长江流域2022年高温干旱事件演变及历史对比.pdf

第 42 卷第 8 期 水 力 发 电 学 报 Vol.42,No.8 2023 年 8 月 Journal of Hydroelectric Engineering Aug.2023 收稿日期：收稿日期：2023-02-24 接受日期：接受日期：2023-03-21 基金项目：基金项目：国家自然科学基金面上项目(42271024)作者简介：作者简介：姜雨彤(2000),女,硕士生.E-mail: 通信作者：通信作者：郝增超(1982),男,教授.E-mail: 长江流域 2022 年高温干旱事件演变及历史对比 姜雨彤1，侯爱中2，郝增超1，张 璇1，付永硕1，郝芳华1（1.北京师范大学 水科学研究院，北京 100875；2.水利部水文水资源监测预报中心，北京 100053）摘摘 要：要：本文基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代大气再分析数据集 ERA5，定义了两类复合高温干旱事件（即气象干旱或农业干旱与高温同时发生的事件），对长江流域 2022 年春夏复合高温干旱事件演变过程进行了分析，评估了其持续时间及覆盖面积等特征及变化规律。研究结果表明，长江流域 2022 年复合高温干旱事件时间上自 6 月开始，8 月最严重，9 月有所缓解，空间上由中下游开始，然后扩大到全流域，9 月又缩小至中下游地区；与流域历史典型事件相比，2022 年夏季复合高温干旱事件的各特征值均为最大；19792022 年期间，两类复合高温干旱事件 78 月份的特征值呈现显著增加趋势。本文结果可加深对流域复合高温干旱事件的认识，对于应对气候变暖背景下的极端事件具有重要意义。关键词：关键词：长江流域；气象干旱；农业干旱；高温；复合型极端事件 中图分类号：中图分类号：P339+文献标志码：文献标志码：A DOI:10.11660/slfdxb.20230801 论文引用格式：论文引用格式：姜雨彤,侯爱中,郝增超,等.长江流域 2022 年高温干旱事件演变及历史对比J.水力发电学报,2023,42(8):1-9.JIANG Yutong,HOU Aizhong,HAO Zengchao,et al.Evolution and historical comparison of hot droughts in Yangtze River basin in 2022 J.Journal of Hydroelectric Engineering,2023,42(8):1-9.(in Chinese)Evolution and historical comparison of hot droughts in Yangtze River basin in 2022 JIANG Yutong1,HOU Aizhong2,HAO Zengchao1,ZHANG Xuan1,FU Yongshuo1,HAO Fanghua1(1.College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;2.Hydrology Monitor and Forecast Center,Ministry of Water Resources,Beijing 100053,China)Abstract:Based on the fifth generation atmospheric reanalysis dataset ERA5 of the European Centre for Medium Range Weather Forecasts(ECMWF),we define two types of hot droughts or compound drought-hot events simultaneous occurrences of meteorological drought/agricultural drought and high temperature.We examine the evolution of such an event occurred in the Yangtze River basin in the summer of 2022,and evaluate the variations in its several characteristics such as duration and spatial coverage.The results show that this hot drought began in June,became most severe in August,and weakened in September;its spatial scale varied significantly,starting from the middle and lower reaches,gradually expanding