基于PDSI 指数的近40 年广东干旱特征分析

陆杰英，孙丽颖，王春林，翟志宏，吴健达

（1.广东省广州市增城区气象局，广州 511300；2.广州市气候与农业气象中心，广州 511430；3.环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广东 珠海 519082）

引言

广东地处热带和亚热带地区，是中国光、热、水资源特别丰富的地区，气候温暖，雨量充沛，四季水果飘香，特别是荔枝、香蕉、柑橘、菠萝是中国重要的水果生产基地，然而该地区旱涝灾害时有发生，给当地农业生产带来不利影响。

近年来，Dai［1］认为全球气象干旱呈增加趋势。国内不少学者的研究也表明，1960 年以来，中国气象干旱程度在加重，范围也在增加［2，3］。Shi 等［4］发现，南北方的干旱特征发生了改变，北方干旱的同时，南方干旱变得更加明显。当前已有的研究大多仍以中国北方干旱区为主要研究区域，往往忽视湿润地区的干旱研究，所以研究广东地区的干旱特征具有重要意义。

降水持续偏少是气象干旱重要的特征，因此，许多常用的气象干旱指数都以降水量为唯一考虑要素使用不同原理计算得到的［5］。1965 年Palmer［6］建立了帕默尔干旱指数（Palmer drought severity index，PDSI），该指数考虑了土壤水分以及蒸散发，相校对于其他气象干旱指数，PDSI 物理意义清晰明确，是研究和检测气象干旱应用最为广泛的指标之一。本研究使用广东省86 个国家气象观测站提供的月降水和月平均气温气象要素，以及土壤有效含水量数据构建PDSI 指数，探讨广东地区近40a 以来的干旱频率和时间变化特征，以期为广东省干旱研究提供参考。

1 资料和方法

1.1 数据来源

文中研究构建PDSI 指数所用的气象数据取自广东省86 个国家气象观测站1979 年1 月—2021年2 月近40a 的月平均降水以及月平均气温数据，使用Dai 等［1］制作面向陆面过程模型的中国土壤水文数据集中的田间持水量和凋萎系数，计算土壤有效含水量（AWC）数据，作为PDSI 指数的输入。年际研究时段为1979—2020 年，月研究时段为1979 年1 月—2020 年12 月；在季节的划分上，将春季定义为3—5 月，夏季6—8 月，秋季9 至11月，冬季为12 月—次年2 月（为使各季节指数长度一致，季节分析使用资料扩展到2021 年2 月）。

为验证计算结果的准确性，使用应用较为广泛［5］的英国East Anglia 大学气候研究中心（CRU）1979年1 月—2021 年2 月逐月干旱自校正PDSI 数据（CRU-scPDSI 空间分辨率为0.5°×0.5°），对计算的PDSI 指数进行时空验证，两者相关性达到0.76，空间分布较一致。

1.2 研究方法

1.2.1 PDSI 计算方法

PDSI 指数基于一个简易的两层土壤水分收支模型，综合考虑了温度、降水及下垫面的影响，其中温度的影响通过蒸发表现，下垫面通过AWC 表现。关于PDSI 指数的具体算法可参考Palmer［6］。PDSI计算方法大致如下：

首先计算出各时期的气候适宜降水量，并以实际降水量减去获得水分亏缺量，然后对用气候修正系数进行气候修正获得水分亏缺指数，最后使用持续时间因子对水分亏缺指数进行处理，获得考虑了前期水分条件影响的最终的PDSI 值。PDSI 的时间尺度有逐周和逐月两种，目前应用最广的为月尺度的PDSI，故本研究采用月尺度的PDSI 数据资料，以下以月尺度PDSI 的计算为例。

PDSI 构建的主要输入为降水、气温、土壤有效含水量，基于水量平衡原理建立水平衡方程，计算水分距平d：

式中，IPDSI为当月指数，IPDSI-1为上一个月指数，对于1979 年1 月，本文给定了一个初值为Zi/3，Zi为当月水分异常指数，因此后续的计算则可以在前一个月值的基础上进行。

本文使用美国内布拉斯-林肯大学研究人员发布的PDSI 计算程序［1-7］，输入1979 年1 月 到2021年2 月的逐月降水、气温和AWC 数据后，输出和降水长度一致的PDSI 数据（此处选择到2021 年2 月是为了方便用于季节的完整性计算）。帕默尔干旱指数（PDSI）是一个基于水量供需关系的干旱指数，在当地水分供不应求时即为干旱，否则为湿润。帕默尔［6］计算了PDSI 值通常介于-4～4 之间，不同大小的值反映不同的干旱或湿润等级。PDSI 干旱等级划分标准如表1 所示。

