近60年雷州半岛气象干旱变化特征及驱动因素分析

关键词：气象干旱；SPEI；ENSO；雷州半岛

中图分类号：TV125 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0108-07

根据IPCC 第六次评估报告，在全球变暖和人类活动加剧的形势下，气候变化对水文循环的影响变得更加复杂，导致干旱与洪涝灾害事件发生的频率呈显著增加趋势［1］。干旱是指区域水分收支不平衡而形成的水分短缺现象［2］。干旱不仅造成水资源短缺，影响农业生产、城乡供水，也会加重生态环境恶化。美国气象学会将干旱分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱等4种类型，其中气象干旱最先发生，也是研究其他类型干旱的基础，主要以降水指标来划分［3］。研究气象干旱的时空分布规律及成因，对于不同地区针对性地抗旱减灾有重要指导意义。

干旱指数是评估和量化干旱程度的重要方法，常用的气象干旱指数包括标准降水指数（SerialPeripheral Interface，SPI）、标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation-Evapotrarspiration Index，SPEI）、帕默尔干旱强度指数（Palmer DroughtSeverity Index，PDSI）等［4］，许多学者基于不同的指数对不同地区的干旱情况进行了研究。余锐等［5］通过计算广东地区SPI值，发现广东省有略湿润趋势。彭窈等［6］通过计算华南春季42个站点的几种旱涝指数，发现SPEI敏感性强，可以识别降水和气温对于旱涝的影响。周照强等［7］利用SPI评估了珠江流域气象干旱情况，发现厄尔尼诺-南方涛动（EINiÑo-Southern Oscillation，ENSO）和太平洋年代际震荡指数（Protected Designation of Origin，PDO）对各分区的气象干旱影响的时间尺度为8～48个月，太阳黑子对珠江流域的气象干旱影响相对较小，ENSO和PDO是珠江流域气象干旱的主要驱动力。

雷州半岛位于珠江流域片降水低值区，是旱象严重的地区［8］。且雷州半岛水系大多独流入海，加上工程调蓄能力不足，水资源结构脆弱，干旱已成为制约当地经济发展的主要因素［9］。张国桃等［9］统计了1949—2000年51 a湛江市的旱情情况，发现其中37 a出现旱情，大旱19 a。众多学者对雷州半岛的干旱时空分布规律及成因进行了研究。张得胜等［10］发现雷州半岛存在2～5a的干旱周期；王壬等［11］基于标准化降水指数对干旱进行识别，发现雷州半岛干旱频率在秋冬季呈减少趋势，在春夏季呈增加趋势；薛积彬等［12］发现1961—2008年雷州半岛北部地区气候趋向暖干，自90年代中后期以来，气候干旱化趋势愈加显著，干旱事件存在显著的2～3 a短周期变化，可能与同一时期的ENSO活动具有一定关系；杜晓霞等［13］发现ENSO事件对雷州半岛干旱情况影响明显。

本文将在以往研究基础上对雷州半岛气象干旱时空特征进行分析：①选择标准化降水蒸散指数作为干旱识别指标，分析雷州半岛季节性干旱的特征及变化趋势；②分析雷州半岛干旱与降水、气温等主要气象要素的关系；③讨论雷州半岛干旱事件对ENSO事件的响应规律。研究成果可为即将实施的环北部湾广东水资源配置工程的配套工程——雷州半岛灌区工程水文气象情势分析及灌区灌溉制度设计提供参考，以期推动半岛地区水利高质量发展。

1资料来源与研究方法

1. 1研究区域概况

雷州半岛（109°31'～110°55'E，20°12'～21°35'N）位于中国大陆最南端，东濒南海，西邻北部湾，总面积8 845 km²。雷州半岛地处亚热带季风气候区，降水丰沛，多年平均降水量1 519. 85 mm，多年平均气温约23. 52℃。

