近50 年雷州半岛干旱历时和烈度的时空特征分析

杜晓霞，涂新军，谢育廷，王 天

(1.广东省水文局湛江水文分局，广东 湛江 524037；2.中山大学水资源与环境研究中心，广东 广州 510275)

干旱通常是由于区域长期降雨偏少、来水不足导致的水分收支或供求失衡的极端气象事件[1]，在全球气候变暖背景下，以干旱、洪涝为主的极端事件频发，且影响历时、波及范围呈增长趋势[2-3]，对自然生态系统和人类生产生活、社会经济发展造成严重影响。 干旱按照定义一般可分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱等4 种类型[4-5]，对应的干旱指数可用于定量评估区域干旱特征，根据水分亏缺程度常被划分为无旱、轻旱、中旱、重旱及极旱5 个等级[6]。 其中，气象干旱是所有类型干旱发生的唯一外在驱动力，也是发生源头，因此，研究气象干旱是十分必要的。 当前，国内外应用较为广泛的气象干旱指数有:气象干旱综合指数[7]、标准化降水指数[8-9]、标准化降水蒸散指数[10-11]、帕尔默干旱指数[12]等。 而干旱指数等级的变化可用于不同干旱类型之间的特征传递描述[13]，利用干旱指数在特定时空尺度对区域旱情进行有效风险监测评估，是抗旱减灾管理的重要手段[14]。

经过不断探索，对干旱研究从初期的统计及特性描述、成因分析、影响及响应对策研究[15-17]，逐渐发展到使用干旱指数及相关计算工具评估干旱起止时段和强度以作进一步的干湿时空变化特征研究、风险分析等[18-20]，上述文献更多使用标准化降水指数(SPI)进行干旱评估，仅考虑了降水资料，未考虑温度、蒸散量等因素[21]，而对于常年温度较高，蒸散量大的地区，利用SPI描述并不准确。 因此，本文采用标准化降水蒸散指数(SPEI)将降水与温度因子相结合进行干湿变化的表征，系统地考虑了水循环的环境，有较强的适用性[22]，结合游程理论进行干旱事件识别，利用反距离插值等方法反演雷州半岛地区近50 年来的干旱历时和干旱烈度的时空变化规律，以期为当地的干旱减灾决策及气候变化研究提供依据和参考。

1 研究区域概况及研究方法

1.1 研究区域概况及数据来源

雷州半岛位于低纬度地区:东经109°31′～110°55′，北纬20°12′～21°35′，虽属湿润气候区，年降水比较充沛，年均降雨量1 400 ～1 700 mm，但受季风气候及地理、地质条件等因素影响，降水时空分布极不均匀，且区域内河流大多浅短、独立入海，过境水资源常以汛期供水方式出现，现有水利工程蓄水调节能力低[23]，深受水资源短缺的困扰[24]；此外，雷州半岛太阳辐射强，常年气温较高，年平均气温达23.5℃，致使蒸发量大，年均蒸发量达1 700 mm或以上[25]，蒸发量大于降雨量使得区域气候偏于干旱，区域水资源收支易失衡，是广东省干旱灾害发生较为频繁的区域。 研究区范围及测站分布情况见图1。

图1 研究区范围及站点分布

基础数据为研究区范围内12 个站点1970—2019 年逐月降雨量及逐月平均气温系列，其中月降水量数据来源于湛江水文分局，气温数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，利用泰森多边形法转换成研究区的面降雨量系列和面气温系列，见图2。

图2 降水量与气温实测系列

1.2 研究方法

a)标准化降水蒸散指数。 标准化降水蒸散指数(SPEI)是用于表征某时段降水量与蒸散量之差出现概率多少的指标[26]，该指标既考虑了蒸散对温度敏感的特点，又具备适合多尺度、多空间比较以及准确性高等优点，是全球变暖背景下研究干旱的理想指数[27]。 其计算原理是:首先基于Thornthwaite法计算单位时间的潜在蒸散量，然后计算单位时间潜在蒸散量与实测降雨量之间差值，根据研究需要建立不同时间尺度的水分盈/亏累积系列，最后对数据系列进行正态化处理，得出每个数值对应的SPEI指数[28]，其干旱等级划分见表1，月尺度的SPEI-1计算结果见图3。 具体计算过程见GB/T 20481—2017《气象干旱等级》[26]。

表1 标准化降水蒸散指数干旱等级划分

图3 SPEI-1 指数系列

b)干旱事件的识别。 本次研究采用游程理论对干旱事件进行识别。 根据游程理论，给定一个截取水平X0(X0=SPEI对应的干旱等级边界值)来截取随时间而变化的SPEI数值系列x(i)(i=1，2，3…，n)，当x(i)在一个或多个时间内连续大于截取水平，则出现正游程，反之出现负游程，在干旱研究中，负游程的长度则为干旱历时D，干旱历时与截取水平包含的面积则为干旱烈度S[29]。

