引言

干旱是对人类社会影响最严重的气候灾害之一，具有频率高、持续时间长、影响范围广的特点。根据研究对象或应用领域的不同，干旱可分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱4种类型(American Meteorological Society, 1997；孙荣强，1994)，本文所涉及的干旱主要指气象干旱。崔冬林(2010)的研究表明，华北及其附近地区是我国干旱强度最强的区域。近年来关于华北干旱的研究备受关注。许多研究共同揭示出过去50多年我国华北地区干旱化趋势十分明显(李庆祥等，2002；王志伟等，2003；翟盘茂等，2005；马柱国等，2006；黄荣辉等，2006；邹旭恺等，2008；沈晓琳等，2012；陈玉琼，1991；魏凤英，2004；任福民等，2014)。同时，另一些研究指出，华北干旱还表现出明显的年代际变化特征，特别是自20世纪70年代中后期开始干旱更趋严重(黄荣辉等，2002；李新周等，2006；祁海霞等，2006；马柱国等，2007a；周连童，2009；刘珂等，2014)。还有一些研究关注了上述干旱变化特征的可能原因。马柱国(2005)研究指出北方地区普遍增温是干旱化加剧的主要原因；李维京等(2003)发现我国北方大范围的持续干旱是由我国夏季降水的南涝北旱分布特征决定；另一些研究表明：近50多年以来华北地区降水减少是该地区干旱加剧及其年代际变化的主因(张庆云等，2003；翟盘茂等，2005；琚建华等，2006；马柱国等，2007b；周连童，2009；郝立生，2012；刘珂，2014；侯威等，2012；赵一磊等，2014)。

上述研究所使用的要素或干旱指数都是基于单站的。事实上每一次干旱都具有一定的持续时间和影响范围，即气象干旱事件同时具有区域性和持续性的特点，是区域(持续)性气象干旱事件。最近几年，针对区域性干旱事件的研究开始受到关注。Andreadis等(2005)利用土壤湿度资料，对干旱进行时空分析进而给出20世纪美国的干旱事件特征。Qian等(2011)研究了1960—2009年我国的区域性干旱事件，结果表明：我国南部和西南部地区干旱多发生在冬季，而北方的干旱多发生于春季。Ren等(2012)提出了一种区域性极端事件客观识别法(OITREE)，该方法初步应用于中国的干旱、强降水、高温和低温等区域性极端事件的识别研究，皆得到良好的结果。华北地区是我国干旱频发地区，尽管此前该地区的干旱研究受到了一些关注，但从区域性气象干旱事件的新角度的研究还鲜有涉及。本文拟将利用OITREE方法针对华北地区的区域性干旱问题开展研究。

1 资料和方法 1.1 资料

参照邹旭恺等(2008)对华北地区的划分定义，本文选取华北区域109个气象站(图 1)。资料包括逐日综合气象干旱指数(CI)(张强等，2006)、降水量及气温, 资料时段为1961年1月1日至2010年12月31日。其中，CI资料来自国家气候中心，降水量及气温资料来源于国家气象信息中心。

1.2 方法

本文采用基于“糖葫芦串”模型的区域性极端事件客观识别法(OITREE)(Ren et al，2012)。该方法包括5个技术步骤：单点(站)逐日指数选定、逐日自然异常带分离、事件的时间连续性识别、区域性事件指标体系和区域性事件的极端性判别。

表 1给出了以OITREE方法识别华北地区区域性气象干旱事件的参数说明及赋值。第一步选取CI指数为单站日指数，选取中旱阈值(-1.2) 为判别单站是否干旱的阈值。第二步选取12作为干旱带站点数之阈值，取0.3为邻站干旱率之阈值，取250 km作为邻站定义之距离阈值。第三步取单站日指数的方向码为“-1”，代表综合气象干旱CI指数所具有的数值越小干旱强度越大，这是由综合指数CI的性质所决定的。第四步，事件过程中允许出现的中断期最大长度为0，即事件不允许出现中断；根据Ren等(2012)在确定综合指数函数所包含的5个权重系数时尽量使用客观方法的建议，具体做法如下：首先就单一指数所表征的事件，按照事件强度降序排列得到相应的取绝对值的单一指数序列，对该序列求取前百分之十事件之序列数值和占总序列数值和的比重；然后将5个单一指数对应之比重值归一化，再分别乘以该单一指数的方向码(“1”或“-1”)，即得到5个权重系数分别为-0.05、-0.30、0.28、0.15和0.23，再应用这些权重系数对标准化后的5个单一指数进行加权求和，进而得到事件的综合指数(即综合强度)Z。在第五步中，按Z值在等区间内出现的频次对这些事件进行统计(如图 2)，不难发现在这些干旱事件中，存在一些综合强度Z指数较小(Z < 0.2) 的事件，其出现频次明显偏高，但事件强度弱，影响范围不大，因此我们将这些事件定义为华北地区弱干旱事件。而将Z=0.2作为定义区域性事件的指数阈值，即定义Z≥0.2的干旱事件为华北地区区域性气象干旱事件，最终筛得到100次华北地区区域性气象干旱事件。按照Ren等(2012)的建议将这些事件综合指数由强至弱按比例分为4个等级：得到10次极端事件(10%)，20次重度事件(20%)，40次中等气象事件(40%)和30次轻度事件(30%)，事件分级之阈值分别为3.44、1.72和0.57。