to the whole basin,and reducing to the middle and lower reaches by September.And compared with typical events in historical periods,its characteristic values were the largest.We find a significant increase in the characteristic values of the two types of compound drought-hot events in July and August from 1979 to 2022.The results deepen our understanding of the hot droughts and extreme 2 水力发电学报 events in a river basin and can be useful for coping with extremes under global warming.Keywords:Yangtze River basin;meteorological drought;agricultural drought;hot droughts;compound extreme events 0 引言引言 干旱是自然灾害中影响范围大、致灾严重的灾害之一，一般分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱四类。气象干旱在演变过程中会逐步传递到其他部分1，从而会影响水资源供给、农业生产、能源供应及社会经济发展等多个方面。在气候变暖的大背景下，全球干旱事件也明显增加、覆盖面积不断扩大，对区域社会经济发展造成严重影响。与此同时，极端高温事件也不断增多，高温热浪在全球多个区域呈现增多变强的趋势2-5。受大气环流和陆气互馈等机制影响，高温和干旱之间存在相关性，经常出现同时或者相继发生的现象，这种极端事件一般称为复合高温干旱事件6-7。研究表明，复合高温干旱事件对水资源和农业生产等部门的影响可能比单一事件更大，威胁区域水安全、粮食安全及能源安全6。近年来国内外关于复合高温干旱事件的演变研究也逐渐开展起来，大量研究表明在气候变暖背景下，未来复合高温干旱事件的频率、强度和空间范围等特征在全球大部分地区呈现增加趋势7-11。长江流域是我国第一大流域，是我国重要粮食产地，其中成都平原、江汉平原、洞庭湖平原、鄱阳湖平原、太湖平原和江淮地区等是我国主要商品粮基地12。近年来，长江流域干旱事件频发，2001年、2006 年、2011 年及 2013 年等均发生了严重的干旱事件13-14，对社会经济发展和生态系统造成了严重损害。比如 2006 年川渝地区发生严重干旱，全流域受旱面积达到 11336 万亩，经济作物损失118 亿元15。有研究表明，长江流域大部分区域近几十年来干旱、高温事件增加趋势较为显著，且未来可能进一步增加16-19。随着对流域高温和干旱事件研究的深入，一些学者逐步开始对长江流域复合高温干旱事件的演变特征进行分析。姜雨彤等20研究表明，长江流域复合高温干旱事件发生日数在流域西北与南部地区增加较多，且 19882014 年间影响范围总体上比 19611987 年有所增加。2022 年长江流域发生了罕见的极端高温与干旱事件，对居民用水用电、农业生产等均造成了严重影响21。此次异常高温干旱事件的成因主要是大气环流异常，具体表现为西太平洋副热带高压西伸加强，在西部大陆高压加持下，今年夏季 78月高压系统几乎完全控制了整个长江流域地区，下沉气流盛行，极端高温易发生且不利于降水发生，导致长江流域出现持续性的高温干旱天气22-24。长江流域此次干旱特点主要表现为上游西南部地区气象干旱严重，降水严重缺乏，对于下游地区，来水量急剧减少，从而产生了严重的水文干旱25。目前一些研究对于长江流域 2022 年夏季极端干旱和高温分别做了探究工作，但是将此次高温与干旱事件结合起来，探究长江流域复合高温干旱事件演变规律的研究还相对缺乏。因此本研究从复合高温干旱事件的角度，对长江流域 2022 年极端高温、干旱及复合高温干旱事件的演变过程进行分析，并与历史复合高温干旱事件进行比较。研究成果可加深对长江流域复合高温干旱事件的认识，为后续适应性措施的制定提供参考。1 研究区域与数据研究区域与数据 1.1 流域概况流域概况 长江流域地形特征及主要水系如图 1 所示。长江流域横跨 11 个省、市及自治区，水系发达，水资源丰富，是我国三分之一人口的主要水源，也是我国重要的粮食产区12。流域拥有丰富的水能资源，上游地区是“西电东送”的重要输出端26。流域横跨我国地势的三级阶梯，地貌类型多样，气候条件复杂27，包括青藏高寒区、西南热带季风区和华中亚热带季风区三大气候区。