杜曉霞，涂新軍，謝育廷，王 天

(1.廣東省水文局湛江水文分局，廣東 湛江 524037；2.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275)

干旱通常是由于區(qū)域長期降雨偏少、來水不足導(dǎo)致的水分收支或供求失衡的極端氣象事件[1]，在全球氣候變暖背景下，以干旱、洪澇為主的極端事件頻發(fā)，且影響歷時、波及范圍呈增長趨勢[2-3]，對自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生產(chǎn)生活、社會經(jīng)濟發(fā)展造成嚴重影響。 干旱按照定義一般可分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟干旱等4 種類型[4-5]，對應(yīng)的干旱指數(shù)可用于定量評估區(qū)域干旱特征，根據(jù)水分虧缺程度常被劃分為無旱、輕旱、中旱、重旱及極旱5 個等級[6]。 其中，氣象干旱是所有類型干旱發(fā)生的唯一外在驅(qū)動力，也是發(fā)生源頭，因此，研究氣象干旱是十分必要的。 當(dāng)前，國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的氣象干旱指數(shù)有:氣象干旱綜合指數(shù)[7]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)[8-9]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)[10-11]、帕爾默干旱指數(shù)[12]等。 而干旱指數(shù)等級的變化可用于不同干旱類型之間的特征傳遞描述[13]，利用干旱指數(shù)在特定時空尺度對區(qū)域旱情進行有效風(fēng)險監(jiān)測評估，是抗旱減災(zāi)管理的重要手段[14]。

經(jīng)過不斷探索，對干旱研究從初期的統(tǒng)計及特性描述、成因分析、影響及響應(yīng)對策研究[15-17]，逐漸發(fā)展到使用干旱指數(shù)及相關(guān)計算工具評估干旱起止時段和強度以作進一步的干濕時空變化特征研究、風(fēng)險分析等[18-20]，上述文獻更多使用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)進行干旱評估，僅考慮了降水資料，未考慮溫度、蒸散量等因素[21]，而對于常年溫度較高，蒸散量大的地區(qū)，利用SPI描述并不準(zhǔn)確。 因此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)將降水與溫度因子相結(jié)合進行干濕變化的表征，系統(tǒng)地考慮了水循環(huán)的環(huán)境，有較強的適用性[22]，結(jié)合游程理論進行干旱事件識別，利用反距離插值等方法反演雷州半島地區(qū)近50 年來的干旱歷時和干旱烈度的時空變化規(guī)律，以期為當(dāng)?shù)氐母珊禍p災(zāi)決策及氣候變化研究提供依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

雷州半島位于低緯度地區(qū):東經(jīng)109°31′～110°55′，北緯20°12′～21°35′，雖屬濕潤氣候區(qū)，年降水比較充沛，年均降雨量1 400 ～1 700 mm，但受季風(fēng)氣候及地理、地質(zhì)條件等因素影響，降水時空分布極不均勻，且區(qū)域內(nèi)河流大多淺短、獨立入海，過境水資源常以汛期供水方式出現(xiàn)，現(xiàn)有水利工程蓄水調(diào)節(jié)能力低[23]，深受水資源短缺的困擾[24]；此外，雷州半島太陽輻射強，常年氣溫較高，年平均氣溫達23.5℃，致使蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量達1 700 mm或以上[25]，蒸發(fā)量大于降雨量使得區(qū)域氣候偏于干旱，區(qū)域水資源收支易失衡，是廣東省干旱災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的區(qū)域。 研究區(qū)范圍及測站分布情況見圖1。

圖1 研究區(qū)范圍及站點分布

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為研究區(qū)范圍內(nèi)12 個站點1970—2019 年逐月降雨量及逐月平均氣溫系列，其中月降水量數(shù)據(jù)來源于湛江水文分局，氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，利用泰森多邊形法轉(zhuǎn)換成研究區(qū)的面降雨量系列和面氣溫系列，見圖2。

