廣西降雨虧缺型驟旱的演變過程及時空分布特征

楊星星, 楊云川,2,3, 田 憶, 廖麗萍,2,3, 謝鑫昌, 莫崇勛,2,3, 肖 良,2,3

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 南寧 530004; 2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室, 南寧 530004; 3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室, 南寧 530004)

“驟發(fā)性干旱(Flash Drought，簡稱驟旱)”是對因高溫或降雨缺乏等引發(fā)的土壤濕度急速降低等現(xiàn)象的概稱[1-4]。驟旱歷時較短，通常僅有幾天，但土壤濕度的急速降低會嚴重影響農(nóng)作物的正常生長，這種突發(fā)性也使得區(qū)域災(zāi)害預(yù)警、防災(zāi)措施的有效實施更加困難[5]。2012年，發(fā)生在美國中南部的驟旱事件造成大面積農(nóng)作物減產(chǎn)、牧畜死亡，直接經(jīng)濟損失高達數(shù)百億美金，成為美國歷史上最為嚴重的自然災(zāi)害之一[1,6-7]。驟旱由此引起了學(xué)界新一輪的關(guān)注，但是驟旱與傳統(tǒng)干旱特性差異顯著，現(xiàn)有旱災(zāi)理論在驟旱的監(jiān)測、預(yù)警及防治中效果并不理想[8-9]。驟旱的未知性以及危害性使得其成為當(dāng)前旱災(zāi)領(lǐng)域的熱點問題[1,5]。

當(dāng)前針對驟旱的研究多根據(jù)驟旱形成機理將其分為溫度驅(qū)動型和降雨虧缺型[1,10]，研究發(fā)現(xiàn)，兩種災(zāi)害在氣候濕潤地區(qū)均有發(fā)生[11-12]，本文主要研究降雨虧缺型驟旱。該型驟旱最早是由Mo等[10]提出，Mo等認為2011年的得克薩斯驟旱完全不同于普通的溫度驅(qū)動型驟旱，其在發(fā)生以前已經(jīng)發(fā)生降雨虧缺，其土壤濕度降低主要是由降雨虧缺造成的，并把這種干旱稱為“降雨虧缺型驟旱(P-deficit flash droughts)”；Mo等[10]還通過對各氣象要素的敏感性分析確定了該型驟旱的判別標(biāo)準(zhǔn)，并分析了該型驟旱在美國的時空特征。國內(nèi)，Wang等[13]運用該標(biāo)準(zhǔn)研究了該類型驟旱在我國的時空分布特征，并分析了其與季節(jié)性干旱的關(guān)系； Zhang等[12]基于該標(biāo)準(zhǔn)分析了我國贛江流域的降雨虧缺型驟旱與溫度驅(qū)動型驟旱的時空特性差異；張翔等[14]則采用基于多種干旱指數(shù)的驟旱定義研究了我國農(nóng)業(yè)區(qū)域的驟旱時空分布特征。總的來說目前降雨虧缺型驟旱研究還處于起步階段，現(xiàn)有研究多集中在區(qū)域驟旱時空分布特征分析。

廣西壯族自治區(qū)地處熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量豐沛但時空分布不均[15]，且雨熱同季，易存在短時降水虧缺現(xiàn)象；廣西區(qū)內(nèi)巖溶廣泛發(fā)育[16]，使得土層淺薄且保水能力差，擁有驟旱易發(fā)的基礎(chǔ)；而廣西又是農(nóng)業(yè)大省，旱災(zāi)頻發(fā)造成損失巨大[17]，區(qū)域旱災(zāi)特性研究迫在眉睫。籍此，本文綜合降雨、蒸散發(fā)、氣溫、太陽輻射等數(shù)據(jù)，在分析廣西地區(qū)的降雨虧缺型驟旱的演變過程的基礎(chǔ)上，采用多種方法全面討論近40 a來該型驟旱在廣西的時空分布特征。以期為廣西乃至華南地區(qū)的降雨虧缺型驟旱的監(jiān)測、預(yù)警等工作提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)地處華南，位于104°26′—112°04′E，20°54′—26°24′N，地跨珠江、長江、紅河、濱海四大水系。全區(qū)氣候溫暖，平均溫度17.3～23.8℃，日照充足，年均日照時數(shù)1 467 h，冬短夏長，干濕季分明。從地形上來看，廣西東臨云貴高原，西為兩廣丘陵，南部臨海，區(qū)內(nèi)四周多山，中南部則多丘陵平地。廣西喀斯特地貌分布廣泛，喀斯特地貌區(qū)約占總土地面積的37.8%，其集中連片分布于桂西南、桂西北、桂中和桂東北。獨特的氣候條件加上特殊的地質(zhì)條件使得廣西地區(qū)洪旱災(zāi)害頻發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