1.2 研究数据研究数据 本研究采用的气象水文数据来源于欧洲中期天气预报中心（The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的第五代大气再分析数据集 ERA5（https:/www.ecmwf.int/）。该数据集空间分辨率为 0.25 0.25，具有较高精度，已经广泛应用于我国不同区域（包括长江流域）的极端事件研究28。本研究采用月平均降水、月平均气温及月平均土壤水分（0 7 cm）数据，用于 姜雨彤，等：长江流域 2022 年高温干旱事件演变及历史对比 3 图图 1 长江流域地形特征及主要水系长江流域地形特征及主要水系 Fig.1 Topographic features of the Yangtze River basin and its main tributaries 计算流域不同类型月尺度的干旱及高温指数。同时，采用日最高气温数据分析日尺度流域高温事件及复合高温干旱事件的多个特征。本文选取 19792022 年的 59 月为研究时段，分析 2022 年长江流域复合高温干旱事件的演变过程。2 研究方法研究方法 2.1 干旱指数干旱指数 目前干旱指数具有上百种，对于气象干旱，目前常用的指数有标准降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）29、标准降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）30等。其中，SPI 是 WMO（World Meteorological Organization）推荐的气象干旱指数，具有多时间尺度特性，广泛用于干旱监测，能较好反映气象干旱强度及历时等特征，适用性较强31-33。农业干旱通常指土壤含水量不足难以满足作物生长水分需求的情况，本文选择标准化土壤水分指数（Standardized Soil Moisture Index，SSI）作为农业干旱的指标，其计算过程与 SPI 一致34。2.2 高温指数高温指数 高温热浪是一种持续性高温的天气过程。目前许多温度相关变量用于定义日尺度高温事件，包括日最高气温、日平均气温和日最低气温等35。参考有关研究成果36，本研究选择日最高气温来定义日尺度高温事件，将日最高气温超过其相应历史时期日最高气温的 90 百分位阈值定义为高温事件。对于 59 月研究期，每个月单独计算对应的 90 百分位高温阈值，并以此定义该月份的日尺度高温事件。对于月尺度的高温定义，采用标准化温度指数（Standardized Temperature Index，STI）作为评估指标37。2.3 复合高温干旱事件复合高温干旱事件 复合高温干旱事件定义为干旱与高温热浪同时发生的事件，本文在日尺度和月尺度上分别定义该事件。为了比较不同类型复合高温干旱事件的特征，本文定义了复合气象干旱-高温事件与复合农业干旱-高温事件。具体来说，日尺度的复合高温干旱事件定义为该日所在月份干旱（SPI 或 SSI -0.5，两类指数分别用于定义月尺度气象干旱与农业干旱）和该日高温热浪（T T90）同时发生的情况。另外，月尺度的复合高温干旱事件定义为该月干旱（SPI 或 SSI -0.5）与该月高温同时发生（STI 0.5）的情况。3 结果结果 3.1 2022 年春夏高温及热浪特征年春夏高温及热浪特征 长江流域 2022 年 59 月高温特征空间分布如图 2 所示。可以看出，长江流域从 6 月开始出现大范围的高温天气，高温集中在流域中下游北部地区，主要为陕南地区、湖北省等。7 月高温逐渐向上游地区发展，四川、重庆等流域中上游西南部地区高温严重。8 月流域高温持续发展，受其影响的空间范围扩大至流域大部分地区。如 8 月中游地 4 水力发电学报 （a）STI （b）热浪日数/d （c）热浪最大持续时间/d 图图 2 2022 年年 59 月高温及热浪特征月高温及热浪特征 Fig.2 Characteristics of high-temperature and heatwaves from May to September in 2022 区的高温天数和持续时间均达到 20 余天。9 月，流域高温天气有所缓解，只有下游湖南、江西及安徽等少数省份还处于高温天气。3.2 2022 年春夏干旱演变分析年春夏干旱演变分析 长江流域 2022 年 59 月的 SPI 与 SSI 干旱指数空间分布如图 3 所示。由图 3（a）SPI 指数 59 月空间分布可以看出，长江流域 2022 年 5 月 SPI 在流域中下游北部出现区域性低值区（干旱），68 月 SPI 值逐渐降低，气象干旱不断加剧，8 月份气象干旱覆盖面积达到最大。9 月份流域上游地区干旱得到缓解，仅在下游部分地区持续严重干旱。从图 3（b）SSI 指数时空分布规律来看，流域的农业干旱时空变异与气象干旱相似，农业干旱通常稍滞后于气象干旱发生，空间范围也基本与气象干旱一致。6 月长江流域中游北部部分地区出现 农业干旱，与 5 月该地区出现过较为严重的气象干旱或许有一定的关联。从空间演变过程看，7 月流域上游四川重庆等地开始发生农业干旱，8 月流域整体发生农业干旱，9 月流域下游江西等省份农业干旱还在持续。