近50年華南氣象干旱時空特征及其變化趨勢

王春林，鄒菊香，麥北堅，陳慧華，唐力生，段海來

1 廣東省氣候中心，廣州 510080 2 南京信息工程大學，南京 210044 3 廣東省汕頭市氣象局，汕頭 515041 4 廣東省鶴山市氣象局，鶴山 539700

近50年華南氣象干旱時空特征及其變化趨勢

王春林1,2,*，鄒菊香2,3，麥北堅4，陳慧華1，唐力生1，段海來1

1 廣東省氣候中心，廣州 510080 2 南京信息工程大學，南京 210044 3 廣東省汕頭市氣象局，汕頭 515041 4 廣東省鶴山市氣象局，鶴山 539700

采用標準化前期降水指數(shù)(SAPI)和常年平均相對濕潤度指數(shù)(M)構(gòu)建的逐日氣象干旱指數(shù)(DI)，根據(jù)華南(廣東、廣西)174個氣象站資料分析了近50年(1961—2010年)氣象干旱時空特征及其氣候變化趨勢。結(jié)果表明：(1)華南近30年(1981—2010年)總旱日頻率平均為26.0%，其中輕旱、中旱、重旱和特旱日分別為12.3%、8.1%、4.2%和1.4%。(2)各等級旱日頻率具有非汛期(10月至次年3月)高于汛期(4月至9月)、廣西高于廣東的特征。(3)近50年華南最旱的5a依次為：1963、1991、2004、2009、1977。(4)氣候變化趨勢分析表明，1至9月降水和月干旱指數(shù)(MI)以增加趨勢為主，各等級旱日數(shù)以減少趨勢為主，其中7月份MI增加趨勢及各等級旱日減少趨勢均達到0.1顯著水平；而10至12月降水和MI以減小趨勢為主，各等級旱日數(shù)以增加趨勢為主，其中11月份MI減小趨勢及中旱、重旱、總旱日增加趨勢均達到0.05顯著水平。(5)年總旱日趨于增加、減少的站點數(shù)各占60%、40%，有11%的站點達到0.1以上顯著水平。各等級旱日顯著增加的站點大多集中在廣西，而旱日顯著減少的站點主要集中在廣東，表明廣西干旱總體上重于廣東的格局可能進一步加劇。目的為進一步開展華南氣候變化影響評估、水資源利用及應(yīng)對氣候變化提供基礎(chǔ)。

標準化前期降水指數(shù)(SAPI)；逐日氣象干旱指數(shù)(DI)；氣象干旱；華南

華南地處低緯，瀕臨南海，受低緯度熱帶天氣系統(tǒng)和中高緯度天氣系統(tǒng)的交替影響，天氣氣候復雜多變。華南雖然年降水比較充沛，屬于濕潤氣候區(qū)[1]，但時空分布不均，兼之太陽輻射強、氣溫高、土壤蒸發(fā)和作物蒸騰強烈，區(qū)域性、季節(jié)性干旱十分突出，華南沿海地區(qū)是我國五大氣象干旱中心之一[2- 4]，也是氣候變化敏感區(qū)和脆弱區(qū)之一。在全球變化背景下，極端干旱氣候事件呈頻發(fā)趨勢，全球水資源和水循環(huán)研究已經(jīng)成為全球變化科學的新的戰(zhàn)略重點[5]。

