0 引言
连续无雨日（Consecutive dry days，CDDs）作为“气候变化检测监测与指数专家组”（Expert Team on Climate Change Detection and Indices）推荐的评估持续缺乏有效降水的指数，在我国干旱监测（黄小燕等，2014）和干旱变化研究（Zeng and Sun，2021）中得到广泛应用。研究表明，在连续无雨日明显增加的年份，均出现干旱现象（刘莉红等，2008；Yang et al.，2012）。如2023年6—8月，甘肃河西连续无雨日平均为24.5 d，瓜州最长连续无雨日达43 d，加之持续高温，致使河西农作物大面积受旱，全省进入抗旱应急状态；同时河西三大内陆河来水量与多年同期相比枯3成，内陆河流域31座重点水库蓄水较近5 a同期偏少45%。说明持续的降水亏缺会使土壤水分缺失、径流减少，进而诱发农业干旱和水文干旱（Heim，2002）。进一步研究发现，尽管有时连续无雨日持续时间并不长，但若适逢高温阶段，蒸发加剧，往往也会导致气象干旱（张强等，2020）。
1960—2012年，我国冬、春季最大连续无雨日数呈明显下降趋势，秋季呈明显上升趋势，夏季变化趋势较平稳（黄小燕等，2014），暖季与冷季变化趋势明显不同（王莺等，2014；Duan et al.，2017），且不同地区差异较大，北方大部及长江中下游地区呈减少趋势，而西南和华南地区呈增加趋势（Shi et al.，2018）。大气环流是影响连续无雨日的直接因子，当中纬度500 hPa存在东西方向高低压波列，且我国北方大部受高压控制时，当年连续无雨日偏多，反之则相反（Gong et al.，2005；Lei and Duan，2011），由于大气环流受海温调制，进而发现太平洋年代际振荡与我国最大连续无雨日变化联系最紧密（段亚雯，2015），海温异常通过影响降水成为我国北方干旱发生发展的重要外强迫信号之一（吕星玥等，2019；郝立生等，2023；刘炜等，2024）。20世纪末我国西部开始出现暖湿化（施雅风等，2002；施雅风等，2003），且近年气候湿化明显增强东扩的背景下（张强等，2021；张强等，2023），我国干旱半干旱区连续无雨日气候特征是否因暖湿化发生改变尚无人关注。鉴于此，本文对我国干旱半干旱区轻、中、重及特旱对应的连续无雨日时空变化特征及其在1961—1990年和1991—2020年两个时段的差异等进行研究，从连续无雨日这一干旱直接成因来认识该区域干旱的气候特征，同时明确西北地区暖湿化对研究区气象干旱的影响程度。
1 研究区域
式中：HI为湿润度指数（无量纲）；P、PET（mm）分别是年降水量、年潜在蒸发量。潜在蒸散的计算采用联合国粮食及农业组织（The Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）推荐的Penman-Monteith公式计算（Allen et al.，1998；Allen et al.，2006）。依据湿润度指数，我国气候区可划分为极端干旱、干旱、半干旱、半湿润及湿润区5种类型，对应的HI值范围分别为：HI<0.03、0.03≤HI<0.20、0.20≤HI<0.50、0.50≤HI<1.00、HI≥1.00（Hulme et al.，1992）。因极端干旱区域很小，本文将其归入干旱区处理。
图1
图1
我国干旱半干旱气候区及气象站点分布
Fig.1
The arid and semi-arid climate regions in China and distribution of meteorological stations
2 资料和方法
采用我国干旱半干旱气候区74个气象站1961—2022年逐日20：00—20：00（北京时，下同）降水观测资料，选用标准为该台站要素每年缺测次数小于等于3 d。资料来源于中国气象局气象信息中心并经过质量控制与数据审核。
