1965—2020年梅州市气象干旱特征分析

黄浩明，陈金星，李思敏

（1.五华县气象局，广东五华 514400；
2.大埔县气象局，广东大埔 514200；
3.平远县气象局，广东平远 514600）

干旱灾害广泛影响农林牧业和生态环境，开展干旱研究具有重大意义。近年来，随着干旱事件频发，关于干旱的研究日益得到重视［1-3］。气象干旱指数（Drought Index，DI）是干旱研究的核心，不同的指数有不同的适用性，学者们开发了多种干旱指标研究了多个地区的干旱时空变化特征［4-7］。王春林等［8］根据标准化前期降水指数（SAPI）和常年平均相对湿润度指数（M）构建了逐日DI，适用于刻画干旱的季节性区域性差异。DI干旱指标通过广东省气象局业务准入评审，成为广东省气象部门现行气象干旱指标标准［9］。

梅州地处粤东莲花山以北，是广东少雨中心之一，属典型的亚热带季风气候，同时具有冷热悬殊、气流闭塞和易旱易涝等气候特点。粤东北地区是以梅州为高值中心的极端降水异常区和敏感区之一，也是干旱发生的高风险区［10］，有必要对梅州的气象干旱特征进行研究。目前对梅州地区的气象干旱研究工作开展得较少，因此本研究拟使用逐日气象DI，计算得到月干旱指数（MI）和年干旱指数（YI），分析梅州近56年气象干旱特征，探究其气象干旱的变化趋势，以期为梅州市气象干旱监测预测和气象防灾减灾工作提供科学依据。

本研究使用的资料来源于广东省气候中心统计的梅州市7个国家站的单站逐日气象DI。参考广东省气象部门现行气象干旱指标标准，梅州MI定义为单站月内小于0的逐日DI之和除以月总天数，再取7个站的平均。YI为年内12个月MI的平均。YI与MI均为负值，值越小表征干旱程度越强。参考《GB／T 20481-2017气象干旱等级》［11］和王春林等［9］的研究，给出表1，YI指标可参照DI和MI指标。

表1 气象干旱等级标准

干旱过程：DI连续10 d为轻旱以上等级时认为发生一次干旱过程，在干旱过程中，当DI连续10 d为无旱等级时认为干旱过程结束［12］。年干旱强度：年内所有干旱过程内的达轻旱等级的DI之和为年干旱强度，数值越小代表干旱过程强度越强。干旱是一个较为长期的阶段性过程，YI未考虑到非干旱过程的某日DI对干旱的夸大作用，因此定义年干旱强度与YI作对比。本研究定义3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—翌年2月为冬季。

本研究统计了梅州MI、YI、年干旱强度等统计量，建立一元线性回归方程研究干旱变化趋势，并结合M-K突变检验法和Molet小波分析研究干旱变化的气候突变和周期特征。考虑到DI仅与标准化前期降水指数和常年平均相对湿润度指数有关，而造成干旱的原因既有自然因素也有人为因素，DI不能代表广义上的干旱［13］，因此本研究仅针对气象干旱，在日常旱情分析研判时仍需结合多方面因素来综合考虑。

2.1 气象干旱指数与雨量和季节的关系

计算梅州市1965—2020年的月平均雨量与MI的关系可知，雨量与MI存在正相关关系，相关系数r＝0.843，计算t＝4.963＞t0.01＝3.169，通过了显著性水平为0.01的t检验。MI为负值，越小表征干旱程度越强。雨量越小，MI越小，干旱程度越强，因此干旱与雨量具有负相关关系。另外，梅州市降水量季节性差异明显，汛期雨量充沛，发生干旱的几率小；
1月MI值接近-0.5，11和12月MI多年平均甚至达到了轻旱等级，说明秋末到初春梅州基本处于干旱的状态。经统计，近56年梅州发生干旱过程次数共有104次，其中春旱14次、夏旱13次、秋旱33次、冬旱44次，秋冬连旱18次、冬春连旱9次，夏秋连旱11次、春夏连旱2次。这说明梅州秋冬季易发干旱，春夏季次之，这与雨量的季节分布大致相反。因此，虽然梅州处于亚热带季风气候区，雨量相对充沛，但是降水季节分布不均，秋末到初春极易发生气象干旱。

2.2 年干旱指数年际变化特征

1）趋势分析。

图1为1965—2020年梅州市YI趋势变化。由图1可以看出，近56年梅州YI呈减小趋势，说明梅州的干旱有增强的趋势。但一元线性回归方程斜率为-0.000 4，线性相关系数为-0.05未通过显著性检验，这表明梅州的干旱总体上略有加强但不显著。从5年滑动平均曲线来看，干旱呈波动式加强，20世纪80年代初到90年代末期经历了一个平稳阶段。YI最小为2005年的-0.51，全年平均达到了轻旱等级；
1977、1991、1996和2020年接近-0.5。上述年份的统计结果表明干旱指数YI的冬季贡献率远大于其他季节，之后依次是秋、春和夏季；
1977年春季和2005年冬季平均达到中旱等级，2020年冬季达到重旱等级。这表明梅州秋冬季易发干旱，但强度不强，极端干旱事件的发生概率小。

