中国近60年干旱热浪演变趋势及并发特征分析_廖国清.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；江苏省自然科学基金项目（）；水利部重大科技项目（）；中央引导地方科技发展资金项目（）作者简介：廖国清（），男，贵州遵义人，硕士研究生，研究方向为水文水资源。：通信作者：朱 烨（），女，河南灵宝人，讲师，博士，主要从事干旱监测与模拟研究。：，（）：中国近 年干旱热浪演变趋势及并发特征分析廖国清，朱 烨，吴光东，王 文，刘 懿，朱玲玲（南京信息工程大学 水文与水资源工程学院，南京；长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉；河海大学 水文水资源学院，南京；徐州市河湖管理中心，江苏 徐州）摘 要：利用中国气象站 年降水、气温等资料，构建周尺度标准化帕尔默干旱指数，采用相对阈值法识别热浪过程，分析干旱和热浪的时空演变规律和并发特征，结果表明：干旱和热浪频发于夏季，二者站次比年序列均呈先减（年前）后增的变化趋势。全国大部分地区热浪频次显著增加，东北、华北和云南东部的干旱频次显著增加。热浪频次突变年份主要为 世纪 年代，其空间分布与干旱较相似。云南为复合型干旱热浪高发区，其次为东北、华北、广西和广东沿海，长江流域和新疆西北部的复合事件最少。全国复合事件中约 的热浪爆发于旱情开始及发展阶段，云南和长江中下游以南的热浪则出现在旱情恢复阶段。除淮河流域和长江中下游外，复合型干旱热浪呈极显著增加趋势。研究成果可为应对极端天气气候事件和制定适应策略提供科学参考。关键词：干旱；热浪；时空分布；演变趋势；并发特征中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，：），），），），第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ），：；研究背景在全球增暖背景下，区域水热资源的时空分配发生改变，极端降水、高温热浪等气候异常事件频繁发生，严重影响粮食安全、生态环境和公众生命健康。未来受气候变化的影响，全球不同地区遭遇干旱、高温热浪等单一极端事件的风险加大。广发、频发的干旱和高温热浪增加了二者并发的可能性。相关研究指出，两种极端事件同时发生会通过土壤水大气的耦合作用形成正反馈，进而加剧干旱和高温热浪的强度。因此，与单一极端事件相比，复合型极端事件更具有威胁性与破坏性。复合型干旱热浪指两种单一极端事件在爆发时间节点或灾害持续期内有交叉重叠的现象。近年来，国内外研究者在不同气候区分别评估了干旱、高温热浪的时空分布规律以及复合事件的频次、影响范围和并发概率等特征。例如，等基于 月尺度降水和气温数据构建复合事件指示因子，在全球尺度上评估了复合事件的严重程度及其变化。等利用 函数分析了欧洲夏季干热复合事件的发生概率，并指出升高的气温是引起干热复合事件发生概率增加的主要驱动因素。等分析了中国东部复合型干旱热浪的频次，发现北部和南部遭遇复合型极端事件的数量约为中部地区的 倍。等基于标准化降水指数（，）和日最高气温数据比较分析了单一热浪事件与复合事件在热浪持续时间和热浪强度方面的差异。等研究表明，除华中地区外，东北、华北、华南等地遭遇农业干旱和热浪并发事件的频次显著增加。考虑到热浪过程和干旱监测时间尺度不匹配的问题，孙艺杰等将日尺度热浪过程集成至月尺度，并结合 分析了黄土高原干旱和热浪的时空特征。总体而言，现有研究大多在月以上尺度分析复合型干旱热浪的演变特征，鲜有研究关注更短时间尺度（如周）内干旱与高温热浪的伴生关系。此外，在表征区域干旱状态方面，也以降水为主要考虑因素居多。干旱具有多时间尺度的特征，且影响因素众多，相较于单因素干旱指数，综合干旱指数能够较全面地考虑区域水热亏缺 盈余状况。