1961～2022年長江流域高溫干旱復合極端事件變化特征

梅 梅，高 歌，李 瑩，王 國 復，代 潭 龍，陳 逸 驍

(1.國家氣候中心，北京 100081； 2.國家氣候中心 中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081)

0 引 言

隨著氣候變暖的加劇，高溫、洪水、干旱、寒潮等極端事件的頻次和強度發生著重要變化，多致災因子驅動的極端事件在時間和空間角度高度重合[1]，引發的復合型極端事件逐漸得到更多關注。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告對復合型極端事件開展了深入評估，其中針對高溫熱浪和干旱復合事件的評估表明：20世紀50年代以來，人類活動對全球高溫干旱復合事件增多起重要貢獻，并且未來許多區域的復合事件概率將隨氣候變暖加劇進一步增加[2]，其中包括歐亞大陸北部、歐洲、澳大利亞東南部、美國大部、中國西北部和印度等地[3-4]。已有研究表明，青藏高原及新疆部分地區以外的中國大部分地區為復合高溫干旱事件的高發區[5]，20世紀90年代以來中國西南地區、西北地區東部、華北北部以及東南沿海地區復合事件增速顯著[6]，東部人口密集、區域干旱氣候影響和城市化作用都是復合事件增加的重要影響因素，而高溫增加是驅動高溫干旱復合事件變化的主要因子[7]。

長江流域氣候受季風影響顯著，當夏季東部主雨帶北移至華北地區時，流域受西北太平洋副熱帶高壓控制，高溫、伏旱易發[8]。在氣候變暖背景下，長江流域高溫、干旱極端事件的時空分布特征也在發生明顯變化。1961～2010年長江流域高溫熱浪次數、持續時間、強度整體均呈現先減后增的趨勢[9]。21世紀以來，川渝、江南等地區的高溫熱浪次數、強度和持續時間均呈現增加趨勢[10-12]。從干旱季節分布特征演變來看，21世紀以來長江中下游的干旱頻繁發生于夏秋季節，其中極端干旱易發生于秋季[13]。2019年以前長江中下游綜合強度指數前10位的區域性干旱過程中有8次時間跨度涵蓋了夏秋季節[14]。1951～2015年長江流域發生季節性干旱的面積呈整體擴大趨勢，2000年后趨勢有所減緩[15]。從干旱空間分布特征演變來看，長江流域1961～2015年干旱發生頻率升高的區域集中在長江上游的四川盆地以及云南和貴州省北部地區，長江源頭、川西高原和長江中下游的干旱發生頻率總體呈減少趨勢[16]。2000年后流域東南部有旱化態勢，流域內“南澇北旱”特征明顯[15]。可以發現，21世紀以來，長江流域的高溫和干旱的時空重合度增加，例如2013，2019年和2022年均發生了嚴重的高溫干旱復合事件[17-19]。

2022年夏季，中國中東部出現1961年以來綜合強度最強的一次高溫過程，長江流域多地日最高氣溫破歷史記錄[17，20]；極端高溫疊加極端少雨，復合影響促使干旱程度增強、干旱發展加快；季節短期干旱與年際異常干旱疊加；干旱影響匯流區，需水期與枯水期疊加，發生了全流域罕見的嚴重干旱[19-21]。已有不少研究從高溫、干旱監測評估、氣象成因等角度對此進行分析[22-25]。另有研究對長江流域農業干旱、因旱人飲問題及綜合風險開展研究[26]，亦有研究關注到了高溫干旱復合事件在湖北省的變化特征[27]。在近年來氣候變暖持續、極端高溫加劇的大背景下，長江全流域高溫干旱復合事件的演變趨勢和相互關系存在新的特征。考慮到長江流域橫跨青藏高寒區、西南熱帶季風區和華中亞熱帶季風區3個氣候區，區域水汽輸送途徑不同、地形地貌差異較大的綜合影響，高溫干旱復合事件在上、中、下游表現出的特殊變化還需進一步探討。因此，本研究基于逐日氣象觀測數據，分別利用百分位閾值法和氣象干旱綜合指數(Meteorological Drought Composite Index，MCI)識別極端高溫事件和干旱事件，取二者交集定義高溫干旱復合極端事件，分析了2022年6～10月相對1961～2022年同期3類災害不同特征指標的變化，各自的長期變化趨勢以及相互關系，最后基于綜合指數對長江流域上、中、下游歷史上3類災害綜合危險性進行評估，以期為深入認識長江流域高溫干旱復合極端事件的規律，加強災害風險評估業務能力建設提供科學支撐。

