1961～2022年长江流域高温干旱复合极端事件变化特征

梅 梅，高 歌，李 莹，王 国 复，代 潭 龙，陈 逸 骁

(1.国家气候中心，北京 100081； 2.国家气候中心 中国气象局气候研究开放实验室，北京 100081)

0 引 言

随着气候变暖的加剧，高温、洪水、干旱、寒潮等极端事件的频次和强度发生着重要变化，多致灾因子驱动的极端事件在时间和空间角度高度重合[1]，引发的复合型极端事件逐渐得到更多关注。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告对复合型极端事件开展了深入评估，其中针对高温热浪和干旱复合事件的评估表明：20世纪50年代以来，人类活动对全球高温干旱复合事件增多起重要贡献，并且未来许多区域的复合事件概率将随气候变暖加剧进一步增加[2]，其中包括欧亚大陆北部、欧洲、澳大利亚东南部、美国大部、中国西北部和印度等地[3-4]。已有研究表明，青藏高原及新疆部分地区以外的中国大部分地区为复合高温干旱事件的高发区[5]，20世纪90年代以来中国西南地区、西北地区东部、华北北部以及东南沿海地区复合事件增速显著[6]，东部人口密集、区域干旱气候影响和城市化作用都是复合事件增加的重要影响因素，而高温增加是驱动高温干旱复合事件变化的主要因子[7]。

长江流域气候受季风影响显著，当夏季东部主雨带北移至华北地区时，流域受西北太平洋副热带高压控制，高温、伏旱易发[8]。在气候变暖背景下，长江流域高温、干旱极端事件的时空分布特征也在发生明显变化。1961～2010年长江流域高温热浪次数、持续时间、强度整体均呈现先减后增的趋势[9]。21世纪以来，川渝、江南等地区的高温热浪次数、强度和持续时间均呈现增加趋势[10-12]。从干旱季节分布特征演变来看，21世纪以来长江中下游的干旱频繁发生于夏秋季节，其中极端干旱易发生于秋季[13]。2019年以前长江中下游综合强度指数前10位的区域性干旱过程中有8次时间跨度涵盖了夏秋季节[14]。1951～2015年长江流域发生季节性干旱的面积呈整体扩大趋势，2000年后趋势有所减缓[15]。从干旱空间分布特征演变来看，长江流域1961～2015年干旱发生频率升高的区域集中在长江上游的四川盆地以及云南和贵州省北部地区，长江源头、川西高原和长江中下游的干旱发生频率总体呈减少趋势[16]。2000年后流域东南部有旱化态势，流域内“南涝北旱”特征明显[15]。可以发现，21世纪以来，长江流域的高温和干旱的时空重合度增加，例如2013，2019年和2022年均发生了严重的高温干旱复合事件[17-19]。

2022年夏季，中国中东部出现1961年以来综合强度最强的一次高温过程，长江流域多地日最高气温破历史记录[17，20]；极端高温叠加极端少雨，复合影响促使干旱程度增强、干旱发展加快；季节短期干旱与年际异常干旱叠加；干旱影响汇流区，需水期与枯水期叠加，发生了全流域罕见的严重干旱[19-21]。已有不少研究从高温、干旱监测评估、气象成因等角度对此进行分析[22-25]。另有研究对长江流域农业干旱、因旱人饮问题及综合风险开展研究[26]，亦有研究关注到了高温干旱复合事件在湖北省的变化特征[27]。在近年来气候变暖持续、极端高温加剧的大背景下，长江全流域高温干旱复合事件的演变趋势和相互关系存在新的特征。考虑到长江流域横跨青藏高寒区、西南热带季风区和华中亚热带季风区3个气候区，区域水汽输送途径不同、地形地貌差异较大的综合影响，高温干旱复合事件在上、中、下游表现出的特殊变化还需进一步探讨。因此，本研究基于逐日气象观测数据，分别利用百分位阈值法和气象干旱综合指数(Meteorological Drought Composite Index，MCI)识别极端高温事件和干旱事件，取二者交集定义高温干旱复合极端事件，分析了2022年6～10月相对1961～2022年同期3类灾害不同特征指标的变化，各自的长期变化趋势以及相互关系，最后基于综合指数对长江流域上、中、下游历史上3类灾害综合危险性进行评估，以期为深入认识长江流域高温干旱复合极端事件的规律，加强灾害风险评估业务能力建设提供科学支撑。