圖2 降水量與氣溫實測系列

1.2 研究方法

a)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是用于表征某時段降水量與蒸散量之差出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)[26]，該指標(biāo)既考慮了蒸散對溫度敏感的特點，又具備適合多尺度、多空間比較以及準(zhǔn)確性高等優(yōu)點，是全球變暖背景下研究干旱的理想指數(shù)[27]。 其計算原理是:首先基于Thornthwaite法計算單位時間的潛在蒸散量，然后計算單位時間潛在蒸散量與實測降雨量之間差值，根據(jù)研究需要建立不同時間尺度的水分盈/虧累積系列，最后對數(shù)據(jù)系列進行正態(tài)化處理，得出每個數(shù)值對應(yīng)的SPEI指數(shù)[28]，其干旱等級劃分見表1，月尺度的SPEI-1計算結(jié)果見圖3。 具體計算過程見GB/T 20481—2017《氣象干旱等級》[26]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)干旱等級劃分

圖3 SPEI-1 指數(shù)系列

b)干旱事件的識別。 本次研究采用游程理論對干旱事件進行識別。 根據(jù)游程理論，給定一個截取水平X0(X0=SPEI對應(yīng)的干旱等級邊界值)來截取隨時間而變化的SPEI數(shù)值系列x(i)(i=1，2，3…，n)，當(dāng)x(i)在一個或多個時間內(nèi)連續(xù)大于截取水平，則出現(xiàn)正游程，反之出現(xiàn)負游程，在干旱研究中，負游程的長度則為干旱歷時D，干旱歷時與截取水平包含的面積則為干旱烈度S[29]。

其中對于間隔為1 個時段的2 次相鄰干旱過程(圖4 中b、c)，若間隔期的干旱指標(biāo)小于0，則這2次相鄰干旱可被視為1 次干旱過程，否則為2 次獨立干旱過程，合并后的干旱歷時D=Db+Dc+1，烈度S=Sb+Sc，按上述規(guī)則可得圖4 共有2 次干旱過程，即a和b+c[30]。

圖4 干旱時間識別過程示意

2 結(jié)果分析

2.1 干旱歷時與干旱烈度的時間分布特征

基于雷州半島境內(nèi)12 個站點的12 個月尺度SPEI數(shù)據(jù)，計算1970—2019 年雷州半島年尺度SPEI-12 指數(shù)，其年際變化過程見圖5，1970—2019年雷州半島的年平均SPEI指數(shù)在0 軸上下±2 范圍波動，在波動中呈逐漸下降趨勢；將近50 年厄爾尼諾-南方濤動[31]事件(ENSO) 按照相關(guān)研究[32-33]分為冷事件和暖事件并對其影響時間進行統(tǒng)計(表2)，結(jié)合年尺度SPEI指數(shù)及其5 年滑動平均值分析發(fā)現(xiàn)，在ENSO冷事件年SPEI指數(shù)相對偏大、旱情相對緩和或水量偏豐，而在暖事件年SPEI指數(shù)相對偏小、旱情凸顯；此外年尺度SPEI指數(shù)5年滑動平均值在近50 年的時間尺度上呈現(xiàn)以約10年為一個周期的波動特征，結(jié)合圖5 和表2 可知SPEI指數(shù)五年滑動平均值多在ENSO冷事件向暖事件轉(zhuǎn)變年份前后達到峰值，隨后呈下降趨勢，并在暖事件向下一次冷事件轉(zhuǎn)變節(jié)點前后達到谷值，可見ENSO事件對雷州半島干旱情況影響明顯。

圖5 SPEI-12 指數(shù)年際變化

表2 1970—2019 年ENSO冷暖事件及其影響時間統(tǒng)計

統(tǒng)計1970—2019 年雷州半島的年干旱歷時和年均干旱烈度見圖6。 雷州半島近50 年來發(fā)生干旱較為頻繁，僅有2 年干旱歷時為0 即無旱情發(fā)生，年干旱歷時和年均干旱烈度在時間維度上的變化趨于一致，發(fā)生嚴重干旱的年份其干旱歷時較長，同時干旱烈度也較大，高烈度短歷時、低烈度長歷時的干旱情況為主導(dǎo)，高烈度長歷時的嚴重旱情在近20 年發(fā)生頻率有所提升。 基于SPEI指數(shù)識別的雷州半島年干旱歷時時長大多集中在1 ～4 個月，最長為6個月，發(fā)生在2015 年，同時也是干旱烈度最大的年份，根據(jù)相關(guān)材料記載[34]，該年份為大旱之年，受旱時間為2 月初至8 月底，識別結(jié)果與實際發(fā)生較為一致，年干旱歷時在4 個月以上年份對應(yīng)的干旱歷時與烈度見表3。