1 研究區域和數據來源

研究區域為長江流域(90°33′E～122°25′E，24°30′N～35°45′N)，流域劃分為上、中、下游3個區域。選取1961～2022年站點日最高氣溫和MCI缺測率在5%以內站點，全流域共332站。考慮到2022年6月高溫開始發展，且7～10月是長江流域夏秋連旱最嚴重的時段，因此本研究主要關注長江流域6～10月高溫和干旱特征及其與常年的比較。

本文采用國家氣象信息中心提供的中國國家級地面氣象站1961～2022年的日最高氣溫數據[28]；干旱監測指標采用國家氣候中心業務運行實時更新的逐日氣象干旱綜合指數MCI數據集[29]。

2 研究方法

2.1 極端事件識別方法

極端高溫事件的識別方法如下：① 選取單站1961～2022年某日以及前、后7 d(共15 d，樣本量為15×62=930)的日最高氣溫降序排列，取前90%分位值作為該日高溫的極端閾值[30]；② 當日最高氣溫超過該日的極端閾值，則記為一次極端高溫事件。

極端干旱事件的識別方法如下：根據GB/ T 20481-2017《氣象干旱等級》[29]，基于MCI對干旱事件進行識別。MCI考慮了60 d內的有效降水(權重累計降水)、30 d內蒸散(相對濕潤度)以及季節尺度(90 d)和近半年尺度(150 d)降水的綜合影響，計算公式如下：

MCI=Ka(aSPIW60+bMI30+cSPI90+dSPI150)

(1)

式中：SPIW60為近60 d標準化權重降水指數；MI30為近30 d相對濕潤度指數；SPI90和SPI150為90 d和150 d標準化降水指數；Ka為季節調節系數；a，b，c，d為權重系數。相關指數的計算和參數取值參見GB/T 20481-2017《氣象干旱等級》。該指數在展現干旱時空分布、診斷典型干旱過程、避免不合理躍變以及與土壤墑情和干旱災情的相關性等方面的綜合適用性較好[31]，已在國家級和省級氣象干旱監測評估業務中得到廣泛應用。由于MCI指數在計算過程中已經考慮了站點之間的差異，采用中旱及以上等級標準作為干旱的極端閾值，即當某日MCI≤-1則記為一次極端干旱事件。當某日同時出現極端高溫事件和極端干旱事件，則記為一次高溫干旱復合極端事件。

為評估高溫和干旱變化對復合事件的影響，將各站日最高氣溫、日MCI值與其各自閾值之差的絕對值，分別利用最大值、最小值法進行歸一化處理(0～1)[26]，定義為極端高溫、干旱事件的強度，二者的平均值作為高溫干旱復合極端事件的強度；最大強度定義為當年某類極端事件強度中的最大值；當連續2 d及以上出現某類極端事件則記為一次持續過程，當年該類極端事件的平均持續時間為所有過程持續時間的平均值，最長持續時間為單站所有過程持續時間中的最大值。

本文利用最小二乘回歸法計算線性趨勢，并經過顯著性t檢驗。為增加不同站點、不同事件和不同指標之間的可比性，單站極端事件發生頻次、強度和持續時間的趨勢均被轉化為相對1961～2022年平均值的變化趨勢(%/10 a)來展示。

2.2 綜合風險評估方法

綜合考慮3類事件(高溫、干旱和復合事件)的頻次、強度、最大強度、持續時間、最長持續時間以及影響面積[31]，得到長江上、中、下游3類事件各年6～10月區域平均的綜合危險性指數，并對長江流域歷史上極端年進行由強到弱排序，選出其中前20強。此處定義綜合危險性指數(R)為

R=0.3D+0.2I+0.2Imax+0.1L+0.1Lmax+0.1A

(2)

式中：D，I，Imax，L，Lmax分別為區域平均事件的頻次、平均強度、最大強度、平均持續時間和最長持續時間；A為影響面積。根據泰勒多邊形法，先計算區域內每個站的代表面積，當評估時段內該站發生過一次事件，則將該站代表面積進行累加，得到區域總影響面積。上述指標均進行了歸一化處理。在對極端事件綜合危險性指數賦權時，通常對頻次和強度兩個指標賦予較高的權重[32-34]，據此給出式(2)中的權重系數，最終得到的綜合危險性較高的高溫、干旱事件貼近歷史上較強災害事件的有關記錄[35-38]。

