楊星星, 楊云川,2,3, 田 憶, 廖麗萍,2,3, 謝鑫昌, 莫崇勛,2,3, 肖 良,2,3

(1.廣西大學 土木建筑工程學院, 南寧 530004; 2.廣西大學工程防災與結構安全教育部重點實驗室, 南寧 530004; 3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室, 南寧 530004)

“驟發(fā)性干旱(Flash Drought，簡稱驟旱)”是對因高溫或降雨缺乏等引發(fā)的土壤濕度急速降低等現(xiàn)象的概稱[1-4]。驟旱歷時較短，通常僅有幾天，但土壤濕度的急速降低會嚴重影響農(nóng)作物的正常生長，這種突發(fā)性也使得區(qū)域災害預警、防災措施的有效實施更加困難[5]。2012年，發(fā)生在美國中南部的驟旱事件造成大面積農(nóng)作物減產(chǎn)、牧畜死亡，直接經(jīng)濟損失高達數(shù)百億美金，成為美國歷史上最為嚴重的自然災害之一[1,6-7]。驟旱由此引起了學界新一輪的關注，但是驟旱與傳統(tǒng)干旱特性差異顯著，現(xiàn)有旱災理論在驟旱的監(jiān)測、預警及防治中效果并不理想[8-9]。驟旱的未知性以及危害性使得其成為當前旱災領域的熱點問題[1,5]。

當前針對驟旱的研究多根據(jù)驟旱形成機理將其分為溫度驅動型和降雨虧缺型[1,10]，研究發(fā)現(xiàn)，兩種災害在氣候濕潤地區(qū)均有發(fā)生[11-12]，本文主要研究降雨虧缺型驟旱。該型驟旱最早是由Mo等[10]提出，Mo等認為2011年的得克薩斯驟旱完全不同于普通的溫度驅動型驟旱，其在發(fā)生以前已經(jīng)發(fā)生降雨虧缺，其土壤濕度降低主要是由降雨虧缺造成的，并把這種干旱稱為“降雨虧缺型驟旱(P-deficit flash droughts)”；Mo等[10]還通過對各氣象要素的敏感性分析確定了該型驟旱的判別標準，并分析了該型驟旱在美國的時空特征。國內，Wang等[13]運用該標準研究了該類型驟旱在我國的時空分布特征，并分析了其與季節(jié)性干旱的關系； Zhang等[12]基于該標準分析了我國贛江流域的降雨虧缺型驟旱與溫度驅動型驟旱的時空特性差異；張翔等[14]則采用基于多種干旱指數(shù)的驟旱定義研究了我國農(nóng)業(yè)區(qū)域的驟旱時空分布特征。總的來說目前降雨虧缺型驟旱研究還處于起步階段，現(xiàn)有研究多集中在區(qū)域驟旱時空分布特征分析。

廣西壯族自治區(qū)地處熱帶季風氣候區(qū)，年降水量豐沛但時空分布不均[15]，且雨熱同季，易存在短時降水虧缺現(xiàn)象；廣西區(qū)內巖溶廣泛發(fā)育[16]，使得土層淺薄且保水能力差，擁有驟旱易發(fā)的基礎；而廣西又是農(nóng)業(yè)大省，旱災頻發(fā)造成損失巨大[17]，區(qū)域旱災特性研究迫在眉睫。籍此，本文綜合降雨、蒸散發(fā)、氣溫、太陽輻射等數(shù)據(jù)，在分析廣西地區(qū)的降雨虧缺型驟旱的演變過程的基礎上，采用多種方法全面討論近40 a來該型驟旱在廣西的時空分布特征。以期為廣西乃至華南地區(qū)的降雨虧缺型驟旱的監(jiān)測、預警等工作提供科學參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)地處華南，位于104°26′—112°04′E，20°54′—26°24′N，地跨珠江、長江、紅河、濱海四大水系。全區(qū)氣候溫暖，平均溫度17.3～23.8℃，日照充足，年均日照時數(shù)1 467 h，冬短夏長，干濕季分明。從地形上來看，廣西東臨云貴高原，西為兩廣丘陵，南部臨海，區(qū)內四周多山，中南部則多丘陵平地。廣西喀斯特地貌分布廣泛，喀斯特地貌區(qū)約占總土地面積的37.8%，其集中連片分布于桂西南、桂西北、桂中和桂東北。獨特的氣候條件加上特殊的地質條件使得廣西地區(qū)洪旱災害頻發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

