江門市2003—2021年干旱特征分析

余興湛，陳鈴茵，張明欣，葉朗明

（1.臺山市氣象局，廣東臺山 529200；2.江門市新會區(qū)氣象局，廣東江門 529100；3.云南機(jī)場集團(tuán)有限責(zé)任公司麗江機(jī)場航務(wù)部氣象臺，云南麗江 674100；4.江門市氣象局，廣東江門 529000）

干旱是最具破壞力且常見的自然災(zāi)害之一，具有發(fā)生緩慢、持續(xù)時(shí)間長、時(shí)空影響效應(yīng)深遠(yuǎn)等特點(diǎn)［1］。隨著全球氣候變暖愈發(fā)激烈，干旱事件發(fā)生的頻率不斷上升，強(qiáng)度也趨于增強(qiáng)，嚴(yán)重影響著社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等方面的可持續(xù)發(fā)展［2］。因此，干旱的嚴(yán)重程度、持續(xù)時(shí)間、演變規(guī)律和監(jiān)測與預(yù)警等方面?zhèn)涫荜P(guān)注，已成為專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。干旱指標(biāo)是評估某一區(qū)域干旱事件的基礎(chǔ)，客觀、合理的干旱指標(biāo)能用數(shù)值準(zhǔn)確評估出干旱事件的嚴(yán)重程度和影響范圍［3］。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）不僅考慮了降水量，而且還考慮了溫度波動對干旱的影響，是國內(nèi)最為常用的干旱指數(shù)之一，且在華南地區(qū)的應(yīng)用分析中表現(xiàn)較為理想［4－7］。目前廣東省內(nèi)的干旱分析多是基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）［8－9］或逐日氣象干旱指數(shù)（DI）［10－11］，鮮有采用SPEI分析。已有研究表明廣東省干旱發(fā)生頻率較高，尤其是粵西地區(qū)，同時(shí)粵西還存在顯著的干旱趨勢［12－13］，但具體到江門市干旱特征的分析尚未見到。

江門市地處低緯，位于珠三角西部，瀕臨南海，降水充沛，但時(shí)空分布不均、年際差異較大，且90%的降水集中在4—9月，加之太陽輻射強(qiáng)、氣溫高，季節(jié)性干旱時(shí)有發(fā)生［14］。由于江門市地域廣闊，國家氣象觀測站（簡稱國家站）少，分辨率低，干旱災(zāi)害難以準(zhǔn)確評估。2003年起，廣東省氣象局大力建設(shè)區(qū)域自動氣象站（簡稱區(qū)域站），為天氣預(yù)報(bào)及分析、氣候研究等方面提供了高空間分辨率的氣象資料。但是目前對該資料的應(yīng)用研究仍處于起步階段，且多用于天氣學(xué)角度的實(shí)況分析。本研究采用江門市6個(gè)國家站和17個(gè)區(qū)域站的降水和氣溫資料，運(yùn)用SPEI，并結(jié)合Mann－Kendall（M－K）趨勢檢驗(yàn)、距離倒數(shù)乘（IDW）、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）等方法，分析江門市干旱的時(shí)空變化規(guī)律，旨在為當(dāng)?shù)氐姆篮悼购禍p災(zāi)和水資源合理調(diào)配提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

為了保證區(qū)域站數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性，剔除了數(shù)據(jù)總體缺測較多和連續(xù)缺測時(shí)間較長的站點(diǎn)，對剔除后存在缺測氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)的站點(diǎn)采用DeGaetano的標(biāo)準(zhǔn)序列法［15］進(jìn)行插補(bǔ)，最后對所有區(qū)域站的逐日降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空間一致性檢驗(yàn)?？臻g一致性檢驗(yàn)方法參考相關(guān)文獻(xiàn)［16］，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整：被檢測區(qū)域站以其50 km范圍內(nèi)的任一國家站作為對比，當(dāng)日平均氣溫滿足0.95×國家站數(shù)據(jù)≤被檢區(qū)域站數(shù)據(jù)≤1.05×國家站時(shí)，則為通過空間一致性檢驗(yàn)；當(dāng)日降水滿足0.85×國家站數(shù)據(jù)≤被檢區(qū)域站數(shù)據(jù)≤1.15×國家站時(shí)，則為通過空間一致性檢驗(yàn)，若某日數(shù)據(jù)沒有通過空間一致檢驗(yàn)，則用標(biāo)準(zhǔn)序列法插值得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。本研究數(shù)據(jù)為江門市6個(gè)國家站和篩選訂正后17個(gè)區(qū)域站2003年1月—2021年12月的逐月降水和氣溫資料，地形及站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 江門市地形及站點(diǎn)分布

