广东骤旱时空特征及其与传统干旱的对比分析

张柳红，王华，刘畅，陈慧华，柳晔

（1.广东省气候中心，广东广州 510640；2.中国气象科学研究院＆中再巨灾风险管理股份有限公司·气象风险与保险联合开放实验室，北京 100081）

在全球增暖背景下，极端干旱事件频发，对农业、生态和经济造成深刻影响［1］，尤其是高温引起的蒸散发增强［2-3］导致干旱加剧，并使得干旱具有了新的特点。对此，学术界提出“骤旱”的概念［3-9］。目前还无统一定论，但普遍指出“骤旱”较一般的干旱发展速度快，一般是在一个月内形成，并引发骤旱和热浪同时出现的复合极端气候现象，对农业生产、生态环境有着显著影响。全球各地骤旱事件频发，如2012年美国中西部平原骤旱［10］、2013年我国长江中下游骤旱［11］、2015到2016年南部非洲骤旱［6］、2017年美国北部平原骤旱［12］、2017到2018年澳大利亚东部骤旱［13］、2022年我国长江流域骤旱［14］等。这些事件因影响范围广、空间尺度大而备受关注。事实上，近10年广东也出现了骤旱事件，但相关研究还鲜见报道。

目前，骤旱已成为干旱研究的前沿热点之一。关于骤旱的识别方法在学术界并无统一定论，根据骤旱爆发迅速且发生强度大的特点来识别骤旱是主要方法之一。第一种通过构建相关的干旱指标识别骤旱迅速增加的干旱强度［5］；另一种通过监测气象和土壤湿度等变量距平的变化来识别骤旱事件，Mo等［3-4］将其应用于美国中部1961—2013年骤旱事件的识别研究中；Yuan等［6-7］、张翔等［8］将距平法应用于1979—2010年中国骤旱事件识别以及骤旱与季节性干旱事件研究中。目前，关于骤旱的研究仍以科研为主，在业务上的应用比较鲜见，主要是因为：（1）处在初步研究阶段，不同学者采用的指标不同［3-9，15］；（2）骤旱以爆发迅速为关键特征，但归因尚不明确；（3）关注的空间尺度较大，集中在区域、国家或洲际等大尺度范围［4-8，10-14，16-17］，针对省市级的研究较少。广东最值得关注的是可能引起传统干旱且持续数周甚至一个月的骤旱事件。

骤旱源于降水亏缺并伴随高温引起的土壤水分急剧下降，骤旱的发生与近年来屡创新高的极端高温事件似乎不无关系，仅依靠降水变化并不能很好地解释这种短时间内快速形成的干旱。本研究综合骤旱发展时间尺度、发展迅速的成因，基于气温、降水数据和相对湿润度指数，初步构建适应广东气候特点的骤旱指标，研究广东近49年来骤旱的时空分布特征，并与传统气象干旱作对比分析，以期使政府和受骤旱影响行业更深入的了解干旱风险，进而提高应对能力和防范意识，也可为其他省市骤旱研究提供参考。

1 资料和方法

1.1 气象资料

骤旱特征分析采用的气象资料为整编，通过均一性检验的广东86个国家气象站逐日气温、降水、相对湿度等观测数据；时段为1973年1月1日—2021年12月31日。

1.2 骤旱指标

建立能够综合降雨、气温和相对湿润度指数等要素的骤旱识别方法，并能同时反映骤旱的强度与持续时间，用于准确监测和识别区域骤旱事件的发生发展变化情况。考虑骤旱作为一种干旱类型，也需要满足基本特征：存在持续性的缺水，从而对自然或社会系统产生影响。因此，研究重点关注可能引起传统干旱且持续数周甚至一个月的骤旱事件。前人研究主要考虑高温和干旱等复合型指标、干旱发展速率、干旱爆发及恢复过程等3类监测指标对骤旱进行定义［9］。借鉴这些相关研究成果及气象干旱监测相关技术方法［6-7，15-19］，同时考虑降水、气温和土壤湿度变化，遴选月平均气温异常大于1个标准差、降水百分位数＜40%、相对湿润度指数MI≤-0.4共3项指标作为骤旱监测指标，其中降水指标用于表征水分亏缺，气温指标用于表征高温对于骤旱发展速度的影响，土壤湿度指标用于表征土壤水分的变化。

1）气温异常标准差。

气温标准差s的计算公式为

其中，ti为某站某日平均气温（℃）；¯t为某站多年平均气温（℃）；n为年份。当某站某日的平均气温距平（Δt＝ti-¯t）＞s，则该日该站出现了骤旱监测指标中的气温指标。Mo等［3-4］采用候平均气温异常＞1个标准差作为骤旱监测条件之一。本研究借鉴上述定义，发展为广东骤旱的气温监测指标。

