基于DI指数的佛山市气象干旱变化趋势分析

麦雪湖，梁华玲，麦文强，程银琳

(1.广东省东莞市环境监测中心站，广东 东莞 523000；2.广东省佛山市气象局，广东 佛山 528000)

1 引言

干旱类型通常被分为农业干旱、水文干旱、气象干旱和社会经济干旱，其中气象干旱的发生是最直接和最频繁的，也是其他类型干旱发生发展的基础。气象干旱指数是干旱监测与研究的核心[1]。学者们已发展了众多的气象干旱指数，用以分析和监测干旱的变化并对我国的干旱变化进行研究[2-8]。逐日气象干旱指数(DI)是王春林基于标准化前期降水指数(SAPI)和常年平均相对湿度高指数(M)构建的[9]。DI干旱指标已通过广东省气象局业务准入评审，成为广东省气象部门现行气象干旱指标标准。佛山处于亚热带，雨量虽较充足，但由于降水分布不均，同时太阳辐射强，气温高，蒸发和作物蒸腾量大，因此季节性、区域性气象干旱也时有发生，但在目前的气象监测和预报业务中，对于气象干旱的监测与评估工作开展仍较少。本文拟利用DI指数对佛山市近59 a气象干旱特征进行分析，以期掌握佛山市气象干旱的变化趋势，为佛山市气象干旱预测和加强气象防灾减灾工作提供科学依据。

2 资料和方法

本文使用的资料来自于广东省气候中心的逐日气象干旱指数DI，基于DI的气象干旱等级标准如表1。

表1 气象干旱等级标准Tab.1 Meteorological drought grade

根据DI指数分别统计佛山3个国家气象观测站(三水、南海、顺德)的1959—2017年各个气象干旱等级的日数，把轻旱及以上等级的总日数作为总的干旱日数，用3站平均表征佛山市，采用“二项式系数加权平均法”[11]进行趋势分析，结合M-K检验和小波分析等方法分析气候突变和周期变化，对佛山市气象干旱变化趋势进行分析研究。

3 气象干旱变化趋势分析

3.1 年气象干旱日数变化趋势分析

佛山市1959—2017年共有气象干旱日数5 070.3 d，年平均85.9 d，年极端最大为182 d(1963年)，年极端最小为2.3 d(1975年)。图1描述了59 a佛山年气象干旱日数的变化，实线表示原始序列，虚线为经过二项式系数加权平均的11 a平滑序列，点线为平滑序列的线性回归趋势。线性回归分析中相关系数R为0.643，通过了0.001的显著性水平检验，倾向值b为负值，表明近59 a以来，佛山年气象干旱日数呈减少变化的趋势。由平滑曲线可以看到，除了20世纪80—90年代年气象干旱日数经历了一个平稳期，年气象干旱日数整体呈波动式减少。

图1 1959—2017年佛山年气象干旱日数变化Fig.1 Variation of anomaly meteorological drought days in Foshan from 1959 to 2017

与传统的滑动平均法相比，二项式系数加权平均平滑后的新序列与原序列相等，其当前项系数最大，向前向后逐渐减少，保存了当前项自身及附近项的相对特征，其平滑效果接近小波分析[11]。对比11 a与19 a的平滑曲线(图略)，二者比较一致，而11 a平滑主要滤掉了11 a以下的周期，19 a平滑主要滤掉了19 a以下的周期，综合表明佛山气象干旱的长期气候变化主要是20 a以上的长周期或10 a以下的短周期为主，11～19 a的周期不存在或不明显。

3.2 年气象干旱日数周期分析

利用Morlet小波分析对佛山年气象干旱日数的周期特征进行分析。由小波系数实部图可以看到，佛山年气象干旱日数在59 a的演变过程中存在准20 a大周期，出现多和少交替的准3次振荡；1980年前存在准3 a的短周期，出现准6次振荡；1980年后转变为准7 a的周期，出现准5次振荡。由小波系数模的方差贡献看，存在3处明显的峰值，分别对应着3 a、7 a及20 a的周期时间尺度，其中最大峰值对应20 a的周期尺度，表明20 a的周期有着最强的振荡，是年气象干旱日数变化的首个主周期。这与小波系数实部分析的结果一致，同时与前文二项式系数加权平滑对周期的分析结果相吻合。

图2 年气象干旱日数小波系数实部(左)和模的方差贡献(右)Fig.2 Real part of wavelet coefficient of anomaly meteorological drought days (left) and variance of norm (right)

3.3 年气象干旱日数气候突变分析

图3 年气象干旱日数的Mann-Kendal检验Fig.3 Mann-Kendal test of anomaly meteorological drought days

Mann-Kendal非参数突变检验是目前突变性检验方法中理论基础较强且应用较多的一种，它不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，具有检验范围宽、定量化程度高、人为性小等优点。由图3中UF曲线可见，从20世纪70年代起，佛山地区的年气象干旱日数呈减少趋势，2015年后这种减少趋势更为明显(超出-1.96的临界值)，表明气象干旱日数减少的趋势是显著的。从UF和UB的交点情况看，在2010—2011年有4个交叉点，均位于显著性检验水平范围内，认为该时间段为突变点，即2010—2011年是气象干旱日数突变减少的开始时段。

4 小结

根据逐日气象干旱指数DI指数统计佛山1959—2017年气象干旱日数，采用“二项式系数加权平均法”进行趋势分析，结合M-K检验和小波分析等方法分析气候突变和周期变化，对佛山市59 a的气象干旱日数变化趋势进行分析研究。结果表明：

①近59 a以来，佛山年气象干旱日数呈减少的趋势，除了20世纪80—90年代年气象干旱日数经历了一个平稳期，年气象干旱日数整体呈波动式减少。

②佛山年气象干旱日数存在准3 a、7 a及20 a的周期时间尺度，准3 a的短周期存在于1980年前，准7 a的周期出现在1980年后， 20 a的周期有着最强的振荡，是年气象干旱日数变化的首个主周期。

③ Mann-Kendal检验表明，从20世纪70年代起，佛山地区的年气象干旱日数呈减少趋势，2015年后年气象干旱日数呈显著减少的趋势，2010—2011年是气象干旱日数突变减少的开始时段。

造成干旱的原因既与气象等自然因素有关，也与人类活动及应对干旱的能力有关。本文得到的结论仅是针对气象干旱来分析，并不能完全代替干旱实况，因此在日常的干旱灾害分析研判中仍需要结合多方面的因素来综合考虑。