印度干旱和半干旱地区干旱的气象和地理特征的多尺度时空特征分析与趋势研究

《Journal of Hydrology》：Multi-scale spatiotempral characterization and trend analysis of meteorological and geographical characteristics of drought in India’s arid and semi-arid regions

　　坎杜拉·巴拉加维（Kandula Bharghavi）| 托特利·洛克斯瓦拉·雷迪（Thotli Lokeswara Reddy）| 海马拉塔·卡帕（Hemalatha Kapa）| 彭蒂·拉杰什（Penti Rajesh）| 雷纳蒂·西迪·拉朱（Renati Siddi Raju）| 克里希纳雷迪加里·克里希纳·雷迪（Krishnareddigari Krishna Reddy）
印度安得拉邦卡达帕（Kadapa）瑜伽维玛纳大学（Yogi Vemana University）物理系，邮编516005

**摘要**
干旱是一种复杂而普遍的气候灾害，对农业生产、水资源和社会经济状况有着显著影响。尽管许多研究已经在国家或州级层面对印度干旱现象进行了分析，但对于不同干旱和半干旱子气候区的干旱演变过程仍了解不足，尤其是那些对气候变率和温度升高等因素高度敏感的炎热干旱区与寒冷干旱区。为填补这一空白，本研究利用标准化降水指数（SPI）和标准化降水蒸散指数（SPEI）对1981年至2020年的干旱特征进行了全面的多尺度时空评估。研究量化了1个月、3个月、6个月、12个月和24个月时间尺度上的干旱持续时间、频率和强度，并使用非参数Mann-Kendall检验和Sen斜率估计器进行了趋势分析。结果表明，由于SPI对温度驱动的蒸散作用不够敏感，SPEI在捕捉长期干旱方面表现更为出色，尤其是在较长时间尺度上。干旱频率总体上随时间尺度增加而增加，其中炎热半干旱区的频率最高，而寒冷干旱区的频率相对较低。空间趋势显示，北部寒冷地区的干旱持续时间有所延长，而炎热干旱区的干旱强度有所减弱。大多数地区以中度干旱为主，但在长时间尺度上，严重和极端干旱事件变得更加频繁，尤其是在炎热半干旱地区。SPI和SPEI的异常值存在显著的年际变异性，这突显了干旱地区对长期干旱时期的脆弱性。SPI与SPEI之间的相关性随着时间尺度的增加而增强，反映了在变暖条件下蒸散作用的影响日益增大。本研究是印度首批系统性比较所有主要干旱和半干旱子区域SPI和SPEI并量化长期干旱特征的研究之一。这些发现为干旱监测、风险评估以及脆弱生态系统中的气候适应策略提供了关键见解。

**引言**
干旱是一种复杂的现象，对全球农业生产、水资源及各国社会经济状况产生深远影响。当自然水资源因降水量减少和温度升高而低于长期平均水平时，就会发生干旱。干旱可能持续一个或多个季节，甚至跨越多年，从而成为一种气象灾害。在全球自然灾害中，31种自然灾害中有28种与气象因素有关，而干旱因其缓慢的发作过程、持续的持续时间以及广泛的覆盖范围而最为危险（Part?g??和Soganc?，2019）。干旱通过四个阶段逐渐发展（Mishra和Singh，2010）。当降水量低于正常水平时发生气象干旱（Wilhite和Glantz，1985），随后是农业干旱，即农作物所需的水量不足（Guo等，2020）。随后，随着地表水和地下水的枯竭，会发展成水文干旱，最终导致社会经济干旱，对健康、就业和整体生活质量产生负面影响（Moriondo等，2011）。气候变化（表现为温度变化、降水量变化和极端天气事件增多）的后果在全球范围内日益明显（Perkins-Kirkpatrick和Lewis，2020；Seneviratne等，2021；Zhai等，2021）。自20世纪中叶以来，人为因素导致的全球气候变化增加了极端气象事件的频率、强度和严重性，其中干旱是最具破坏性的灾害之一（Olsen等，2023）。全球气温上升加剧了蒸散作用，即使降水量保持不变，也会加剧干旱的严重性（Wang等，2011）。因此，在变化的气候条件下理解干旱动态对于制定适应性水资源管理和农业实践至关重要（Dai，2011a）。

