王春林，鄒菊香，麥北堅(jiān)，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(xué)，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(shí)空特征及其變化趨勢(shì)

王春林1,2,*，鄒菊香2,3，麥北堅(jiān)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(xué)，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(biāo)準(zhǔn)化前期降水指數(shù)(SAPI)和常年平均相對(duì)濕潤(rùn)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(gè)氣象站資料分析了近50年(1961—2010年)氣象干旱時(shí)空特征及其氣候變化趨勢(shì)。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(jí)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(shì)分析表明，1至9月降水和月干旱指數(shù)(MI)以增加趨勢(shì)為主，各等級(jí)旱日數(shù)以減少趨勢(shì)為主，其中7月份MI增加趨勢(shì)及各等級(jí)旱日減少趨勢(shì)均達(dá)到0.1顯著水平；而10至12月降水和MI以減小趨勢(shì)為主，各等級(jí)旱日數(shù)以增加趨勢(shì)為主，其中11月份MI減小趨勢(shì)及中旱、重旱、總旱日增加趨勢(shì)均達(dá)到0.05顯著水平。(5)年總旱日趨于增加、減少的站點(diǎn)數(shù)各占60%、40%，有11%的站點(diǎn)達(dá)到0.1以上顯著水平。各等級(jí)旱日顯著增加的站點(diǎn)大多集中在廣西，而旱日顯著減少的站點(diǎn)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(jìn)一步加劇。目的為進(jìn)一步開展華南氣候變化影響評(píng)估、水資源利用及應(yīng)對(duì)氣候變化提供基礎(chǔ)。

標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜多變。華南雖然年降水比較充沛，屬于濕潤(rùn)氣候區(qū)[1]，但時(shí)空分布不均，兼之太陽輻射強(qiáng)、氣溫高、土壤蒸發(fā)和作物蒸騰強(qiáng)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(shì)，全球水資源和水循環(huán)研究已經(jīng)成為全球變化科學(xué)的新的戰(zhàn)略重點(diǎn)[5]。

文獻(xiàn)中對(duì)華南干旱的研究可分為階段降水評(píng)估和逐日干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估兩類。降水評(píng)估類研究包括對(duì)華南區(qū)域代表站點(diǎn)年度[6]、季度[7- 8]、汛期(前汛期)[9- 10]等不同時(shí)間尺度降水的分析評(píng)定，研究方法包括極差法[6]、距平法[8- 9]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)[7,10]等。逐日干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估研究近年日益得到重視，廣東干旱逐日監(jiān)測(cè)評(píng)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(biāo)CI[15]及其改進(jìn)指標(biāo)[16]在全國氣象干旱監(jiān)測(cè)評(píng)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)化前期降水指數(shù)(SAPI)的逐日氣象干旱指標(biāo)，克服了基于“等權(quán)累加”建立的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和綜合干旱指數(shù)(CI)等指標(biāo)由于前期降水移出計(jì)算窗口而導(dǎo)致的“不合理旱情加劇”問題[19]。鑒于SAPI本質(zhì)上是標(biāo)準(zhǔn)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(duì)濕潤(rùn)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(biāo)通過廣東省氣象局業(yè)務(wù)準(zhǔn)入評(píng)審，成為廣東省氣象部門現(xiàn)行氣象干旱指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。本文采用DI分析華南區(qū)域近50年干旱時(shí)空特征及其氣候變化趨勢(shì)，期望對(duì)進(jìn)一步開展氣候變化影響評(píng)估、水資源利用及應(yīng)對(duì)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(gè)、廣西88個(gè)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(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、風(fēng)速等資料采用FAO Penman-Monteith公式[15]計(jì)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)化變量SAPI[19]，SAPI計(jì)算方法參見《氣象干旱等級(jí)》國家標(biāo)準(zhǔn)[15]附錄C標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算公式為：

APIi=Pi+kAPIi-1

(2)

式中,APIi為第i日API，Pi為當(dāng)日降水量(mm)，APIi-1為前一日的API，k為衰減系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.955。每個(gè)站從建站開始逐日滾動(dòng)計(jì)算API，初始API設(shè)為0。建站開始后的頭4個(gè)月API受邊界效應(yīng)影響舍棄不用。

(3)

(4)

逐日氣象干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1。

圖1 華南代表站點(diǎn)30a(1981—2010年)平均逐日相對(duì)濕潤(rùn)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(jì)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(cè)評(píng)估月、年尺度氣象干旱程度。月氣象干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。統(tǒng)計(jì)表明各等級(jí)旱月頻率與旱日頻率比較接近，因此本文僅討論各等級(jí)旱日頻率，旱月頻率不重復(fù)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(biāo)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(rùn)，年內(nèi)濕潤(rùn)時(shí)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(jí)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(gè)月為11、12月和次年1月，這3個(gè)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(gè)月，表明DI指標(biāo)能夠表征氣象干旱相對(duì)枯水時(shí)段的滯后效應(yīng)。

