广西降雨亏缺型骤旱的演变过程及时空分布特征

杨星星, 杨云川,2,3, 田 忆, 廖丽萍,2,3, 谢鑫昌, 莫崇勋,2,3, 肖 良,2,3

(1.广西大学 土木建筑工程学院, 南宁 530004; 2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 南宁 530004; 3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 南宁 530004)

“骤发性干旱(Flash Drought，简称骤旱)”是对因高温或降雨缺乏等引发的土壤湿度急速降低等现象的概称[1-4]。骤旱历时较短，通常仅有几天，但土壤湿度的急速降低会严重影响农作物的正常生长，这种突发性也使得区域灾害预警、防灾措施的有效实施更加困难[5]。2012年，发生在美国中南部的骤旱事件造成大面积农作物减产、牧畜死亡，直接经济损失高达数百亿美金，成为美国历史上最为严重的自然灾害之一[1,6-7]。骤旱由此引起了学界新一轮的关注，但是骤旱与传统干旱特性差异显著，现有旱灾理论在骤旱的监测、预警及防治中效果并不理想[8-9]。骤旱的未知性以及危害性使得其成为当前旱灾领域的热点问题[1,5]。

当前针对骤旱的研究多根据骤旱形成机理将其分为温度驱动型和降雨亏缺型[1,10]，研究发现，两种灾害在气候湿润地区均有发生[11-12]，本文主要研究降雨亏缺型骤旱。该型骤旱最早是由Mo等[10]提出，Mo等认为2011年的得克萨斯骤旱完全不同于普通的温度驱动型骤旱，其在发生以前已经发生降雨亏缺，其土壤湿度降低主要是由降雨亏缺造成的，并把这种干旱称为“降雨亏缺型骤旱(P-deficit flash droughts)”；Mo等[10]还通过对各气象要素的敏感性分析确定了该型骤旱的判别标准，并分析了该型骤旱在美国的时空特征。国内，Wang等[13]运用该标准研究了该类型骤旱在我国的时空分布特征，并分析了其与季节性干旱的关系； Zhang等[12]基于该标准分析了我国赣江流域的降雨亏缺型骤旱与温度驱动型骤旱的时空特性差异；张翔等[14]则采用基于多种干旱指数的骤旱定义研究了我国农业区域的骤旱时空分布特征。总的来说目前降雨亏缺型骤旱研究还处于起步阶段，现有研究多集中在区域骤旱时空分布特征分析。

广西壮族自治区地处热带季风气候区，年降水量丰沛但时空分布不均[15]，且雨热同季，易存在短时降水亏缺现象；广西区内岩溶广泛发育[16]，使得土层浅薄且保水能力差，拥有骤旱易发的基础；而广西又是农业大省，旱灾频发造成损失巨大[17]，区域旱灾特性研究迫在眉睫。籍此，本文综合降雨、蒸散发、气温、太阳辐射等数据，在分析广西地区的降雨亏缺型骤旱的演变过程的基础上，采用多种方法全面讨论近40 a来该型骤旱在广西的时空分布特征。以期为广西乃至华南地区的降雨亏缺型骤旱的监测、预警等工作提供科学参考。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

广西壮族自治区地处华南，位于104°26′—112°04′E，20°54′—26°24′N，地跨珠江、长江、红河、滨海四大水系。全区气候温暖，平均温度17.3～23.8℃，日照充足，年均日照时数1 467 h，冬短夏长，干湿季分明。从地形上来看，广西东临云贵高原，西为两广丘陵，南部临海，区内四周多山，中南部则多丘陵平地。广西喀斯特地貌分布广泛，喀斯特地貌区约占总土地面积的37.8%，其集中连片分布于桂西南、桂西北、桂中和桂东北。独特的气候条件加上特殊的地质条件使得广西地区洪旱灾害频发。

