粤东夏季复合高温干旱事件特征初探

2024-03-13刘泳涛谢洁宏黄河莎林伟彬王周玉叶梦茜

广东气象 2024年1期

刘泳涛，谢洁宏，黄河莎，林伟彬，王周玉，叶梦茜，

（1.普宁市气象局，广东普宁 515300；2.揭阳市气象局，广东揭阳 522000；3.惠来县气象局，广东惠来 515200）

近年来，随着全球变暖加剧，干旱和高温事件发生频率逐渐增加，二者同时发生（即复合高温干旱事件）的概率也进一步加大，由于这种复合事件对社会发展和生态环境影响远大于单一干旱或高温事件［1］，得到了诸多气象学者的关注。余荣等［2］归纳总结了复合型极端事件的定义、变化及归因进展等基本认知；Zhou等［3］对中国历史时期1961—2014年及未来2021—2080年复合事件的发生概率进行了比较，表明未来中国大部分地区复合高温干旱事件的发生概率将会增加；武新英等［4］通过标准化降水指数（SPI）及标准化温度指数（STI）识别复合高温干旱事件后发现，我国大部分地区复合高温干旱事件发生频率呈不同程度的增加趋势；Yu等［5－6］基于相对阈值法和气象综合干旱指数（MCI）得出了在1990年代后期以来，中国特别是西南和西北东部、华北北部和东南沿海地区发生复合高温干旱事件变得更加频繁和广泛的结论。

目前广东省对于高温和干旱事件的研究已经取得了丰富的成果，秦鹏等［7］指出广东省高温天气空间分布以总体一致型为主；伍红雨等［8］研究总结了广东高温的气候特征和变化规律，指出广东年平均高温日数以0.29 d／年的速率明显增加，特别是2000年后更加明显，其中增加最明显的3个地区分别位于广东东部、中部以北及西部地区；林巧美等［9］、蔡赛缄等［10］、李恒宇等［11］针对粤东揭阳、潮州和梅州大埔等地的高温气候变化进行了统计分析，得出粤东各地不同程度呈高温次数增多、强度增强的结论。在干旱方面王春林等［12］、彭窈等［13］、余兴湛等［14］基于逐日干旱指数（DI）、标准化降水蒸散指数（SPEI）、帕默尔干旱指数（PDSI）等多种气象干旱指数研究分析了广东乃至华南干旱时空变化特征，普遍认为广东省整体呈干旱化趋势。但由于选取的时间尺度、空间区域、指数方法不同，一些结论稍有差异［12－14］。目前尚没有进行对粤东乃至广东区域内高温和干旱复合事件的研究，因此有必要研究粤东复合高温干旱事件时空分布特征，为防灾减灾及有效应对气候变化提供参考。

1 数据和方法

根据粤东气候特点，本研究选取了1967—2021年5—10月作为研究时段。所用数据为粤东（揭阳、潮州、汕头、汕尾、梅州20个国家地面气象观测站）的逐日最高气温和DI指数；数据来源于广东省农业气象业务系统。DI指数［12］的定义为

其中，SAPIi是第i日前期降水指数API的标准化变量；Mi为第i日常年平均相对湿润度指数。

目前，复合高温干旱事件（compound dronght and heat event）指标定义较多，本研究综合参考Yu等［6］对于复合高温干旱事件的定义以及王春林等［15］对于广东现行干旱指标DI指数的研究，将粤东复合高温干旱事件定义如下：首先分别计算高温和干旱阈值，考虑年循环的影响，通过15 d滑动窗口（当天及其前后7 d）计算逐日90（10）百分位高温（干旱）阈值，以此判别高温（干旱）事件，复合高温干旱事件定义为高温（tmax＞tmax90）和干旱（DI＜DI10）同时发生的事件。相比其他考虑月以上时间尺度为主的干旱指数，如基于SPI指数、SPEI指数和帕尔默干旱指数（PDSI）等所计算的复合高温干旱事件，该定义能提供更加客观的日尺度干旱指数，有助于更好理解复合高温干旱事件的日尺度和过程特征（表1）。

表1 复合高温干旱事件的相关定义

研究采用线性分析、趋势检验、滑动t检验、Morlet小波分析等方法［16］，分析粤东夏季复合高温干旱时间的时间和周期变化特征；采用经验正交函数分解（EOF）方法［16］，分析粤东夏季复合高温干旱时间的空间分布特征。

2 粤东夏季复合高温干旱事件时空变化

为研究粤东复合高温干旱事件的空间分布特征，根据上述定义计算了粤东各站年均复合高温干旱事件天数（图1a）和变化气候趋势系数（图1b）。

图1 粤东1967—2021年复合高温干旱事件年均日数的空间变化（等值线，单位：d）（a）及变化气候趋势系数（等值线）（b）

结果表明，近55年粤东夏季年均复合高温干旱事件天数大致呈北多南少空间分布，大值区主要出现在梅州五华和大埔附近，复合高温干旱事件年平均天数超过5 d，潮州和汕头附近为小值区。趋势分析表明，粤东各站点复合高温干旱事件以增加趋势为主，除平远外都通过0.1显著性检验（65%站点通过0.01显著性检验），其中普宁、揭阳和丰顺一带显著增加，增速超过0.21 d／年，这跟高温空间变化趋势［7－8］很类似，结合粤东气候特点分析可能是高温导致复合高温干旱事件出现频率变高，这跟SARHADI等［17］结论比较一致，即即使干旱的发生频率不变，高温干旱复合型事件也会随着高温事件的增加而增加。

