楊歆雨 張容焱 潘 航 高詩(shī)妍 于 晨 鮑瑞娟

1 福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350007 2 福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，福州 350007 3 福建省氣候中心，福州 350007

提 要： 21世紀(jì)以來(lái)，福建省出現(xiàn)多次嚴(yán)重或較嚴(yán)重的干旱事件，尤其近年來(lái)干旱呈現(xiàn)多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢(shì)，干旱災(zāi)害仍然是福建防災(zāi)減災(zāi)的重要內(nèi)容之一。根據(jù)福建省66個(gè)國(guó)家氣象站1961年1月至2020年12月的逐日氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)，參照本地算法及《區(qū)域性干旱過(guò)程監(jiān)測(cè)評(píng)估方法》，識(shí)別全省區(qū)域及66個(gè)氣象站的干旱過(guò)程，并通過(guò)Copula函數(shù)，揭示福建干旱過(guò)程變化規(guī)律和重現(xiàn)期特征。結(jié)果表明：福建干旱歷時(shí)和強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致；干旱過(guò)程多為單季干旱和兩季連旱，兩季連旱主要為夏秋旱和秋冬旱，三季連旱僅出現(xiàn)過(guò)夏秋冬連旱；大部分干旱過(guò)程存在1～3 a的重現(xiàn)周期，嚴(yán)重干旱過(guò)程較少；超50年一遇的干旱過(guò)程是1967年和2003年的夏秋冬三季連旱；重現(xiàn)期較短的干旱，中南部沿海一帶干旱歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)，由此往北逐漸縮短和減弱；重現(xiàn)期長(zhǎng)的干旱，中南部沿海一帶仍然是干旱歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)區(qū)域，但北部?jī)?nèi)陸山區(qū)同時(shí)出現(xiàn)了干旱歷時(shí)較長(zhǎng)、強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域；60年來(lái)，除9年無(wú)旱，18年局部區(qū)域干旱重現(xiàn)期達(dá)100年以上外，其余33年干旱重現(xiàn)期均未超過(guò)50年。

引 言

全球變暖加劇了氣候系統(tǒng)能量和水分循環(huán)相互作用的變化，水分平衡變化導(dǎo)致極端旱澇事件頻發(fā)(張霞等，2018；倪深海等，2019)。干旱是最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，由于其影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、出現(xiàn)頻率高，常常給人類生產(chǎn)、生活帶來(lái)巨大的損失(金燕等，2018；張強(qiáng)等，2020)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，氣象災(zāi)害引起的損失在各類自然災(zāi)害造成的總損失中約占85%，而干旱災(zāi)害又占?xì)庀鬄?zāi)害的50%左右。中國(guó)是干旱災(zāi)害發(fā)生頻率最高且影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，旱澇格局呈現(xiàn)為北方易受旱災(zāi)影響、南方旱澇并發(fā)的特征(馬柱國(guó)等，2018)，大范圍的干旱災(zāi)害連年發(fā)生，農(nóng)作物每年平均受旱面積為2.09×107hm2，最高年份達(dá)4.05×107hm2，平均干旱成災(zāi)面積為8.87×106hm2，最高年份達(dá)2.68×107hm2。每年造成的糧食減產(chǎn)從數(shù)百萬(wàn)噸到3000多萬(wàn)噸，干旱的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)每年440億元(Su et al，2018)。干旱是個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的過(guò)程，根據(jù)不同的研究目標(biāo)選擇適宜的干旱指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)、評(píng)估旱情的發(fā)生、發(fā)展和變化情況，才能更好地為水資源的合理利用和科學(xué)抗旱提供依據(jù)(Obasi，1994；謝五三等，2019；左冰潔和孫玉軍，2019；楊歆雨和李棟梁，2019；張強(qiáng)等，2021)?？紤]實(shí)際業(yè)務(wù)需求，2012年國(guó)家氣候中心在業(yè)務(wù)中推行了改進(jìn)的氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)，是綜合考慮前期不同時(shí)間段降水和蒸散對(duì)當(dāng)前干旱的影響而構(gòu)建的一種單站干旱指數(shù)(楊帆等，2015；廖要明和張存杰，2017；王素萍等，2020)，并發(fā)現(xiàn)MCI指數(shù)對(duì)干旱過(guò)程的刻畫效果最好(王榮江等，2021；謝五三等，2021)。

