粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件特征初探

劉泳濤，謝潔宏，黃河莎，林偉彬，王周玉，葉夢茜，

（1.普寧市氣象局，廣東普寧 515300；2.揭陽市氣象局，廣東揭陽 522000；3.惠來縣氣象局，廣東惠來 515200）

近年來，隨著全球變暖加劇，干旱和高溫事件發(fā)生頻率逐漸增加，二者同時發(fā)生（即復(fù)合高溫干旱事件）的概率也進(jìn)一步加大，由于這種復(fù)合事件對社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境影響遠(yuǎn)大于單一干旱或高溫事件［1］，得到了諸多氣象學(xué)者的關(guān)注。余榮等［2］歸納總結(jié)了復(fù)合型極端事件的定義、變化及歸因進(jìn)展等基本認(rèn)知；Zhou等［3］對中國歷史時期1961—2014年及未來2021—2080年復(fù)合事件的發(fā)生概率進(jìn)行了比較，表明未來中國大部分地區(qū)復(fù)合高溫干旱事件的發(fā)生概率將會增加；武新英等［4］通過標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）及標(biāo)準(zhǔn)化溫度指數(shù)（STI）識別復(fù)合高溫干旱事件后發(fā)現(xiàn)，我國大部分地區(qū)復(fù)合高溫干旱事件發(fā)生頻率呈不同程度的增加趨勢；Yu等［5－6］基于相對閾值法和氣象綜合干旱指數(shù)（MCI）得出了在1990年代后期以來，中國特別是西南和西北東部、華北北部和東南沿海地區(qū)發(fā)生復(fù)合高溫干旱事件變得更加頻繁和廣泛的結(jié)論。

目前廣東省對于高溫和干旱事件的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，秦鵬等［7］指出廣東省高溫天氣空間分布以總體一致型為主；伍紅雨等［8］研究總結(jié)了廣東高溫的氣候特征和變化規(guī)律，指出廣東年平均高溫日數(shù)以0.29 d／年的速率明顯增加，特別是2000年后更加明顯，其中增加最明顯的3個地區(qū)分別位于廣東東部、中部以北及西部地區(qū)；林巧美等［9］、蔡賽緘等［10］、李恒宇等［11］針對粵東揭陽、潮州和梅州大埔等地的高溫氣候變化進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出粵東各地不同程度呈高溫次數(shù)增多、強度增強的結(jié)論。在干旱方面王春林等［12］、彭窈等［13］、余興湛等［14］基于逐日干旱指數(shù)（DI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）等多種氣象干旱指數(shù)研究分析了廣東乃至華南干旱時空變化特征，普遍認(rèn)為廣東省整體呈干旱化趨勢。但由于選取的時間尺度、空間區(qū)域、指數(shù)方法不同，一些結(jié)論稍有差異［12－14］。目前尚沒有進(jìn)行對粵東乃至廣東區(qū)域內(nèi)高溫和干旱復(fù)合事件的研究，因此有必要研究粵東復(fù)合高溫干旱事件時空分布特征，為防災(zāi)減災(zāi)及有效應(yīng)對氣候變化提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

根據(jù)粵東氣候特點，本研究選取了1967—2021年5—10月作為研究時段。所用數(shù)據(jù)為粵東（揭陽、潮州、汕頭、汕尾、梅州20個國家地面氣象觀測站）的逐日最高氣溫和DI指數(shù)；數(shù)據(jù)來源于廣東省農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)。DI指數(shù)［12］的定義為

其中，SAPIi是第i日前期降水指數(shù)API的標(biāo)準(zhǔn)化變量；Mi為第i日常年平均相對濕潤度指數(shù)。

目前，復(fù)合高溫干旱事件（compound dronght and heat event）指標(biāo)定義較多，本研究綜合參考Yu等［6］對于復(fù)合高溫干旱事件的定義以及王春林等［15］對于廣東現(xiàn)行干旱指標(biāo)DI指數(shù)的研究，將粵東復(fù)合高溫干旱事件定義如下：首先分別計算高溫和干旱閾值，考慮年循環(huán)的影響，通過15 d滑動窗口（當(dāng)天及其前后7 d）計算逐日90（10）百分位高溫（干旱）閾值，以此判別高溫（干旱）事件，復(fù)合高溫干旱事件定義為高溫（tmax＞tmax90）和干旱（DI＜DI10）同時發(fā)生的事件。相比其他考慮月以上時間尺度為主的干旱指數(shù)，如基于SPI指數(shù)、SPEI指數(shù)和帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）等所計算的復(fù)合高溫干旱事件，該定義能提供更加客觀的日尺度干旱指數(shù)，有助于更好理解復(fù)合高溫干旱事件的日尺度和過程特征（表1）。