表1 干湿等级划分

2 结果与分析

2.1 广东地区干旱时间演变特征

2.1.1 年际变化特征

图1 给出1979 年—2020 年广东地区PDSI 指数年际变化情况。分析发现，近40a 广东地区PDSI指数呈现略微下降趋势，降速为0.005·（10a）-1，但未能通过信度0.05 的检验，表明对于处在亚热带的广东地区来说，干旱化趋势并不明显。从年代际变化来看，20 世纪80—90 年代大部分年份的PDSI 指数属于正常等级（-1＜PDSI＜1），只有1983 年PDSI 指数达到轻微湿润等级（2＜PDSI≤1）。21 世纪00 年代年PDSI 指数大部分年份属于正常等级，只有2003年、2004 年、2005 年PDSI 指数达到轻微干旱等级（-2＜PDSI≤-1），即该年代为干化较为明显的年代。而进入21 世纪10 年代后，PDSI 指数较前期有所增大，只有2020 年PDSI 指数-1.0 达到轻微干旱等级。研究时段内只有4 个年份PDSI 指数达到干旱等级，分别是2003 年、2004 年、2005 和2020 年，均为轻微干旱等级。由于PDSI 指数综合考量了土壤有效含水量以及蒸散发等综合性较强因素，上述年份PDSI 指数显示达到干旱等级的，实况均发生干旱事件但干旱程度略有偏差，表明PDSI 指数对判断干旱事件发生有指示意义，但干旱程度略有偏差需根据实际情况稍作调整。

综上所述，广东地区PDSI 指数整体呈现不显著的轻微干化趋势，降速为0.005·（10a）-1。其中，2004 年PDSI 值为-1.47，为40a 内最低值，该时段降水最少是研究时间段内广东地区年尺度上最干旱的年份。

2.1.2 季节变化特征

通过分析干旱指数PDSI 季节变化特征，发现一年四季PDSI 指数均呈不同程度的下降趋势（均未通过显著性检验），其中春季下降趋势最明显，降速为0.2·（10a）-1；夏季、秋季、冬季均呈略微下降趋势，降速分别为0.007·（10a）-1、0.005·（10a）-1、0.005·（10a）-1，但四季的线性趋势均没有通过信度0.05 的显著性检验。春季PDSI 指数达到干旱等级有7a，均为轻微干旱等级；PDSI 指数最小出现在2002 年为-1.43。夏季PDSI 指数达到干旱等级有3 年，分别是2003年、2004 年和2005 年，均为轻微干旱等级，最小值为-1.31（2004 年）。秋季PDSI 指数达到干旱等级共有8a，均为轻微干旱等级，最小值-1.82（2004 年）。冬季PDSI 指数达到干旱等级共有7a，2004 年最小值为-1.82。

秋季PDSI 指数达到干旱等级的频次为8 次，是四季中发生干旱频率最高的季节，其次是春季和冬季，均为7 次，而夏季则是频次最少的季节，仅有3次。四季中所有达到干旱等级的均为轻微干旱等级。

2.1.3 月变化特征

分析近40a 干旱指数PDSI 月变化可知，PDSI指数呈现略下降趋势，降速为0.004·（10a）-1，线性趋势没有通过信度0.05 的显著性检验，没有线性一致的干化趋势，而呈现多波动现象。从指数曲线变化分析发现广东地区出现两个PDSI 指数长时间持续负值的区间，分别是：从2003 年2 月到2006 年4 月，持续33 个月PDSI 指数均为负值，其中有23 个月份PDSI 指数达到轻微干旱等级（-2＜PDSI≤-1），占比70%；有连续3 个月达到中等干旱等级（-3＜PDSI≤-2），分别 是：2004 年11 月、2004 年12 月 和2005 年1月，其中最低值-2.2 出现在2004 年12 月。另一个是从2006 年12 月到2009 年12 月共37 个月PDSI指数持续负值，其中有12 个月PDSI 指数达到轻微干旱等级占比27%，最小值为-1.75。2004 年12 月PDSI 指数是研究时段内最低值。

结合广东省气候中心提供的气象灾害损失库数据，2003—2009 年均出现不同程度的气象干旱灾害过程，且秋冬春连旱事件常有发生。其中2004 年9月21 日至2005 年4 月30 日，全省降水一致偏少，沿海大部和西南部降水较常年同期偏少五成以上，珠江口和西南部部分地区偏少达七八成（4 大江河出现历史最低水位），其中粤西的徐闻偏少七成。粤西徐闻县从2004 年9 月24 日开始，连续248d 没下过“透雨”（日降水量≥20mm），打破1902 年以来的历史记录，出现百年一遇的特大干旱。指数的变化与实况基本相符。

