• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
  • 双月刊
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干旱气象, 2022, 40(5): 780-790 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-05-0780

2022年长江流域重大干旱研究

气候变化背景下湖北省高温干旱复合灾害变化特征

范进进,1,2, 秦鹏程,1, 史瑞琴1, 李梦蓉2, 杜良敏1

1.武汉区域气候中心,湖北 武汉 430074

2.湖北省公众气象服务中心,湖北 武汉 430074

Characteristics of compound hot and drought disasters in Hubei under the background of climate change

FAN Jinjin,1,2, QIN Pengcheng,1, SHI Ruiqin1, LI Mengrong2, DU Liangmin1

1. Wuhan Regional Climate Center, Wuhan 430074, China

2. Hubei Public Meteorological Service Center,Wuhan 430074, China

通讯作者: 秦鹏程(1986—),男,高级工程师,主要从事气象灾害监测与评估研究. E-mail:qinpengcheng027@163.com

责任编辑: 王涓力;校对:刘晓云

收稿日期: 2022-10-11   修回日期: 2022-10-22  

基金资助: 湖北省气象局科技发展基金重点项目(2022Z05)
湖北省低碳试点专项“湖北省气候变化事实及影响分析”

Received: 2022-10-11   Revised: 2022-10-22  

作者简介 About authors

范进进(1988—),女,工程师,主要从事气候与气候变化研究.E-mail:313603476@qq.com

摘要

全球气候变化造成的极端气候事件频发已成为科学界和人类社会共同面临的挑战。气候变化驱动因素多样,时空过程复杂,全球不同区域存在显著差异。基于1961—2022年湖北省76个国家气象站逐日降水、气温等观测数据,根据区域性高温过程监测指标和区域性干旱过程监测评估方法,对湖北省1961年以来的区域性高温和干旱事件进行识别,在此基础上分析事件发生频率、持续时间、强度及其影响的变化特征。结果表明:区域性高温事件趋多增强且有连年发生的趋势;区域性干旱事件频次变化趋势不显著,但呈现群发、连发和重发特征;高温干旱复合事件有显著增加、间隔缩短的趋势。2022年夏季高温过程综合强度为1961年以来最强,与长江流域性干旱叠加,产生了从气象干旱到水文干旱、农业干旱和社会经济干旱的链式复杂影响。在全球变暖背景下,湖北省极端高温和干旱及其复合事件频发可能成为气候新常态,亟需加强极端事件的成因及其灾害风险评估研究,提高应对极端和复合型灾害的能力。

关键词: 气候变化; 湖北; 区域性高温事件; 区域性干旱事件; 高温干旱复合事件; 新常态

Abstract

The frequent occurrence of extreme climate events caused by global climate change has become a common challenge for scientific community and human society. Due to diverse driving factors and complex spatio-temporal processes, there are significant differences in various regions of the world. Based on the daily precipitation, temperature and other observation data of 76 national meteorological stations in Hubei from 1961 to 2022, the regional hot and drought events in Hubei since 1961 are identified according to the regional hot process monitoring index and the regional drought process monitoring evaluation method. On this basis, the change characteristics of frequency, duration, intensity and influence of the events are analyzed. The results show that regional hot events increase in frequency and intensity, and occur year after year. The change trend of regional drought event frequency is not significant, but it presents a characteristic of mass, continuous and repeated occurrence. Compound hot and drought events increase significantly and their intervals are shortened. The comprehensive intensity of the hot process in the summer of 2022 is the strongest since 1961, which superimposes with the drought in the Yangtze River Basin, producing a chain complex impact from meteorological drought to hydrological drought, agricultural drought and socio-economic drought. Under the background of global warming, the frequent occurrence of extreme hot, drought, compound hot and drought events might become a new normal of climate in Hubei. It is urgent to strengthen the research on the causes of extreme events and disaster risk assessment, and improve the ability to cope with extreme hot, drought and their compound disasters.