表1 復(fù)合高溫干旱事件的相關(guān)定義

研究采用線性分析、趨勢檢驗、滑動t檢驗、Morlet小波分析等方法［16］，分析粵東夏季復(fù)合高溫干旱時間的時間和周期變化特征；采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）方法［16］，分析粵東夏季復(fù)合高溫干旱時間的空間分布特征。

2 粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件時空變化

為研究粵東復(fù)合高溫干旱事件的空間分布特征，根據(jù)上述定義計算了粵東各站年均復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)（圖1a）和變化氣候趨勢系數(shù)（圖1b）。

圖1 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件年均日數(shù)的空間變化（等值線，單位：d）（a）及變化氣候趨勢系數(shù)（等值線）（b）

結(jié)果表明，近55年粵東夏季年均復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)大致呈北多南少空間分布，大值區(qū)主要出現(xiàn)在梅州五華和大埔附近，復(fù)合高溫干旱事件年平均天數(shù)超過5 d，潮州和汕頭附近為小值區(qū)。趨勢分析表明，粵東各站點復(fù)合高溫干旱事件以增加趨勢為主，除平遠(yuǎn)外都通過0.1顯著性檢驗（65%站點通過0.01顯著性檢驗），其中普寧、揭陽和豐順一帶顯著增加，增速超過0.21 d／年，這跟高溫空間變化趨勢［7－8］很類似，結(jié)合粵東氣候特點分析可能是高溫導(dǎo)致復(fù)合高溫干旱事件出現(xiàn)頻率變高，這跟SARHADI等［17］結(jié)論比較一致，即即使干旱的發(fā)生頻率不變，高溫干旱復(fù)合型事件也會隨著高溫事件的增加而增加。

為進(jìn)一步分析粵東復(fù)合高溫干旱事件的空間分布特征，對其作EOF分解，其中EOF分解的前3個模態(tài)方差貢獻(xiàn)總和為88.62%，且都通過North顯著性檢驗，可以代表粵東復(fù)合高溫干旱時間的空間分布特征（圖2）。

圖2 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件EOF分解前3個空間模態(tài)及方差描述（a、c、e）和對應(yīng)的時間系數(shù)（b、d、f）

第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為80.65%，遠(yuǎn)大于其他模態(tài)，是粵東復(fù)合高溫干旱最主要的時空分布型態(tài)，其空間向量場均為正值，說明粵東復(fù)合高溫干旱事件以同位相變化為主導(dǎo)，即存在一致偏多或偏少。時間系數(shù)的整體表現(xiàn)為上升趨勢，即粵東復(fù)合高溫干旱事件出現(xiàn)頻率變高（圖2ab）。另外，1991、1998、2002、2009、2011、2018、2020和2021年有明顯的正峰值，表明這些年份復(fù)合高溫干旱事件出現(xiàn)次數(shù)較多，是第1模態(tài)的典型 年 份；1967—1973、1981—1986、1992—1997、1991—2001和2005—2008等時段為負(fù)值，說明年份較少出現(xiàn)復(fù)合高溫干旱事件?？紤]粵東復(fù)合高溫干旱事件主要模態(tài)是全區(qū)一致型，因此本研究將粵東區(qū)域日最高氣溫和DI指數(shù)求平均，并根據(jù)上述定義計算區(qū)域平均復(fù)合高溫干旱事件，以此討論分析其時間變化特征。

EOF第2模態(tài)方差貢獻(xiàn)為4.9%，該模態(tài)空間分布型態(tài)為南北偶極型，即空間向量場呈南北反向變化特征，分界線為梅州－揭陽－潮州一帶，以北為負(fù)值一致性，以南為正值一致性。從其時間系數(shù)可知2020和1992年為第2模態(tài)典型偏少年份；2021、2010和2004年為典型偏多年份（圖2c－d）。

EOF第3模態(tài)方差貢獻(xiàn)為3.1%，該模態(tài)空間分布型態(tài)為南北3極型，粵東中部的豐順、普寧、揭陽、潮州和饒平一帶為負(fù)值一致區(qū)，其余南北區(qū)域為正值一致區(qū)。從其時間系數(shù)可知1992、1980和2004年為第3模態(tài)典型偏多年份；2019—2021年為典型偏少年份（圖2e－f）。

2.1 年變化

圖3為1967—2021年粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)距平及5年滑動平均趨勢變化，可知近55年來粵東復(fù)合高溫干旱事件以0.27次／年的趨勢顯著增加，通過0.01顯著性檢驗。從年代際變化上也可以明顯看出，粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)呈明顯增加，特別是2010年代及以后的復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)要遠(yuǎn)高于以前，其中2021年復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)長達(dá)67 d，為粵東歷史上最多的1年。從5年滑動平均進(jìn)一步分析，在1967—1973、1981—1986和1992—1997年大致為復(fù)合高溫干旱事件偏少時段；1988—1991和1998—2021年大致為偏多時段。結(jié)合粵東復(fù)合高溫干旱事件5年滑動t檢驗（圖3b）發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)為“升－降－升”的變化趨勢，起初復(fù)合高溫干旱天數(shù)呈上升趨勢，在1986年其統(tǒng)計量為－2.28，經(jīng)歷了由上升到下降的明顯突變，置信區(qū)間達(dá)95%；在1991年其統(tǒng)計量為2.07，經(jīng)歷了由下降到上升的明顯突變，通過0.05顯著性水平檢驗，這與武新英等［4］、Yu等［5－6］的研究結(jié)果相符。

