基于MCI指数的福建省干旱气候特征

庄瑶 鲍瑞娟 张容焱 何金海 汪澜,5

(1.南京信息工程大学,江苏 南京 210000； 2.福建省气象台,福建 福州 350001； 3.福建省灾害天气重点实验室 福建省气象科学研究所,福建 福州 350001； 4.福建省气候中心,福建 福州 350001； 5.中国气象局上海台风研究所，上海 200000)

引言

干旱是世界上影响范围广、危害严重、持续时间长的自然灾害之一。近年来随着全球气候变暖，我国旱涝格局发生了新的变化，在华北、东北以及西北地区东部干旱形势依然严峻的同时南方部分区域也明显变干，重大干旱事件频繁发生[1-5]。目前，针对北方干旱的研究较多，针对南方的研究较少[6]。华南沿海地区是我国五大气象干旱中心之一，随着南方旱涝的频发，近年来华南、西南干旱研究也逐渐增加[7-10]，但对于福建省干旱的研究甚少，其中大多数集中于干旱胁迫对某种植物的影响，而忽略了干旱的特征分析，因此研究福建省干旱特征迫在眉睫。

福建省地质结构复杂，地貌类型多样，找到能较好反映福建省的干旱指标是关键。目前国内外气象干旱监测常用的指数有降水距平百分率、标准化降水指数、帕默尔干旱指数等50多种，不同指标在不同区域、不同季节具有不同的监测能力。陈家金等[11]利用连旱日数指标分析福建省干旱，发现中南部沿海地区为春旱高发区，秋冬旱南部多于北部地区的时空分布特点。潘卫华等[12]通过MODIS反演植被指数，得到福建省的干旱分布存在南北不均匀，东南沿海区域的干旱程度比中西部地区明显偏高的现象，但由于福建省的土壤湿度观测站点太少，影响了监测的精度。虽然干旱监测指标众多，但都建立于不同特定的条件下，在实际业务应用中仍存在许多问题[13-16]。福建省采用逐日的连旱日数未考虑前期降水累积效应和蒸散量等的影响，在实时监测气象干旱方面存在不足[17]。国家气候中心于2012年推行新的气象干旱综合监测指数(MCI)，并作为干旱监测业务指标已在全国推广应用，该指标综合考虑了前期和近期降水、蒸散等因素[18]，改进的气象干旱指标MCI，既适合实时气象干旱监测又可以进行历史同期气象干旱评估[19]，具有干湿现象连续表征的优点。近些年来许多学者对其进行了大量的研究，发现MCI指数作为干旱监测指标具有更好的区域适用性，优于其他指数，因此根据MCI指数进行的评估是科学合理的[20-22]。张容焱等[23]对福建省区域气象干旱研究指出不论是年还是季节，MCI指数完全可以替代同步的连旱日数表达的干旱过程，可作为福建省气象干旱逐日监测指标，并对区域气象干旱强度进行定量化评估研究。本文借鉴前人的研究成果，利用福建省1961—2019年气象资料和气象干旱综合指数(MCI)，分析干旱时空变化规律和气候特征，以期为干旱监测、预警预测以及旱灾影响评估和风险管理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

采用的资料来源于福建省气象信息中心，为1961年以来福建省66个气象站逐日气温、降水、风速等观测资料。根据福建省气候特点[24]，以及气象行业标准《气候季节划分》(QX/T 152—2012)[25]，福建省各季节代表月定义为春季3—6月，夏季7—9月，秋季10—11月，冬季12月至翌年2月。

1.2 研究方法

1.2.1 MCI指数和干旱等级

气象干旱等级(GB/T 20481—2017)中改进的MCI指数[18]：

MCI=Ka× (a×SPI60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150)

(1)