2.2 广东地区干旱空间分布及变化特征

2.2.1 频率空间分布

从近40a 广东地区干旱发生频率空间分布情况看，各地干旱发生频率介于4.8%～26.1%之间，平均频率是15.5%。其中粤北地区大部分市县、珠三角南部地区以及粤东局部地区为干旱频率低值区，干旱发生频率普遍低于10%。而处于粤西地区的阳江、徐闻、高州、廉州，以及粤东的海丰、信宜等地方干旱频率均大于20%，为干旱发生的高频区。全省大部分地区的干旱频率在10%～20%之间，并呈现多片区分布现象。

近40a 广东地区春季干旱发生频率介于42.9%～16.7%之间，平均频率为27.7%；粤西大部分城市、粤东部分城市以及珠三角局部城市发生频率均高于平均值，为干旱高发区，其中频率最高是粤西的阳江为42.9%，其次是粤东的海丰为40.5%。夏季是华南地区雨季，干旱不易发生，发生频率介于7.1%～35.7%，频率差距较大，频率最高在粤西的化州为35.7%。秋季干旱出现频率介于14.3%～42.9%之间，平均频率为14.3%，频率最高发生在粤西的信宜为42.9%。冬季干旱出现频率介于11%～42.9%之间，最高频率在粤西的信宜为42.9%。由此可见，四季中广东发生干旱频率最高的区域位于粤西。

2.2.2 长期变化趋势空间分布

由于PDSI 指数值越小表示该地区越干，则当指数的线性变化趋势呈下降趋势时表示有干化的趋势。从近40a 广东地区干旱指数年变化趋势变化空间分布（图略）可见，广东整体呈现东西两边干化中部湿化的长期变化趋势分布格局，明显看出粤北及珠三角大部分地区呈现PDSI 上升趋势，粤东和粤西大部分地区PDSI 呈略下降的趋势。干化最明显的地区是粤西阳春地区线性倾向为-0.41·（10a）-1，其次是粤东的龙门地区线性倾向为-0.34·（10a）-1、粤东河源地区线性倾向为-0.31·（10a）-1，可见近40a粤西和粤东地区的干化趋势较为明显。

从季节趋势分布情况看（图1），春季广东地区PDSI 指数基本呈现下降趋势，其中粤西的阳春和阳江干化趋势最为明显，线性倾向分别为-0.57·（10a）-1和-0.44·（10a）-1。在夏季粤北及珠三角部分地区呈上升趋势，粤西和粤东地区则呈下降趋势，下降最明显是粤西的阳春，趋势为0.40·（10a）-1。秋冬两季分布格局较为一致，粤东、粤西及粤北部分地区均呈下降趋势，秋季下降最为明显的是阳春，而冬季下降最明显是粤东的龙门。由此可见，粤西的阳春在春、夏、秋三季PDSI 指数下降趋势最明显。

图1 1979—2020 年广东地区不同季节干旱变化趋势分布图

3 结论与讨论

文中利用广东省86 个国家气象观测站1979 年1 月—2021 年2 月近40a 的月平均降水和气温数据以及同期的土壤有效含水量数据，计算了研究时段内的干旱指数PDSI，并用英国East Anglia 大学气候研究中心（CRU）构建的全球0.5°×0.5°月尺度1979—2020 年自校正PDSI 数据进行验证，分析了广东地区近40a 的干旱时空分布特征。主要分析结论如下：

（1）近40a 广东地区PDSI 呈轻微干化的不显著趋势，降速为0.005·（10a）-1。表明处于热带和亚热带季风气候区的广东地区干旱化趋势并不明显。2004年是广东地区研究时段内最干旱的一年，PDSI 值为-1.47。但值得注意的是，虽然2004 年是研究时段内最干旱的一年，但其PDSI 指数只达到轻微干旱等级，而气象干旱灾害等级中则为严重干旱等级，两个指数差异的原因可能与PDSI 指数综合考量了降水量、气温及土壤有效含水量的影响有关，两者考量的影响因子不同，导致干旱等级略有偏差。

（2）一年四季均呈不同程度的干化趋势，但都不显著。春季PDSI 指数下降趋势最明显，降速为0.2·（10a）-1，其余三个季节呈略微下降趋势。秋季是四季中发生干旱频率最高的季节，而夏季是发生干旱频率最低的季节；2003—2009 年春秋冬连旱常有发生。

（3）月尺度PDSI 指数呈不显著的下降趋势，降速为0.004·（10a）-1，呈现多波动现象。其中，2004 年11 月、2004 年12 月和2005 年1 月连续3 个月PDSI指数达到中等干旱等级（-3＜PDSI≤-2），2004 年12月达到最低值。

（4）近40a 广东整体呈现东西干化中部湿化的长期变化趋势分布格局，粤西和粤东地区的干化趋势较为明显，最明显是粤西的阳春降速为0.41·（10a）-1；全省干旱发生频率介于4.8%～26.1%之间，粤西为发生干旱高频地区。粤西的阳春在春、夏、秋三季PDSI指数下降趋势最明显，一年四季中发生干旱频率最高的区域均位于粤西地区。