作品简介

一、背景与简介

从全球范围看，旱灾影响面积最广，造成经济损失最大，被认为是世界上最严重的自然灾害类型之一[1]，而中国干旱地区面积占全国自然灾害影响面积的60%[2]。由于其出现次数多、持续时间长、影响范围大、对农业等经济部门造成的直接损失重，再加上水资源、土地资源及其对社会的潜在影响，成为我国最大的自然灾害之一[3]。因此，量化研究干旱时空变化特征并阐述其形成的机制，对农业生态系统的科学管理和气象灾害预警等方面有重要意义[4]。

国际上将干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱四类[5-6]。其中，气象干旱的评估是农业干旱、水文干旱和社会经济干旱监测和预警的基础。通常我们选用便于计算的干旱指标来监测评估干旱发生的强度、持续时间和受灾范围 [7]。目前，气象干旱常用指标主要有标准化降水指数 （Standard Precipitation Index, SPI）、帕默尔干旱指数（Plamer Drought Severity Index, PDSI）、标准化降水蒸散指数（Standard Precipitation Evaporation Index, SPEI）等指数[6]。其中，SPEI适用范围广，易于计算，因此，成为在实际运用当中最广泛并且适用于所有气候的干旱指标[7]。Yao Ning等[8]利用SPEI等干旱指数按照中国7大分区评估了1961-2013年中国大陆干旱的时空演变，并结合SPI等干旱指数揭示了历史的干旱状况。N.S.Abeysingha等人[9]利用SPEI在3个月、6个月和12个月的时间尺度上评估了斯里兰卡的干旱状况，利用曼肯徳尔秩和检验（Mann-Kendall test，M-K）和泰森多边形结合的方式来监测干旱事件发生的趋势及空间分布。李勤[6]等人利用气象干旱和农业干旱结合的综合监测方法对中国1979-2015年不同时间尺度气象干旱和农业干旱进行研究，发现综合监测方法优于单一的气象干旱监测与农业干旱监测。于家瑞[10]等人利用不同时间尺度的SPI值并结合游程理论来分析黑龙省干旱的时空演变特征。

综上，对于干旱的监测，目前大多数研究均从时间和空间两个纬度分别进行探究，而未从总体的时空尺度上去分析干旱的特征与变化。利用时空数据模型探索气象干旱的分布格局、形成过程和影响机制，有重要的实践与现实意义[11]。从时空数据方面；本项目利用时空立方体模型对中国6个指数（PDSI、PMDI、PHDI、Z-index,、sc-PDSI、SPEI）从时空尺度上进行可视化展示与分析。对中国613个站点创建泰森多边形，并结合时空尺度的K-means聚类方法对近40年来613个区域进行聚类，利用伪F统计量评估三个时间尺度（SPI3, SPI6和SPI12）的最佳聚类数。对于历史旱情严重年份则利用经验贝叶斯克里金插值（Empirical Bayesian Kriging, EBK）法对其进行空间分布预测研究。从时间序列方面，结合自回归移动平均模型（Autoregressive Integrated Moving Average, ARIMA）和长短时记忆神经网络（Long Short-Term Memory，LSTM），以及二者的组合模型（ARIMA-LSTM）对多尺度指数进行预测。

二、研究区概况与数据

中国地形由西至东呈下降趋势，且地貌类型多样化，由平原、山谷、丘陵、水系、水体、高原、沙漠和冰川盆地等组成[8]。气候类型可分为季风气候、温带大陆性气候、高寒气候，温度带由南至北可划为热带、亚热带、暖温带、中温带、寒带[12]。本文选取1980-2019年中国613个连续监测的气象站逐月降水量数据进行计算，来源于国家气象信息中心提供的中国地面气候资料月值数据集（http://data.cma.cn/）。考虑到中国多年的平均气温条件，中国被划分7个自然分区（见图1），分别为西北荒漠地区（图1中标注为“1”），内蒙古草原地区（图1中标注为“2”），东北湿润半湿润温带地区（图1中标注为“3”），华北湿润半湿润暖温带地区（图1中标注为“4”），华中华南湿润亚热带地区（图1中标注为“5”），青藏高原（图1中标注为“6”），华南湿润热带地区（图1中标注为“7”）。

图1  中国7大地理分区 与612个气象站点分布

三、设计思想

3.1  6个干旱指数（PDSI、PMDI、PHDI、Z-index、sc-PDSI、SPEI）

由于中国各地旱情均有季节区分并且在旱情严重地区均有连旱情况发生，而大部分农作物生长季在3月到8月，因此本文分别计算了1980-2019年的1, 3, 6, 9, 12和24个月的SPEI值以及PDSI、PMDI、PHDI、Z-index、sc-PDSI的值，并通过国家标准气象干旱等级（GB/T20481-2006）规定的干旱分级标准（表1）来表征干旱情况[3]。

表1 标准化降水指数干旱分级

Tab.1 Drought classification based on SPI

等级

类型

指数范围

1

无旱

指数≥-0.5

2

轻旱

-1.0≤指数