文中主要用到降雨(P)、土壤濕度(SM)、蒸散發(fā)(ET)、氣溫(T)、太陽輻射(Rad)5類數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)來源及屬性見表1。為同時使用多要素進行驟旱研究，需將不同來源的要素數(shù)據(jù)進行時空統(tǒng)一。為此，通過插值將P，T數(shù)據(jù)轉換為0.25°×0.25°，將SM及ET數(shù)據(jù)按照北京時間轉換為日尺度。對于T和P中數(shù)據(jù)異常較多的格點予以剔除，個別缺測數(shù)據(jù)則采用該日的多年平均值進行插補。最終可得廣西地區(qū)1979—2015年342個0.25°×0.25°格點的P，SM，ET，T及Rad(2008—2015年)日尺度序列(圖1)。

表1 各要素數(shù)據(jù)屬性及來源

1.3 研究方法

1.3.1 驟旱判別標準 本文對于降雨虧缺型驟旱的判別主要采用以下標準[10]：T距平>1 STD，ET距平<0，P<40%。其中T，ET，P等要素均采用候(5 d)平均值，STD表示標準差，P表示該候的降雨在整個時間序列內的分位數(shù)(%)。對于每一個格點，同時滿足3個條件即認為該點發(fā)生降雨虧缺型驟旱，若一個格點連續(xù)多候均滿足判別條件視為一個驟旱事件。對于季節(jié)性干旱，則采用等Yuan[20]判別標準：D≥3，SM%<30%，其中D表示連續(xù)月份，SM表示月土壤濕度在整個時間序列內的分位數(shù)(%)。

此外，因為采用候(5 d)尺度進行驟旱研究，為方便統(tǒng)計，研究中剔除了2月29日，從每年1月1日起，每5 d算作1候，直到當年12月31日，每年即可算作73候。研究中還采用了旱災頻率、歷時、面積等指標量化驟旱及季節(jié)性干旱。其中頻率及面積的計算公式見表2。

圖1 廣西0.25度格點分布

表2 驟旱評價指標計算公式

1.3.2 時空分布特征分析方法 本文在統(tǒng)計出廣西1979—2015年所有降雨虧缺型驟旱事件的基礎上，進一步研究該型驟旱在廣西地區(qū)的趨勢性、突變性、周期性等特征。主要采用線性傾向率方法[20]表示驟旱的歷史變化量；采用Mann-Kendall趨勢檢驗法[21]檢驗驟旱變化趨勢的顯著程度；采用Hurst指數(shù)法[22]分析驟旱趨勢變化在未來的延續(xù)情況；采用滑動平均法[23]進行分期趨勢分析[24]；此外，還采用了BG分割算法進行突變特征分析，采用EEMD方法進行周期特征分析。其中前幾種方法已在旱災研究領域有較多的運用，而BG分割算法則是一種非線性、非平穩(wěn)時間序列的變異檢測方法，研究發(fā)現(xiàn)其特別適合處理類似于氣候資料的時間序列[25-26]；EEMD是EMD方法的改進，其在EMD分解的基礎上，通過引入白噪聲，解決了模態(tài)混疊問題，目前也已被應用于水文氣象等領域的多重周期研究[25-26]。BG分割算法和EEMD的具體計算公式可參考相關文獻[27-28]。

2 廣西降雨虧缺型驟旱的演變過程及特性分析

2.1 降雨虧缺型驟旱的演變過程

為了較為準確清晰地研究降雨虧缺型驟旱的特性，選擇廣西地區(qū)一場典型降雨虧缺型驟旱事件，分析其演變過程。畫出該次驟旱事件發(fā)生前1候(T-1候)、驟旱發(fā)生時(T候)、驟旱發(fā)生后1候(T+1候)的降雨(P)距平、土壤濕度(SM)距平百分率、蒸散發(fā)(ET)距平百分率、氣溫(T)距平百分率的空間分布圖(附圖1)。由附圖1可知，在(T-1)候，全區(qū)大部分地區(qū)的SM，ET距平百分率及P距平均為負值，其中桂中、桂南及桂東的降雨距平均在-0.5～0 mm，SM與ET的距平百分率則表明其在桂中及桂南顯著偏小，此時全區(qū)大部分區(qū)域的氣溫則是偏高0～10%；而T-1候到T候，全區(qū)降雨虧缺程度進一步加重，桂中、桂南、桂東的降雨距平則是降至-2.0～-1.5 mm，桂中、桂南地區(qū)的ET，SM距平百分率也隨之到達最低，T也隨之上升，在桂中及桂南地區(qū)偏高30%，且與ET，SM的空間分布表現(xiàn)出較好的相關性；T候到T+1候，全區(qū)降雨虧缺程度有所緩解，僅在桂東小部分地區(qū)降雨偏少，桂中桂南地區(qū)的SM及ET也隨之回升，但依然偏低，氣溫也有所下降，依然偏高，全區(qū)T距平百分率為0～20%。