式(1)中，SPIW60为60 d标准化权重降水指数；MI30为30 d湿润度指数；SPI90为90 d标准化降水指数；SPI150为150 d标准化降水指数。a、b、c、d为经验系数，秋冬春季取0.3、0.4、0.3、0.2；夏季取0.5、0.6、0.2、0.1。Ka为季节调节系数，由不同季节主要农作物生长发育阶段对土壤水分的敏感程度确定。按照式(1)和气象干旱等级中MCI等级[18]计算福建省66个气象站1961年以来逐日干旱指数和干旱等级，并对逐年和逐月MCI指数的合计值进行标准化处理。

1.2.2 单站干旱过程的定义

参考《气象干旱等级》(GB/T 20481—2006)[26]和《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)[18]以及福建省旱灾历史记载，设定单站MCI连续20 d为中旱及以上等级为发生一次干旱过程。干旱过程的开始日为第1 d的MCI指数达到中旱及以上等级的日期。在干旱发生期，当MCI连续10 d为轻旱或无旱等级时干旱解除，同时干旱过程结束，结束日期为MCI指数达到轻旱或以下等级的前1 d。干旱过程内所有MCI指数为轻旱及以上的干旱等级之和，其值越小则干旱过程强度越强。当评价某时段(月、季、年)是否发生干旱事件时，所评价时段内必须至少出现一次干旱过程，并且累计干旱持续时间超过所评价时段的1/4时，则认为该时段为干旱时段，其干旱强度由时段内MCI值为轻旱及以上的干旱等级之和。

单站干旱过程名称的定义：根据某气象站一次干旱过程开始和结束时间对应的季节进行命名，未跨季的为单季干旱(春旱、夏旱、秋旱、冬旱)，跨季节按照跨季的长度分为两季连旱(春夏连旱、夏秋连旱、秋冬连旱、冬春连旱)和三季连旱,干旱年份按照干旱开始时间所属的年份命名。本文各种类型的干旱统计都是基于单站的干旱类型，特别是季节连旱，与历史上全省范围的干旱类型名称是有差异的。

1.2.3 气候变化分析方法

采用Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析和经验正交(EOF)分解等方法。小波分析在频率域和时间域同时具有良好的局部化性质。采用Morlet小波函数作为小波母函数研究干湿气候的周期规律。作为研究气象要素场时空变化常用的EOF分解法：

Xm×n=Vm×p·Tp×n

(2)

式(2)中，Xm×n为m个空间点n次观测值构成的要素场；Vm×p为正交的空间函数矩阵；Tp×n为时间函数矩阵。通过对各个尺度的MCI指数进行EOF分析，以此研究干湿气候的空间特征。

2 结果分析

2.1 干湿气候变化

2.1.1 干湿气候突变

对各站历年MCI合计值进行M-K突变分析，其年际突变不显著，但月际之间存在显著差异(表1)。1—8月全省都有比较集中的突变年代，多数月份经历1次突变，只有4—5月经历了2次突变：20世纪60—70年代发生突变进入湿润期，21世纪00年代左右发生突变进入干旱期；9月和10月有半数以上的站点突变不明显，发生突变的站点其突变年份无明显规律；11—12月突变年份可分为沿海和内陆两个区域，沿海突变时间早，内陆迟。

表1 1961—2019年福建省各月干湿突变情况Table 1 Monthly abrupt change of dry and wet seasons in Fujian province from 1961 to 2019

除三明和南平的局部无明显的干湿变化外，中北部沿海地区呈显著的变湿趋势，内陆总体呈不显著的变干趋势。运用M-K非参数检验法对MCI月总指数进行干湿状况的突变趋势分析和突变检验表明，1—3月显著向湿润气候转换；4—5月部分区域干湿变化趋势不明显，其他区域呈变干趋势，但不显著，这段时间似乎为一个干湿月际变化的转折点；6—8月显著向干旱气候转换；9月和10月又是一个由干变湿的转折点，趋势不显著；11月和12月向湿润转换，但是11月趋势表现不显著。总之，近年来春、夏季向干旱气候转变，冬季向湿润气候转变。