无雨日定义为日降水小于等于0.1 mm。统计时，对于研究区某站，判断其一年内连续无雨日天数时，若某日出现大于0.1 mm的有效降水，则重新开始累计，得到该站当年持续时间长短不同的连续无雨日数序列，依次对多年进行判断，其他站均同样处理。获得的连续无雨日数序列，按照1~5 d、6~10 d、11~15 d、16~25 d、26~40 d、41~60 d、60 d以上7个等级，分两个时段（1961—1990年和1991—2020年）统计各等级连续无雨日的发生次数、累加持续天数。为方便分析，参考《区域旱情等级》标准（中华人民共和国水利部，2016），并借鉴黄晚华等（2014）相关研究将16~25 d、26~40 d、41~60 d、60 d以上连续无雨日分别定义为轻旱、中旱、重旱和特旱。
采用两组样本平均值差异的显著性检验方法（黄嘉佑，2004），对研究区域各站点1961—1990年与1991—2020年两个时段对应数据进行差异显著性检验，具体公式如下：
式中：t是检验量；$\overline{x_{1}}$和$\overline{x_{2}}$分别是两个时段的平均值；n1、n2为两个时段的样本量，均为30；S12和S22为两个时段数据的方差。
3 结果分析
3.1 气象干旱的气候特征
3.1.1 气象干旱的基本气候特征
由1961—1990年、1991—2020年我国干旱半干旱区不同等级连续无雨日的发生次数（表1）来看，干旱区1~5 d、6~10 d、11~15 d连续无雨日发生次数均明显低于半干旱区，而中旱以上发生次数明显高于半干旱区，其中，干旱区重旱发生次数是半干旱区的2.0倍，特旱发生次数是半干旱区的4.0倍以上。1961—1990年与1991—2020年两个时段相比，干旱区不同等级连续无雨日发生次数差异不明显，半干旱区特旱发生次数很小，但后一时段是前一时段的2.0倍，其余等级基本无差异。
表1 1961—1990年、1991—2020年我国干旱半干旱区不同等级连续无雨日平均发生次数
Tab.1
| 气候区 | 时段 | 连续无雨日 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1~5 d | 6~10 d | 11~15 d | 16~25 d （轻旱） | 26~40 d （中旱） | 41~60 d （重旱） | 60 d以上 （特旱） | ||
| 干旱区 | 1961—1990年 | 13.1 | 5.7 | 2.9 | 2.7 | 1.5 | 0.8 | 0.8 |
| 1991—2020年 | 14.1 | 6.0 | 3.0 | 2.7 | 1.4 | 0.8 | 0.8 | |
| 半干旱区 | 1961—1990年 | 28.2 | 8.3 | 3.4 | 2.5 | 1.1 | 0.4 | 0.1 |
| 1991—2020年 | 27.7 | 8.6 | 3.5 | 2.6 | 1.0 | 0.4 | 0.2 | |
由1961—1990年和1991—2020年我国干旱半干旱区不同等级连续无雨日累计天数（表2）看，干旱区1~5 d、6~10 d、11~15 d 3个等级明显低于半干旱区，而轻旱以上等级明显高于半干旱区，其中干旱区中旱、重旱、特旱累计天数分别是半干旱区的1.5倍、2.0倍和6.0倍左右。说明我国半干旱区更易出现短期无雨，而干旱区更易出现较长期无雨。干旱区1991—2020年中旱日数比1961—1990年少5.5 d，其他等级变化很小；对于半干旱气候区而言，两个时段不同等级干旱日数基本接近。
表2 1961—1990年与1991—2020年我国干旱半干旱区不同等级连续无雨日累计天数
Tab.2
| 气候区 | 时段 | 连续无雨日 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1~5 d | 6~10 d | 11~15 d | 16~25 d （轻旱） | 26~40 d （中旱） | 41~60 d （重旱） | 60 d以上 （特旱） | ||
| 干旱区 | 1961—1990年 | 34.3 | 43.6 | 36.7 | 52.2 | 48.6 | 38.7 | 77.1 |
| 1991—2020年 | 36.2 | 46.3 | 37.9 | 53.5 | 43.1 | 39.8 | 77.2 | |
| 半干旱区 | 1961—1990年 | 69.3 | 62.8 | 43.7 | 48.2 | 34.2 | 21.3 | 13.2 |
| 1991—2020年 | 68.4 | 65.6 | 43.9 | 49.6 | 32.0 | 19.6 | 14.7 | |