1. 2数据来源

选用湛江站和徐闻站分别作为雷州半岛北部和南部的代表站，气象资料系列为1957—2021年逐日气象数据，气象站位置见图1。

中国于2017年发布了GB/T 33666—2017《厄尔尼诺／拉尼娜事件判别方法》国家标准［14］，定义ININO3. 4 的3 个月滑动平均绝对值达到或超过0. 5 ℃、持续至少5个月，判定为一次厄尔尼诺/拉尼娜事件（指数大于等于0. 5 ℃为厄尔尼诺事件；指数小于等于-0. 5 ℃为拉尼娜事件），并科学地将ENSO 事件进一步细分为东部型（EP 型）ENSO 事件和中部型（CP 型）ENSO 事件。本文选用的ENSO 气候指标为ONI 指数（Oceanic Nino Index），来自美国国家海洋大气局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）气候研究中心（https：//psl. noaa. gov）。选择Ren等［15］提出的EP型和CP 型指数作为根据该国家标准规定划分出EP型/CP 型ENSO暖事件（厄尔尼诺事件）与ENSO 冷事件（拉尼娜事件）的依据，计算2个指数所需Niño3区、Niño 4区海温指数也均来自NOAA官方网站。ONI指数年、季节尺度均为相应时段的月份均值。

1. 3研究方法

1. 3. 1标准化降水蒸散指数

本文采用标准化降水蒸散指数来反映雷州半岛气象干旱程度。SPEI是一种基于降雨和蒸散发数据的多尺度干旱指数，能较好地评价和监测气象干旱，适用于研究全球变暖对干旱条件的影响。本文采用世界粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United" Nations，FAO）推荐的Penman-Monteith公式计算潜在蒸散发，接着计算逐月降雨量（P）和潜在蒸散发量（Potential Evapotranspiration，PET）之差D，然后构造不同时间尺度下水分盈亏累积序列X，对其概率分布函数f（x）进行标准化处理，得到SPEI计算值，公式如下［16-17］。

根据GB/T 20481—2017《气象干旱等级》［18］的划分标准，将SPEI划分为以下5个干旱等级，分别为无旱（-0. 5gt;SPEI）、轻旱（-1. 0lt;SPEI≤-0. 5）、中旱（-1. 5lt;SPEI≤-1. 0）、重旱（-2. 0lt;SPEI≤-1. 5）、特旱（SPEI≤-2. 0）。

为反映不同时间尺度的干旱情况，本文计算了月尺度（SPEI-1）、季节尺度（SPEI-3）和年尺度（SPEI-12）的SPEI值，分别选用SPEI-3中5、8、11月和次年2月的SPEI值表示春、夏、秋、冬季节的干旱情况，选用SPEI-12中次年2月的SPEI值表示年干旱情况。雷州半岛地处南方湿润地区，轻旱造成的影响较小，本文选取中旱及以上的等级（SPEI≤-1. 0）进行干旱次数统计。

1. 3. 2趋势分析方法

利用Mann-Kendall（M-K）非参数检验对SPEI序列进行趋势分析。该方法被世界气象组织推荐用来分析各气象水文要素随时间变化的趋势。MK检验作为非参数检验，对异常值的敏感性低于参数检验，可以避免序列中极值的干扰。对于1组观测序列：X=x₁， x₂， …， x_n，通过比较标准化检验统计量Z 的大小来检验趋势变化的显著性，当Zgt;0时，表示该观测序列值为上升趋势，当Zlt;0时则反之。

为研究影响雷州半岛干旱的主要因素，本文采用皮尔曼偏相关分析法分别量化了年尺度上降雨和温度对SPEI的影响。

1. 3. 3ENSO遥相关分析

通过计算ENSO气候指标与相应时间尺度的SPEI两者间的皮尔逊相关系数来分析，并进行显著性检验。由于ENSO气候指标对当年/季节的影响与次年/季节的影响不同，因此本文将对气候指标对当年、次年、当年四季的影响分别分析。本文还分别分析对ENSO事件发生当年秋冬季和事件结束后的秋冬季干旱的影响，对EP型、CP型ENSO事件对秋冬两季的不同影响进行了分析。

