全 文 ：第 35 卷第 3 期
2015年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.3
Feb.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:公益性行业(气象)专项(GYHY201106021); 国家 973计划(2013CB430206); 广东省科技计划(2012B020314006); 干旱气象科学研
究基金(IAM201303)
收稿日期:2013鄄04鄄12; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄04鄄03
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wangcl@ grmc.gov.cn
DOI: 10.5846 / stxb201304120691
王春林,邹菊香,麦北坚,陈慧华,唐力生,段海来.近 50年华南气象干旱时空特征及其变化趋势.生态学报,2015,35(3):595鄄602.
Wang C L, Zou J X, Mai B J, Chen H H, Tang L S, Duan H L.Temporal鄄spatial characteristics and its variation trend of meteorological drought in recent
50 years, South China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):595鄄602.
近 50年华南气象干旱时空特征及其变化趋势
王春林1,2,*,邹菊香2,3,麦北坚4,陈慧华1,唐力生1,段海来1
1 广东省气候中心,广州摇 510080
2 南京信息工程大学,南京摇 210044
3 广东省汕头市气象局,汕头摇 515041
4 广东省鹤山市气象局,鹤山摇 539700
摘要:采用标准化前期降水指数(SAPI)和常年平均相对湿润度指数(M)构建的逐日气象干旱指数(DI),根据华南(广东、广
西)174个气象站资料分析了近 50 年(1961—2010 年)气象干旱时空特征及其气候变化趋势。 结果表明:(1)华南近 30 年
(1981—2010年)总旱日频率平均为 26.0%,其中轻旱、中旱、重旱和特旱日分别为 12.3%、8.1%、4.2%和 1.4%。 (2)各等级旱日
频率具有非汛期(10月至次年 3月)高于汛期(4月至 9月)、广西高于广东的特征。 (3)近 50 年华南最旱的 5a 依次为:1963、
1991、2004、2009、1977。 (4)气候变化趋势分析表明,1至 9月降水和月干旱指数(MI)以增加趋势为主,各等级旱日数以减少趋
势为主,其中 7月份 MI增加趋势及各等级旱日减少趋势均达到 0.1显著水平;而 10至 12月降水和 MI 以减小趋势为主,各等
级旱日数以增加趋势为主,其中 11月份 MI减小趋势及中旱、重旱、总旱日增加趋势均达到 0.05显著水平。 (5)年总旱日趋于
增加、减少的站点数各占 60%、40%,有 11%的站点达到 0.1以上显著水平。 各等级旱日显著增加的站点大多集中在广西,而旱
日显著减少的站点主要集中在广东,表明广西干旱总体上重于广东的格局可能进一步加剧。 目的为进一步开展华南气候变化
影响评估、水资源利用及应对气候变化提供基础。
关键词:标准化前期降水指数(SAPI);逐日气象干旱指数(DI);气象干旱;华南
Temporal鄄spatial characteristics and its variation trend of meteorological drought
in recent 50 years, South China
WANG Chunlin1,2,*, ZOU Juxiang2,3, MAI Beijian4, CHEN Huihua1, TANG Lisheng1, DUAN Hailai1
1 Guangdong Climate Center, Guangzhou 510080, China
2 Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
3 Shantou Meteorology Bureau of Guangdong Province, Shantou 515041, China
4 Heshan Meteorology Bureau, Heshan 539700, China
Abstract: Using the daily meteorological drought indicator (DI) constructed by standardized antecedent precipitation index
(SAPI) and year round average relative moisture index (M),based on meteorological data of 174 stations of South China
(includes Guangdong and Guangxi Province), temporal and spatial characteristics and its variation trend of meteorological
drought in recent 50 years in South China was analyzed in the paper. Main results are: (1) Recent 30 years (1981—2010)
average drought days frequency of all levels in South China is 26.0%, where light, middle, severe and extreme drought
days accounts for 12. 3%, 8. 1%, 4. 2% and 1. 4% respectively. ( 2) Drought days of each level in non鄄flood season
(October to March) are more than flood season (April to September), and Guangxi is more than Guangdong. (3) The most
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dry 5 years in recent 50 years in South China are 1963, 1991, 2004, 2009 and 1977. (4) According to linear trends
analysis, rainfall and monthly drought index (MI) from January to September mainly show increasing trend, and drought
days of each level mainly show decreasing trend, where increasing trend of MI and decreasing trend of drought days of each
level in July are statistically significant (琢= 0.1); while rainfall and MI from October to December mainly show decreasing
trend, and drought days of each level mainly show increasing trends, where decreasing trend of MI and increasing trends of
middle and severe drought days of November are statistically significant ( 琢 = 0. 05). ( 5) Stations of increasing and
decreasing trends of annual drought days account for 60% and 40% respectively, where 11% stations are statistically
significant over 0.1 level. Stations with statistically significant increasing trend of drought days of each levels are mostly in
Guangxi Province, while stations with statistically significant decreasing trend of drought days are in Guangdong Province,
indicating that the overall pattern that drought in Guangxi is more severe than in Guangdong may further aggravate in the
future. The study can provide a base for further study on climate change evaluation, water resources utility and coping
strategies of climate change as well.
