冀 航， 劉 娟， 薛昌穎， 李浩寧

(1.中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 2.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；3.河南省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，鄭州 450046； 4.河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州 450003； 5.滑縣氣象局，河南 滑縣456400)

伴隨著持續(xù)加重的全球氣候變暖，持續(xù)不斷發(fā)生的極端干旱事件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)等方面造成了諸多不利影響。對(duì)于極端干旱事件的研究、評(píng)估及預(yù)防，已成為當(dāng)前世界氣候變化研究中非常重要的一部分。河南省大部分地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，淮河以南小部分地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，受全球氣候變暖影響，干旱也呈多發(fā)頻發(fā)的趨勢(shì)，干旱形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，極端干旱氣候事件的發(fā)生將對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)生活等各方面均造成嚴(yán)重的不利影響。為了更好地預(yù)防干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，對(duì)河南省極端干旱的研究迫在眉睫。

許多專家學(xué)者從氣象角度對(duì)我國(guó)不同區(qū)域的極端干旱進(jìn)行了研究和評(píng)估，構(gòu)建了降水量距平百分率[1-3]、氣象干旱指數(shù)[4-5]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[6-7]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[8]、作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)、palmer干旱指數(shù)(PDSI)[9]、連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)等氣象干旱指標(biāo)。薛昌穎等[10]利用CWDI研究了近40年黃淮海地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季干旱的時(shí)空特征。尤新媛等[11]利用CWDI分析了江蘇省近30年冬小麥生長(zhǎng)季干旱的時(shí)空變化規(guī)律。王文等[12]采用PDSI研究了長(zhǎng)江中下游地區(qū)干旱分布特征。

長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)無(wú)降水是產(chǎn)生干旱的最根本原因，連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)與區(qū)域干旱的時(shí)間和強(qiáng)度呈正比例關(guān)系。連續(xù)無(wú)降水日數(shù)最初是用來(lái)分析降雨特征的[13]，后來(lái)逐漸用作干旱指標(biāo)分析干旱特征。江曉南等[14]利用廣州市1951-2006年降水資料，采用連續(xù)無(wú)降水日數(shù)對(duì)廣州季節(jié)性干旱進(jìn)行了分析。劉莉紅等[15]研究了中國(guó)北方地區(qū)下半年CDD的變化特征，結(jié)果表明，CDD呈線性增加的趨勢(shì)，顯著增加的年份在1960年和1996年前后，這與干旱現(xiàn)象的發(fā)生有著緊密的聯(lián)系。

本文應(yīng)用1971-2018年河南省84個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日降水資料，采用連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)作為極端干旱的分析指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)出1971-2018年每年6-9月最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)，對(duì)河南省近48年的夏季極端干旱現(xiàn)象時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

文中所采用的數(shù)據(jù)為河南省地面氣象站1971-2018年的逐日降水量數(shù)據(jù)，根據(jù)各臺(tái)站氣象資料的完整性，通過(guò)篩選確定84個(gè)站點(diǎn)，數(shù)據(jù)均來(lái)源于河南省氣象局。

1.2 指標(biāo)選擇

連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(以下簡(jiǎn)稱CDD)指一年中連續(xù)無(wú)降水日數(shù)的最大值，是世界氣象組織推薦使用的表征極端干旱的指標(biāo)之一。本文選用CDD指標(biāo)來(lái)分析河南省夏季(6-9月)極端干旱的時(shí)空變化特征。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 時(shí)空特征分析

利用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)處理和分析。對(duì)CDD時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性擬合，定量描述極端干旱的變化情況。

采用氣候傾向率，即一元回歸方程斜率×10，來(lái)表征夏季極端干旱的時(shí)間變化趨勢(shì)及速率。用變異系數(shù)來(lái)反映極端干旱指標(biāo)年際間的波動(dòng)。

采用Surfer9.0軟件的Kriging對(duì)各站點(diǎn)的分析要素進(jìn)行空間插值，生成空間柵格數(shù)據(jù)，并對(duì)要素值進(jìn)行分類，得到相應(yīng)的空間分布圖。

