近50 年雷州半島干旱歷時(shí)和烈度的時(shí)空特征分析

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(zhǎng)期降雨偏少、來(lái)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(shí)、波及范圍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[2-3]，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生產(chǎn)生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)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(huì)經(jīng)濟(jì)干旱等4 種類型[4-5]，對(duì)應(yīng)的干旱指數(shù)可用于定量評(píng)估區(qū)域干旱特征，根據(jù)水分虧缺程度常被劃分為無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱及極旱5 個(gè)等級(jí)[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(dòng)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(guó)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(jí)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(shí)空尺度對(duì)區(qū)域旱情進(jìn)行有效風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)評(píng)估，是抗旱減災(zāi)管理的重要手段[14]。

經(jīng)過(guò)不斷探索，對(duì)干旱研究從初期的統(tǒng)計(jì)及特性描述、成因分析、影響及響應(yīng)對(duì)策研究[15-17]，逐漸發(fā)展到使用干旱指數(shù)及相關(guān)計(jì)算工具評(píng)估干旱起止時(shí)段和強(qiáng)度以作進(jìn)一步的干濕時(shí)空變化特征研究、風(fēng)險(xiǎn)分析等[18-20]，上述文獻(xiàn)更多使用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)進(jìn)行干旱評(píng)估，僅考慮了降水資料，未考慮溫度、蒸散量等因素[21]，而對(duì)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(jìn)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(qiáng)的適用性[22]，結(jié)合游程理論進(jìn)行干旱事件識(shí)別，利用反距離插值等方法反演雷州半島地區(qū)近50 年來(lái)的干旱歷時(shí)和干旱烈度的時(shí)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(lái)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(rùn)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(shí)空分布極不均勻，且區(qū)域內(nèi)河流大多淺短、獨(dú)立入海，過(guò)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(yáng)輻射強(qiáng)，常年氣溫較高，年平均氣溫達(dá)23.5℃，致使蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量達(dá)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(cè)站分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)范圍及站點(diǎn)分布

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為研究區(qū)范圍內(nèi)12 個(gè)站點(diǎn)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(lái)源于湛江水文分局，氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)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(jiàn)圖2。

圖2 降水量與氣溫實(shí)測(cè)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(shí)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(duì)溫度敏感的特點(diǎn)，又具備適合多尺度、多空間比較以及準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，是全球變暖背景下研究干旱的理想指數(shù)[27]。 其計(jì)算原理是:首先基于Thornthwaite法計(jì)算單位時(shí)間的潛在蒸散量，然后計(jì)算單位時(shí)間潛在蒸散量與實(shí)測(cè)降雨量之間差值，根據(jù)研究需要建立不同時(shí)間尺度的水分盈/虧累積系列，最后對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行正態(tài)化處理，得出每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI指數(shù)[28]，其干旱等級(jí)劃分見(jiàn)表1，月尺度的SPEI-1計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。 具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)GB/T 20481—2017《氣象干旱等級(jí)》[26]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)干旱等級(jí)劃分

圖3 SPEI-1 指數(shù)系列

b)干旱事件的識(shí)別。 本次研究采用游程理論對(duì)干旱事件進(jìn)行識(shí)別。 根據(jù)游程理論，給定一個(gè)截取水平X0(X0=SPEI對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)邊界值)來(lái)截取隨時(shí)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(gè)或多個(gè)時(shí)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(fù)游程，在干旱研究中，負(fù)游程的長(zhǎng)度則為干旱歷時(shí)D，干旱歷時(shí)與截取水平包含的面積則為干旱烈度S[29]。

其中對(duì)于間隔為1 個(gè)時(shí)段的2 次相鄰干旱過(guò)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(guò)程，否則為2 次獨(dú)立干旱過(guò)程，合并后的干旱歷時(shí)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(guò)程，即a和b+c[30]。