對(duì)于干旱事件需要多個(gè)干旱特征量來(lái)表征，如干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度、強(qiáng)度峰值和干旱空間范圍等，目前對(duì)干旱的描述多側(cè)重于干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度兩個(gè)方面，中國(guó)氣象局(2021)發(fā)布的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱“行標(biāo)”)中規(guī)定了區(qū)域性干旱過(guò)程的確定方法、評(píng)估指標(biāo)和等級(jí)劃分，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)可以識(shí)別單站和區(qū)域干旱過(guò)程的歷時(shí)和強(qiáng)度。另外，用于評(píng)價(jià)氣候事件嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)——重現(xiàn)期，也備受人們的關(guān)注。近年來(lái)，學(xué)者們使用全歷時(shí)重現(xiàn)期方法(馮國(guó)章，1995)、多元平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程游程分析(張學(xué)成等，1996)、模糊聚類分析(朱廷舉和胡和平，2001)、馬爾科夫鏈模型(孫鵬等，2014)等方法對(duì)重現(xiàn)期進(jìn)行研究，但是不同的干旱變量(如：干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度)往往是用不同的分布函數(shù)進(jìn)行擬合的，使得利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法建立多變量模型變得困難。Sklar(1959)提出的Copula作為一種聯(lián)合函數(shù)近年來(lái)被廣泛地引入到水文干旱、氣象干旱等研究中。Copula函數(shù)能較好地對(duì)干旱問(wèn)題中的多特征量進(jìn)行多元擬合，并對(duì)多變量系統(tǒng)進(jìn)行條件概率和重現(xiàn)期分析。許多研究也表明，游程理論和Copula函數(shù)的聯(lián)合應(yīng)用能夠?yàn)槎嘧兞扛珊堤卣鞣治鎏峁┯行У难芯客緩?徐春曉等，2011；周玉良等，2011)，擬合得到的干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度的聯(lián)合概率分布，其計(jì)算的重現(xiàn)期與實(shí)際受旱狀況相符(李天水等，2016)。

福建地理位置特殊，天氣氣候復(fù)雜，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，雖然地處中國(guó)東南沿海，降水充沛，但由于降水量年際間和季節(jié)間的不均勻性以及季內(nèi)分布的脈沖性，使季節(jié)性連旱發(fā)生頻繁，干旱季節(jié)性、區(qū)域性很強(qiáng)(陳家金等，2006)。21世紀(jì)以來(lái)，福建省出現(xiàn)多次嚴(yán)重或較嚴(yán)重的干旱事件，尤其近年來(lái)干旱呈現(xiàn)多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢(shì)：2003年，發(fā)生自1939年以來(lái)最嚴(yán)重的夏秋冬連旱，全省農(nóng)作物受旱面積達(dá)17.50萬(wàn)hm2，361個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)187萬(wàn)人出現(xiàn)飲水困難；2018年，發(fā)生春夏連旱，糧食作物受災(zāi)較重，特別是對(duì)早稻播種和秧苗生長(zhǎng)不利，部分地區(qū)早稻改種旱地作物；2019年，發(fā)生秋冬連旱，導(dǎo)致水稻、玉米、薏米、錐栗、茶葉等減產(chǎn)，全省13.42萬(wàn)人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積為1.753萬(wàn)hm2，絕收面積為0.11萬(wàn)hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.52億元；2020年，發(fā)生夏秋連旱和冬旱，福州、寧德等地出現(xiàn)明顯人飲水困難和工業(yè)用水緊張情況?？梢?jiàn)，干旱災(zāi)害已成為福建防災(zāi)減災(zāi)的重要內(nèi)容之一。

回顧已有的工作發(fā)現(xiàn)，前人通過(guò)日雨量≤2 mm連續(xù)日數(shù)(連旱日數(shù))統(tǒng)計(jì)，對(duì)福建干旱氣候態(tài)已有足夠的認(rèn)識(shí)，但由于連旱日數(shù)不屬于隨機(jī)變量，無(wú)法開(kāi)展重現(xiàn)期的研究。另外，張容焱等(2019)分析改進(jìn)的MCI指數(shù)在福建的適應(yīng)性，認(rèn)為該指數(shù)適用于福建干旱事件的研究，構(gòu)建了適合福建的氣象干旱過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)警和強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)(以下簡(jiǎn)稱“本地算法”)，并開(kāi)展了業(yè)務(wù)應(yīng)用。本文根據(jù)“行標(biāo)”及MCI指數(shù)的干旱等級(jí)(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2017)，識(shí)別1961年1月至2020年12月福建省各站點(diǎn)的干旱過(guò)程和全省干旱過(guò)程。但是在研究中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)“行標(biāo)”規(guī)定方法，用66個(gè)站的MCI均值來(lái)表征全省區(qū)域的MCI值，識(shí)別出來(lái)的干旱過(guò)程與《中國(guó)氣象災(zāi)害大典福建卷》(溫克剛等，2007)及《福建水旱災(zāi)害》(福建省人民政府防汛抗旱指揮部辦公室，2018)中記載的歷史過(guò)程存在一定差距，而“本地算法”建立的全省MCI綜合指數(shù)序列，識(shí)別出來(lái)的干旱過(guò)程更加接近歷史過(guò)程，因此本文在研究全省區(qū)域干旱時(shí)使用“本地算法”，并進(jìn)行重現(xiàn)期特征研究，以期對(duì)福建干旱風(fēng)險(xiǎn)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

