1960—2018年洞庭湖生態經濟區極端氣溫和降水事件的變化規律

許建偉 彭保發 郭蓉芳 王夏青

（1 湖南文理學院資源環境與旅游學院，常德 415000；2 洞庭湖生態經濟區建設與發展湖南省協同創新中心，常德 415000；3 湖南省常德市氣象局，常德 415000）

0 引言

相對于平均氣候的變化，極端氣候事件的變化對人類社會和自然生態環境的影響更大，20世紀80年代以來，中國極端天氣氣候災害的影響范圍逐漸擴大，影響程度日趨嚴重，直接經濟損失不斷增加[1]，因而受到廣泛關注。隨著氣候變暖，我國不同地區的極端氣溫事件發生了顯著變化，總體表現為極端暖指數顯著增加，極端冷指數顯著減小[2-5]，例如湖南省暖晝指數和暖夜指數分別以0.68 d/10 a、2.73 d/10 a的速度增加，而冷晝指數和冷夜指數分別以-0.45 d/10a、-2.46 d/10a的速度減小[4]。我國處于東亞季風區，受極端降水的影響較大，在全球變暖的背景下極端強降水事件呈現出明顯的變化規律，全國平均暴雨和極端強降水事件頻率和強度有所增長，特別是長江中下游和東南地區、西北地區有較明顯增長，而華北、東北中南部和西南部分地區減少[6-7]。平均降水和極端降水呈現相反的變化趨勢，加劇了不同氣象災害的威脅，如西南地區總降水量減少、但極端強降水增加，從而面臨洪澇和干旱的雙重威脅[8]。長江中下游地區是極端降水事件頻發的區域，近52年來該區域極端降水率以9.3 mm/10 a的速率顯著增加，使該區域面臨更加嚴峻的災害風險[6,9]。

目前關于極端氣溫和降水事件開展了大量研究，大部分研究往往只考慮單變量的極端事件，例如極端降水和極端氣溫等，忽略了變量之間的相互作用。復合極端事件（Compound extreme events）是多種氣候驅動因子或致災因子共同作用下形成的高影響氣候事件[10]，比單一極端氣候事件的危害性更強，對生態系統、糧食安全、森林火災和人體健康等方面都具有深遠影響，因而受到越來越多的關注[10-13]。例如風暴潮和強降水的同時發生會導致沿海地區的洪澇災害[14]。傳統的高溫熱浪事件僅考慮白天的最高氣溫，而夜間的持續高溫會加劇白天熱浪的危害，因此基于日最高氣溫和最低氣溫的復合高溫熱浪事件對人體健康、農業病害、電力和水資源供給具有更大的影響[15]。持續高溫和降水偏少會導致極端高溫干旱事件[16-17]，而極端高溫干旱事件對糧食生產具有較大的不利影響[12-13]。

洞庭湖生態經濟區（以下簡稱洞庭湖區）位于東亞季風區，極端天氣氣候事件頻發。20世紀90年代以來，由極端氣溫、降水事件導致的旱、澇災害加劇，對該區經濟社會發展和生態系統造成了重大影響[18-20]。例如，2008年初洞庭湖發生冰凍災害，導致湖面結冰，部分區域結冰厚度達到10 cm，給越冬候鳥造成嚴重傷害。在全球持續升溫的背景下，未來洞庭湖區極端降水的強度和頻率可能進一步增加，旱澇災害風險將進一步加劇。因此，研究洞庭湖區極端氣溫、降水事件的變化規律對保障經濟社會安全、保護生態環境具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區域

2014年4月14日，中華人民共和國國務院正式批復同意《洞庭湖生態經濟區規劃》。洞庭湖區，包括岳陽、常德、益陽3市，長沙市望城區和湖北省荊州市，總面積為6.05萬 km2，區域范圍如圖1所示。該區域是我國重要的商品糧基地、養殖漁業區、長江主要的分洪、蓄洪區，人口、產業密集，也是長江流域主要的濕地分布區，在糧食安全、防洪減災、生態環境保護等方面具有重要意義。

1.2 數據

選取了洞庭湖生態經濟區11個氣象觀測站點逐日氣溫和降水數據，數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心（http://data.cma.cn/）。氣象觀測站點的分布如圖1所示，包括荊門、石門、常德、監利、洪湖、南縣、岳陽、沅江、安化、湘陰和平江等11個站點。首先對數據進行質量控制，選取數據完整的1960—2018年作為分析時段。

圖1 洞庭湖區氣象站點分布Fig. 1 Meteorological stations of Dongting Lake Ecological Economic Zone

1.3 極端氣溫和降水指數

極端氣候指數的定義方法有多種，文中采用的是氣候變化檢測和指標專家組（ETCCDI）規定的27個極端氣溫和降水指數的標準，具體定義和計算方法見網址：http://etccdi.pacificclimate.org/list_27_indices.shtml。從中選取15個極端氣溫指數和9個極端降水指數（表1）。另外分析了2個復合極端指數，分別為復合高溫熱浪事件和極端高溫干旱事件。