鉴于此，本文基于中国气象站 年实测降水、气温等数据，根据标准化帕尔默干旱指数（，）原理方法构建周尺度综合干旱指数 序列，采用相对阈值法识别高温热浪事件，在周尺度上统计分析干旱和高温热浪的时空演变规律与并发特征，重点关注干旱热浪复合事件的组成结构，以期为极端气象灾害防治和水资源优化管理提供参考。研究区与数据本文以中国大陆为研究区，采用国家气象共享服务中心发布的 个气象站（图）基本气象要素逐日数据，包括降水，最高、最低、平均气温、风速、相对湿度、大气压和日照时数，其时间跨度为 年。田 间 有 效 持 水 量（，）数据来自世界土壤数据库（，）土壤数据集，空间分辨率为，其中中国区数据是根据中国科学院南京土壤研究所提供的 土壤数据建立得到。是标准化帕尔默干旱指数（）中的重要参数，本文以气象站点的地理坐标为基准，提取各气象站点所在网格的 值进行干旱指数计算。1 3 0E1 2 0E1 1 0E1 0 0E9 0E8 0E5 0N4 0N3 0N2 0N1 0N南海诸岛图 气象站点空间分布 研究方法 标准化帕尔默干旱指数（）标准化帕尔默干旱指数（）是将帕尔默干 长江科学院院报 年 旱指数（，）的水文账模块与标准化干旱指数（，）中基于概率统计的标准化模块相耦合，研制得到的一种新型综合干旱指数。既保留了原始 对水文循环这一物理过程考虑相对完备的特点，同时兼顾了 统计特征稳定、时间尺度可变的优势，在全球不同气候区具有较好的适用性。与 一致，也通过引入“气候适宜降水量”（，）的概念，表征特定地区用以维持正常土壤湿度水平所需的最小降水量。降水量的大小取决于当地气候条件，计算公式为 。（）式中：、和 分别为可能蒸散量、土壤可能补水量、可能径流深和土壤可能失水量，、和 分别为上述 个变量的实际值；表示一年中第 个时间步长（通常为周或月）；、和 均为特定地区的权重因子（或称水量平衡系数），计算公式为，。（）、与当地土壤有效含水量 密切相关，具体估算公式可参考文献。由于原始 中采用 公式估算，高估了气温的影响作用，本文采用更具物理基础的 公式估算。采用实际降水量与 降水量之间的差值来反映某一地区特定时刻的水分异常状况（干或湿），通常表示为水分亏缺。参考 的计算原理，采用其概率统计方法对 进行标准化处理。对各月（周）的水量偏差 在不同时间步长 上进行滑动累加，即可得到相应时间尺度的累积水量偏差，如用，表示在第 年第 个月份（或周）的累积水量偏差。在此基础上，选取合适的概率分布函数，对时间步长为 的累积水量偏差 序列进行拟合，求得累积概率（）。通过正态转换，将累积概率值转换为相应指数值，即为（式（）。（；，）。（）式中：（）为标准正态分布逆函数；为 服从的累积概率分布函数；，和 分别为概率分布形状、尺度和形态参数。的旱涝等级划分标准与 一致，即当 取值为，）、，）、，）、时，分别对应于轻旱、中旱、重旱、极旱 个等级。热浪事件识别方法参考联合国政府间气候变化专门委员会（，）关于高温热浪的定义，本文将一个完整的热浪事件定义为连续 及以上的极端高温过程。热浪的判别需同时满足 个条件：当日最高气温超过高温阈值；持续时间至少为 。高温阈值由相对阈值方法确定，该方法能够充分考虑高温的地域性差异，在分析大范围热浪事件及其空间特征方面有优势。具体计算方法为将各站点 年夏季（月 日至 月 日）日最高气温排序，选取 分位值作为各站点高温阈值。当某一站点日最高温度连续 及以上超过该站高温阈值时记为一次热浪过程，热浪的持续时间为完整的热浪过程所包含的天数，热浪事件的总数即为频次。趋势及突变分析方法本文采用（）检验分析干旱和热浪事件的年际变化趋势。检验是一种非参数检验方法，该方法对待检测序列的分布无要求，且不受少数异常值的干扰。其计算原理为基于原始序列的秩，构造服从标准正态分布统计变量。给定显著性水平，若 ，则表明显著性水平为 时，该序列具有显著的上升（为正）或者下降（为负）趋势；若 ，则表明显著性水平为 时，该序列呈不显著的上升（为正）或者下降（为负）趋势。