基于PDSI 指數(shù)的近40 年廣東干旱特征分析

陸杰英，孫麗穎，王春林，翟志宏，吳健達

（1.廣東省廣州市增城區(qū)氣象局，廣州 511300；2.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心，廣州 511430；3.環(huán)珠江口氣候環(huán)境與空氣質(zhì)量變化野外科學(xué)觀測研究站，廣東 珠海 519082）

引言

廣東地處熱帶和亞熱帶地區(qū)，是中國光、熱、水資源特別豐富的地區(qū)，氣候溫暖，雨量充沛，四季水果飄香，特別是荔枝、香蕉、柑橘、菠蘿是中國重要的水果生產(chǎn)基地，然而該地區(qū)旱澇災(zāi)害時有發(fā)生，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

近年來，Dai［1］認(rèn)為全球氣象干旱呈增加趨勢。國內(nèi)不少學(xué)者的研究也表明，1960 年以來，中國氣象干旱程度在加重，范圍也在增加［2，3］。Shi 等［4］發(fā)現(xiàn)，南北方的干旱特征發(fā)生了改變，北方干旱的同時，南方干旱變得更加明顯。當(dāng)前已有的研究大多仍以中國北方干旱區(qū)為主要研究區(qū)域，往往忽視濕潤地區(qū)的干旱研究，所以研究廣東地區(qū)的干旱特征具有重要意義。

降水持續(xù)偏少是氣象干旱重要的特征，因此，許多常用的氣象干旱指數(shù)都以降水量為唯一考慮要素使用不同原理計算得到的［5］。1965 年P(guān)almer［6］建立了帕默爾干旱指數(shù)（Palmer drought severity index，PDSI），該指數(shù)考慮了土壤水分以及蒸散發(fā)，相校對于其他氣象干旱指數(shù)，PDSI 物理意義清晰明確，是研究和檢測氣象干旱應(yīng)用最為廣泛的指標(biāo)之一。本研究使用廣東省86 個國家氣象觀測站提供的月降水和月平均氣溫氣象要素，以及土壤有效含水量數(shù)據(jù)構(gòu)建PDSI 指數(shù)，探討廣東地區(qū)近40a 以來的干旱頻率和時間變化特征，以期為廣東省干旱研究提供參考。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文中研究構(gòu)建PDSI 指數(shù)所用的氣象數(shù)據(jù)取自廣東省86 個國家氣象觀測站1979 年1 月—2021年2 月近40a 的月平均降水以及月平均氣溫數(shù)據(jù)，使用Dai 等［1］制作面向陸面過程模型的中國土壤水文數(shù)據(jù)集中的田間持水量和凋萎系數(shù)，計算土壤有效含水量（AWC）數(shù)據(jù)，作為PDSI 指數(shù)的輸入。年際研究時段為1979—2020 年，月研究時段為1979 年1 月—2020 年12 月；在季節(jié)的劃分上，將春季定義為3—5 月，夏季6—8 月，秋季9 至11月，冬季為12 月—次年2 月（為使各季節(jié)指數(shù)長度一致，季節(jié)分析使用資料擴展到2021 年2 月）。

為驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用應(yīng)用較為廣泛［5］的英國East Anglia 大學(xué)氣候研究中心（CRU）1979年1 月—2021 年2 月逐月干旱自校正PDSI 數(shù)據(jù)（CRU-scPDSI 空間分辨率為0.5°×0.5°），對計算的PDSI 指數(shù)進行時空驗證，兩者相關(guān)性達到0.76，空間分布較一致。

1.2 研究方法

1.2.1 PDSI 計算方法

PDSI 指數(shù)基于一個簡易的兩層土壤水分收支模型，綜合考慮了溫度、降水及下墊面的影響，其中溫度的影響通過蒸發(fā)表現(xiàn)，下墊面通過AWC 表現(xiàn)。關(guān)于PDSI 指數(shù)的具體算法可參考Palmer［6］。PDSI計算方法大致如下：

首先計算出各時期的氣候適宜降水量，并以實際降水量減去獲得水分虧缺量，然后對用氣候修正系數(shù)進行氣候修正獲得水分虧缺指數(shù)，最后使用持續(xù)時間因子對水分虧缺指數(shù)進行處理，獲得考慮了前期水分條件影響的最終的PDSI 值。PDSI 的時間尺度有逐周和逐月兩種，目前應(yīng)用最廣的為月尺度的PDSI，故本研究采用月尺度的PDSI 數(shù)據(jù)資料，以下以月尺度PDSI 的計算為例。