高溫熱浪事件對人體健康、電力供給等具有重要影響，傳統的高溫熱浪的定義僅考慮了最高氣溫。復合高溫熱浪比傳統的高溫熱浪對人體健康的危害更大。為研究復合高溫熱浪事件，將至少連續3 d最高氣溫和最低氣溫同時分別高于最高和最低氣溫90%分位值定義為一次復合高溫熱浪事件。兩次高溫熱浪事件之間間隔至少連續2 d，要求最高氣溫、最低氣溫分別或同時低于90%分位值。根據以上定義，可以計算一年中復合高溫熱浪事件發生的次數、持續時間和強度，具體計算方法參考Li等[15]的方法。

根據Lu等[13]的定義方法，將日平均氣溫高于90%分位值、同時日降水量低于10%分位值的連續日數（≥1 d）定義為一次極端高溫干旱事件，可以計算每年發生極端高溫干旱事件的頻次，每次事件持續的日數和一年中出現極端高溫干旱的總日數。Lu等[13]分析了全國小麥和玉米生長季期間的極端高溫干旱事件，而洞庭湖區的主要糧食作物是水稻，因此分析了該區域對水稻生長有重要影響的夏季發生的極端高溫干旱事件。氣溫采用動態閾值，以某日為中心，選取該日前后10 d建立一個長度為21 d的滑動窗口，選取1960—2018年所有年份中該窗口的氣溫得到一個1239 d（21 d/a×59 a）的氣溫數據，以該樣本中90%分位值作為該日極端高溫的閾值。以此類推得到每日的氣溫閾值。與氣溫不同，降水發生的天數相對較少，因此選取1960—2018年所有夏季雨日（降水量＞0 mm/d）降水量的10%分位值作為降水的閾值。

表1 極端氣溫和降水指數的定義Table 1 Definition of extreme temperature and precipitation indices

2 結果分析

2.1 極端氣溫指數的變化規律

洞庭湖區1960—2018年15個極端氣溫指數的年際變化規律如圖2所示，TXx和TXn呈較弱的上升趨勢，而TNx和TNn分別以0.21 ℃/10 a和0.55 ℃/10 a的速度顯著上升。TN10p顯著減少，速率為-3.85 d/10a，TN90p顯著增加，速率為9.86 d/10 a，表明夜間的氣溫顯著增加。TX10p變化較小，而TX90p顯著增加。FD以2.76 d/10 a的速率顯著減小，ID呈不顯著的減小趨勢，近20年ID接近0 d，但2008年和2018年冬季氣溫偏低，導致ID突增。SU、TR和WSDI分別以2.92 d/10 a、3.05 d/10 a和2.40 d/10 a的速率顯著增加。CSDI存在較大的年際變率，呈不顯著的減小趨勢。最低氣溫比最高氣溫的升溫速率更快，導致DTR顯著減小。總體而言，基于最低氣溫計算的極端氣溫指數變化較快，基于最高氣溫計算的極端氣溫指數變化相對較慢。TN10p、FD冷指數均顯著減少，而TN90p、SU、TR和WSDI等暖指數顯著增加。從極端氣溫指數變化趨勢的空間分來看（圖3），洞庭湖區11個站點的極端氣溫指數呈現出較為一致的變化趨勢。

2.2 極端降水指數的變化規律

圖2 1960—2018年洞庭湖區15個極端氣溫指數的年際變化Fig. 2 Interannual variation of 15 extreme temperature indices in 1960-2018 over the DT Lake

9個極端降水指數的年際變化如圖4所示，極端降水指數存在較大的年際波動，變化趨勢均沒有通過0.05的顯著性檢驗。RX1day、RX5day和R95p分別以2.64 mm/10a、2.28 mm/10a和18.85 mm/10a的速度增加（圖4a～4c）。從R10mm、R20mm和R50mm的變化規律來看，發生強降水的天數在增加，R20mm與R50mm分別以0.36 d/10 a和0.19 d/10 a的速度增加（圖4d～4f）。CWD和CDD均呈減小趨勢，表明降水在時間方面分布更加均勻（圖4g～4h）。SDII的增加趨勢較為明顯，速率為0.25 mm/d/10 a（圖4i）。總體而言，洞庭湖區的極端降水指數存在不顯著的變化規律，強降水事件的降水量和發生頻次均呈現增加趨勢。

從變化趨勢的空間分布（圖5）來看，大部分站點的極端降水指數的變化趨勢較為一致，但相比極端氣溫指數變化的一致性差。R95p、R20mm、R50mm、SDII均呈增加趨勢，CDD呈減小趨勢，其他4個極端降水指數均存在3個站點的變化趨勢與整個區域的變化趨勢相反。

