廣東驟旱時空特征及其與傳統干旱的對比分析

張柳紅，王華，劉暢，陳慧華，柳曄

（1.廣東省氣候中心，廣東廣州 510640；2.中國氣象科學研究院＆中再巨災風險管理股份有限公司·氣象風險與保險聯合開放實驗室，北京 100081）

在全球增暖背景下，極端干旱事件頻發，對農業、生態和經濟造成深刻影響［1］，尤其是高溫引起的蒸散發增強［2-3］導致干旱加劇，并使得干旱具有了新的特點。對此，學術界提出“驟旱”的概念［3-9］。目前還無統一定論，但普遍指出“驟旱”較一般的干旱發展速度快，一般是在一個月內形成，并引發驟旱和熱浪同時出現的復合極端氣候現象，對農業生產、生態環境有著顯著影響。全球各地驟旱事件頻發，如2012年美國中西部平原驟旱［10］、2013年我國長江中下游驟旱［11］、2015到2016年南部非洲驟旱［6］、2017年美國北部平原驟旱［12］、2017到2018年澳大利亞東部驟旱［13］、2022年我國長江流域驟旱［14］等。這些事件因影響范圍廣、空間尺度大而備受關注。事實上，近10年廣東也出現了驟旱事件，但相關研究還鮮見報道。

目前，驟旱已成為干旱研究的前沿熱點之一。關于驟旱的識別方法在學術界并無統一定論，根據驟旱爆發迅速且發生強度大的特點來識別驟旱是主要方法之一。第一種通過構建相關的干旱指標識別驟旱迅速增加的干旱強度［5］；另一種通過監測氣象和土壤濕度等變量距平的變化來識別驟旱事件，Mo等［3-4］將其應用于美國中部1961—2013年驟旱事件的識別研究中；Yuan等［6-7］、張翔等［8］將距平法應用于1979—2010年中國驟旱事件識別以及驟旱與季節性干旱事件研究中。目前，關于驟旱的研究仍以科研為主，在業務上的應用比較鮮見，主要是因為：（1）處在初步研究階段，不同學者采用的指標不同［3-9，15］；（2）驟旱以爆發迅速為關鍵特征，但歸因尚不明確；（3）關注的空間尺度較大，集中在區域、國家或洲際等大尺度范圍［4-8，10-14，16-17］，針對省市級的研究較少。廣東最值得關注的是可能引起傳統干旱且持續數周甚至一個月的驟旱事件。

驟旱源于降水虧缺并伴隨高溫引起的土壤水分急劇下降，驟旱的發生與近年來屢創新高的極端高溫事件似乎不無關系，僅依靠降水變化并不能很好地解釋這種短時間內快速形成的干旱。本研究綜合驟旱發展時間尺度、發展迅速的成因，基于氣溫、降水數據和相對濕潤度指數，初步構建適應廣東氣候特點的驟旱指標，研究廣東近49年來驟旱的時空分布特征，并與傳統氣象干旱作對比分析，以期使政府和受驟旱影響行業更深入的了解干旱風險，進而提高應對能力和防范意識，也可為其他省市驟旱研究提供參考。

1 資料和方法

1.1 氣象資料

驟旱特征分析采用的氣象資料為整編，通過均一性檢驗的廣東86個國家氣象站逐日氣溫、降水、相對濕度等觀測數據；時段為1973年1月1日—2021年12月31日。

1.2 驟旱指標

建立能夠綜合降雨、氣溫和相對濕潤度指數等要素的驟旱識別方法，并能同時反映驟旱的強度與持續時間，用于準確監測和識別區域驟旱事件的發生發展變化情況?？紤]驟旱作為一種干旱類型，也需要滿足基本特征：存在持續性的缺水，從而對自然或社會系統產生影響。因此，研究重點關注可能引起傳統干旱且持續數周甚至一個月的驟旱事件。前人研究主要考慮高溫和干旱等復合型指標、干旱發展速率、干旱爆發及恢復過程等3類監測指標對驟旱進行定義［9］。借鑒這些相關研究成果及氣象干旱監測相關技術方法［6-7，15-19］，同時考慮降水、氣溫和土壤濕度變化，遴選月平均氣溫異常大于1個標準差、降水百分位數＜40%、相對濕潤度指數MI≤-0.4共3項指標作為驟旱監測指標，其中降水指標用于表征水分虧缺，氣溫指標用于表征高溫對于驟旱發展速度的影響，土壤濕度指標用于表征土壤水分的變化。

1）氣溫異常標準差。

氣溫標準差s的計算公式為

其中，ti為某站某日平均氣溫（℃）；ˉt為某站多年平均氣溫（℃）；n為年份。當某站某日的平均氣溫距平（Δt＝ti-ˉt）＞s，則該日該站出現了驟旱監測指標中的氣溫指標。Mo等［3-4］采用候平均氣溫異常＞1個標準差作為驟旱監測條件之一。本研究借鑒上述定義，發展為廣東驟旱的氣溫監測指標。

