江门市2003—2021年干旱特征分析

余兴湛，陈铃茵，张明欣，叶朗明

（1.台山市气象局，广东台山 529200；2.江门市新会区气象局，广东江门 529100；3.云南机场集团有限责任公司丽江机场航务部气象台，云南丽江 674100；4.江门市气象局，广东江门 529000）

干旱是最具破坏力且常见的自然灾害之一，具有发生缓慢、持续时间长、时空影响效应深远等特点［1］。随着全球气候变暖愈发激烈，干旱事件发生的频率不断上升，强度也趋于增强，严重影响着社会经济和生态环境等方面的可持续发展［2］。因此，干旱的严重程度、持续时间、演变规律和监测与预警等方面备受关注，已成为专家学者研究的热点领域。干旱指标是评估某一区域干旱事件的基础，客观、合理的干旱指标能用数值准确评估出干旱事件的严重程度和影响范围［3］。标准化降水蒸散指数（SPEI）不仅考虑了降水量，而且还考虑了温度波动对干旱的影响，是国内最为常用的干旱指数之一，且在华南地区的应用分析中表现较为理想［4－7］。目前广东省内的干旱分析多是基于标准化降水指数（SPI）［8－9］或逐日气象干旱指数（DI）［10－11］，鲜有采用SPEI分析。已有研究表明广东省干旱发生频率较高，尤其是粤西地区，同时粤西还存在显著的干旱趋势［12－13］，但具体到江门市干旱特征的分析尚未见到。

江门市地处低纬，位于珠三角西部，濒临南海，降水充沛，但时空分布不均、年际差异较大，且90%的降水集中在4—9月，加之太阳辐射强、气温高，季节性干旱时有发生［14］。由于江门市地域广阔，国家气象观测站（简称国家站）少，分辨率低，干旱灾害难以准确评估。2003年起，广东省气象局大力建设区域自动气象站（简称区域站），为天气预报及分析、气候研究等方面提供了高空间分辨率的气象资料。但是目前对该资料的应用研究仍处于起步阶段，且多用于天气学角度的实况分析。本研究采用江门市6个国家站和17个区域站的降水和气温资料，运用SPEI，并结合Mann－Kendall（M－K）趋势检验、距离倒数乘（IDW）、经验正交函数分解（EOF）等方法，分析江门市干旱的时空变化规律，旨在为当地的防旱抗旱减灾和水资源合理调配提供参考。

1 研究数据和方法

1.1 研究数据

为了保证区域站数据完整性和连续性，剔除了数据总体缺测较多和连续缺测时间较长的站点，对剔除后存在缺测气温和降水数据的站点采用DeGaetano的标准序列法［15］进行插补，最后对所有区域站的逐日降水和气温数据进行空间一致性检验。空间一致性检验方法参考相关文献［16］，并根据实际情况进行调整：被检测区域站以其50 km范围内的任一国家站作为对比，当日平均气温满足0.95×国家站数据≤被检区域站数据≤1.05×国家站时，则为通过空间一致性检验；当日降水满足0.85×国家站数据≤被检区域站数据≤1.15×国家站时，则为通过空间一致性检验，若某日数据没有通过空间一致检验，则用标准序列法插值得到的数据进行订正。本研究数据为江门市6个国家站和筛选订正后17个区域站2003年1月—2021年12月的逐月降水和气温资料，地形及站点分布见图1。

图1 江门市地形及站点分布

1.2 标准化降水蒸散指数（SPEI）

SPEI的计算方法和步骤参考Vicente－Serrano等［4］的文献，其计算程序来源于西班牙高级科学研究所网站（http：／／digital.csic.es／handle／10261／10002）。 根据 《气象干旱等级》（GB／T20481－2017）［17］，SPEI干旱等级划分如表1所示。本研究分别利用年尺度（SPEI12）和季节尺度（SPEI3）分析年际干旱和季节干旱特征。

表1 SPEI干旱等级分类

1.3 数据处理

干旱指数的趋势（Z）：应用M－K趋势检验对单站的干旱变化趋势显著性进行检验，当｜Z｜≥1.64（1.96）时，表示趋势通过0.10（0.05）显著性检验［18］。

干旱频率（F）：某站发生干旱的年数与时间序列总年数的比值为干旱频率，其表征某站干旱发生的频繁程度［19］。

干旱站次比（P）：某区域内发生干旱的站点与总站点的比值，其用来评价干旱的影响范围。参考文献［20］相关研究，并考虑区域面积大小和区域站的数量，按照如下条件定义干旱发生的范围：当P≥50%时（站点数≥12个），为全域性干旱；当50%＞P≥33%时（12个＞站点数≥8个）为区域性干旱；当33%＞P≥10%时（8个＞站点数≥2）为局域性干旱；当P＜10%时（站点数＜2个）为无明显干旱发生。