1 研究区域和数据来源

研究区域为长江流域(90°33′E～122°25′E，24°30′N～35°45′N)，流域划分为上、中、下游3个区域。选取1961～2022年站点日最高气温和MCI缺测率在5%以内站点，全流域共332站。考虑到2022年6月高温开始发展，且7～10月是长江流域夏秋连旱最严重的时段，因此本研究主要关注长江流域6～10月高温和干旱特征及其与常年的比较。

本文采用国家气象信息中心提供的中国国家级地面气象站1961～2022年的日最高气温数据[28]；干旱监测指标采用国家气候中心业务运行实时更新的逐日气象干旱综合指数MCI数据集[29]。

2 研究方法

2.1 极端事件识别方法

极端高温事件的识别方法如下：① 选取单站1961～2022年某日以及前、后7 d(共15 d，样本量为15×62=930)的日最高气温降序排列，取前90%分位值作为该日高温的极端阈值[30]；② 当日最高气温超过该日的极端阈值，则记为一次极端高温事件。

极端干旱事件的识别方法如下：根据GB/ T 20481-2017《气象干旱等级》[29]，基于MCI对干旱事件进行识别。MCI考虑了60 d内的有效降水(权重累计降水)、30 d内蒸散(相对湿润度)以及季节尺度(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(aSPIW60+bMI30+cSPI90+dSPI150)

(1)

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和SPI150为90 d和150 d标准化降水指数；Ka为季节调节系数；a，b，c，d为权重系数。相关指数的计算和参数取值参见GB/T 20481-2017《气象干旱等级》。该指数在展现干旱时空分布、诊断典型干旱过程、避免不合理跃变以及与土壤墒情和干旱灾情的相关性等方面的综合适用性较好[31]，已在国家级和省级气象干旱监测评估业务中得到广泛应用。由于MCI指数在计算过程中已经考虑了站点之间的差异，采用中旱及以上等级标准作为干旱的极端阈值，即当某日MCI≤-1则记为一次极端干旱事件。当某日同时出现极端高温事件和极端干旱事件，则记为一次高温干旱复合极端事件。

为评估高温和干旱变化对复合事件的影响，将各站日最高气温、日MCI值与其各自阈值之差的绝对值，分别利用最大值、最小值法进行归一化处理(0～1)[26]，定义为极端高温、干旱事件的强度，二者的平均值作为高温干旱复合极端事件的强度；最大强度定义为当年某类极端事件强度中的最大值；当连续2 d及以上出现某类极端事件则记为一次持续过程，当年该类极端事件的平均持续时间为所有过程持续时间的平均值，最长持续时间为单站所有过程持续时间中的最大值。

本文利用最小二乘回归法计算线性趋势，并经过显著性t检验。为增加不同站点、不同事件和不同指标之间的可比性，单站极端事件发生频次、强度和持续时间的趋势均被转化为相对1961～2022年平均值的变化趋势(%/10 a)来展示。

2.2 综合风险评估方法

综合考虑3类事件(高温、干旱和复合事件)的频次、强度、最大强度、持续时间、最长持续时间以及影响面积[31]，得到长江上、中、下游3类事件各年6～10月区域平均的综合危险性指数，并对长江流域历史上极端年进行由强到弱排序，选出其中前20强。此处定义综合危险性指数(R)为

R=0.3D+0.2I+0.2Imax+0.1L+0.1Lmax+0.1A

(2)

式中：D，I，Imax，L，Lmax分别为区域平均事件的频次、平均强度、最大强度、平均持续时间和最长持续时间；A为影响面积。根据泰勒多边形法，先计算区域内每个站的代表面积，当评估时段内该站发生过一次事件，则将该站代表面积进行累加，得到区域总影响面积。上述指标均进行了归一化处理。在对极端事件综合危险性指数赋权时，通常对频次和强度两个指标赋予较高的权重[32-34]，据此给出式(2)中的权重系数，最终得到的综合危险性较高的高温、干旱事件贴近历史上较强灾害事件的有关记录[35-38]。