文獻中對華南干旱的研究可分為階段降水評估和逐日干旱監(jiān)測評估兩類。降水評估類研究包括對華南區(qū)域代表站點年度[6]、季度[7- 8]、汛期(前汛期)[9- 10]等不同時間尺度降水的分析評定，研究方法包括極差法[6]、距平法[8- 9]、標準化降水指數(shù)[7,10]等。逐日干旱監(jiān)測評估研究近年日益得到重視，廣東干旱逐日監(jiān)測評估中發(fā)展了逐日土壤水分模擬方法[11- 14]，近年隨著綜合氣象干旱指標CI[15]及其改進指標[16]在全國氣象干旱監(jiān)測評估中廣泛應(yīng)用[3- 4,17- 18]，王春林等[19]從氣象干旱定義“降水持續(xù)偏少導致的水分虧缺現(xiàn)象”出發(fā)，考慮干旱累積效應(yīng)[2]，提出基于標準化前期降水指數(shù)(SAPI)的逐日氣象干旱指標，克服了基于“等權(quán)累加”建立的標準化降水指數(shù)(SPI)和綜合干旱指數(shù)(CI)等指標由于前期降水移出計算窗口而導致的“不合理旱情加劇”問題[19]。鑒于SAPI本質(zhì)上是標準化變量，不能充分刻畫干旱頻率季節(jié)性、區(qū)域性差異，王春林等[20]基于SAPI和常年平均相對濕潤度指數(shù)(M)構(gòu)建了逐日干旱指數(shù)(DI)，并基于DI編制出版了《廣東省氣象干旱圖集》[20]。DI干旱指標通過廣東省氣象局業(yè)務(wù)準入評審，成為廣東省氣象部門現(xiàn)行氣象干旱指標標準。本文采用DI分析華南區(qū)域近50年干旱時空特征及其氣候變化趨勢，期望對進一步開展氣候變化影響評估、水資源利用及應(yīng)對氣候變化研究具有參考意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域及資料

本文中的華南包括廣東和廣西兩省。氣象資料包括廣東86個、廣西88個地面氣象站從建站至2010年的逐日降水和可能蒸散，其中可能蒸散通過逐日氣溫、日照時數(shù)、相對濕度、風速等資料采用FAO Penman-Monteith公式[15]計算。資料來自廣東省氣象信息中心。

1.2 逐日干旱指數(shù)DI

單站逐日氣象干旱指數(shù)DI表征逐日氣象干旱強度，可以刻畫逐日氣象干旱發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束過程。DI定義為：

(1)

式(1)中SAPIi是第i日前期降水指數(shù)API的標準化變量SAPI[19]，SAPI計算方法參見《氣象干旱等級》國家標準[15]附錄C標準化降水指數(shù)SPI，歷史樣本資料為近30年(1981—2010年)逐日API。API計算公式為：

APIi=Pi+kAPIi-1

(2)

式中,APIi為第i日API，Pi為當日降水量(mm)，APIi-1為前一日的API，k為衰減系數(shù)，取經(jīng)驗值0.955。每個站從建站開始逐日滾動計算API，初始API設(shè)為0。建站開始后的頭4個月API受邊界效應(yīng)影響舍棄不用。

(3)

(4)

逐日氣象干旱等級劃分標準如表1。

圖1 華南代表站點30a(1981—2010年)平均逐日相對濕潤度指數(shù)MFig.1 Daily relative moisture index averaged over 30 years from 1981 to 2010 in representative stations of South China

表1 氣象干旱等級標準Table 1 Criteria of meteorological drought

*DI: 日氣象干旱指數(shù)DI(Daily drought Index);**MI: 月干旱指數(shù)MI(Monthly drought Index)

1.3 月干旱指數(shù)MI與年干旱指數(shù)YI

月干旱指數(shù)MI和年干旱指數(shù)YI表征月、年尺度氣象干旱強度，其定義為某站月/年內(nèi)小于0的DI之和除以月/年總天數(shù)，即：

(5)

式中,n為月內(nèi)總天數(shù)，DIi為逐日干旱指數(shù)。YI計算公式同式(5)，n為年內(nèi)總天數(shù)，YI等同于年內(nèi)各月MI的算術(shù)平均。MI、YI用于監(jiān)測評估月、年尺度氣象干旱程度。月氣象干旱等級劃分標準見表1。統(tǒng)計表明各等級旱月頻率與旱日頻率比較接近，因此本文僅討論各等級旱日頻率，旱月頻率不重復介紹。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱日頻率年變化特征

華南平均輕旱、中旱、重旱和特旱日頻率分別為12.3%、8.1%、4.2%和1.4%，總旱日頻率為26.0%(表2)，低于基于SPI指標的理論頻率(輕旱、中旱、重旱和特旱日頻率分別為15%、9.2%、4.4%和2.3%)[15],這與華南地區(qū)總體上比較濕潤，年內(nèi)濕潤時段居多有關(guān)。

