冀 航， 刘 娟， 薛昌颖， 李浩宁

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003； 2.郑州大学生态与环境学院，郑州 450001；3.河南省标准化研究院，郑州 450046； 4.河南省气象科学研究所，郑州 450003； 5.滑县气象局，河南 滑县456400)

伴随着持续加重的全球气候变暖，持续不断发生的极端干旱事件对农业生产和社会等方面造成了诸多不利影响。对于极端干旱事件的研究、评估及预防，已成为当前世界气候变化研究中非常重要的一部分。河南省大部分地区属于温带季风气候，淮河以南小部分地区属于亚热带季风气候，受全球气候变暖影响，干旱也呈多发频发的趋势，干旱形势越来越严峻，极端干旱气候事件的发生将对农业生产及社会生活等各方面均造成严重的不利影响。为了更好地预防干旱对农业生产的影响，对河南省极端干旱的研究迫在眉睫。

许多专家学者从气象角度对我国不同区域的极端干旱进行了研究和评估，构建了降水量距平百分率[1-3]、气象干旱指数[4-5]、标准化降水指数(SPI)[6-7]、标准化降水蒸散指数(SPEI)[8]、作物水分亏缺指数(CWDI)、palmer干旱指数(PDSI)[9]、连续无降水日数(CDD)等气象干旱指标。薛昌颖等[10]利用CWDI研究了近40年黄淮海地区夏玉米生长季干旱的时空特征。尤新媛等[11]利用CWDI分析了江苏省近30年冬小麦生长季干旱的时空变化规律。王文等[12]采用PDSI研究了长江中下游地区干旱分布特征。

长时间连续无降水是产生干旱的最根本原因，连续无降水日数(CDD)与区域干旱的时间和强度呈正比例关系。连续无降水日数最初是用来分析降雨特征的[13]，后来逐渐用作干旱指标分析干旱特征。江晓南等[14]利用广州市1951-2006年降水资料，采用连续无降水日数对广州季节性干旱进行了分析。刘莉红等[15]研究了中国北方地区下半年CDD的变化特征，结果表明，CDD呈线性增加的趋势，显著增加的年份在1960年和1996年前后，这与干旱现象的发生有着紧密的联系。

本文应用1971-2018年河南省84个气象观测站的逐日降水资料，采用连续无降水日数(CDD)作为极端干旱的分析指标，统计出1971-2018年每年6-9月最长连续无降水日数，对河南省近48年的夏季极端干旱现象时空变化特征进行分析。

1 材料与方法

1.1 资料来源

文中所采用的数据为河南省地面气象站1971-2018年的逐日降水量数据，根据各台站气象资料的完整性，通过筛选确定84个站点，数据均来源于河南省气象局。

1.2 指标选择

连续无降水日数(以下简称CDD)指一年中连续无降水日数的最大值，是世界气象组织推荐使用的表征极端干旱的指标之一。本文选用CDD指标来分析河南省夏季(6-9月)极端干旱的时空变化特征。

1.3 数据处理

1.3.1 时空特征分析

利用Excel软件对数据进行基础处理和分析。对CDD时间序列数据进行一元线性拟合，定量描述极端干旱的变化情况。

采用气候倾向率，即一元回归方程斜率×10，来表征夏季极端干旱的时间变化趋势及速率。用变异系数来反映极端干旱指标年际间的波动。

采用Surfer9.0软件的Kriging对各站点的分析要素进行空间插值，生成空间栅格数据，并对要素值进行分类，得到相应的空间分布图。

1.3.2 突变及周期分析

采用距平和累积距平分析极端干旱的波动及变化趋势。对于长时间序列的趋势与突变分析，Mann-Kendall检验法是世界气象组织(WMO)推荐并已广泛使用的非参数检验方法。该方法最初由Mann和Kendall提出，许多学者应用Mann-Kendall方法来分析降水量、径流量等环境要素时间序列的趋势变化[16]。对统计序列UF、UB分析可知，UF、UB两条曲线的交点即是突变开始的时间。对极端干旱指标时间序列进行M-K检验，以分析河南省夏季极端干旱是否存在突变并确定突变年。

采用Morlet复小波分析来确定极端干旱指标的变化周期[17]。小波变换系数的实部包含给定时间和尺度下相对于其他时间和尺度的信号强度和位相两方面信息，而小波方差能反映各种尺度的波动及其强弱随尺度变化的特征。本文选用小波变换系数的实部和方差两个参数来反映极端干旱的变化周期。

2 结果分析

2.1 河南省极端干旱年际及年代际变化

河南省6-9月全省平均CDD指标年际变化情况如图1(a)所示。全省6-9月CDD年际间波动比较大，最小值出现在1984年，为11.5 d，而最大值出现在1997年，长达27.6 d；在近48年中，CDD值在20 d以上的年份有8年，15～20 d的有22年，10～15 d的有17年。CDD总体上呈现逐渐升高的变化趋势。根据一元线性回归方程拟合结果，以平均0.4 d/10a的速率递增。