2.2 降雨虧缺型驟旱的演變特性分析

通過以上分析可知，前期P以及SM等要素偏低為降雨虧缺型驟旱的發(fā)生創(chuàng)造了條件，而驟旱發(fā)生的直接誘因則是P進一步減低。該次驟旱過程T-1候到T候中P有顯著減小的過程，P的減少，導致土壤含水量得不到補充，從而導致SM降低，然后影響ET，ET的減小則會使得太陽輻射增加[10]，從而導致T偏大，同時由于下墊面的異質性等其他因素的影響，要素之間的影響并不是線性的，這也導致了要素之間的空間變化并不完全相關。該次驟旱事件中表現(xiàn)出的特性，在大范圍統(tǒng)計中依然有所體現(xiàn)。統(tǒng)計廣西地區(qū)1979—2015年所有降雨虧缺型驟旱事件中，T-1候至T候的降雨變化如圖2A所示，T-1候及T-2候的P距平和SM距平百分率如圖2D—E所示，T候(1998—2016年)的太陽輻射強度距平見圖2G，驟旱時間發(fā)生后SM距平為負持續(xù)時間如圖2F所示。由圖2A可知，絕大部分降雨虧缺型驟旱事件T-1候至T候之間都存在降雨減少，且減少量大都集中在5 mm以內。由圖2B—C可知在降雨虧缺型驟旱發(fā)生前期降雨已經(jīng)明顯較少，約有75%的驟旱事件在T-2候的降雨距平已經(jīng)為負數(shù)，而到了T-1候，降雨距平為負數(shù)的事件進一步增多，P減小，SM也隨之降低，T-2候時，超過50%的驟旱事件的SM距平百分率小于0，T-1候時則有75%，且主要集中在-10%～0。圖2G則說明了ET的減少導致溫度的增加，約有75%的驟旱事件在驟旱發(fā)生時太陽輻射距平百分率出現(xiàn)了增長。驟旱是農(nóng)業(yè)干旱，其對農(nóng)業(yè)的影響，則通過影響SM而體現(xiàn)。由圖2F可知，驟旱發(fā)生雖然較為迅速，但其對農(nóng)業(yè)影響依然很大，約有75%的驟旱事件在驟旱發(fā)生后1～5候，SM距平百分率依然為負，偏低，而土壤長期缺水勢必影響農(nóng)作物生長發(fā)育[5]。

圖2 降雨虧缺型驟旱發(fā)生過程中多氣象要素變化水平箱線

3 廣西地區(qū)降雨虧缺型驟旱的時間分布特征

3.1 驟旱的時間分配特征

統(tǒng)計出廣西地區(qū)342個格點在1979—2015年降雨虧缺型驟旱的頻率、面積及持續(xù)候數(shù)(圖3)。由圖3可知，降雨虧缺型驟旱在廣西發(fā)生的頻率并不高，其主要集中在1.0%～2.0%，對于個別驟旱相對較多的區(qū)域，也不超過3%；驟旱發(fā)生面積則大都在30%以下，以10%以內的小范圍為主；驟旱持續(xù)時間通常較短，以1候(5 d以內)為主，約占90%，2候(10 d以內)次之，約占7%，大于2候(10 d以上)的不足1%。

圖3 廣西地區(qū)1979-2015年降雨虧缺型驟旱頻率、歷時、面積分布區(qū)間

統(tǒng)計出降雨虧缺型驟旱頻次的各月占比、面積及歷時的各月平均值(圖4)。由圖4A可知，降雨虧缺型驟旱多發(fā)于夏季的6—8月份，其中7月份最高，約占全年的16%，秋季的9—11月份驟旱較少，3個月的占比均在4%以下，此外冬季12—2月份的驟旱占比要高于春季的3—5月份。由圖4B可知，驟旱歷時在月際間差異較為顯著，各月平均歷時為1.0～1.4候，在春(3—5月)、夏(6—8月)、冬(12—2月)3季各有1個峰值，且依次增大，秋季3月的驟旱歷時均在1.0候左右。由圖4B可知，驟旱面積在7月份最低，約為18%，在11月份最小，約為4%，就季節(jié)來說，夏季的驟旱面積較大，6—8月占比均在8%以上，冬季次之，秋季最小，9—11月份驟旱占比均為4%～8%。綜合頻率、歷時、面積來看，降雨驅動型驟旱在秋季較少，且影響也較小，而在夏季較多，歷時較長，影響范圍也較大；冬季驟旱的影響要高于春季，但總體上來說兩季差別不大。