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）

SPEI的計(jì)算方法和步驟參考Vicente－Serrano等［4］的文獻(xiàn)，其計(jì)算程序來源于西班牙高級科學(xué)研究所網(wǎng)站（http：／／digital.csic.es／handle／10261／10002）。 根據(jù) 《氣象干旱等級》（GB／T20481－2017）［17］，SPEI干旱等級劃分如表1所示。本研究分別利用年尺度（SPEI12）和季節(jié)尺度（SPEI3）分析年際干旱和季節(jié)干旱特征。

表1 SPEI干旱等級分類

1.3 數(shù)據(jù)處理

干旱指數(shù)的趨勢（Z）：應(yīng)用M－K趨勢檢驗(yàn)對單站的干旱變化趨勢顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)｜Z｜≥1.64（1.96）時(shí)，表示趨勢通過0.10（0.05）顯著性檢驗(yàn)［18］。

干旱頻率（F）：某站發(fā)生干旱的年數(shù)與時(shí)間序列總年數(shù)的比值為干旱頻率，其表征某站干旱發(fā)生的頻繁程度［19］。

干旱站次比（P）：某區(qū)域內(nèi)發(fā)生干旱的站點(diǎn)與總站點(diǎn)的比值，其用來評價(jià)干旱的影響范圍。參考文獻(xiàn)［20］相關(guān)研究，并考慮區(qū)域面積大小和區(qū)域站的數(shù)量，按照如下條件定義干旱發(fā)生的范圍：當(dāng)P≥50%時(shí)（站點(diǎn)數(shù)≥12個(gè)），為全域性干旱；當(dāng)50%＞P≥33%時(shí)（12個(gè)＞站點(diǎn)數(shù)≥8個(gè)）為區(qū)域性干旱；當(dāng)33%＞P≥10%時(shí)（8個(gè)＞站點(diǎn)數(shù)≥2）為局域性干旱；當(dāng)P＜10%時(shí)（站點(diǎn)數(shù)＜2個(gè)）為無明顯干旱發(fā)生。

干旱強(qiáng)度（S）：單站某時(shí)間段發(fā)生干旱時(shí)SPEI平均值的絕對值，其用來表征干旱的嚴(yán)重程度。通常定義：當(dāng)0.5≤S＜1.0時(shí)為輕旱；當(dāng)1.0≤S＜1.5時(shí)為中旱；當(dāng)1.5≤S＜2.0時(shí)為重旱；當(dāng)S≥2.0時(shí)為特旱［21］。

2 結(jié)果與分析

2.1 年際干旱

1）變化和趨勢。

圖2為江門市2003—2021年SPEI12年際變化和各站M－K趨勢系數(shù)分布。從年際變化可知，國家站和區(qū)域站兩組平均SPEI值的逐年變化趨勢一致，且數(shù)值差值較小，相關(guān)性也達(dá)到了0.91，說明區(qū)域站的SPEI值與國家站的SPEI值基本沒有差異，對分析結(jié)果的可靠性沒有影響。從23站平均SPEI年際變化可得，江門市平均每年干旱發(fā)生頻率為31.6%，其中輕旱、中旱的頻率分別為26.3%、5.3%，無重旱和特旱的情況發(fā)生。發(fā)生干旱的年份為2004、2005、2007、2011、2015和2021年，其中2021年為中旱，其余年份均為輕旱。從各站M－K趨勢系數(shù)來看，有21站（91.3%）呈上升趨勢，但僅有四九站通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，另外有2站呈下降趨勢，分別是大鰲和址山站，均未通過0.10的顯著性檢驗(yàn)，說明江門市SPEI整體呈不明顯的上升趨勢，即有濕潤趨勢。

圖2 江門市2003—2021年SPEI年尺度年際變化（a）和M－K趨勢系數(shù)（b）

2）年際干旱的范圍與強(qiáng)度。

圖3為江門市2003—2021年SPEI12年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度變化。

圖3 江門市2003—2021年年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度變化

從圖3可以看出，江門市干旱站次比的年際變化波動比較明顯，平均站次比為38.4%，其中有7年發(fā)生全域性干旱，分別是2003—2005、2007、2011、2015和2021年；另外有3年發(fā)生局域性干旱、1年發(fā)生區(qū)域性干旱和8年無明顯干旱發(fā)生。江門市年干旱強(qiáng)度在0.0～1.2之間，平均值為0.7，其中19年間僅3年無旱和1年強(qiáng)度值為1.17，其他年份的強(qiáng)度值都在0.5～1.0之間，說明江門地區(qū)發(fā)生干旱時(shí)的干旱強(qiáng)度較低，且以輕旱為主。綜合范圍和強(qiáng)度來看，有6年發(fā)生了全域性的輕旱，分別是2003—2005、2007、2011、2015年，僅有2021年1年發(fā)生了全域性的中旱，其余年份為無明顯干旱或非全域性輕旱，表明江門市發(fā)生干旱時(shí)，以全域性輕旱為主。

