基于DI指数的连州市气象干旱变化特征

2021-06-23刘嘉劲祝剑亦李媛郭素云李少远白莉娜

广东气象 2021年3期

刘嘉劲，祝剑亦，李媛，郭素云，李少远，白莉娜

（1.汕尾市突发事件预警信息发布中心，广东汕尾 516600；2.连州市气象局，广东连州 513400；3.中国气象局上海台风研究所，上海 200030）

干旱是常见的自然灾害，影响面积广、影响人数多、造成经济损失大。开展干旱的评估、监测与预测研究，具有重大的现实意义。干旱形成机制复杂，影响广泛，故确定干旱指标则是研究干旱的基础，而具有普适性的干旱指数并不存在，不同干旱指数各有优缺点。多年来，已有很多学者基于不同的干旱指标对不同尺度区域的干旱变化进行了研究［1-7］。本研究所应用的逐日气象干旱指数（DI）是由王春林［8］基于标准化前期降水指数（SAPI）和常年平均相对湿润度指数（MI）构建的。DI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。

清远连州处于亚热带，雨量虽较充足，但由于降水空间和时间分布不均，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，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。本研究拟利用逐日DI指数对连州市近56年气象干旱特征进行分析，以期掌握连州市气象干旱的变化趋势，为连州市气象干旱预测和加强气象防灾减灾工作提供科学依据。

1 资料和方法

本研究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的气象干旱等级划分如表1所示。

表1 干旱等级逐日干旱指标

干旱过程的确定：气象干旱指数连续10 d为轻旱以上等级，则被认为发生一次干旱过程；干旱过程的结束：在干旱过程中，当干旱指数连续10 d为无旱等级时，则认为干旱过程结束。干旱过程开始到结束的时间为干旱持续时间；干旱过程持续时间内所有天的干旱指数轻旱以上的干旱等级之和，为该干旱过程的强度，数值越小代表干旱过程越强。本研究主要以年和季节作为研究时段，其中定义3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—翌年2月为冬季。

通过统计连州市国家气象观测站的1963—2018年的逐日气象干旱DI指数，并采用线性回归方法进行趋势分析，结合M-K突变检验和小波分析等方法分析气候突变和周期变化，对连州市气象干旱日数及强度变化进行分析。

2 气象干旱特征分析

2.1 气象干旱日数的逐月分布及与雨量的关系

经统计发现，连州市1963—2018年的月平均降水量与连州气象干旱日数存在反比的关系（图1），相关系数为-0.816，通过信度为0.7的显著性检验，说明两者具有很强的相关性。由图1可见，11—12月连州市气象干旱日数明显偏多，而雨量则明显偏少；同时也可以看到连州市降雨量存在明显的季节性差异，春季雨量最多，为6 36.5 mm，秋季最少，为200.3 mm，相差4 00 mm以上；连州气象干旱日数在季节分布上也同样存在明显的差异，出现在秋季的气象干旱日数达1 202 d，春季的干旱日数仅为220 d，相差近1 000 d。因此，连州处于亚热带地区，虽然雨量充足，但由于降雨季节分布差异很大，也经常出现季节性的气象干旱。

图1 1963—2018年连州市气象干旱日数与雨量月变化

2.2 气象干旱过程

持续性的干旱会进一步加重干旱的影响程度，统计可知，1963—2018年连州市出现轻旱等级以上的干旱过程共80次，平均每年出现1.43次，其中持续时间为10～30 d的干旱过程出现了49次（占61.25%）；30～60 d的干旱过程为23次（占28.75%）；60～90 d的干旱过程有6次（占7.5%）；90 d以上的干旱过程仅有2次（占2.5%），这说明连州市的干旱过程持续时间以10～30 d为主，30～60 d次之。60～90 d的干旱过程10年一遇，90 d以上干旱过程30年一遇。通过季节分类干旱过程则分别为：春旱8次、夏旱11次、秋旱22次、冬旱22次，秋冬连旱11次、夏秋连旱3次，春夏连旱、冬春连旱和夏秋冬连旱各1次。并且在80次持续干旱事件中秋旱、冬旱和秋冬旱共有55次，占总数68%以上，这说明连州容易出现干旱过程的季节主要集中在秋冬季，春夏季次之，这与连州雨量的季节分布也相对应。

2.3 气象干旱日数年际变化特征

经统计，连州市1963—2018年年气象干旱总日数2 939 d，平均每年52.5 d，极端最多出现在1963年为183 d，而年气象干旱日数为0 d的年份则有1973、1975、2015年。图2为连州市近56年年气象干旱日数的趋势变化，线性回归相关系数R为0.565，通过信度为0.001的显著性水平检验，表明近56年以来，连州市年气象干旱日数总体呈减少的趋势。

图2 1963—2018年连州市年气象干旱日数变化

利用Morlet小波分析对连州市年气象干旱日数的周期特征进行分析（图3），可以看到，连州市年气象干旱日数在近56年的演变过程中存在准3、7、14、22年左右的周期尺度。由小波系数模的方差贡献（图略）看，最大峰值对应准22年的周期尺度，表明准22年的周期存在最强的振荡，是年气象干旱日数变化的主周期，并在近56年间出现多和少交替的准3次振荡。

图3 1963—2018年连州市年气象干旱日数小波系数

由于Mann-Kendall非参数突变检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，并且适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简单，所以是目前突变性检验方法中理论较强且应用范围较广的一种方法［6］。图4为连州市56年年气象干旱日数M-K突变检验分析，由图4中的UF曲线可见，总体上连州市年气象干旱日数呈减少趋势，特别是在20世纪70年代期间这种减少趋势远远超出-1.96的临界值，说明此时连州市年气象干旱日数的减少趋势十分显著。另外UF与UB曲线分别在1964、1984、2013年出现交点，且都位于显著性检验水平范围之内，故可认为这3个时间为连州市年气象干旱日数的突变点，其中1964—1983年气象干旱日数偏少；1984—2012年偏多；2013年之后转为偏少。

图4 1963—2018年连州市年气象干旱日Mann-Kendall检验

2.4 气象干旱强度年际变化特征

将该年的气象干旱过程的DI指数之和作为该年的气象干旱强度，数值越小代表干旱过程强度越强。图5为连州市近56年的干旱强度趋势变化，可以看到，1963—2018年连州市年干旱强度存在减弱变化趋势，相关系数R为0.532，通过信度为0.001的显著性水平检验，这与连州市气象干旱日数的变化趋势相似。其中在20世纪60年代中期、90年代前期以及在21世纪10年代的干旱强度则明显较强。极端最大的年份是1963年，其他依次是1966、1989、1991、2004年。在对年气象干旱强度进行小波分析（图略）和MK突变检验（图略）后，发现其结果与年气象干旱日数的趋势变化相似。