根據(jù)GB/T 20481—2017氣象干旱等級(jí)(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2017)干旱綜合指數(shù)計(jì)算方法，利用福建省66個(gè)國(guó)家氣象站，1961年1月至2020年12月逐日氣溫、降水等數(shù)據(jù)，計(jì)算逐日MCI指數(shù)，并劃分逐日干旱等級(jí)。

1.2 方法介紹

1.2.1 干旱過(guò)程的確定

(1)單站干旱過(guò)程

根據(jù)單站逐日MCI指數(shù)，采用“行標(biāo)”中單站干旱過(guò)程監(jiān)測(cè)方法，計(jì)算單站干旱歷時(shí)、干旱累計(jì)強(qiáng)度和干旱過(guò)程強(qiáng)度：當(dāng)單站(區(qū)域)日干旱強(qiáng)度達(dá)輕旱及以上等級(jí)，且連續(xù)15天及以上，至少有1天干旱強(qiáng)度達(dá)中旱及以上等級(jí)，則發(fā)生一次單站干旱過(guò)程。單站干旱時(shí)段內(nèi)第一次出現(xiàn)輕旱的日期，為干旱開(kāi)始日；干旱過(guò)程發(fā)生后，但出現(xiàn)連續(xù)5天干旱等級(jí)為無(wú)旱時(shí)，則單站干旱過(guò)程結(jié)束，干旱過(guò)程結(jié)束前最后一天氣象干旱等級(jí)達(dá)輕旱及以上的日期為結(jié)束日。開(kāi)始到結(jié)束日(含結(jié)束日)的總天數(shù)為干旱過(guò)程持續(xù)日數(shù)，即干旱歷時(shí)。

累積干旱過(guò)程強(qiáng)度是干旱指數(shù)強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間的綜合，而：

(1)

式中：D(n)為累積干旱強(qiáng)度，n為干旱過(guò)程日數(shù)，Id(i)為干旱過(guò)程內(nèi)第i天的單站日干旱強(qiáng)度絕對(duì)值，a為權(quán)重系數(shù)，一般取0.5～1.0，推薦取0.5。

通過(guò)滑動(dòng)單站干旱過(guò)程內(nèi)持續(xù)干旱天數(shù)計(jì)算單站累積干旱強(qiáng)度，取單站干旱過(guò)程內(nèi)最強(qiáng)累積干旱強(qiáng)度作為單站干旱過(guò)程強(qiáng)度，而：

Z=MAXk=1,m{MAXn=1,k[D(n)]}

(2)

式中:m為干旱過(guò)程總天數(shù)，n為干旱過(guò)程內(nèi)干旱持續(xù)天數(shù)1≤n≤m；D(n)為單站累積干旱強(qiáng)度；MAXn=1,k()為通過(guò)不斷滑動(dòng)單站干旱過(guò)程內(nèi)持續(xù)天數(shù)n，比較尋找n=1,2,…,k天的最大單站累積干旱強(qiáng)度；MAXk=1,m()為通過(guò)不斷滑動(dòng)單站干旱過(guò)程內(nèi)干旱日k(1≤k≤m)，比較尋找包含第k天的最大累積干旱強(qiáng)度。

(2)區(qū)域干旱過(guò)程

采用“本地算法”，建立全省區(qū)域MCI綜合指數(shù)序列，分析區(qū)域干旱等級(jí)和過(guò)程判斷指標(biāo)，具體定義和算法等詳見(jiàn)張容焱等(2019)。

(3)干旱過(guò)程命名規(guī)則

干旱過(guò)程嚴(yán)格按照福建氣候季節(jié)命名，以3—6月為春旱，7—9月為夏旱，10—11月為秋旱，12月至翌年2月為冬旱，冬旱年份命名以12月的年份為冬旱年。

跨季節(jié)連旱年份命名規(guī)則：以起始一季干旱的年份命名。如：秋冬連旱時(shí)間雖然跨入新年，年份命名為上一年的秋冬旱，冬春連旱也命名為上一年的冬春旱。

1.2.2 Copula函數(shù)

當(dāng)選用干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度兩個(gè)干旱特征變量共同來(lái)描述干旱過(guò)程時(shí)，則需要解析兩者之間的聯(lián)系，即計(jì)算它們的聯(lián)合概率分布函數(shù)。目前，應(yīng)用較廣泛的是Archimedean Copula函數(shù)族(Shiau and Modarres，2009)。利用樣本經(jīng)驗(yàn)概率和Copula函數(shù)聯(lián)合概率的離差平方和最小可選取最優(yōu)Copula函數(shù)。本文選取Gumbel Copula函數(shù)來(lái)模擬干旱強(qiáng)度和干旱歷時(shí)的依存關(guān)系。

1.2.3 邊緣分布函數(shù)

干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度分別服從指數(shù)分布和Gamma分布，其模型參數(shù)可用極大似然估計(jì)法得到。干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度的聯(lián)合分布函數(shù)和聯(lián)合超越概率的計(jì)算方法詳見(jiàn)楊歆雨和李棟梁(2019)。

