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自1914年以来英国的气候干旱空间相关性

摘要：应用干旱强度指数(DSI)在时段遥测基础上月降水数据集研究自1914年以来英国气象干旱的空间相关性。对湿润和干燥季节以及轻微和极端干旱进行研究。提出了一个干旱协方差指标,允许基于分数量化的空间相关性干旱年极端(或中度)干旱,每一对网格点的共同之处。结果表明短期湿季干旱具有更大的一致性。结果讨论了北大西洋涛动和降水、降水的空间变异性和干旱的检测能力。最后，检验该研究的影响干旱监管集中于水转移，集中于水转移来检查研究对干旱管理的影响。

关键词：干旱；极限值；空间相关性；英国

引言

众所周知，气候是一直在变化的。研究气候趋势表明，1906年至2005年，全球平均地表温度上升了0.74°C，它在以每十年0.13℃（IPCC 2007）的速度上升。最重要的是许多部门研究出降水趋势和其空间分布可能对生态，经济，基础设施造成严重后果。其中一个关键领域，异常产生最大的影响是在干旱，这被广泛认为是极端气候事件，干旱研究涵盖了很多的内容。

在全球范围内，研究显示，从1900年到2008年，全球干旱的趋势显示在非洲，南亚和东南亚，澳大利亚东部，美国北部，欧洲南部和阿拉斯加大部和加拿大西部。 Burke等人（2006）观察到自1952年以来一个干燥的趋势,干旱稍微不那么频繁,但持续时间变长。这一结论由Bordi等人一起提出（2006年），他发现从1958年到2001年全球干旱趋势正朝着湿润的趋势变化。这些结论的差异可能由于使用不同的数据集。

在欧洲的规模，丰富的干旱研究的数据库是可用的。在欧洲的干旱从1901年至2006的研究中，劳埃德休斯（2012）表明，在空间广泛和持续干旱是共同影响的多个较小规模，短持续时间的事件。劳埃德 - 休斯和桑德斯（2002）提出了高空间分辨率和多种气候理论。在他们的结论中20世纪欧洲的极端干旱或中度干旱条件的发展趋势无明显变化。另一方面，布里法等人 （2009）研究显示更频繁的趋势发生在干燥的夏季。 若着眼于一个较小的区域，英国已经出现大量干旱研究。 Bryant等 （1994）对1988-1992年的干旱分析，在持续长时间的干旱情况下（1850年至1992年），使用每月观测和合成河流流量数据，虽然他们没有持续四年多的发展，但发现干旱更为极端的地方在英格兰的东部和南部。1988-1992旱灾由Marsh等记录，他们认为事件的组合归因于异常的天气系统和异常高温。菲利普斯和麦格雷戈（1998）研究了1962年至1995年在英格兰西南部的干旱，观察到高度的空间相关性的（持续时间）为1992年的干旱，而不是1983-1984年的事件，这表明了在研究区域内发生相当大的变化。对于2004 - 2006年的干旱事件，Marsh 等观察到类似的空间差异，在英格兰东南和西南有严重降雨不足。1995 - 1996年的旱灾显示空间模式划分较好，然而，干旱的重点区域是英格兰北部。在一个区域范围内存在明显的局部变化。这也显示出在2004 - 2006年干旱的研究中，在英国南部最大降雨量超过25%。Fowler和Kilsby（2002年）通过比较1881至1998年在约克郡五个站点的干旱事件，得出结论在约克郡干旱事件有空间变量。

研究目的

干旱已被广泛记录在学者们的研究进展中，其中最原始的研究有较强的区域性（表1）。此外,这些研究的焦点在于干旱事件(例如1988 - 1992年和2004-2006年),而不是整个频谱的可用历史记录。这阻碍了解干旱的变异或演化。承认，没有比较不同季节的干旱特征的研究，这似乎是一件棘手的事情，因为干旱经常跨季节，这可能会提供有用的对事件的季节性变化的洞察。

本研究的目的是记录英国从1914到2006的干旱特征幅度和程度的连贯性。这方面的干旱特征在文献中被认为是短暂的,因此值得更深入的调查。关注气象干旱,而不是其他形式的干旱(如水文)，主要原因是气象数据的可用性比河流量数据更高,这让研究干旱的模式为整个英国。提出一种方法，即在整个网格的基础上，而不是几个地点或选定的区域应用一种干旱指数。此外,还尝试研究干旱的季节性特征。