2.1.2 干湿周期规律

通过Morlet小波分解方法分析各站历年MCI合计值发现，除鹫峰山区(寿宁、周宁和屏南)、武夷山局部(浦城、光泽)、中北部沿海局部(福鼎、霞浦、莆田、南安)不存在显著周期外，其余站点显著干湿变化周期为6 a或8 a，其中8 a周期集中在泉州以南沿海；南平西部、三明、龙岩北部和福州大部站点还存在约22 a的显著长周期(图1，以南平、宁德、漳州为例)，相对来说，内陆山区干湿变化周期偏长。

粗虚线表示通过信度95%的显著性检验，粗实线表示0线，阴影表示边界效应影响区图1 1961—2019年南平(a)、宁德(b)和漳州(c)MCI年指数小波变换Fig.1 Wavelet transform of annual MCI in Nanping(a),Ningde(b),and Zhangzhou (c) from 1961 to 2019

春季大部分站点(61%)无明显的干湿周期变化，局部存在的显著周期为2—8 a，空间分布区域集中于两大区域：内陆靠近武夷山区的南平、三明、龙岩北部区域大约2 a的显著周期，位于沿海的福清至龙海区域大约6 a的显著周期；夏季除沿海一带外大部分站点有明显的干湿周期变化，显著周期为6—16 a，部分地区同时还存在2 a、4 a的显著周期(光泽、尤溪、厦门)；秋季旱涝周期变化是全年最突出的，周期一致性范围最广显著周期为16 a，部分地区同时还存在2—6 a的显著周期(光泽、福清)；冬季大部分站点(68%)无明显的干湿变化周期，冬季存在的显著周期为2—6 a(平潭、长汀、永安)，有明显干湿周期变化集中于三明、龙岩以及福建省中部沿海地区，与春季相似。

2.1.3 基于EOF的干湿时空分布特征

各站累年MCI合计值的EOF展开前3个特征向量的累计方差贡献率达81.3%，皆通过North显著性检验，表明福建省年干湿状况的空间分布主要以3种模态存在。第1模态反映了MCI指数多年平均状况，呈全省一致的正值，表示干则全省同干，湿则全省同湿，其中鹫峰山区(柘荣)和戴云山南部(漳平)属于变率最大的区域(即干湿变化最敏感区域)，其次是闽江流域的河谷盆地(图2a)；对应的时间系数大于0的年份，全省气候湿润(如2016年降水异常偏多)，反之全省气候干燥(如2003年降水异常偏少)(图2d)，其时间系数周期变化与年MCI指数的小波周期一样。第2模态呈“南正北负”的反向分布，表明以龙岩北部、三明南部至福州中部为界的全省干湿南北向差异(图2b)，负中心位于武夷山脉闽江上游区域，正中心位于漳州，代表了福建省大尺度系统性降水特征；对应的时间系数为正时表示北干南湿，为负时表示北湿南干的异常(图2e)，此模态时间系数存在显著的4 a和8 a周期，变化与春季相似。第3模态呈中北部沿海沿西南方向至内陆的反向变化，正中心位于三明西部，负中心位于霞浦至连江一带(图2c)，反映了福建省夏季干湿特征和地形差异；时间系数正(负)表示中北部沿海干(湿)，南部沿海及内陆湿(干)(图2f)，时间系数变化周期存在2 a和8—16 a的显著周期，与夏、秋季干湿周期变化相似。

图2 1961—2019年福建省年MCI指数第一(a)、第二(b)和第三(c)特征向量场以及第一(d)、第二(e)和第三(f)时间系数Fig.2 Spatial distribution of the first (a),second(b),and third(c) eigenvector fields,and variation of the first(d),second(e),and third(f) time coefficients of annual MCI in Fujian province from 1961 to 2019