干旱强度（S）：单站某时间段发生干旱时SPEI平均值的绝对值，其用来表征干旱的严重程度。通常定义：当0.5≤S＜1.0时为轻旱；当1.0≤S＜1.5时为中旱；当1.5≤S＜2.0时为重旱；当S≥2.0时为特旱［21］。

2 结果与分析

2.1 年际干旱

1）变化和趋势。

图2为江门市2003—2021年SPEI12年际变化和各站M－K趋势系数分布。从年际变化可知，国家站和区域站两组平均SPEI值的逐年变化趋势一致，且数值差值较小，相关性也达到了0.91，说明区域站的SPEI值与国家站的SPEI值基本没有差异，对分析结果的可靠性没有影响。从23站平均SPEI年际变化可得，江门市平均每年干旱发生频率为31.6%，其中轻旱、中旱的频率分别为26.3%、5.3%，无重旱和特旱的情况发生。发生干旱的年份为2004、2005、2007、2011、2015和2021年，其中2021年为中旱，其余年份均为轻旱。从各站M－K趋势系数来看，有21站（91.3%）呈上升趋势，但仅有四九站通过0.05的显著性检验，另外有2站呈下降趋势，分别是大鳌和址山站，均未通过0.10的显著性检验，说明江门市SPEI整体呈不明显的上升趋势，即有湿润趋势。

图2 江门市2003—2021年SPEI年尺度年际变化（a）和M－K趋势系数（b）

2）年际干旱的范围与强度。

图3为江门市2003—2021年SPEI12年际干旱站次比和干旱强度变化。

图3 江门市2003—2021年年际干旱站次比和干旱强度变化

从图3可以看出，江门市干旱站次比的年际变化波动比较明显，平均站次比为38.4%，其中有7年发生全域性干旱，分别是2003—2005、2007、2011、2015和2021年；另外有3年发生局域性干旱、1年发生区域性干旱和8年无明显干旱发生。江门市年干旱强度在0.0～1.2之间，平均值为0.7，其中19年间仅3年无旱和1年强度值为1.17，其他年份的强度值都在0.5～1.0之间，说明江门地区发生干旱时的干旱强度较低，且以轻旱为主。综合范围和强度来看，有6年发生了全域性的轻旱，分别是2003—2005、2007、2011、2015年，仅有2021年1年发生了全域性的中旱，其余年份为无明显干旱或非全域性轻旱，表明江门市发生干旱时，以全域性轻旱为主。

3）年际干旱的空间分布。

利用江门市23站2003—2021年的平均干旱频率和强度，应用IDW 方法进行空间插值，得到19年平均的干旱频率和强度的空间分布（图4）。江门市各站发生干旱的频率在17% ～39%之间，平均为27.2%；约有68%的区域发生干旱的频率集中在26% ～28%，鹤山南部—开平东北部一带地区、台山中南部、台山东北部偏东—新会西南部偏西一带地区发生频率较高；台山南部部分地区、鹤山东南部—新会中北部偏北一带地区、鹤山西北部及恩平东北部发生频率较低。江门市各站发生干旱时的平均干旱强度在0.7～1.2，大部分地区都为轻旱等级，其中西南部和开平东北部—新会中部一带的干旱强度较低，东北部大部的强度较高。综上，江门市年际干旱发生的频率较高，但强度较低且以轻旱为主。

图4 江门市2003—2021年年际干旱频率（a）和干旱强度（b）空间分布

4）年际干旱的一致性。

利用EOF方法对江门市23站的SPEI12时间序列进行分解，第1个模态的方差贡献率达到66.9%，因此第1模态是能很好代表江门市干旱的时空分布特征（图5）。EOF第1模态空间向量场表现为高度的整体正值一致性，各站之间的差值比较小，表明出江门市整体干旱类型以同位相变化为主导，即存在一致变旱或变涝的特征，易出现全区域的干旱或洪涝，其数值分布表现为中部—西北部较大，东部较小，说明中部—西北部的敏感性高于东部。

图5 EOF第1模态空间向量场分布

2.2 季节干旱特征

1）季节干旱变化和趋势。

从各个季节干旱SPEI3年际变化（图6）可知，冬季干旱发生的频率（42.1%）最高，其次为春季（31.6%），夏、秋两季的频率（皆为26.3%）最低。冬旱主要发生在2003—2007年，春旱、夏旱和秋旱的年际变化波动均较明显，发生干旱的年份较为分散。从季节连旱来看，2004年发生了夏秋冬连旱，2006—2007年发生了冬春连旱，2007年发生了秋冬连旱，2014年发生了夏秋连旱，2015年发生了春夏连旱，2020年—2021年发生了冬春夏连旱。