图1 1965—2020年梅州市年干旱指数变化趋势

2）M-K突变检验。

M-K突变检验法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于类型变量和顺序变量。

图2为YI突变检验图，由UF曲线可知，1965—1969年以及2004—2015年YI有减小趋势，1972—2003年YI有增大的趋势；
3个时间段UF曲线均未超出0.05显著性水平临界线，说明YI减小或增大的趋势都不显著。从UF和UB曲线交点来看，分别在1966、1968、1996、2002、2009和2019年有一个交点，且均位于0.05显著性水平临界线内。经分析后认为，1966和2002年附近发生气候突变使梅州干旱趋向加强；
1968年附近发生一次气候突变使梅州干旱趋向减弱。

图2 1965—2020年梅州市年干旱指数M-K突变检验

3）周期分析。

由YI的Morlet小波分析系数实部图（图略）发现，梅州干旱变化过程中存在多个时间尺度特征。总的来看，梅州56年的干旱演变过程中存在16年左右的大周期：1965—1975年发生一次干旱与非干旱交替的振荡，1998—2020年发生准两次非干旱与干旱交替的振荡。1976—1988和2003—2019年各发生两次8年左右的干旱与不干旱振荡。除20世纪80年代初期，整个时间长度里存在多次准3年的小周期振荡。

图3给出了梅州YI的Morlet小波功率谱与小波全谱。黑色虚线为影响锥，该线以下受到边界效应的影响，周期特征存在不确定性。黑色实线和红色虚线为0.05水平显著性检验线。从小波功率谱可以发现，通过0.05水平显著性检验的频域和时域中心有两个，其中心坐标分别为（3，1976）和（3，1998），同时能量在每个中心的时域集中范围分别为1968—1980和1988—2018年，说明以上两个时段内梅州的干旱趋向具有确定的和显著的准3年的周期特征。从小波全谱来看，谱线存在3个明显的峰值，即干旱指数YI存在准3、8和16年左右的主要周期。为了检测上述周期是否具有气候学意义，使用α＝0.05红噪声标准谱作为背景谱对干旱指数YI进行显著性检验发现，只有3年左右周期的谱线大于显著性检验线，说明3年左右的振荡周期为YI的主周期。

图3 1965—2020年年干旱指数小波功率谱（a）与小波全谱（b）

2.3 年干旱强度变化

干旱是一个阶段性过程，YI未考虑到非干旱过程的某日DI极值对干旱的夸大作用，因此定义年干旱强度：年内所有干旱过程内达到轻旱等级的DI之和为年干旱强度。图4揭示了梅州市年干旱强度的变化趋势。由强度曲线可以看出，整个时间序列干旱强度波动起伏，较干旱的年份有1968、1977、1996、2005和2020年。趋势分析表明，近56年梅州的干旱强度略有加强，但未通过显著性检验。年干旱强度较大的年份和多年的趋势变化基本上都与YI的结果相似，对年干旱强度进行M-K突变检验和Molet小波分析（图略）的结果均与YI的结果相似，说明DI极值对干旱演变过程的影响不大。

图4 1965—2020年梅州市年干旱强度变化趋势

1）1965—2020年梅州的气象干旱程度与月平均雨量具有明显的反相关关系；
56年来梅州干旱过程主要集中在秋冬季，秋末到初春极易发生气象干旱，极端干旱事件发生概率小。

2）线性回归趋势分析表明，近56年梅州的干旱趋势总体上略有加强，但是不显著。干旱呈波动式加强，20世纪80年代初到90年代末经历了一个平稳阶段。

3）M-K突变检验表明，1965—1969和2004—2015年梅州干旱趋向加强，1972—2003年干旱趋向减弱，但都不显著。1966和2002年前后分别发生一次气候突变使梅州干旱趋于明显；
1968年前后发生一次气候突变使梅州干旱趋向减弱。

4）梅州干旱演变过程中存在准16、8和3年振荡周期，其中准3年周期振荡具有最强的能量并且通过红噪声检验，是干旱变化的主周期。1968—1980和1988—2018年2个时段内的干旱趋向具有明显的准3年周期特征，并且通过0.05水平的显著性检验。

5）年干旱强度的变化趋势、突变以及周期特征与年干旱指数相似，非干旱过程的DI指数极值对干旱演变过程的影响不大。