1.2.4 重現(xiàn)期確定

重現(xiàn)期是用于評(píng)價(jià)氣候事件嚴(yán)重程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，近年來(lái)也受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。干旱重現(xiàn)期定義為在一定年代的資料統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)，大于或等于某干旱持續(xù)時(shí)間(或強(qiáng)度)的干旱出現(xiàn)一次的平均間隔時(shí)間，通俗的來(lái)講就是這么嚴(yán)重的干旱，多少年出現(xiàn)一次。Shiau and Shen(2001)推導(dǎo)出了干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度單變量重現(xiàn)期公式，但在干旱特征的分析中往往需考慮多個(gè)干旱特征量來(lái)分析干旱的重現(xiàn)期，因此本文引入干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度的聯(lián)合屬性。Shiau(2006)提出基于Copula函數(shù)的干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度聯(lián)合分布的重現(xiàn)期可以分為兩種情況：干旱歷時(shí)或干旱強(qiáng)度其中一個(gè)達(dá)到某一閾值，干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到某一閾值。本文主要分析干旱的聯(lián)合重現(xiàn)期，即第一種情況，其計(jì)算公式如下：

TDS=E(L)/[1-FDS(d,s)]

(3)

式中:TDS為干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度的聯(lián)合重現(xiàn)期，E(L)為干旱間隔的數(shù)學(xué)期望值，F(xiàn)DS(d,s)為干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度的聯(lián)合分布函數(shù)。另外，對(duì)于建立好的Copula函數(shù)，其邊際函數(shù)概率分布值的不同組合可能產(chǎn)生相同的累計(jì)概率，在干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，往往對(duì)隨機(jī)事件的超臨界狀態(tài)更感興趣，因此引進(jìn)第二重現(xiàn)期的概念(劉曉云等，2015)。聯(lián)合重現(xiàn)期與第二重現(xiàn)期不同在于，聯(lián)合重現(xiàn)期是多元變量的聯(lián)合屬性，第二重現(xiàn)期則是將多元變量投影到一元變量的屬性。本文研究發(fā)現(xiàn)，由聯(lián)合重現(xiàn)期計(jì)算得到的干旱典型年份多年一遇小于歷史記載的干旱重現(xiàn)期，而第二重現(xiàn)期獲得的多年一遇接近歷史真實(shí)情況，因此最終選取第二重現(xiàn)期對(duì)福建干旱過(guò)程進(jìn)行描述。

2 干旱氣候特征

2.1 干旱過(guò)程年季變化特征

2.1.1 全省干旱過(guò)程年頻數(shù)

60年間，共發(fā)生69次干旱，年度干旱次數(shù)多為1次(共計(jì)36年，占52.17%)，一年中發(fā)生干旱次數(shù)最多為3次的有5年(1964、1971、1977、2007、2011年)，未出現(xiàn)干旱的有9年(1961、1965、1972、1975、1976、1997、2001、2010、2016年)。

2.1.2 全省干旱季節(jié)分布

福建氣象干旱以單季旱為多，占比達(dá)58%，其中又以夏旱為最多，冬旱為次；兩季連旱占比達(dá)36%，以秋冬旱為多，夏秋旱次之，冬春旱最少；三季連旱占比僅6%，皆為夏秋冬連旱，其他季節(jié)組合的三季連旱從未出現(xiàn)過(guò)。60年間共發(fā)生4起夏秋冬連旱，分別出現(xiàn)在1967、1978、1995和2003年。

2.1.3 歷年全省干旱過(guò)程強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間

由于指數(shù)累加的干旱強(qiáng)度包含有時(shí)間分量，不能充分體現(xiàn)干旱時(shí)間長(zhǎng)強(qiáng)度弱，或干旱時(shí)間短強(qiáng)度強(qiáng)的過(guò)程差異，故采用平均強(qiáng)度分析歷次全省干旱過(guò)程強(qiáng)度演變特征。

干旱平均強(qiáng)度最大的是2011年的春旱(圖1)，其次是1962年的冬春旱，2003年的夏秋冬旱僅位列第三。持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的是2003年夏秋冬旱，其次是1967年的夏秋冬旱。按照95%、80%、50%百分位數(shù)劃分強(qiáng)度，特強(qiáng)干旱過(guò)程有3次(2011、1962和2003年)，強(qiáng)干旱過(guò)程有10次，較強(qiáng)干旱過(guò)程有21次，弱干旱過(guò)程有35次。同樣采用百分位數(shù)劃分持續(xù)時(shí)間，特長(zhǎng)過(guò)程有2003、1967和2020年共3次。多年來(lái)，干旱持續(xù)時(shí)間變化不大(圖1中綠虛線)，但強(qiáng)度變化有所增加(圖1中黑虛線)。

圖1 1961—2020年福建省歷史干旱過(guò)程平均強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間變化Fig.1 Changes in mean intensity and duration of historical drought processes in Fujian Province during 1961-2020

從圖1可見(jiàn)，1962年和2003年屬于干旱強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的類型，2011年春旱屬于干旱強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短的類型，2007年春旱屬于強(qiáng)度弱、持續(xù)時(shí)間短的類型，等等。