1.3.2 突變及周期分析

采用距平和累積距平分析極端干旱的波動(dòng)及變化趨勢(shì)。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列的趨勢(shì)與突變分析，Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織(WMO)推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。該方法最初由Mann和Kendall提出，許多學(xué)者應(yīng)用Mann-Kendall方法來(lái)分析降水量、徑流量等環(huán)境要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化[16]。對(duì)統(tǒng)計(jì)序列UF、UB分析可知，UF、UB兩條曲線的交點(diǎn)即是突變開始的時(shí)間。對(duì)極端干旱指標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，以分析河南省夏季極端干旱是否存在突變并確定突變年。

采用Morlet復(fù)小波分析來(lái)確定極端干旱指標(biāo)的變化周期[17]。小波變換系數(shù)的實(shí)部包含給定時(shí)間和尺度下相對(duì)于其他時(shí)間和尺度的信號(hào)強(qiáng)度和位相兩方面信息，而小波方差能反映各種尺度的波動(dòng)及其強(qiáng)弱隨尺度變化的特征。本文選用小波變換系數(shù)的實(shí)部和方差兩個(gè)參數(shù)來(lái)反映極端干旱的變化周期。

2 結(jié)果分析

2.1 河南省極端干旱年際及年代際變化

河南省6-9月全省平均CDD指標(biāo)年際變化情況如圖1(a)所示。全省6-9月CDD年際間波動(dòng)比較大，最小值出現(xiàn)在1984年，為11.5 d，而最大值出現(xiàn)在1997年，長(zhǎng)達(dá)27.6 d；在近48年中，CDD值在20 d以上的年份有8年，15～20 d的有22年，10～15 d的有17年。CDD總體上呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì)。根據(jù)一元線性回歸方程擬合結(jié)果，以平均0.4 d/10a的速率遞增。

全省平均CDD指標(biāo)年代際變化情況如圖1(b)所示。

圖1 1971-2018年河南省夏季最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)年際變化(a)和年代際變化(b)

由圖1(b)可看出，CDD隨年代基本呈逐漸升高的趨勢(shì)。從年代平均值來(lái)看，1970s和1980s的最低，平均為16.0 d，2010s的最高，平均為18.0 d，1990s的次高，平均為16.8 d；2000s的略低于1990s，平均為16.5 d。由此可見(jiàn)，增幅最大年代為2000s至2010s，平均增加1.5 d，而1980s至1990s增幅也較大，平均增加0.8 d。因此，從時(shí)間變化趨勢(shì)看，河南省極端干旱呈現(xiàn)逐漸加重的變化趨勢(shì)，2010s是發(fā)生極端干旱現(xiàn)象最為嚴(yán)重的年代。

2.2 不同區(qū)域極端干旱年際和年代際變化

河南省不同地區(qū)平均CDD時(shí)間變化情況如圖2所示。從一元回歸方程系數(shù)可以看出，各地區(qū)平均CDD時(shí)間變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)。其中，豫北地區(qū)增速為0.24 d/10a，豫東地區(qū)的為0.13 d/10a，豫南地區(qū)的為0.62 d/10a，豫西地區(qū)的為0.76 d/10a，豫西南的為0.42 d/10a，豫中地區(qū)的為0.55 d/10a。由此可見(jiàn)，各地區(qū)CDD增速由大到小的順序依次為豫西、豫南、豫中、豫西南、豫北和豫東的。

變異系數(shù)可反映年際間波動(dòng)的大小。豫東地區(qū)CDD變異系數(shù)為0.19，年際間波動(dòng)最?。辉ノ鞯貐^(qū)CDD變異系數(shù)為0.25，年際間波動(dòng)最大；其他地區(qū)變異系數(shù)在0.22～0.24，波動(dòng)程度相近。

豫北、豫西、豫中、豫西南平均CDD最高的年份均是1997年，平均CDD分別為29.9 d、31.2 d、31.9 d和27.5 d。豫南和豫東的最高值分別出現(xiàn)在2016年和2001年，平均CDD為30.4 d和22.2 d。豫北、豫南、豫東、豫西、豫西南和豫中平均CDD在20.0 d以上的年份分別為11年、5年、8年、6年、4年和5年?？梢?jiàn)，豫北地區(qū)極端干旱發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)更高。

圖2 河南省各地區(qū)夏季最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)年際變化(a)豫北，(b)豫東，(c)豫西，(d)豫西南，(e)豫南，(f)豫中