Key Words: standardized antecedent precipitation index ( SAPI ); Daily meteorological drought indicator ( DI );
Meteorology drought; South China
华南地处低纬,濒临南海,受低纬度热带天气系统和中高纬度天气系统的交替影响,天气气候复杂多变。
华南虽然年降水比较充沛,属于湿润气候区[1],但时空分布不均,兼之太阳辐射强、气温高、土壤蒸发和作物
蒸腾强烈,区域性、季节性干旱十分突出,华南沿海地区是我国五大气象干旱中心之一[2鄄4],也是气候变化敏
感区和脆弱区之一。 在全球变化背景下,极端干旱气候事件呈频发趋势,全球水资源和水循环研究已经成为
全球变化科学的新的战略重点[5]。
文献中对华南干旱的研究可分为阶段降水评估和逐日干旱监测评估两类。 降水评估类研究包括对华南
区域代表站点年度[6]、季度[7鄄8]、汛期(前汛期) [9鄄10]等不同时间尺度降水的分析评定,研究方法包括极差
法[6]、距平法[8鄄9]、标准化降水指数[7,10]等。 逐日干旱监测评估研究近年日益得到重视,广东干旱逐日监测评
估中发展了逐日土壤水分模拟方法[11鄄14],近年随着综合气象干旱指标 CI[15]及其改进指标[16]在全国气象干旱
监测评估中广泛应用[3鄄4,17鄄18],王春林等[19]从气象干旱定义“降水持续偏少导致的水分亏缺现象冶出发,考虑
干旱累积效应[2],提出基于标准化前期降水指数(SAPI)的逐日气象干旱指标,克服了基于“等权累加冶建立的
标准化降水指数(SPI)和综合干旱指数(CI)等指标由于前期降水移出计算窗口而导致的“不合理旱情加剧冶
问题[19]。 鉴于 SAPI 本质上是标准化变量,不能充分刻画干旱频率季节性、区域性差异,王春林等[20]基于
SAPI和常年平均相对湿润度指数(M)构建了逐日干旱指数(DI),并基于 DI 编制出版了《广东省气象干旱图
集》 [20]。 DI干旱指标通过广东省气象局业务准入评审,成为广东省气象部门现行气象干旱指标标准。 本文
采用 DI分析华南区域近 50年干旱时空特征及其气候变化趋势,期望对进一步开展气候变化影响评估、水资
源利用及应对气候变化研究具有参考意义。
1摇 资料与方法
1.1摇 研究区域及资料
本文中的华南包括广东和广西两省。 气象资料包括广东 86 个、广西 88 个地面气象站从建站至 2010 年
的逐日降水和可能蒸散,其中可能蒸散通过逐日气温、日照时数、相对湿度、风速等资料采用 FAO Penman鄄
Monteith公式[15]计算。 资料来自广东省气象信息中心。
1.2摇 逐日干旱指数 DI
单站逐日气象干旱指数 DI表征逐日气象干旱强度,可以刻画逐日气象干旱发生、发展和结束过程。 DI
定义为:
695 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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DIi = SAPIi + 軍Mi (1)
式(1)中 SAPIi是第 i日前期降水指数 API的标准化变量 SAPI[19],SAPI 计算方法参见《气象干旱等级》国家
标准[15]附录 C标准化降水指数 SPI,历史样本资料为近 30年(1981—2010年)逐日 API。 API计算公式为:
APIi = P i + kAPIi -1 (2)
式中,APIi为第 i日 API,P i为当日降水量(mm),APIi-1为前一日的 API,k 为衰减系数,取经验值 0郾 955。 每个
站从建站开始逐日滚动计算 API,初始 API设为 0。 建站开始后的头 4个月 API受边界效应影响舍弃不用。
式(1)中 軍Mi 为第 i日常年平均相对湿润度指数, 軍Mi 根据 30a(1981—2010 年)逐日降水和可能蒸散量
计算[15]:
軍Mi =
軈P i
PE i
- 1 (3)