2.2 干旱空間分布

2.2.1 單站最強(qiáng)干旱過(guò)程強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間空間分布

各站歷史最強(qiáng)干旱過(guò)程累計(jì)MCI指數(shù)最大是28.7(平潭，2003年)，最小是14.5(周寧，1967年)，從強(qiáng)度的空間分布(圖2a)看，寧德南部沿海至漳州沿海，以及南平地區(qū)閩江流域河谷盆地和九龍江流域河谷盆地強(qiáng)度強(qiáng)，鷲峰山區(qū)和閩西強(qiáng)度弱。

圖2 1961—2020年福建省(a)最強(qiáng)干旱過(guò)程強(qiáng)度、(b)最強(qiáng)干旱過(guò)程歷時(shí)(單位：d)、(c)最強(qiáng)干旱過(guò)程發(fā)生年份空間分布Fig.2 Spatial distributions of (a) intensity of heavies drought process, (b) duration (unit: d) of the heavist drought process and (c) years with heavist drought process in Fujian Province during 1961-2020

最強(qiáng)干旱過(guò)程持續(xù)時(shí)間也是以沿海和武夷山為長(zhǎng)(圖2b)，其中寧德沿海大部、福州內(nèi)陸縣市、泉州—廈門—漳州接壤縣市、武平縣超過(guò)220 d，即干旱時(shí)長(zhǎng)超過(guò)7個(gè)月，最長(zhǎng)的是長(zhǎng)泰343 d(1962年7月8日至1963年6月15日)，最短的有119 d(上杭，2019年10月8日至2020年2月3日)。值得一提的是，全省干旱過(guò)程最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間224 d(2003年6月19日至2004年1月28日)，遠(yuǎn)短于單站干旱最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，對(duì)全省而言沒(méi)有四季連旱，符合氣候區(qū)概念，但對(duì)于局地而言，由于降水年際間、地域間分配不均，局地先后出現(xiàn)極端的四季連旱屬正常，但沒(méi)有出現(xiàn)一年以上的連旱，總有一段時(shí)間有足夠的降水，通常間斷于5—6月的雨季或臺(tái)風(fēng)季。

最強(qiáng)干旱發(fā)生年份有一定的空間規(guī)律(圖2c)，華安、大田、漳平、仙游，以及它們包圍的泉州內(nèi)陸縣市(晉江和九龍江流域)、漳州南部發(fā)生年份最早(1962年)，其中九龍江流域最強(qiáng)過(guò)程具有強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的特點(diǎn)；寧德、福州沿海，及內(nèi)陸大部縣市(閩江流域和汀江下游)發(fā)生在2002年以后，特別是2003年的典型特旱年在這些區(qū)域成片出現(xiàn)。

2.2.2 單站不同干旱等級(jí)頻數(shù)空間分布

統(tǒng)計(jì)各站歷年MCI指數(shù)表征的各類干旱強(qiáng)度(輕旱、中旱、重旱、特旱)年平均次數(shù)(圖3)，輕旱和中旱的空間分布相似，頻數(shù)由中南部沿海向北部山區(qū)遞減，其中輕旱30.8 d(周寧)～65.7 d(崇武)，中旱18.0 d(周寧)～40.9 d(崇武)；重旱以中南部沿海、三明南部和龍巖東部為多，年平均超過(guò)12 d，最多是崇武的15.4 d，最少是壽寧的5.1 d；特旱年平均出現(xiàn)很少，分布散，長(zhǎng)汀最少僅為0.1 d，最多不超過(guò)5.1 d(平潭和延平)，超過(guò)3.5 d的縣(市)還有詔安、南靖、永定和晉江。

圖3 1961—2020年福建省(a)輕旱,(b)中旱,(c)重旱和(d)特旱年平均出現(xiàn)天數(shù)(單位：d)Fig.3 Average annual days (unit: d) of (a) light drought, (b) moderate drought, (c) severe drought and (d) extreme drought in Fujian Province during 1961-2020

綜上分析，鷲峰山高海拔區(qū)域干旱少且輕，中南部沿?？h市干旱多且重。

3 多年一遇干旱過(guò)程

多年一遇是指小概率事件，在決策服務(wù)中更關(guān)注某個(gè)干旱過(guò)程歷時(shí)和強(qiáng)度是否偏離了常態(tài)，出現(xiàn)對(duì)自然界有顯著不利影響的極端現(xiàn)象。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)福建干旱小概率事件的氣候特征，統(tǒng)計(jì)了全省和66個(gè)國(guó)家氣象站2、5、10、20、50和100年重現(xiàn)期下干旱強(qiáng)度、干旱歷時(shí)，以及干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度聯(lián)合重現(xiàn)期，各種重現(xiàn)期的閾值可用來(lái)衡量干旱過(guò)程的極端程度。