文中主要用到降雨(P)、土壤濕度(SM)、蒸散發(fā)(ET)、氣溫(T)、太陽輻射(Rad)5類數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)來源及屬性見表1。為同時使用多要素進行驟旱研究，需將不同來源的要素數(shù)據(jù)進行時空統(tǒng)一。為此，通過插值將P，T數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0.25°×0.25°，將SM及ET數(shù)據(jù)按照北京時間轉(zhuǎn)換為日尺度。對于T和P中數(shù)據(jù)異常較多的格點予以剔除，個別缺測數(shù)據(jù)則采用該日的多年平均值進行插補。最終可得廣西地區(qū)1979—2015年342個0.25°×0.25°格點的P，SM，ET，T及Rad(2008—2015年)日尺度序列(圖1)。

表1 各要素數(shù)據(jù)屬性及來源

1.3 研究方法

1.3.1 驟旱判別標(biāo)準(zhǔn) 本文對于降雨虧缺型驟旱的判別主要采用以下標(biāo)準(zhǔn)[10]：T距平>1 STD，ET距平<0，P<40%。其中T，ET，P等要素均采用候(5 d)平均值，STD表示標(biāo)準(zhǔn)差，P表示該候的降雨在整個時間序列內(nèi)的分位數(shù)(%)。對于每一個格點，同時滿足3個條件即認為該點發(fā)生降雨虧缺型驟旱，若一個格點連續(xù)多候均滿足判別條件視為一個驟旱事件。對于季節(jié)性干旱，則采用等Yuan[20]判別標(biāo)準(zhǔn)：D≥3，SM%<30%，其中D表示連續(xù)月份，SM表示月土壤濕度在整個時間序列內(nèi)的分位數(shù)(%)。

此外，因為采用候(5 d)尺度進行驟旱研究，為方便統(tǒng)計，研究中剔除了2月29日，從每年1月1日起，每5 d算作1候，直到當(dāng)年12月31日，每年即可算作73候。研究中還采用了旱災(zāi)頻率、歷時、面積等指標(biāo)量化驟旱及季節(jié)性干旱。其中頻率及面積的計算公式見表2。

圖1 廣西0.25度格點分布

表2 驟旱評價指標(biāo)計算公式

1.3.2 時空分布特征分析方法 本文在統(tǒng)計出廣西1979—2015年所有降雨虧缺型驟旱事件的基礎(chǔ)上，進一步研究該型驟旱在廣西地區(qū)的趨勢性、突變性、周期性等特征。主要采用線性傾向率方法[20]表示驟旱的歷史變化量；采用Mann-Kendall趨勢檢驗法[21]檢驗驟旱變化趨勢的顯著程度；采用Hurst指數(shù)法[22]分析驟旱趨勢變化在未來的延續(xù)情況；采用滑動平均法[23]進行分期趨勢分析[24]；此外，還采用了BG分割算法進行突變特征分析，采用EEMD方法進行周期特征分析。其中前幾種方法已在旱災(zāi)研究領(lǐng)域有較多的運用，而BG分割算法則是一種非線性、非平穩(wěn)時間序列的變異檢測方法，研究發(fā)現(xiàn)其特別適合處理類似于氣候資料的時間序列[25-26]；EEMD是EMD方法的改進，其在EMD分解的基礎(chǔ)上，通過引入白噪聲，解決了模態(tài)混疊問題，目前也已被應(yīng)用于水文氣象等領(lǐng)域的多重周期研究[25-26]。BG分割算法和EEMD的具體計算公式可參考相關(guān)文獻[27-28]。