Keywords: climate change; Hubei; regional hot events; regional drought events; compound hot and drought events; new normal

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范进进, 秦鹏程, 史瑞琴, 李梦蓉, 杜良敏. 气候变化背景下湖北省高温干旱复合灾害变化特征[J]. 干旱气象, 2022, 40(5): 780-790 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-05-0780

FAN Jinjin, QIN Pengcheng, SHI Ruiqin, LI Mengrong, DU Liangmin. Characteristics of compound hot and drought disasters in Hubei under the background of climate change[J]. Arid Meteorology, 2022, 40(5): 780-790 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-05-0780

引言

全球变暖加剧了气候系统的不稳定性和极端天气的发生。世界气候研究计划(World Climate Research Programme,WCRP)将极端天气气候事件列为当前七个重大科学挑战之一[1-2]。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告首次单独成章,全面和系统地评估了极端事件变化,包括:极端温度、强降水、干旱、极端风暴及其复合事件等[3],报告的一大重点进展是首次全面系统地评估了热浪和干旱复合事件的过去变化与归因以及未来变化。评估表明,20世纪50年代以来,全球热浪和干旱复合事件增多,人类活动可能增加了这些复合事件的发生概率,随着未来气候变暖加剧,许多区域的复合事件发生概率将增加[4]

极端高温可严重危害人体健康,导致疾病和死亡人数增加,据估算,全球近半数人口遭受极端高温的威胁[5]。干旱是造成全球粮食减产的最主要自然灾害,还可诱发森林火灾和植被退化等生态灾害以及生态脆弱地区人蓄饮水等基本生计问题[6]。近年来,全球极端高温和干旱灾害频发已成为科学界和社会公众广泛关注的热点。在全球气候变化背景下,我国高温、干旱等极端事件同样呈现多发重发态势[7-10]。XUE等[11]根据观测数据分析了中国西南地区1961—2014年间极端高温的变化趋势,发现1995—2014年期间极端高温事件急剧增加,增幅约为1975—1994年的2~10倍。YANG等[12]基于1960—2018年均一化日最高气温资料,发现中国大部分区域高温初始发生日期呈提前趋势。梁梅等[13]研究表明近50 a来我国东南沿海地区极端高温日数明显增加,近10 a尤为显著。韩兰英等[14]发现1961—2014年中国各年代的干旱都有范围扩大、程度加剧和频次升高的趋势。21世纪以来,在北方干旱加剧的同时,南方干旱范围明显扩大,尤其是大旱范围明显增加[15],如2011年南方冬春连旱、2013年夏季长江中下游地区历史罕见的高温伏旱,西南地区也逐渐成为中国干旱发生频率较高的地区之一[16-18],且该区域极端干旱发生频次在逐渐增多,持续性干旱事件的持续时间有增长趋势、发生频率有增多趋势、发生强度有增强趋势[19]。王莺等[20]发现多雨区的华南地区秋季和冬季的持续干期日数也呈波动上升趋势,1960—2012年每10 a分别上升了1.91 d和0.12 d。中国东部人口密集区域高温干旱复合型事件增加更为显著,其变化主要受到高温事件增加的驱动[21-22]。同时,近年来骤发性干旱已成为干旱研究领域的新热点[23-25],传统上认为干旱需要数月或更长的时间缓慢发展,但如果同时伴随着高温和充足的日照,由于地表蒸发异常旺盛可导致干旱快速形成和发展。叶天等[26]对比分析了骤发干旱和传统干旱事件形成的过程,认为骤发干旱发展快、持续时间短,传统干旱发展慢,但维持时间长、恢复也长。2022年夏季,我国中东部地区出现1961年有完整气象观测记录以来的最强高温过程,四川盆地和长江中下游地区发生严重的高温干旱复合事件,对自然生态、农业和社会经济系统造成了深远影响[27]

湖北省地处中国中东部季风气候区内,受季风进退及季风气候变异的影响,气象灾害频发、重发,其中尤以初夏暴雨洪涝、盛夏高温和干旱发生最为频繁、影响最大[28]。在全球变暖背景下,湖北省极端气候事件的强度屡创新高,有观测以来最强的暴雨、干旱和高温过程均出现在21世纪,如2016、2020年特大洪涝灾害,2011年春旱、2019年夏秋季干旱,2013年极端高温,以及2022年夏秋季高温干旱复合事件[27]。本文旨在利用最新观测资料,系统分析近62 a来湖北省高温干旱极端事件时空分布特征,尤其是近20 a来呈现出的新特点,以期为准确把握灾害演变趋势、更好服务地方做好防灾减灾工作提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

气象资料为湖北省76个国家气象站1961—2022年逐日降水、气温(日平均气温、最高气温、最低气温)、日照时数、相对湿度、平均风速等观测数据,由湖北省气象信息保障中心提供,均经过质控检验。其中2022年资料的结束时间为10月20日。