由1961—1990年与1991—2020年我国干旱半干旱区不同等级连续无雨日平均持续日数（表3）可见，两个气候区轻旱、中旱、重旱日数非常接近，只有特旱差异明显。此外，1991—2020年与1961—1990年相比，干旱区和半干旱区特旱平均持续时间分别延长7.5 d和1.9 d。
表3 1961—1990年与1991—2020年我国干旱半干旱区不同等级连续无雨日的平均持续日数
Tab.3
| 气候区 | 时段 | 连续无雨日 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1~5 d | 6~10 d | 11~15 d | 16~25 d （轻旱） | 26~40 d （中旱） | 41~60 d （重旱） | 60 d以上 （特旱） | ||
| 干旱区 | 1961—1990年 | 2.6 | 7.7 | 12.8 | 19.6 | 31.7 | 48.8 | 94.1 |
| 1991—2020年 | 2.6 | 7.7 | 12.7 | 19.6 | 31.9 | 48.9 | 101.6 | |
| 半干旱区 | 1961—1990年 | 2.5 | 7.6 | 12.7 | 19.6 | 31.5 | 48.5 | 90.8 |
| 1991—2020年 | 2.5 | 7.6 | 12.7 | 19.5 | 31.7 | 47.9 | 92.7 | |
3.1.2 不同等级气象干旱的年际变化特征
由1961—2020年我国干旱半干旱区不同等级干旱发生次数年际变化（图2）可见，近60 a我国干旱半干旱地区出现轻旱的次数均呈轻微增长趋势，而中旱、重旱与特旱发生次数呈微弱下降趋势，但上述变化趋势均未通过α=0.05的显著性检验；干旱区和半干旱区轻旱发生次数接近，而干旱区中旱、重旱、特旱发生次数明显高于半干旱区，尤其是特旱次数，偏高明显。
图2
图2
1961—2020年我国干旱区（左）半干旱区（右）不同等级干旱发生次数年际变化
Fig.2
The inter-annual variation of frequency of drought with different grades in arid （the left） and semi-arid （the right） climate regions of China during 1961-2020
由1961—2020年我国干旱半干旱区不同等级干旱发生日数年际变化（图3）可见，近60 a我国研究区轻旱日数呈轻微增长趋势，而中旱、重旱与特旱日数均呈微弱下降趋势，其中干旱区特旱日数下降趋势较明显，但上述变化趋势未通过α=0.05的显著性检验。干旱和半干旱区轻旱发生日数相当，其余等级干旱日数干旱区均多于半干旱区，尤其是特旱，干旱区特旱日数平均每年近80 d，而半干旱区约15 d；此外，半干旱区重旱和特旱日数波动程度较干旱区明显。
图3
图3
1961—2020年我国干旱区（左）、半干旱区（右）不同等级干旱发生日数年际变化
Fig.3
The inter-annual variation of occurrence days of drought with different grades in arid （the left） and semi-arid （the right） region of China during 1961-2020
3.1.3 不同等级气象干旱的空间变化特征
图4
图4
1991—2020年与1961—1990年我国干旱半干旱区干旱发生总次数差值的空间分布（单位：次）
Fig.4
The spatial distribution of the difference between the total number of droughts in arid and semi-arid regions of China from 1991 to 2020 and from 1961 to 1990 （Unit： times）