为进一步分析粤东复合高温干旱事件的空间分布特征，对其作EOF分解，其中EOF分解的前3个模态方差贡献总和为88.62%，且都通过North显著性检验，可以代表粤东复合高温干旱时间的空间分布特征（图2）。

图2 粤东1967—2021年复合高温干旱事件EOF分解前3个空间模态及方差描述（a、c、e）和对应的时间系数（b、d、f）

第1模态的方差贡献为80.65%，远大于其他模态，是粤东复合高温干旱最主要的时空分布型态，其空间向量场均为正值，说明粤东复合高温干旱事件以同位相变化为主导，即存在一致偏多或偏少。时间系数的整体表现为上升趋势，即粤东复合高温干旱事件出现频率变高（图2ab）。另外，1991、1998、2002、2009、2011、2018、2020和2021年有明显的正峰值，表明这些年份复合高温干旱事件出现次数较多，是第1模态的典型年份；1967—1973、1981—1986、1992—1997、1991—2001和2005—2008等时段为负值，说明年份较少出现复合高温干旱事件。考虑粤东复合高温干旱事件主要模态是全区一致型，因此本研究将粤东区域日最高气温和DI指数求平均，并根据上述定义计算区域平均复合高温干旱事件，以此讨论分析其时间变化特征。

EOF第2模态方差贡献为4.9%，该模态空间分布型态为南北偶极型，即空间向量场呈南北反向变化特征，分界线为梅州－揭阳－潮州一带，以北为负值一致性，以南为正值一致性。从其时间系数可知2020和1992年为第2模态典型偏少年份；2021、2010和2004年为典型偏多年份（图2c－d）。

EOF第3模态方差贡献为3.1%，该模态空间分布型态为南北3极型，粤东中部的丰顺、普宁、揭阳、潮州和饶平一带为负值一致区，其余南北区域为正值一致区。从其时间系数可知1992、1980和2004年为第3模态典型偏多年份；2019—2021年为典型偏少年份（图2e－f）。

2.1 年变化

图3为1967—2021年粤东复合高温干旱事件天数距平及5年滑动平均趋势变化，可知近55年来粤东复合高温干旱事件以0.27次／年的趋势显著增加，通过0.01显著性检验。从年代际变化上也可以明显看出，粤东复合高温干旱事件天数呈明显增加，特别是2010年代及以后的复合高温干旱事件天数要远高于以前，其中2021年复合高温干旱事件天数长达67 d，为粤东历史上最多的1年。从5年滑动平均进一步分析，在1967—1973、1981—1986和1992—1997年大致为复合高温干旱事件偏少时段；1988—1991和1998—2021年大致为偏多时段。结合粤东复合高温干旱事件5年滑动t检验（图3b）发现其表现为“升－降－升”的变化趋势，起初复合高温干旱天数呈上升趋势，在1986年其统计量为－2.28，经历了由上升到下降的明显突变，置信区间达95%；在1991年其统计量为2.07，经历了由下降到上升的明显突变，通过0.05显著性水平检验，这与武新英等［4］、Yu等［5－6］的研究结果相符。

图3 粤东1967—2021年复合高温干旱事件天数距平年际、年代际变化趋势（a）和滑动t检验（b）

运用Morlet复小波对粤东复合高温干旱事件天数时间序列实行一维连续小波变换，并绘制小波周期变化图和方差图（图略），结果表明，粤东复合高温干旱事件在1975—2021年存在准10年周期振荡，几乎整个分析时段表现的非常稳定，全域性的属性较强，结合小波分析方差可知其为复合高温干旱事件的主周期变化；此外还存在3年左右（1992—2013年）和5年左右（2000—2021年）周期变化，对应粤东复合高温干旱事件的第2和第3周期。

2.2 月、日变化

进一步分析粤东复合高温干旱事件天数逐月、日变化（图4）发现，在20世纪90年代以前复合高温干旱事件虽然每个月都出现过，但主要集中在7—8月，并且以1～2 d非持续性复合高温干旱事件为主；20世纪90年代以后粤东5—10月复合高温干旱事件都出现不同速率的增长趋势，其中5和9月增长趋势明显高于其他月份，增长速率超过0.80次／年，并且通过0.01显著性检验，特别在2021年最长复合高温干旱事件持续了33 d（9月5日—10月7日）。

图4 粤东1967—2021年复合高温干旱事件月、日际分布（a）和逐月趋势变化（b）

2.3 不同持续时间过程变化

丁婷等［18］发现在1990年代后期以来中国高温事件和干旱事件的显著增加，原因可能是区域大气环流的强烈年代际和年际变化，以及与不同区域温度差异直接相关的水汽输送，这也导致了中国出现复合高温干旱事件的范围更大，持续时间更长。从图5可见，20世纪90年代前后粤东不同持续时间复合高温干旱事件有显著差异：20世纪90年代以前以1 d的复合高温干旱事件为主；之后则明显减少；反之以2 d及持续性（≥3 d以上）的复合高温干旱事件为主，这3种趋势均通过了0.01显著性检验，其中持续性的复合高温干旱事件增加趋势最为显著，这说明了20世纪90年代后粤东持续性复合高温干旱事件显著增加是粤东复合高温干旱事件变得频繁的主要原因。