表3 年干旱歷時4 個月以上年份對應(yīng)的干旱歷時與烈度

圖6 干旱歷時和年均干旱烈度的時間系列

續(xù)圖6 干旱歷時和年均干旱烈度的時間系列

根據(jù)游程理論識別干旱事件，統(tǒng)計單次干旱事件的歷時及烈度，平均每次干旱歷時1.7 個月，選取Gamma型分布函數(shù)作為雷州半島干旱烈度分布函數(shù)，選取其均值1.7 為系列截取水平，運用適線法得出雷州半島干旱烈度分布曲線(圖7)，可知雷州半島發(fā)生干旱災(zāi)害的烈度頻率，干旱烈度越大發(fā)生概率越小。 其中，5%頻率下對應(yīng)的干旱烈度為4.42，2%頻率下對應(yīng)的干旱烈度為6.07，1%頻率下對應(yīng)的雷州半島百年一遇的干旱烈度為7.37，根據(jù)表2數(shù)據(jù)可得，上述單次干旱歷時4 個月以上的年份中單次干旱烈度均超過20 年一遇。

圖7 干旱烈度頻率分布曲線

2.2 干旱歷時與干旱烈度的空間分布特征

根據(jù)已計算各站點的干旱頻次、次均干旱烈度及歷時，采用反距離權(quán)重插值法繪制雷州半島地區(qū)近50 年干旱的總頻次、次均干旱烈度及歷時的空間分布(圖8)，從干旱情況的空間分布圖可以看出:①1970—2019 年雷州半島各站點發(fā)生干旱次數(shù)在76 ～111 次之間，即各站點平均每年發(fā)生1 ～2 次干旱，中部以南地區(qū)干旱頻次明顯高于東北部地區(qū)；②次均干旱烈度范圍為1.48 ～3.80，在空間上呈現(xiàn)東北部地區(qū)向西南部地區(qū)逐漸增強的規(guī)律；③各站點次均歷時在1.3 ～2.83 月/次，空間分布上與次均烈度的分布規(guī)律相近。

圖8 干旱情況空間分布

干旱情況在空間上呈現(xiàn)自北向南逐漸增強的分布態(tài)勢:其中雷州半島南部的徐聞縣旱情最為突出，表現(xiàn)為頻次高、次均烈度大、歷時長等干旱特征；雷州市中南部次之；雷州半島北部地區(qū)即雷州市北部、遂溪縣及湛江市區(qū)，干旱特征則表現(xiàn)為頻次較少、烈度較小、歷時也相對較短，東北部地區(qū)受干旱影響困擾程度較輕。

參照SPEI指數(shù)干旱等級(表1)，定義干旱頻率包括中旱、重旱和極旱發(fā)生的頻率，重旱頻率包括重旱和極旱頻率，極旱頻率則單獨為極旱，統(tǒng)計各站點干旱頻率在5% ～15%，重旱頻率在4% ～16%，發(fā)生極旱頻率在3%～23%。 雷州半島各地市發(fā)生中旱及以上、重旱及以上和極旱頻率的空間占比分布見圖9，不同等級的干旱頻率空間分布極為相近，空間上雷州半島中南部(雷州市南部和徐聞縣)和東北部地區(qū)(遂溪縣東南部和湛江市區(qū))發(fā)生中旱及以上干旱的頻率高于中北部地區(qū)(遂溪縣南部和雷州市北部)。 結(jié)合圖8 可知，雷州半島南部發(fā)生氣象干旱頻次更多，干旱災(zāi)害影響也更為嚴重；中部地區(qū)發(fā)生干旱的頻次及嚴重程度均次于南部地區(qū)；而東北部地區(qū)雖然發(fā)生氣象干旱頻次相對較少但發(fā)生較嚴重干旱的頻率相對較高；雷州半島地勢及氣候降雨的是影響旱情空間差異的主導(dǎo)因素。