3.2 驟旱時間趨勢變化

統(tǒng)計出廣西地區(qū)1979—2015年平均每年降雨虧缺型驟旱頻次、歷時、面積(圖5)，并計算出序列的特征值見表3。由圖5、表3可知，1979—2015年廣西地區(qū)降雨虧缺型驟旱的頻次及面積序列波動顯著，兩者變差系數(shù)(Cv)值均大于0.6，而驟旱歷時序列則較為平緩。不過，3指標的年序列均呈現(xiàn)出顯著下降的變化趨勢，三者的傾向率分別為-0.02次/a，-0.002候/a，-0.22%/a，三者的Mann-kendall趨勢檢驗的Z值均小于-1.28(90%顯著性)。5點滑動平均變化曲線則顯示，驟旱頻次與驟旱面積的變化較為相似，均呈現(xiàn)出逐漸下降的單一變化趨勢，而驟旱歷時則是在1979—1989年變化較為平緩，在1989—1999年逐漸下降，而1999年以后則又逐漸回升。從Hurst值來看，驟旱頻次、面積、歷時序列的變化趨勢均有一定的可能會繼續(xù)持續(xù)。綜合來看，1979—2015年降雨虧缺型驟發(fā)性干旱對廣西的地區(qū)的影響呈現(xiàn)出減弱趨勢。

3.3 驟旱序列突變特征

為分析1979—2015年降雨虧缺型驟旱的突變特征，采用BG分割算法，設置p=0.95，L=15，分別檢測驟旱的頻次序列、歷時序列及面積序列的突變點(圖6)。由圖6可知，表征驟旱特性的3個序列均進行了一次分割，其中1999年為驟旱頻次、面積的可能突變點，1991年為驟旱歷時序列的可能突變點。再對各突變點進行顯著性檢驗，可得，驟旱歷時在1991年處的突變點顯著性檢驗值僅有0.68，突變不顯著，驟旱頻次和面積在1999年的顯著性檢驗值雖均較大，但后者依然小于p，突變不顯著，僅有驟旱頻次的檢驗值大于p，為顯著突變點。

圖4 降雨虧缺型驟旱年內月變化

圖5 廣西1979-2015年降雨虧缺型驟旱頻次、歷時、面積變化曲線

表3 廣西1979-2015年逐年降雨虧缺型驟旱頻次、歷時、面積序列特征值

圖6 1979-2015年廣西地區(qū)驟旱三維度序列變異性檢驗

3.4 驟旱序列周期特征

采用EEMD方法對驟旱頻次、歷時、面積序列進行分解(圖7)，由圖7可知，驟旱3特征序列均可分解為4個分量，各序列的IMF分量的波動均由IMF1到IMF4逐漸減小，其中IMF4分量幾乎沒有波動，Res分量則體現(xiàn)了驟旱頻次、歷時、面積3序列的顯著下降趨勢，與3.2部分結論一致。通過計算中心頻率可以求得各分量對應的平均周期(表4)，由表4可知，驟旱歷時和面積的周期較為接近，其IMF1對應的周期均接近3 a，而驟旱頻次則為3.45 a；IMF2對應的周期約為5 a，而頻次則為6.60 a；IMF3對應的周期約為10.5 a，而頻次則為12 a；三者IMF4對應的周期均較長，接近序列長度，準確性較差，故不考慮。為進一步確定所求周期的可靠性，對各序列IMF分量進行置信檢驗[28](圖8)。由圖8可知，驟旱頻次、歷時、面積3序列的4個IMF分量中IMF1的分量lnE最高，但歷時的IMF1分量值在80%置信線以下，另外兩者的值則在80%置信線和90%置信線之間。綜上可知，表征驟旱特性的3特征序列中，驟旱頻次和面積的IMF1包含具有實際物理意義的信息最多，其對應的3.45，2.98 a周期較為可靠。

圖7 驟旱頻次、歷時、面積序列的EEMD分解

表4 驟旱三維度序列中心頻率及周期

圖8 驟旱三維度各IMF分量的置信檢驗

4 廣西降雨虧缺型驟旱的空間分布特征

4.1 驟旱的空間分布

統(tǒng)計出廣西地區(qū)342個格點1979—2015年的降雨虧缺型驟旱事件的頻率及平均歷時，并空間插值得圖9。

由圖9A可知，全區(qū)驟旱頻率由桂北向桂南逐漸增加，其中桂北地區(qū)驟旱頻率在1.00%以下，而桂中以及桂南則在1.50%以上。由圖9B可知，全區(qū)驟旱頻率則主要集中在1.05～1.15候，其中桂西南及桂中的南寧、來賓、柳州等地的驟旱歷時在1.10～1.15候，而貴港及桂林等小部分地區(qū)在1.05候以下，其余地區(qū)則在1.05～1.10候。綜合來看，在空間分布上，驟旱頻次和歷時在總體上并沒有呈現(xiàn)出顯著的相關性，但在部分地區(qū)，例如桂西南的崇左、防城港，桂中的南寧、來賓等地，驟旱頻次及歷時均較高。

