劉泳濤,謝潔宏,黃河莎,林偉彬,王周玉,葉夢茜,
(1.普寧市氣象局,廣東普寧 515300;2.揭陽市氣象局,廣東揭陽 522000;3.惠來縣氣象局,廣東惠來 515200)
近年來,隨著全球變暖加劇,干旱和高溫事件發(fā)生頻率逐漸增加,二者同時發(fā)生(即復(fù)合高溫干旱事件)的概率也進(jìn)一步加大,由于這種復(fù)合事件對社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境影響遠(yuǎn)大于單一干旱或高溫事件[1],得到了諸多氣象學(xué)者的關(guān)注。余榮等[2]歸納總結(jié)了復(fù)合型極端事件的定義、變化及歸因進(jìn)展等基本認(rèn)知;Zhou等[3]對中國歷史時期1961—2014年及未來2021—2080年復(fù)合事件的發(fā)生概率進(jìn)行了比較,表明未來中國大部分地區(qū)復(fù)合高溫干旱事件的發(fā)生概率將會增加;武新英等[4]通過標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)及標(biāo)準(zhǔn)化溫度指數(shù)(STI)識別復(fù)合高溫干旱事件后發(fā)現(xiàn),我國大部分地區(qū)復(fù)合高溫干旱事件發(fā)生頻率呈不同程度的增加趨勢;Yu等[5-6]基于相對閾值法和氣象綜合干旱指數(shù)(MCI)得出了在1990年代后期以來,中國特別是西南和西北東部、華北北部和東南沿海地區(qū)發(fā)生復(fù)合高溫干旱事件變得更加頻繁和廣泛的結(jié)論。
目前廣東省對于高溫和干旱事件的研究已經(jīng)取得了豐富的成果,秦鵬等[7]指出廣東省高溫天氣空間分布以總體一致型為主;伍紅雨等[8]研究總結(jié)了廣東高溫的氣候特征和變化規(guī)律,指出廣東年平均高溫日數(shù)以0.29 d/年的速率明顯增加,特別是2000年后更加明顯,其中增加最明顯的3個地區(qū)分別位于廣東東部、中部以北及西部地區(qū);林巧美等[9]、蔡賽緘等[10]、李恒宇等[11]針對粵東揭陽、潮州和梅州大埔等地的高溫氣候變化進(jìn)行了統(tǒng)計分析,得出粵東各地不同程度呈高溫次數(shù)增多、強度增強的結(jié)論。在干旱方面王春林等[12]、彭窈等[13]、余興湛等[14]基于逐日干旱指數(shù)(DI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)等多種氣象干旱指數(shù)研究分析了廣東乃至華南干旱時空變化特征,普遍認(rèn)為廣東省整體呈干旱化趨勢。但由于選取的時間尺度、空間區(qū)域、指數(shù)方法不同,一些結(jié)論稍有差異[12-14]。目前尚沒有進(jìn)行對粵東乃至廣東區(qū)域內(nèi)高溫和干旱復(fù)合事件的研究,因此有必要研究粵東復(fù)合高溫干旱事件時空分布特征,為防災(zāi)減災(zāi)及有效應(yīng)對氣候變化提供參考。
根據(jù)粵東氣候特點,本研究選取了1967—2021年5—10月作為研究時段。所用數(shù)據(jù)為粵東(揭陽、潮州、汕頭、汕尾、梅州20個國家地面氣象觀測站)的逐日最高氣溫和DI指數(shù);數(shù)據(jù)來源于廣東省農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)。DI指數(shù)[12]的定義為
其中,SAPIi是第i日前期降水指數(shù)API的標(biāo)準(zhǔn)化變量;Mi為第i日常年平均相對濕潤度指數(shù)。
目前,復(fù)合高溫干旱事件(compound dronght and heat event)指標(biāo)定義較多,本研究綜合參考Yu等[6]對于復(fù)合高溫干旱事件的定義以及王春林等[15]對于廣東現(xiàn)行干旱指標(biāo)DI指數(shù)的研究,將粵東復(fù)合高溫干旱事件定義如下:首先分別計算高溫和干旱閾值,考慮年循環(huán)的影響,通過15 d滑動窗口(當(dāng)天及其前后7 d)計算逐日90(10)百分位高溫(干旱)閾值,以此判別高溫(干旱)事件,復(fù)合高溫干旱事件定義為高溫(tmax>tmax90)和干旱(DI<DI10)同時發(fā)生的事件。相比其他考慮月以上時間尺度為主的干旱指數(shù),如基于SPI指數(shù)、SPEI指數(shù)和帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)等所計算的復(fù)合高溫干旱事件,該定義能提供更加客觀的日尺度干旱指數(shù),有助于更好理解復(fù)合高溫干旱事件的日尺度和過程特征(表1)。
表1 復(fù)合高溫干旱事件的相關(guān)定義
研究采用線性分析、趨勢檢驗、滑動t檢驗、Morlet小波分析等方法[16],分析粵東夏季復(fù)合高溫干旱時間的時間和周期變化特征;采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)方法[16],分析粵東夏季復(fù)合高溫干旱時間的空間分布特征。
