基于DI指數(shù)的佛山市氣象干旱變化趨勢(shì)分析

麥雪湖，梁華玲，麥文強(qiáng)，程銀琳

(1.廣東省東莞市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣東 東莞 523000；2.廣東省佛山市氣象局，廣東 佛山 528000)

1 引言

干旱類(lèi)型通常被分為農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱、氣象干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱，其中氣象干旱的發(fā)生是最直接和最頻繁的，也是其他類(lèi)型干旱發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)。氣象干旱指數(shù)是干旱監(jiān)測(cè)與研究的核心[1]。學(xué)者們已發(fā)展了眾多的氣象干旱指數(shù)，用以分析和監(jiān)測(cè)干旱的變化并對(duì)我國(guó)的干旱變化進(jìn)行研究[2-8]。逐日氣象干旱指數(shù)(DI)是王春林基于標(biāo)準(zhǔn)化前期降水指數(shù)(SAPI)和常年平均相對(duì)濕度高指數(shù)(M)構(gòu)建的[9]。DI干旱指標(biāo)已通過(guò)廣東省氣象局業(yè)務(wù)準(zhǔn)入評(píng)審，成為廣東省氣象部門(mén)現(xiàn)行氣象干旱指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。佛山處于亞熱帶，雨量雖較充足，但由于降水分布不均，同時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)，氣溫高，蒸發(fā)和作物蒸騰量大，因此季節(jié)性、區(qū)域性氣象干旱也時(shí)有發(fā)生，但在目前的氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，對(duì)于氣象干旱的監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作開(kāi)展仍較少。本文擬利用DI指數(shù)對(duì)佛山市近59 a氣象干旱特征進(jìn)行分析，以期掌握佛山市氣象干旱的變化趨勢(shì)，為佛山市氣象干旱預(yù)測(cè)和加強(qiáng)氣象防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料和方法

本文使用的資料來(lái)自于廣東省氣候中心的逐日氣象干旱指數(shù)DI，基于DI的氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Meteorological drought grade

根據(jù)DI指數(shù)分別統(tǒng)計(jì)佛山3個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(三水、南海、順德)的1959—2017年各個(gè)氣象干旱等級(jí)的日數(shù)，把輕旱及以上等級(jí)的總?cè)諗?shù)作為總的干旱日數(shù)，用3站平均表征佛山市，采用“二項(xiàng)式系數(shù)加權(quán)平均法”[11]進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)合M-K檢驗(yàn)和小波分析等方法分析氣候突變和周期變化，對(duì)佛山市氣象干旱變化趨勢(shì)進(jìn)行分析研究。

3 氣象干旱變化趨勢(shì)分析

3.1 年氣象干旱日數(shù)變化趨勢(shì)分析

佛山市1959—2017年共有氣象干旱日數(shù)5 070.3 d，年平均85.9 d，年極端最大為182 d(1963年)，年極端最小為2.3 d(1975年)。圖1描述了59 a佛山年氣象干旱日數(shù)的變化，實(shí)線表示原始序列，虛線為經(jīng)過(guò)二項(xiàng)式系數(shù)加權(quán)平均的11 a平滑序列，點(diǎn)線為平滑序列的線性回歸趨勢(shì)。線性回歸分析中相關(guān)系數(shù)R為0.643，通過(guò)了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，傾向值b為負(fù)值，表明近59 a以來(lái)，佛山年氣象干旱日數(shù)呈減少變化的趨勢(shì)。由平滑曲線可以看到，除了20世紀(jì)80—90年代年氣象干旱日數(shù)經(jīng)歷了一個(gè)平穩(wěn)期，年氣象干旱日數(shù)整體呈波動(dòng)式減少。

圖1 1959—2017年佛山年氣象干旱日數(shù)變化Fig.1 Variation of anomaly meteorological drought days in Foshan from 1959 to 2017

與傳統(tǒng)的滑動(dòng)平均法相比，二項(xiàng)式系數(shù)加權(quán)平均平滑后的新序列與原序列相等，其當(dāng)前項(xiàng)系數(shù)最大，向前向后逐漸減少，保存了當(dāng)前項(xiàng)自身及附近項(xiàng)的相對(duì)特征，其平滑效果接近小波分析[11]。對(duì)比11 a與19 a的平滑曲線(圖略)，二者比較一致，而11 a平滑主要濾掉了11 a以下的周期，19 a平滑主要濾掉了19 a以下的周期，綜合表明佛山氣象干旱的長(zhǎng)期氣候變化主要是20 a以上的長(zhǎng)周期或10 a以下的短周期為主，11～19 a的周期不存在或不明顯。

