = 0.002–0.012）。在6个月尺度，太阳辐射主导SPI（η²_p = 0.533）和SPEI（η²_p = 0.234），而EDDI以最低气温最重要（η²_p = 0.135）。在3个月尺度，SPI以露点温度最显著（η²_p = 0.217），SPEI同样以露点温度为主导（η²_p = 0.157），EDDI则最低气温与露点温度贡献相近（η²_p = 0.138和0.136）。在1个月尺度，降水主导SPI（η²_p = 0.581）和SPEI（η²_p = 0.842），而EDDI以最低气温（η²_p = 0.259）、露点温度（η²_p = 0.247）和wind speed（η²_p = 0.139）为主。

## 四、讨论与结论

讨论部分深入阐释了研究发现的机制内涵与区域对比意义。研究人员指出，2004年后的干旱模式转变与南亚高压减弱东移、西风急流北移减弱等大尺度环流变化导致的 northward moisture transport（向北水汽输送）减少密切相关，也与东亚夏季风减弱相对应。温度驱动干旱加剧在mid-latitude（中纬度）地区具有共性：中亚天山地区和美国西南部均有类似发现，但NEA以夏秋季干燥为特征，区别于地中海区域的冬春季干旱强化。与斯堪的纳维亚高纬度地区降水主导的传播机制不同，NEA作为季风影响区，其水热平衡动态具有本质差异。SPEI和EDDI的优越性得到验证：SPEI在长时间尺度捕捉温度影响方面 robust（稳健），EDDI则对 atmospheric drying（大气干燥）相关的干旱动态尤为敏感。温室气体减排政策的紧迫性亦被强调，因低排放情景可显著降低干旱加剧速率。

研究结论指出：本研究构建的多指数、气候分层框架明确了东北亚干旱加剧的核心机制——温度驱动而非降水主导。最低气温是长期干旱的首要驱动因子，其效应量远超降水；不同时间尺度的主导驱动因子存在系统差异：短期（1个月）看降水，中期（6个月）看太阳辐射，长期（12个月）看温度积累；露点温度的缓解效应在NEA湿润大陆性和亚热带区尤为突出。这些发现为 operational drought monitoring（业务化干旱监测）和climate adaptation（气候适应）策略提供了直接依据：BSk、Dwa、Dwb和Cfa气候区需优先采用温度敏感指数；水资源规划应从应对季节性短缺转向适应持续性干旱；短期农业决策关注降水预报，长期基础设施投资依据温度预测。该研究建立的机理性分析框架，为其他季风影响的中纬度地区的干旱评估提供了可迁移的方法论参考。