福建省多維度氣象干旱特征時空分布分析*

楊歆雨 張容焱 潘 航 高詩妍 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，福建省出現(xiàn)多次嚴(yán)重或較嚴(yán)重的干旱事件，尤其近年來干旱呈現(xiàn)多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢，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個國家氣象站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)域性干旱過程監(jiān)測評估方法》，識別全省區(qū)域及66個氣象站的干旱過程，并通過Copula函數(shù)，揭示福建干旱過程變化規(guī)律和重現(xiàn)期特征。結(jié)果表明：福建干旱歷時和強(qiáng)度變化趨勢基本一致；干旱過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)過夏秋冬連旱；大部分干旱過程存在1～3 a的重現(xiàn)周期，嚴(yán)重干旱過程較少；超50年一遇的干旱過程是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長、強(qiáng)度強(qiáng)，由此往北逐漸縮短和減弱；重現(xiàn)期長的干旱，中南部沿海一帶仍然是干旱歷時長、強(qiáng)度強(qiáng)區(qū)域，但北部內(nèi)陸山區(qū)同時出現(xiàn)了干旱歷時較長、強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域；60年來，除9年無旱，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、最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，由于其影響范圍廣、持續(xù)時間長、出現(xiàn)頻率高，常常給人類生產(chǎn)、生活帶來巨大的損失(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。中國是干旱災(zāi)害發(fā)生頻率最高且影響最嚴(yán)重的國家之一，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)百萬噸到3000多萬噸，干旱的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)每年440億元(Su et al，2018)。干旱是個錯綜復(fù)雜的過程，根據(jù)不同的研究目標(biāo)選擇適宜的干旱指標(biāo)來預(yù)測、評估旱情的發(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間段降水和蒸散對當(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)對干旱過程的刻畫效果最好(王榮江等，2021；謝五三等，2021)。

對于干旱事件需要多個干旱特征量來表征，如干旱歷時、干旱強(qiáng)度、強(qiáng)度峰值和干旱空間范圍等，目前對干旱的描述多側(cè)重于干旱歷時和干旱強(qiáng)度兩個方面，中國氣象局(2021)發(fā)布的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“行標(biāo)”)中規(guī)定了區(qū)域性干旱過程的確定方法、評估指標(biāo)和等級劃分，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)可以識別單站和區(qū)域干旱過程的歷時和強(qiáng)度。另外，用于評價氣候事件嚴(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，學(xué)者們使用全歷時重現(xiàn)期方法(馮國章，1995)、多元平穩(wěn)隨機(jī)過程游程分析(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)等方法對重現(xiàn)期進(jìn)行研究，但是不同的干旱變量(如：干旱歷時和干旱強(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)能較好地對干旱問題中的多特征量進(jìn)行多元擬合，并對多變量系統(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，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)，雖然地處中國東南沿海，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，福建省出現(xiàn)多次嚴(yán)重或較嚴(yán)重的干旱事件，尤其近年來干旱呈現(xiàn)多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢：2003年，發(fā)生自1939年以來最嚴(yán)重的夏秋冬連旱，全省農(nóng)作物受旱面積達(dá)17.50萬hm2，361個鄉(xiāng)鎮(zhèn)187萬人出現(xiàn)飲水困難；2018年，發(fā)生春夏連旱，糧食作物受災(zāi)較重，特別是對早稻播種和秧苗生長不利，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13.42萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積為1.753萬hm2，絕收面積為0.11萬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?，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)，前人通過日雨量≤2 mm連續(xù)日數(shù)(連旱日數(shù))統(tǒng)計(jì)，對福建干旱氣候態(tài)已有足夠的認(rèn)識，但由于連旱日數(shù)不屬于隨機(jī)變量，無法開展重現(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程監(jiān)測預(yù)警和強(qiáng)度評估指標(biāo)(以下簡稱“本地算法”)，并開展了業(yè)務(wù)應(yīng)用。本文根據(jù)“行標(biāo)”及MCI指數(shù)的干旱等級(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2017)，識別1961年1月至2020年12月福建省各站點(diǎn)的干旱過程和全省干旱過程。但是在研究中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)“行標(biāo)”規(guī)定方法，用66個站的MCI均值來表征全省區(qū)域的MCI值，識別出來的干旱過程與《中國氣象災(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，識別出來的干旱過程更加接近歷史過程，因此本文在研究全省區(qū)域干旱時使用“本地算法”，并進(jìn)行重現(xiàn)期特征研究，以期對福建干旱風(fēng)險(xiǎn)的進(jìn)一步認(rèn)識提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