圖9 雷州半島不同干旱頻率空間分布

2.3 各季節(jié)干旱的時空分布特征

a)各季節(jié)干旱的時間分布特征。 根據(jù)雷州半島的氣候特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣，劃分春旱發(fā)生時間為3—5 月(前汛期)，夏旱為6—8 月(主汛期)，秋旱為9—11 月(后汛期)和冬旱為12 月至來年2 月份(非汛期)。 結(jié)合1970—2019 年雷州半島四季干旱時SPEI指數(shù)變化情況及不同干旱類型統(tǒng)計(圖10a)，雷州半島春冬季節(jié)發(fā)生干旱頻次高于夏秋兩季，統(tǒng)計近50 年秋冬旱情各發(fā)生15 次，春夏干旱各12 次；其中春季多以中度以上干旱影響為主，冬季以輕旱為主；夏秋兩季偶有旱情發(fā)生，頻率較低，但由于夏秋兩季溫度較高潛在蒸散發(fā)影響大，一旦發(fā)生干旱其影響等級亦多為中旱或以上。 分析季節(jié)干旱時間特征其原因主要是該區(qū)域汛期與非汛期降雨量差異較大，10 月中后旬至來年4 月降雨明顯減少，導(dǎo)致春冬季干旱易發(fā)。

圖10 不同季節(jié)的干旱發(fā)生情況

續(xù)圖10 不同季節(jié)的干旱發(fā)生情況

b)各季節(jié)干旱的空間分布特征。 雷州半島特殊的地理環(huán)境決定了不同地區(qū)干旱季節(jié)特征的差異，突出表現(xiàn)為降水的時空分布不均，為便于研究雷州半島不同季節(jié)干旱情況的空間分布特征，繪制了雷州半島近50 年來各季節(jié)干旱歷時空間分布，見圖11。 1970—2019 年，雷州半島各縣市不同季節(jié)平均干旱歷時存在較大差異: 春、夏、秋、冬各季節(jié)平均干旱歷時分別在0.3 ～2.0、0.4 ～1.3、0.8 ～1.3、0.2 ～0.8 個月，可見春夏兩季平均干旱歷時站點差異較大，秋旱平均歷時總體較長，其中春夏兩季雷州半島東北部和中南部地區(qū)旱情影響較為突出、秋旱則在中北部地區(qū)較為嚴重、冬旱嚴重影響區(qū)域為中南部。

圖11 雷州半島各季節(jié)干旱歷時空間分布

根據(jù)季節(jié)旱情空間分布將雷州半島從北到南劃分為4 個區(qū)域:①東北部地區(qū)(遂溪縣北部、湛江市區(qū))夏旱平均歷時較長，春冬季次之，秋旱的歷時較短；②中北部地區(qū)(遂溪縣南部、雷州市北部)秋旱影響突出，其他三季旱情影響時間較短；③中南部地區(qū)(雷州市中部)秋旱歷時較短，其余三季干旱影響較嚴重；④南部地區(qū)(雷州市南部及徐聞縣)四季干旱歷時均較長。

3 結(jié)論

本文基于SPEI指數(shù)對干旱的評估及游程理論對干旱事件的識別，進而分析了近50 年來雷州半島干旱歷時和干旱烈度的時空分布特征，得出以下結(jié)論。

a)雷州半島近50 年來的12 月尺度SPEI指數(shù)在波動中呈逐漸下降趨勢，且SPEI值的波動與ENSO影響相關(guān)，近50 年的SPEI五年滑動平均值呈現(xiàn)以約10 年為一個周期的波動特征，并表現(xiàn)為在ENSO冷事件年SPEI指數(shù)相對偏大，相反在暖事件年SPEI指數(shù)偏小，旱情凸顯。

b)干旱歷時和干旱烈度在時間維度上的變化趨于一致，發(fā)生嚴重干旱的年份其干旱歷時較長，同時干旱烈度也較大，采用適線法得出雷州半島干旱烈度分布曲線可知發(fā)生干旱災(zāi)害的干旱烈度越大概率越小。

c)干旱總體情況地域差異較大，干旱頻次、次均烈度高低及歷時長短，在空間上均呈現(xiàn)為東北部地區(qū)向西南部地區(qū)逐漸加強的趨勢。

d)中旱、重旱和極旱發(fā)生的頻率地域差異總體表現(xiàn)為:雷州半島中南部和東北部地區(qū)發(fā)生中旱及以上干旱的頻率高于中北部地區(qū)。

e)根據(jù)不同季節(jié)旱情統(tǒng)計，春冬季干旱易發(fā)，其中春旱多為中旱或以上旱情影響，冬旱多為輕旱影響；空間上春夏兩季雷州半島東北部和中南部地區(qū)旱情影響較為突出、秋旱則在中北部地區(qū)較為嚴重、冬旱嚴重影響區(qū)域為中南部。