开通VIP，畅享免费电子书等14项超值服
首页
好书
留言交流
下载APP
联系客服
摘 要：
利用1961—2014年中国月降水和月气温观测资料，选择常用的标准化降水指数(SPI)及标准化温度指数(STI)识别复合高温干旱事件，通过计算其发生频率和空间发生面积，分析了近54 a中国及七个子区域夏季复合高温干旱事件的时空分布特征及变化趋势。结果表明：除青藏高原及新疆部分地区以外的中国大部分区域为复合高温干旱事件的高发区。在趋势变化上，1988—2014年间中国大部分地区复合高温干旱事件的发生频率趋于增加(与1961—1987年相比),尤其是华北地区增幅较大(282.79%～682.48%);华中、华东以及西北部分地区趋于减少，其中华中地区减少相对明显。此外，1961—2014年全国复合高温干旱事件的空间面积显著增加，增长速率为(0.02～0.03)/10 a,且20世纪90年代以后增加趋势更为明显；区域上，华北、东北、华南、西南及西北等地区呈增加趋势，而华中和华东地区变化趋势不明显。
关键词：
气候变化;极端气候事件;干旱;高温;中国;
作者简介：
基金：
国家自然科学基金项目(41601014);
引用：
武新英，郝增超，张璇，等． 中国夏季复合高温干旱分布及变异趋势［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 12) : 90-98.
WU Xinying，HAO Zengchao，ZHANG Xuan，et al． Distribution and trends of compound hot and dry events during summer in China ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 12) : 90-98.
干旱和高温热浪是世界上发生频率高、波及范围广的两种主要灾害。相关研究表明，干旱导致全球经济损失高达60～80亿美元/a,1998年印度高温热浪导致了超过15 000人死亡。此外，干旱和高温灾害还导致作物减产，引发森林火灾，造成生物的大量死亡等。因此，研究干旱和高温事件的分布及变异趋势对于抗旱减灾、有效应对气候变化具有重要意义。
近年来，随着干旱和高温事件发生频率的增加，二者同时发生(即复合高温干旱事件)的频率在全球范围内显著增加，并给生态系统及社会经济发展带来了比单一干旱或高温事件更为严重的影响。如2003年夏季的欧洲和2010年夏季的俄罗斯干旱高温期间约有70 000和55 000人死亡。FENG等将单一干旱及高温事件与复合高温干旱事件对全球主要玉米生产国玉米产量的影响进行了对比，结果表明复合高温干旱事件在不同程度上导致了玉米减产率进一步升高。由于复合高温干旱事件给社会带来巨大的影响，因此近年来有关复合高温干旱事件的研究逐步得到了国内外学者们的关注。BENISTON研究了欧洲地区四种降水温度复合事件，发现复合暖事件呈急剧增加趋势且未来会继续增加；而冷事件则呈显著下降趋势。HAO等采用观测数据和模式模拟数据对1951—2004年全球降水和温度的多种复合事件进行了研究，结果显示近年来复合高温干旱事件在全球大部分地区均有所增加。
在过去数十年里，中国大部分地区干旱及高温热浪的发生频率及受灾面积均有所增加。与此同时，许多地区还发生了影响较为严重的复合高温干旱事件，如2006年川渝高温干旱，2013年中国南方高温干旱等，给社会生产及人类健康带来了巨大的负面影响。为此，学者们陆续开展了中国地区复合高温干旱事件的研究。ZHOU等对中国历史时期1961—2014年及未来2021—2080年复合事件的发生概率进行了比较，表明未来中国大部分地区复合高温干旱事件的发生概率将会增加。WU等采用百分位数法对中国历史时期夏季和冬季四种降水和温度复合事件进行识别并分析其时空变异特征，结果显示近年来与高温有关的复合事件的发生频率在全国大部分地区显著增加。