3.3 2022 年春夏复合高温干旱事件演变分析年春夏复合高温干旱事件演变分析 图 4 给出了长江流域 2022 年 59 月的复合高温干旱事件（即 SPI 或 SSI -0.5 与 STI 0.5 同时发生）的变化过程（由于长江流域 2022 年气象干旱和农业干旱的发展过程较为相似，这里仅分析复合气象干旱-高温事件）。可以看出，复合高温干旱事件发生的空间范围在 5 月只有极少区域，从 6月开始逐渐增大，在 8 月达到极值（占比 77.8%），9 月明显减少。此外，从时空演变过程来看，长江流域复合高温干旱事件 6 月在中下游地区开始孕发，7 月往上游地区发展，8 月基本覆盖全流域，9 月又缩小至中下游部分地区。复合高温干旱事件在 78 月覆盖面积最大（见图 4），因此后续研究姜雨彤，等：长江流域 2022 年高温干旱事件演变及历史对比 5 主要针对 1979 年以来的复合高温干旱事件 78月的特征进行分析。（a）SPI （b）SSI 图图 3 2022 年年 59 月气象与农业干旱演变月气象与农业干旱演变 Fig.3 Evolution of meteorological and agricultural droughts from May to September in 2022 （a）5 月 （b）6 月 （c）7 月 （d）8 月 （e）9 月 图图 4 2022 年年 59 月复合高温干旱事件演变月复合高温干旱事件演变 Fig.4 Evolution of compound drought and hot events from May to September in 2022 3.4 历史典型事件比较分析历史典型事件比较分析 除了 2022 年，部分年份（2006 年、2011 年及2013 年等）也发生了较严重的复合高温干旱事件。本文选取 2006 年、2011 年及 2022 年的复合高温干旱事件，统计其发生日数、持续时间及覆盖面积如表 1 所示。可以看出，与历史复合高温干旱事件相比，2022 年 78 月的复合事件的日数最多，持续时间最长且覆盖面积最大。2022 年 7 月流域（复合气象干旱-高温事件）的平均发生日数、最大持续时间和覆盖面积分别为 7.13 天、4.41 天和 66.7%。8 月，复合高温干旱事件进一步加剧，平均发生日数增加至 15.4 天，最大持续时间延长到 11.8 天，覆盖面积扩大到 77.8%，均较 2006 年、2011 年严6 水力发电学报 重得多。在历史复合高温干旱事件中，两类复合高温干旱事件（气象干旱、农业干旱）的特征总体上表现出一致性，但是在数值上存在一定差异。计算基于农业干旱与气象干旱的复合事件三类特征多年平均值的比值，分别为 1.18、1.13 与 1.02，可见长江流域夏季 78 月复合农业干旱-高温事件总体比复合气象干旱-高温事件的发生日数更多、持续时间更长、影响范围更广。总体来说，复合农业干旱-高温事件的频率大于复合气象干旱-高温事件的频率，这可能是因为农业干旱（基于土壤水）不但受到降水的影响，还受到高温及相关蒸散发过程的影响38，且土壤水分亏缺和高温之间存在反馈效应（可能相互加强）39。具体来说，在夏季气象干旱条件下，土壤水分补给来源大大减少，而高温使得土壤水分进一步蒸发减少，造成更严重的农业干旱，例如 2006 年、2022 年 7 月等都出现了这种情况（见表 1）。但是，在一些时段复合气象干旱-高温事件的特征值也出现了大于复合农业干旱-高温事件的情况，这可能与土壤前期储水及干旱期土壤水分的转移（当遭遇较长时间气象干旱时，深层次土壤向上层补充水分）有关40，或与农业干旱常对气象干旱表现出延迟效应（即干旱传递现象）41有关。例如，2011 年 7 月的复合气象干旱-高温事件的覆盖面积大于复合农业干旱-高温事件覆盖面积。表表 1 长江流域典型复合气象长江流域典型复合气象/农业干旱农业干旱-高温事件特征高温事件特征 Table 1 Characteristics of typical compound meteorological and agricultural drought-hot events in the Yangtze River basin 复合事件类型 特征值 7 月 8 月 2006 年 2011 年 2022 年 2006 年 2011 年 2022 年 气象 日数/d 3.92 3.56 7.13 6.02 3.96 15.4 最大持续时间/d 2.20 2.16 4.41 3.84 2.47 11.8 覆盖面积百分比/%42.3 51.7 66.7 70.3 51.6 77.8 农业 日数/d 4.83 3.59 8.38 6.71 4.65 18.0 最大持续时间/d 2.69 2.13 5.18 4.33 3.01 13.6 覆盖面积百分比/%51.8 50.6 79.0 76.5 59.8 92.5 3.5 复合高温干旱事件特征变化复合高温干旱事件特征变化 本文进一步基于月尺度的干旱指数（气象干旱、农业干旱）和日尺度的高温指数对 1979 年以来的复合高温干旱事件 78 月的特征进行分析。