3）年際干旱的空間分布。

利用江門市23站2003—2021年的平均干旱頻率和強(qiáng)度，應(yīng)用IDW 方法進(jìn)行空間插值，得到19年平均的干旱頻率和強(qiáng)度的空間分布（圖4）。江門市各站發(fā)生干旱的頻率在17% ～39%之間，平均為27.2%；約有68%的區(qū)域發(fā)生干旱的頻率集中在26% ～28%，鶴山南部—開平東北部一帶地區(qū)、臺山中南部、臺山東北部偏東—新會西南部偏西一帶地區(qū)發(fā)生頻率較高；臺山南部部分地區(qū)、鶴山東南部—新會中北部偏北一帶地區(qū)、鶴山西北部及恩平東北部發(fā)生頻率較低。江門市各站發(fā)生干旱時(shí)的平均干旱強(qiáng)度在0.7～1.2，大部分地區(qū)都為輕旱等級，其中西南部和開平東北部—新會中部一帶的干旱強(qiáng)度較低，東北部大部的強(qiáng)度較高。綜上，江門市年際干旱發(fā)生的頻率較高，但強(qiáng)度較低且以輕旱為主。

圖4 江門市2003—2021年年際干旱頻率（a）和干旱強(qiáng)度（b）空間分布

4）年際干旱的一致性。

利用EOF方法對江門市23站的SPEI12時(shí)間序列進(jìn)行分解，第1個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到66.9%，因此第1模態(tài)是能很好代表江門市干旱的時(shí)空分布特征（圖5）。EOF第1模態(tài)空間向量場表現(xiàn)為高度的整體正值一致性，各站之間的差值比較小，表明出江門市整體干旱類型以同位相變化為主導(dǎo)，即存在一致變旱或變澇的特征，易出現(xiàn)全區(qū)域的干旱或洪澇，其數(shù)值分布表現(xiàn)為中部—西北部較大，東部較小，說明中部—西北部的敏感性高于東部。

圖5 EOF第1模態(tài)空間向量場分布

2.2 季節(jié)干旱特征

1）季節(jié)干旱變化和趨勢。

從各個(gè)季節(jié)干旱SPEI3年際變化（圖6）可知，冬季干旱發(fā)生的頻率（42.1%）最高，其次為春季（31.6%），夏、秋兩季的頻率（皆為26.3%）最低。冬旱主要發(fā)生在2003—2007年，春旱、夏旱和秋旱的年際變化波動均較明顯，發(fā)生干旱的年份較為分散。從季節(jié)連旱來看，2004年發(fā)生了夏秋冬連旱，2006—2007年發(fā)生了冬春連旱，2007年發(fā)生了秋冬連旱，2014年發(fā)生了夏秋連旱，2015年發(fā)生了春夏連旱，2020年—2021年發(fā)生了冬春夏連旱。

圖6 江門市2003—2021年各個(gè)季節(jié)干旱SPEI3年際變化

利用M－K趨勢檢驗(yàn)對不同季節(jié)單站的SPEI3進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。秋、冬兩季23站（100%）都呈現(xiàn)上升趨勢，春季則有22站（95.7%）呈上升趨勢，且秋、冬兩季分別有1和7站通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，春季沒有站點(diǎn)通過0.10 的顯著性檢驗(yàn)。夏季有21 站（91.3%）呈下降趨勢，僅有2站呈上升趨勢，且都沒有站點(diǎn)通過0.10的顯著性檢驗(yàn)。由此可知，江門除了夏季有微弱的干旱趨勢外，其他季節(jié)都呈濕潤趨勢，其中冬季最為明顯。

表2 2001—2021年各季節(jié)M－K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

2）季節(jié)干旱的范圍和強(qiáng)度。

圖7為江門市2003—2021年各個(gè)季節(jié)干旱站次比與干旱強(qiáng)度年際變化。

圖7 江門市2001—2021年四季干旱站次比和干旱強(qiáng)度變化

春季有5年發(fā)生全域性干旱，分別是2003、2007、2015、2018和2021年，其中2021年站次比為100%；另外均有2年發(fā)生局域性干旱和區(qū)域性干旱，有10年無明顯干旱發(fā)生。從干旱強(qiáng)度看，有11年輕旱、2年中旱、1年重旱，其中重旱發(fā)生在2010年，強(qiáng)度值為1.62。