总的来说，尽管目前对于中国地区干旱及高温事件的研究已经取得了丰富的成果，但有关复合高温干旱事件的研究相对较少。本文基于不同干旱和高温指数阈值，系统地分析了中国及各区域夏季复合高温干旱事件的时空分布特征及变化趋势，旨在为防旱减灾及有效地应对气候变化提供参考。
1.1 数据来源与研究区域
图1 研究区划分示意
1.2 干旱和高温指数
由于标准化降水指数(Standardized Precipitation Index, SPI)具有时空适应性强，且能够用于不同时间尺度的干旱监测等优点，在全球范围内得到了广泛的应用。因此，本文选取SPI作为气象干旱的识别指数，其主要原理是通过将偏态分布的降水经正态标准化，实现不同时空尺度降水亏缺程度的对比。由于研究集中在夏季，因此本研究采用6—8月份的平均降水计算SPI并用于夏季干旱事件的评估。与SPI类似，本文选用标准化温度指数(Standardized Temperature Index, STI)表征高温事件，STI的计算方法与SPI一致。
1.3 复合高温干旱事件定义及指标
复合高温干旱事件一般定义为干旱和高温同时(或相继)发生的情况，可以表征为降水低于某一特定阈值的同时气温高于相应的阈值。由于数据序列长度有限，为了获得较多的复合事件从而便于统计分析，本研究采用-0.5和-0.8(0.5和0.8)作为SPI(STI)的阈值。具体而言，采用-0.5和-0.8(即分别对应降水的第30和20百分位数)作为干旱的阈值(该百分位阈值在美国干旱监测系统中用于轻旱和中旱等级的划分),当SPI值小于阈值时即为发生干旱。同时，采用0.5和0.8(即分别对应温度的第70和80百分位数)作为高温事件的阈值，当STI值大于相应阈值时即为发生高温事件。
根据不同SPI及STI阈值，本研究中的复合高温干旱事件可判别为四种情况：(1)SPI<-0.5并且STI>0.5;(2)SPI<-0.8并且STI>0.5;(3)SPI<-0.5并且STI>0.8;(4)SPI<-0.8并且STI>0.8。复合高温干旱事件的定义体现了当前干旱、高温极端事件共发的特征，并在一定程度上解决了基于单一干旱或高温事件的研究对复合事件发生风险的低估问题。本文采用发生频率和空间发生面积2个指标来评估中国及各区域近54a夏季复合高温干旱事件的时空分布特征及变化趋势。复合高温干旱事件发生频率定义为研究时段内该事件发生的季节数(即夏季)占该时段内季节总数的百分率，而发生面积定义为发生复合高温干旱事件的格点数与研究区域格点总数之比。
2.1 复合高温干旱事件的分布特征
2.1.1 发生频率的空间分布
中国1961—2014年夏季复合高温干旱事件发生频率的空间分布如图2所示。除青藏高原及新疆等西部地区以外的中国大部分地区(即东部及东北—西南带状地区)为复合高温干旱事件的高发区。以SPI<-0.5 & STI>0.5为阈值的复合高温干旱事件为例，在研究时段内中国东南地区该复合事件的发生频率高达15%及以上，而青藏高原地区的发生频率相对较低，部分地区低于5%。此外，基于不同的SPI及STI阈值计算得到的复合高温干旱事件发生频率的空间分布具有一致性。但是随着阈值的变化，发生频率存在明显不同，即阈值越高(即由-0.5/0.5到-0.8/0.8),同一地点复合事件发生频率越低。以SPI<-0.8 & STI>0.8为阈值的复合高温干旱事件的发生频率明显低于其它三种阈值的复合事件，如对于东北地区的部分区域，基于SPI<-0.8 & STI>0.8阈值的复合高温干旱事件的发生频率低于10%,而基于其它三种阈值的复合事件的发生频率则明显高于10%(局部地区可高达15%以上)。值得注意的是，基于-0.8/0.8阈值时中国西部部分地区未识别出复合高温干旱事件，这在一定程度上表明了阈值选择对于复合高温干旱事件统计分析的重要性(即对于极端复合事件一般需要较大的样本量)。
图2 1961—2014年夏季中国不同阈值的复合高温干旱事件发生频率的空间分布