2结果分析

2. 1不同时间尺度下SPEI变化趋势

a）图2反映了月尺度下SPEI的变化情况，可以看出SPEI变化较为剧烈，在正负之间频繁震荡。湛江站SPEI-1最小值为-2. 76（2003年12月），最大值为2. 65（2016年1月），1957年3月至2021年2月的平均值为0. 009，共有131个月发生了干旱事件（表1），占所有月份的17%，其中89个月为中旱，33个月为重旱，9 个月为极旱。徐闻站SPEI-1 最小值为-2. 32（2010年3月），最大值为2. 58（1972年11月），1957 年3 月至2021年2 月的平均值为0. 013，共有135个月发生了干旱事件，和湛江站相当，其中99个月为中旱，30个月为重旱，6个月为极旱。雷州半岛极旱事件多发生在冬季和夏季。

b）图3反映了季节尺度下SPEI的变化情况，结合M-K 趋势分析结果可知，湛江站春季SPEI呈不显著下降趋势，线性倾向率为-0. 041/10 a，而其余三季均呈不显著的上升趋势，线性倾向率分别为0. 055/10a、0. 064/10a、0. 025/10a。在1957—2021年，发生春旱、夏旱、秋旱的年份相当，发生冬旱的年份略少，且季节性干旱一半以上为中旱，发生重旱和极旱的年份较少。徐闻站夏季SPEI呈不显著下降趋势，线性倾向率为-0. 033/10a，而其余三季均呈不显著的上升趋势，线性倾向率分别为0. 021/10a、0. 021/10a、0. 032/10a。1957—2021年，发生4种季节性干旱的年份相当，且干旱一半以上为中旱，没有发生极旱事件的年份。

c）图4反映了年尺度下SPEI的变化情况，结合M-K趋势分析结果可知，湛江站SPEI呈显著上升趋势（plt;0. 1），线性倾向率为0. 073/10a，最湿润的年份为1986 年（SPEI=1. 79），最干旱的年份为2005 年（SPEI=-2），达到了极旱等级。共有12 a发生了干旱事件，占总年份的19%，其中8 a为中旱，3a为重旱，1 a为极旱。徐闻站SPEI呈不显著上升趋势，线性倾向率为0. 007/10a，最湿润的年份同为1986年（SPEI=1. 82），最干旱的年份为2021年（SPEI=-1. 78）。共有10a发生了干旱事件，占总年份的17%，其中4a为中旱，6a为重旱，无极旱事件。

2. 2雷州半岛SPEI分布空间差异及分析

从月尺度来看，总体上雷州半岛北部和南部发生干旱的月数相近，但北部发生中旱的月数小于南部，发生重旱和极旱的月数大于南部。南北部同时发生干旱的月份占20% ，徐闻站和湛江站平均SPEI-12指数均为-1. 17。

从季节尺度来看，雷州半岛北部发生干旱事件的季节数略小于南部，但北部有极旱等级的季节性干旱事件出现，南部没有。南北部同时发生干旱的季节占11%，徐闻站和湛江站平均SPEI-3指数分别为-1. 20和-0. 73。

从年尺度来看，雷州半岛北部和南部发生干旱的年数相当，但北部多为中旱事件，且有极旱情况，而南部则集中在中旱和重旱事件，且两者占比相近。总的来说，雷州半岛南部发生干旱的频率略大于北部，但北部较易发生极端干旱情况。南北部同时发生干旱的年份占18%，徐闻站和湛江站平均SPEI-12指数分别为-1. 22和-1. 14。

从SPEI的变化趋势来看，雷州半岛北部的SPEI呈显著增加趋势，即湿润化趋势，而南部SPEI增加趋势不明显，长期变化较稳定。

根据偏相关分析结果（表2），当控制温度变量时，两气象站年尺度SPEI-12和降水呈极显著正相关（plt;0. 01）；控制降雨变量时，SPEI-12和温度呈极显著负相关（plt;0. 01），说明雷州半岛地区干旱情况受降水和气温影响较大，且降水的影响程度大于气温。

雷州半岛属于典型季风区气候，雨热同期，SPEI在月、季节和年际等不同时间尺度上表现出不同的特征，结合薛积彬、杜晓霞等［12-13］的研究，SPEI的变化可能与ENSO活动存在关联，从而表现出趋势性和周期性。

2. 3SPEI和ENSO事件的关系

ENSO事件分为暖事件（厄尔尼诺事件）和冷事件（拉尼娜事件），以2～7a为周期非规则循环，常在北半球春夏季发展，秋冬季达到峰值。ENSO事件与干旱有密切联系［3］。