1.2 数据获取与处理

文中主要用到降雨(P)、土壤湿度(SM)、蒸散发(ET)、气温(T)、太阳辐射(Rad)5类数据。各数据来源及属性见表1。为同时使用多要素进行骤旱研究，需将不同来源的要素数据进行时空统一。为此，通过插值将P，T数据转换为0.25°×0.25°，将SM及ET数据按照北京时间转换为日尺度。对于T和P中数据异常较多的格点予以剔除，个别缺测数据则采用该日的多年平均值进行插补。最终可得广西地区1979—2015年342个0.25°×0.25°格点的P，SM，ET，T及Rad(2008—2015年)日尺度序列(图1)。

表1 各要素数据属性及来源

1.3 研究方法

1.3.1 骤旱判别标准 本文对于降雨亏缺型骤旱的判别主要采用以下标准[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表示标准差，P表示该候的降雨在整个时间序列内的分位数(%)。对于每一个格点，同时满足3个条件即认为该点发生降雨亏缺型骤旱，若一个格点连续多候均满足判别条件视为一个骤旱事件。对于季节性干旱，则采用等Yuan[20]判别标准：D≥3，SM%<30%，其中D表示连续月份，SM表示月土壤湿度在整个时间序列内的分位数(%)。

此外，因为采用候(5 d)尺度进行骤旱研究，为方便统计，研究中剔除了2月29日，从每年1月1日起，每5 d算作1候，直到当年12月31日，每年即可算作73候。研究中还采用了旱灾频率、历时、面积等指标量化骤旱及季节性干旱。其中频率及面积的计算公式见表2。

图1 广西0.25度格点分布

表2 骤旱评价指标计算公式

1.3.2 时空分布特征分析方法 本文在统计出广西1979—2015年所有降雨亏缺型骤旱事件的基础上，进一步研究该型骤旱在广西地区的趋势性、突变性、周期性等特征。主要采用线性倾向率方法[20]表示骤旱的历史变化量；采用Mann-Kendall趋势检验法[21]检验骤旱变化趋势的显著程度；采用Hurst指数法[22]分析骤旱趋势变化在未来的延续情况；采用滑动平均法[23]进行分期趋势分析[24]；此外，还采用了BG分割算法进行突变特征分析，采用EEMD方法进行周期特征分析。其中前几种方法已在旱灾研究领域有较多的运用，而BG分割算法则是一种非线性、非平稳时间序列的变异检测方法，研究发现其特别适合处理类似于气候资料的时间序列[25-26]；EEMD是EMD方法的改进，其在EMD分解的基础上，通过引入白噪声，解决了模态混叠问题，目前也已被应用于水文气象等领域的多重周期研究[25-26]。BG分割算法和EEMD的具体计算公式可参考相关文献[27-28]。

2 广西降雨亏缺型骤旱的演变过程及特性分析

2.1 降雨亏缺型骤旱的演变过程

为了较为准确清晰地研究降雨亏缺型骤旱的特性，选择广西地区一场典型降雨亏缺型骤旱事件，分析其演变过程。画出该次骤旱事件发生前1候(T-1候)、骤旱发生时(T候)、骤旱发生后1候(T+1候)的降雨(P)距平、土壤湿度(SM)距平百分率、蒸散发(ET)距平百分率、气温(T)距平百分率的空间分布图(附图1)。由附图1可知，在(T-1)候，全区大部分地区的SM，ET距平百分率及P距平均为负值，其中桂中、桂南及桂东的降雨距平均在-0.5～0 mm，SM与ET的距平百分率则表明其在桂中及桂南显著偏小，此时全区大部分区域的气温则是偏高0～10%；而T-1候到T候，全区降雨亏缺程度进一步加重，桂中、桂南、桂东的降雨距平则是降至-2.0～-1.5 mm，桂中、桂南地区的ET，SM距平百分率也随之到达最低，T也随之上升，在桂中及桂南地区偏高30%，且与ET，SM的空间分布表现出较好的相关性；T候到T+1候，全区降雨亏缺程度有所缓解，仅在桂东小部分地区降雨偏少，桂中桂南地区的SM及ET也随之回升，但依然偏低，气温也有所下降，依然偏高，全区T距平百分率为0～20%。