表2 近30年(1981—2010年)華南逐月平均降水量、旱日頻率及干旱指數(shù)Table 2 Monthly rain, drought days and drought index of South China (1981—2010)

圖2 近30年(1981—2010年)華南逐月平均旱日頻率和降水量Fig.2 Monthly drought days and rain of South China (1981—2010 mean)

各等級旱日頻率具有和降水相反的年變化特征(圖2)，汛期(4—9月)旱日頻率低于非汛期(10月至次年3月)。年內(nèi)最旱的3個月為11、12月和次年1月，這3個月平均降水都少于50 mm，平均月干旱指數(shù)MI都小于-0.5，旱日頻率都大于40%。值得注意的是，1月份旱日頻率最高(49%)、MI最小(-0.63)，比降水最少的12月(30.8 mm)滯后1個月，表明DI指標能夠表征氣象干旱相對枯水時段的滯后效應(yīng)。

2.2 旱日頻率空間分布特征

華南各等級旱日頻率分布總體比較一致，均呈西高東低分布(圖3)。各等級旱日頻率高于年平均的區(qū)域, 即輕旱日頻率>12%、中旱日頻率>8%、重旱日頻率>4%、特旱日頻率>1.5的區(qū)域,主要分布在廣西除桂林以外的大部分地區(qū)、廣東雷州半島及沿海地區(qū)。年干旱指數(shù)YI分布圖反映了華南氣象干旱綜合情況，YI<-0.3區(qū)域和上述各等級旱日頻率較高區(qū)域相對應(yīng)。YI<-0.4區(qū)域包括廣西西南部的百色、崇左、南寧地區(qū)和廣東的雷州半島地區(qū)，為華南最旱區(qū)域。

比較年干旱指數(shù)YI與年降水量分布細節(jié)發(fā)現(xiàn)，YI<-0.3的偏旱區(qū)域和年降水量少于1600 mm的少雨區(qū)域并不完全一致。華南有5個年降水量大于2000 mm的降水集中區(qū)，即廣西的防城-欽州、桂林和廣東的陽江、清遠、汕尾，值得注意的是這5個降水集中區(qū)中，廣東汕尾、廣西防城-欽州2個區(qū)域YI較低，汕尾附近重旱頻率較高(圖3)，表明這2個區(qū)域盡管年降水較多，但季節(jié)分配不均，具有旱澇并重特點。

圖3 近30年(1981—2010年)平均華南輕旱，中旱,重旱,極旱日頻率年干旱指數(shù)(YI)及降水分布Fig.3 Spatial distributions of drought days(%) at light，middle, severe and extreme level,Year drought index and rain in South China averaged over 1981—2010

2.3 近50年干旱變化趨勢

近50年(1961—2010年)華南最旱的5a(YI≤-0.5)為：1963、1991、2004、2009、1977，次旱的8年依次為(YI≤-0.4)：1996、2005、1966、1989、2007、1971、1992、1980(圖4)。

圖4 華南1961—2010年年干旱指數(shù)(YI)Fig.4 Yearly drought index(YI)of South China (1961—2010)

趨勢分析表明，近50年華南年平均降水量呈增加趨勢，增加強度為14.1mm/10a,輕旱、特旱日呈減少趨勢，中旱、重旱呈增加趨勢。盡管上述變化趨勢都沒有達到顯著性水平(表3)，但具有季節(jié)性、區(qū)域性差異。

從季節(jié)性差異看，1—9月降水和MI以增加趨勢為主，各等級旱日以減少趨勢為主，其中7月份MI增加趨勢、各等級旱日減少趨勢均達到0.1以上顯著水平(表3，圖5)；而10—12月降水和MI以減小趨勢為主，各等級旱日以增加趨勢為主，其中10月份降水減少趨勢達到0.05顯著水平，11月份MI減小趨勢及中旱、重旱、總旱日增加趨勢達到0.01顯著水平(表3，圖5)。