地表土壤湿度资料,来自国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统CLDAS(CMA Land Data Assimilation System),其土壤湿度产品是利用融合与同化技术,对地面观测、卫星观测、数值模式产品等多种来源数据进行融合得到,空间分辨率为1 km,时间分辨率为1 h。该产品时空连续、不受天气影响,在中国区域的表现优于国际同类产品[29]

典型年份干旱灾情统计资料、2022年高温干旱期间江河水情及电力生产和调度数据,分别来自国家统计局、湖北省统计局、湖北省应急管理厅、湖北省发展与改革委员会、湖北省水利厅以及水利部长江水利委员会水文局等相关部门。

文中附图涉及湖北省行政边界均基于湖北省地理信息公共服务平台下载的审图号为鄂S(2022)005号的标准地图制作,底图无修改。

1.2 方法

1.2.1 高温事件定义和识别方法

将单站日最高气温Tmax≥35 ℃定义为高温日,参照《区域性高温过程监测指标(征求意见稿)》(①区域性高温过程监测指标(征求意见稿)标准由全国气候与气候变化标准技术委员会(SAC/TC540)提出并归口,国家气候中心王遵娅等人起草,2022年2月10日发布。)并做适当修订,对湖北省历年5—11月区域性高温事件进行识别。

(1)高温过程的确定

自监测时段的首日起,将日最高气温Tmax≥35 ℃的相邻站点判定为1个高温站组(同时满足站点数占有效监测站数的百分比大于等于20%),某高温站组内大于等于50%的站点与次日高温站组的站点重合,则判定该站组高温过程持续,当某站组高温过程持续时间大于等于5 d,则判定一次区域性高温过程发生,区域性高温过程的开始日为该站组形成的首日。区域性高温过程开始后,某日高温站组内小于50%的站点与次日高温站组的站点重合,则判定该区域性高温过程结束,该日为区域性高温过程的结束日。一次区域性高温过程从过程开始日至过程结束日的累积日数为过程长度。

(2)高温过程的综合强度

根据一次区域性高温过程的平均强度、平均影响范围和过程长度计算综合强度Z,计算公式如下:

Z=Ia×Aa0.5×T0.5

式中:Ia为区域性高温过程的平均强度;Aa为区域性高温过程的平均影响范围;T为过程长度。高温过程平均强度和影响范围的计算方法详见《区域性高温过程监测指标(征求意见稿)》。

1.2.2 干旱事件定义和识别方法

根据区域性干旱过程监测评估方法(QX/T 597—2021)[30]中固定区域干旱过程监测方法,基于气象干旱综合监测指数(Meteorological Drought Composite Index,MCI),对湖北省历史干旱事件进行识别,并选择过程内等级最重时间出现在夏秋季(6—11月)的干旱事件进行分析。

(1)气象干旱综合监测指数(MCI)

MCI考虑了60 d内的有效降水(权重累积降水)、30 d内蒸散(相对湿润度)以及季度尺度(90 d)和近半年尺度(150 d)降水的综合影响,计算公式如下:

MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150)

式中:SPIW60为近60 d标准化权重降水指数;MI30为近30 d相对湿润度指数;SPI90、SPI150为90 d和150 d标准化降水指数;Ka为季节调节系数;abcd为权重系数。相关指数的计算和参数取值参见气象干旱等级标准(GB/T20481—2017)[31],MCI干旱等级划分标准见表1[31]

表1   基于MCI的气象干旱等级划分

Tab.1  Grade classification of meteorological drought based on MCI

干旱等级MCI
无旱-0.5<MCI
轻旱-1.0<MCI≤-0.5
中旱-1.5<MCI≤-1.0
重旱-2.0<MCI≤-1.5
特旱MCI≤-2.0

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(2)干旱过程的确定

以MCI为干旱过程识别的判别指标,当区域平均日干旱强度的等级达到轻旱及以上,且连续15 d及以上,至少有一日达中旱及以上等级,则确定发生一次区域干旱过程。干旱过程时段内第一次出现轻旱的日期,为干旱开始日。干旱过程发生后,当连续5 d出现日干旱等级为无旱时,则确定为过程结束,干旱过程结束前最后一天日干旱等级达轻旱及以上的日期为干旱结束日。干旱开始日到结束日(包含结束日)的总天数为干旱过程日数。具体统计方法参考《区域性干旱过程监测评估方法(QX/T 597—2021)》[30]