2.3 氣溫和降水復合極端事件

復合高溫熱浪事件的年代際變化規律如圖6所示。由于很多年份沒有發生復合高溫熱浪事件，因此采用10 a平均值的變化展示其變化規律。圖6a顯示，2000年之前，復合高溫熱浪事件發生的頻次較低，平均每年發生0.16次，而在2000年之后，復合高溫熱浪事件明顯增加，21世紀00年代和10年代平均每年發生0.94次和1.08次。20世紀60—80年代，復合高溫熱浪事件發生的頻次較少，但其強度隨著氣溫升高而增加，20世紀90年代強度出現最小值，隨后增加（圖6b）。復合高溫熱浪事件持續時間先減小、后增加，20世紀80年代出現最小值3.79 d，21世紀10年代達到最大值（4.45 d）。很多年份沒有出現復合高溫熱浪事件，且各個站點計算得到的變化趨勢并不顯著，但近20年來復合高溫熱浪事件發生頻次增加、強度增強的變化事實不容忽視。隨著氣溫持續升高，未來復合高溫熱浪事件發生的頻次、持續時間和強度均將進一步增加，對生態系統、人體健康、電力供給等產生的不利影響將加劇。

圖3 1960—2018年洞庭湖區15個極端氣溫指數變化趨勢的空間分布（上三角表示增加，下三角表示減小，實心三角表示變化通過了0.05的顯著性檢驗）Fig. 3 Distribution of trends for 15 extreme temperature indices over the DT Lake in 1960-2018 (Up pointing triangle means increase, down pointing triangle means decrease. Filled triangle means trend passes the 0.05 significant test)

對比全國不同區域的變化顯示，北方地區復合高溫熱浪事件的強度增加較多，而持續時間變化較小，南方地區的持續時間增加較多。長江流域的復合高溫熱浪事件發生頻次、強度和持續時間均較大，且均表現出較快增加趨勢[13]。洞庭湖區復合高溫熱浪事件的頻率、強度在近20年明顯增加，持續時間增加相對較慢，具有一定的獨特性。

圖4 1960—2018年洞庭湖區9個極端降水指數的年際變化Fig. 4 Interannual variation of 9 extreme precipitation indices in 1960-2018 over the DT Lake

圖5 1960—2018年洞庭湖區9個極端降水指數變化趨勢的空間分布（上三角表示增加，下三角表示減小，實心三角表示變化通過了0.05的顯著性檢驗）Fig. 5 Distribution of trends for 9 extreme precipitation indices over the DT Lake in 1960-2018(Up pointing triangle means increase, down pointing triangle means decrease. Filled triangle means trend passes the 0.05 significant test)

圖6 1960—2018年復合高溫熱浪事件發生頻次、強度和持續時間的年代際變化Fig. 6 Interdecadal variations of frequency, intensity and duration of compound heat wave events in1960-2018

圖7為夏季極端高溫干旱事件的年代際變化規律。極端高溫干旱事件發生的頻次從20世紀80年代起快速增加，21世紀00年代和10年代平均每年發生5.74次和5.41次。從持續時間來看，20世紀60—90年代呈減小趨勢，之后快速增加，21世紀10年代平均每次事件持續2.71 d。20世紀90年代之前，夏季極端高溫干旱事件發生的總日數變化較為平緩，之后由于發生頻次和持續時間有較大增長，總日數亦明顯增加，21世紀10年代平均每年達到14.69 d。從變化趨勢的空間分布來看，大部分站點極端高溫干旱事件的頻次、持續時間和總日數均顯著增加，東北部監利、洪湖、南縣等站點的增加速率較大（圖略）。Lu等[13]對小麥和玉米生長季的極端高溫干旱事件的研究表明，1980—2015年極端高溫干旱事件的頻率出現顯著增加，華北、西北和西南部分地區的發生頻次較其他地區更多，且不同作物生長季發生的復合極端事件存在一定差異。小麥和玉米生長季的極端高溫干旱事件的發生頻次在2010年之后出現減小趨勢，洞庭湖區夏季極端高溫干旱事件也表現出相同的變化規律。

3 結論

1）極端氣溫指數具有顯著的變化特征，基于最低氣溫計算的指數變化較快，基于最高氣溫計算的指數變化相對較慢。冷夜日數、霜凍日數等冷指數顯著減少，暖夜日數、夏季日數、熱帶夜數、持續暖期指數等暖指數顯著增加。11個站點的變化規律較一致。

圖7 1960—2018年夏季極端高溫干旱事件的發生頻次、持續時間和總日數的年代際變化Fig. 7 Interdecadal variations of frequency, duration and day number of summer extreme warm dry events in 1960-2018

2）極端降水指數存在不顯著的變化規律，強降水事件的降水量和發生頻次均增加，強降水量以18.85 mm/10 a的速度增加，大雨日數與暴雨日數分別以0.36 d/10 a和0.19 d/10 a的速度增加，降水強度以0.25 mm/（d·10 a）的速度增加。大部分站點的變化趨勢較為一致，少數站點存在相反的變化規律。

3）復合高溫熱浪事件發生的頻次、強度和持續時間在近20年明顯增加，21世紀10年代平均每年發生1.08次，平均每次持續4.45 d。夏季極端高溫干旱事件的頻次、持續時間和總日數均顯著增加，21世紀10年代平均每年發生5.41次，平均持續時間為2.71 d，總日數達到14.69 d。