2 廣西降雨虧缺型驟旱的演變過程及特性分析

2.1 降雨虧缺型驟旱的演變過程

為了較為準(zhǔn)確清晰地研究降雨虧缺型驟旱的特性，選擇廣西地區(qū)一場典型降雨虧缺型驟旱事件，分析其演變過程。畫出該次驟旱事件發(fā)生前1候(T-1候)、驟旱發(fā)生時(T候)、驟旱發(fā)生后1候(T+1候)的降雨(P)距平、土壤濕度(SM)距平百分率、蒸散發(fā)(ET)距平百分率、氣溫(T)距平百分率的空間分布圖(附圖1)。由附圖1可知，在(T-1)候，全區(qū)大部分地區(qū)的SM，ET距平百分率及P距平均為負值，其中桂中、桂南及桂東的降雨距平均在-0.5～0 mm，SM與ET的距平百分率則表明其在桂中及桂南顯著偏小，此時全區(qū)大部分區(qū)域的氣溫則是偏高0～10%；而T-1候到T候，全區(qū)降雨虧缺程度進一步加重，桂中、桂南、桂東的降雨距平則是降至-2.0～-1.5 mm，桂中、桂南地區(qū)的ET，SM距平百分率也隨之到達最低，T也隨之上升，在桂中及桂南地區(qū)偏高30%，且與ET，SM的空間分布表現(xiàn)出較好的相關(guān)性；T候到T+1候，全區(qū)降雨虧缺程度有所緩解，僅在桂東小部分地區(qū)降雨偏少，桂中桂南地區(qū)的SM及ET也隨之回升，但依然偏低，氣溫也有所下降，依然偏高，全區(qū)T距平百分率為0～20%。

2.2 降雨虧缺型驟旱的演變特性分析

通過以上分析可知，前期P以及SM等要素偏低為降雨虧缺型驟旱的發(fā)生創(chuàng)造了條件，而驟旱發(fā)生的直接誘因則是P進一步減低。該次驟旱過程T-1候到T候中P有顯著減小的過程，P的減少，導(dǎo)致土壤含水量得不到補充，從而導(dǎo)致SM降低，然后影響ET，ET的減小則會使得太陽輻射增加[10]，從而導(dǎo)致T偏大，同時由于下墊面的異質(zhì)性等其他因素的影響，要素之間的影響并不是線性的，這也導(dǎo)致了要素之間的空間變化并不完全相關(guān)。該次驟旱事件中表現(xiàn)出的特性，在大范圍統(tǒng)計中依然有所體現(xiàn)。統(tǒng)計廣西地區(qū)1979—2015年所有降雨虧缺型驟旱事件中，T-1候至T候的降雨變化如圖2A所示，T-1候及T-2候的P距平和SM距平百分率如圖2D—E所示，T候(1998—2016年)的太陽輻射強度距平見圖2G，驟旱時間發(fā)生后SM距平為負持續(xù)時間如圖2F所示。由圖2A可知，絕大部分降雨虧缺型驟旱事件T-1候至T候之間都存在降雨減少，且減少量大都集中在5 mm以內(nèi)。由圖2B—C可知在降雨虧缺型驟旱發(fā)生前期降雨已經(jīng)明顯較少，約有75%的驟旱事件在T-2候的降雨距平已經(jīng)為負數(shù)，而到了T-1候，降雨距平為負數(shù)的事件進一步增多，P減小，SM也隨之降低，T-2候時，超過50%的驟旱事件的SM距平百分率小于0，T-1候時則有75%，且主要集中在-10%～0。圖2G則說明了ET的減少導(dǎo)致溫度的增加，約有75%的驟旱事件在驟旱發(fā)生時太陽輻射距平百分率出現(xiàn)了增長。驟旱是農(nóng)業(yè)干旱，其對農(nóng)業(yè)的影響，則通過影響SM而體現(xiàn)。由圖2F可知，驟旱發(fā)生雖然較為迅速，但其對農(nóng)業(yè)影響依然很大，約有75%的驟旱事件在驟旱發(fā)生后1～5候，SM距平百分率依然為負，偏低，而土壤長期缺水勢必影響農(nóng)作物生長發(fā)育[5]。