2）降水百分位數。

建立廣東86個國家氣象站1973—2021年的逐日降水序列后進行升序排列，并取百分位數為40%的降水量值定義為該站驟旱降水指標的臨界閾值。當降水量＜40%百分位值時，即滿足發生驟旱的降水條件?；诟邷?、干旱等復合型指標的研究學者［3-4，9，16］采用平均降水百分位數＜40%或平均土壤濕度百分位數＜40%作為驟旱其中的一個監測指標，結合前人研究認為廣東近年來的嚴重氣象干旱發生在降水偏少的氣候背景下［20］，因此，本研究考慮廣東氣候特點，采用降水百分位數＜40%作為廣東驟旱的降水指標。

3）相對濕潤度指數。

定義某段時間的降水量與同時段內潛在蒸散量相比的百分率為相對濕潤度指數（moisture index，MI），公式為

其中，Rain為某時段的降水量（mm）；PET為某時段的潛在蒸散量（mm）。采用聯合國糧農組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式計算，修正公式表達式為

以d為步長，則式（3）中，PET為潛在蒸散量（mm·d-1）；tmean為日平均氣溫（℃）；Rn為地表凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；u2為2 m高處風速（m·s-1）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa·℃-1）；γ為干濕表常數（kPa·℃-1）。各分量詳細計算參考氣象干旱等級（GB／T 20481-2017）［19］。

1.3 傳統氣象干旱指標

采用逐日氣象干旱指數（daily dry index，DI）作為傳統氣象干旱指標并確定干旱等級，該指數也是目前廣東省氣象干旱監測業務的常用方法。DI指數計算方法詳見文獻［20-21］。

2 結果與分析

2.1 驟旱時間變化

由圖1可以看出，1973—2021年廣東驟旱次數以每10年17.2站次的速率增加，并通過0.01水平的顯著性檢驗，說明廣東驟旱次數增加顯著。進入新世紀以來，驟旱發生次數越來越多且每年均有發生，其中2020年為最高，86個國家站共計出現了183站次；2015年全省各地出現驟旱118站次，為歷史次多；2018、2021和2014年驟旱出現站次也較多，分別有104、97和90站次；其余年份驟旱出現次數少于90站次，其中1976、1978、1981、1984、1985、1986、1989、1992、1993和1995年廣東各地未出現驟旱。

圖1 1973—2021年廣東省驟旱發生站次的時間變化

根據圖2廣東驟旱的月際分布可知，驟旱多發生在夏季，春末秋初發生頻次也較高，其中7月份出現站次最多，1973—2021年期間平均出現4.1站次；6、8和9月也較為多發，月均分別出現3.0、2.8和2.9站次；12月最少僅0.3站次；4月次少為0.5站次。

圖2 1973—2021年廣東省驟旱和傳統干旱各月平均出現站次

2.2 驟旱空間變化

廣東驟旱空間分布不均（圖3），總體表現為雷州半島中部和南部、粵東的東南部、梅州中部等地驟旱發生站次多，超過17站次；江門中西部、肇慶西部和清遠西北部驟旱發生站次較少，少于9站次；其余地區介于9～17站次。

圖3 廣東省驟旱年代際發生站次的空間分布

在氣候變暖背景下，廣東各地發生驟旱的區域分布和頻次亦有差別（圖略）。1973—1980、1981—1990和1991—2000年3個年代際廣東各地驟旱發生站次均較少，大都少于3站次；進入新世紀以后，廣東各地驟旱發生頻次驟增。2011—2021年廣東各地驟旱頻次均較1991—2000和2001—2010年顯著增加，增加區域主要分布在南部地區，其中又以雷州半島中部和南部、陽江西南部、珠三角西側、梅州中部和粵東的南部地區最為顯著，上述地區由1991—2000和2001—2010年驟旱頻次低于3站次增至2011—2021年的超過12站次。上述結果說明，在氣候變暖的大背景下，廣東各地驟旱發生頻次趨于增加，發生面積明顯擴大，驟旱可能成為干旱的一種“新常態”，開展驟旱研究對防旱抗旱工作意義重大。

2.3 驟旱與傳統干旱的對比分析

1）驟旱與傳統干旱時空變化差異。

1973—2021年，廣東傳統干旱發生頻次以每10年4.7站次的速率呈波動上升趨勢（圖4），其中2011年出現站次最多，86個國家氣象站共計出現214站次；2016年出現站次最少，僅12站次。月際分布上（圖2），廣東省傳統干旱主要發生在秋冬季，又以11月為最，1973—2021年期間平均出現23.6站次；其次是12月，月均出現16.8站次；1、2和10月出現站次較多，月均分別出現11.4、11.6和14.4站次；夏季傳統干旱較少發生，其中6月最少，月均僅出現1.8站次；7月次少，月均出現2.0站次。由此可見，廣東傳統干旱多發于秋冬季，與驟旱多發生在夏季和春末秋初有別。