其中，显著性水平 为、时，相应阈值 分别为、和。此外，本文采用 突变检验分析两种极端事件的突变年份。该方法也是一种非参数秩检验法，其零假设为样本序列服从同一分布，即不存在突变点；备择假设为样本序列存在突变点，前后两个子序列的分布存在明显差异。突变检验方法能够确定序列发生突变的时间，及其出现概率（）。当序列中存在多个突变点时，选取（）最大值的出现位置为该序列发生突变的唯一时间点。结果与分析 干旱与热浪时空特征 年内分布及年际变化图 为 年干旱和热浪发生频率（以各周发生极端事件的百分比表示）的年内分布。从图 可以看出，全国不同地区干旱发生频率在 范围内波动，具有较大的空间差异性。就全国平均而言，冬季（周之前，周之后）干旱出现的 第 期廖国清 等 中国近 年干旱热浪演变趋势及并发特征分析频率最低，约为，夏季为干旱的主要爆发期，发生频率约为。与干旱相比，热浪的季节性特征更为突出。全国热浪集中爆发于 周，夏季热浪出现的频次最高，最高可达。图 年中国干旱和热浪频率年内分布箱线图 图 为 年全国发生中旱及以上（即）和热浪站次比的时间序列。从图 可以看出，干旱站次比的月序列在 范围内波动，年序列呈现先减后增的变化趋势。以 年为转折点，世纪 年代之前每年约有 的站点遭受中旱，随后站次比年序列持续下降，在 年达到最低值（约为）。年站次比序列呈上升趋势，最高值出现在 年，全国约有的台站出现中旱。与干旱类似，热浪站次比的年序列也呈先减后增的变化趋势，且由线性倾向率可以看出，热浪站次比时间序列的变化略低于干旱序列。上述分析表明，近 以来中国大陆地区有变干变热的发展态势。演变趋势及突变分析图 为 年各气象台站干旱与热浪频次的年趋势。由于 综合考虑了降水、气温、风速、相对湿度等多个变量，其表征的干旱频次的演变趋势与仅考虑日最高气温的热浪相比，在空间分布图 年全国中旱（即）和热浪站次比时间序列及线性趋势 （）+1+图 基于 趋势检验的 年干旱频次与热浪年趋势空间分布 长江科学院院报 年 上具有显著差异。从图 可以看出，在的显著性水平下，干旱频次增加的站点主要位于东北、华北和云南东部。中国东部和南部干旱频次呈不显著的上升趋势，位于长江中下游、新疆北部和四川南部的部分站点，干旱频次略有下降，但未通过的显著性检验。相比之下，热浪频次显著增加的站点明显增多，表明在气候变暖背景下，热浪事件变得更为频繁。在显著性水平下，全国大部分地区热浪频次呈增加趋势。位于东北东部和长江中下游的部分站点呈增加趋势，淮河流域个别站点则呈减少趋势，且均未通过的显著性检验。图 年干旱和热浪年频次突变年份（显著性水平下）空间分布 （）图 为基于 突变检验的干旱和热浪年频次检验结果。从图 可以看出，中国大部分地区干旱频次发生突变的年份集中在 世纪 年代。黄淮海地区、西北（青海、和新疆大部分地区）、云南以及广东沿海部分站点发生突变年份相对较早，突变点出现在 年代和 年代。湖南、福建以及江西省少部分站点，干旱突变年份为 年以后。高温热浪突变年份的空间分布与干旱较为相似，区别主要集中在内蒙古东北部及京津冀地区，热浪频次发生突变的年份比干旱约提前 。干旱与热浪并发特征分析 复合型干旱热浪的空间分布复合型干旱热浪是指在旱情持续时间内（即干旱开始时刻至结束时刻），同时伴有热浪发生的复合型极端事件。如图 所示，复合型干旱热浪的高发区主要位于云南，其次为东北、华北以及广西、广东沿海的站点，长江流域和新疆西北部的复合事件频次最低，不足 次。从复合事件占干旱事件总数的比例来看，西南（主要为云南和四川）和东北为高值区，复合事件占比高达 以上，即 的干旱与热浪事件在爆发时间上有重合。低值区则主要位于东部和西北地区，尤其是长江中下游地区，复合事件仅占干旱事件总数的。