(3)干旱过程强度

通过滑动区域干旱过程内持续干旱天数计算累积干旱强度,取干旱过程中最强累积干旱强度作为干旱过程强度Z,计算公式如下:

Z=maxk=1,m;n=1,kD(n)

式中:maxk=1,m;n=1,k()为通过不断滑动比较寻找n时段内,累积干旱强度的最大值;m为干旱过程总天数;n为干旱过程内干旱持续天数,D(n)为累积干旱强度,按公式(4)计算:

D(n)=na-1i=1nI(i)

式中:a为权重系数,一般取0.5~1.0,本文在干旱过程强度计算时取0.5,在过程累积干旱强度计算时取值1.0;I(i)为干旱过程内第i天的区域日干旱强度的绝对值。

干旱过程强度等级采用百分位数法进行划分,基于湖北省76个国家站1961—2022年历次干旱过程强度Z,分别以50%、80%、95%分位数将干旱过程强度划分为一般、较强、强和特强4级(表2)。

表2   区域性干旱过程强度等级划分

Tab.2  Intensity grades of regional drought processes

干旱过程强度等级干旱过程强度Z
百分位数P
干旱过程
强度Z
特强95%≤P≤100%12.4≤Z
80%≤P< 95%8.9≤Z<12.4
较强50%≤P< 80%5.0≤Z< 8.9
一般0<P< 50%Z< 5.0

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2 结果与分析

2.1 高温事件时空变化特征

2.1.1 年平均高温日数空间分布

图1为1961—2022年湖北省年平均高温日数空间分布。可以看出,年平均高温日数空间分布差异性较大,最大值出现在兴山,多达42.7 d,最少值出现在利川,仅0.1 d。三峡河谷和鄂东南大部为25~37 d,鄂东北东部、鄂西南东部及鄂西北西部20~25 d,鄂西北东部和鄂东北西部15~20 d,江汉平原大部和恩施大部10~15 d,而恩施西部和神农架林区则不足10 d。

图1

图1   1961—2022年湖北省年平均高温日数空间分布

Fig.1   Spatial distribution of annual average high temperature days in Hubei Province during 1961-2022


2.1.2 高温日数年际变化

图2为1961—2022年湖北省平均高温日数逐年变化。可以看出,平均高温日数的年际变化较大,最多可达48.4 d(2022年),最少只有5.6 d(1987年)。多年平均高温日数19.9 d,其中 35≤Tmax<37 ℃、37≤Tmax<40 ℃、Tmax≥40 ℃日数分别有14.2、5.4、0.3 d。近62 a中共有15 a平均高温日数超25 d,其中有8 a发生在2000年以后(2005、2006、2009、2013、2016、2018、2019、2022年),平均高温日数呈明显增加趋势,平均每10 a增加1.3 d;高温日数也存在一段低值期(1980—1993年)。

图2

图2   1961—2022年湖北省平均高温日数逐年变化

Fig.2   Interannual variation of average high temperature days in Hubei Province during 1961-2022


2.1.3 典型高温过程特征

基于区域性高温过程监测指标识别出湖北省1961年以来区域性高温过程共计165次,平均每年发生2.7次,过程最早6月1日(2005年)开始,最晚9月26日(2021年)结束;过程持续时间最长达39 d(2019年),最短仅5 d。从长时间序列来看,近年来区域性高温过程有明显增加趋势,165次过程中有67次发生在21世纪。综合考虑高温强度、发生范围和持续时间,统计历次过程综合强度并进行排位(表3),可知1961年以来最强的10次高温过程中,开始时间最早出现在7月4日(1988年),最晚在7月30日(2022年);结束时间最早在7月26日(1988年),最晚在8月28日(2019、2022年);过程持续时间最长为2019年,达到39 d,最短为2003年,仅持续18 d;过程内最高气温Tmax≥35 ℃、Tmax≥37 ℃、Tmax≥40 ℃覆盖范围最大分别达100%、98.7%、60.5%。从长时间序列来看,1961年以来最强的10次高温过程有6次出现在21世纪,其中有5次(2013、2017、2018、2019、2022年)发生在2010年以后,且有连年发生的趋势。

