張 超,羅伯良
(湖南省氣象科學(xué)研究所,氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410118)
干旱是最常見的自然災(zāi)害之一,由于影響范圍廣、持續(xù)時間長、出現(xiàn)頻率高,給國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生產(chǎn)生活造成巨大損失。湖南地處長江中游以南,南嶺以北,東南西三面環(huán)山,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,由于地形地貌、氣候等原因,降水時空分布不均,是我國干旱發(fā)生頻率較高的省份之一,自有歷史記載以來,干旱幾乎年年發(fā)生,即使在大澇年也經(jīng)常出現(xiàn)階段性的局地干旱,只是范圍不同、程度不一[1-2]。湖南干旱呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性、地域性特征[3],干旱四季都有可能發(fā)生,以夏秋連旱為主[4],且空間上具有盆地、谷地多而重,山地、湖區(qū)少而輕的特點(diǎn)。21世紀(jì)以來,湖南干旱又出現(xiàn)了新特征,干旱始發(fā)季節(jié)提前,旱期延長,呈現(xiàn)出夏秋旱向全年旱發(fā)展態(tài)勢,如2007年湖南省出現(xiàn)罕見的四季連旱;干旱易發(fā)區(qū)域逐漸向湘西北山地和洞庭湖區(qū)延伸,并有加重趨勢,如2009年全省性的干旱屬湘西北區(qū)域最為嚴(yán)重;干旱發(fā)生頻率增多,影響范圍擴(kuò)大,危害程度加深。1949—2010年資料統(tǒng)計顯示,全省性特大干旱平均約7 a一遇,而2000—2009年全省性特大干旱平均約3 a一次[5]??梢?,21世紀(jì)以來湖南干旱發(fā)生區(qū)域、強(qiáng)度、頻次等都發(fā)生了明顯變化。鑒于此,開展湖南干旱事件的時空分布特征及其成因研究,對于提高湖南干旱災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)測和預(yù)警能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
常年6月下旬以后,湖南受西太平洋副熱帶高壓控制,雨季結(jié)束進(jìn)入盛夏晴熱少雨季節(jié),易發(fā)生干旱災(zāi)害。針對湖南干旱較系統(tǒng)的研究始于新中國成立后,早期研究多關(guān)注雨季結(jié)束日期的長期預(yù)報和干旱災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[6-8]。隨著觀測資料的積累,基于單站干旱指標(biāo)開展干旱日數(shù)時空變化特征的研究[9]逐漸增多,通過年、季、月時間尺度上氣象要素觀測值或干旱指標(biāo)確定干旱事件,并以典型干旱年為研究對象,從大氣環(huán)流和海溫等方面探析干旱演變特征和成因[10-14]。以往研究考慮了干旱事件的持續(xù)時間、影響范圍、環(huán)流特征及成因,但對干旱演變的動態(tài)過程監(jiān)測不夠深入,如干旱事件的起止日期、多發(fā)季節(jié)、強(qiáng)度變化等。因此,本文以湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域氣象干旱過程為研究對象,通過對持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件的客觀識別,建立湖南持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件的綜合強(qiáng)度指數(shù),在此基礎(chǔ)上揭示湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域氣象干旱過程發(fā)生頻率、影響范圍及強(qiáng)度等的時空特征,為湖南干旱監(jiān)測預(yù)測、干旱災(zāi)害防御及風(fēng)險管理提供參考。
干旱的開始和結(jié)束、持續(xù)時間、旱情程度、影響范圍等主要依據(jù)干旱指數(shù)來判定[15-16]。目前,湖南的氣象干旱監(jiān)測主要采用綜合氣象干旱指數(shù)(CI)[17],該指數(shù)多年來廣泛應(yīng)用于我國氣象干旱監(jiān)測評估中,并在全國大部地區(qū),特別是濕潤地區(qū)有較好的適用性[18],CI指數(shù)能夠很好地反映湖南干旱的客觀情況[19],故本研究采用該指數(shù)來監(jiān)測干旱事件。
2017年,《氣象干旱等級》(GB/T 20481—2006)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂[20],考慮業(yè)務(wù)服務(wù)的需求,增加了季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù),將CI改為氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)。因此,本文利用湖南88個氣象站1961—2017年6月1日至11月30日(夏秋季)逐日MCI資料,探討湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件的時空特征。另外,還使用了《中國氣象災(zāi)害大典(湖南卷)》災(zāi)情資料。文中涉及的湖南省及其市縣行政邊界是基于國家測繪地理信息標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無修改。