PDSI 構(gòu)建的主要輸入為降水、氣溫、土壤有效含水量，基于水量平衡原理建立水平衡方程，計算水分距平d：

式中，IPDSI為當(dāng)月指數(shù)，IPDSI-1為上一個月指數(shù)，對于1979 年1 月，本文給定了一個初值為Zi/3，Zi為當(dāng)月水分異常指數(shù)，因此后續(xù)的計算則可以在前一個月值的基礎(chǔ)上進行。

本文使用美國內(nèi)布拉斯-林肯大學(xué)研究人員發(fā)布的PDSI 計算程序［1-7］，輸入1979 年1 月 到2021年2 月的逐月降水、氣溫和AWC 數(shù)據(jù)后，輸出和降水長度一致的PDSI 數(shù)據(jù)（此處選擇到2021 年2 月是為了方便用于季節(jié)的完整性計算）。帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）是一個基于水量供需關(guān)系的干旱指數(shù)，在當(dāng)?shù)厮止┎粦?yīng)求時即為干旱，否則為濕潤。帕默爾［6］計算了PDSI 值通常介于-4～4 之間，不同大小的值反映不同的干旱或濕潤等級。PDSI 干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 干濕等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 廣東地區(qū)干旱時間演變特征

2.1.1 年際變化特征

圖1 給出1979 年—2020 年廣東地區(qū)PDSI 指數(shù)年際變化情況。分析發(fā)現(xiàn)，近40a 廣東地區(qū)PDSI指數(shù)呈現(xiàn)略微下降趨勢，降速為0.005·（10a）-1，但未能通過信度0.05 的檢驗，表明對于處在亞熱帶的廣東地區(qū)來說，干旱化趨勢并不明顯。從年代際變化來看，20 世紀(jì)80—90 年代大部分年份的PDSI 指數(shù)屬于正常等級（-1＜PDSI＜1），只有1983 年P(guān)DSI 指數(shù)達到輕微濕潤等級（2＜PDSI≤1）。21 世紀(jì)00 年代年P(guān)DSI 指數(shù)大部分年份屬于正常等級，只有2003年、2004 年、2005 年P(guān)DSI 指數(shù)達到輕微干旱等級（-2＜PDSI≤-1），即該年代為干化較為明顯的年代。而進入21 世紀(jì)10 年代后，PDSI 指數(shù)較前期有所增大，只有2020 年P(guān)DSI 指數(shù)-1.0 達到輕微干旱等級。研究時段內(nèi)只有4 個年份PDSI 指數(shù)達到干旱等級，分別是2003 年、2004 年、2005 和2020 年，均為輕微干旱等級。由于PDSI 指數(shù)綜合考量了土壤有效含水量以及蒸散發(fā)等綜合性較強因素，上述年份PDSI 指數(shù)顯示達到干旱等級的，實況均發(fā)生干旱事件但干旱程度略有偏差，表明PDSI 指數(shù)對判斷干旱事件發(fā)生有指示意義，但干旱程度略有偏差需根據(jù)實際情況稍作調(diào)整。

綜上所述，廣東地區(qū)PDSI 指數(shù)整體呈現(xiàn)不顯著的輕微干化趨勢，降速為0.005·（10a）-1。其中，2004 年P(guān)DSI 值為-1.47，為40a 內(nèi)最低值，該時段降水最少是研究時間段內(nèi)廣東地區(qū)年尺度上最干旱的年份。

2.1.2 季節(jié)變化特征

通過分析干旱指數(shù)PDSI 季節(jié)變化特征，發(fā)現(xiàn)一年四季PDSI 指數(shù)均呈不同程度的下降趨勢（均未通過顯著性檢驗），其中春季下降趨勢最明顯，降速為0.2·（10a）-1；夏季、秋季、冬季均呈略微下降趨勢，降速分別為0.007·（10a）-1、0.005·（10a）-1、0.005·（10a）-1，但四季的線性趨勢均沒有通過信度0.05 的顯著性檢驗。春季PDSI 指數(shù)達到干旱等級有7a，均為輕微干旱等級；PDSI 指數(shù)最小出現(xiàn)在2002 年為-1.43。夏季PDSI 指數(shù)達到干旱等級有3 年，分別是2003年、2004 年和2005 年，均為輕微干旱等級，最小值為-1.31（2004 年）。秋季PDSI 指數(shù)達到干旱等級共有8a，均為輕微干旱等級，最小值-1.82（2004 年）。冬季PDSI 指數(shù)達到干旱等級共有7a，2004 年最小值為-1.82。

