欧洲范围内气象干旱和水文干旱的时空特征

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Spatiotemporal characteristics of meteorological and hydrological droughts across Europe

欧洲干旱时空演变及多指标协同分析研究。基于ERA5数据集，整合SPI、SPEI、SRI、RZI四个干旱指数，运用Mann-Kendall趋势检验、Hurst指数持久性分析、突变点检测及Fragstats空间格局评估，揭示1970-2024年水文干旱（SRI/RZI）在空间分布、趋势强度和持久性上显著优于气象干旱（SPI/SPEI），其突变点集中于1993-1994年，与欧洲水循环系统惯性响应相关。研究发现，12个月尺度下水文干旱覆盖面积达699.75×10?km2，且空间异质性增强，而气象干旱在3个月尺度时与水文指标相关性下降至0.3。提出多尺度多指标融合监测框架可提升干旱预警精度。

　　在全球变暖和水资源压力不断加剧的背景下，欧洲地区近年来干旱事件的频率和强度显著上升。为了深入理解干旱的演变趋势和其背后的气候机制，本研究利用ERA5再分析数据（时间跨度为1970年至2024年），评估了四种干旱指数，包括气象干旱指数（SPI和SPEI）以及水文干旱指数（SRI和RZI），分别在3个月、6个月和12个月的时间尺度上进行分析。通过趋势分析（Mann–Kendall检验）、持久性评估（Hurst指数）、突变点检测（突变检验）以及空间模式分析（Fragstats）等方法，全面探讨了干旱在时间和空间上的动态变化，并分析了不同指数之间的相关性。研究结果表明，水文干旱指数表现出更强的趋势和持久性，尤其是在西欧、东欧和南欧地区，SRI和RZI影响的区域面积接近70万平方公里。突变点检测显示，气象干旱指数在1974年出现了显著变化，而水文干旱指数则主要集中在1993至1994年。空间模式分析揭示了干旱区域的分布复杂性增加，特别是水文干旱指数在不同干旱等级下表现出更多的聚集性。同时，不同指数之间的相关性在12个月尺度上较高（|R| > 0.6），但在3个月尺度上显著下降（约0.3），表明气象干旱和水文干旱在短期尺度上表现出不同的特征。这些发现不仅深化了对干旱演变机制的理解，还为欧洲的干旱监测、预警和适应性水资源管理策略提供了科学依据。

干旱作为一种普遍且反复出现的气候极端现象，对生态系统、水文系统、农业生产以及全球社会经济的稳定性造成了广泛影响。某些干旱事件可能持续数月甚至数年，常常演变为严重的自然灾害。干旱会显著降低地表和地下水的可用性，导致水质下降，引发农作物歉收，降低牧场生产力，并限制水电站的发电能力。此外，干旱还会破坏河岸生态系统，削弱多个经济领域，对人类的福祉和生计构成重大威胁。在极端情况下，干旱可能导致区域生态系统失衡，增加植被死亡率，提高野火风险，并危及人类生命和财产安全。随着水资源需求的增加和全球气候变化的持续，国际社会对干旱相关灾害的关注度也在不断上升。在人类活动的持续影响和全球变暖的背景下，干旱的频率和严重性进一步加剧。

干旱问题在欧洲尤其受到重视，其发展与全球气候变化密切相关。自2000年以来，欧洲地区频繁遭遇极端干旱事件，尤其是在2003年、2007年、2010–2013年、2015年以及2017–2022年。南欧和东欧地区受到的影响尤为显著，这与其独特的地中海气候、长期水资源短缺以及对灌溉的高度依赖密切相关。近年来，由持续高温和长期干旱期驱动的干旱现象变得越来越频繁，进一步加剧了该地区对复合极端事件的脆弱性。因此，对干旱的长期演变进行监测，对于提升预测能力、增强抗旱规划的韧性至关重要。