3 結果分析

3.1 2022年長江流域高溫干旱復合極端事件特征分析

2022年6～10月，長江中下游至川渝地區高溫(超過35 ℃)和干旱日數分別在10 d和45 d以上，均自西向東遞增，湖北省西部至重慶市東部、湖南省西北部和江西省東部是高溫、干旱頻次高值區的疊加中心(見圖1)，上述地區受高溫干旱復合極端事件影響大。從高溫和干旱發生站比的時間演變看，高溫和干旱的影響范圍在6月下旬開始快速擴大，上、下游地區的高溫和干旱均同步高發；8月上旬全流域高溫大范圍持續、干旱快速發展達到峰值，高溫干旱復合特征最為顯著；進入秋季，高溫明顯緩解，大范圍干旱仍在持續(見圖2)。總的來說，高溫干旱復合事件階段性發生，特別在川渝至長江中下游地區復合事件頻次較高。

圖1 2022年6～10月長江流域高溫和干旱日數分布Fig.1 Distribution of high temperature and drought days in Changjiang River Basin during June to October in 2022

圖2 2022年6～10月長江流域上、中、下游高溫和干旱站數占區域總站數的比例逐日變化Fig.2 Daily proportions of high temperature and drought stations to the total number of stations in the upper，middle and lower reaches of Changjiang River Basin during June to October in 2022

從極端事件頻次來看(見圖3(a)～(c))，2022年6～10月長江流域90%以上站點高溫、干旱和復合事件的發生次數相對多年平均明顯偏多，且復合事件增幅最大，多數站點偏多2倍以上；除四川省東北部以及長江下游部分站點以外，高溫、干旱和復合極端事件在絕大多數站點的異常分布具有區域一致性特征。從極端事件的強度來看(見圖3(d)～(i))，中下游高溫強度普遍偏高40%～80%，最大強度在干流周邊偏大1～2倍；川渝地區高溫的平均和最大強度均偏大40%至2倍以上。除干流個別站點外，干旱強度整體偏強，其中江南地區偏強80%至3倍以上。復合事件平均和最大強度變化的空間特征與高溫較為一致，僅四川省東北部和下游局地表現為與干旱強度一致的偏弱特征。從持續時間(圖略)和最長持續時間來看(見圖3(j)～(l))，在四川盆地東部和江西省東北部，高溫和復合事件較多年平均偏長的特征最為明顯；需要注意的是，由于干旱最強中心在上、中、下游不同地區有明顯階段性變化(見圖2)，因此在單個站點上表現出來的持續性較歷史平均水平偏低，這與2022年干旱長時間影響長江流域并不矛盾。總體來看，2022年6～10月，長江全流域高強度和持續性的高溫、干旱以及復合極端事件頻發，其中四川盆地東部、長江中下游干流及以南地區是高溫干旱復合極端事件相對影響最大的區域。

圖3 2022年6～10月長江流域高溫、干旱和復合事件不同指標相對1961～2022年平均的變化(單位：%)Fig.3 The changes of the different indicators of high temperature，drought and compound extreme events in Changjiang River Basin from June to October 2022 relative to the mean of 1961 to 2022

3.2 1961～2022年長江流域高溫干旱復合極端事件演變趨勢

1961～2022年期間，6～10月長江流域高溫、干旱和復合極端事件的頻次、平均強度和平均持續時間的線性變化趨勢如圖4所示。高溫頻次在全流域絕大多數站點呈顯著增加趨勢；干旱頻次表現為上中游增加和下游減少的趨勢，在緯向上趨勢分布相反；復合頻次呈現整體增加的趨勢，四川盆地中南部、云南省北部，以及江西省東南部地區的增速顯著，且以上地區也是三類事件一致增多的區域。從強度來看，川渝地區、中游干流附近、云南省北部等地的高溫平均強度顯著增大；長江中下游干流周邊多站的干旱強度減弱，其中宜昌至城陵磯段減弱趨勢顯著；四川盆地東部、江西省和湖南省中部復合事件強度顯著增加，且增幅明顯大于高溫強度的增速。從持續時間看，巢湖、鄱陽湖和洞庭湖段的局地，高溫持續時間顯著增加；四川盆地東部、江西省中南部、干流洞庭湖段復合事件的持續時間顯著增加。總體來看，與2022年長江流域高溫、干旱和復合事件一致性變化特征不同，三類事件在不同區域的長期變化趨勢相差較大，四川盆地東部和長江流域東南部地區是高溫干旱復合事件風險增加最明顯的地區。已有研究表明，年尺度上流域來水對洞庭湖水文干旱有更大影響[39]。流域上游地區高溫、干旱和復合風險的顯著增加，不僅可以對局地產生影響，還可以通過上游來水的虧缺對中、下游產生影響，高溫干旱復合極端事件的持續時間在延長，持續高溫進一步加速中、下游河湖蒸發，再加之上游來水減少，仍可能加劇中、下游的干旱風險。