图 年旱情持续期内干旱热浪并发事件频次及并发事件数量占干旱事件总数量的比例 旱情不同阶段复合事件比例分析为探究复合型干旱热浪的组成形态，本文将干旱过程划分为孕育阶段（旱情开始时刻前 周）、发展阶段（旱情开始时刻至干旱强度最大值出现时刻）和恢复阶段（干旱强度最大值出现时刻至旱情结束时刻），并统计 年旱情持续期内各阶段热浪频次及复合事件占比。如图 和图 所示，干旱爆发前期，全国大部分站点的热浪频次在 次之间波动，云南地区热浪频次最高，长江中 第 期廖国清 等 中国近 年干旱热浪演变趋势及并发特征分析下游的个别站点频次最低（次）。由箱线图的统计结果可知，就全国平均而言，约有 的热浪爆发于干旱开始发展阶段，出现在干旱恢复阶段的热浪比例约占。空间上，旱情发展阶段热浪出现的比例呈现北高南低的分布格局，而位于长江中下游以南的少部分站点，热浪则主要出现在旱情恢复阶段，其占比约为。+图 年干旱爆发前期热浪频次及旱情发展不同阶段热浪发生比例的空间分布 ，图 为 年干旱热浪复合型极端事件出现频次的年趋势检验结果。从图 可以看出，图 不同阶段并发事件百分比箱线图 除淮河流域和长江中下游个别站点呈不显著增加趋势外，全国大部分站点呈极显著增加趋势，并通过了的显著性检验，表明在气候持续增暖背景下，干旱热浪并发的可能性增强。图 基于 检验的 年干旱热浪复合事件发生频次年趋势 讨 论本文基于 和相对阈值法分析了中国近 干旱和高温热浪的时空特征。就单一极端事件而言，全国大部分地区的干旱和热浪频次均有所增加，这一结论与已有研究基本一致。复合事件方面，不同于以往研究，本文以周为统计单位，在短时间尺度内分析了干旱和热浪的并发特征。结果显示，云南为复合型干旱热浪的高发区，其次为东北、华北以及广西、广东沿海，这一结论与已有研究基本一致。值得注意的是，尽管长江中下游部分地区复合事件的频次相对较低，但在气候变暖背景下，该区域未来时期干旱增加趋势明显，由此进一步加大干旱和热浪复合事件的风险，需要引起足够重视。旱情不同阶段的热浪比例显示，全国约有 长江科学院院报 年 的热浪爆发于干旱的开始发展阶段，而在云南和长江中下游以南少部分地区，热浪则主要出现在旱情恢复阶段，该结果可为不同区域开展极端复合事件的防御和风险管理提供参考。尽管已有研究指出在复合事件中干旱和热浪的历时和强度会进一步加剧，但不同阶段的影响作用如何尚不明确，还有待深入。结 论本文基于中国 个气象站 年实测降水、气温等资料，根据标准化帕尔默干旱指数原理方法构建周尺度综合干旱指数 序列，采用相对阈值法识别高温热浪过程，分析周尺度干旱和高温热浪的时空演变规律和并发特征，基于干旱过程分析了复合型干旱热浪的组成结构，主要结论如下：（）夏季为干旱和高温热浪的主要爆发期，出现频率为，冬季全国无热浪发生，干旱出现频率约为。在年际变化上，以 年为转折点，干旱站次比的年序列呈现先减后增的变化趋势。热浪站次比的年序列与干旱一致，但其变化率略低于干旱序列。（）中国东北、华北和云南东部的干旱频次呈极显著增加趋势，东部和南部地区呈不显著上升趋势，长江中下游、新疆北部和四川南部的部分站点则呈不显著下降趋势。对于热浪而言，除东北东部、长江中下游的部分站点呈不显著增加趋势以及淮河流域个别站点呈不显著减少趋势外，全国大部分站点的热浪频次呈增加趋势。（）中国大部分地区干旱频次在 至 发生突变。黄淮海、西北、云南以及广东沿海部分站点突变年份较早，突变点出现在 和。湖南、福建以及江西少部分站点干旱突变年份为 年以后。高温热浪频次突变年份的空间分布与干旱较为相似，区别主要在内蒙古东北部及京津冀地区，热浪频次的突变年份比干旱频次早 左右。（）复合型干旱热浪的高发区主要位于云南，其次为东北、华北以及广西、广东沿海，长江流域和新疆西北部的复合事件频次最少。复合事件占干旱事件总数的比例显示，西南和东北约有 的干旱与热浪事件在爆发时间上有重合，低值区则主要位于长江中下游和西北地区，复合事件仅占干旱事件总数的。（）干旱爆发前 周，全国大部分站点的热浪频次在 之间波动，云南地区热浪频次最高，长江中下游的个别站点频次最低。