3.1 多年一遇計(jì)算模型參數(shù)確定

由于干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度分別服從指數(shù)分布和Gamma分布，其中Gamma分布的密度函數(shù)是指在序列的有序性、事件發(fā)生率的齊次性、計(jì)數(shù)特征具有獨(dú)立增量和平穩(wěn)增量情況下，可以得到事件發(fā)生i次時(shí)間的概率密度。而指數(shù)分布實(shí)際上是Gamma分布的特殊情況，Gamma分布可以看成是N個(gè)指數(shù)分布的數(shù)學(xué)期望，由此可以認(rèn)為Gamma分布的模型參數(shù)是一種平均態(tài)(氣候態(tài))下估計(jì)出的參數(shù)。因此，本文在確定模型參數(shù)時(shí)，先識(shí)別“行標(biāo)”法中全省干旱序列(即66個(gè)站逐日MCI指數(shù)逐日均值)的干旱過(guò)程，然后用極大似然法估計(jì)出氣候態(tài)下全省干旱過(guò)程的模型參數(shù)，再利用“本地算法”的全省MCI序列識(shí)別用于計(jì)算多年一遇干旱過(guò)程，采用氣候態(tài)下的模型參數(shù)和最優(yōu)Copula模型，得到全省干旱過(guò)程的重現(xiàn)期。

為了驗(yàn)證確定模型參數(shù)方法使用的合理性，對(duì)“行標(biāo)”法和“本地算法”形成的2套歷史干旱過(guò)程，分別采用Copula函數(shù)確定多年一遇模型參數(shù)，結(jié)果“行標(biāo)”法歷史干旱過(guò)程多年一遇與史料記載的嚴(yán)重程度很不一致，多年一遇的年數(shù)皆偏小。究其原因，表示平均態(tài)的“行標(biāo)”過(guò)程弱化了對(duì)福建有影響的干旱過(guò)程，而以“本地算法”過(guò)程估計(jì)參數(shù)是將有影響的干旱過(guò)程看做氣候常態(tài)了，所以最終選擇的方法明顯提高了多年一遇的量值，特別是2003年福建百年一遇的特旱年，多年一遇值更接近歷史。

3.2 區(qū)域干旱過(guò)程的重現(xiàn)期特征

3.2.1 全省干旱過(guò)程重現(xiàn)期時(shí)序特征

福建省嚴(yán)重干旱的年份較少，超50年一遇的干旱僅有1967年夏秋冬旱和2003年夏秋冬旱；超30年一遇的干旱為1962年冬春旱和1995年夏秋冬旱；超20年一遇的干旱為2020年夏秋旱；超10年一遇的干旱為1991年春夏旱、2002年春旱、2018年春夏旱及2019年秋冬旱；其余年份干旱重現(xiàn)期基本在1～3年(圖4)。

圖4 1961—2020年福建省干旱過(guò)程重現(xiàn)期年變化Fig.4 Interannual variation of drought return periods in the whole province in Fujina Province during 1961-2020

3.2.2 不同重現(xiàn)期下的干旱強(qiáng)度空間分布

根據(jù)單站干旱過(guò)程強(qiáng)度指數(shù)，分別統(tǒng)計(jì)了單站干旱過(guò)程強(qiáng)度的多年一遇閾值，如圖5所示，無(wú)論多少年一遇，鷲峰山區(qū)都是最弱區(qū)；對(duì)于2 a、5 a、10 a一遇的干旱，其強(qiáng)度的空間分布較為相似，中南部沿海一帶為干旱強(qiáng)區(qū)；對(duì)于20 a、50 a、100 a一遇的干旱，除了中南部沿海地區(qū)的干旱強(qiáng)區(qū)外，南平西北部(光澤、邵武、武夷山)也是一個(gè)強(qiáng)區(qū)。50年一遇強(qiáng)區(qū)干旱強(qiáng)度指數(shù)超過(guò)18，最強(qiáng)的東山達(dá)到20.1；百年一遇強(qiáng)區(qū)干旱強(qiáng)度指數(shù)超過(guò)20，最強(qiáng)的仍然是東山，為21.9。

圖5 福建省不同重現(xiàn)期下干旱強(qiáng)度的空間分布(a)2 a,(b)5 a,(c)10 a,(d)20 a,(e)50 a,(f)100 aFig.5 Spatial distribution of drought intensity under different return periods in Fujian(a) 2 a, (b) 5 a, (c) 10 a, (d) 20 a, (e) 50 a, (f) 100 a

3.2.3 不同重現(xiàn)期下的干旱歷時(shí)空間分布

同樣的，根據(jù)單站干旱過(guò)程歷時(shí)，統(tǒng)計(jì)了單站干旱歷時(shí)多年一遇閾值，干旱歷時(shí)的閾值隨著年數(shù)的增加，空間分布與強(qiáng)度閾值類似(圖6)，鷲峰山區(qū)屬于干旱歷時(shí)短的區(qū)域，中南部沿海區(qū)域歷時(shí)長(zhǎng)。分析圖6a，平均2年就會(huì)遇到歷時(shí)40～80 d的持續(xù)氣象干旱；50年一遇除了鷲峰山區(qū)，基本上都在200 d以上，持續(xù)氣象干旱接近4個(gè)月(圖6e)；而百年一遇全省都達(dá)到200 d以上，其中沿海區(qū)域接近或超過(guò)300 d，歷時(shí)近10個(gè)月(圖6f)。