其中对于间隔为1 个时段的2 次相邻干旱过程(图4 中b、c)，若间隔期的干旱指标小于0，则这2次相邻干旱可被视为1 次干旱过程，否则为2 次独立干旱过程，合并后的干旱历时D=Db+Dc+1，烈度S=Sb+Sc，按上述规则可得图4 共有2 次干旱过程，即a和b+c[30]。

图4 干旱时间识别过程示意

2 结果分析

2.1 干旱历时与干旱烈度的时间分布特征

基于雷州半岛境内12 个站点的12 个月尺度SPEI数据，计算1970—2019 年雷州半岛年尺度SPEI-12 指数，其年际变化过程见图5，1970—2019年雷州半岛的年平均SPEI指数在0 轴上下±2 范围波动，在波动中呈逐渐下降趋势；将近50 年厄尔尼诺-南方涛动[31]事件(ENSO) 按照相关研究[32-33]分为冷事件和暖事件并对其影响时间进行统计(表2)，结合年尺度SPEI指数及其5 年滑动平均值分析发现，在ENSO冷事件年SPEI指数相对偏大、旱情相对缓和或水量偏丰，而在暖事件年SPEI指数相对偏小、旱情凸显；此外年尺度SPEI指数5年滑动平均值在近50 年的时间尺度上呈现以约10年为一个周期的波动特征，结合图5 和表2 可知SPEI指数五年滑动平均值多在ENSO冷事件向暖事件转变年份前后达到峰值，随后呈下降趋势，并在暖事件向下一次冷事件转变节点前后达到谷值，可见ENSO事件对雷州半岛干旱情况影响明显。

图5 SPEI-12 指数年际变化

表2 1970—2019 年ENSO冷暖事件及其影响时间统计

统计1970—2019 年雷州半岛的年干旱历时和年均干旱烈度见图6。 雷州半岛近50 年来发生干旱较为频繁，仅有2 年干旱历时为0 即无旱情发生，年干旱历时和年均干旱烈度在时间维度上的变化趋于一致，发生严重干旱的年份其干旱历时较长，同时干旱烈度也较大，高烈度短历时、低烈度长历时的干旱情况为主导，高烈度长历时的严重旱情在近20 年发生频率有所提升。 基于SPEI指数识别的雷州半岛年干旱历时时长大多集中在1 ～4 个月，最长为6个月，发生在2015 年，同时也是干旱烈度最大的年份，根据相关材料记载[34]，该年份为大旱之年，受旱时间为2 月初至8 月底，识别结果与实际发生较为一致，年干旱历时在4 个月以上年份对应的干旱历时与烈度见表3。

表3 年干旱历时4 个月以上年份对应的干旱历时与烈度

图6 干旱历时和年均干旱烈度的时间系列

续图6 干旱历时和年均干旱烈度的时间系列

根据游程理论识别干旱事件，统计单次干旱事件的历时及烈度，平均每次干旱历时1.7 个月，选取Gamma型分布函数作为雷州半岛干旱烈度分布函数，选取其均值1.7 为系列截取水平，运用适线法得出雷州半岛干旱烈度分布曲线(图7)，可知雷州半岛发生干旱灾害的烈度频率，干旱烈度越大发生概率越小。 其中，5%频率下对应的干旱烈度为4.42，2%频率下对应的干旱烈度为6.07，1%频率下对应的雷州半岛百年一遇的干旱烈度为7.37，根据表2数据可得，上述单次干旱历时4 个月以上的年份中单次干旱烈度均超过20 年一遇。

图7 干旱烈度频率分布曲线

2.2 干旱历时与干旱烈度的空间分布特征

根据已计算各站点的干旱频次、次均干旱烈度及历时，采用反距离权重插值法绘制雷州半岛地区近50 年干旱的总频次、次均干旱烈度及历时的空间分布(图8)，从干旱情况的空间分布图可以看出:①1970—2019 年雷州半岛各站点发生干旱次数在76 ～111 次之间，即各站点平均每年发生1 ～2 次干旱，中部以南地区干旱频次明显高于东北部地区；②次均干旱烈度范围为1.48 ～3.80，在空间上呈现东北部地区向西南部地区逐渐增强的规律；③各站点次均历时在1.3 ～2.83 月/次，空间分布上与次均烈度的分布规律相近。

图8 干旱情况空间分布

干旱情况在空间上呈现自北向南逐渐增强的分布态势:其中雷州半岛南部的徐闻县旱情最为突出，表现为频次高、次均烈度大、历时长等干旱特征；雷州市中南部次之；雷州半岛北部地区即雷州市北部、遂溪县及湛江市区，干旱特征则表现为频次较少、烈度较小、历时也相对较短，东北部地区受干旱影响困扰程度较轻。