圖4 1973—2021年廣東省傳統干旱歷年發生站次時間變化

圖5為1973—2021年廣東省傳統干旱歷年發生站次的空間分布。

圖5 1973—2021年廣東省傳統干旱歷年發生站次的空間變化

從空間分布上看出，廣東傳統干旱高發區主要分布在雷州半島和粵東的南部沿海地區，1973—2021年共計出現超過70站次；珠三角南部沿海、粵東的北部、茂名、梅州等地也較為多發，出現站次介于60～70站次；粵北北部傳統干旱較少發生，出現低于50站次。由此可見，傳統干旱高發區也是驟旱高發區，未來需重點關注雷州半島、潮汕地區等地的驟旱及傳統干旱防御。

2）驟旱、傳統干旱與極端高溫的關系。

1973—2021年，廣東平均高溫日數以每10年增加4.8 d的速率呈顯著上升趨勢，2021年平均高溫日數歷史最多，高達42.9 d（圖6）。廣東年極端最高氣溫年際波動大，總體呈現微弱的升高趨勢，其中1984、1989、2003、2005、2007、2008、2016、2019和2020年的全省極端最高氣溫均超過40℃，而上述年份除了2016年外，均出現了較強或以上等級的氣象干旱，如2004和2005年廣東出現特大干旱災害，給廣東農業生產和人民生活造成嚴重影響［18，22-23］；2020年10月至2021年5月，廣東發生秋冬春連旱，農業生產、森林防火、生活用水受影響［20，24］。另外，在上述極端高溫事件年份的前1年，驟旱也較為明顯，如2003年廣東極端最高氣溫高達41.6℃，2002年廣東驟旱出現45站次；2016年廣東極端最高氣溫40.2℃，2015年驟旱出現118站次；2019和2020年廣東極端最高氣溫分別為40.0和40.3℃，2018和2019年驟旱分別出現104和68站次。因此，廣東驟旱和傳統干旱均與極端高溫密切相關。

圖6 1973—2021年廣東省年極端最高氣溫和平均高溫日數時間變化

3）驟旱與傳統干旱發生時間上的差異。

新世紀以來，廣東干旱頻發重發，其中2004、2005、2020和2021年尤為突出，故以2004—2005、2020—2021年為典型個例，分析驟旱和傳統干旱的關聯（圖7）。由此可知，2004—2005年廣東發生驟旱時間早于傳統干旱，2005年驟旱在春夏秋季均在發生，而傳統干旱發生于秋季；2020—2021年廣東發生驟旱的時間最早在2020年5—7月，并持續至2020年10月發生傳統干旱，傳統干旱持續至2021年5月，期間驟旱偶有發生，說明驟旱早于傳統干旱發生或與傳統干旱同時發生，與袁星等［7］的結論一致。驟旱先于氣象干旱開始發展，驟旱與氣象干旱也可以并存，但出現驟旱不一定發生傳統干旱，驟旱的研究對干旱的提早預警亦具有重要意義。

圖7 2004—2005年（a）和2020—2021年（b）廣東省驟旱發生過程

3 結論

1）廣東驟旱多發生在夏季，其中7月最多，春末秋初發生頻次也較高，不同于傳統干旱秋冬季發生頻次最高，說明廣東驟旱或早于傳統干旱發生，亦可作為傳統干旱的提前預警。廣東驟旱高發區位于雷州半島、潮汕地區和梅州地區，其中雷州半島、潮汕平原也屬于傳統干旱高發區，應高度重視上述地區干旱及旱澇急轉對行業的影響。

2）1973—2021年，廣東驟旱發生站次增加趨勢顯著，尤其是新世紀以來廣東省驟旱每年都有發生，驟旱可能成為干旱的一種“新常態”。在氣候變暖背景下，干旱和高溫熱浪之間存在相互作用，并伴隨著廣東GDP快速增長和人口增長導致的用水量增加，加劇了驟旱風險，對不同年代際的驟旱研究結果也證實了氣候變暖背景下廣東驟旱發生頻次趨于增多，發生范圍趨于擴大。廣東的天氣氣候變率較大，易發生快速的旱-澇轉換，極端旱澇風險進一步增加。

3）傳統干旱發展相對緩慢，其爆發過程需要數月甚至更長時間；而驟旱發展迅速，其預見期短，驟旱可能比傳統干旱對于全球增暖更為敏感。因此，在全球氣候變暖背景下，廣東驟旱風險仍在增加，亟待加強驟旱極端事件研究，為科學防治驟旱、適應氣候變化提供有力支撐。

4）異常高溫和降水虧缺等氣候異常是廣東驟旱發生的直接原因，而氣候異常又與季風異常、副熱帶高壓控制等密切相關。廣東驟旱多發于夏季，與西太平洋副熱帶高壓偏強引發的高溫事件息息相關，未來需加強驟旱歸因研究，以期實現驟旱的量化風險評估。