秋季PDSI 指數(shù)達到干旱等級的頻次為8 次，是四季中發(fā)生干旱頻率最高的季節(jié)，其次是春季和冬季，均為7 次，而夏季則是頻次最少的季節(jié)，僅有3次。四季中所有達到干旱等級的均為輕微干旱等級。

2.1.3 月變化特征

分析近40a 干旱指數(shù)PDSI 月變化可知，PDSI指數(shù)呈現(xiàn)略下降趨勢，降速為0.004·（10a）-1，線性趨勢沒有通過信度0.05 的顯著性檢驗，沒有線性一致的干化趨勢，而呈現(xiàn)多波動現(xiàn)象。從指數(shù)曲線變化分析發(fā)現(xiàn)廣東地區(qū)出現(xiàn)兩個PDSI 指數(shù)長時間持續(xù)負(fù)值的區(qū)間，分別是：從2003 年2 月到2006 年4 月，持續(xù)33 個月PDSI 指數(shù)均為負(fù)值，其中有23 個月份PDSI 指數(shù)達到輕微干旱等級（-2＜PDSI≤-1），占比70%；有連續(xù)3 個月達到中等干旱等級（-3＜PDSI≤-2），分別 是：2004 年11 月、2004 年12 月 和2005 年1月，其中最低值-2.2 出現(xiàn)在2004 年12 月。另一個是從2006 年12 月到2009 年12 月共37 個月PDSI指數(shù)持續(xù)負(fù)值，其中有12 個月PDSI 指數(shù)達到輕微干旱等級占比27%，最小值為-1.75。2004 年12 月PDSI 指數(shù)是研究時段內(nèi)最低值。

結(jié)合廣東省氣候中心提供的氣象災(zāi)害損失庫數(shù)據(jù)，2003—2009 年均出現(xiàn)不同程度的氣象干旱災(zāi)害過程，且秋冬春連旱事件常有發(fā)生。其中2004 年9月21 日至2005 年4 月30 日，全省降水一致偏少，沿海大部和西南部降水較常年同期偏少五成以上，珠江口和西南部部分地區(qū)偏少達七八成（4 大江河出現(xiàn)歷史最低水位），其中粵西的徐聞偏少七成?；浳餍炻効h從2004 年9 月24 日開始，連續(xù)248d 沒下過“透雨”（日降水量≥20mm），打破1902 年以來的歷史記錄，出現(xiàn)百年一遇的特大干旱。指數(shù)的變化與實況基本相符。

2.2 廣東地區(qū)干旱空間分布及變化特征

2.2.1 頻率空間分布

從近40a 廣東地區(qū)干旱發(fā)生頻率空間分布情況看，各地干旱發(fā)生頻率介于4.8%～26.1%之間，平均頻率是15.5%。其中粵北地區(qū)大部分市縣、珠三角南部地區(qū)以及粵東局部地區(qū)為干旱頻率低值區(qū)，干旱發(fā)生頻率普遍低于10%。而處于粵西地區(qū)的陽江、徐聞、高州、廉州，以及粵東的海豐、信宜等地方干旱頻率均大于20%，為干旱發(fā)生的高頻區(qū)。全省大部分地區(qū)的干旱頻率在10%～20%之間，并呈現(xiàn)多片區(qū)分布現(xiàn)象。

近40a 廣東地區(qū)春季干旱發(fā)生頻率介于42.9%～16.7%之間，平均頻率為27.7%；粵西大部分城市、粵東部分城市以及珠三角局部城市發(fā)生頻率均高于平均值，為干旱高發(fā)區(qū)，其中頻率最高是粵西的陽江為42.9%，其次是粵東的海豐為40.5%。夏季是華南地區(qū)雨季，干旱不易發(fā)生，發(fā)生頻率介于7.1%～35.7%，頻率差距較大，頻率最高在粵西的化州為35.7%。秋季干旱出現(xiàn)頻率介于14.3%～42.9%之間，平均頻率為14.3%，頻率最高發(fā)生在粵西的信宜為42.9%。冬季干旱出現(xiàn)頻率介于11%～42.9%之間，最高頻率在粵西的信宜為42.9%。由此可見，四季中廣東發(fā)生干旱頻率最高的區(qū)域位于粵西。