全省平均CDD指标年代际变化情况如图1(b)所示。

图1 1971-2018年河南省夏季最大连续无降水日数(CDD)年际变化(a)和年代际变化(b)

由图1(b)可看出，CDD随年代基本呈逐渐升高的趋势。从年代平均值来看，1970s和1980s的最低，平均为16.0 d，2010s的最高，平均为18.0 d，1990s的次高，平均为16.8 d；2000s的略低于1990s，平均为16.5 d。由此可见，增幅最大年代为2000s至2010s，平均增加1.5 d，而1980s至1990s增幅也较大，平均增加0.8 d。因此，从时间变化趋势看，河南省极端干旱呈现逐渐加重的变化趋势，2010s是发生极端干旱现象最为严重的年代。

2.2 不同区域极端干旱年际和年代际变化

河南省不同地区平均CDD时间变化情况如图2所示。从一元回归方程系数可以看出，各地区平均CDD时间变化趋势一致，均呈现出逐渐升高的趋势。其中，豫北地区增速为0.24 d/10a，豫东地区的为0.13 d/10a，豫南地区的为0.62 d/10a，豫西地区的为0.76 d/10a，豫西南的为0.42 d/10a，豫中地区的为0.55 d/10a。由此可见，各地区CDD增速由大到小的顺序依次为豫西、豫南、豫中、豫西南、豫北和豫东的。

变异系数可反映年际间波动的大小。豫东地区CDD变异系数为0.19，年际间波动最小；豫西地区CDD变异系数为0.25，年际间波动最大；其他地区变异系数在0.22～0.24，波动程度相近。

豫北、豫西、豫中、豫西南平均CDD最高的年份均是1997年，平均CDD分别为29.9 d、31.2 d、31.9 d和27.5 d。豫南和豫东的最高值分别出现在2016年和2001年，平均CDD为30.4 d和22.2 d。豫北、豫南、豫东、豫西、豫西南和豫中平均CDD在20.0 d以上的年份分别为11年、5年、8年、6年、4年和5年。可见，豫北地区极端干旱发生风险更高。

图2 河南省各地区夏季最大连续无降水日数(CDD)年际变化(a)豫北，(b)豫东，(c)豫西，(d)豫西南，(e)豫南，(f)豫中

河南省各地区夏季最大连续无降水日数(CDD)年代际变化如图3所示。从各个地区年代际变化对比来看，各地区平均CDD年代际变化与全省平均CDD年代际变化基本一致。其中，豫南地区呈现为持续升高的趋势，而其他地区呈波动中上升。各地区极端干旱最大值均出现在2010s，表明大范围极端干旱发生具有年代性。豫北、豫西和豫中最大值分别为18.5 d、18.3 d和18.0 d，豫南、豫西南和豫东的分别为17.4 d、17.1 d和17.0 d；次高值各地区不一致，其中豫北的出现在1980s，豫西、豫中和豫西南的出现在1990s，豫南的出现在2000s，而豫东地区1970s至2000s年代平均CDD无明显变化。平均CDD年代最低值豫中、豫南和豫西南均是出现在1980s，分别为15.1 d、15.1 d和14.5 d，豫北和豫东出现在1990s，而豫西则是1970s的最低。

对比不同地区年代间增幅可见，增幅最大的是豫西地区，从1970s的15.1 d到2010s的18.3 d，增幅达3.2 d；其次是豫中，从1980s的15.1 d至2010s的18.0 d，增幅为2.9 d；豫北、豫南和豫西南的分别为2.0 d、2.3 d和2.6 d，豫东的增幅最小，为1.0 d。

图3 河南省各地区夏季最大连续无降水日数(CDD)年代际变化

2.3 极端干旱指数不同年代空间分布

河南省不同年代夏季最大连续无降水日数(CDD)空间分布如图4所示。

图4 河南省不同年代夏季最大连续无降水日数(CDD)空间分布(a)1971-2018，(b)1971-1980，(c)1981-1990，(d)1991-2000，(e)2001-2010，(f)2011-2018