河南省各地區(qū)夏季最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)年代際變化如圖3所示。從各個(gè)地區(qū)年代際變化對(duì)比來(lái)看，各地區(qū)平均CDD年代際變化與全省平均CDD年代際變化基本一致。其中，豫南地區(qū)呈現(xiàn)為持續(xù)升高的趨勢(shì)，而其他地區(qū)呈波動(dòng)中上升。各地區(qū)極端干旱最大值均出現(xiàn)在2010s，表明大范圍極端干旱發(fā)生具有年代性。豫北、豫西和豫中最大值分別為18.5 d、18.3 d和18.0 d，豫南、豫西南和豫東的分別為17.4 d、17.1 d和17.0 d；次高值各地區(qū)不一致，其中豫北的出現(xiàn)在1980s，豫西、豫中和豫西南的出現(xiàn)在1990s，豫南的出現(xiàn)在2000s，而豫東地區(qū)1970s至2000s年代平均CDD無(wú)明顯變化。平均CDD年代最低值豫中、豫南和豫西南均是出現(xiàn)在1980s，分別為15.1 d、15.1 d和14.5 d，豫北和豫東出現(xiàn)在1990s，而豫西則是1970s的最低。

對(duì)比不同地區(qū)年代間增幅可見(jiàn)，增幅最大的是豫西地區(qū)，從1970s的15.1 d到2010s的18.3 d，增幅達(dá)3.2 d；其次是豫中，從1980s的15.1 d至2010s的18.0 d，增幅為2.9 d；豫北、豫南和豫西南的分別為2.0 d、2.3 d和2.6 d，豫東的增幅最小，為1.0 d。

圖3 河南省各地區(qū)夏季最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)年代際變化

2.3 極端干旱指數(shù)不同年代空間分布

河南省不同年代夏季最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)空間分布如圖4所示。

圖4 河南省不同年代夏季最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)空間分布(a)1971-2018，(b)1971-1980，(c)1981-1990，(d)1991-2000，(e)2001-2010，(f)2011-2018

近48年平均情況看，全省大部地區(qū)最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)為16～18 d，許昌、漯河、洛陽(yáng)、平頂山的局部地區(qū)在16 d以下。從平均CDD分布范圍可以看出不同年代間的變化情況。1970s河南省大部分地區(qū)CDD為14～16 d，16～18 d范圍內(nèi)的地區(qū)主要分布在鄭州、開封、漯河、許昌大部分地區(qū)，以及周口、安陽(yáng)、商丘、南陽(yáng)部分地區(qū)，18 d以上的地區(qū)主要分布在濮陽(yáng)；平均CDD在18～20 d范圍的地區(qū)有商丘、漯河、濮陽(yáng)的部分地區(qū)；濮陽(yáng)少部分地區(qū)平均CDD在20 d以上。1980s與1970s相比，各CDD范圍的覆蓋面積無(wú)明顯變化，但16～18 d的分布區(qū)域產(chǎn)生了變化，主要分布在豫北、豫西和豫東地區(qū)，此外18 d以上的分布區(qū)域有所擴(kuò)大。至1990s，全省大部分區(qū)域平均CDD為16～18 d，與1980s和1970s相比覆蓋面積顯著增加，且18～20 d的分布區(qū)域向南轉(zhuǎn)移，主要分布在鄭州、開封和許昌地區(qū)，16 d以下的低值區(qū)主要分布在三門峽、南陽(yáng)西北部、安陽(yáng)大部，以及商丘和信陽(yáng)部分地區(qū)。2000s與1999s相比，平均CDD為16～18 d的分布區(qū)域有所縮小，南陽(yáng)大部，以及洛陽(yáng)、平頂山、信陽(yáng)的西南部轉(zhuǎn)為16 d以下的低值區(qū)，18 d以上的分布區(qū)域也有所減少。但到了2010s年代，全省極端干旱程度明顯加重，絕大部分地區(qū)平均CDD都在16 d以上，且18 d以上的分布范圍顯著擴(kuò)大，覆蓋了豫北、豫西、豫中大部，以及豫東、豫西南和豫南的部分地區(qū)，僅商丘、南陽(yáng)和信陽(yáng)的局部地區(qū)平均CDD在16 d以下。再次表明極端干旱在2010s的加重趨勢(shì)。