为了准确描述干旱的动态变化、监测干旱状况并实现区域间的比较，研究人员开发了多种方法来识别和量化干旱。这些方法主要分为三类：基于气象和水文记录的统计指标、基于遥感的干旱指数以及干旱过程的数值模型。统计指标如标准化降水指数（SPI）、标准化降水蒸散发指数（SPEI）和Palmer干旱严重指数（PDSI）通过标准化降水、蒸散发或水文平衡变量来衡量干旱的严重程度。遥感方法则通过植被指数（如NDVI）、地表温度异常和遥感土壤湿度等手段，检测干旱的空间分布，具有广泛的覆盖范围和区域适应性。数值模型方法，如变量入渗能力模型（VIC）、社区陆地模型（CLM）和全球陆地数据同化系统（GLDAS），则利用气候数据重建关键的水文变量，如土壤湿度和径流，从而模拟和预测干旱的演变。这些方法在时间分辨率、空间尺度和所代表的物理过程方面存在差异，通常根据研究目标进行整合和交叉验证。由于其计算简便、可扩展性和与大规模气候数据集的兼容性，干旱指数仍然是广泛使用的工具。

在水文干旱指数中，常用的包括标准化径流指数（SRI）、径流Z指数（RZI）和流量干旱指数（SDI）。Shukla和Wood（2008）首次将SRI应用于干旱评估，而Kite和Harvey（1992）提出，某一时期内的降水量服从Pearson III分布，通过将降水数据转换为Z分数，可以对干旱和洪水事件进行分类，从而得到Z指数。在气象干旱指数中，常用的包括降水异常百分比、SPI、SPEI和PDSI。在研究美国科罗拉多州的干旱状况时，Patel等人（2010）提出了SPI，它基于降水变化对干旱发展的敏感性，适用于不同时间和空间尺度。此后，SPI被广泛应用于干旱识别。BL-Maeksjimav-S（2010）开发了SPEI，通过将降水与参考作物蒸散发（ET?）的差异纳入考量，使得该指数能够捕捉更多气候因素的影响。在欧洲，SRI、RZI、SPI和SPEI已被广泛应用于干旱监测，并展现出较强的区域适应性。尽管已有大量研究探讨了气象和水文干旱指数，但对欧洲地区进行全面的多维度评估仍较为缺乏。

本研究构建了一个整合分析框架，结合了气象干旱（SPI和SPEI）和水文干旱（SRI和RZI）指数，系统评估了1970年至2024年间欧洲大陆干旱的时空演变。该框架整合了多个维度，包括趋势分析（Mann–Kendall检验）、持久性评估（Hurst指数）、突变点检测（Mann–Kendall突变检验）以及空间模式分析（Fragstats）和指数间相关性分析（皮尔逊相关系数）。这一方法使得研究能够对干旱动态进行协调、多尺度的评估，并分析指数的一致性。通过引入这一综合性框架，本研究在区域干旱诊断方面取得进展，能够全面捕捉干旱的时间趋势、突变点、持久性特征、空间结构演变以及指数间的协调性。

欧洲大陆的气候条件多样，涵盖了地中海气候、温带海洋性气候和亚北极气候等多种类型，这些差异导致了水文气候条件的显著区域异质性。降水和径流主要集中在阿尔卑斯地区和斯堪的纳维亚半岛，而南欧则面临降水不足和水资源短缺的问题。年降水量在233.86至3236.21毫米之间变化，径流范围则在0至2832.17毫米之间。地表温度呈现出从南向北逐渐递减的显著梯度，年均温从-5.73°C到18.41°C不等。风速在高地和东南欧地区较高，范围从0.15到3.15米/秒。太阳辐射则具有强烈的纬度梯度，年均值从1.76到17.66 MJ/m2不等。由于其复杂的气候条件、多样的水资源状况以及对干旱影响的高度敏感性，欧洲为研究干旱的时空演变和进行跨指数评估提供了一个理想的自然实验室。

为了便于区域分析，本研究将欧洲大陆划分为五个子区域，依据联合国M49分类框架（https://unstats.un.org/unsd/methodology/m49/）：西欧、东欧、南欧、北欧和俄罗斯。考虑到俄罗斯的跨大陆特性，研究中并未将其欧洲部分与亚洲部分分开，而是将其视为一个整体进行分析。通过使用ERA5-Land再分析数据，本研究系统评估了欧洲干旱的时空演变。ERA5-Land是由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开发的第五代ERA5再分析产品中的陆地表面部分，专门用于陆地水文和气候应用。与早期数据集如ERA-Interim和CRU相比，ERA5-Land具有更高的空间分辨率（0.1°×0.1°）、更长的时间覆盖范围、先进的数据同化技术以及对关键水文气象变量如降水、蒸散发、土壤湿度和径流的更准确表示。其底层建模系统基于集成预报系统（IFS），第41r2周期（CY41R2），结合了更新的物理参数化方案、增强的陆地表面过程建模以及大量卫星、地面和现场观测数据的同化，从而大幅提升了水文气象模拟的准确性和可靠性。