图 5给出了 19792022 年 78 月流域平均复合高温干旱事件日数、最大持续时间及覆盖面积变化过程。研究时段内，长江流域夏季 78 月的复合高温干旱事件各特征值整体呈现显著的增加趋势（图中趋势值采用 Sens 斜率估计法结合 Mann-Kendall 检验法估计21，变化率均通过=0.05 的显著性检验）。例如，复合气象干旱-高温事件发生日数、最大持续时间与空间覆盖范围的增加趋势分别为0.64 d/10a、0.37 d/10a 与 7.2%/10a。将研究时段19792022年等分成涵盖前后22年的两个时段（分别为 19792000 年与 20012022 年），对比研究两个时段内基于气象干旱与农业干旱的两类复合高温干旱事件特征值的变化情况如图 6 所示。对比发现，长江流域复合农业干旱-高温事件的发生日数、最大持续时间及覆盖面积流域多年平均值均大于复合气象干旱-高温事件的流域多年平均值。与 19792000 年基准期相比，长江流域两种类型复合高温干旱事件的日数、最大持续时间及覆盖面积均呈现增加趋势，这与图 5 中气象干旱-高温和农业干旱-高温两种类型复合事件的日数、持续时间及覆盖面积在 2000 年后有明显增加趋势的结果一致。另外，复合农业干旱-高温事件特征值20012022年相比于基准期19792000 年的增加幅度更大。（a）78 月复合事件日数 姜雨彤，等：长江流域 2022 年高温干旱事件演变及历史对比 7 （b）78 月复合事件最大持续时间 （c）78 月复合事件覆盖面积比 注：km与 ka分别为复合气象/农业干旱-高温事件特征值的变化趋势 图图 5 19792022 年年 78 月复合气象月复合气象/农业干旱-高温事件特征变化农业干旱-高温事件特征变化 Fig.5 Time variations in characteristics of compound meteorological/agricultural drought-hot events during July-August of 1979 to 2022 图图 6 19792000 年和年和 20012022 年两个时段年两个时段 78 月复合气象月复合气象/农业干旱-高温事件平均特征值农业干旱-高温事件平均特征值 Fig.6 Average characteristic values of compound meteorological/agricultural drought-hot events during July-August of 1979-2000 and 2001-2022 4 结论结论 本文利用 ERA5 数据对长江流域 2022 年复合高温干旱事件的演变过程进行分析，并与 19792022 年间历史复合高温干旱事件进行了对比，得出以下结论：（1）长江流域 2022 年复合高温干旱事件时间上自 6 月开始，8 月最严重，9 月有所缓解；空间上由中下游开始，然后扩大到全流域，9 月又缩小至中下游地区。（2）在长江流域的历史夏季典型干旱年份中，复合高温干旱事件也十分严重，2022 年为 1979 年以来发生日数最多、持续时间最长、覆盖面积最广的复合高温干旱事件年份。（3）基于气象干旱与农业干旱的两种类型复合高温干旱事件在 19792022 年的发生日数、最大持续时间与覆盖面积均呈显著增加趋势，并且基于农业干旱的复合高温干旱事件特征值的增加幅度更大。参考文献（参考文献（References）1 张璇,许杨,郝芳华,等.滦河流域气象干旱向水文干旱传播特征及风险分析J.水利学报,2022,53(2):165-175.ZHANG Xuan,XU Yang,HAO Fanghua,et al.Characteristics and risk analysis of drought propagation from meteorological drought to hydrological drought in Luanhe River Basin J.Journal of Hydraulic Engineering,2022,53(2):165-175.(in Chinese)2 刘永强,黄生志,郭怿,等.气象干旱到不同等级水文干旱的传播阈值:以沁河流域为例J.水力发电学报,2022,41(2):9-19.LIU Yongqiang,HUANG Shengzhi,GUO Yi,et al.Propagation threshold of meteorological drought to different levels of hydrological drought.A case study of Qinhe River basin 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