表3可以看到，在季节尺度上湛江站冬季ONI与同期SPEI有显著正相关关系，即指数越大，越湿润，不易发生干旱，其他季节均呈现负相关关系，但均不显著；徐闻站春季指数与SPEI呈现显著的负相关关系，即指数越高，越干旱，夏季和秋季均呈现负相关关系，但均不显著，冬季呈现正相关关系。

ONI 与次年SPEI 在2 个站均有显著负相关关系，相关系数分别为-0. 32 和-0. 44，分别通过了0. 05和0. 01的显著性检验，表明海温变化显著影响着雷州半岛干旱事件的发生，且存在滞后效应，即当年的海温偏高现象易导致次年的干旱。

Wang等［19］认为两种类型ENSO暖事件对秋季华南降水异常有不同的影响，因此有必要研究不同类型ENSO暖事件对干旱的影响的差异。本文根据《厄尔尼诺／ 拉尼娜事件判别方法》标准，识别1957—2020年共发生18次ENSO暖事件，其中EP型12次，CP型6次，这与Chen 等［20］的研究基本一致。以湛江站为例，当发生EP型暖事件时，当年秋季、冬季分别发生干旱7、1次，次年秋季、冬季分别发生干旱3、5次；当发生CP型暖事件时，当年秋季、冬季分别发生干旱2、1次，次年秋季、冬季分别发生干旱2、3次。以徐闻站为例，当发生EP 型暖事件时，当年秋季、冬季分别发生干旱5、3次，次年秋季、冬季分别发生干旱5、4次；当发生CP型暖事件时，当年秋季、冬季分别发生干旱3、2次，次年秋季、冬季分别发生干旱3、3次。两站的分析成果均表明两类ENSO暖事件引起当年秋季干旱的频率均大于引发当年冬季干旱的频率，当年冬季均不易发生干旱，而两类事件均会导致次年冬季发生干旱的频率增加。

3结论

综合以上分析，得出以下结论。

a）总体上，1957—2020年年尺度上雷州半岛干旱事件发生频率接近20%。雷州半岛北部呈现出显著湿润化的趋势，南部湿润化的趋势不显著；北部较易发生极端干旱事件。

b）与气象要素的相关性分析表明，降水与气温均与SPEI呈显著性相关关系，且降水与干旱的相关性更强，表明雷州半岛干旱事件主要受降水的影响。

c）与ENSO 气候因子ONI的相关性分析表明，ENSO气候因子对干旱的影响显著。在秋冬两季，EP型和CP型暖事件对干旱影响存在差异。

4展望

在全球变暖的大背景下，雷州半岛也有较明显的变暖趋势，且南部变暖的速度大于北部。海温变化显著影响着雷州半岛干旱事件的发生，且存在滞后效应，当年的海温偏高异常，易导致次年的干旱，类似的滞后现象也出现在黄河流域、长江中下游地区、辽宁省等［2，16， 21］。黄翀等［22］发现ENSO对珠江流域当年及下一年各时间尺度的影响是相反的，本研究（图5）也印证了ENSO发生当年秋季（冬季）若干旱（湿润），次年秋季（冬季）往往湿润（干旱），而这一特点在发生EP 型ENSO事件时比发生CP型ENSO事件时更明显。

IPCC AR6的评估认为将降水不足导致的气象干旱事件归因于人类活动影响的信度较低［1］。全球变暖导致的大尺度气候变化对水文循环的每一个过程均有显著影响，因此对ENSO事件的准确识别有助于气象干旱预报。随着新标准的颁布，对ENSO事件的识别和分类更为科学，应当在此基础上针对不同类型的ENSO事件对干旱的影响进行深入分析。造成气象干旱的影响因素有多种，本研究主要分析了其对局地尺度的气象要素的响应规律，在大尺度上仅选择了ONI指数进行了单一分析，仍存在很多不足。在今后的研究中将需要进一步深入研究干旱的产生机制，以及在全球气候变化的背景下不同区域干旱事件的响应规律，以提升对干旱的预测能力。另外，在国家要求保障粮食安全、建设现代化农业强国等背景下，环北部湾广东水资源配置工程通水后，在光热条件丰富的雷州半岛地区建设雷州半岛灌区工程势在必行，研究成果可为半岛地区水文气象情势分析及灌区灌溉制度设计提供一定参考。