圖5 近50年(1961—2010年)華南7月、11月月干旱指數(shù)(MI)變化趨勢Fig.5 Linear trends of monthly drought index (MI) of July and Nevomber (1961—2010) of South China (1961—2010)

表3 近50年(1961—2010年)華南平均降水、旱日數(shù)及干旱指數(shù)變化趨勢Table 3 Linear trends of monthly drought days at each level of South China (1961—2010)

*α=0.1顯著性，**α=0.05顯著性

從區(qū)域分布看，年總旱日趨于增加、減少的站點數(shù)各占60%、40%，有11%的站點達到0.1以上顯著性檢驗，不同等級旱日數(shù)變化趨勢空間分布不同(圖6)。

輕旱日趨于增加、減少的站點數(shù)各占49%、51%，其中增加趨勢顯著的有5個站(均在廣西)，減少趨勢顯著的有5個站(大部分在廣東)(圖6)。

中旱日趨于增加、減少的站點數(shù)各占68%、32%，其中增加趨勢顯著的有17個站(廣西中東部)，減少趨勢顯著的有1個站(茂名)(圖6)。對各站11月份中旱日趨勢分析表明，有92%站點呈增加趨勢，其中58個站通過0.1信度檢驗(圖略)。

重旱日趨于增加、減少的站點數(shù)各占86%、14%，其中增加趨勢顯著的有30個站(分布在廣西中東部和廣東的北部)，減少趨勢顯著的沒有(圖6)。對各站11月份重旱日趨勢分析表明，有91%站點呈增加趨勢，其中59個站通過0.1信度檢驗(圖略)。

特旱日趨于增加、減少的站點數(shù)各占36%、64%，其中增加趨勢顯著的有7個站(集中在廣西的崇左、南寧、桂林及廣東的東部地區(qū))，減少趨勢顯著的有10個站(分布在廣東東部和北部地區(qū))(圖6)。

綜上，各等級旱日顯著增加的站點大多集中在廣西，旱日顯著減少的站點主要集中在廣東，表明廣西旱于廣東的格局可能進一步加劇。

圖6 1961—2010年華南各等級旱日趨勢空間分布(實心表示達到0.1顯著水平)Fig.6 Spatial distributions of linear trends (d/10 a) in dry days at each level of South China during 1961—2010

3 結(jié)論與討論

(1)華南近30年(1981—2010年)基于DI指標的總旱日頻率平均為26.0%，其中輕旱、中旱、重旱和特旱日分別為12.3%、8.1%、4.2%和1.4%。各等級旱日頻率低于基于SPI指標的理論頻率(總旱日頻率30.8%)[14- 15],表明華南氣候總體上比較濕潤。

(2)華南各等級旱日頻率，具有非汛期(10月至次年3月)高于汛期(4月至9月)、廣西高于廣東的特征，表明DI指標由于引進平均相對濕潤度指數(shù)，克服了SAPI、SPI等標準化降水指數(shù)局限，能夠表征氣象干旱季節(jié)性、區(qū)域性特點。DI指標和SAPI[19]、改進的綜合干旱指數(shù)CInew[16]、土壤水分模擬的指標[11,13- 14]一樣，能夠表征氣象干旱相對枯水時段的滯后效應(yīng)。

(3)近50年(1961—2010年) 華南最旱的5a(YI≤-0.5)依次為：1963、1991、2004、2009、1977，與基于年降水量極差法[6]、季度和汛期降水距平[7- 9]分析的干旱年基本一致。

華南平均年干旱指數(shù)YI沒有顯著的年際變化趨勢，降水量有增加趨勢，輕旱、特旱日呈減少趨勢，中旱、重旱呈增加趨勢，但未達到0.1信度水平。

(4)氣候變化趨勢分析表明，從季節(jié)差異看，1至9月降水和MI以增加趨勢為主，各等級旱日數(shù)減少趨勢為主，其中7月份MI增加趨勢及各等級旱日減少趨勢均達到0.1顯著水平；而10至12月降水和MI以減小趨勢為主，各等級旱日數(shù)以增加趨勢為主，其中11月份MI減小趨勢及中旱、重旱、總旱日增加趨勢均達到0.05顯著水平。總體趨勢和黃晚華等[7]基于SPI對華南的研究結(jié)果一致。