本研究的理论基础是双重的。首先，它提供了解英国的区域干旱风险，这样可以实施更好的管理策略。其次，它提出了一个气候模型评估的基础，这反过来又可以提供可靠的信息用以模型预测。

方法

数据

使用佩里和霍利斯（2005）从1914至2006年覆盖整个英国的5 *5公里网格月降雨量数据，然后，使数据的分辨率为0.225°（约25公里），为今后从UKCP09区域气候模式模拟产生的历史旱灾的工作比较保留分辨率的一致性。

干旱严重性指数

将干旱严重性指数（DSI）（菲利普斯和麦格雷戈，1998年）应用到每个网格点的整个时间序列上。DSI基于降水量干旱指数，它描述给定区域在n个月的时间尺度的累积降水异常，其中n通常为3、6和12个月。下面介绍DSI算法，以3个月的DSI（DSI3）的为例（菲利普斯和麦格雷戈，1998年后）。

如果t月降水是负值（也就是低于平均水平），则t月降水异常，3个月的降水，低于3个月的平均值，然后在t月产生一个干旱序列，给DSI赋值一个与t月降水相等的正值。

再考虑t 1月的情况。假设在t月和t 1月的降水异常分别是-Xmm和-Ymm，然后t 1月的DSI3等于X Y，当且仅当t-1月、t月和t 1月没有超出三个月的均值总量。如果t 1月的降水异常是正值，干旱就会持续，如果三个月均值总量没有被超出，DSI3等于X-Y。所有的干旱序列会在三个月均值总量被超出时即刻终止，DSI3会被赋值为零。

为了进行位置间的比较，指数被标准化，是通过区域的年平均降水区分DSI3值，然后乘以100。最终的指数值用百分比表示该区域的年平均累计降水亏损。在其他时间尺度计算DSI遵循与DSI3一样的原则，但使用的是n个月的累计值和平均值。比如说，2002年3月的DSI3要使用2002年1月到3月的累计降水异常。同样的，2002年4月的DSI12是从2001年的5月到2002年的4月。

在这项研究中，降水异常的计算是相对于1961-1990年时间段的平均值。此外，还使用3个，6个，12个和15个月 的DSI（分别是DSI3，DSI6，DSI12和DSI15）来研究在不同时间尺度的时间和空间干旱模式。

季节性分类

接下来，将DSI时间序列分为旱季和雨季，分别是4-9月和10-3月。这个分类基于英国水文学年份，因此反映了存储（例如地下水补给）和损耗（如蒸发）方面的水文变化。相比于传统的季节性气候分类，这样的分类在水资源管理和规划背景下更有意义，即12-1-2月，3-4-5月，6-7-8月，9-10-11月。因此，季节性分类数据集包括从1914至2006年每年的4-9月（旱季）和10-3月（雨季）的DSI值。

干旱协方差指数

从水资源的角度来看，空间上广泛的旱灾是特别有害的，因为在某个流域的一部分或工区域缺水无法在其他地方得到补偿。因此，提出了干旱协方差指数，使能够量化干旱事件的空间相关性。在每个网格点，对于给定的DSI系列，定义极端和中度干旱年为那些超过整个季节DSI时间序列的第90和第70百分位数（请注意，下标70和90之后分别用于表示中度和极端干旱的简称符号）。然后计算极端（或中度）的干旱每一对网格点共有的年小数f。例如，在0.5和0.8指示两个网格点具有50%和80%的极端和中度干旱年。图1表示出包含在英国南部兰伯恩流域和在英国的所有其他网格点的之间的f值。对于这个区域，在雨季f值是最高的，更加广泛，持续干旱更短，在旱季，这个值较低，不广泛，干旱持续较长。

对于每一个网格点，协方差指数和是由该点成对的f值平均计算而得。这为英国空间干旱协方差模式提供了一种粗略的方法。

空间相关性衰退

最终，使用与相关衰退距离概念相似的空间相关性衰变（SCD）来量化极端和中度干旱。对于给定的网格点，计算具有大于给定阈值的f值的给定距离内网格点的分数（例如fge;0.8）。因此，在100公里以内0.5表示在给定的网格点100公里以内50%的网格点fge;0.8。图2展示了含有兰伯恩流域单独网格点的结果。正如所预料的，较大f值网格点的比例随着兰伯恩流域参考栅网格点的距离迅速下降，而较小的f值保持在更远的距离。对于较高的f值，在雨季的衰退比在旱季衰退要慢，但对于较小的f值，在不同季节没有明显差异。