2.1.2 降水-气温相关系数的空间分布
复合事件的发生概率与变量间的相关性有着密切的联系。为了探讨降水和气温相关关系对复合高温干旱事件发生频率的影响，本文进一步计算了1961—2014年夏季降水和气温的肯德尔(Kendall)相关系数(见图3)。由图3可知，除青藏高原区域以外的中国大部分地区降水和气温呈显著的负相关关系，这些地区也正是复合高温干旱事件的高发区。整体而言，该结果与之前研究显示的全球陆地上暖季降雨和气温存在负相关结果一致， 即晴天少云(或者少雨)时，辐射增强导致陆面增温。同时，降雨-气温负相关关系与土壤水分在维持陆面水量及能量平衡中所起的作用密不可分(即土壤水缺失-温度之间的反馈关系)。具体而言，土壤水分的亏缺会减少蒸发冷却，增加感热通量，导致地面气温升高，而较高的温度会加快土壤水分的蒸发速率，进一步加重干旱的严重程度。如HAO等量化了前期干旱对后续高温极端事件的影响，研究表明在中国东部地区干旱会增加后续极端高温事件的发生概率。ZHANG等的研究表明陆气反馈作用显著促进了中国东部地区高温事件的发生，这可能在一定程度上加大了该地区复合高温干旱事件的发生风险。而青藏高原大部分区域降水和气温呈正相关关系,这在一定程度上解释了这一地区复合高温干旱事件发生频率较低的原因。总的来说，降水和气温相关关系在一定程度上影响着复合高温干旱事件的发生风险，即当降水与气温呈负相关关系时，干旱和高温极端事件同时发生的概率较高，反之亦然。
图3 1961—2014年夏季中国降水与气温的相关性 (点状区域表示通过p<0.05显著性检验)
2.2 复合高温干旱事件的变化趋势
2.2.1 发生频率的变化趋势
为了研究复合高温干旱事件发生频率的变化情况，将1961—2014年分为1961—1987年与1988—2014年两个长度相等的时段(每段时长27a),分别计算各时段复合事件的发生频率并进行对比，如图4所示。从整体上看，近年来中国大部分地区夏季复合高温干旱事件发生频率呈增加趋势，且华北地区增加幅度较大。但局部地区(如华中、华东以及西北部分地区)复合高温干旱事件的发生频率呈下降趋势。为了进一步探讨和量化不同地区复合高温干旱事件的变异特性，图5展示了7个区域不同阈值复合事件空间平均发生频率的变化情况。由图5可知，与1961—1987年相比，1988—2014年间中国东北地区、华北地区、西北地区、华南地区和西南地区基于不同SPI及STI阈值的复合高温干旱事件发生频率均呈不同程度的增加趋势，且东北和华北地区增加幅度较大(约为172.34%～356.88%和282.79%～682.48%);华中地区不同阈值的复合高温干旱事件发生频率均呈下降趋势，下降幅度相对较小(约为9.23%～27.13%);而华东地区不同阈值条件下的复合高温干旱事件发生频率变化趋势不一致，具体而言，基于SPI<-0.8 & STI>0.5阈值的复合事件呈现轻微的下降趋势，而基于其它三种阈值的复合事件则呈轻微的增加趋势。
图4 1988—2014年相对于1961—1987年夏季中国不同阈值的复合高温干旱事件发生频率的变化
图5 1961—1987年与1988—2014年夏季中国各区域不同阈值的复合高温干旱事件发生频率的变化(单位:%)
总体上，近年来中国夏季复合高温干旱事件呈现出明显的增加趋势，这与近年来我国大部分地区高温事件发生频率增加的变化趋势一致,这表明气温的变化可能是复合事件变异的重要驱动因素。而华中等地区复合高温干旱事件的减少趋势，可能是由于这些地区的夏季降水增加以及平均气温降低共同作用导致的。另外，一些研究表明在中国的西北地区、华中地区以及华北地区夏季灌溉具有较大的降温效应,这可能进一步导致这些地区复合高温干旱事件发生频率的下降。
2.2.2 空间面积的变化趋势