圖6 福建省不同重現(xiàn)期下干旱歷時(shí)的空間分布(單位：d)(a)2 a,(b)5 a,(c)10 a,(d)20 a,(e)50 a,(f)100 aFig.6 Spatial distribution of drought duration under different return periods (unit: d) in Fujian Province(a) 2 a, (b) 5 a, (c) 10 a, (d) 20 a, (e) 50 a, (f) 100 a

結(jié)合圖5可以看出，對(duì)于2 a和5 a這類重現(xiàn)期較短(頻發(fā))的干旱，中南部沿海一帶有干旱歷時(shí)長(zhǎng)、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，越往北干旱歷時(shí)短、干旱強(qiáng)度弱；但對(duì)于重現(xiàn)期長(zhǎng)，特別是50年和100年一遇的干旱，中南部沿海一帶仍有干旱歷時(shí)長(zhǎng)、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，另一個(gè)強(qiáng)度較強(qiáng)、歷時(shí)較長(zhǎng)的區(qū)域在南平西北部(光澤、邵武、武夷山)；鷲峰山區(qū)屬于干旱歷時(shí)最短、干旱強(qiáng)度最弱的區(qū)域。

3.3 典型干旱年的重現(xiàn)期特征

為了分析1961年以來(lái)各年干旱的空間分布，將單站年內(nèi)間隔小于1個(gè)月的干旱過(guò)程合并，重新統(tǒng)計(jì)干旱強(qiáng)度、歷時(shí)和重現(xiàn)期，各站干旱起止時(shí)間差異很大，允許跨年統(tǒng)計(jì)。

首先分析1962、1967、1971、2003、2004年和2020年共6年，它們的共同特點(diǎn)是干旱強(qiáng)度之強(qiáng)(特強(qiáng)等級(jí))、范圍之廣(大半個(gè)省域)、持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)(特長(zhǎng)等級(jí))為歷史罕見(jiàn)(圖7)，史料記載的災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)域都發(fā)生了超50年一遇的干旱，局部超百年，而其余年份皆未出現(xiàn)超百年一遇的干旱。據(jù)史料記載，1962年冬春連旱，加上1963年秋旱，中南部沿海成為全省最嚴(yán)重的旱區(qū)，九龍江、晉江流域發(fā)生了50年至超100年一遇的干旱，可以徒步過(guò)河。1967年夏旱連秋旱，沿海和龍巖、三明干旱嚴(yán)重，其中閩江口周圍和內(nèi)陸局部發(fā)生了50年至超100年一遇的干旱。1971年春旱、夏旱，接著又出現(xiàn)秋冬旱，嚴(yán)重干旱區(qū)主要分布在內(nèi)陸，特別是南平地區(qū)，閩江中游流域發(fā)生了50年至超100年一遇的干旱，古田水庫(kù)無(wú)水發(fā)電，福州照明用電受到影響。2003年夏秋冬連旱是突破歷史紀(jì)錄的特旱年，寧德地區(qū)受災(zāi)最為嚴(yán)重，中北部沿海和三明、南平局部發(fā)生了50年至超100年一遇的干旱。續(xù)2003年冬季結(jié)束(跨年至2004年2月)的特旱年后，接著2004年發(fā)生的春夏旱，局部區(qū)域水資源短缺導(dǎo)致嚴(yán)重的飲用水緊張，龍巖西部出現(xiàn)了超百年一遇的干旱。2020年夏秋旱主要發(fā)生在沿海和龍巖南部，霞浦、崇武、南安、廈門、同安和永定發(fā)生超百年一遇的氣象干旱。

圖7 福建省重現(xiàn)期超100年一遇氣象干旱年強(qiáng)度、歷時(shí)和重現(xiàn)期(單位：a)空間分布Fig.7 Spatial distribution of drought intensity, duration and return period (unit: a) over 100 years in Fujian Province

除了上述大范圍的典型干旱過(guò)程外，1963、1964、1977、1978、1979、1980、1991、1993、1996、2002、2007年和2011年共12年局部出現(xiàn)了超50年一遇干旱，其中1991年和2011年干旱范圍雖然大，但是強(qiáng)度和歷時(shí)明顯較典型特旱年遜色(圖8，僅列出1991年和2011年)，這些年份受旱面積基本上都在200萬(wàn)畝(1畝=666.67 m2)以上。有趣的是，1977—1980年連續(xù)4年在不同的局地發(fā)生小范圍嚴(yán)重的干旱：嚴(yán)重旱區(qū)1977年在福州和漳州；1978年在三明和南平，以及中部沿海；1979年在福州和寧德，以及龍巖局部；1980年在福州及漳州局部，持續(xù)4年少雨導(dǎo)致1980年水資源特別緊張，全省最大受旱面積高達(dá)548.14萬(wàn)畝，糧食減產(chǎn)6億kg。除以上列出的18年，加上9年無(wú)旱年外，余下的33年干旱重現(xiàn)期均未超過(guò)50年。