在不同的和剖面有着显著对比，尤其是在有着高f阈值（例如fge;0.8，0.9）。在短距离内高于f值的网格点比例明显要大。

结果

干旱协方差指数

图3显示了所有DSI时间尺度为旱季和雨季中度和极端干旱条件下的协方差指数（CI）。 CI通常在旱季和极端且持续时间较长的干旱情况下较高，在雨季持续时间短的干旱情况下普遍较低。在雨季几乎英国的全部地区CI70ge;0.7，而在旱季英国大部分地区CI70lt;0.7。有极端干旱时,在英国在潮湿的季节CI小于0.6 ，而在旱季大部分地区CI低于0.5。

在空间上，在雨季CI70最高的是英国的北部和西部，特别是对于较短的持续时间。CI70在旱季英国大部分地区类似,除了长期干旱的CI更高在英格兰和苏格兰和威尔士低。在旱季CI70是横跨许多英国类似，除了时间更长的干旱，CI在英格兰较高，在苏格兰和威尔士较低。极端干旱时，在英格兰CI较高，尤其是持续时间较长的干旱事件。

表2总结了英国不同的CI区间为所有DSI的时间尺度下两干旱严重程度的旱季和雨季所代表的比例。它表明，英国大部分地区分别是由至少为0.4CI90和0.6CI70所代表。每个DSI时间表面积百分比之间有15%的平均差，而在DSI3和DSI15之间差异较大。对于干旱的严重性，在雨季任何给定的连贯性阈值所代表的领域的比例更高。

空间相关性衰减

在前一节中,从每个参考网格单元绘制出面积由CI 0.8在100公里,200公里、300公里和400公里的DSI6 和DSI15。在图4(旱季)和图5(雨季)中显示了空间相关性衰变(SCD)轻微和极端干旱。

旱季在100公里以内，用DSI6表示的SCD₇₀^0.8 ge;0.2,表明在100公里至少20%的面积在中度干旱条件下的可信区间为0.8。其他距离区域逐渐下降的百分比超过苏格兰大部,威尔士和英格兰西南部。在DSI15相同的模式下，显著表明较大面积干旱强度SCDlt;0.25。这包含了几乎所有的苏格兰,北爱尔兰和威尔士，大部分英格兰地区DSI6没有显著的减少。

DSI6和DSI15模式在极端干旱条件下很相似,尽管在所有距离上DSI6显示更多的网格SCDge;0.2。在这两种情况下,大多数的网格域(除了英格兰东南部)不到10%的面积在给定的距离可信区间为0.8。在英格兰东南部,面积百分比显著减少，有超过15%的面积CIge;0.8。

雨季(图5),几乎所有的DSI6在100公里和200公里以内的网格显示SCDge;0.5；在300公里和400公里以内,相同长度的干旱季节，英格兰大部和北爱尔兰显示SCDge;0.5。英格兰大部在所有距离上SCDge;0.5,而其他的域显示SCD在0.25和0.4之间。

在DSI6和DSI15上SCD模式几乎没有差别,尽管后者显示更多的网格点SCDge;0.1。在英格兰东南部大多数网格的特点是100公里内的网格SCD在0.15和0.3之间。对于更远的距离来说，SCD在0.15和0.3之间的比例减少的地区出现在英格兰东南部。

讨论

调查了英国对不同的干旱持续时间旱情严重程度的空间相关性的方式，并比较了旱季和雨季的行为。在本节中，将讨论这项研究的三个重要成果，它涉及到季节，时间和区域内的一致性观察到的差异。此外，研究了干旱管理研究的意义。

这项研究的结果显示大小一致性和DSI时间表之间成反比关系。这可以通过干旱事件中较长的DSI得到解释，这反过来又降低了其探测和减小网格单元之间的协方差的概率。

连贯性的季节差异表明在雨季更大的一致性程度和空间范围，表明雨季干旱有更大规模的环流异常，如北大西洋涛动（NAO）的函数。威尔比等对NAO和英国降水之间的关系进行了研究，他发现冬季在苏格兰的北部和南部和英格兰西北部地区NAO和降雨量呈正相关，而在英格兰南部、中部和东北部呈负相关。这些发现

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