2.2 降雨亏缺型骤旱的演变特性分析

通过以上分析可知，前期P以及SM等要素偏低为降雨亏缺型骤旱的发生创造了条件，而骤旱发生的直接诱因则是P进一步减低。该次骤旱过程T-1候到T候中P有显著减小的过程，P的减少，导致土壤含水量得不到补充，从而导致SM降低，然后影响ET，ET的减小则会使得太阳辐射增加[10]，从而导致T偏大，同时由于下垫面的异质性等其他因素的影响，要素之间的影响并不是线性的，这也导致了要素之间的空间变化并不完全相关。该次骤旱事件中表现出的特性，在大范围统计中依然有所体现。统计广西地区1979—2015年所有降雨亏缺型骤旱事件中，T-1候至T候的降雨变化如图2A所示，T-1候及T-2候的P距平和SM距平百分率如图2D—E所示，T候(1998—2016年)的太阳辐射强度距平见图2G，骤旱时间发生后SM距平为负持续时间如图2F所示。由图2A可知，绝大部分降雨亏缺型骤旱事件T-1候至T候之间都存在降雨减少，且减少量大都集中在5 mm以内。由图2B—C可知在降雨亏缺型骤旱发生前期降雨已经明显较少，约有75%的骤旱事件在T-2候的降雨距平已经为负数，而到了T-1候，降雨距平为负数的事件进一步增多，P减小，SM也随之降低，T-2候时，超过50%的骤旱事件的SM距平百分率小于0，T-1候时则有75%，且主要集中在-10%～0。图2G则说明了ET的减少导致温度的增加，约有75%的骤旱事件在骤旱发生时太阳辐射距平百分率出现了增长。骤旱是农业干旱，其对农业的影响，则通过影响SM而体现。由图2F可知，骤旱发生虽然较为迅速，但其对农业影响依然很大，约有75%的骤旱事件在骤旱发生后1～5候，SM距平百分率依然为负，偏低，而土壤长期缺水势必影响农作物生长发育[5]。

图2 降雨亏缺型骤旱发生过程中多气象要素变化水平箱线

3 广西地区降雨亏缺型骤旱的时间分布特征

3.1 骤旱的时间分配特征

统计出广西地区342个格点在1979—2015年降雨亏缺型骤旱的频率、面积及持续候数(图3)。由图3可知，降雨亏缺型骤旱在广西发生的频率并不高，其主要集中在1.0%～2.0%，对于个别骤旱相对较多的区域，也不超过3%；骤旱发生面积则大都在30%以下，以10%以内的小范围为主；骤旱持续时间通常较短，以1候(5 d以内)为主，约占90%，2候(10 d以内)次之，约占7%，大于2候(10 d以上)的不足1%。

图3 广西地区1979-2015年降雨亏缺型骤旱频率、历时、面积分布区间

统计出降雨亏缺型骤旱频次的各月占比、面积及历时的各月平均值(图4)。由图4A可知，降雨亏缺型骤旱多发于夏季的6—8月份，其中7月份最高，约占全年的16%，秋季的9—11月份骤旱较少，3个月的占比均在4%以下，此外冬季12—2月份的骤旱占比要高于春季的3—5月份。由图4B可知，骤旱历时在月际间差异较为显著，各月平均历时为1.0～1.4候，在春(3—5月)、夏(6—8月)、冬(12—2月)3季各有1个峰值，且依次增大，秋季3月的骤旱历时均在1.0候左右。由图4B可知，骤旱面积在7月份最低，约为18%，在11月份最小，约为4%，就季节来说，夏季的骤旱面积较大，6—8月占比均在8%以上，冬季次之，秋季最小，9—11月份骤旱占比均为4%～8%。综合频率、历时、面积来看，降雨驱动型骤旱在秋季较少，且影响也较小，而在夏季较多，历时较长，影响范围也较大；冬季骤旱的影响要高于春季，但总体上来说两季差别不大。