當(dāng)單站MCI持續(xù)15 d以上為輕度及以上干旱,且干旱強(qiáng)度最強(qiáng)達(dá)中旱以上時,則定義該站發(fā)生1次干旱事件。若某日內(nèi)全省至少有1/5站(18站)同時出現(xiàn)干旱事件,則認(rèn)為當(dāng)日出現(xiàn)了群發(fā)性的干旱事件,并將該日定義為區(qū)域性干旱日。干旱事件的持續(xù)性是通過連續(xù)區(qū)域性干旱日中發(fā)生干旱站點(diǎn)數(shù)的重合率來判斷,若相鄰兩干旱日的干旱重合站數(shù)達(dá)到全省站數(shù)的1/10(9站)或以上,則認(rèn)為區(qū)域性干旱事件持續(xù),否則原區(qū)域性干旱事件暫時中斷,若中斷時間未超過5 d并再次出現(xiàn)區(qū)域性干旱日,且干旱重合站數(shù)達(dá)到全省站數(shù)的1/10或以上[21],則認(rèn)為區(qū)域性干旱事件持續(xù),否則事件結(jié)束。
根據(jù)持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件綜合狀況的描述,選取以下參數(shù)進(jìn)行度量。
(1)持續(xù)天數(shù)(ALD):事件開始日至結(jié)束日的總天數(shù);
(2)影響范圍(AST):受干旱事件影響的區(qū)域,用區(qū)域所包含的站點(diǎn)數(shù)表示;
(3)累積強(qiáng)度(AQ):干旱事件過程中,影響范圍內(nèi)各站點(diǎn)逐日MCI與MCI輕旱閾值之差的絕對值之和;
(4)平均強(qiáng)度(MQ):干旱事件過程中,影響范圍內(nèi)各站點(diǎn)逐日MCI平均值的絕對值之和除以影響范圍;
(5)極端最大強(qiáng)度(EMX):干旱事件過程中,影響范圍內(nèi)各站點(diǎn)逐日MCI與MCI輕旱閾值之差絕對值的最大值;
(6)平均中心經(jīng)度:影響范圍內(nèi)各站點(diǎn)的經(jīng)度平均值(以各站干旱持續(xù)天數(shù)為權(quán)重);
(7)平均中心緯度:影響范圍內(nèi)各站點(diǎn)的緯度平均值(以各站干旱持續(xù)天數(shù)為權(quán)重)。
選取持續(xù)天數(shù)、影響范圍、累積強(qiáng)度、平均強(qiáng)度和極端最大強(qiáng)度5個指標(biāo)構(gòu)建干旱綜合強(qiáng)度指數(shù),對持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件進(jìn)行評價。為了確保權(quán)重系數(shù)的客觀性,將上述5個指標(biāo)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,并按降序排列,取各序列10%位置對應(yīng)的數(shù)值,而后將這5個數(shù)值進(jìn)行歸一化處理,得到的權(quán)重系數(shù)分別為0.23、0.18、0.24、0.15和0.20。
利用上述5個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值及其權(quán)重系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和,得到持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件綜合強(qiáng)度指數(shù)Id,計算公式如下:
Id=0.23ALD+0.18AST+0.24AQ+
0.15MQ+0.20EMX
計算1961—2017年湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件的綜合強(qiáng)度指數(shù)Id值,并按0.1等區(qū)間統(tǒng)計出現(xiàn)頻次(圖1)。參照金燕等[22]的方法,結(jié)合《中國氣象災(zāi)害大典(湖南卷)》(簡稱“《災(zāi)害大典》”)中歷年干旱事件的描述,將湖南近57 a來識別出的82次夏秋季持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件,按照綜合強(qiáng)度指數(shù)由大到小劃分的4個等級(表1),判定為3次極端干旱事件(約4%),11次重度干旱事件(約14%),22次較重干旱事件(約26%)和46次一般干旱事件(約56%)。
圖1 1961—2017年湖南夏秋季82次持續(xù)性區(qū)域 干旱事件不同綜合強(qiáng)度指數(shù)頻次分布Fig.1 The frequency of different composite intensity index about eighty-two persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan during 1961-2017
表2是湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域極端干旱(3次)和重度干旱(11次)事件的特征統(tǒng)計。極端干旱過程通常會波及全省范圍,且持續(xù)時間長、強(qiáng)度大。由表2可知,1992年的夏秋連旱位居榜首,經(jīng)查閱《災(zāi)害大典》,該年湖南發(fā)生了全省性的夏秋冬三季連旱,干旱持續(xù)時間長,受旱范圍廣,災(zāi)情以湘中、湘南和湘西地區(qū)最為嚴(yán)重;1963年湖南遭受特大干旱,夏秋連旱時間長,全省降水量偏少,受旱、成災(zāi)面積之大和糧食減產(chǎn)之多為歷年少見;根據(jù)氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)1966年為夏秋連旱的大旱年,但因受災(zāi)面積和成災(zāi)面積較小,農(nóng)業(yè)干旱標(biāo)準(zhǔn)則定為輕旱年。另外,歷史上其他影響范圍廣、持續(xù)時間長、災(zāi)害損失重大的干旱事件,如1972、1985、1991、2003、2009、2013年全省性干旱過程的綜合強(qiáng)度指數(shù)均排在前列,與《災(zāi)害大典》以及相關(guān)文獻(xiàn)中描述的重大干旱事件基本一致(表3)。以上分析表明,基于干旱綜合強(qiáng)度指數(shù)識別的湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件與觀測記錄的描述基本符合,表明該識別方法客觀科學(xué)。