近48年平均情况看，全省大部地区最大连续无降水日数为16～18 d，许昌、漯河、洛阳、平顶山的局部地区在16 d以下。从平均CDD分布范围可以看出不同年代间的变化情况。1970s河南省大部分地区CDD为14～16 d，16～18 d范围内的地区主要分布在郑州、开封、漯河、许昌大部分地区，以及周口、安阳、商丘、南阳部分地区，18 d以上的地区主要分布在濮阳；平均CDD在18～20 d范围的地区有商丘、漯河、濮阳的部分地区；濮阳少部分地区平均CDD在20 d以上。1980s与1970s相比，各CDD范围的覆盖面积无明显变化，但16～18 d的分布区域产生了变化，主要分布在豫北、豫西和豫东地区，此外18 d以上的分布区域有所扩大。至1990s，全省大部分区域平均CDD为16～18 d，与1980s和1970s相比覆盖面积显著增加，且18～20 d的分布区域向南转移，主要分布在郑州、开封和许昌地区，16 d以下的低值区主要分布在三门峡、南阳西北部、安阳大部，以及商丘和信阳部分地区。2000s与1999s相比，平均CDD为16～18 d的分布区域有所缩小，南阳大部，以及洛阳、平顶山、信阳的西南部转为16 d以下的低值区，18 d以上的分布区域也有所减少。但到了2010s年代，全省极端干旱程度明显加重，绝大部分地区平均CDD都在16 d以上，且18 d以上的分布范围显著扩大，覆盖了豫北、豫西、豫中大部，以及豫东、豫西南和豫南的部分地区，仅商丘、南阳和信阳的局部地区平均CDD在16 d以下。再次表明极端干旱在2010s的加重趋势。

2.4 极端干旱突变及周期变化

采用距平值反映极端干旱发生的波动情况。图5(a)为1971-2018年河南省CDD距平变化情况。1971-1996年，河南省CDD距平以负值为主，表明这期间极端干旱发生程度低于平均值，但1996年以后为正值的年份明显增多，表明极端干旱发生程度总体上高于平均值，呈现增加的趋势。图5(b)为CDD累积距平变化图，1971-1996年CDD累积距平整体上呈现下降的趋势，1996年以后总体上呈现上升的趋势。由曲线的转折可初步判断CDD经历了一次显著的波动。根据M-K突变检验图5(c)中UF和UB曲线的交点，可以判断CDD在20世纪90年代中期发生一次突变。

图5 1971-2018年河南省夏季最大连续无降水日数(CDD)距平(a)、累积距平(b)及M-K曲线(c)

图6为1971-2018年河南省CDD的复值Morlet小波变换系数的实部(a)与方差(b)分布图，通过二者结合可以进行周期分析。根据小波分析结果可看出，河南省夏季CDD存在5～7 a的小尺度演变周期，该演变周期在90年代中后期更加显著；另外还存在一个15～21 a的中尺度演变周期，该周期在全域范围内都较显著。

图6 1971-2018年河南省6-9月CDD小波系数实部(a)和方差(b)

3 讨 论

夏季是河南省降水最为集中的阶段，但受气候变化影响，夏季持续高温少雨日数不断增多，特别是近10年来更趋于严重。大范围极端干旱的发生不仅影响农业生产，更可能会对人民生活造成严重的威胁，甚而影响到社会各行各业。本文采用最大连续无降水日数指标，从短时间尺度分析了河南省夏季极端干旱的变化特征，结果表明，河南省夏季极端干旱也正经历一个逐渐加重的发展阶段，无论是持续时间还是空间分布范围，2010s都是干旱发生较为严重的时期。薛昌颖等[18]利用地表湿润指数，从月尺度对河南省夏季极端干旱的分析，也表明无论发生频数还是站次百分比在2010s 均呈现回升的趋势，但月尺度的发生频数呈现微弱下降趋势，这主要是由于二者所采用指标的时间尺度不同所致。

极端干旱发生的原因极其复杂，受各种因素综合作用的影响。现有研究[19]表明，东西伯利亚(鄂霍次克海)阻塞高压的稳定维持，对华北平原极端干旱的形成起着重要的作用。本文只是针对夏季极端干旱的表现形式，即长时间的无降水的变化情况进行了分析，对于不同程度极端干旱发生的具体原因今后还需结合气候资料作进一步的研究。

4 结 论

本文利用最大连续无降水日数(CDD)，探讨了河南省近48年夏季极端干旱的时空分布。主要结论如下：

(1)从全省整体来看，近48年来，全省平均6-9月CDD处在一个缓慢上升的阶段。2010s平均CDD最大，表明河南省夏季极端干旱趋于严重。全省大部分地区平均CDD为16～18 d，年代际间呈逐渐上升的趋势，并在2010s达到最大值，表明极端干旱程度在2010s明显加重。各个年代平均CDD最大值几乎均集中在豫北地区。

(2)从各个地区来看，近48年来随着时间推移各个地区平均CDD都在逐年增加，增速最快的为豫南地区，最慢的为豫东地区。豫北地区极端干旱发生概率最高，豫西南发生概率最低。各个地区平均CDD年代际变化呈现波动中上升的趋势，和全省平均CDD年代际变化基本一致。

(3)河南省夏季CDD在1996年前后发生一次突变，并存在明显的5～7 a的小尺度演变周期。