根據(jù)GB/T 20481—2017氣象干旱等級(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2017)干旱綜合指數(shù)計(jì)算方法，利用福建省66個國家氣象站，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。

1.2 方法介紹

1.2.1 干旱過程的確定

(1)單站干旱過程

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

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

(1)

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

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

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

(2)

式中:m為干旱過程總天數(shù)，n為干旱過程內(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()為通過不斷滑動單站干旱過程內(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()為通過不斷滑動單站干旱過程內(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)域干旱等級和過程判斷指標(biāo)，具體定義和算法等詳見張容焱等(2019)。

(3)干旱過程命名規(guī)則

干旱過程嚴(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)選用干旱歷時和干旱強(qiáng)度兩個干旱特征變量共同來描述干旱過程時，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)來模擬干旱強(qiáng)度和干旱歷時的依存關(guān)系。

1.2.3 邊緣分布函數(shù)

干旱歷時和干旱強(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、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)期是用于評價氣候事件嚴(yán)重程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，近年來也受到學(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)時間(或強(qiáng)度)的干旱出現(xiàn)一次的平均間隔時間，通俗的來講就是這么嚴(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干旱特征量來分析干旱的重現(xiàn)期，因此本文引入干旱歷時和干旱強(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：干旱歷時或干旱強(qiáng)度其中一個達(dá)到某一閾值，干旱歷時和干旱強(qiáng)度同時達(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)為干旱歷時和干旱強(qiáng)度的聯(lián)合分布函數(shù)。另外，對于建立好的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)評估中，往往對隨機(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)期對福建干旱過程進(jìn)行描述。

2 干旱氣候特征

2.1 干旱過程年季變化特征

2.1.1 全省干旱過程年頻數(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。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 歷年全省干旱過程強(qiáng)度和持續(xù)時間

由于指數(shù)累加的干旱強(qiáng)度包含有時間分量，不能充分體現(xiàn)干旱時間長強(qiáng)度弱，或干旱時間短強(qiáng)度強(qiáng)的過程差異，故采用平均強(qiáng)度分析歷次全省干旱過程強(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)時間最長的是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)干旱過程有3次(2011、1962和2003年)，強(qiáng)干旱過程有10次，較強(qiáng)干旱過程有21次，弱干旱過程有35次。同樣采用百分位數(shù)劃分持續(xù)時間，特長過程有2003、1967和2020年共3次。多年來，干旱持續(xù)時間變化不大(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程平均強(qiáng)度和持續(xù)時間變化Fig.1 Changes in mean intensity and duration of historical drought processes in Fujian Province during 1961-2020

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

2.2 干旱空間分布

2.2.1 單站最強(qiáng)干旱過程強(qiáng)度及持續(xù)時間空間分布

各站歷史最強(qiáng)干旱過程累計(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)干旱過程強(qiáng)度、(b)最強(qiáng)干旱過程歷時(單位：d)、(c)最強(qiáng)干旱過程發(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)干旱過程持續(xù)時間也是以沿海和武夷山為長(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220 d，即干旱時長超過7個月，最長的是長泰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，全省干旱過程最長持續(xù)時間224 d(2003年6月19日至2004年1月28日)，遠(yuǎn)短于單站干旱最長持續(xù)時間，對全省而言沒有四季連旱，符合氣候區(qū)概念，但對于局地而言，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，但沒有出現(xiàn)一年以上的連旱，總有一段時間有足夠的降水，通常間斷于5—6月的雨季或臺風(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)過程具有強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時間最長的特點(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，長汀最少僅為0.1 d，最多不超過5.1 d(平潭和延平)，超過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，中南部沿海縣市干旱多且重。