2.2.2 長期變化趨勢空間分布

由于PDSI 指數(shù)值越小表示該地區(qū)越干，則當(dāng)指數(shù)的線性變化趨勢呈下降趨勢時表示有干化的趨勢。從近40a 廣東地區(qū)干旱指數(shù)年變化趨勢變化空間分布（圖略）可見，廣東整體呈現(xiàn)東西兩邊干化中部濕化的長期變化趨勢分布格局，明顯看出粵北及珠三角大部分地區(qū)呈現(xiàn)PDSI 上升趨勢，粵東和粵西大部分地區(qū)PDSI 呈略下降的趨勢。干化最明顯的地區(qū)是粵西陽春地區(qū)線性傾向為-0.41·（10a）-1，其次是粵東的龍門地區(qū)線性傾向為-0.34·（10a）-1、粵東河源地區(qū)線性傾向為-0.31·（10a）-1，可見近40a粵西和粵東地區(qū)的干化趨勢較為明顯。

從季節(jié)趨勢分布情況看（圖1），春季廣東地區(qū)PDSI 指數(shù)基本呈現(xiàn)下降趨勢，其中粵西的陽春和陽江干化趨勢最為明顯，線性傾向分別為-0.57·（10a）-1和-0.44·（10a）-1。在夏季粵北及珠三角部分地區(qū)呈上升趨勢，粵西和粵東地區(qū)則呈下降趨勢，下降最明顯是粵西的陽春，趨勢為0.40·（10a）-1。秋冬兩季分布格局較為一致，粵東、粵西及粵北部分地區(qū)均呈下降趨勢，秋季下降最為明顯的是陽春，而冬季下降最明顯是粵東的龍門。由此可見，粵西的陽春在春、夏、秋三季PDSI 指數(shù)下降趨勢最明顯。

圖1 1979—2020 年廣東地區(qū)不同季節(jié)干旱變化趨勢分布圖

3 結(jié)論與討論

文中利用廣東省86 個國家氣象觀測站1979 年1 月—2021 年2 月近40a 的月平均降水和氣溫數(shù)據(jù)以及同期的土壤有效含水量數(shù)據(jù)，計算了研究時段內(nèi)的干旱指數(shù)PDSI，并用英國East Anglia 大學(xué)氣候研究中心（CRU）構(gòu)建的全球0.5°×0.5°月尺度1979—2020 年自校正PDSI 數(shù)據(jù)進行驗證，分析了廣東地區(qū)近40a 的干旱時空分布特征。主要分析結(jié)論如下：

（1）近40a 廣東地區(qū)PDSI 呈輕微干化的不顯著趨勢，降速為0.005·（10a）-1。表明處于熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的廣東地區(qū)干旱化趨勢并不明顯。2004年是廣東地區(qū)研究時段內(nèi)最干旱的一年，PDSI 值為-1.47。但值得注意的是，雖然2004 年是研究時段內(nèi)最干旱的一年，但其PDSI 指數(shù)只達到輕微干旱等級，而氣象干旱災(zāi)害等級中則為嚴(yán)重干旱等級，兩個指數(shù)差異的原因可能與PDSI 指數(shù)綜合考量了降水量、氣溫及土壤有效含水量的影響有關(guān)，兩者考量的影響因子不同，導(dǎo)致干旱等級略有偏差。

（2）一年四季均呈不同程度的干化趨勢，但都不顯著。春季PDSI 指數(shù)下降趨勢最明顯，降速為0.2·（10a）-1，其余三個季節(jié)呈略微下降趨勢。秋季是四季中發(fā)生干旱頻率最高的季節(jié)，而夏季是發(fā)生干旱頻率最低的季節(jié)；2003—2009 年春秋冬連旱常有發(fā)生。

（3）月尺度PDSI 指數(shù)呈不顯著的下降趨勢，降速為0.004·（10a）-1，呈現(xiàn)多波動現(xiàn)象。其中，2004 年11 月、2004 年12 月和2005 年1 月連續(xù)3 個月PDSI指數(shù)達到中等干旱等級（-3＜PDSI≤-2），2004 年12月達到最低值。

（4）近40a 廣東整體呈現(xiàn)東西干化中部濕化的長期變化趨勢分布格局，粵西和粵東地區(qū)的干化趨勢較為明顯，最明顯是粵西的陽春降速為0.41·（10a）-1；全省干旱發(fā)生頻率介于4.8%～26.1%之間，粵西為發(fā)生干旱高頻地區(qū)?；浳鞯年柎涸诖?、夏、秋三季PDSI指數(shù)下降趨勢最明顯，一年四季中發(fā)生干旱頻率最高的區(qū)域均位于粵西地區(qū)。