3.2 骤旱时间趋势变化

统计出广西地区1979—2015年平均每年降雨亏缺型骤旱频次、历时、面积(图5)，并计算出序列的特征值见表3。由图5、表3可知，1979—2015年广西地区降雨亏缺型骤旱的频次及面积序列波动显著，两者变差系数(Cv)值均大于0.6，而骤旱历时序列则较为平缓。不过，3指标的年序列均呈现出显著下降的变化趋势，三者的倾向率分别为-0.02次/a，-0.002候/a，-0.22%/a，三者的Mann-kendall趋势检验的Z值均小于-1.28(90%显著性)。5点滑动平均变化曲线则显示，骤旱频次与骤旱面积的变化较为相似，均呈现出逐渐下降的单一变化趋势，而骤旱历时则是在1979—1989年变化较为平缓，在1989—1999年逐渐下降，而1999年以后则又逐渐回升。从Hurst值来看，骤旱频次、面积、历时序列的变化趋势均有一定的可能会继续持续。综合来看，1979—2015年降雨亏缺型骤发性干旱对广西的地区的影响呈现出减弱趋势。

3.3 骤旱序列突变特征

为分析1979—2015年降雨亏缺型骤旱的突变特征，采用BG分割算法，设置p=0.95，L=15，分别检测骤旱的频次序列、历时序列及面积序列的突变点(图6)。由图6可知，表征骤旱特性的3个序列均进行了一次分割，其中1999年为骤旱频次、面积的可能突变点，1991年为骤旱历时序列的可能突变点。再对各突变点进行显著性检验，可得，骤旱历时在1991年处的突变点显著性检验值仅有0.68，突变不显著，骤旱频次和面积在1999年的显著性检验值虽均较大，但后者依然小于p，突变不显著，仅有骤旱频次的检验值大于p，为显著突变点。

图4 降雨亏缺型骤旱年内月变化

图5 广西1979-2015年降雨亏缺型骤旱频次、历时、面积变化曲线

表3 广西1979-2015年逐年降雨亏缺型骤旱频次、历时、面积序列特征值

图6 1979-2015年广西地区骤旱三维度序列变异性检验

3.4 骤旱序列周期特征

采用EEMD方法对骤旱频次、历时、面积序列进行分解(图7)，由图7可知，骤旱3特征序列均可分解为4个分量，各序列的IMF分量的波动均由IMF1到IMF4逐渐减小，其中IMF4分量几乎没有波动，Res分量则体现了骤旱频次、历时、面积3序列的显著下降趋势，与3.2部分结论一致。通过计算中心频率可以求得各分量对应的平均周期(表4)，由表4可知，骤旱历时和面积的周期较为接近，其IMF1对应的周期均接近3 a，而骤旱频次则为3.45 a；IMF2对应的周期约为5 a，而频次则为6.60 a；IMF3对应的周期约为10.5 a，而频次则为12 a；三者IMF4对应的周期均较长，接近序列长度，准确性较差，故不考虑。为进一步确定所求周期的可靠性，对各序列IMF分量进行置信检验[28](图8)。由图8可知，骤旱频次、历时、面积3序列的4个IMF分量中IMF1的分量lnE最高，但历时的IMF1分量值在80%置信线以下，另外两者的值则在80%置信线和90%置信线之间。综上可知，表征骤旱特性的3特征序列中，骤旱频次和面积的IMF1包含具有实际物理意义的信息最多，其对应的3.45，2.98 a周期较为可靠。

图7 骤旱频次、历时、面积序列的EEMD分解

表4 骤旱三维度序列中心频率及周期

图8 骤旱三维度各IMF分量的置信检验

4 广西降雨亏缺型骤旱的空间分布特征

4.1 骤旱的空间分布

统计出广西地区342个格点1979—2015年的降雨亏缺型骤旱事件的频率及平均历时，并空间插值得图9。

由图9A可知，全区骤旱频率由桂北向桂南逐渐增加，其中桂北地区骤旱频率在1.00%以下，而桂中以及桂南则在1.50%以上。由图9B可知，全区骤旱频率则主要集中在1.05～1.15候，其中桂西南及桂中的南宁、来宾、柳州等地的骤旱历时在1.10～1.15候，而贵港及桂林等小部分地区在1.05候以下，其余地区则在1.05～1.10候。综合来看，在空间分布上，骤旱频次和历时在总体上并没有呈现出显著的相关性，但在部分地区，例如桂西南的崇左、防城港，桂中的南宁、来宾等地，骤旱频次及历时均较高。