夏季有5年發(fā)生全域性干旱，分別是2004、2014、2015、2020和2021年；另外有4年發(fā)生局域性干旱、2年發(fā)生區(qū)域性干旱和8年無明顯干旱發(fā)生。從干旱強(qiáng)度看，有11年輕旱、5年中旱、1年重旱，重旱發(fā)生在2010年，強(qiáng)度值為1.54。

秋季有4年發(fā)生全域性干旱，分別是2004年、2007年、2011年和2014年，其中2014年站次比為100%；另外有5年發(fā)生局域性干旱和10年無明顯干旱發(fā)生。2001—2014年干旱的范圍變化有較明顯波動，在2014年后干旱的范圍波動穩(wěn)定且較小。從干旱強(qiáng)度看，有10年輕旱、7年中旱、1年特旱，沒有發(fā)生重旱，其中特旱發(fā)生在2021年，強(qiáng)度值為2.30。

冬季有7年發(fā)生全域性干旱，分別是2003、2005—2007、2009、2019和2020年，其中2005年站次比為100%；另外均有1年發(fā)生局域性干旱和區(qū)域性干旱，有10年無明顯干旱發(fā)生。2010—2018年干旱的范圍比較小，其余年份干旱的范圍較大。從干旱強(qiáng)度看，有10年輕旱、2年中旱，沒有發(fā)生重旱和特旱，最大強(qiáng)度值為1.29。

綜上所述，江門市各個(gè)季節(jié)干旱發(fā)生頻率都較高，發(fā)生干旱時(shí)覆蓋的范圍也較大，且多數(shù)為全域性或區(qū)域性干旱。各個(gè)季節(jié)的干旱強(qiáng)度也比較接近，主要以輕旱為主，輕旱所占的比例均在50%以上。

3 結(jié)論

1）江門市干旱整體有不明顯的濕潤趨勢，年發(fā)生頻率為31.6%，平均站次比為38.4%，平均強(qiáng)度值為0.7，發(fā)生干旱時(shí)，以全域性輕干旱為主。

2）從年際干旱頻率和強(qiáng)度空間分布上看，江門市干旱發(fā)生頻率較高，但強(qiáng)度較低且以輕旱為主。

3）江門市整體干旱類型以同位相變化為主導(dǎo)，即存在一致變旱或變澇的特征，易出現(xiàn)全域性的干旱或洪澇。

4）江門市除了夏季有微弱的干旱趨勢外，其他季節(jié)都呈濕潤趨勢，冬季最為明顯。各個(gè)季節(jié)干旱發(fā)生頻率都較高，發(fā)生干旱時(shí)覆蓋的范圍也較大，且多數(shù)為全域性或區(qū)域性干旱。各個(gè)季節(jié)的干旱強(qiáng)度也比較接近，都以輕旱為主。

根據(jù)廣東省氣象災(zāi)害損失查詢系統(tǒng)及相關(guān)文獻(xiàn)資料［22］，結(jié)合江門本地氣象部門對干旱的記載，大致可以歸納出5個(gè)干旱過程：江門市2004—2005年發(fā)生秋冬春連旱、2007年發(fā)生夏旱、2010—2011年發(fā)生秋冬春連旱、2014—2015年發(fā)生冬春夏連旱、2020—2021年發(fā)生了秋冬春連旱。通過對比發(fā)現(xiàn)，年尺度SPEI能準(zhǔn)確識別出5次干旱過程，沒有空識別和漏識別，說明年尺度SPEI在江門地區(qū)的適用性表現(xiàn)優(yōu)秀；季節(jié)尺度SPEI僅識別出3個(gè)干旱過程，且識別時(shí)間上存在偏早或偏遲，識別過程也存在空識別、漏識別，說明季節(jié)尺度SPEI在江門地區(qū)的適用性表現(xiàn)一般。在干旱發(fā)生頻率上，江門市與廣東省、粵西地區(qū)的結(jié)論較為一致，而在干旱趨勢方面，江門市與粵西的結(jié)論相反。說明整體并不一定能很好代表局部，利用高空間分辨率的區(qū)域站數(shù)據(jù)能更全面、更詳細(xì)地分析出連續(xù)的空間特征。