2）降水百分位数。

建立广东86个国家气象站1973—2021年的逐日降水序列后进行升序排列，并取百分位数为40%的降水量值定义为该站骤旱降水指标的临界阈值。当降水量＜40%百分位值时，即满足发生骤旱的降水条件。基于高温、干旱等复合型指标的研究学者［3-4，9，16］采用平均降水百分位数＜40%或平均土壤湿度百分位数＜40%作为骤旱其中的一个监测指标，结合前人研究认为广东近年来的严重气象干旱发生在降水偏少的气候背景下［20］，因此，本研究考虑广东气候特点，采用降水百分位数＜40%作为广东骤旱的降水指标。

3）相对湿润度指数。

定义某段时间的降水量与同时段内潜在蒸散量相比的百分率为相对湿润度指数（moisture index，MI），公式为

其中，Rain为某时段的降水量（mm）；PET为某时段的潜在蒸散量（mm）。采用联合国粮农组织（FAO）推荐的Penman-Monteith公式计算，修正公式表达式为

以d为步长，则式（3）中，PET为潜在蒸散量（mm·d-1）；tmean为日平均气温（℃）；Rn为地表净辐射（MJ·m-2·d-1）；G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1）；u2为2 m高处风速（m·s-1）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；Δ为饱和水汽压曲线斜率（kPa·℃-1）；γ为干湿表常数（kPa·℃-1）。各分量详细计算参考气象干旱等级（GB／T 20481-2017）［19］。

1.3 传统气象干旱指标

采用逐日气象干旱指数（daily dry index，DI）作为传统气象干旱指标并确定干旱等级，该指数也是目前广东省气象干旱监测业务的常用方法。DI指数计算方法详见文献［20-21］。

2 结果与分析

2.1 骤旱时间变化

由图1可以看出，1973—2021年广东骤旱次数以每10年17.2站次的速率增加，并通过0.01水平的显著性检验，说明广东骤旱次数增加显著。进入新世纪以来，骤旱发生次数越来越多且每年均有发生，其中2020年为最高，86个国家站共计出现了183站次；2015年全省各地出现骤旱118站次，为历史次多；2018、2021和2014年骤旱出现站次也较多，分别有104、97和90站次；其余年份骤旱出现次数少于90站次，其中1976、1978、1981、1984、1985、1986、1989、1992、1993和1995年广东各地未出现骤旱。

图1 1973—2021年广东省骤旱发生站次的时间变化

根据图2广东骤旱的月际分布可知，骤旱多发生在夏季，春末秋初发生频次也较高，其中7月份出现站次最多，1973—2021年期间平均出现4.1站次；6、8和9月也较为多发，月均分别出现3.0、2.8和2.9站次；12月最少仅0.3站次；4月次少为0.5站次。

图2 1973—2021年广东省骤旱和传统干旱各月平均出现站次

2.2 骤旱空间变化

广东骤旱空间分布不均（图3），总体表现为雷州半岛中部和南部、粤东的东南部、梅州中部等地骤旱发生站次多，超过17站次；江门中西部、肇庆西部和清远西北部骤旱发生站次较少，少于9站次；其余地区介于9～17站次。

图3 广东省骤旱年代际发生站次的空间分布

在气候变暖背景下，广东各地发生骤旱的区域分布和频次亦有差别（图略）。1973—1980、1981—1990和1991—2000年3个年代际广东各地骤旱发生站次均较少，大都少于3站次；进入新世纪以后，广东各地骤旱发生频次骤增。2011—2021年广东各地骤旱频次均较1991—2000和2001—2010年显著增加，增加区域主要分布在南部地区，其中又以雷州半岛中部和南部、阳江西南部、珠三角西侧、梅州中部和粤东的南部地区最为显著，上述地区由1991—2000和2001—2010年骤旱频次低于3站次增至2011—2021年的超过12站次。上述结果说明，在气候变暖的大背景下，广东各地骤旱发生频次趋于增加，发生面积明显扩大，骤旱可能成为干旱的一种“新常态”，开展骤旱研究对防旱抗旱工作意义重大。

2.3 骤旱与传统干旱的对比分析

1）骤旱与传统干旱时空变化差异。

1973—2021年，广东传统干旱发生频次以每10年4.7站次的速率呈波动上升趋势（图4），其中2011年出现站次最多，86个国家气象站共计出现214站次；2016年出现站次最少，仅12站次。月际分布上（图2），广东省传统干旱主要发生在秋冬季，又以11月为最，1973—2021年期间平均出现23.6站次；其次是12月，月均出现16.8站次；1、2和10月出现站次较多，月均分别出现11.4、11.6和14.4站次；夏季传统干旱较少发生，其中6月最少，月均仅出现1.8站次；7月次少，月均出现2.0站次。由此可见，广东传统干旱多发于秋冬季，与骤旱多发生在夏季和春末秋初有别。