表3   1961—2022年湖北省最强10次高温过程气候特征

Tab.3  Climate characteristics of the top 10 regional high temperature processes in Hubei Province during 1961-2022

高温事件持续时间
/d
Tmax≥35 ℃平均
日数/d
Tmax≥35 ℃
站次比
/%
Tmax≥37 ℃
平均
日数/d
Tmax≥37 ℃
站次比
/%
Tmax≥40 ℃
平均
日数/d
Tmax≥40 ℃
站次比
/%
平均最高
气温/℃
平均最低气温/℃单站极端
最高气温/℃
(地点,时间)
单站最长持续日数
/d(地点)
综合强
度排位
2022年7月30日至8月28日2923.910016.898.73.660.537.226.744.6(竹山,2022-08-13)35(通山)1
2013年7月22日至8月20日2921.797.412.394.71.338.236.326.342.2(阳新,2013-08-07)29(江夏、鄂州等)2
1966年7月15日至8月19日3523.498.610.791.81.531.535.825.743.4(竹山,1966-07-20)34(崇阳、咸宁)3
2019年7月20日至8月28日3925.998.79.794.70.29.235.425.441.4(巴东,2019-07-28)39(云梦、赤壁)4
2018年7月14日至8月16日3322.596.17.392.10.15.335.625.840.7(十堰,2018-07-25)21(仙桃、鄂州等)5
1971年7月12日至8月3日2216.898.68.997.30.624.336.225.841.7(秭归,1971-07-26)22(秭归、赤壁等)6
2003年7月23日至8月10日1814.197.4896.10.734.236.42741.7(咸宁,2003-08-01)18(麻城、黄陂等)7
1988年7月
4—26日
221497.46.996.10.521.135.426.142.2(兴山,1988-07-19)22(咸宁)8
2017年7月
10—31日
2112.198.77.496.10.627.635.425.841.5
(郧阳、竹山,
2017-07-27)
19(江夏、鄂州等)9
1961年7月17日至8月5日191297.25.891.50.423.935.725.142.5(兴山,1961-07-23)19(巴东)10

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2022年7月30日至8月28日高温过程综合强度为1961年以来最强,过程内最高气温Tmax≥35 ℃、Tmax≥37 ℃、Tmax≥40 ℃的覆盖范围,Tmax≥37 ℃、Tmax≥40 ℃平均日数,平均最高气温、最低气温,单站极端最高气温等8项指标均位列历史首位。呈现如下特点:

(1)覆盖范围广。全省各县(市)均出现高温日(日最高气温Tmax≥35 ℃),98.7 %的站点出现炎热日(日最高气温Tmax≥37 ℃),60.5%的站点出现酷热日(日最高气温Tmax≥40 ℃)。

(2)极端性强。过程平均、最高和最低气温较历史同期偏高2.6~4.7 ℃,均为1961年以来最高。全省大部极端最高气温在37 ℃以上,其中竹山以44.6 ℃(8月13日)创下有气象记录以来湖北省最高气温纪录。竹山等36县(市)最高气温、赤壁(36.3 ℃,8月20日)等38县(市)平均气温、赤壁(32.5 ℃,8月15日)等28县(市)最低气温突破或追平建站以来最高纪录。

(3)持续时间长。除鄂西南局部外,全省大部高温日数在20~28 d,通山(35 d,7月24日至8月27日)等40县(市)连续高温日数、竹山(28 d)等42县(市)连续炎热日数突破历史纪录,其中竹山8月3—15日连续13 d超40 ℃,创湖北历史最多。

(4)影响广。过程期间正值秋粮油作物产量形成和需水关键期,持续异常高温对中稻开花授粉以及棉花蕾铃生长造成了一定不利影响,部分灌溉水源条件较差的田块出现土壤缺水缺墒,叠加高温影响,对作物生长发育和产量形成造成的影响更大。据调查,中迟熟中稻正值抽穗扬花期,高温造成结实率下降,如浠水县清泉镇7月28日前后抽穗扬花的田块,结实率仅为68.1%;早熟中稻和玉米灌浆受阻,灌浆速率下降,千粒重下降;多地棉花顶部新生蕾铃有干枯脱落现象。持续性高温天气显著增加了人群中暑和健康风险,根据高温中暑气象指数模型[32]计算结果[图3(a)],7月30日至8月28日全省40%以上区域为“易发生中暑”等级,其中8月14—15日、20—21日超过50%区域为“极易发生中暑”等级。持续高温使湖北省用电量居高不下,7月30日至8月28日高温期间湖北省90%以上区域气象敏感用电量等级[33]维持在“高敏感用电量”和“尖峰敏感用电量”级别[图3(b)],8月3—22日50%以上区域为“尖峰敏感用电量”等级。2022年8月湖北省全社会用电量达299.42亿千瓦时,同比增长27.9%,创2018年以来的新高(图4)。