為研究粵東復(fù)合高溫干旱事件的空間分布特征,根據(jù)上述定義計算了粵東各站年均復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)(圖1a)和變化氣候趨勢系數(shù)(圖1b)。
圖1 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件年均日數(shù)的空間變化(等值線,單位:d)(a)及變化氣候趨勢系數(shù)(等值線)(b)
結(jié)果表明,近55年粵東夏季年均復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)大致呈北多南少空間分布,大值區(qū)主要出現(xiàn)在梅州五華和大埔附近,復(fù)合高溫干旱事件年平均天數(shù)超過5 d,潮州和汕頭附近為小值區(qū)。趨勢分析表明,粵東各站點復(fù)合高溫干旱事件以增加趨勢為主,除平遠(yuǎn)外都通過0.1顯著性檢驗(65%站點通過0.01顯著性檢驗),其中普寧、揭陽和豐順一帶顯著增加,增速超過0.21 d/年,這跟高溫空間變化趨勢[7-8]很類似,結(jié)合粵東氣候特點分析可能是高溫導(dǎo)致復(fù)合高溫干旱事件出現(xiàn)頻率變高,這跟SARHADI等[17]結(jié)論比較一致,即即使干旱的發(fā)生頻率不變,高溫干旱復(fù)合型事件也會隨著高溫事件的增加而增加。
為進(jìn)一步分析粵東復(fù)合高溫干旱事件的空間分布特征,對其作EOF分解,其中EOF分解的前3個模態(tài)方差貢獻(xiàn)總和為88.62%,且都通過North顯著性檢驗,可以代表粵東復(fù)合高溫干旱時間的空間分布特征(圖2)。
圖2 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件EOF分解前3個空間模態(tài)及方差描述(a、c、e)和對應(yīng)的時間系數(shù)(b、d、f)
第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為80.65%,遠(yuǎn)大于其他模態(tài),是粵東復(fù)合高溫干旱最主要的時空分布型態(tài),其空間向量場均為正值,說明粵東復(fù)合高溫干旱事件以同位相變化為主導(dǎo),即存在一致偏多或偏少。時間系數(shù)的整體表現(xiàn)為上升趨勢,即粵東復(fù)合高溫干旱事件出現(xiàn)頻率變高(圖2ab)。另外,1991、1998、2002、2009、2011、2018、2020和2021年有明顯的正峰值,表明這些年份復(fù)合高溫干旱事件出現(xiàn)次數(shù)較多,是第1模態(tài)的典型 年 份;1967—1973、1981—1986、1992—1997、1991—2001和2005—2008等時段為負(fù)值,說明年份較少出現(xiàn)復(fù)合高溫干旱事件??紤]粵東復(fù)合高溫干旱事件主要模態(tài)是全區(qū)一致型,因此本研究將粵東區(qū)域日最高氣溫和DI指數(shù)求平均,并根據(jù)上述定義計算區(qū)域平均復(fù)合高溫干旱事件,以此討論分析其時間變化特征。
EOF第2模態(tài)方差貢獻(xiàn)為4.9%,該模態(tài)空間分布型態(tài)為南北偶極型,即空間向量場呈南北反向變化特征,分界線為梅州-揭陽-潮州一帶,以北為負(fù)值一致性,以南為正值一致性。從其時間系數(shù)可知2020和1992年為第2模態(tài)典型偏少年份;2021、2010和2004年為典型偏多年份(圖2c-d)。
EOF第3模態(tài)方差貢獻(xiàn)為3.1%,該模態(tài)空間分布型態(tài)為南北3極型,粵東中部的豐順、普寧、揭陽、潮州和饒平一帶為負(fù)值一致區(qū),其余南北區(qū)域為正值一致區(qū)。從其時間系數(shù)可知1992、1980和2004年為第3模態(tài)典型偏多年份;2019—2021年為典型偏少年份(圖2e-f)。
圖3為1967—2021年粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)距平及5年滑動平均趨勢變化,可知近55年來粵東復(fù)合高溫干旱事件以0.27次/年的趨勢顯著增加,通過0.01顯著性檢驗。從年代際變化上也可以明顯看出,粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)呈明顯增加,特別是2010年代及以后的復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)要遠(yuǎn)高于以前,其中2021年復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)長達(dá)67 d,為粵東歷史上最多的1年。從5年滑動平均進(jìn)一步分析,在1967—1973、1981—1986和1992—1997年大致為復(fù)合高溫干旱事件偏少時段;1988—1991和1998—2021年大致為偏多時段。結(jié)合粵東復(fù)合高溫干旱事件5年滑動t檢驗(圖3b)發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)為“升-降-升”的變化趨勢,起初復(fù)合高溫干旱天數(shù)呈上升趨勢,在1986年其統(tǒng)計量為-2.28,經(jīng)歷了由上升到下降的明顯突變,置信區(qū)間達(dá)95%;在1991年其統(tǒng)計量為2.07,經(jīng)歷了由下降到上升的明顯突變,通過0.05顯著性水平檢驗,這與武新英等[4]、Yu等[5-6]的研究結(jié)果相符。