图4 1973—2021年广东省传统干旱历年发生站次时间变化

图5为1973—2021年广东省传统干旱历年发生站次的空间分布。

图5 1973—2021年广东省传统干旱历年发生站次的空间变化

从空间分布上看出，广东传统干旱高发区主要分布在雷州半岛和粤东的南部沿海地区，1973—2021年共计出现超过70站次；珠三角南部沿海、粤东的北部、茂名、梅州等地也较为多发，出现站次介于60～70站次；粤北北部传统干旱较少发生，出现低于50站次。由此可见，传统干旱高发区也是骤旱高发区，未来需重点关注雷州半岛、潮汕地区等地的骤旱及传统干旱防御。

2）骤旱、传统干旱与极端高温的关系。

1973—2021年，广东平均高温日数以每10年增加4.8 d的速率呈显著上升趋势，2021年平均高温日数历史最多，高达42.9 d（图6）。广东年极端最高气温年际波动大，总体呈现微弱的升高趋势，其中1984、1989、2003、2005、2007、2008、2016、2019和2020年的全省极端最高气温均超过40℃，而上述年份除了2016年外，均出现了较强或以上等级的气象干旱，如2004和2005年广东出现特大干旱灾害，给广东农业生产和人民生活造成严重影响［18，22-23］；2020年10月至2021年5月，广东发生秋冬春连旱，农业生产、森林防火、生活用水受影响［20，24］。另外，在上述极端高温事件年份的前1年，骤旱也较为明显，如2003年广东极端最高气温高达41.6℃，2002年广东骤旱出现45站次；2016年广东极端最高气温40.2℃，2015年骤旱出现118站次；2019和2020年广东极端最高气温分别为40.0和40.3℃，2018和2019年骤旱分别出现104和68站次。因此，广东骤旱和传统干旱均与极端高温密切相关。

图6 1973—2021年广东省年极端最高气温和平均高温日数时间变化

3）骤旱与传统干旱发生时间上的差异。

新世纪以来，广东干旱频发重发，其中2004、2005、2020和2021年尤为突出，故以2004—2005、2020—2021年为典型个例，分析骤旱和传统干旱的关联（图7）。由此可知，2004—2005年广东发生骤旱时间早于传统干旱，2005年骤旱在春夏秋季均在发生，而传统干旱发生于秋季；2020—2021年广东发生骤旱的时间最早在2020年5—7月，并持续至2020年10月发生传统干旱，传统干旱持续至2021年5月，期间骤旱偶有发生，说明骤旱早于传统干旱发生或与传统干旱同时发生，与袁星等［7］的结论一致。骤旱先于气象干旱开始发展，骤旱与气象干旱也可以并存，但出现骤旱不一定发生传统干旱，骤旱的研究对干旱的提早预警亦具有重要意义。

图7 2004—2005年（a）和2020—2021年（b）广东省骤旱发生过程

3 结论

1）广东骤旱多发生在夏季，其中7月最多，春末秋初发生频次也较高，不同于传统干旱秋冬季发生频次最高，说明广东骤旱或早于传统干旱发生，亦可作为传统干旱的提前预警。广东骤旱高发区位于雷州半岛、潮汕地区和梅州地区，其中雷州半岛、潮汕平原也属于传统干旱高发区，应高度重视上述地区干旱及旱涝急转对行业的影响。

2）1973—2021年，广东骤旱发生站次增加趋势显著，尤其是新世纪以来广东省骤旱每年都有发生，骤旱可能成为干旱的一种“新常态”。在气候变暖背景下，干旱和高温热浪之间存在相互作用，并伴随着广东GDP快速增长和人口增长导致的用水量增加，加剧了骤旱风险，对不同年代际的骤旱研究结果也证实了气候变暖背景下广东骤旱发生频次趋于增多，发生范围趋于扩大。广东的天气气候变率较大，易发生快速的旱-涝转换，极端旱涝风险进一步增加。

3）传统干旱发展相对缓慢，其爆发过程需要数月甚至更长时间；而骤旱发展迅速，其预见期短，骤旱可能比传统干旱对于全球增暖更为敏感。因此，在全球气候变暖背景下，广东骤旱风险仍在增加，亟待加强骤旱极端事件研究，为科学防治骤旱、适应气候变化提供有力支撑。

4）异常高温和降水亏缺等气候异常是广东骤旱发生的直接原因，而气候异常又与季风异常、副热带高压控制等密切相关。广东骤旱多发于夏季，与西太平洋副热带高压偏强引发的高温事件息息相关，未来需加强骤旱归因研究，以期实现骤旱的量化风险评估。