为了监测和量化干旱，人们开发了多种干旱指数，每种指数旨在捕捉干旱现象的不同方面（Byun和Wilhite，1999；Keyantash和Dracup，2002）。传统指数如标准化降水指数（SPI）（McKee等，1993）和帕尔默干旱严重度指数（PDSI）（Palmer，1965）主要关注降水量不足和土壤湿度状况。SPI因其计算简便、仅依赖于降水数据、适用于不同气候条件以及能反映湿润和干燥时期的特点而受到青睐（Li等，2022；Ndayiragije和Li，2022；Svoboda等，2012）。然而，SPI仅关注降水量的做法可能忽略其他气候变量的影响，特别是在全球变暖的情况下（?z等，2024）。为克服这一局限性，开发了标准化降水蒸散指数（SPEI），该指数同时考虑了降水量和潜在蒸散量（PET），从而成为对温度变化更敏感的综合性指标（Hao和AghaKouchak，2014；Vicente-Serrano等，2010）。标准化降水蒸散指数（SPEI）在不同时间尺度（1个月、3个月、6个月和12个月）上进行了应用，以分析月度、季节性和年度尺度的干旱变化（Haile等，2019）。两项指数都成功识别了重大干旱事件，且SPEI显示的干旱程度通常高于SPI（Bharghavi等，2025a；Bharghavi等，2025b；Bharghavi等，2025c）。SPI和SPEI的多尺度特性使它们能够在气象、农业、水文和社会经济背景下捕捉不同时间尺度（1个月、3个月、6个月、12个月和24个月）的干旱（Sun等，2022；Zargar等，2011）。尽管SPI和SPEI的数据已被广泛使用，但在印度干旱和半干旱地区系统分析干旱特征的区域特定评估仍然有限，尤其是在区分炎热和寒冷子气候方面。尽管最近有研究考察了印度的干旱模式（Mishra等，2022a；Patel等，2021）并记录了季风相关的干燥趋势（Roxy等，2015），但全面区分所有四个干旱和半干旱子区域的多尺度评估仍显得不足。现有研究往往侧重于更广泛的农气区或仅分析单个区域，忽略了炎热和寒冷子分类区内干旱事件的复杂空间异质性和时间动态。据我们所知，这是印度首个同时对所有四个主要干旱和半干旱子区域（炎热干旱、炎热半干旱、寒冷干旱和寒冷半干旱）进行综合多尺度时空分析的研究。这种综合方法有助于更准确地评估在温度升高和蒸散作用增强背景下区域的干旱变化。

多项研究比较了SPI和SPEI在不同气候条件下的表现（Marini等，2019；Pathak和Dodamani，2016；Xu等，2015；Zarei等，2021）。南亚的最新研究进一步证明了SPEI在捕捉温度驱动的干旱加剧方面的优越性，尤其是在干旱和半干旱地区（Sharma和Mujumdar，2017）。尽管SPI简单且应用广泛，但在气候变暖的情况下可能会低估干旱的严重性（Hua等，2019）。相比之下，SPEI提供了对温度上升趋势下干旱的更细致理解（Xu等，2019；Yuan等，2016）。选择SPI还是SPEI应根据研究目的、数据可用性和特定区域气候特征来决定（Zhao和Wang，2021）。Mann-Kendall检验是一种广泛用于检测时间序列数据趋势的非参数统计方法，尤其是当数据不符合正态分布或表现出非线性行为时（Bharghavi等，2025c；Kendall，1948；Mann，1945；Yu等，2014a）。该方法检验数据中是否存在趋势的零假设。正的检验值表示趋势递增（干旱加剧），负的检验值表示趋势递减（干旱缓解）（Wang等，2018）。结合Mann-Kendall检验，Sen斜率估计器可以量化检测到的趋势幅度，计算时间序列中所有成对斜率的中值（Sen，1968；Yu等，2014b）。这种结合方法为分析印度高度脆弱干旱和半干旱地区的长期干旱特征提供了稳健的框架（Nair和Mirajkar，2022；Pathak和Dodamani，2021）。通过整合多尺度SPI和SPEI指数与 robust 的趋势分析，本研究提供了干旱空间和时间动态的全面评估，解决了关键的研究空白，揭示了温度驱动的蒸散作用如何加剧干旱严重性，识别出干旱风险增加的地区，并为气候变化下的水资源管理和农业规划提供了信息。

**研究区域和数据**
本研究采用的四个农气子区域——炎热干旱、炎热半干旱、寒冷干旱和寒冷半干旱——的划分基于全国公认的农气分类系统。该分区框架遵循印度气象部门（IMD）和印度农业研究委员会（ICAR）的方法论，这些方法基于长期气候参数，包括年平均温度、降水量和潜在蒸散量。

**空间插值**
空间插值方法通过依赖已知数据点来估算未采样位置的地面值（Bae等，2018；Moradi等，2011）。在本研究中，选择了逆距离加权（IDW）方法来插值1981–2020年期间研究区域的SPI和SPEI值，时间分辨率为每月一次。

**结论**
本研究考察了印度干旱和半干旱地区的气象和地理特征，特别关注寒冷干旱、寒冷半干旱、炎热干旱和炎热半干旱区域。利用1981年至2020年的标准化降水指数（SPI）和标准化降水蒸散指数（SPEI）数据，通过Mann-Kendall检验和Sen斜率估计器分析了干旱特征的趋势。这项全面分析提供了宝贵见解：
1. SPEI在捕捉干旱持续时间方面优于SPI，尤其是在较长时间尺度（6个月、12个月和24个月）上，因为它对温度和蒸散作用更为敏感，这两者在干旱环境中至关重要。
2. 干旱频率随时间尺度增加而增加，其中炎热半干旱区的频率最高，特别是在24个月的时间尺度上。相比之下，寒冷干旱区的频率较低，表现出相对较高的抗旱能力。

**未引用参考文献**
AghaKouchak, 2015; Athira, 2019; Satish Kumar等, 2021.

**作者贡献声明**
坎杜拉·巴拉加维（Kandula Bharghavi）：方法学、正式分析、数据整理；
托特利·洛克斯瓦拉·雷迪（Thotli Lokeswara Reddy）：
海马拉塔·卡帕（Hemalatha Kapa）：
彭蒂·拉杰什（Penti Rajesh）：
雷纳蒂·西迪·拉朱（Renati Siddi Raju）：
克里希纳雷迪加里·克里希纳·雷迪（Krishnareddigari Krishna Reddy）：

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。