2 OITREE方法识别效果检验

由OITREE方法识别得到的华北地区100次区域性气象干旱事件，综合指数排在前三位的事件分别为：(1)1998年9月至1999年5月华北大旱，持续时间长达223 d，涉及华北大部地区，历经秋冬春季形成三季连旱；(2)1968年2—10月，干旱事件持续了226 d，波及华北大部地区；(3)1965年5—11月，干旱事件共持续了181 d，华北大部地区受到影响，其中华北西北部最为严重。

图 3给出排名第一的1998/1999年华北地区区域性干旱事件结果。该事件从1998年9月23日持续至1999年5月3日，华北地区受影响范围波及103.89万km²，大部地区受到严重影响，干旱中心位于山西省南部(图 3a)。从干旱的演变过程来看(图 3b和3c)，日综合强度和影响面积呈现出一致的变化趋势：干旱事件过程开始于1998年9月下旬，发展至10月干旱强度出现减弱，11月中旬干旱强度又加强，至12月初达到了第一次峰值，之后强度又慢慢减弱，至次年1月又开始逐渐缓慢加强，3月上旬达到第二次峰值，4月至5月初旱情逐渐缓解直至消失。与国家气候中心监测实况对比显示，上述结果与实际吻合。

此外，针对OITREE识别得到的综合指数排名前15位的干旱事件(含10次极端事件和5次重度事件)与文献记载情况做了对比，表 2给出了对比结果。不难发现，10次极端干旱事件在相关文献(丁一汇，2008；张强等，2009；国家气候中心，2001—2002；中国气象局，2010)中全部都有记载，干旱所发生时段也吻合。可见，OITREE方法对华北地区区域性气象干旱事件表现出了良好的识别能力。

3 结果 3.1 时间变化特征

图 4为华北地区区域性气象干旱事件的持续时间-最大影响面积分级分布。可以看出，事件级别与持续时间的关系十分密切，持续时间越长，事件强度越强；轻度、中度、重度和极端干旱事件的平均持续时间分别为24、50、94和160 d；从持续时间跨度看，轻度、中度、重度和极端干旱事件分别为17~48、24~87、59~120和108~226 d，特别地超过128 d的干旱事件全部为极端级别。从事件级别与最大影响面积的关系看，轻度、中度、重度和极端干旱事件的平均最大影响面积分别为81、90、99和105万km²，尽管表现出最大影响面积越大，事件强度越强，但它们之间的关系相对不够紧密，这从最大影响面积跨度可以看出，轻度、中度、重度和极端干旱事件分别为62.4万~96.2万km²、66.0万~105.8万km²、62.9万~106.5万km²和100.8万~106.7万km²，考虑到图 1所示华北地区的总面积，可知所有极端干旱事件都影响到了几乎整个华北地区。

图 5给出华北地区区域气象干旱事件出现频次的逐月分布。统计时，当某次干旱事件在某月内持续时间达到或超过7 d，则计当月发生一次干旱事件。可见，华北地区气象干旱事件具有较明显的季节特征，频次在季节上有两个高发时段，第一个时段为3—7月，各月均在25次以上，峰值出现在4月，50年中有31年的4月出现干旱；第二个时段为10—11月，各月均在20次以上，峰值出现在10月，50年中有23年的10月出现干旱；华北地区冬季干旱频次较少，尤其是1月频次最少，50年中仅13年的1月出现干旱。