圖8 1991年和2011年福建省重現(xiàn)期超50年一遇氣象干旱年強(qiáng)度、歷時(shí)和重現(xiàn)期(單位：a)空間分布Fig.8 Spatial distribution of the intensity, duration and return period (unit: a) of meteorological drought with a return of 50 years in Fujian Province in 1991 and 2011

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本文基于MCI干旱指數(shù)，利用“行標(biāo)”法與福建“本地算法”，識(shí)別了1961—2020年福建省66個(gè)國(guó)家氣象站及全省區(qū)域的干旱過(guò)程，分析了干旱的變化特征及其重現(xiàn)規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)福建省基本每年都會(huì)發(fā)生一次干旱，最多的可達(dá)三次；福建主要受單季干旱和兩季連旱影響，兩季連旱主要為夏秋旱和秋冬旱，全省區(qū)域無(wú)四季連旱；干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致；

(2)福建大部分干旱過(guò)程存在約為1～3 a的周期，嚴(yán)重干旱較少，超50年一遇的干旱僅有1967年夏秋冬旱和2003年夏秋冬旱；超30年一遇的干旱為1962年冬春旱和1995年夏秋冬旱；超20年一遇的干旱為2020年夏秋旱；超10年一遇的干旱為1991年春夏旱、2002年春旱、2018年春夏旱及2019年秋冬旱；

(3)對(duì)于重現(xiàn)期較短(頻發(fā))的干旱，中南部沿海一帶有干旱歷時(shí)長(zhǎng)、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，越往北干旱歷時(shí)短、干旱強(qiáng)度弱；但對(duì)于重現(xiàn)期長(zhǎng)，特別是50年和100年一遇的干旱，中南部沿海一帶仍有干旱歷時(shí)長(zhǎng)、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，另一個(gè)強(qiáng)度較強(qiáng)、歷時(shí)較長(zhǎng)的區(qū)域在南平西北部(光澤、邵武、武夷山)；鷲峰山區(qū)屬于干旱歷時(shí)最短、干旱強(qiáng)度最弱的區(qū)域；

(4)1962、1967、1971、2003、2004年和2020年干旱強(qiáng)度之強(qiáng)、范圍之廣、持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)為歷史罕見(jiàn)，災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)域都發(fā)生了超50年一遇的干旱，局部超百年；1963、1964、1977、1978、1979、1980、1991、1993、1996、2002、2007年和2011年共12年局部出現(xiàn)了超50年一遇干旱；除上述18年及9年無(wú)旱年之外，余下的33年干旱重現(xiàn)期均未超過(guò)50年。

4.2 討 論

福建是一個(gè)干旱比較頻發(fā)的省份，每年各地或多或少都會(huì)發(fā)生氣象干旱，這種干旱氣候格局已經(jīng)造就了當(dāng)?shù)厝祟惡蜕鷳B(tài)景觀的布局，對(duì)于一般的干旱災(zāi)害已具有防御能力。由于每年干旱空間差異非常大，導(dǎo)致針對(duì)性干旱防御策略存在很大的不確定性。本文僅對(duì)福建的干旱分布特征等做初步的分析與討論，為干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。實(shí)際上干旱災(zāi)害程度與承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境及天氣系統(tǒng)息息相關(guān)，“沿海干旱強(qiáng)(多)于內(nèi)陸”這一氣候現(xiàn)象，究其原因，福建年雨量多呈雙峰型，雨季主要為鋒面系統(tǒng)性降水，集中在內(nèi)陸地區(qū)；夏季主要是臺(tái)風(fēng)雨，集中在沿海地區(qū)。而沿海地區(qū)下墊面多為巖土砂石，植被相對(duì)內(nèi)陸稀少，地下儲(chǔ)水能力差，加上臺(tái)風(fēng)年際變化大，極易形成氣象干旱。內(nèi)陸植被覆蓋率高，地下水蘊(yùn)含量豐富，雨季降水相對(duì)臺(tái)風(fēng)雨充沛，因此氣象干旱相對(duì)沿海弱。另外，干旱災(zāi)害的防御能力，還要考慮影響區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)狀況，比如：人口、工業(yè)密集地區(qū)，對(duì)于用水的需求量大，干旱對(duì)其的影響相對(duì)較大；經(jīng)濟(jì)較好的區(qū)域?qū)τ诟珊档姆烙礁?，水?kù)較多的地區(qū)對(duì)于干旱時(shí)用水的調(diào)節(jié)能力也更強(qiáng)等等，仍需要開(kāi)展深入的探索。目前已分析了福建干旱的致災(zāi)因子危險(xiǎn)性，今后將結(jié)合福建地形、環(huán)流背景等開(kāi)展進(jìn)一步的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。