注：通過90%顯著性t檢驗的為實心圓，下同。圖4 1961～2022年6～10月長江流域高溫、干旱和復合事件不同指標的相對變化趨勢(單位：%/10 a)Fig.4 Linear trends of high temperature，drought and compound extreme events with respect to their mean values in Changjiang River Basin during June to October from 1961 to 2022

圖5展示了長江流域三類極端事件的最大強度和最長持續天數趨勢分別占平均強度和平均持續天數趨勢的比值，反映了極端事件極端性的相對變化趨勢，暖色代表最大值和平均值的變化趨勢是同號的，冷色則相反。從最大強度的變化趨勢來看，在下游地區和流域東南部，高溫最大強度的增加趨勢是平均強度的2～6倍，局地高達6～10倍，而復合極端事件在四川盆地東部、流域東南部和云南省北部部分地區達到2～3倍，局地高達3～5倍，說明高溫和復合極端事件的極端性整體趨于更強；干旱在全流域整體表現出最大強度與平均強度同向變化的特征。如果平均強度增強而最大強度減弱，說明其增強的極端事件正在趨向中等或較弱強度的極端事件發展，但這種情況僅在干旱事件中的局部站點觀測到。從最長持續時間的變化趨勢來看，四川盆地東部以及流域東南部高溫和復合事件的極端持續性增強的特點較明顯。

圖5 1961～2022年6～10月長江流域高溫、干旱和復合事件的最大強度(最長持續天數)相對變化趨勢與平均強度(平均持續天數)相對變化趨勢的比值Fig.5 Comparisons between relative trends for the intensity of strongest events(the duration of longest events) and mean intensity(mean duration) of all extremes in high temperature，drought and compound extreme events respectively during June to October from 1961 to 2022

復合事件是高溫和干旱事件的交集，它的變化趨勢同時受到高溫和干旱二者并集(總事件)以及交集變化的雙重影響。總事件頻次(見圖4(a)～(b))增加的多數站點，其復合時間在總事件頻次中的占比也同時增加(見圖6(c))，說明復合事件的增速快于3類事件總體的增速；由于高溫頻次整體顯著增加、干旱增加不顯著或下降(見圖4)，高溫事件的快速增加對復合事件增加有主要貢獻，這與前人的研究相一致[7]；同時復合事件在高溫事件中占比減少(見圖6(a))，說明復合事件以外的獨立高溫事件增速更快；復合事件在干旱事件中占比明顯增加(見圖6(b))，意味著有越來越多的干旱事件與高溫相關聯，在四川盆地東部和長江流域東部這種特征尤其顯著。

圖6 1961～2022年6～10月長江流域高溫干旱復合極端事件頻次在高溫、干旱以及總事件中占比的變化趨勢(單位：%/10 a)Fig.6 Linear trends for proportions of compound events frequency to high temperature，drought and total extremes frequencies during June to October from 1961 to 2022

3.3 長江流域高溫、干旱和復合極端事件的綜合危險性評估

長江上、中、下游3類事件區域平均頻次、平均強度和最長持續天數逐年的變化特征如圖7所示。高溫頻次在不同區域均表現出顯著增加趨勢，而干旱頻次的年際波動較大，但二者在2000年以后更加趨于同頻變化，且復合事件的發生頻次以及在3類總體事件中的比例都有明顯增加。對于上、中游地區，20世紀70年代末至80年代初是近期以外的另一個復合事件高發時段。上、中游地區高溫和復合事件的強度顯著增加，20世紀90年代末以后，高溫事件強度對復合事件強度起主要貢獻的年份明顯增多。與其他兩個地區相比，上游復合事件最大持續天數的增速最顯著，而下游復合事件最大持續天數平均水平偏低且年際波動較大。總體來講，3類極端事件在年際尺度經常同頻變化，2022年3類極端事件的頻次、強度和持續時間均為1961年以來之最。

注：圖例后為線性趨勢，單位為%/10 a；*和**分別代表趨勢通過90%和95%顯著性檢驗；圖(a)～(c)中填色代表復合事件頻次在總事件中的占比；圖(d)～(f)中復合事件強度主要由高溫事件強度貢獻的為灰色填色，主要由干旱強度貢獻的為圖案填色。圖7 1961～2022年6～10月長江流域區域平均高溫、干旱和復合極端事件指標的變化特征Fig.7 Variation of the regional mean indicators of high temperature，drought and compound extreme events in the Changjiang River Basin during June to October from 1961 to 2022