3 结果分析

3.1 2022年长江流域高温干旱复合极端事件特征分析

2022年6～10月，长江中下游至川渝地区高温(超过35 ℃)和干旱日数分别在10 d和45 d以上，均自西向东递增，湖北省西部至重庆市东部、湖南省西北部和江西省东部是高温、干旱频次高值区的叠加中心(见图1)，上述地区受高温干旱复合极端事件影响大。从高温和干旱发生站比的时间演变看，高温和干旱的影响范围在6月下旬开始快速扩大，上、下游地区的高温和干旱均同步高发；8月上旬全流域高温大范围持续、干旱快速发展达到峰值，高温干旱复合特征最为显著；进入秋季，高温明显缓解，大范围干旱仍在持续(见图2)。总的来说，高温干旱复合事件阶段性发生，特别在川渝至长江中下游地区复合事件频次较高。

图1 2022年6～10月长江流域高温和干旱日数分布Fig.1 Distribution of high temperature and drought days in Changjiang River Basin during June to October in 2022

图2 2022年6～10月长江流域上、中、下游高温和干旱站数占区域总站数的比例逐日变化Fig.2 Daily proportions of high temperature and drought stations to the total number of stations in the upper，middle and lower reaches of Changjiang River Basin during June to October in 2022

从极端事件频次来看(见图3(a)～(c))，2022年6～10月长江流域90%以上站点高温、干旱和复合事件的发生次数相对多年平均明显偏多，且复合事件增幅最大，多数站点偏多2倍以上；除四川省东北部以及长江下游部分站点以外，高温、干旱和复合极端事件在绝大多数站点的异常分布具有区域一致性特征。从极端事件的强度来看(见图3(d)～(i))，中下游高温强度普遍偏高40%～80%，最大强度在干流周边偏大1～2倍；川渝地区高温的平均和最大强度均偏大40%至2倍以上。除干流个别站点外，干旱强度整体偏强，其中江南地区偏强80%至3倍以上。复合事件平均和最大强度变化的空间特征与高温较为一致，仅四川省东北部和下游局地表现为与干旱强度一致的偏弱特征。从持续时间(图略)和最长持续时间来看(见图3(j)～(l))，在四川盆地东部和江西省东北部，高温和复合事件较多年平均偏长的特征最为明显；需要注意的是，由于干旱最强中心在上、中、下游不同地区有明显阶段性变化(见图2)，因此在单个站点上表现出来的持续性较历史平均水平偏低，这与2022年干旱长时间影响长江流域并不矛盾。总体来看，2022年6～10月，长江全流域高强度和持续性的高温、干旱以及复合极端事件频发，其中四川盆地东部、长江中下游干流及以南地区是高温干旱复合极端事件相对影响最大的区域。

图3 2022年6～10月长江流域高温、干旱和复合事件不同指标相对1961～2022年平均的变化(单位：%)Fig.3 The changes of the different indicators of high temperature，drought and compound extreme events in Changjiang River Basin from June to October 2022 relative to the mean of 1961 to 2022

3.2 1961～2022年长江流域高温干旱复合极端事件演变趋势

1961～2022年期间，6～10月长江流域高温、干旱和复合极端事件的频次、平均强度和平均持续时间的线性变化趋势如图4所示。高温频次在全流域绝大多数站点呈显著增加趋势；干旱频次表现为上中游增加和下游减少的趋势，在纬向上趋势分布相反；复合频次呈现整体增加的趋势，四川盆地中南部、云南省北部，以及江西省东南部地区的增速显著，且以上地区也是三类事件一致增多的区域。从强度来看，川渝地区、中游干流附近、云南省北部等地的高温平均强度显著增大；长江中下游干流周边多站的干旱强度减弱，其中宜昌至城陵矶段减弱趋势显著；四川盆地东部、江西省和湖南省中部复合事件强度显著增加，且增幅明显大于高温强度的增速。从持续时间看，巢湖、鄱阳湖和洞庭湖段的局地，高温持续时间显著增加；四川盆地东部、江西省中南部、干流洞庭湖段复合事件的持续时间显著增加。总体来看，与2022年长江流域高温、干旱和复合事件一致性变化特征不同，三类事件在不同区域的长期变化趋势相差较大，四川盆地东部和长江流域东南部地区是高温干旱复合事件风险增加最明显的地区。已有研究表明，年尺度上流域来水对洞庭湖水文干旱有更大影响[39]。流域上游地区高温、干旱和复合风险的显著增加，不仅可以对局地产生影响，还可以通过上游来水的亏缺对中、下游产生影响，高温干旱复合极端事件的持续时间在延长，持续高温进一步加速中、下游河湖蒸发，再加之上游来水减少，仍可能加剧中、下游的干旱风险。