圖3 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)距平年際、年代際變化趨勢(a)和滑動t檢驗(b)
運用Morlet復(fù)小波對粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)時間序列實行一維連續(xù)小波變換,并繪制小波周期變化圖和方差圖(圖略),結(jié)果表明,粵東復(fù)合高溫干旱事件在1975—2021年存在準(zhǔn)10年周期振蕩,幾乎整個分析時段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定,全域性的屬性較強,結(jié)合小波分析方差可知其為復(fù)合高溫干旱事件的主周期變化;此外還存在3年左右(1992—2013年)和5年左右(2000—2021年)周期變化,對應(yīng)粵東復(fù)合高溫干旱事件的第2和第3周期。
進(jìn)一步分析粵東復(fù)合高溫干旱事件天數(shù)逐月、日變化(圖4)發(fā)現(xiàn),在20世紀(jì)90年代以前復(fù)合高溫干旱事件雖然每個月都出現(xiàn)過,但主要集中在7—8月,并且以1~2 d非持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件為主;20世紀(jì)90年代以后粵東5—10月復(fù)合高溫干旱事件都出現(xiàn)不同速率的增長趨勢,其中5和9月增長趨勢明顯高于其他月份,增長速率超過0.80次/年,并且通過0.01顯著性檢驗,特別在2021年最長復(fù)合高溫干旱事件持續(xù)了33 d(9月5日—10月7日)。
圖4 粵東1967—2021年復(fù)合高溫干旱事件月、日際分布(a)和逐月趨勢變化(b)
丁婷等[18]發(fā)現(xiàn)在1990年代后期以來中國高溫事件和干旱事件的顯著增加,原因可能是區(qū)域大氣環(huán)流的強烈年代際和年際變化,以及與不同區(qū)域溫度差異直接相關(guān)的水汽輸送,這也導(dǎo)致了中國出現(xiàn)復(fù)合高溫干旱事件的范圍更大,持續(xù)時間更長。從圖5可見,20世紀(jì)90年代前后粵東不同持續(xù)時間復(fù)合高溫干旱事件有顯著差異:20世紀(jì)90年代以前以1 d的復(fù)合高溫干旱事件為主;之后則明顯減少;反之以2 d及持續(xù)性(≥3 d以上)的復(fù)合高溫干旱事件為主,這3種趨勢均通過了0.01顯著性檢驗,其中持續(xù)性的復(fù)合高溫干旱事件增加趨勢最為顯著,這說明了20世紀(jì)90年代后粵東持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件顯著增加是粵東復(fù)合高溫干旱事件變得頻繁的主要原因。
圖5 粵東不同過程復(fù)合高溫干旱事件年際分布(a)和趨勢變化(b)
1)采取滑動窗口計算逐日90(10)百分位高溫(干旱)閾值,以此判別高溫(干旱)事件,并定義粵東復(fù)合高溫干旱事件為高溫(tmax>tmax90)和干旱(DI<DI10)同時發(fā)生。
2)粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件呈北多、南少趨勢空間分布,趨勢變化大值區(qū)出現(xiàn)在中部普寧揭陽一帶,對應(yīng)EOF分解的第2和3模態(tài)即南北偶極型和南北3極型;而粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件的主要空間分布模態(tài)為全區(qū)一致偏多或偏少型(第1模態(tài))。
3)粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件增長趨勢顯著,大致呈“升-降-升”的變化趨勢,在1986年經(jīng)歷了由上升到下降的明顯突變,在1991年經(jīng)歷了由下降到上升的明顯突變。復(fù)合高溫干旱事件具有3、5、10年左右的周期變化特征,其中在1975—2021年存在準(zhǔn)10年周期振蕩,是其主周期振蕩。
4)粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件在20世紀(jì)90年代以前主要集中在7—8月,并且以1~2 d非持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件為主;90年代以后5和9月增長趨勢明顯高于其他月份,并且通過0.01顯著性水平檢驗。
5)20世紀(jì)90年代前后粵東不同持續(xù)時間復(fù)合高溫干旱事件有顯著差異:20世紀(jì)90年代前以1 d的復(fù)合高溫干旱事件為主;之后以2 d及持續(xù)性的復(fù)合高溫干旱事件為主,其中持續(xù)性復(fù)合高溫干旱事件是粵東夏季復(fù)合高溫干旱事件顯著增長的主要貢獻(xiàn)。