式中, 軈P i为第 i日 30a(1981—2010年)平均降水量(mm), PE i为第 i日 30a(1981—2010年)平均可能蒸
散量(mm),采用 FAO Penman鄄Monteith方法计算[15]。 为了增强軍Mi年变化曲线平滑性,对軈P i 、 PE i做 2次 30d
滑动平均处理。 軍Mi理论范围为-1至肄,为了避免因为 PE i接近于 0时候导致軍Mi趋于肄,当軍Mi >0时采用双曲
正切函数式(4),约束 軍Mi 变化范围为-1— 1:
軍Mi =
e2軍Mi - 1
e2軍Mi + 1
,当軍Mi 逸 0 (4)
軍Mi 表征某地常年平均干湿程度及其年变化动态。 华南代表性站点 30a(1981—2010 年)平均逐日相对湿
润度指数年变化曲线表明(图 1),华南各地干湿季节性变化显著,2—3月自北向南渐次进入湿润季节( 軍Mi >
0),10月以后自北向南渐次进入相对干季( 軍Mi <0)。 区域平均湿润天数( 軍Mi >0)达 64%。
逐日气象干旱等级划分标准如表 1。
摇 图 1摇 华南代表站点 30a(1981—2010年)平均逐日相对湿润度指
数M
Fig.1摇 Daily relative moisture index averaged over 30 years from
1981 to 2010 in representative stations of South China
表 1摇 气象干旱等级标准
Table 1摇 Criteria of meteorological drought
干旱等级
Drought level
逐日干旱指标
Criteria of daily
drought
逐月干旱指标
Criteria of monthly
drought
无旱 none dry -0.5
摇 摇 *DI: 日气象干旱指数 DI(Daily drought Index); **MI: 月干旱指
数 MI(Monthly drought Index)
1.3摇 月干旱指数 MI与年干旱指数 YI
月干旱指数 MI和年干旱指数 YI表征月、年尺度气象干旱强度,其定义为某站月 /年内小于 0 的 DI 之和
除以月 /年总天数,即:
MI = 1
n移
n
i = 1
DIi,当 DIi < 0 (5)
式中,n为月内总天数,DIi为逐日干旱指数。 YI计算公式同式(5),n为年内总天数,YI等同于年内各月 MI 的
算术平均。 MI、YI用于监测评估月、年尺度气象干旱程度。 月气象干旱等级划分标准见表 1。 统计表明各等
795摇 3期 摇 摇 摇 王春林摇 等:近 50年华南气象干旱时空特征及其变化趋势 摇
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级旱月频率与旱日频率比较接近,因此本文仅讨论各等级旱日频率,旱月频率不重复介绍。
2摇 结果与分析
2.1摇 旱日频率年变化特征
华南平均轻旱、中旱、重旱和特旱日频率分别为 12.3%、8.1%、4.2%和 1.4%,总旱日频率为 26.0%(表 2),
低于基于 SPI指标的理论频率(轻旱、中旱、重旱和特旱日频率分别为 15%、9.2%、4.4%和 2郾 3%) [15],这与华
南地区总体上比较湿润,年内湿润时段居多有关。
表 2摇 近 30年(1981—2010年)华南逐月平均降水量、旱日频率及干旱指数
Table 2摇 Monthly rain, drought days and drought index of South China (1981—2010)
月份
Month
降水 / mm
Precipitation MI / YI
旱日频率 dry days frequency / %
轻旱
Light dry
中旱
Middle dry
重旱
Severe dry
特旱
Extreme dry
合计
Sum
1 45.1 -0.63 19.4 17.3 9.0 3.4 49.0
2 69.1 -0.49 16.7 12.2 6.9 2.2 38.0
3 99.0 -0.33 14.2 8.4 3.5 1.1 27.1