2.4 極端干旱突變及周期變化

采用距平值反映極端干旱發(fā)生的波動(dòng)情況。圖5(a)為1971-2018年河南省CDD距平變化情況。1971-1996年，河南省CDD距平以負(fù)值為主，表明這期間極端干旱發(fā)生程度低于平均值，但1996年以后為正值的年份明顯增多，表明極端干旱發(fā)生程度總體上高于平均值，呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。圖5(b)為CDD累積距平變化圖，1971-1996年CDD累積距平整體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，1996年以后總體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。由曲線的轉(zhuǎn)折可初步判斷CDD經(jīng)歷了一次顯著的波動(dòng)。根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)圖5(c)中UF和UB曲線的交點(diǎn)，可以判斷CDD在20世紀(jì)90年代中期發(fā)生一次突變。

圖5 1971-2018年河南省夏季最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)距平(a)、累積距平(b)及M-K曲線(c)

圖6為1971-2018年河南省CDD的復(fù)值Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部(a)與方差(b)分布圖，通過(guò)二者結(jié)合可以進(jìn)行周期分析。根據(jù)小波分析結(jié)果可看出，河南省夏季CDD存在5～7 a的小尺度演變周期，該演變周期在90年代中后期更加顯著；另外還存在一個(gè)15～21 a的中尺度演變周期，該周期在全域范圍內(nèi)都較顯著。

圖6 1971-2018年河南省6-9月CDD小波系數(shù)實(shí)部(a)和方差(b)

3 討 論

夏季是河南省降水最為集中的階段，但受氣候變化影響，夏季持續(xù)高溫少雨日數(shù)不斷增多，特別是近10年來(lái)更趨于嚴(yán)重。大范圍極端干旱的發(fā)生不僅影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，更可能會(huì)對(duì)人民生活造成嚴(yán)重的威脅，甚而影響到社會(huì)各行各業(yè)。本文采用最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)指標(biāo)，從短時(shí)間尺度分析了河南省夏季極端干旱的變化特征，結(jié)果表明，河南省夏季極端干旱也正經(jīng)歷一個(gè)逐漸加重的發(fā)展階段，無(wú)論是持續(xù)時(shí)間還是空間分布范圍，2010s都是干旱發(fā)生較為嚴(yán)重的時(shí)期。薛昌穎等[18]利用地表濕潤(rùn)指數(shù)，從月尺度對(duì)河南省夏季極端干旱的分析，也表明無(wú)論發(fā)生頻數(shù)還是站次百分比在2010s 均呈現(xiàn)回升的趨勢(shì)，但月尺度的發(fā)生頻數(shù)呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，這主要是由于二者所采用指標(biāo)的時(shí)間尺度不同所致。

極端干旱發(fā)生的原因極其復(fù)雜，受各種因素綜合作用的影響?，F(xiàn)有研究[19]表明，東西伯利亞(鄂霍次克海)阻塞高壓的穩(wěn)定維持，對(duì)華北平原極端干旱的形成起著重要的作用。本文只是針對(duì)夏季極端干旱的表現(xiàn)形式，即長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)降水的變化情況進(jìn)行了分析，對(duì)于不同程度極端干旱發(fā)生的具體原因今后還需結(jié)合氣候資料作進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

本文利用最大連續(xù)無(wú)降水日數(shù)(CDD)，探討了河南省近48年夏季極端干旱的時(shí)空分布。主要結(jié)論如下：

(1)從全省整體來(lái)看，近48年來(lái)，全省平均6-9月CDD處在一個(gè)緩慢上升的階段。2010s平均CDD最大，表明河南省夏季極端干旱趨于嚴(yán)重。全省大部分地區(qū)平均CDD為16～18 d，年代際間呈逐漸上升的趨勢(shì)，并在2010s達(dá)到最大值，表明極端干旱程度在2010s明顯加重。各個(gè)年代平均CDD最大值幾乎均集中在豫北地區(qū)。

(2)從各個(gè)地區(qū)來(lái)看，近48年來(lái)隨著時(shí)間推移各個(gè)地區(qū)平均CDD都在逐年增加，增速最快的為豫南地區(qū)，最慢的為豫東地區(qū)。豫北地區(qū)極端干旱發(fā)生概率最高，豫西南發(fā)生概率最低。各個(gè)地區(qū)平均CDD年代際變化呈現(xiàn)波動(dòng)中上升的趨勢(shì)，和全省平均CDD年代際變化基本一致。

(3)河南省夏季CDD在1996年前后發(fā)生一次突變，并存在明顯的5～7 a的小尺度演變周期。