复合事件中，约有 的热浪爆发于干旱开始发展阶段，出现在干旱恢复阶段的热浪比例约占。空间上，旱情发展阶段的热浪比例呈北高南低的分布格局，云南和长江中下游以南的少部分站点，热浪则主要出现在旱情恢复阶段，其占比为。（）除淮河流域和长江中下游个别站点呈不显著增加趋势外，全国大部分站点干旱热浪复合事件的频次呈极显著增加趋势。本文主要探讨了中国近 干旱和热浪两种极端事件的时空演变规律及其并发特征，后期可进一步从物理驱动的角度探究复合极端事件的形成机制及影响因素，以更好地服务于极端事件监测与预警。参考文献：，：，：周波涛，钱 进 报告解读：极端天气气候事件变化气候变化研究进展，（）：，（）：，（）：余 荣，翟盘茂 关于复合型极端事件的新认识和启示 大气科学学报，（）：，：，（）：李东欢，邹立维，周天军 全球 温升背景下中国极端事件变化的区域模式预估 地球科学进展，（）：，：，：，（）：，第 期廖国清 等 中国近 年干旱热浪演变趋势及并发特征分析 ，（）：，（），（）：，：，：，：孙艺杰，刘宪锋，任志远，等 年黄土高原干旱和热浪时空变化特征地理科学进展，（）：吴志勇，程丹丹，何海，等 综合干旱指数研究进展水资源保护，（）：，（）：袁 飞，章益棋，刘 懿，等基于标准化帕尔默干旱指数的西江流域干旱评估 水资源保护，（）：，：，：，卜凡蕊，孙 鹏，姚 蕊，等 淮河流域高温热浪时空演变规律及成因分析 地理科学，（）：，（）：，（）：，（）：倪深海，顾 颖，彭岳津，等近七十年中国干旱灾害时空格局及演变自然灾害学报，（）：，：，（）：邓翠玲，佘敦先，邓 瑶，等基于多模式情景的长江中下游未来气象干旱时空演变特征分析长江科学院院报，（）：（编辑：黄 玲）长江科学院承担的国家重点研发计划“长江水资源开发保护战略与关键技术研究”课题绩效评价会议顺利召开 年 月 日，长江科学院作为项目承担单位，在武汉组织召开了国家重点研发计划“长江水资源开发保护战略与关键技术研究”课题绩效评价会议。本次会议采用线上、线下相结合形式召开，会议邀请了中国工程院院士、华中科技大学教授张勇传，挪威工程院外籍院士、武汉大学教授郭生练，华中师范大学校长郝芳华，长江水利委员会（以下简称“长江委”）副总工程师陈桂亚，中国长江三峡集团有限公司科技创新部主任李文伟，生态环境部长江流域生态环境监督管理局局长徐翀，长江委建设与运行管理局局长洪卫，长江委水资源节约与保护局局长刘联兵、副局长李英，华北电力大学教授门宝辉，以及中国科学院地理科学与资源研究所研究员于静洁等作为绩效评价专家。项目负责人吴志广首先介绍了项目基本情况和课题绩效评价要求。各课题负责人分别就“变化环境下长江重大水问题综合分析与研判”“以水环境优化为突破点的长江四水问题系统治理目标和模式”“长江水资源节约高效利用与水旱灾害风险集合管理对策”“统筹上中下游和江湖联动的长江水环境治理与水生态修复对策”“长江水资源开发保护总体战略与技术方略及管理体制机制”五个课题的研究成果进行了汇报。经过充分讨论与评议后，专家组一致认为，各课题研究成果丰富、内容详实，均按照任务书要求完成了规定的研究内容和考核指标，符合国家重点研发计划的绩效评价要求，同意通过验收。本次课题绩效评价会的顺利召开将促进项目研究成果的进一步凝练总结，为下阶段项目验收奠定了良好基础。“长江水资源开发保护战略与关键技术研究项目”于 年 月底批复，项目执行期为 年 月至 年 月。本项目按照任务书要求，定量预测了未来长江四水问题变化趋势，综合研判了制约长江经济带发展的潜在重大约束性水问题；提出了以水环境优化为突破点、长江大保护与经济带发展协调的流域综合治理系列性政策咨询建议；构建了适应未来高质量发展的长江水资源保护与开发技术集成体系；并提出了协调多目标和多利益主体的长江水资源保护与开发管理体制机制建议。（摘自：长江水利科技网）长江科学院院报 年