中国及各区域1961—2014年夏季复合高温干旱事件空间发生面积的MK(Mann-Kendall)趋势检验结果如图6所示。从整体上看，在过去的54a里中国夏季复合高温干旱事件的发生面积呈显著的增加趋势(通过了0.05显著性检验),增长速率达到0.02～0.03/10 a, 且20世纪90年代以后增长趋势更为明显，这与已有研究显示的90年代以后我国干旱面积增加显著以及大部分地区增温明显的结论一致。虽然全国尺度的复合高温干旱事件空间发生面积的增加趋势显著，但各区域之间存在一定的差异。不同SPI及STI阈值条件下复合高温干旱事件的发生面积均呈显著增加的区域包括华北地区(0.01～0.03/10 a)、东北地区(0～0.03/10 a)、华南地区(0.01～0.02/10 a)和西南地区(0.01～0.02/10 a);华中和华东地区变化趋势较为平稳(无明显的变化趋势);而西北地区虽呈增加趋势，但并未通过0.05显著性检验。总的来说，在过去的半个多世纪，中国夏季复合高温干旱事件的发生面积持续增加，这表明越来越多的地区受到了复合高温干旱事件的影响。
图6 1961—2014年夏季中国及各区域不同阈值的复合高温干旱事件发生面积的变化趋势
图6 1961—2014年夏季中国及各区域不同阈值的复合高温干旱事件发生面积的变化趋势
近年来频发的复合高温干旱事件已经对社会经济、生态系统及人类健康等各个方面造成了严重的影响，逐步引起国内外学者的关注和重视。全球气候的变暖，使中国经历了较为严峻的气候变化威胁，引起了降雨和温度相关极端事件的变化,同时，大量研究表明气候变暖加剧了干旱与高温事件的并发概率。本研究基于气候变化背景下极端事件频发与共发的现象，从干旱和高温不同阈值角度出发，进一步分析了1961—2014年中国夏季复合高温干旱事件发生频率及发生面积的变化。结果表明，在过去的54 a间，中国大部分地区夏季复合高温干旱事件的发生频率均有所增加，且空间发生面积呈现显著的增长趋势，这一结论与已有的基于不同尺度及定义方法的复合高温干旱事件的研究结论基本一致。
整体而言，本研究结果可加深对我国干旱及高温事件时空变异特征的理解，为制定适应气候变化的措施提供参考。但需要注意的是，由于复合高温干旱事件涉及高温和干旱两种事件的并发，因此影响高温及干旱的因素均有可能在一定程度上影响复合事件的发生，如大尺度环流因子(厄尔尼诺、太平洋代际振荡、北大西洋涛动、印度洋偶极子)和陆-气相互作用等。总的来说，本文初步探讨了复合高温干旱事件的时空分布特征及变异趋势，其发生机理及变异原因还有待进一步研究。
本文基于SPI和STI指数，采用1961—2014年全国2400多个气象站点的月降水及月气温数据，对中国各区域夏季复合高温干旱事件发生频率及发生面积的时空变化特征进行了分析，主要结论如下。
(1)1961—2014年中国大部分东部及东北—西南带状地区为复合高温干旱事件的高发区，这一分布模式与降水和气温之间的相关关系密切相关。
(2)与1961—1987年相比，1988—2014年间大部分地区复合高温干旱事件发生频率呈不同程度的增加趋势，而华中、华东以及西北部分地区的发生频率呈下降趋势。
(3)空间发生面积的趋势分析表明，1961—2014年中国夏季复合高温干旱事件的发生面积呈显著的增加趋势，增长速率约为0.02～0.03/10 a, 且20世纪90年代以后增加趋势更为明显，但各区域之间存在显著的差异。华北、东北、华南和西南等地区显著增加；华中和华东地区无明显的变化趋势；而西北地区虽呈增加趋势，但并不显著。
本研究主要揭示了历史时期中国复合高温干旱事件的时空变异特征及规律。以本研究为基础，进一步厘清我国不同区域复合高温干旱事件(及其演变)的驱动因子，可服务于次季节-季节尺度复合事件监测和预警系统的建立，从而有效预防或者减少其负面影响。同时，本研究方法可应用于未来复合高温干旱事件变化的预估，加深对全球气候变暖背景下中国复合高温干旱事件发生风险的认识，有助于制定合理的适应性措施，减少气候变化的不利影响。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。