图3

图3   2022年7月30日至8月28日湖北省高温中暑气象等级(a)与气象敏感用电量等级(b)站次比逐日变化

Fig.3   Daily variation of ratio of station numbers with each level of heatstroke (a) and weather-caused power consuming(b)in Hubei Province from July 30 to August 28, 2022


图4

图4   2018年1月至2022年8月湖北省全社会用电量逐月变化

Fig.4   Monthly variation of electricity consumption in Hubei Province from January 2018 to August 2022


2.2 干旱事件时空变化特征

2.2.1 干旱日数空间分布

图5为1961—2022年夏秋季湖北省轻度及以上干旱日数空间分布。湖北省干旱日数总体呈北多南少分布,最大值出现在郧阳,多达131 d,最小值出现在鹤峰,为67 d。鄂北岗地至鄂中丘陵一带干旱日数120~130 d,恩施和鄂东南大部90 d以内,其他地区90~120 d。

图5

图5   1961—2022年夏秋季湖北省轻度及以上干旱日数的空间分布(单位:d)

Fig.5   Spatial distribution of mild and more severe drought days in Hubei Province in summer and autumn during 1961-2022 (Unit: d)


2.2.2 干旱日数年际变化

图6为1961—2022年夏秋季湖北省不同强度等级平均干旱日数逐年变化。1961年以来湖北省有43 a夏秋季平均干旱日数在10 d以上,其中最大值出现在1966年,多达115 d,其次是2019年,为113 d。中旱及以上干旱日数达30 d以上的有7 a,达50 d以上的有2 a。干旱日数的年际变化趋势不显著,但呈现出群发连发特征,1966—1981年、1988—1992年、1997—2001年以及2018—2022年为干旱频发期;1982—1987年和2002—2017年期间干旱日数相对较少。

图6

图6   1961—2022年夏秋季湖北省不同等级平均干旱日数逐年变化

Fig.6   Interannual variation of average days of drought with different levels in Hubei Province in summer and autumn during 1961-2022


2.2.3 典型干旱过程比较

根据区域性干旱过程评估方法识别出湖北省1961—2022年夏秋季共发生41次区域性干旱过程,平均每10 a发生6.6次,其中特强干旱过程2次,强干旱过程5次,较强干旱过程14次,一般干旱过程20次。区域性干旱过程中,开始时间最早为5月6日(1981年),最晚为11月6日(2006年);结束时间最早在6月11日(2020年),最晚在12月25日(1992年);持续日数最长达132 d(2019年),最短为15 d(1986年)。表4依据区域性干旱过程综合强度列出历史最强10次过程及其特征统计量,其中有4次出现在21世纪,2019年和2022年分别居历史第2、3位。1961年以来夏秋季最强干旱过程发生在1966年7月27日至10月23日,过程持续89 d,过程内累计降水量128.3 mm,较常年偏少57.2%,累计蒸散量346.3 mm,较降水量多218.0 mm,其间干旱最大发生站次比达100%[图7(a)]。最长干旱过程出现在2019年8月9日至12月18日,过程内累计降水量165.7 mm,较常年偏少49.2%,累计蒸散量353.5 mm,较降水量多187.8 mm,其间连续无雨日数达14 d,干旱最大发生站次比达98.7%[图7(b)]。

表4   1961—2022年湖北地区最强10次干旱过程气候特征

Tab.4  Climate characteristics of the top 10 regional drought processes in Hubei Province during 1961-2022