圖2 降雨虧缺型驟旱發(fā)生過程中多氣象要素變化水平箱線

3 廣西地區(qū)降雨虧缺型驟旱的時間分布特征

3.1 驟旱的時間分配特征

統(tǒng)計出廣西地區(qū)342個格點在1979—2015年降雨虧缺型驟旱的頻率、面積及持續(xù)候數(shù)(圖3)。由圖3可知，降雨虧缺型驟旱在廣西發(fā)生的頻率并不高，其主要集中在1.0%～2.0%，對于個別驟旱相對較多的區(qū)域，也不超過3%；驟旱發(fā)生面積則大都在30%以下，以10%以內(nèi)的小范圍為主；驟旱持續(xù)時間通常較短，以1候(5 d以內(nèi))為主，約占90%，2候(10 d以內(nèi))次之，約占7%，大于2候(10 d以上)的不足1%。

圖3 廣西地區(qū)1979-2015年降雨虧缺型驟旱頻率、歷時、面積分布區(qū)間

統(tǒng)計出降雨虧缺型驟旱頻次的各月占比、面積及歷時的各月平均值(圖4)。由圖4A可知，降雨虧缺型驟旱多發(fā)于夏季的6—8月份，其中7月份最高，約占全年的16%，秋季的9—11月份驟旱較少，3個月的占比均在4%以下，此外冬季12—2月份的驟旱占比要高于春季的3—5月份。由圖4B可知，驟旱歷時在月際間差異較為顯著，各月平均歷時為1.0～1.4候，在春(3—5月)、夏(6—8月)、冬(12—2月)3季各有1個峰值，且依次增大，秋季3月的驟旱歷時均在1.0候左右。由圖4B可知，驟旱面積在7月份最低，約為18%，在11月份最小，約為4%，就季節(jié)來說，夏季的驟旱面積較大，6—8月占比均在8%以上，冬季次之，秋季最小，9—11月份驟旱占比均為4%～8%。綜合頻率、歷時、面積來看，降雨驅(qū)動型驟旱在秋季較少，且影響也較小，而在夏季較多，歷時較長，影響范圍也較大；冬季驟旱的影響要高于春季，但總體上來說兩季差別不大。

3.2 驟旱時間趨勢變化

統(tǒng)計出廣西地區(qū)1979—2015年平均每年降雨虧缺型驟旱頻次、歷時、面積(圖5)，并計算出序列的特征值見表3。由圖5、表3可知，1979—2015年廣西地區(qū)降雨虧缺型驟旱的頻次及面積序列波動顯著，兩者變差系數(shù)(Cv)值均大于0.6，而驟旱歷時序列則較為平緩。不過，3指標(biāo)的年序列均呈現(xiàn)出顯著下降的變化趨勢，三者的傾向率分別為-0.02次/a，-0.002候/a，-0.22%/a，三者的Mann-kendall趨勢檢驗的Z值均小于-1.28(90%顯著性)。5點滑動平均變化曲線則顯示，驟旱頻次與驟旱面積的變化較為相似，均呈現(xiàn)出逐漸下降的單一變化趨勢，而驟旱歷時則是在1979—1989年變化較為平緩，在1989—1999年逐漸下降，而1999年以后則又逐漸回升。從Hurst值來看，驟旱頻次、面積、歷時序列的變化趨勢均有一定的可能會繼續(xù)持續(xù)。綜合來看，1979—2015年降雨虧缺型驟發(fā)性干旱對廣西的地區(qū)的影響呈現(xiàn)出減弱趨勢。