2.2 干旱气候特征

2.2.1 频数特征

根据单站干旱过程定义，统计59 a来每个站点发生干旱过程的年频数，1961—2019年福建省各地区发生干旱次数从南到北逐渐减少，在福建省东北部地区达到一个低值区。漳州、厦门、龙岩、泉州和莆田干旱年平均发生频率较高，十年七旱，其中漳州南部的东山、诏安干旱几乎每年发生一次干旱过程；宁德北部地区的周宁、寿宁和南平地区的政和干旱发生频率最低(图3)。可见中南部沿海地区干旱频率高于内陆地区，这主要是由福建省季风气候和地形地貌导致沿海地区年降水量小于内陆地区的原因，同时内陆丘陵山地植被覆盖率高，水资源丰富，因此福建省干旱发生率具有南多北少的格局。

图3 1961—2019年福建省干旱年平均发生次数空间分布Fig.3 Spatial distribution of averaged occurrence number of drought in Fujian province from 1961 to 2019

近59 a来福建省发生干旱类型主要有9种。就单季旱而言，1961—2019年以来全省冬旱频率最高，占23%，秋旱次之，占19.4%，春旱、夏旱和秋冬连旱相近(图4)。可见，福建省干旱高发于秋季和冬季，这两季干旱发生率合计超过60%。从夏季到冬季干旱发生率逐渐增加，冬季过后，逐渐减少。而我国北方干旱发生季节则相反主要集中于春季和夏季[27-28]，主要原因是气候差异引起的，福建省地处中国东南沿海，一年有2次降水高峰期：3—6月属于早春和华南前汛期，西南暖湿气流与冷空气交绥带来了充沛的雨水；7—9月属于台风季，热带低值系统活动带来大量降水，有效抑制了春、夏旱的发生；秋冬时节影响天气系统属于副热带高压或干冷空气控制，造成秋冬季雨水少、气温高、日照足，给干旱的形成创造了十分有利的条件。

图4 1961—2019年福建省发生春旱(a)、夏旱(b)、秋旱(c)、冬旱(d)次数空间分布Fig.4 Spatial distribution of occurrence number of spring drought(a),summer drought (b),autumn drought (c),and winter drought(d) in Fujian province from 1961 to 2019

进一步分析单季旱空间分布可知，北部地区春旱最少，南部地区夏旱最少。春旱(图4a)发生频率空间分布很有规律，从南往北递减呈带状分布，南部的漳州地区春旱年平均发生率高达17.9%；宁德和南平仅有3.4%。夏旱(图4b)发生频率空间分布大致与两大山脉走向接近，呈东西向分布，内陆的河谷地带发生频率低，沿海县市发生频率高，但范围明显偏小。秋旱(图4c)基本上也呈东西向分布格局，但高发区位于西部地区的龙岩和三明，近59 a来这两地区秋旱发生次数相近,年发生率达到17%。冬旱(图4d)发生率空间分布与春旱相似，但发生率明显高于其他几种干旱类型，而且范围广，高发区覆盖率超过福建省50%以上地区。总之春旱、夏旱沿海发生率高，秋旱内陆发生率高，冬旱整个中南部高于北部，与天气系统带来的降水空间分布有很大关系，与陈家金等[10]利用连旱日数指标分析的福建省干旱时空分布结论一致。

两季节连旱以秋冬连旱为多，范围广；冬春旱最少，范围小。春夏连旱(图5a)偶有发生，往往是因为汛期降水偏弱，夏季台风少所致。夏秋连旱(图5b)北部内陆地区和中部沿海时有发生，是因为夏季台风影响偏少，入秋冷空气影响偏弱导致降水偏少所致。秋冬旱(图5c)发生次数明显偏多，但次于春旱，南平、三明和中部沿海多发。冬春连旱(图5d)偶尔发生于中南部沿海地区，通常福建省入春阴雨绵绵，不易形成冬春连旱。

图5 1961—2019年福建省发生春夏旱(a)、夏秋旱(b)、秋冬旱(c)和冬春旱(d)次数的空间分布Fig.5 Spatial distribution of occurrence number of spring-summer(a)，summer-autumn (b)，autumn-winter (c) and winter-spring (d) continuous drought in Fujian province from 1961 to 2019