在本研究中，直接使用了官方发布的ERA5-Land数据集，未进行额外的插值或重采样，以提供高分辨率的网格化气候数据。ERA5数据（包括ERA5-Land）在水文气象和干旱相关研究中已被广泛验证，适用于多种气候区域。例如，Gao等人（2022）评估了ERA5数据在中国雪密度估计中的适用性，结果显示其与现场观测数据具有良好的一致性，尽管在雪季后期存在轻微低估。在地中海地区，Torres-Vázquez等人（2023）发现ERA5与西班牙气象局的官方观测数据高度一致，证实了其在干旱监测中的适用性。这些结果支持了ERA5数据在水文和干旱评估中的广泛适用性和可靠性。

本研究采用了一种综合的方法论，结合了四种代表性的干旱指数：标准化降水指数（SPI）、标准化降水蒸散发指数（SPEI）用于气象干旱，标准化径流指数（SRI）和径流Z指数（RZI）用于水文干旱。评估在3个月、6个月和12个月的时间尺度上进行。为了评估长期趋势和持久性，研究应用了Mann–Kendall趋势检验和Hurst指数。为了检测突变点，研究结合了Mann–Kendall变化点分析和移动t检验。通过Fragstats 4.2提取干旱斑块模式的景观结构指标，用于评估不同干旱等级的空间分布。在指数间一致性评估方面，研究在欧洲不同时间尺度上进行了基于网格的皮尔逊相关系数分析，以量化干旱响应中的差异和一致性。这种方法有助于评估不同干旱指数在捕捉干旱多过程传播方面的能力。

在空间结构分析方面，Fragstats 4.2被用于提取干旱斑块模式的景观结构指标，包括香农多样性指数（SHDI）、斑块数量（NP）、最大斑块指数（LPI）和景观比例（PLAND）。研究结果显示，水文干旱指数RZI和SRI在1970年至2024年间表现出显著的SHDI增加趋势，反映了水文干旱空间复杂性的持续上升。相比之下，气象干旱指数SPEI和SPI在整个研究期间表现出相对稳定的变化，没有显著趋势。整体来看，水文干旱指数在空间复杂性方面的提升更为明显。

从空间分布模式来看，干旱在不同干旱等级下呈现出显著的再配置趋势。总体而言，水文干旱指数（RZI和SRI）在大多数干旱等级中表现出斑块数量（NP）、空间聚集（LPI和PLAND）和异质性（SHDI）的显著增加，表明干旱模式正向更加复杂和集中的方向发展。具体而言，水文干旱指数在更严重的干旱等级下显示出显著的NP增加，LPI和PLAND也显著上升。相比之下，气象干旱指数的变化较小且波动较大，SPI表现出混合趋势，而SPEI则在NP上总体下降，LPI和PLAND保持相对稳定。这些结果表明，水文干旱指数在空间模式重组方面比气象干旱指数表现出更强的信号，这可能是由于水文过程对中长期气候变异和地表径流动态的耦合响应。在“中度”和“严重干旱”区域，水文干旱斑块呈现出显著的聚集趋势，这种聚集可能逐步削弱生态调节能力，并加剧区域水资源压力和水文风险的传播。而在“无干旱”和“轻度干旱”区域，某些指数仍然显示出斑块数量增加和斑块面积缩小的趋势，这表明局部水文连通性下降和生态系统服务功能的弱化。总体而言，干旱从碎片化到聚集化空间模式的转变，可能正在逐步重塑区域生态水文系统的空间控制动态，并增加其对生态稳定性和社会经济系统的脆弱性。

本研究还通过网格化的皮尔逊相关系数分析，探讨了不同干旱指数之间的响应一致性与空间变化。研究发现，在相同时间尺度下，气象干旱指数（SPI和SPEI）与水文干旱指数（SRI和RZI）通常表现出较高的整体一致性。这一现象在12个月尺度上尤为明显，皮尔逊相关系数保持较高水平。这些结果表明，随着时间尺度的延长，气象干旱条件更有可能传播至水文系统，从而形成同步的干旱演变模式。然而，当时间尺度缩短时，相关性显著下降，且相关结构的空间一致性变得碎片化。Yao等人（2017）在研究中国干旱指数时也观察到了类似趋势，指出相关强度从长期到短期尺度逐步减弱。这种减弱主要归因于区域降水变率的增加、短期蒸散发波动以及土壤湿度调节等因素，这些因素在短期尺度上对水文响应的影响更为显著，从而干扰了气象信号的传递。在3个月尺度上，指数间的相关性差异最为显著，特别是SPEI与SPI之间的差异。这种差异源于指数的构建方式：SPEI同时考虑了降水不足和潜在蒸散发，而SPI仅基于降水。SPEI对快速温度波动的高敏感性，使其在短期干旱条件下与SPI之间表现出更大的差异。因此，尽管这些指数在结构上相似，但在面对短期气候变异时，其干旱响应可能存在显著差异。