图6 江门市2003—2021年各个季节干旱SPEI3年际变化

利用M－K趋势检验对不同季节单站的SPEI3进行显著性检验，结果如表2所示。秋、冬两季23站（100%）都呈现上升趋势，春季则有22站（95.7%）呈上升趋势，且秋、冬两季分别有1和7站通过0.05的显著性检验，春季没有站点通过0.10 的显著性检验。夏季有21 站（91.3%）呈下降趋势，仅有2站呈上升趋势，且都没有站点通过0.10的显著性检验。由此可知，江门除了夏季有微弱的干旱趋势外，其他季节都呈湿润趋势，其中冬季最为明显。

表2 2001—2021年各季节M－K趋势检验结果

2）季节干旱的范围和强度。

图7为江门市2003—2021年各个季节干旱站次比与干旱强度年际变化。

图7 江门市2001—2021年四季干旱站次比和干旱强度变化

春季有5年发生全域性干旱，分别是2003、2007、2015、2018和2021年，其中2021年站次比为100%；另外均有2年发生局域性干旱和区域性干旱，有10年无明显干旱发生。从干旱强度看，有11年轻旱、2年中旱、1年重旱，其中重旱发生在2010年，强度值为1.62。

夏季有5年发生全域性干旱，分别是2004、2014、2015、2020和2021年；另外有4年发生局域性干旱、2年发生区域性干旱和8年无明显干旱发生。从干旱强度看，有11年轻旱、5年中旱、1年重旱，重旱发生在2010年，强度值为1.54。

秋季有4年发生全域性干旱，分别是2004年、2007年、2011年和2014年，其中2014年站次比为100%；另外有5年发生局域性干旱和10年无明显干旱发生。2001—2014年干旱的范围变化有较明显波动，在2014年后干旱的范围波动稳定且较小。从干旱强度看，有10年轻旱、7年中旱、1年特旱，没有发生重旱，其中特旱发生在2021年，强度值为2.30。

冬季有7年发生全域性干旱，分别是2003、2005—2007、2009、2019和2020年，其中2005年站次比为100%；另外均有1年发生局域性干旱和区域性干旱，有10年无明显干旱发生。2010—2018年干旱的范围比较小，其余年份干旱的范围较大。从干旱强度看，有10年轻旱、2年中旱，没有发生重旱和特旱，最大强度值为1.29。

综上所述，江门市各个季节干旱发生频率都较高，发生干旱时覆盖的范围也较大，且多数为全域性或区域性干旱。各个季节的干旱强度也比较接近，主要以轻旱为主，轻旱所占的比例均在50%以上。

3 结论

1）江门市干旱整体有不明显的湿润趋势，年发生频率为31.6%，平均站次比为38.4%，平均强度值为0.7，发生干旱时，以全域性轻干旱为主。

2）从年际干旱频率和强度空间分布上看，江门市干旱发生频率较高，但强度较低且以轻旱为主。

3）江门市整体干旱类型以同位相变化为主导，即存在一致变旱或变涝的特征，易出现全域性的干旱或洪涝。

4）江门市除了夏季有微弱的干旱趋势外，其他季节都呈湿润趋势，冬季最为明显。各个季节干旱发生频率都较高，发生干旱时覆盖的范围也较大，且多数为全域性或区域性干旱。各个季节的干旱强度也比较接近，都以轻旱为主。

根据广东省气象灾害损失查询系统及相关文献资料［22］，结合江门本地气象部门对干旱的记载，大致可以归纳出5个干旱过程：江门市2004—2005年发生秋冬春连旱、2007年发生夏旱、2010—2011年发生秋冬春连旱、2014—2015年发生冬春夏连旱、2020—2021年发生了秋冬春连旱。通过对比发现，年尺度SPEI能准确识别出5次干旱过程，没有空识别和漏识别，说明年尺度SPEI在江门地区的适用性表现优秀；季节尺度SPEI仅识别出3个干旱过程，且识别时间上存在偏早或偏迟，识别过程也存在空识别、漏识别，说明季节尺度SPEI在江门地区的适用性表现一般。在干旱发生频率上，江门市与广东省、粤西地区的结论较为一致，而在干旱趋势方面，江门市与粤西的结论相反。说明整体并不一定能很好代表局部，利用高空间分辨率的区域站数据能更全面、更详细地分析出连续的空间特征。