干旱事件干旱过程强度过程评估等级持续日数/d最长连续无雨数
/d
日最大干旱站次比
/%
累计
降水量
/mm
降水距平
百分率/%
平均气温/℃平均气温距平
/℃
累计
蒸散量
/mm
相对
湿润度
指数
综合强度排位
1966年7月27日至10月23日13.1特强898100128.3-57.224.10.4346.3-0.631
2019年8月9日至12月18日12.7特强1321498.7165.7-49.218.91.2353.5-0.532
2022年8月3日至10月20日12.4特强781710091.1-65.924.71.5285.6-0.683
1978年7月11日至10月25日10.61079100214.5-47.224.90.7408.6-0.484
1972年7月6日至9月11日9.368395.9158.8-52.726.8-0.4289.2-0.455
1992年10月13日至12月25日9.1741498.746-61.710.8-0.3121.7-0.626
1981年5月6日至7月10日8.966696.1240-38.624.60.3267.7-0.17
2001年8月27日至10月13日8.948410056.1-59.723.10.7153.9-0.648
1968年6月3日至7月12日7.7较强40398.6135.5-50.226.10.1162.3-0.179
2018年8月4日至11月5日7.5较强94989.5183.4-36.622.60.5294.4-0.3810

注: 干旱过程统计截至2022年10月20日,2022年8月以来干旱过程尚未结束。

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图7

图7   1966年7月1日至10月31日(a)与2019年7月1日至10月31日(b)湖北省不同等级干旱站次比变化

Fig.7   Daily variation of ratio of station numbers of drought with different levels from July 1 to October 31, 1966 (a) and from July 1 to October 31, 2019 (b) in Hubei Province


2022年8月3日以来湖北省再次发生严重的夏秋连旱,截止10月20日综合强度已居历史第三强,干旱过程仍在持续,部分特征值已超过历次过程。

(1)发生范围广。2022年夏秋季干旱过程最大站次比达100%,其中特旱等级的最大站次比达68.4%,超过2019年(55.3%),仅次于1966年(71.0%)。

(2)旱情发展快。2022年5月下旬湖北省出现轻度和中度气象干旱,从6月1日至10月20日不同等级干旱站次比逐日变化(图8)可以看出,6月以来旱情维持,8月4日后明显升级,至8月下旬,干旱发生站次比由不足40%迅速扩大至90%以上,特旱发生站次比由不足1%扩大至20%以上,8月28日灾情统计数据与8月18日相比扩大0.5倍(表5),干旱发展速度为历次干旱过程所不及。

图8

图8   2022年6月1日至10月20日湖北省不同等级干旱站次比变化

Fig.8   Daily variation of ratio of station numbers of drought with different levels in Hubei Province from June 1 to October 20, 2022


表5   湖北省干旱典型年的灾情情况统计

Tab.5  Statistics of disasters in typical drought years in Hubei Province

年份或日期影响人口
/万人
受灾面积
/103hm2
成灾面积
/103hm2
绝收面积
/103hm2
直接经济损失
/亿元
19661693.7813.3253.3
20012363.01703.0448.0
2006898.21089.1531.757.334.2
20131579.51278.4738.578.3100.6
2018480.5475.5200.523.121.7
20191153.0417.5111.366.2
2022-08-18533.6645.853.442.6
2022-08-28793.0918.089.574.4
2022-09-13852.7958.694.080.4
2022-09-23858.2963.294.481.4

注: 表中空白处因不同年代统计口径变化或记录缺失未收集到数据。

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(3)灾害链长。2022年夏秋季干旱与异常高温及长江流域性干旱叠加,形成了从气象干旱到水文干旱、农业干旱和社会经济干旱的链式传递和深远影响。长江汉口水文站自6月上旬的历史同期最高水位,于7月上旬开始迅速下降,至8月上旬起持续处于历史同期最低水位(图9),省内各级水库供水、航运和发电等效益受到显著影响;湖北省中东部约65%的区域20 cm土壤相对湿度在60%以下(图10),出现不同程度土壤失墒和农业干旱,9.617×105 hm2农作物受灾,绝收9.44×104 hm2,直接经济损失81.3亿元人民币;受高温干旱不利气象条件影响,湖北省水环境和空气污染加剧,湿地和森林生态系统出现退化,对生态质量改善和碳减排目标造成了较大影响;此外,干旱还造成居民用水用电紧张,近百万人需生活救助等。

图9

图9   2022年6月1日至9月30日长江汉口水文站水位与历史同期对比

Fig.9   Comparison of water level at Hankou hydrologic station from June 1 to September 30, 2022 with the historical corresponding period during 1951-2021


图10

图10   2022年10月2日湖北省气象干旱监测(a)和基于CLDAS产品的土壤相对湿度(b,单位:%)