图9 降雨亏缺型骤旱频率、历时空间分布

4.2 骤旱空间趋势变化

统计出广西342个格点1979—2015年降雨亏缺型骤旱发生次数的倾向率以及Mann-kendall趋势检验统计值并进行空间插值(图10)。由图10可知，1979—2015年，降雨亏缺型骤旱在全区大部均呈现出下降的趋势，其中倾向率为-0.04～-0.02次/a的区域最大。从空间分布上可以看出，桂东及桂西小部分地区的倾向率为-0.02～0次/a，且这些地区的Z值均大于-1.28，即下降趋势不显著，而在桂中、桂北及桂西南等地区的倾向率均在-0.02次/a以上，且其对应的Z值则表明，骤旱频次在这些地区下降显著。骤旱频次下降最为显著的则是在桂中的河池、柳州、南宁、来宾4市的交界处，其倾向率在-0.06～-0.04次/a，其Z值均小于-2.32，通过了99%的置信检验。

4.3 降雨亏缺型骤旱与季节性干旱

为研究降雨亏缺型骤旱与季节性干旱的关系，计算出广西地区1979—2015年季节性干旱的频率及平均历时以及骤旱与季节性干旱同时发生的频率并进行空间插值(图11)。由图11可知，广西大部季节性干旱的频率均在16%以上，季节性干旱历时以4～6个月为主，就空间分布来说，桂中的柳州、来宾、及河池部分地区的季节性干旱频率及历时均较高，而在桂西南及桂南地区季节性干旱的频率及历时均较低。将图11A—B分别与图9A—B进行对比，结果表明，整体上来看，降雨亏缺型骤旱与季节性干旱的频率及历时的空间分布并没有表现出显著的一致性，但在部分地区，例如桂中的柳州及来宾等地，降雨亏缺型骤旱与季节性干旱均相对较多，持续时间较长。由图11C可知，广西各地降雨亏缺型骤旱与季节性干旱同时发生频率在20%以下，较高的地区则主要集中在桂西南以及桂中，两者同时发生频率均在10%以上，而桂北的河池及桂林以及桂东地区则相对较小。对比图11C与图9A—B，结果表明，降雨亏缺型骤旱与季节性干旱同时发生频率的空间分布图与骤旱历时的空间分布有较好的正相关关系，而对比图11B—C，结果则表明两种干旱同时发生频率的空间分布与季节性干旱的历时的空间分布没有显著相关性。

图10 广西1979-2015年降雨亏缺型骤旱频次变化趋势空间分布

图11 广西1979-2015年季节性干旱的频率及历时与骤旱和季节性干旱同时发生频率的空间分布

5 结 论

(1) 发生前期已发生降雨亏缺、土壤湿度偏低现象，其发生的直接诱因是在此基础上降雨的进一步降低，致使蒸发减少，并伴随着太阳辐射和气温增加，最终导致土壤湿度进一步下降形成骤旱。

(2) 发生频率主要集中在1.0%～2.0%，发生面积主要集中在10%以下，持续时间主要集中在1～2候(10 d以内)；在年内分配上，在秋季发生较少且影响也较小，而在夏季发生较多且历时较长。

(3) 频次、历时、面积在1979—2015年呈现出显著下降趋势，且这种趋势有一定可能会继续延续，但仅有频次序列在1999年存在显著突变；频次序列存在3.45 a的周期，面积序列存在2.98 a的周期。

(4) 骤旱频次在桂南较高，历时在桂西南等地较长；在变化趋势方面，频次和历时均在桂中地区的下降趋势最为显著。

(5) 季节性干旱的频率及历时在桂中等地较高，在桂西南等地较低；有6%～15%的骤旱与季节性干旱同时发生，其中桂中及桂西南地区较高。