图5为1991—2020年与1961—1990年我国干旱半干旱气候区轻旱、中旱、重旱、特旱发生日数差值的空间分布。可以看出，近年来，研究区西部不同等级干旱发生日数均呈一致性减少趋势，其中特旱尤其明显；研究区中部，轻旱和中旱发生日数减少，减少日数分别为13、20 d以内，重旱和特旱发生日数有所增加，增加约20 d；半干旱区东部重旱日数减少明显。
图5
图5
1991—2020年与1961—1990年我国干旱半干旱气候区轻旱（a）、中旱（b）、重旱（c）、特旱（d）发生日数差值的空间分布（单位：d）
Fig.5
The spatial distribution of the difference of the occurrence days of partial drought (a), moderate drought (b), severe drought (c) and extreme drought (d) between 1991-2020 and 1961-1990 in the arid and semi-arid climate regions of China (Unit: d)
3.2 不同时段气象干旱平均值差异的显著性检验
表4 1961—1990年和1991—2020年我国干旱半干旱区不同等级干旱发生次数、日数平均值差异的显著性检验
Tab.4
| 干旱等级 | 发生次数检验 | 发生日数检验 | ||
|---|---|---|---|---|
| 干旱区 | 半干旱区 | 干旱区 | 半干旱区 | |
| 轻旱 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 中旱 | 0 | 3 | 0 | 4 |
| 重旱 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 特旱 | 4 | 1 | 4 | 1 |
注： 自由度为29，α=0.05，t临界值为2.05，数值为74个气象站中发生突变的个数。
3.3 我国干旱半干旱区不同时段降水与潜在蒸散差异的显著性分析
图6
图6
1961—1990年与1991—2020年我国干旱半干旱气候区降水（a）和潜在蒸散（b）平均值差异的显著性检验
Fig.6
The significance test of difference of mean precipitation (a) and potential evapotranspiration (b) between 1961-1990 and 1991-2020 in arid and semi-arid climate regions of China
4 结论与讨论
本文利用我国干旱半干旱区74个气象站1961—2022年逐日降水观测资料，对研究区轻、中、重及特旱对应的连续无雨日时空变化特征及其在1961—1990年和1991—2020年前后两个时段的差异等进行分析，得到以下主要结论。
1）连续无雨日发生次数和日数的不同，是我国干旱半干旱区气候的基本差异之一，其中，干旱区重旱、特旱发生次数分别是半干旱区的2.0倍、4.0倍左右；干旱区中旱、重旱、特旱发生日数分别是半干旱区的1.5倍、2.0倍、6.0倍左右，干旱等级越高，差异越大。表明我国半干旱区较易出现短期无雨，而干旱区更易出现较长期无雨。对干旱持续时间而言，1991—2020年和1961—1990年相比，仅特旱有差异，轻、中、重旱均非常接近。
2）近60 a，研究区轻旱发生次数和日数呈微弱上升趋势，其余等级干旱发生次数和日数均呈微弱减少趋势，但未能通过α=0.05的显著性检验。
3）1991—2020年和1961—1990年相比，研究区西部不同等级干旱日数明显减少；中部轻旱和中旱日数减少，而重旱和特旱日数有所增加；半干旱区东部重旱日数减少。研究区西部不同级干旱发生总次数明显减少，中东部有所增加。
4）不同等级干旱发生次数和日数只有极少数站点发生突变，说明近60 a研究区气象干旱风险并未因气候轻微湿化而发生本质变化。
参考文献
中国大陆1960-2012年持续干旱日数的时空变化特征
[J].