4 157.2 -0.25 10.6 6.2 2.8 0.7 20.3
5 244.0 -0.20 8.7 4.5 1.8 0.8 15.9
6 295.9 -0.12 6.5 2.6 0.8 0.2 10.1
7 246.6 -0.10 6.0 1.8 0.4 0.0 8.2
8 224.5 -0.15 8.1 3.3 1.0 0.2 12.6
9 141.1 -0.19 9.0 4.4 1.6 0.5 15.5
10 64.2 -0.33 13.7 8.3 3.7 1.1 26.9
11 46.7 -0.55 16.4 14.6 8.9 2.3 42.3
12 30.8 -0.62 17.8 14.2 10.1 3.9 46.0
年均
Annual mean 1664.3
-0.33 12.3 8.1 4.2 1.4 26.0
摇 图 2摇 近 30年(1981—2010年)华南逐月平均旱日频率和降水量
Fig.2摇 Monthly drought days and rain of South China (1981—
2010 mean)
各等级旱日频率具有和降水相反的年变化特征
(图 2),汛期(4—9 月)旱日频率低于非汛期(10 月至
次年 3月)。 年内最旱的 3 个月为 11、12 月和次年 1
月,这 3个月平均降水都少于 50 mm,平均月干旱指数
MI都小于-0.5,旱日频率都大于 40%。 值得注意的是,
1月份旱日频率最高(49%)、MI 最小( -0.63),比降水
最少的 12月(30.8 mm)滞后 1 个月,表明 DI 指标能够
表征气象干旱相对枯水时段的滞后效应。
2.2摇 旱日频率空间分布特征
华南各等级旱日频率分布总体比较一致,均呈西高
东低分布(图 3)。 各等级旱日频率高于年平均的区域,
即轻旱日频率>12%、中旱日频率>8%、重旱日频率>
4%、特旱日频率>1.5 的区域,主要分布在广西除桂林
以外的大部分地区、广东雷州半岛及沿海地区。 年干旱指数 YI 分布图反映了华南气象干旱综合情况,YI<
-0.3区域和上述各等级旱日频率较高区域相对应。 YI<-0.4 区域包括广西西南部的百色、崇左、南宁地区和
广东的雷州半岛地区,为华南最旱区域。
比较年干旱指数 YI与年降水量分布细节发现,YI<-0.3 的偏旱区域和年降水量少于 1600 mm 的少雨区
895 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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域并不完全一致。 华南有 5个年降水量大于 2000 mm 的降水集中区,即广西的防城鄄钦州、桂林和广东的阳
江、清远、汕尾,值得注意的是这 5个降水集中区中,广东汕尾、广西防城鄄钦州 2 个区域 YI 较低,汕尾附近重
旱频率较高(图 3),表明这 2个区域尽管年降水较多,但季节分配不均,具有旱涝并重特点。
图 3摇 近 30年(1981—2010年)平均华南轻旱,中旱,重旱,极旱日频率年干旱指数(YI)及降水分布
Fig.3摇 Spatial distributions of drought days(%) at light,middle, severe and extreme level,Year drought index and rain in South China
averaged over 1981—2010
2.3摇 近 50年干旱变化趋势
近 50年(1961—2010年)华南最旱的 5a(YI臆-0.5)为:1963、1991、2004、2009、1977,次旱的 8 年依次为
(YI臆-0.4):1996、2005、1966、1989、2007、1971、1992、1980(图 4)。
图 4摇 华南 1961—2010年年干旱指数(YI)
Fig.4摇 Yearly drought index(YI)of South China (1961—2010)