3.2 年氣象干旱日數(shù)周期分析

利用Morlet小波分析對(duì)佛山年氣象干旱日數(shù)的周期特征進(jìn)行分析。由小波系數(shù)實(shí)部圖可以看到，佛山年氣象干旱日數(shù)在59 a的演變過(guò)程中存在準(zhǔn)20 a大周期，出現(xiàn)多和少交替的準(zhǔn)3次振蕩；1980年前存在準(zhǔn)3 a的短周期，出現(xiàn)準(zhǔn)6次振蕩；1980年后轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)7 a的周期，出現(xiàn)準(zhǔn)5次振蕩。由小波系數(shù)模的方差貢獻(xiàn)看，存在3處明顯的峰值，分別對(duì)應(yīng)著3 a、7 a及20 a的周期時(shí)間尺度，其中最大峰值對(duì)應(yīng)20 a的周期尺度，表明20 a的周期有著最強(qiáng)的振蕩，是年氣象干旱日數(shù)變化的首個(gè)主周期。這與小波系數(shù)實(shí)部分析的結(jié)果一致，同時(shí)與前文二項(xiàng)式系數(shù)加權(quán)平滑對(duì)周期的分析結(jié)果相吻合。

圖2 年氣象干旱日數(shù)小波系數(shù)實(shí)部(左)和模的方差貢獻(xiàn)(右)Fig.2 Real part of wavelet coefficient of anomaly meteorological drought days (left) and variance of norm (right)

3.3 年氣象干旱日數(shù)氣候突變分析

圖3 年氣象干旱日數(shù)的Mann-Kendal檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendal test of anomaly meteorological drought days

Mann-Kendal非參數(shù)突變檢驗(yàn)是目前突變性檢驗(yàn)方法中理論基礎(chǔ)較強(qiáng)且應(yīng)用較多的一種，它不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，具有檢驗(yàn)范圍寬、定量化程度高、人為性小等優(yōu)點(diǎn)。由圖3中UF曲線可見(jiàn)，從20世紀(jì)70年代起，佛山地區(qū)的年氣象干旱日數(shù)呈減少趨勢(shì)，2015年后這種減少趨勢(shì)更為明顯(超出-1.96的臨界值)，表明氣象干旱日數(shù)減少的趨勢(shì)是顯著的。從UF和UB的交點(diǎn)情況看，在2010—2011年有4個(gè)交叉點(diǎn)，均位于顯著性檢驗(yàn)水平范圍內(nèi)，認(rèn)為該時(shí)間段為突變點(diǎn)，即2010—2011年是氣象干旱日數(shù)突變減少的開(kāi)始時(shí)段。

4 小結(jié)

根據(jù)逐日氣象干旱指數(shù)DI指數(shù)統(tǒng)計(jì)佛山1959—2017年氣象干旱日數(shù)，采用“二項(xiàng)式系數(shù)加權(quán)平均法”進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)合M-K檢驗(yàn)和小波分析等方法分析氣候突變和周期變化，對(duì)佛山市59 a的氣象干旱日數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：

①近59 a以來(lái)，佛山年氣象干旱日數(shù)呈減少的趨勢(shì)，除了20世紀(jì)80—90年代年氣象干旱日數(shù)經(jīng)歷了一個(gè)平穩(wěn)期，年氣象干旱日數(shù)整體呈波動(dòng)式減少。

②佛山年氣象干旱日數(shù)存在準(zhǔn)3 a、7 a及20 a的周期時(shí)間尺度，準(zhǔn)3 a的短周期存在于1980年前，準(zhǔn)7 a的周期出現(xiàn)在1980年后， 20 a的周期有著最強(qiáng)的振蕩，是年氣象干旱日數(shù)變化的首個(gè)主周期。

③ Mann-Kendal檢驗(yàn)表明，從20世紀(jì)70年代起，佛山地區(qū)的年氣象干旱日數(shù)呈減少趨勢(shì)，2015年后年氣象干旱日數(shù)呈顯著減少的趨勢(shì)，2010—2011年是氣象干旱日數(shù)突變減少的開(kāi)始時(shí)段。

造成干旱的原因既與氣象等自然因素有關(guān)，也與人類(lèi)活動(dòng)及應(yīng)對(duì)干旱的能力有關(guān)。本文得到的結(jié)論僅是針對(duì)氣象干旱來(lái)分析，并不能完全代替干旱實(shí)況，因此在日常的干旱災(zāi)害分析研判中仍需要結(jié)合多方面的因素來(lái)綜合考慮。