采用 1960 ～2012 年 508 个地面观测站逐日降水量资料， 分析了中国大陆近 53 a 四季持续干旱日数变化趋势。结果表明:近 53 a 来我国大陆春季和冬季持续干旱日数呈明显下降趋势， 其中冬季气候倾向率为 －0．7 d/10 a， 夏季变化趋势比较平稳， 秋季呈明显上升趋势。空间变化上持续干旱日数气候倾向率春季在 －0． 41 ～0．41 d/10 a 之间，大部分地区呈减少趋势;夏季持续干旱日数气候倾向率 508 个测站中有 59%的测站为减少趋势， 41% 为增加趋势;秋季大部分地区气候倾向率呈增加趋势， 统计有 302 个测站呈上升趋势， 占中国大陆总测站数的 69%;冬季持续干旱日数气候倾向率在 －0．62 ～0．44 d/10 a 之间， 统计 508 个测站中有 66%的测站为减少趋势， 34%为增加趋势。
2022年7月内蒙古干旱半干旱区涝—旱转折事件的成因分析
[J].2022年7月内蒙古中西部地区降水明显偏少，且呈前期偏多、后期偏少的涝—旱转折性分布特征，分析不同阶段环流分布差异和影响系统间的配置对进一步做好内蒙古汛期降水预测具有重要作用。利用内蒙古116站逐日降水量、国家气候中心130项气候指数、美国国家环境预报中心/国家大气科学研究中心（National Center for Enviromental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）逐日再分析资料和美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）逐月海表温度资料，分析2022年7月内蒙古中西部地区涝-旱转折事件的成因。结果表明：（1）2022年7月内蒙古中西部地区降水量严重偏少，为该地区1991年以来同期降水最少、气象干旱最为严重。（2）7月1—11日降水相对偏多，冷空气路径偏北且强度较弱，西太平洋副热带高压强度偏弱，位置偏北、偏西，冷暖空气在内蒙古中西部地区交绥，加之这一时段高空西风急流位置偏北，内蒙古中西部位于急流轴以南，有利于高层辐散和上升运动发展。7月12—31日降水明显偏少，环流经向度加大，冷空气活动路径偏南且强度增强，西太平洋副热带高压强度偏强且位置明显偏南，不利于水汽输送，加之高空西风急流位置偏南，内蒙古中西部位于急流轴以北，不利于高层辐散和上升运动发展；7月中旬后期至下旬高空西风急流南北向扰动偏强有利于激发东亚—西北太平洋经向遥相关波列，使得西太平洋副热带高压位置偏南从而导致降水偏少。（3）日本海至北太平洋西北部地区的海温异常是影响内蒙古中西部地区降水多寡的重要外强迫信号之一。2022年7月该海区海温异常偏高，其上空激发的气旋式环流减弱了南方暖湿水汽的经向输送，是导致内蒙古中西部降水由涝转旱的原因之一。
西北地区东部气候的转折性变化
[J].过去半个世纪, 西北地区东部经历了暖干化趋势, 21世纪以来, 这种趋势是继续维持还是发生了变化？针对这个问题, 本文基于最新资料对西北地区东部的降水和平均温度的变化特征进行再分析, 结果表明, 对于降水而言, 近58年来西北地区东部仍呈减少趋势, 但21世纪初以来却呈显著增加趋势, 特别是近8年的增加幅度更大。对于平均温度而言, 近58年来整个西北地区东部仍呈显著的变暖趋势, 但是36°N以南和以北区域变化特征并不完全一致, 21世纪初以来, 36°N以北地区由于出现了阶段性变冷, 使得变暖特征明显减缓, 而36°N以南地区虽然继续呈现变暖特征, 但变暖幅度同样明显减缓。因此自21世纪初以来西北地区东部的降水和平均温度发生了转折性变化。初步分析发现这种降水增多、 增温减缓甚至阶段性变冷的转折性变化可能与PDO从暖位相转换为冷位相有关。
西北气候由暖干向暖湿转型的信号、影响和前景初步探讨
[J].全球大幅度变暖,水循环加快,增强降水和蒸发.中国西北部从19世纪小冰期结束以来100a左右处于波动性变暖变干过程中.1987年起新疆以天山西部为主地区,出现了气候转向暖湿的强劲信号,降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加,导致湖泊水位显著上升、洪水灾害猛烈增加、植被改善、沙尘暴减少.新疆其他地区以及祁连山中西段的降水和径流也有增加趋势.这样气候转型前景如何,是仅为年代际波动还是可发展为世纪性趋势,是只限于天山西部还是可能扩及整个西北以至华北.从引用现有区域气候模式预测,对径流变化模式预测和相似古气候情景的讨论,认为转向暖湿的趋势可以肯定,但目前尚不能确切预测转型扩大在时间上与空间上变化的速度和程度.
