如何更有效地利用SPEI指數監測短期且快速發展的乾旱與潮濕事件
112年07月08日
【本篇報導由地球科學系 黃婉如特聘教授研究團隊提供】 短期、快速發展的乾旱和潮濕事件引起了廣泛關注，它們的突發性為監測帶來新的挑戰。目前尚不清楚監測短期乾濕事件時，應考慮前期多長時間的降水量和潛在蒸散量之間的差異(簡稱P-PET，或是氣候水平衡變化climatic water balance change)。本研究通過累積不同時間長度的P-PET來估算逐日標準化降水蒸散指數(簡稱SPEI)，並探討SPEI在捕捉中國大陸次表層土壤濕度變化的表現來解決這個議題。研究圑隊發現土壤濕度對氣候水平衡變化的敏感度因地區而異，因此在不同地區應考慮不同時間長度的已存在P-PET所估算出的SPEI變化，來進行短期、快速發展的乾旱與潮溼事件的監測。就潮濕事件(wet event)而言，研究圑隊發現華南地區的土壤濕度對前期P-PET變化有立即反應的現象，但在華北和東北地區的土壤濕度對前期P-PET變化則有延遲反應的現象。就乾旱事件(dry event)而言，對華南地區採用前期0.5個月累計P-PET變化進行SPEI的估算，比傳統的3個月累計P-PET變化進行SPEI的估算，更能有效地監測驟旱；而對長江-淮河流域則是建議採用1.5個月累計P-PET變化進行SPEI的估算，更能有效地監測驟旱。 乾旱是一種重大的自然災害，此現象的特點是長期降水不足，而且可能緩慢發展並持續數月或數年。最近，「驟旱」即快速發展的乾旱引起了廣泛關注，例如2012年，一場快速發展的乾旱席捲了美國中部，僅2個月內就從正常轉變為極端乾旱。驟旱的快速發展不僅歸因於降水不足，還有高於正常的蒸發量，這些現象共同作用下會迅速耗盡土壤含水量，並對農作物產量和供水量造成破壞性影響。在過去的幾十年裡，中國的乾旱狀況變得更加嚴重，透過降水量和潛在蒸散量之間的差異(P-PET，即氣候水平衡變化)可以很好地預測季節內的乾/濕演變。標準化降水蒸散指數(SPEI)是季節內乾旱的最佳指標之一，然而目前最常被使用的監測指標是以「前期90天累計P-PET變化進行SPEI的估算」，此指標難以監測突發的驟旱。對此，本研究主要回答兩個問題：(1)在監測短期、快速發展的乾旱與潮濕事件時，應採用前期多久的P-PET進行SPEI的估算較適當？(2)不同氣候區域之間是否存在差異？考量土壤濕度監測的測站數目，本研究主要針對中國大陸進行探討。 本研究發現，土壤濕度對前期P-PET的變化敏感度有著區域差異，因此針對不同地區的SPEI指數計算，應考慮使用不同時間長度累計的P-PET進行估算。如圖1所示，在潮濕事件下(wet event)，不論是華南地區(圖1a)還是長江-淮河流域地區(圖1c)都採用前期5天累計的P-PET進行SPEI的估算，該SPEI指數與土壤濕度的變化有較高的相關性(COR)與較低的均方根誤差(RMSD)，顯示該SPEI越能捕捉到土壤濕度的變化和異常程度。在乾旱事件下(dry event)，華南地區(圖1b)採用前期0.5個月累計的P-PET進行SPEI的估算，而長江-淮河流域地區(圖1d)則採用前期約1.5個月累計的P-PET進行SPEI的估算，對土壤濕度的變化有較好的監測能力。 實際情況下，土壤濕度不僅受到降水、蒸散的綜合影響，還受到輻射、風速、河川流量和土壤水分特性的影響。此外，土壤濕度記憶，即土壤濕度的變化特徵也可以通過土壤性質的差異來修改，例如：乾旱地區中層土壤濕度的記憶很長。因此對於乾旱與潮濕事件的監測，仍有許多可以進一步研究的部分。 圖1：深度7-28 cm的每日土壤體積含水量(VSW)和每日標準化降水蒸散指數(SPEI)之間的相關性(COR)、均方根誤差(RMSD)和COR/RMSD的演變。水平軸為相對應的前期P-PET累積時間長度(1至180天)。(a-b)為華南地區(SE, 21–28°N, 108–121°E)，(c-d)為長江-淮河流域地區(YZ-HR, 28–35°N, 108–121°E)。 原文出處： Li, X. Z. and W.-R. Huang, 2021: How long should the pre-existing climatic water balance be considered when capturing short-term wetness and dryness over China by using SPEI? Science of The Total Environment, 786, 147575. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147575