表1 湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域氣象干旱 事件綜合強(qiáng)度指數(shù)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The grade classification standard of composite intensity index of persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan
表2 湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域極端與重度干旱事件特征統(tǒng)計Tab.2 Characteristics statistics of persistent regional extreme and severe drought events in summer and autumn in Hunan
表3 湖南較強(qiáng)干旱事件基本概況Tab.3 Basic information of heavier drought events in Hunan
1961—2017年,湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件平均每年出現(xiàn)1.4次,持續(xù)性區(qū)域干旱幾乎年年發(fā)生,僅1977、1993、2002、2015年未出現(xiàn)明顯的持續(xù)性區(qū)域干旱事件。持續(xù)性區(qū)域干旱事件以夏秋連旱為主,出現(xiàn)34次(占41.5%),其次是秋旱,出現(xiàn)26次(31.7%),夏旱出現(xiàn)最少為22次。6月開始的持續(xù)性區(qū)域干旱事件最多(占34.1%),其次是7月(占24.3%),其中7月28日至10月14日期間,每日發(fā)生持續(xù)性區(qū)域干旱事件的概率均超過60%,是持續(xù)性區(qū)域干旱事件的高發(fā)期(圖2)。
圖2 1961—2017年湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域 干旱事件的強(qiáng)度及持續(xù)時間年際變化Fig.2 Annual variation of intensity and duration of persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan during 1961-2017
湖南夏秋季全省性的持續(xù)性區(qū)域干旱過程多發(fā),影響超過60站次(超過全省2/3站點(diǎn))的干旱過程有39次,占全部干旱過程的47.6%,干旱過程影響站次最為集中的是81~88站次,有20次,其次是21~30站次,出現(xiàn)16次[圖3(a)]。持續(xù)性區(qū)域干旱事件的平均強(qiáng)度以0.61~0.70最多,出現(xiàn)25次(占30.5%),其次是0.71~0.80,出現(xiàn)13次,平均強(qiáng)度在1.0以上的干旱過程很少,僅出現(xiàn)4次[圖3(b)]。持續(xù)性區(qū)域干旱事件的持續(xù)時間主要集中在15~30 d之間(占31.7%),其次是81~90 d(占10.9%),持續(xù)時間超過150 d的干旱較少,只出現(xiàn)2次,其中1991年的夏秋連旱持續(xù)時間最長達(dá)183 d[圖3(c)]。按照MCI判別,湖南86.6%的夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件為輕度及以上干旱,表明本文定義的持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件的綜合強(qiáng)度指數(shù)與MCI有較好的一致性。
統(tǒng)計不同等級干旱事件評估指標(biāo)(表4)發(fā)現(xiàn),極端干旱的影響范圍覆蓋全省,平均持續(xù)時間為118 d,平均強(qiáng)度及累積強(qiáng)度都明顯高于其他等級;重度干旱也為全省性的,82%的重度干旱持續(xù)時間在110 d以上,平均持續(xù)時間為128 d,平均強(qiáng)度為0.89;較重干旱的平均影響站次為75站次,且所有過程的影響范圍均超過全省2/3的站點(diǎn),基本覆蓋全省,但平均強(qiáng)度為0.69;一般干旱的平均持續(xù)時間為33 d,72%的一般干旱持續(xù)時間在40 d以下,平均影響站次為38站次,平均累積強(qiáng)度較其他等級低一個量級,但平均強(qiáng)度達(dá)0.65,與較重干旱等級無明顯差異。
圖3 1961—2017年湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件發(fā)生站次(a)、 平均強(qiáng)度(b)及持續(xù)日數(shù)(c)的頻次分布Fig.3 Frequency distributions of occurrence station number (a), average intensity (b) and lasting days (c) of persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan during 1961-2017