旱区陆面非降水性水分研究进展和展望
[J].随着全球气候变暖，自然生态系统和水资源压力不断增加，加剧了全球水资源的短缺。旱区非降水性水分（Non-precipitation Water，NPW），作为一种重要的水源，对旱区生态系统和陆面水分平衡具有显著影响。本文基于国内外非降水性水分研究现状，总结其在西北旱区的观测方法、变化特征、形成机制及对陆面水分平衡和作物的影响。在结合非降水性水分研究国际趋势的基础上，指出当前研究的不足和问题，以及未来研究的重点方向：揭示陆面非降水性水分的复杂形成机制，加强对不同气候区和下垫面非降水性水分的认知，建立专门的陆面非降水性水分观测系统，发展其在数值模式中的参数化，以及制定陆面非降水性水分开发利用的技术标准。
中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望
[J].干旱灾害是制约中国西北地区社会经济发展、农业生产和生态文明建设的重要自然灾害,而且随着气候变暖西北地区极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势,影响不断加重。 “中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究”成果是在数十个国家级科研项目的支持下,经过过去20年的理论研究和应用技术开发所取得的一系列创新性成果。该成果对西北干旱形成机理及重大干旱事件发生、发展的规律取得了新认识,尤其是发现了形成西北干旱环流模态的4种主要物理途径;研制了西北干旱预测的新指标、干旱监测的新指数及监测农田蒸散的新设备,明显提高了干旱监测准确性和针对性;提出了山地云物理气象学新理论,研发了水源涵养型国家重点生态功能区——祁连山空中云水资源开发利用技术;发现了干旱半干旱区陆面水分输送和循环的新规律,揭示了绿洲自我维持的物理机制;认识了干旱气候变化对农业生态系统影响的新特征,建立了旱作农业对干旱灾害的响应关系;开发了旱区覆膜保墒、集雨补灌、垄沟栽培、适[JP2]宜播期等应对气候变化的减灾技术,为西北实施种植制度、农业布局及结构调整和农业气候资源高效利用提供了科学方案。该成果的完成提升了中国干旱防灾减灾技术水平,培养了中国干旱气象科技队伍,推进了西北地区干旱气象业务服务能力,对西北地区社会经济发展、农业现代化和生态文明建设等方面起到了重要的促进作用。在此基础上,展望了西北地区干旱气象科学研究中迫切需要、有可能突破的主要领域。
A recommendation on standardized surface resistance for hourly calculation of reference ET0 by the FAO56 Penman-Monteith method
[J].
Characteristics of consecutive dry days variations in China
[J].
Trends of summer dry spells in China during the late twentieth century
[J].
A review of twentieth-century drought indices used in the United States
[J].
Global changes in a humidity index between 1931-60 and 1961-90
[J].
Prolonged dry episodes and drought over China
[J].
Trends in the consecutive days of temperature and precipitation extremes in China during 1961-2015
[J].Consecutive climatic extremes have more intense impacts on natural ecosystems and human activities than occasional events. There were many studies about the frequency or intensity of extreme weather events, but few focused on the consecutiveness or continuousness of climatic extremes. We analyzed the temporal and spatial distributions and tendencies in the consecutive temperature and precipitation extremes in China during 1961-2015.Daily temperature and precipitation data at 1867 meteorological stations over China was used and four consecutive indices of climate extremes, i.e. cold spell duration indicator (CSDI), warm spell duration indicator (WSDI), consecutive dry days (CDD) and consecutive wet days (CWD), were calculated by RClimDex 1.0. Linear trends in the time series of consecutive days of temperature and precipitation extremes were examined and their statistical significance was evaluated using Mann-Kendall test.There were obvious differences in the spatial distributions of consecutive days of climate extremes in China. During 1961-2015, CSDI and CWD decreased significantly at rates of 0.9 and 0.1 days per decade respectively, while WSDI increased significantly at rate of 0.8 days per decade in China. Spatially, CSDI decreased at rates of 0-3.0 days per decade in almost all parts of China, and WSDI increased at rates of 0-2.0 days per decade in most parts of China. The spatial trends of CDD and CWD were significant only in several regions of China. CSDI and WSDI had higher percent changes than those of CDD and CWD. Changes in the CSDI and WSDI were associated with large-scale oceanic and atmospheric circulation oscillations, such as Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO), El Niño/Southern Oscillation (ENSO) and Pacific Decadal Oscillation (PDO). With global warming, there will be fewer cold extremes, more frequent hot extremes and precipitation extremes.Given the increases in the frequency and intensity of some consecutive climatic extremes and an increasing physical exposure and socio-economic vulnerability to such extremes in China, more strategies and capacities of mitigation and adaptation to consecutive climatic extremes are essential for the local government and climate-sensitive sectors.Copyright © 2017 Elsevier Inc. All rights reserved.
Extreme drought event of 2009/2010 over southwestern China
[J].
Characteristics of spring consecutive dry days with different durations across China based on the objective zoning approach
[J].
The eastward expansion of the climate humidification trend in northwest China and the synergistic influences on the circulation mechanism
[J].