(5)從區(qū)域分布看，年總旱日趨于增加、減少的站點數(shù)各占60%、40%，有11%的站點達到0.1以上顯著性檢驗。各等級旱日顯著增加的站點大多集中在廣西，而旱日顯著減少的站點主要集中在廣東，表明廣西干旱總體上重于廣東的格局可能進一步加劇。

氣象干旱相對農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱具有前導性、基礎(chǔ)性特點，氣象干旱時空特征與所采用的指標體系密切相關(guān)，如何客觀評價氣象干旱指標適用性，學術(shù)界尚沒有統(tǒng)一觀點。進一步研究將結(jié)合土壤水分觀測資料，分析DI指標敏感性特征和適用性特征，并結(jié)合農(nóng)作物生育期、干旱災(zāi)情資料，開展旱澇災(zāi)害影響評估及風險區(qū)劃研究。

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Temporal-spatial characteristics and its variation trend of meteorological drought in recent 50 years, South China

WANG Chunlin1,2,*, ZOU Juxiang2,3, MAI Beijian4, CHEN Huihua1, TANG Lisheng1, DUAN Hailai1

1GuangdongClimateCenter,Guangzhou510080,China2NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China3ShantouMeteorologyBureauofGuangdongProvince,Shantou515041,China4HeshanMeteorologyBureau,Heshan539700,China

Using the daily meteorological drought indicator (DI) constructed by standardized antecedent precipitation index (SAPI) and year round average relative moisture index (M),based on meteorological data of 174 stations of South China (includes Guangdong and Guangxi Province), temporal and spatial characteristics and its variation trend of meteorological drought in recent 50 years in South China was analyzed in the paper. Main results are: (1) Recent 30 years (1981—2010) average drought days frequency of all levels in South China is 26.0%, where light, middle, severe and extreme drought days accounts for 12.3%, 8.1%, 4.2% and 1.4% respectively. (2) Drought days of each level in non-flood season (October to March) are more than flood season (April to September), and Guangxi is more than Guangdong. (3) The most dry 5 years in recent 50 years in South China are 1963, 1991, 2004, 2009 and 1977. (4)According to linear trends analysis, rainfall and monthly drought index (MI) from January to September mainly show increasing trend, and drought days of each level mainly show decreasing trend, where increasing trend ofMIand decreasing trend of drought days of each level in July are statistically significant (α=0.1); while rainfall andMIfrom October to December mainly show decreasing trend, and drought days of each level mainly show increasing trends, where decreasing trend ofMIand increasing trends of middle and severe drought days of November are statistically significant (α=0.05). (5)Stations of increasing and decreasing trends of annual drought days account for 60% and 40% respectively, where 11% stations are statistically significant over 0.1 level. Stations with statistically significant increasing trend of drought days of each levels are mostly in Guangxi Province, while stations with statistically significant decreasing trend of drought days are in Guangdong Province，indicating that the overall pattern that drought in Guangxi is more severe than in Guangdong may further aggravate in the future. The study can provide a base for further study on climate change evaluation, water resources utility and coping strategies of climate change as well.

standardized antecedent precipitation index (SAPI); Daily meteorological drought indicator (DI); Meteorology drought; South China

公益性行業(yè)(氣象)專項(GYHY201106021); 國家973計劃(2013CB430206); 廣東省科技計劃(2012B020314006); 干旱氣象科學研究基金(IAM201303)

2013- 04- 12;

日期:2014- 04- 03

10.5846/stxb201304120691

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangcl@grmc.gov.cn

王春林，鄒菊香，麥北堅，陳慧華，唐力生，段海來.近50年華南氣象干旱時空特征及其變化趨勢.生態(tài)學報,2015,35(3):595- 602.

Wang C L, Zou J X, Mai B J, Chen H H, Tang L S, Duan H L.Temporal-spatial characteristics and its variation trend of meteorological drought in recent 50 years, South China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):595- 602.