圖9 降雨虧缺型驟旱頻率、歷時空間分布

4.2 驟旱空間趨勢變化

統(tǒng)計出廣西342個格點1979—2015年降雨虧缺型驟旱發(fā)生次數(shù)的傾向率以及Mann-kendall趨勢檢驗統(tǒng)計值并進行空間插值(圖10)。由圖10可知，1979—2015年，降雨虧缺型驟旱在全區(qū)大部均呈現(xiàn)出下降的趨勢，其中傾向率為-0.04～-0.02次/a的區(qū)域最大。從空間分布上可以看出，桂東及桂西小部分地區(qū)的傾向率為-0.02～0次/a，且這些地區(qū)的Z值均大于-1.28，即下降趨勢不顯著，而在桂中、桂北及桂西南等地區(qū)的傾向率均在-0.02次/a以上，且其對應的Z值則表明，驟旱頻次在這些地區(qū)下降顯著。驟旱頻次下降最為顯著的則是在桂中的河池、柳州、南寧、來賓4市的交界處，其傾向率在-0.06～-0.04次/a，其Z值均小于-2.32，通過了99%的置信檢驗。

4.3 降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱

為研究降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱的關系，計算出廣西地區(qū)1979—2015年季節(jié)性干旱的頻率及平均歷時以及驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生的頻率并進行空間插值(圖11)。由圖11可知，廣西大部季節(jié)性干旱的頻率均在16%以上，季節(jié)性干旱歷時以4～6個月為主，就空間分布來說，桂中的柳州、來賓、及河池部分地區(qū)的季節(jié)性干旱頻率及歷時均較高，而在桂西南及桂南地區(qū)季節(jié)性干旱的頻率及歷時均較低。將圖11A—B分別與圖9A—B進行對比，結果表明，整體上來看，降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱的頻率及歷時的空間分布并沒有表現(xiàn)出顯著的一致性，但在部分地區(qū)，例如桂中的柳州及來賓等地，降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱均相對較多，持續(xù)時間較長。由圖11C可知，廣西各地降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生頻率在20%以下，較高的地區(qū)則主要集中在桂西南以及桂中，兩者同時發(fā)生頻率均在10%以上，而桂北的河池及桂林以及桂東地區(qū)則相對較小。對比圖11C與圖9A—B，結果表明，降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生頻率的空間分布圖與驟旱歷時的空間分布有較好的正相關關系，而對比圖11B—C，結果則表明兩種干旱同時發(fā)生頻率的空間分布與季節(jié)性干旱的歷時的空間分布沒有顯著相關性。

圖10 廣西1979-2015年降雨虧缺型驟旱頻次變化趨勢空間分布

圖11 廣西1979-2015年季節(jié)性干旱的頻率及歷時與驟旱和季節(jié)性干旱同時發(fā)生頻率的空間分布

5 結 論

(1) 發(fā)生前期已發(fā)生降雨虧缺、土壤濕度偏低現(xiàn)象，其發(fā)生的直接誘因是在此基礎上降雨的進一步降低，致使蒸發(fā)減少，并伴隨著太陽輻射和氣溫增加，最終導致土壤濕度進一步下降形成驟旱。

(2) 發(fā)生頻率主要集中在1.0%～2.0%，發(fā)生面積主要集中在10%以下，持續(xù)時間主要集中在1～2候(10 d以內)；在年內分配上，在秋季發(fā)生較少且影響也較小，而在夏季發(fā)生較多且歷時較長。

(3) 頻次、歷時、面積在1979—2015年呈現(xiàn)出顯著下降趨勢，且這種趨勢有一定可能會繼續(xù)延續(xù)，但僅有頻次序列在1999年存在顯著突變；頻次序列存在3.45 a的周期，面積序列存在2.98 a的周期。

(4) 驟旱頻次在桂南較高，歷時在桂西南等地較長；在變化趨勢方面，頻次和歷時均在桂中地區(qū)的下降趨勢最為顯著。

(5) 季節(jié)性干旱的頻率及歷時在桂中等地較高，在桂西南等地較低；有6%～15%的驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生，其中桂中及桂西南地區(qū)較高。