Fig.10   Monitoring of meteorological drought (a) and CLDAS soil relative humidity (b, Unit: %) in Hubei Province on October 2, 2022


2.3 高温干旱复合事件变化特征

基于湖北省1961年以来历次区域性高温和干旱事件,将年内区域性高温过程累计持续时间大于等于20 d确定为高温年,年内夏秋季区域性干旱过程累计持续时间大于等于20 d确定为干旱年,年内区域性高温与干旱过程同时发生且重合日数大于等于10 d确定为高温干旱年。1961—2022年夏秋季,湖北省共出现典型高温年22 a,典型干旱年24 a,其中高温干旱并发的年份有15 a,约68.2%的高温年份伴随干旱过程,约62.5%的干旱年份伴随高温过程。高温干旱复合事件在20世纪60年代至90年代分别出现2、4、2、1次,21世纪以来的近20 a共出现6次,2010年之后的干旱事件均伴随高温过程,高温干旱复合事件的发生频次有明显增加趋势,且呈现间隔期缩短、连年发生的特征(图11)。

图11

图11   1961—2022年湖北省高温年、干旱年及高温干旱年时序图

Fig.11   Sequence diagram of hot years, drought years and compound hot and drought years in Hubei during 1961-2022


ZSCHEISCHLER 等[8]通过对高温和干旱之间的关系研究认为,受陆地和大气相互反馈的影响,当天气尺度系统有利于高温发生时,通常不利于降水发生。SARHADI等[34]和YU等[22]也指出,即使干旱的发生频率不变,高温干旱复合型事件也会随着高温事件的增加而增加。可见,湖北省高温干旱复合事件趋多增强的趋势与全球气候变化以及世界其他地区高温干旱事件变化的趋势一致。同时,湖北省地处中纬度欧亚大陆腹地典型季风气候区,盛夏季节受副热带高压控制易形成高温天气,此期正值农作物的活跃生长期和需水关键期,伴随着地表蒸散发的增强和土壤快速失墒,极易形成骤发型干旱并造成较大影响[35-36],在全球变暖和季风气候年际变异增大的背景下,高温干旱复合灾害风险的加剧将更加突出。

3 结论与讨论

湖北省区域性高温过程平均每年发生2.7次,近62 a来呈趋多增强态势。1961年以来最强的10次高温过程有6次出现在21世纪,其中5次发生在2010年以后,且有连年发生的趋势。2022年夏季高温过程综合强度为1961年以来最强,呈覆盖范围广、极端性强、持续时间长、影响广的特点,其间竹山以44.6 ℃创下有气象记录以来湖北省最高气温纪录。

湖北省夏秋季区域性干旱过程年际变化趋势不显著,但呈现出群发、连发特征,1966—1981年、1988—1992年、1997—2001年以及2018—2022年为干旱频发期。1961年以来共发生41次区域性干旱过程,平均每10 a发生6.6次。最强的10次区域性干旱过程中有4次出现在21世纪,其中2019年和2022年分别为第2、3强。干旱过程内降水与蒸发的亏缺程度、过程发展速度、过程强度及其造成的影响呈加剧态势。

湖北省夏秋季区域性高温干旱复合事件有频次增多、影响加剧的趋势。1961年以来共出现典型高温年22 a,典型干旱年24 a,高温干旱同时发生的年份有15 a,其中1961—2000年共出现9次,21世纪以来的近20 a共出现6次。2010年之后的干旱事件均伴随高温过程,高温干旱复合事件的发生频次明显增加,且呈现间隔期缩短、影响加剧的趋势。2022年夏秋季高温干旱与长江流域性干旱叠加,产生了气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱的链式复杂影响。

全球气候变暖引起极端气候事件频发、重发已成为气候新常态[27,37 -38]。21世纪以来湖北省极端高温和干旱事件频率明显增加,是全球气候变暖背景下的区域响应特征。2022年夏秋季湖北省乃至长江流域再次发生异常高温干旱灾害,多地高温强度、持续时间和极端少雨的程度及其对水资源、农业、生态和社会经济系统的影响之深远历史罕见,其呈现出的新特点和内在成因应引起足够的重视和深入的研究。未来亟须深入开展高温干旱复合事件对经济和社会影响的风险评估,提高区域内自然和社会经济系统的适应能力,有效降低极端气候事件可能造成的重大风险,保障经济和社会的可持续发展。

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