参照SPEI指数干旱等级(表1)，定义干旱频率包括中旱、重旱和极旱发生的频率，重旱频率包括重旱和极旱频率，极旱频率则单独为极旱，统计各站点干旱频率在5% ～15%，重旱频率在4% ～16%，发生极旱频率在3%～23%。 雷州半岛各地市发生中旱及以上、重旱及以上和极旱频率的空间占比分布见图9，不同等级的干旱频率空间分布极为相近，空间上雷州半岛中南部(雷州市南部和徐闻县)和东北部地区(遂溪县东南部和湛江市区)发生中旱及以上干旱的频率高于中北部地区(遂溪县南部和雷州市北部)。 结合图8 可知，雷州半岛南部发生气象干旱频次更多，干旱灾害影响也更为严重；中部地区发生干旱的频次及严重程度均次于南部地区；而东北部地区虽然发生气象干旱频次相对较少但发生较严重干旱的频率相对较高；雷州半岛地势及气候降雨的是影响旱情空间差异的主导因素。

图9 雷州半岛不同干旱频率空间分布

2.3 各季节干旱的时空分布特征

a)各季节干旱的时间分布特征。 根据雷州半岛的气候特征和农业生产习惯，划分春旱发生时间为3—5 月(前汛期)，夏旱为6—8 月(主汛期)，秋旱为9—11 月(后汛期)和冬旱为12 月至来年2 月份(非汛期)。 结合1970—2019 年雷州半岛四季干旱时SPEI指数变化情况及不同干旱类型统计(图10a)，雷州半岛春冬季节发生干旱频次高于夏秋两季，统计近50 年秋冬旱情各发生15 次，春夏干旱各12 次；其中春季多以中度以上干旱影响为主，冬季以轻旱为主；夏秋两季偶有旱情发生，频率较低，但由于夏秋两季温度较高潜在蒸散发影响大，一旦发生干旱其影响等级亦多为中旱或以上。 分析季节干旱时间特征其原因主要是该区域汛期与非汛期降雨量差异较大，10 月中后旬至来年4 月降雨明显减少，导致春冬季干旱易发。

图10 不同季节的干旱发生情况

续图10 不同季节的干旱发生情况

b)各季节干旱的空间分布特征。 雷州半岛特殊的地理环境决定了不同地区干旱季节特征的差异，突出表现为降水的时空分布不均，为便于研究雷州半岛不同季节干旱情况的空间分布特征，绘制了雷州半岛近50 年来各季节干旱历时空间分布，见图11。 1970—2019 年，雷州半岛各县市不同季节平均干旱历时存在较大差异: 春、夏、秋、冬各季节平均干旱历时分别在0.3 ～2.0、0.4 ～1.3、0.8 ～1.3、0.2 ～0.8 个月，可见春夏两季平均干旱历时站点差异较大，秋旱平均历时总体较长，其中春夏两季雷州半岛东北部和中南部地区旱情影响较为突出、秋旱则在中北部地区较为严重、冬旱严重影响区域为中南部。

图11 雷州半岛各季节干旱历时空间分布

根据季节旱情空间分布将雷州半岛从北到南划分为4 个区域:①东北部地区(遂溪县北部、湛江市区)夏旱平均历时较长，春冬季次之，秋旱的历时较短；②中北部地区(遂溪县南部、雷州市北部)秋旱影响突出，其他三季旱情影响时间较短；③中南部地区(雷州市中部)秋旱历时较短，其余三季干旱影响较严重；④南部地区(雷州市南部及徐闻县)四季干旱历时均较长。

3 结论

本文基于SPEI指数对干旱的评估及游程理论对干旱事件的识别，进而分析了近50 年来雷州半岛干旱历时和干旱烈度的时空分布特征，得出以下结论。

a)雷州半岛近50 年来的12 月尺度SPEI指数在波动中呈逐渐下降趋势，且SPEI值的波动与ENSO影响相关，近50 年的SPEI五年滑动平均值呈现以约10 年为一个周期的波动特征，并表现为在ENSO冷事件年SPEI指数相对偏大，相反在暖事件年SPEI指数偏小，旱情凸显。

b)干旱历时和干旱烈度在时间维度上的变化趋于一致，发生严重干旱的年份其干旱历时较长，同时干旱烈度也较大，采用适线法得出雷州半岛干旱烈度分布曲线可知发生干旱灾害的干旱烈度越大概率越小。

c)干旱总体情况地域差异较大，干旱频次、次均烈度高低及历时长短，在空间上均呈现为东北部地区向西南部地区逐渐加强的趋势。

d)中旱、重旱和极旱发生的频率地域差异总体表现为:雷州半岛中南部和东北部地区发生中旱及以上干旱的频率高于中北部地区。

e)根据不同季节旱情统计，春冬季干旱易发，其中春旱多为中旱或以上旱情影响，冬旱多为轻旱影响；空间上春夏两季雷州半岛东北部和中南部地区旱情影响较为突出、秋旱则在中北部地区较为严重、冬旱严重影响区域为中南部。