三季连旱仅出现过夏秋冬连旱，同以上各种季节(连)干旱相比，与冬春旱一样少见，出现在福州、南平北部和龙岩西部，为单站历史上仅有的1次，发生在2003年。2003年福建省发生了历史上最强全省性夏秋冬连旱，该年干旱是由单站多段多类型干旱组成，其中夏秋或秋冬连旱有42.4%县(市)，单季旱有48.5%县(市)。

2.2.2 强度特征

以单站干旱过程为单元，统计各站多年逐日MCI负指数极值，均达特旱(MCI≤-2.0)等级，最大值出现在龙岩(-3.91，1991年春旱)，最小值出现在政和(-1.79，1991年春夏旱)。以干旱等级划分，统计各站达到干旱过程标准的各级累年平均天数，福建省干旱强度以中旱和重旱为主，分别占57.4%和30.2%，轻旱范围极小、持续时间最短，分布于南部沿海地带；特旱范围广、持续时间短；中旱和重旱分布广、持续时间长，尤其是中旱，持续时间自东南向西北递减，即使宁德地区出现低值区，仍高于其他级别；重旱持续时间分布相对比较均匀，持续时间较长的区域主要位于沿海(图6)。最长过程持续时间为204 d(连江，2003年)，达到重旱以上强度持续最长为100 d(武夷山，1996年)，达到特旱强度持续最长为125 d(南平，2003年)。

图6 1961—2019年福建省发生轻旱(a)、中旱(b)、重旱(c)和特旱(d)年平均日数空间分布Fig.6 Spatial distribution of the number of days with light drought (a),moderate drought (b),severe drought (c) and extreme drought(d) in Fujian province from 1961 to 2019

按干旱类型统计各站点历年干旱过程的MCI极值，春旱MCI极值超过-3的区域相较于其他类型干旱MCI极值范围广。夏旱全省各站MCI极值几乎都超过-2，春夏旱和夏秋旱MCI极值超过-2的范围次之；冬春旱和夏秋冬旱MCI极值超过-2的范围最小，前者仅限于南部沿海，后者位于福州、宁德南部、南平北部和龙岩西部。可见，福建省干旱MCI最强指数主要集中于春季和夏季，秋季和冬季强度弱。与季节干旱频数分析结果比较，频数少的春、夏季出现干旱时，由于温高雨少，强度强，危害程度远大于秋冬季。

3 结论

(1)利用M-K突变分析可知，4—5月经历一湿一干两次突变，其他月份主要存在1次突变。湿转干的突变时段主要分布1980年之前，而干转湿因季节差异而不同。福建省干湿气候变化存在多时间尺度特征，以6—8 a和22 a的周期为主；内陆山区干湿变化周期比沿海长，在季节尺度上各季均存在多时间尺度和地域差异化的特点。福建省干湿状况突变与气候变暖相一致，MCI指数可以描述福建省气象干旱气候特征。

(2)气候干湿状况的空间变化具有3种典型模态。在年和月时间尺度上第一典型模态具有全局一致性的空间变化特征，全省同干(同湿)，其中在夏半年干湿变异较大，其敏感区域位于鹫峰山区(柘荣)和戴云山南部(漳平)；第二、三模态在不同时间尺度上也表现相似的空间分布，具有福建省特有的气候和地形特征。MCI所表述福建省区域干湿状况与历史干旱事件相符，适用于福建省干旱监测。

(3)福建省干旱出现频率高，活动季节长，影响范围广，并有地域多发区和高频多发季。春季和夏季为干旱低发季，秋季和冬季为高发季，但春季和夏季干旱强度强。

(4)干旱高发区范围呈明显的月际波动变化和空间转换，12月到次年6月，干旱多发区范围随季节向北扩散，6—12月，干旱多发区范围随季节向南缩小；历史干旱过程有12%的过程覆盖全省；闽江口以南沿海地区干旱发生率明显高于内陆地区，北部内陆地区干旱发生率季节性明显，以夏旱为主，而鹫峰山区始终保持着全省干旱低发区中心。