3.3 驟旱序列突變特征

為分析1979—2015年降雨虧缺型驟旱的突變特征，采用BG分割算法，設(shè)置p=0.95，L=15，分別檢測驟旱的頻次序列、歷時序列及面積序列的突變點(圖6)。由圖6可知，表征驟旱特性的3個序列均進行了一次分割，其中1999年為驟旱頻次、面積的可能突變點，1991年為驟旱歷時序列的可能突變點。再對各突變點進行顯著性檢驗，可得，驟旱歷時在1991年處的突變點顯著性檢驗值僅有0.68，突變不顯著，驟旱頻次和面積在1999年的顯著性檢驗值雖均較大，但后者依然小于p，突變不顯著，僅有驟旱頻次的檢驗值大于p，為顯著突變點。

圖4 降雨虧缺型驟旱年內(nèi)月變化

圖5 廣西1979-2015年降雨虧缺型驟旱頻次、歷時、面積變化曲線

表3 廣西1979-2015年逐年降雨虧缺型驟旱頻次、歷時、面積序列特征值

圖6 1979-2015年廣西地區(qū)驟旱三維度序列變異性檢驗

3.4 驟旱序列周期特征

采用EEMD方法對驟旱頻次、歷時、面積序列進行分解(圖7)，由圖7可知，驟旱3特征序列均可分解為4個分量，各序列的IMF分量的波動均由IMF1到IMF4逐漸減小，其中IMF4分量幾乎沒有波動，Res分量則體現(xiàn)了驟旱頻次、歷時、面積3序列的顯著下降趨勢，與3.2部分結(jié)論一致。通過計算中心頻率可以求得各分量對應(yīng)的平均周期(表4)，由表4可知，驟旱歷時和面積的周期較為接近，其IMF1對應(yīng)的周期均接近3 a，而驟旱頻次則為3.45 a；IMF2對應(yīng)的周期約為5 a，而頻次則為6.60 a；IMF3對應(yīng)的周期約為10.5 a，而頻次則為12 a；三者IMF4對應(yīng)的周期均較長，接近序列長度，準(zhǔn)確性較差，故不考慮。為進一步確定所求周期的可靠性，對各序列IMF分量進行置信檢驗[28](圖8)。由圖8可知，驟旱頻次、歷時、面積3序列的4個IMF分量中IMF1的分量lnE最高，但歷時的IMF1分量值在80%置信線以下，另外兩者的值則在80%置信線和90%置信線之間。綜上可知，表征驟旱特性的3特征序列中，驟旱頻次和面積的IMF1包含具有實際物理意義的信息最多，其對應(yīng)的3.45，2.98 a周期較為可靠。

圖7 驟旱頻次、歷時、面積序列的EEMD分解

表4 驟旱三維度序列中心頻率及周期

圖8 驟旱三維度各IMF分量的置信檢驗

4 廣西降雨虧缺型驟旱的空間分布特征

4.1 驟旱的空間分布

統(tǒng)計出廣西地區(qū)342個格點1979—2015年的降雨虧缺型驟旱事件的頻率及平均歷時，并空間插值得圖9。

由圖9A可知，全區(qū)驟旱頻率由桂北向桂南逐漸增加，其中桂北地區(qū)驟旱頻率在1.00%以下，而桂中以及桂南則在1.50%以上。由圖9B可知，全區(qū)驟旱頻率則主要集中在1.05～1.15候，其中桂西南及桂中的南寧、來賓、柳州等地的驟旱歷時在1.10～1.15候，而貴港及桂林等小部分地區(qū)在1.05候以下，其余地區(qū)則在1.05～1.10候。綜合來看，在空間分布上，驟旱頻次和歷時在總體上并沒有呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，但在部分地區(qū)，例如桂西南的崇左、防城港，桂中的南寧、來賓等地，驟旱頻次及歷時均較高。