3 多年一遇干旱過程

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

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，先識別“行標(biāo)”法中全省干旱序列(即66個站逐日MCI指數(shù)逐日均值)的干旱過程，然后用極大似然法估計(jì)出氣候態(tài)下全省干旱過程的模型參數(shù)，再利用“本地算法”的全省MCI序列識別用于計(jì)算多年一遇干旱過程，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“行標(biāo)”法和“本地算法”形成的2套歷史干旱過程，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)”過程弱化了對福建有影響的干旱過程，而以“本地算法”過程估計(jì)參數(shù)是將有影響的干旱過程看做氣候常態(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)域干旱過程的重現(xiàn)期特征

3.2.1 全省干旱過程重現(xiàn)期時序特征

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)單站干旱過程強(qiáng)度指數(shù)，分別統(tǒng)計(jì)了單站干旱過程強(qiáng)度的多年一遇閾值，如圖5所示，無論多少年一遇，鷲峰山區(qū)都是最弱區(qū)；對于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)也是一個強(qiáng)區(qū)。50年一遇強(qiáng)區(qū)干旱強(qiáng)度指數(shù)超過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)期下的干旱歷時空間分布

同樣的，根據(jù)單站干旱過程歷時，統(tǒng)計(jì)了單站干旱歷時多年一遇閾值，干旱歷時的閾值隨著年數(shù)的增加，空間分布與強(qiáng)度閾值類似(圖6)，鷲峰山區(qū)屬于干旱歷時短的區(qū)域，中南部沿海區(qū)域歷時長。分析圖6a，平均2年就會遇到歷時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300 d，歷時近10個月(圖6f)。

圖6 福建省不同重現(xiàn)期下干旱歷時的空間分布(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長、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，越往北干旱歷時短、干旱強(qiáng)度弱；但對于重現(xiàn)期長，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長、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，另一個強(qiáng)度較強(qiáng)、歷時較長的區(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年以來各年干旱的空間分布，將單站年內(nèi)間隔小于1個月的干旱過程合并，重新統(tǒng)計(jì)干旱強(qiáng)度、歷時和重現(xiàn)期，各站干旱起止時間差異很大，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)、范圍之廣(大半個省域)、持續(xù)時間之長(特長等級)為歷史罕見(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，古田水庫無水發(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)548.14萬畝，糧食減產(chǎn)6億kg。除以上列出的18年，加上9年無旱年外，余下的33年干旱重現(xiàn)期均未超過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”，識別了1961—2020年福建省66個國家氣象站及全省區(qū)域的干旱過程，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)域無四季連旱；干旱歷時和干旱強(qiáng)度的變化趨勢基本一致；

(2)福建大部分干旱過程存在約為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長、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，越往北干旱歷時短、干旱強(qiáng)度弱；但對于重現(xiàn)期長，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長、干旱強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，另一個強(qiáng)度較強(qiáng)、歷時較長的區(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)時間之長為歷史罕見，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年無旱年之外，余下的33年干旱重現(xiàn)期均未超過50年。

4.2 討 論

福建是一個干旱比較頻發(fā)的省份，每年各地或多或少都會發(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)致針對性干旱防御策略存在很大的不確定性。本文僅對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，植被相對內(nèi)陸稀少，地下儲水能力差，加上臺風(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，雨季降水相對臺風(fēng)雨充沛，因此氣象干旱相對沿海弱。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)，對于用水的需求量大，干旱對其的影響相對較大；經(jīng)濟(jì)較好的區(qū)域?qū)τ诟珊档姆烙礁撸畮燧^多的地區(qū)對于干旱時用水的調(diào)節(jié)能力也更強(qiáng)等等，仍需要開展深入的探索。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)流背景等開展進(jìn)一步的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估研究。