表4 1961—2017年湖南不同等級夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件評估指標(biāo)統(tǒng)計Tab.4 The statistics of evaluation indexes of persistent regional drought events with different grades in summer and autumn in Hunan during 1961-2017
近57 a來,湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件的發(fā)生頻次、累積強(qiáng)度和累積綜合強(qiáng)度指數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢(圖4),累積影響站次和累積持續(xù)天數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(圖略),但均未通過α=0.1的顯著性檢驗(yàn)。
湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件的年代際特征明顯(表5),干旱事件發(fā)生頻次在20世紀(jì)60年代和80年代最多,各發(fā)生16次,其次是20世紀(jì)70年代,最少為21世紀(jì)00年代,發(fā)生12次;干旱累積強(qiáng)度在21世紀(jì)00年代最強(qiáng),其次是20世紀(jì)60年代,20世紀(jì)90年代最弱;干旱累積發(fā)生站次在20世紀(jì)80年代最多,其次是20世紀(jì)70年代,20世紀(jì)90年代最少;干旱累積持續(xù)天數(shù)在21世紀(jì)00年代最長,其次是20世紀(jì)80年代,20世紀(jì)90年代最少。結(jié)合圖2可見,湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件的發(fā)生頻次整體表現(xiàn)逐年代減少特征,21世紀(jì)00年代干旱頻次雖少,但因較重及以上干旱過程最多,干旱持續(xù)天數(shù)最長,致使干旱累積強(qiáng)度異常強(qiáng)。
圖4 1961—2017年湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件的發(fā)生頻次(a)、累積強(qiáng)度(b)、 累積綜合強(qiáng)度指數(shù)(c)年變化及趨勢Fig.4 Annual variation and trend of frequency (a), accumulative intensity (b) and accumulative composite intensity index (c) of persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan during 1961-2017
表5 1961—2017年湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件評估指標(biāo)的年代際變化Tab.5 Decadal variation of evaluation indexes of persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan during 1961-2017
從圖5看出,1961—2017年湖南各地夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件的累積發(fā)生次數(shù)均在42次以上,呈現(xiàn)北少南多的分布特征,湘中及以南地區(qū)均在50次以上,干旱較為頻發(fā)的區(qū)域位于衡陽、邵陽東南部、郴州和永州北部,干旱累積次數(shù)在55次以上;干旱事件的累積強(qiáng)度由西北向東南逐步增強(qiáng),湘西北區(qū)域干旱程度較輕,洞庭湖區(qū)、湘中和湘南大部干旱較重,特別是衡陽、永州中北部地區(qū),干旱程度最重。
圖5 湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱的累積頻次(a, 單位:次)和強(qiáng)度(b)空間分布Fig.5 The spatial distributions of accumulative frequency (a, Unit: times) and intensity (b) of persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan
根據(jù)夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件發(fā)生的平均中心位置,采用K均值聚類方法,將湖南干旱事件的空間分布可劃分為全省型、西北部型和南部型3種類型。其中,82次持續(xù)性區(qū)域干旱事件中,全省型的干旱事件最多,出現(xiàn)41次,且3次極端干旱和11次重度干旱事件均為全省型;其次是南部型干旱事件,出現(xiàn)28次,該類型均為一般干旱和較重干旱事件;西北型干旱事件相對較少,只出現(xiàn)13次,該類型事件強(qiáng)度較弱,基本為一般干旱事件(表6)。結(jié)合圖6看出,全省型的干旱事件平均持續(xù)時間為86 d,平均影響站次為71站次,平均強(qiáng)度為0.76,湘西北和湘東南地區(qū)的干旱程度略輕,其他地方干旱程度較重,以洞庭湖區(qū)和衡邵地區(qū)最重;南部型的干旱事件平均持續(xù)時間為46 d,平均影響站次為48站次,平均強(qiáng)度為0.66,干旱程度較重的地方主要分布在湘南;西北部型的干旱事件平均持續(xù)時間為32 d,平均影響站次為35站次,平均強(qiáng)度為0.62,干旱程度較重的地方主要分布在湘西北和湘北北部。