圖4 干旱時(shí)間識(shí)別過(guò)程示意

2 結(jié)果分析

2.1 干旱歷時(shí)與干旱烈度的時(shí)間分布特征

基于雷州半島境內(nèi)12 個(gè)站點(diǎn)的12 個(gè)月尺度SPEI數(shù)據(jù)，計(jì)算1970—2019 年雷州半島年尺度SPEI-12 指數(shù)，其年際變化過(guò)程見(jiàn)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(dòng)，在波動(dòng)中呈逐漸下降趨勢(shì)；將近50 年厄爾尼諾-南方濤動(dòng)[31]事件(ENSO) 按照相關(guān)研究[32-33]分為冷事件和暖事件并對(duì)其影響時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)，結(jié)合年尺度SPEI指數(shù)及其5 年滑動(dòng)平均值分析發(fā)現(xiàn)，在ENSO冷事件年SPEI指數(shù)相對(duì)偏大、旱情相對(duì)緩和或水量偏豐，而在暖事件年SPEI指數(shù)相對(duì)偏小、旱情凸顯；此外年尺度SPEI指數(shù)5年滑動(dòng)平均值在近50 年的時(shí)間尺度上呈現(xiàn)以約10年為一個(gè)周期的波動(dòng)特征，結(jié)合圖5 和表2 可知SPEI指數(shù)五年滑動(dòng)平均值多在ENSO冷事件向暖事件轉(zhuǎn)變年份前后達(dá)到峰值，隨后呈下降趨勢(shì)，并在暖事件向下一次冷事件轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)前后達(dá)到谷值，可見(jiàn)ENSO事件對(duì)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(shí)間統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)1970—2019 年雷州半島的年干旱歷時(shí)和年均干旱烈度見(jiàn)圖6。 雷州半島近50 年來(lái)發(fā)生干旱較為頻繁，僅有2 年干旱歷時(shí)為0 即無(wú)旱情發(fā)生，年干旱歷時(shí)和年均干旱烈度在時(shí)間維度上的變化趨于一致，發(fā)生嚴(yán)重干旱的年份其干旱歷時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)干旱烈度也較大，高烈度短歷時(shí)、低烈度長(zhǎng)歷時(shí)的干旱情況為主導(dǎo)，高烈度長(zhǎng)歷時(shí)的嚴(yán)重旱情在近20 年發(fā)生頻率有所提升。 基于SPEI指數(shù)識(shí)別的雷州半島年干旱歷時(shí)時(shí)長(zhǎng)大多集中在1 ～4 個(gè)月，最長(zhǎng)為6個(gè)月，發(fā)生在2015 年，同時(shí)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(shí)間為2 月初至8 月底，識(shí)別結(jié)果與實(shí)際發(fā)生較為一致，年干旱歷時(shí)在4 個(gè)月以上年份對(duì)應(yīng)的干旱歷時(shí)與烈度見(jiàn)表3。

表3 年干旱歷時(shí)4 個(gè)月以上年份對(duì)應(yīng)的干旱歷時(shí)與烈度

圖6 干旱歷時(shí)和年均干旱烈度的時(shí)間系列

續(xù)圖6 干旱歷時(shí)和年均干旱烈度的時(shí)間系列

根據(jù)游程理論識(shí)別干旱事件，統(tǒng)計(jì)單次干旱事件的歷時(shí)及烈度，平均每次干旱歷時(shí)1.7 個(gè)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(yùn)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(duì)應(yīng)的干旱烈度為4.42，2%頻率下對(duì)應(yīng)的干旱烈度為6.07，1%頻率下對(duì)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(shí)4 個(gè)月以上的年份中單次干旱烈度均超過(guò)20 年一遇。

圖7 干旱烈度頻率分布曲線

2.2 干旱歷時(shí)與干旱烈度的空間分布特征

根據(jù)已計(jì)算各站點(diǎn)的干旱頻次、次均干旱烈度及歷時(shí)，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(shí)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(diǎn)發(fā)生干旱次數(shù)在76 ～111 次之間，即各站點(diǎn)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(qiáng)的規(guī)律；③各站點(diǎn)次均歷時(shí)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(qiáng)的分布態(tài)勢(shì):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(shí)長(zhǎng)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(shí)也相對(duì)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(jí)(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(dú)為極旱，統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)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(jiàn)圖9，不同等級(jí)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(yán)重；中部地區(qū)發(fā)生干旱的頻次及嚴(yán)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(duì)較少但發(fā)生較嚴(yán)重干旱的頻率相對(duì)較高；雷州半島地勢(shì)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(shí)空分布特征

a)各季節(jié)干旱的時(shí)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(shí)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(lái)年2 月份(非汛期)。 結(jié)合1970—2019 年雷州半島四季干旱時(shí)SPEI指數(shù)變化情況及不同干旱類型統(tǒng)計(jì)(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(jì)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(jí)亦多為中旱或以上。 分析季節(jié)干旱時(shí)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(lái)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(shí)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(lái)各季節(jié)干旱歷時(shí)空間分布，見(jiàn)圖11。 1970—2019 年，雷州半島各縣市不同季節(jié)平均干旱歷時(shí)存在較大差異: 春、夏、秋、冬各季節(jié)平均干旱歷時(shí)分別在0.3 ～2.0、0.4 ～1.3、0.8 ～1.3、0.2 ～0.8 個(gè)月，可見(jiàn)春夏兩季平均干旱歷時(shí)站點(diǎn)差異較大，秋旱平均歷時(shí)總體較長(zhǎng)，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(yán)重、冬旱嚴(yán)重影響區(qū)域?yàn)橹心喜俊?/p>

圖11 雷州半島各季節(jié)干旱歷時(shí)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(gè)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(shí)較長(zhǎng)，春冬季次之，秋旱的歷時(shí)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(shí)間較短；③中南部地區(qū)(雷州市中部)秋旱歷時(shí)較短，其余三季干旱影響較嚴(yán)重；④南部地區(qū)(雷州市南部及徐聞縣)四季干旱歷時(shí)均較長(zhǎng)。

3 結(jié)論

本文基于SPEI指數(shù)對(duì)干旱的評(píng)估及游程理論對(duì)干旱事件的識(shí)別，進(jìn)而分析了近50 年來(lái)雷州半島干旱歷時(shí)和干旱烈度的時(shí)空分布特征，得出以下結(jié)論。

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

b)干旱歷時(shí)和干旱烈度在時(shí)間維度上的變化趨于一致，發(fā)生嚴(yán)重干旱的年份其干旱歷時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)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(shí)長(zhǎng)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(qiáng)的趨勢(shì)。

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(jì)，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(yán)重、冬旱嚴(yán)重影響區(qū)域?yàn)橹心喜俊?/p>