圖9 降雨虧缺型驟旱頻率、歷時空間分布

4.2 驟旱空間趨勢變化

統(tǒng)計出廣西342個格點1979—2015年降雨虧缺型驟旱發(fā)生次數(shù)的傾向率以及Mann-kendall趨勢檢驗統(tǒng)計值并進行空間插值(圖10)。由圖10可知，1979—2015年，降雨虧缺型驟旱在全區(qū)大部均呈現(xiàn)出下降的趨勢，其中傾向率為-0.04～-0.02次/a的區(qū)域最大。從空間分布上可以看出，桂東及桂西小部分地區(qū)的傾向率為-0.02～0次/a，且這些地區(qū)的Z值均大于-1.28，即下降趨勢不顯著，而在桂中、桂北及桂西南等地區(qū)的傾向率均在-0.02次/a以上，且其對應(yīng)的Z值則表明，驟旱頻次在這些地區(qū)下降顯著。驟旱頻次下降最為顯著的則是在桂中的河池、柳州、南寧、來賓4市的交界處，其傾向率在-0.06～-0.04次/a，其Z值均小于-2.32，通過了99%的置信檢驗。

4.3 降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱

為研究降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱的關(guān)系，計算出廣西地區(qū)1979—2015年季節(jié)性干旱的頻率及平均歷時以及驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生的頻率并進行空間插值(圖11)。由圖11可知，廣西大部季節(jié)性干旱的頻率均在16%以上，季節(jié)性干旱歷時以4～6個月為主，就空間分布來說，桂中的柳州、來賓、及河池部分地區(qū)的季節(jié)性干旱頻率及歷時均較高，而在桂西南及桂南地區(qū)季節(jié)性干旱的頻率及歷時均較低。將圖11A—B分別與圖9A—B進行對比，結(jié)果表明，整體上來看，降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱的頻率及歷時的空間分布并沒有表現(xiàn)出顯著的一致性，但在部分地區(qū)，例如桂中的柳州及來賓等地，降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱均相對較多，持續(xù)時間較長。由圖11C可知，廣西各地降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生頻率在20%以下，較高的地區(qū)則主要集中在桂西南以及桂中，兩者同時發(fā)生頻率均在10%以上，而桂北的河池及桂林以及桂東地區(qū)則相對較小。對比圖11C與圖9A—B，結(jié)果表明，降雨虧缺型驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生頻率的空間分布圖與驟旱歷時的空間分布有較好的正相關(guān)關(guān)系，而對比圖11B—C，結(jié)果則表明兩種干旱同時發(fā)生頻率的空間分布與季節(jié)性干旱的歷時的空間分布沒有顯著相關(guān)性。

圖10 廣西1979-2015年降雨虧缺型驟旱頻次變化趨勢空間分布

圖11 廣西1979-2015年季節(jié)性干旱的頻率及歷時與驟旱和季節(jié)性干旱同時發(fā)生頻率的空間分布

5 結(jié) 論

(1) 發(fā)生前期已發(fā)生降雨虧缺、土壤濕度偏低現(xiàn)象，其發(fā)生的直接誘因是在此基礎(chǔ)上降雨的進一步降低，致使蒸發(fā)減少，并伴隨著太陽輻射和氣溫增加，最終導(dǎo)致土壤濕度進一步下降形成驟旱。

(2) 發(fā)生頻率主要集中在1.0%～2.0%，發(fā)生面積主要集中在10%以下，持續(xù)時間主要集中在1～2候(10 d以內(nèi))；在年內(nèi)分配上，在秋季發(fā)生較少且影響也較小，而在夏季發(fā)生較多且歷時較長。

(3) 頻次、歷時、面積在1979—2015年呈現(xiàn)出顯著下降趨勢，且這種趨勢有一定可能會繼續(xù)延續(xù)，但僅有頻次序列在1999年存在顯著突變；頻次序列存在3.45 a的周期，面積序列存在2.98 a的周期。

(4) 驟旱頻次在桂南較高，歷時在桂西南等地較長；在變化趨勢方面，頻次和歷時均在桂中地區(qū)的下降趨勢最為顯著。

(5) 季節(jié)性干旱的頻率及歷時在桂中等地較高，在桂西南等地較低；有6%～15%的驟旱與季節(jié)性干旱同時發(fā)生，其中桂中及桂西南地區(qū)較高。