表6 1961—2017年湖南夏秋季3種空間分布型的持續(xù)性區(qū)域干旱事件統(tǒng)計Tab.6 Characteristics of three spatial distribution patterns of persistent regional drought events in summer and autumn in Hunan during 1961-2017
圖6 湖南夏秋季不同分布型的持續(xù)性區(qū)域干旱事件累積強(qiáng)度空間分布 (紅點(diǎn)表示各分布型干旱事件發(fā)生的平均中心位置) (a)全省型,(b)南部型,(c)西北型Fig.6 The spatial distribution of accumulative intensity of persistent regional drought events with different distribution patterns in summer and autumn in Hunan (Red dots indicate the average central location occurring drought events with different distribution patterns) (a) the whole province pattern, (b) southern pattern, (c) northwestern pattern
(1)基于逐日氣象干旱綜合指數(shù)和持續(xù)性區(qū)域干旱事件識別方法,客觀識別出1961—2017年湖南共出現(xiàn)82次夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件,其中極端干旱事件3次,重度干旱事件11次,較重干旱事件22次,一般干旱事件46次,識別結(jié)果符合實(shí)際,與湖南災(zāi)害大典及相關(guān)文獻(xiàn)較一致。
(2)1961—2017年,湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件平均每年出現(xiàn)1.4次,干旱事件發(fā)生頻次、累積強(qiáng)度、累積影響站次、累積持續(xù)天數(shù)和累積綜合強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢均不顯著,但年代際差異明顯,干旱頻次整體表現(xiàn)為逐年代減少特征,盡管21世紀(jì)00年代干旱頻次雖少,但較重及以上干旱過程最多,使得干旱累積強(qiáng)度最大、持續(xù)天數(shù)最多、影響站次也較多,而20世紀(jì)90年代干旱累積強(qiáng)度相對偏弱、影響站次偏少、持續(xù)天數(shù)偏少。
(3)湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱多為全省性的,且以夏秋連旱為主,6月開始的干旱事件最多,7月28日至10月14日是高發(fā)時段。干旱持續(xù)時間主要集中在15~30 d,其次是81~90 d,持續(xù)時間超過150 d的干旱較少。
(4)湖南較重及以上強(qiáng)度的夏秋持續(xù)性區(qū)域干旱的影響范圍基本覆蓋全省,過程持續(xù)時間多在90 d以上;一般干旱通常為局部過程,持續(xù)時間多在40 d以下。較重干旱的持續(xù)時間和影響范圍明顯多于一般干旱,但2類干旱的平均強(qiáng)度無明顯差異。
(5)湖南夏秋季持續(xù)性區(qū)域干旱事件呈北少南多的分布特征,衡陽、邵陽東南部、郴州和永州北部發(fā)生次數(shù)最多;累積強(qiáng)度由西北向東南逐步增強(qiáng),湘西北區(qū)域干旱程度較輕,洞庭湖區(qū)、湘中和湘南大部干旱程度較重。根據(jù)干旱事件發(fā)生的平均中心位置,干旱空間分布形態(tài)主要表現(xiàn)為全省型、西北部型和南部型,全省型的干旱事件頻次最多、影響范圍最廣、持續(xù)時間最長、平均強(qiáng)度最大,以洞庭湖區(qū)和衡邵地區(qū)干旱程度最重,其中極端和重度干旱事件均為全省型。
本文構(gòu)建的持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件綜合強(qiáng)度指數(shù)能夠全面、客觀、定量地表征干旱過程的累積效應(yīng)、極端性以及區(qū)域性特征,可用于干旱事件的監(jiān)測預(yù)警。然而,干旱的形成與演變過程不僅包含復(fù)雜的動力學(xué)天氣氣候過程,還涉及農(nóng)業(yè)、水文、生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)等多個領(lǐng)域,而持續(xù)性區(qū)域氣象干旱事件綜合強(qiáng)度指數(shù)基于氣象干旱指標(biāo)構(gòu)建,識別的干旱過程往往與實(shí)際干旱的強(qiáng)度、影響范圍等存在一定差異,今后還需進(jìn)一步加強(qiáng)干旱形成及演變過程的機(jī)理分析,通過引入農(nóng)業(yè)、水文等方面影響因子,從而使干旱綜合強(qiáng)度指數(shù)監(jiān)測結(jié)果與實(shí)況更吻合,以滿足防災(zāi)減災(zāi)中精細(xì)精準(zhǔn)服務(wù)的需求。