圖3 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)距平年際、年代際變化趨勢（a）和滑動t檢驗（b）

運用Morlet復(fù)小波對粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)時間序列實行一維連續(xù)小波變換，并繪制小波周期變化圖和方差圖（圖略），結(jié)果表明，粵東復(fù)合高溫干旱事件在1975—2021年存在準(zhǔn)10年周期振蕩，幾乎整個分析時段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，全域性的屬性較強，結(jié)合小波分析方差可知其為復(fù)合高溫干旱事件的主周期變化；此外還存在3年左右（1992—2013年）和5年左右（2000—2021年）周期變化，對應(yīng)粵東復(fù)合高溫干旱事件的第2和第3周期。

2.2 月、日變化

進(jìn)一步分析粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)逐月、日變化（圖4）發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)90年代以前復(fù)合高溫干旱事件雖然每個月都出現(xiàn)過，但主要集中在7—8月，并且以1～2 d非持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件為主；20世紀(jì)90年代以后粵東5—10月復(fù)合高溫干旱事件都出現(xiàn)不同速率的增長趨勢，其中5和9月增長趨勢明顯高于其他月份，增長速率超過0.80次／年，并且通過0.01顯著性檢驗，特別在2021年最長復(fù)合高溫干旱事件持續(xù)了33 d（9月5日—10月7日）。

圖4 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件月、日際分布（a）和逐月趨勢變化（b）

2.3 不同持續(xù)時間過程變化

丁婷等［18］發(fā)現(xiàn)在1990年代后期以來中國高溫事件和干旱事件的顯著增加，原因可能是區(qū)域大氣環(huán)流的強烈年代際和年際變化，以及與不同區(qū)域溫度差異直接相關(guān)的水汽輸送，這也導(dǎo)致了中國出現(xiàn)復(fù)合高溫干旱事件的范圍更大，持續(xù)時間更長。從圖5可見，20世紀(jì)90年代前后粵東不同持續(xù)時間復(fù)合高溫干旱事件有顯著差異：20世紀(jì)90年代以前以1 d的復(fù)合高溫干旱事件為主；之后則明顯減少；反之以2 d及持續(xù)性（≥3 d以上）的復(fù)合高溫干旱事件為主，這3種趨勢均通過了0.01顯著性檢驗，其中持續(xù)性的復(fù)合高溫干旱事件增加趨勢最為顯著，這說明了20世紀(jì)90年代后粵東持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件顯著增加是粵東復(fù)合高溫干旱事件變得頻繁的主要原因。

圖5 粵東不同過程復(fù)合高溫干旱事件年際分布（a）和趨勢變化（b）

3 結(jié)論

1）采取滑動窗口計算逐日90（10）百分位高溫（干旱）閾值，以此判別高溫（干旱）事件，并定義粵東復(fù)合高溫干旱事件為高溫（tmax＞tmax90）和干旱（DI＜DI10）同時發(fā)生。

2）粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件呈北多、南少趨勢空間分布，趨勢變化大值區(qū)出現(xiàn)在中部普寧揭陽一帶，對應(yīng)EOF分解的第2和3模態(tài)即南北偶極型和南北3極型；而粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件的主要空間分布模態(tài)為全區(qū)一致偏多或偏少型（第1模態(tài)）。

3）粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件增長趨勢顯著，大致呈“升－降－升”的變化趨勢，在1986年經(jīng)歷了由上升到下降的明顯突變，在1991年經(jīng)歷了由下降到上升的明顯突變。復(fù)合高溫干旱事件具有3、5、10年左右的周期變化特征，其中在1975—2021年存在準(zhǔn)10年周期振蕩，是其主周期振蕩。

4）粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件在20世紀(jì)90年代以前主要集中在7—8月，并且以1～2 d非持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件為主；90年代以后5和9月增長趨勢明顯高于其他月份，并且通過0.01顯著性水平檢驗。

5）20世紀(jì)90年代前后粵東不同持續(xù)時間復(fù)合高溫干旱事件有顯著差異：20世紀(jì)90年代前以1 d的復(fù)合高溫干旱事件為主；之后以2 d及持續(xù)性的復(fù)合高溫干旱事件為主，其中持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件是粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件顯著增長的主要貢獻(xiàn)。