此外，水文干旱指数（SRI和RZI）以及气象干旱指数（SPI和SPEI）之间的内部相关性在所有时间尺度上均保持较高水平，这主要归因于每个类别内部共享的数据来源。对于水文干旱指数而言，SRI和RZI均基于径流数据，因此它们对水文变化的同步响应更为明显。相比之下，气象干旱指数基于大气变量，虽然部分数据来源存在重叠，但构建方式的差异导致了其行为上的不同。值得注意的是，大多数先前研究强调SPI与SPEI在长期时间尺度上的一致性（Vicente-Serrano等人，2014），而它们在短期尺度上的分歧尚未得到系统性探讨。本研究提供了详细的定量证据，揭示了短期尺度下干旱响应的逐渐差异。

总体而言，指数间的相关性强度与时间尺度密切相关：长期尺度上由于干旱的累积同步性，相关性较强；而短期尺度上，由于对短期干旱信号的敏感性差异，相关性显著下降。这些发现强调了在多尺度干旱监测框架中，需要考虑诸如水文滞后、蒸散发变化和土壤湿度缓冲等尺度依赖机制。对于短期干旱监测，建议采用考虑多因素影响的指数，如SPEI；而长期干旱演变评估则应优先考虑整合多种指数，以增强系统稳健性和可靠性。

尽管本研究系统地评估了欧洲1970年至2024年间的气象和水文干旱的时空演变，但仍存在一些局限性。首先，尽管ERA5再分析数据集和基于径流的指数适用于大陆尺度的评估，但在地形复杂或地面观测数据稀疏的地区，仍可能存在一定的不确定性。其次，研究主要关注气候和水文指标，未纳入社会经济或生态影响数据，这可能限制了研究结果在风险管理和实际应用中的直接适用性。未来的研究可以整合更高分辨率的数据以及多源观测数据的融合，以提高干旱评估的准确性和实际应用价值。

综上所述，本研究通过使用ERA5再分析数据，系统评估了1970年至2024年间欧洲大陆的气象和水文干旱的时空演变。应用了四种标准化干旱指数，即用于水文干旱的SRI和RZI，以及用于气象干旱的SPI和SPEI，全面分析了不同时间尺度下的趋势、持久性、突变点以及空间模式。主要结论如下：首先，水文干旱指数（RZI和SRI）在所有时间尺度上表现出更强的干旱加剧趋势，尤其是在西欧、东欧和南欧地区，显示出水文系统对累积气候信号和径流过程的高度敏感性。相比之下，SPI表现出较弱且不稳定的趋势，尤其是在较短时间尺度上，表明其在复杂气候条件下捕捉多过程干旱传播的能力有限。其次，Hurst指数分析显示，水文干旱指数表现出更强的长期持续性，主要特征是系统惯性和累积效应。相比之下，气象干旱指数在较短时间尺度上显示出更多的反持续性，表明干旱条件的频繁波动和逆转。第三，突变点检测结果显示，气象干旱指数（SPI和SPEI）主要在1974年出现显著变化，而水文干旱指数（RZI和SRI）则主要在1993年至1994年间发生转变，反映了大气异常与水文系统之间的滞后响应。第四，干旱的空间模式呈现出从碎片化向聚集化转变的趋势。在极端干旱等级下，水文干旱指数显示出更大的主导干旱核心区域，伴随着生态连通性的下降和区域生态脆弱性及水文风险传播的增加。这些结果为干旱监测、预警、风险评估和政策制定提供了重要的科学参考，有助于各国在应对加速的气候变化背景下，制定更具适应性的抗旱准备和跨领域风险缓解策略。未来的研究应进一步整合社会经济暴露度、生态系统敏感性以及综合影响评估，以增强干旱韧性决策支持的能力。