图 6给出华北地区区域性干旱事件频次、累积综合强度的历年变化，其中频次为以事件开始时间进行的统计。可见，近50年事件频次总体呈上升趋势(图 6a)，上升速率为0.12次/10 a；发生频次最多的年份为1989年(5次)和1986年(5次)，有4年并列第二：1981年(4次)、1995年(4次)、1997年(4次)和2005年(4次)，而1964、1967和2003年未发生区域性气象干旱事件。图 6b显示，近50年累积综合强度总体呈弱的上升趋势，上升速率为0.07/10 a；累积综合强度排名前三位的年份分别为1998年(7.28)、1965年(6.92) 和1968年(6.92)。值得注意的是，发生频次排名靠前的年份与累积综合强度排名靠前的年份完全不同，这是因为强度强的干旱事件持续时间一般较长，一年内不可能出现多次，而强度较弱的事件持续时间较短，在一年里可以发生多次。进一步比较了重度(含)以上气象干旱事件和所有干旱事件频次的年代际变化，结果(图 7)显示，华北区域性气象干旱事件频次在20世纪60年代表现为最少(14次)，然后逐年代迅速增多，至80年代频次达到峰值(28次)，之后表现为逐年代缓慢下降；重度(含)以上气象干旱事件在90年代发生最频繁(频次为8次)，而在其他年代频次少变(5~6次)。

针对过去50年华北区域性干旱事件增多增强的发展趋势，分析了华北干旱与降水量和气温之间的关系。从图 8a可以看出，过去50年华北地区平均年降水量呈明显的下降趋势，每10年减少15.4 mm；图 8b显示，年平均气温显著上升(通过了0.001的显著性水平检验)，升温速率为0.3℃/10 a。进一步的分析发现，近50年干旱事件频次和累积综合强度序列与降水量序列之间的相关系数分别为-0.5和-0.57，频次序列和累积综合强度序列都通过了0.001显著性水平检验；而两者与平均气温序列之间的相关系数分别为0.1和0.23。干旱事件的频次、累积强度与降水的相关性高，说明了干旱频次、强度在年际关系上主要取决于降水的多少；进而不难理解，过去50年华北地区区域性气象干旱事件增多增强趋势的主要原因可能是降水量减少所致，同时气温显著升高也起到了明显的推动作用。

3.2 地域分布特征

图 9为近50年华北地区区域性气象干旱事件累积频次和累积强度的地域分布。图 9a显示，过去50年华北地区干旱事件频次一般都在60次以上，高频区主要在华北中南部大部地区，频次中心出现在河北东南部，中心值超过90次；累积强度的地域分布(图 9b)显示大值区出现在华北中南部，其中河北、河南和山东三省交界地区为累积强度大值中心。综合频次和累积强度来看，华北中南部为干旱多发地区，而河北、河南和山东三省交界地区为中心。

重度以上的干旱事件共有30次，其中极端干旱事件为10次，重度干旱事件20次。将上述重度以上干旱事件按过程累积强度的地域分布进行分类，大致可分为全境型、东部型、南部型、西部型、中部型和零散型6种分布类型。图 10给出了华北区域性重度以上干旱事件典型个例累积强度类型分布，图 10中10a~10f分别代表全境型、东部型、南部型、西部型、中部型和零散型6种类型分布：干旱覆盖整个华北境内为全境型；干旱中心主要发生在山东和河北一带为东部型；干旱中心主要发生在河南和山东为南部型；干旱中心主要发生在山西省境内为西部型；干旱中心主要发生在山西和河北境内为中部型；零散型主要指中心分布较散，没有集中成片的重旱区域的类型。表 3给出重度以上干旱事件中6种类型的频次分布。可以看出，全境型事件频次最多，占事件总数的三分之一(10次)，其中极端事件占二分之一(5次/10次)；其他5种分布类型的频次均为4次，而极端事件中未出现东部型和零散型事件。

4 结论与讨论

(1) 1961—2010年华北地区共发生了100次区域性气象干旱事件，包括10次极端事件、20次重度事件、40次中等事件和30次轻度事件。1998年9月至1999年5月秋冬春连旱是华北地区强度最强的干旱事件，干旱影响了整个华北地区，强度中心位于山西南部。

(2) 华北地区区域性气象干旱事件的持续时间一般在17~120 d，最长可达226 d；事件的最大影响面积集中在(70~105)×10⁴ km²之间；事件综合强度与持续时间关系更为密切，持续时间越长干旱事件综合强度越强。干旱事件具有较明显的季节特征，3—7和10—11月是事件的两个高发时段。

(3) 华北地区区域性气象干旱事件的地域分布特征显示华北中南部为干旱多发区，其中河北、河南和山东三省交界地区是华北干旱发生的强度中心区域。重度及以上的气象干旱事件按干旱区域可分为全境型、东部型、南部型、西部型、中部型和零散型6种分布类型，其中全境型出现机率最高。

(4) 近50年华北地区区域性干旱事件频次、累积综合强度总体呈上升趋势。过去50年华北地区区域性气象干旱事件增多增强的主要原因可能是降水量减少所致，同时气温显著升高也起到了明显的推动作用。

本文应用OITREE方法对华北地区区域性气象干旱事件特征进行了初步分析，毫无疑问，对华北地区区域性气象干旱事件进行成因诊断，增强对干旱成因机制的理解是未来工作中需要进一步加强的内容。