趋势分析表明,近 50年华南年平均降水量呈增加趋势,增加强度为 14.1mm / 10a,轻旱、特旱日呈减少趋
势,中旱、重旱呈增加趋势。 尽管上述变化趋势都没有达到显著性水平(表 3),但具有季节性、区域性差异。
995摇 3期 摇 摇 摇 王春林摇 等:近 50年华南气象干旱时空特征及其变化趋势 摇
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从季节性差异看,1—9月降水和 MI以增加趋势为主,各等级旱日以减少趋势为主,其中 7 月份 MI 增加
趋势、各等级旱日减少趋势均达到 0.1以上显著水平(表 3,图 5);而 10—12月降水和 MI以减小趋势为主,各
等级旱日以增加趋势为主,其中 10月份降水减少趋势达到 0.05显著水平,11月份 MI减小趋势及中旱、重旱、
总旱日增加趋势达到 0.01显著水平(表 3,图 5)。
图 5摇 近 50年(1961—2010年)华南 7月、11月月干旱指数(MI)变化趋势
Fig.5摇 Linear trends of monthly drought index (MI) of July and Nevomber (1961—2010) of South China (1961—2010)
表 3摇 近 50年(1961—2010年)华南平均降水、旱日数及干旱指数变化趋势
Table 3摇 Linear trends of monthly drought days at each level of South China (1961—2010)
月份
Month
降水
Rain
(mm / 10a)
月 /年干旱
指数 MI / YI
( / 10a)
各等级旱日数变化趋势 Linear trends of monthly drought days / (d / 10a)
轻旱
Light dry
中旱
Middle dry
重旱
Severe dry
特旱
Extreme dry
合计
Sum
1 2.75 0.01 -0.26 0.01 0.07 -0.05 -0.22
2 1.98 0.00 -0.23 -0.09 0.13 0.05 -0.13
3 4.55 0.03 -0.14 -0.21 -0.17 -0.14 -0.65
4 -6.91 0.02 0.07 -0.05 -0.07 -0.16* -0.21
5 1.98 0.02 0.06 -0.02 -0.12 -0.23* -0.30
6 12.97 0.03 -0.06 -0.11 -0.14* -0.14* -0.45
7 11.52 0.02** -0.31* -0.11* -0.04** -0.02** -0.48*
8 -3.21 -0.00 0.02 0.00 0.00 -0.01 0.02
9 1.09 0.01 0.02 -0.02 -0.04 -0.04 -0.08
10 -9.10** -0.03 0.22 0.32 0.23* 0.03 0.79
11 -3.13 -0.08** 0.27 0.75** 0.61** 0.11 1.75**
12 -0.38 -0.05 0.05 0.09 0.48 0.19 0.81
年均
Annual mean 14.00
-0.02 -0.28 0.58 0.95 -0.40 0.84
摇 摇 *琢= 0.1显著性,**琢= 0.05显著性
从区域分布看,年总旱日趋于增加、减少的站点数各占 60%、40%,有 11%的站点达到 0.1 以上显著性检
验,不同等级旱日数变化趋势空间分布不同(图 6)。
轻旱日趋于增加、减少的站点数各占 49%、51%,其中增加趋势显著的有 5 个站(均在广西),减少趋势显
著的有 5个站(大部分在广东)(图 6)。
中旱日趋于增加、减少的站点数各占 68%、32%,其中增加趋势显著的有 17 个站(广西中东部),减少趋
势显著的有 1个站(茂名)(图 6)。 对各站 11月份中旱日趋势分析表明,有 92%站点呈增加趋势,其中 58 个
站通过 0.1信度检验(图略)。
