1965—2020年梅州市氣象干旱特征分析

黃浩明，陳金星，李思敏

（1.五華縣氣象局，廣東五華 514400；2.大埔縣氣象局，廣東大埔 514200；3.平遠縣氣象局，廣東平遠 514600）

干旱災(zāi)害廣泛影響農(nóng)林牧業(yè)和生態(tài)環(huán)境，開展干旱研究具有重大意義。近年來，隨著干旱事件頻發(fā)，關(guān)于干旱的研究日益得到重視［1-3］。氣象干旱指數(shù)（Drought Index，DI）是干旱研究的核心，不同的指數(shù)有不同的適用性，學(xué)者們開發(fā)了多種干旱指標研究了多個地區(qū)的干旱時空變化特征［4-7］。王春林等［8］根據(jù)標準化前期降水指數(shù)（SAPI）和常年平均相對濕潤度指數(shù)（M）構(gòu)建了逐日DI，適用于刻畫干旱的季節(jié)性區(qū)域性差異。DI干旱指標通過廣東省氣象局業(yè)務(wù)準入評審，成為廣東省氣象部門現(xiàn)行氣象干旱指標標準［9］。

梅州地處粵東蓮花山以北，是廣東少雨中心之一，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，同時具有冷熱懸殊、氣流閉塞和易旱易澇等氣候特點。粵東北地區(qū)是以梅州為高值中心的極端降水異常區(qū)和敏感區(qū)之一，也是干旱發(fā)生的高風(fēng)險區(qū)［10］，有必要對梅州的氣象干旱特征進行研究。目前對梅州地區(qū)的氣象干旱研究工作開展得較少，因此本研究擬使用逐日氣象DI，計算得到月干旱指數(shù)（MI）和年干旱指數(shù)（YI），分析梅州近56年氣象干旱特征，探究其氣象干旱的變化趨勢，以期為梅州市氣象干旱監(jiān)測預(yù)測和氣象防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

本研究使用的資料來源于廣東省氣候中心統(tǒng)計的梅州市7個國家站的單站逐日氣象DI。參考廣東省氣象部門現(xiàn)行氣象干旱指標標準，梅州MI定義為單站月內(nèi)小于0的逐日DI之和除以月總天數(shù)，再取7個站的平均。YI為年內(nèi)12個月MI的平均。YI與MI均為負值，值越小表征干旱程度越強。參考《GB／T 20481-2017氣象干旱等級》［11］和王春林等［9］的研究，給出表1，YI指標可參照DI和MI指標。

表1 氣象干旱等級標準

干旱過程：DI連續(xù)10 d為輕旱以上等級時認為發(fā)生一次干旱過程，在干旱過程中，當DI連續(xù)10 d為無旱等級時認為干旱過程結(jié)束［12］。年干旱強度：年內(nèi)所有干旱過程內(nèi)的達輕旱等級的DI之和為年干旱強度，數(shù)值越小代表干旱過程強度越強。干旱是一個較為長期的階段性過程，YI未考慮到非干旱過程的某日DI對干旱的夸大作用，因此定義年干旱強度與YI作對比。本研究定義3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季。

本研究統(tǒng)計了梅州MI、YI、年干旱強度等統(tǒng)計量，建立一元線性回歸方程研究干旱變化趨勢，并結(jié)合M-K突變檢驗法和Molet小波分析研究干旱變化的氣候突變和周期特征?？紤]到DI僅與標準化前期降水指數(shù)和常年平均相對濕潤度指數(shù)有關(guān)，而造成干旱的原因既有自然因素也有人為因素，DI不能代表廣義上的干旱［13］，因此本研究僅針對氣象干旱，在日常旱情分析研判時仍需結(jié)合多方面因素來綜合考慮。

2 氣象干旱特征分析

2.1 氣象干旱指數(shù)與雨量和季節(jié)的關(guān)系

計算梅州市1965—2020年的月平均雨量與MI的關(guān)系可知，雨量與MI存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r＝0.843，計算t＝4.963＞t0.01＝3.169，通過了顯著性水平為0.01的t檢驗。MI為負值，越小表征干旱程度越強。雨量越小，MI越小，干旱程度越強，因此干旱與雨量具有負相關(guān)關(guān)系。另外，梅州市降水量季節(jié)性差異明顯，汛期雨量充沛，發(fā)生干旱的幾率?。?月MI值接近-0.5，11和12月MI多年平均甚至達到了輕旱等級，說明秋末到初春梅州基本處于干旱的狀態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計，近56年梅州發(fā)生干旱過程次數(shù)共有104次，其中春旱14次、夏旱13次、秋旱33次、冬旱44次，秋冬連旱18次、冬春連旱9次，夏秋連旱11次、春夏連旱2次。這說明梅州秋冬季易發(fā)干旱，春夏季次之，這與雨量的季節(jié)分布大致相反。因此，雖然梅州處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量相對充沛，但是降水季節(jié)分布不均，秋末到初春極易發(fā)生氣象干旱。