2.2 旱日頻率空間分布特征

華南各等級(jí)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(jí)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(jí)旱日頻率較高區(qū)域相對(duì)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(xì)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(gè)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(yuǎn)、汕尾，值得注意的是這5個(gè)降水集中區(qū)中，廣東汕尾、廣西防城-欽州2個(gè)區(qū)域YI較低，汕尾附近重旱頻率較高(圖3)，表明這2個(gè)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(diǎn)。

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(shì)

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(shì)分析表明，近50年華南年平均降水量呈增加趨勢(shì)，增加強(qiáng)度為14.1mm/10a,輕旱、特旱日呈減少趨勢(shì)，中旱、重旱呈增加趨勢(shì)。盡管上述變化趨勢(shì)都沒有達(dá)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(shì)為主，各等級(jí)旱日以減少趨勢(shì)為主，其中7月份MI增加趨勢(shì)、各等級(jí)旱日減少趨勢(shì)均達(dá)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(shì)為主，各等級(jí)旱日以增加趨勢(shì)為主，其中10月份降水減少趨勢(shì)達(dá)到0.05顯著水平，11月份MI減小趨勢(shì)及中旱、重旱、總旱日增加趨勢(shì)達(dá)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(shì)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(shì)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(diǎn)數(shù)各占60%、40%，有11%的站點(diǎn)達(dá)到0.1以上顯著性檢驗(yàn)，不同等級(jí)旱日數(shù)變化趨勢(shì)空間分布不同(圖6)。

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

中旱日趨于增加、減少的站點(diǎn)數(shù)各占68%、32%，其中增加趨勢(shì)顯著的有17個(gè)站(廣西中東部)，減少趨勢(shì)顯著的有1個(gè)站(茂名)(圖6)。對(duì)各站11月份中旱日趨勢(shì)分析表明，有92%站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，其中58個(gè)站通過0.1信度檢驗(yàn)(圖略)。

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

特旱日趨于增加、減少的站點(diǎn)數(shù)各占36%、64%，其中增加趨勢(shì)顯著的有7個(gè)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(shì)顯著的有10個(gè)站(分布在廣東東部和北部地區(qū))(圖6)。

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

圖6 1961—2010年華南各等級(jí)旱日趨勢(shì)空間分布(實(shí)心表示達(dá)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(biāo)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(jí)旱日頻率低于基于SPI指標(biāo)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(rùn)。

(2)華南各等級(jí)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(biāo)由于引進(jìn)平均相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)，克服了SAPI、SPI等標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。DI指標(biāo)和SAPI[19]、改進(jìn)的綜合干旱指數(shù)CInew[16]、土壤水分模擬的指標(biāo)[11,13- 14]一樣，能夠表征氣象干旱相對(duì)枯水時(shí)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(shì)，降水量有增加趨勢(shì)，輕旱、特旱日呈減少趨勢(shì)，中旱、重旱呈增加趨勢(shì)，但未達(dá)到0.1信度水平。

(4)氣候變化趨勢(shì)分析表明，從季節(jié)差異看，1至9月降水和MI以增加趨勢(shì)為主，各等級(jí)旱日數(shù)減少趨勢(shì)為主，其中7月份MI增加趨勢(shì)及各等級(jí)旱日減少趨勢(shì)均達(dá)到0.1顯著水平；而10至12月降水和MI以減小趨勢(shì)為主，各等級(jí)旱日數(shù)以增加趨勢(shì)為主，其中11月份MI減小趨勢(shì)及中旱、重旱、總旱日增加趨勢(shì)均達(dá)到0.05顯著水平?？傮w趨勢(shì)和黃晚華等[7]基于SPI對(duì)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(diǎn)數(shù)各占60%、40%，有11%的站點(diǎn)達(dá)到0.1以上顯著性檢驗(yàn)。各等級(jí)旱日顯著增加的站點(diǎn)大多集中在廣西，而旱日顯著減少的站點(diǎn)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(jìn)一步加劇。

氣象干旱相對(duì)農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱具有前導(dǎo)性、基礎(chǔ)性特點(diǎn)，氣象干旱時(shí)空特征與所采用的指標(biāo)體系密切相關(guān)，如何客觀評(píng)價(jià)氣象干旱指標(biāo)適用性，學(xué)術(shù)界尚沒有統(tǒng)一觀點(diǎn)。進(jìn)一步研究將結(jié)合土壤水分觀測(cè)資料，分析DI指標(biāo)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(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)(GYHY201106021); 國家973計(jì)劃(2013CB430206); 廣東省科技計(jì)劃(2012B020314006); 干旱氣象科學(xué)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(jiān)，陳慧華，唐力生，段海來.近50年華南氣象干旱時(shí)空特征及其變化趨勢(shì).生態(tài)學(xué)報(bào),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.