重旱日趋于增加、减少的站点数各占 86%、14%,其中增加趋势显著的有 30个站(分布在广西中东部和广
东的北部),减少趋势显著的没有(图 6)。 对各站 11月份重旱日趋势分析表明,有 91%站点呈增加趋势,其中
006 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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59个站通过 0.1信度检验(图略)。
特旱日趋于增加、减少的站点数各占 36%、64%,其中增加趋势显著的有 7 个站(集中在广西的崇左、南
宁、桂林及广东的东部地区),减少趋势显著的有 10个站(分布在广东东部和北部地区)(图 6)。
综上,各等级旱日显著增加的站点大多集中在广西,旱日显著减少的站点主要集中在广东,表明广西旱于
广东的格局可能进一步加剧。
图 6摇 1961—2010年华南各等级旱日趋势空间分布(实心表示达到 0.1显著水平)
Fig.6摇 Spatial distributions of linear trends (d / 10 a) in dry days at each level of South China during 1961—2010
3摇 结论与讨论
(1)华南近 30年(1981—2010年)基于 DI指标的总旱日频率平均为 26.0%,其中轻旱、中旱、重旱和特旱
日分别为 12. 3%、8. 1%、4. 2%和 1. 4%。 各等级旱日频率低于基于 SPI 指标的理论频率 (总旱日频率
30郾 8%) [14鄄15],表明华南气候总体上比较湿润。
(2)华南各等级旱日频率,具有非汛期(10月至次年 3月)高于汛期(4月至 9月)、广西高于广东的特征,
表明 DI指标由于引进平均相对湿润度指数,克服了 SAPI、SPI 等标准化降水指数局限,能够表征气象干旱季
节性、区域性特点。 DI指标和 SAPI[19]、改进的综合干旱指数 CInew[16]、土壤水分模拟的指标[11,13鄄14]一样,能
够表征气象干旱相对枯水时段的滞后效应。
(3)近 50年(1961—2010 年) 华南最旱的 5a(YI臆-0.5)依次为:1963、1991、2004、2009、1977,与基于年
降水量极差法[6]、季度和汛期降水距平[7鄄9]分析的干旱年基本一致。
华南平均年干旱指数 YI没有显著的年际变化趋势,降水量有增加趋势,轻旱、特旱日呈减少趋势,中旱、
重旱呈增加趋势,但未达到 0.1信度水平。
(4)气候变化趋势分析表明,从季节差异看,1至 9月降水和 MI以增加趋势为主,各等级旱日数减少趋势
为主,其中 7月份 MI增加趋势及各等级旱日减少趋势均达到 0.1 显著水平;而 10 至 12 月降水和 MI 以减小
趋势为主,各等级旱日数以增加趋势为主,其中 11 月份 MI 减小趋势及中旱、重旱、总旱日增加趋势均达到
0郾 05显著水平。 总体趋势和黄晚华等[7]基于 SPI对华南的研究结果一致。
(5)从区域分布看,年总旱日趋于增加、减少的站点数各占 60%、40%,有 11%的站点达到 0.1以上显著性
106摇 3期 摇 摇 摇 王春林摇 等:近 50年华南气象干旱时空特征及其变化趋势 摇
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检验。 各等级旱日显著增加的站点大多集中在广西,而旱日显著减少的站点主要集中在广东,表明广西干旱
总体上重于广东的格局可能进一步加剧。
气象干旱相对农业干旱、水文干旱和社会经济干旱具有前导性、基础性特点,气象干旱时空特征与所采用
的指标体系密切相关,如何客观评价气象干旱指标适用性,学术界尚没有统一观点。 进一步研究将结合土壤
水分观测资料,分析 DI指标敏感性特征和适用性特征,并结合农作物生育期、干旱灾情资料,开展旱涝灾害影
响评估及风险区划研究。
参考文献(References):
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