2.2 年干旱指數(shù)年際變化特征

1）趨勢分析。

圖1為1965—2020年梅州市YI趨勢變化。由圖1可以看出，近56年梅州YI呈減小趨勢，說明梅州的干旱有增強的趨勢。但一元線性回歸方程斜率為-0.000 4，線性相關(guān)系數(shù)為-0.05未通過顯著性檢驗，這表明梅州的干旱總體上略有加強但不顯著。從5年滑動平均曲線來看，干旱呈波動式加強，20世紀80年代初到90年代末期經(jīng)歷了一個平穩(wěn)階段。YI最小為2005年的-0.51，全年平均達到了輕旱等級；1977、1991、1996和2020年接近-0.5。上述年份的統(tǒng)計結(jié)果表明干旱指數(shù)YI的冬季貢獻率遠大于其他季節(jié)，之后依次是秋、春和夏季；1977年春季和2005年冬季平均達到中旱等級，2020年冬季達到重旱等級。這表明梅州秋冬季易發(fā)干旱，但強度不強，極端干旱事件的發(fā)生概率小。

圖1 1965—2020年梅州市年干旱指數(shù)變化趨勢

2）M-K突變檢驗。

M-K突變檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量。

圖2為YI突變檢驗圖，由UF曲線可知，1965—1969年以及2004—2015年YI有減小趨勢，1972—2003年YI有增大的趨勢；3個時間段UF曲線均未超出0.05顯著性水平臨界線，說明YI減小或增大的趨勢都不顯著。從UF和UB曲線交點來看，分別在1966、1968、1996、2002、2009和2019年有一個交點，且均位于0.05顯著性水平臨界線內(nèi)。經(jīng)分析后認為，1966和2002年附近發(fā)生氣候突變使梅州干旱趨向加強；1968年附近發(fā)生一次氣候突變使梅州干旱趨向減弱。

圖2 1965—2020年梅州市年干旱指數(shù)M-K突變檢驗

3）周期分析。

由YI的Morlet小波分析系數(shù)實部圖（圖略）發(fā)現(xiàn)，梅州干旱變化過程中存在多個時間尺度特征?？偟膩砜?，梅州56年的干旱演變過程中存在16年左右的大周期：1965—1975年發(fā)生一次干旱與非干旱交替的振蕩，1998—2020年發(fā)生準兩次非干旱與干旱交替的振蕩。1976—1988和2003—2019年各發(fā)生兩次8年左右的干旱與不干旱振蕩。除20世紀80年代初期，整個時間長度里存在多次準3年的小周期振蕩。

圖3給出了梅州YI的Morlet小波功率譜與小波全譜。黑色虛線為影響錐，該線以下受到邊界效應(yīng)的影響，周期特征存在不確定性。黑色實線和紅色虛線為0.05水平顯著性檢驗線。從小波功率譜可以發(fā)現(xiàn)，通過0.05水平顯著性檢驗的頻域和時域中心有兩個，其中心坐標分別為（3，1976）和（3，1998），同時能量在每個中心的時域集中范圍分別為1968—1980和1988—2018年，說明以上兩個時段內(nèi)梅州的干旱趨向具有確定的和顯著的準3年的周期特征。從小波全譜來看，譜線存在3個明顯的峰值，即干旱指數(shù)YI存在準3、8和16年左右的主要周期。為了檢測上述周期是否具有氣候?qū)W意義，使用α＝0.05紅噪聲標準譜作為背景譜對干旱指數(shù)YI進行顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，只有3年左右周期的譜線大于顯著性檢驗線，說明3年左右的振蕩周期為YI的主周期。

圖3 1965—2020年年干旱指數(shù)小波功率譜（a）與小波全譜（b）

2.3 年干旱強度變化

干旱是一個階段性過程，YI未考慮到非干旱過程的某日DI極值對干旱的夸大作用，因此定義年干旱強度：年內(nèi)所有干旱過程內(nèi)達到輕旱等級的DI之和為年干旱強度。圖4揭示了梅州市年干旱強度的變化趨勢。由強度曲線可以看出，整個時間序列干旱強度波動起伏，較干旱的年份有1968、1977、1996、2005和2020年。趨勢分析表明，近56年梅州的干旱強度略有加強，但未通過顯著性檢驗。年干旱強度較大的年份和多年的趨勢變化基本上都與YI的結(jié)果相似，對年干旱強度進行M-K突變檢驗和Molet小波分析（圖略）的結(jié)果均與YI的結(jié)果相似，說明DI極值對干旱演變過程的影響不大。

圖4 1965—2020年梅州市年干旱強度變化趨勢

3 結(jié)論

1）1965—2020年梅州的氣象干旱程度與月平均雨量具有明顯的反相關(guān)關(guān)系；56年來梅州干旱過程主要集中在秋冬季，秋末到初春極易發(fā)生氣象干旱，極端干旱事件發(fā)生概率小。

2）線性回歸趨勢分析表明，近56年梅州的干旱趨勢總體上略有加強，但是不顯著。干旱呈波動式加強，20世紀80年代初到90年代末經(jīng)歷了一個平穩(wěn)階段。

3）M-K突變檢驗表明，1965—1969和2004—2015年梅州干旱趨向加強，1972—2003年干旱趨向減弱，但都不顯著。1966和2002年前后分別發(fā)生一次氣候突變使梅州干旱趨于明顯；1968年前后發(fā)生一次氣候突變使梅州干旱趨向減弱。

4）梅州干旱演變過程中存在準16、8和3年振蕩周期，其中準3年周期振蕩具有最強的能量并且通過紅噪聲檢驗，是干旱變化的主周期。1968—1980和1988—2018年2個時段內(nèi)的干旱趨向具有明顯的準3年周期特征，并且通過0.05水平的顯著性檢驗。

5）年干旱強度的變化趨勢、突變以及周期特征與年干旱指數(shù)相似，非干旱過程的DI指數(shù)極值對干旱演變過程的影響不大。