表1為長江流域高溫、干旱和復合事件綜合危險性排名前20強的年份。在綜合危險性較高的年份中，相對其他兩類事件，高溫事件更加傾向于影響全流域，盡管在上、中、下游中的兩個區域發生嚴重干旱相對頻繁，但全流域性干旱較少發生，僅在1979，1991，1992年和2022年的4 a中出現。在部分復合事件綜合危險性較高的年份中，其高溫和干旱的綜合危險性均一般，如上游在1961，1966年和1981年，中游在1997年和1967年，下游在1964年；另有一些年份，盡管高溫和干旱的危險性等級均不是最高，但與其相關的復合事件仍具有高危險性；相對其他兩個區域，下游區域強高溫、強干旱共同發生的年份，更容易導致強復合事件的發生。

表1 長江流域高溫、干旱和復合事件綜合危險性排名前20年份Tab.1 Top 20 based on the composite risk index for high temperature，drought and compound extremes events in Changjiang River Basin

高溫干旱復合極端事件相較單獨事件，會產生從氣象干旱到水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱的鏈式復雜影響[27]。21世紀以來，6～10月發生高危險性高溫干旱復合極端事件且影響范圍覆蓋長江全流域的有2006，2013，2019年和2022年(見表1)，均對農業生產、水資源供給、能源供應、生態系統平衡及人體健康產生了較大影響，其中前3個年份在極端高溫影響下，僅干旱本身造成的直接經濟損失均超百億元[36-38]。2022年長江流域夏、秋高溫干旱復合事件的頻次、強度、最長持續時間以及綜合風險均位居歷史首位(見表1)，導致7月以來長江流域上中下游同枯，8月長江中下游干流枯水重現期大于100 a一遇[40]，河湖干涸、溫高導致野生水生生物死亡，川渝地區出現了嚴重電力供需失衡，四川省、重慶市、貴州省、江西省、湖南省等地發生多起森林火災；8月份旱情峰值時，全國共有449萬人因旱需生活救助，農作物受災面積42.84萬hm2。

4 結 論

(1) 2022年6～10月，長江全流域高強度和持續性的高溫、干旱和復合事件一致頻發，且復合事件的頻次、強度、最大強度和最大持續時間顯著偏大(強)；綜合評估得到，四川盆地東部和長江中下游干流沿線及以南地區是2022年高溫干旱復合事件相對影響最大的地區。

(2) 1961～2022年高溫、干旱及其復合事件在不同區域的變化趨勢相差較大，但高溫干旱復合風險在四川盆地東部和長江流域東南部增加顯著；雖然中下游干流周邊干旱風險較低，但在局地復合事件持續時間的增加以及上游復合事件風險增大影響的疊加作用下，仍可能加劇中、下游的干旱風險。

(3) 流域東南部是高溫和復合極端事件強度、持續時間極端性一致增強最顯著的區域，充分表現了氣候變暖背景下極端事件將變得更為極端的特點。干旱在全流域整體呈現出最大強度與平均強度同向變化的特征，即最大強度的變化趨勢進一步放大了平均強度的變化趨勢。高溫事件增加是復合事件增加的主要原因，且越來越多的干旱事件與高溫關聯；上、中游在20世紀90年代末以后高溫事件強度對復合事件強度起主要貢獻的年份明顯增多。

(4) 從綜合危險性來看，全流域強高溫事件并發的年份較多，而嚴重干旱常在上、中、下游中的兩個區域內發展演變。歷史上6～10月發生高危險性高溫干旱復合事件且影響范圍覆蓋長江全流域的有2006，2013，2019年和2022年，均對農業生產、水資源供給、能源供應、生態系統平衡及人體健康產生了較大影響。

本研究揭示了高溫干旱復合事件在長江流域的演變特征，但對于全球氣候變暖、極端事件頻發重發新常態下[41]，高溫干旱復合事件呈現出的新特點還有很多有待研究的課題。例如通過識別區域極端事件，進一步分析刻畫高溫干旱復合事件的時空演變特征；利用熵權法[42]等改進綜合危險性指數計算過程中的客觀一致性；加入農業、水文、經濟等更多承載體信息，逐步實現危險性評估向綜合風險評估的過渡。通過分析，發現長江流域越來越多的干旱事件趨于與高溫事件相聯系，高溫和降水在不同區域的協同關系是否發生變化，這背后的氣候系統演變成因也值得進一步探究。在此基礎上，對長江流域高溫干旱復合事件發生演變的特征及綜合風險的未來預估也是一個重要的研究內容。