注：通过90%显著性t检验的为实心圆，下同。图4 1961～2022年6～10月长江流域高温、干旱和复合事件不同指标的相对变化趋势(单位：%/10 a)Fig.4 Linear trends of high temperature，drought and compound extreme events with respect to their mean values in Changjiang River Basin during June to October from 1961 to 2022

图5展示了长江流域三类极端事件的最大强度和最长持续天数趋势分别占平均强度和平均持续天数趋势的比值，反映了极端事件极端性的相对变化趋势，暖色代表最大值和平均值的变化趋势是同号的，冷色则相反。从最大强度的变化趋势来看，在下游地区和流域东南部，高温最大强度的增加趋势是平均强度的2～6倍，局地高达6～10倍，而复合极端事件在四川盆地东部、流域东南部和云南省北部部分地区达到2～3倍，局地高达3～5倍，说明高温和复合极端事件的极端性整体趋于更强；干旱在全流域整体表现出最大强度与平均强度同向变化的特征。如果平均强度增强而最大强度减弱，说明其增强的极端事件正在趋向中等或较弱强度的极端事件发展，但这种情况仅在干旱事件中的局部站点观测到。从最长持续时间的变化趋势来看，四川盆地东部以及流域东南部高温和复合事件的极端持续性增强的特点较明显。

图5 1961～2022年6～10月长江流域高温、干旱和复合事件的最大强度(最长持续天数)相对变化趋势与平均强度(平均持续天数)相对变化趋势的比值Fig.5 Comparisons between relative trends for the intensity of strongest events(the duration of longest events) and mean intensity(mean duration) of all extremes in high temperature，drought and compound extreme events respectively during June to October from 1961 to 2022

复合事件是高温和干旱事件的交集，它的变化趋势同时受到高温和干旱二者并集(总事件)以及交集变化的双重影响。总事件频次(见图4(a)～(b))增加的多数站点，其复合时间在总事件频次中的占比也同时增加(见图6(c))，说明复合事件的增速快于3类事件总体的增速；由于高温频次整体显著增加、干旱增加不显著或下降(见图4)，高温事件的快速增加对复合事件增加有主要贡献，这与前人的研究相一致[7]；同时复合事件在高温事件中占比减少(见图6(a))，说明复合事件以外的独立高温事件增速更快；复合事件在干旱事件中占比明显增加(见图6(b))，意味着有越来越多的干旱事件与高温相关联，在四川盆地东部和长江流域东部这种特征尤其显著。

图6 1961～2022年6～10月长江流域高温干旱复合极端事件频次在高温、干旱以及总事件中占比的变化趋势(单位：%/10 a)Fig.6 Linear trends for proportions of compound events frequency to high temperature，drought and total extremes frequencies during June to October from 1961 to 2022

3.3 长江流域高温、干旱和复合极端事件的综合危险性评估

长江上、中、下游3类事件区域平均频次、平均强度和最长持续天数逐年的变化特征如图7所示。高温频次在不同区域均表现出显著增加趋势，而干旱频次的年际波动较大，但二者在2000年以后更加趋于同频变化，且复合事件的发生频次以及在3类总体事件中的比例都有明显增加。对于上、中游地区，20世纪70年代末至80年代初是近期以外的另一个复合事件高发时段。上、中游地区高温和复合事件的强度显著增加，20世纪90年代末以后，高温事件强度对复合事件强度起主要贡献的年份明显增多。与其他两个地区相比，上游复合事件最大持续天数的增速最显著，而下游复合事件最大持续天数平均水平偏低且年际波动较大。总体来讲，3类极端事件在年际尺度经常同频变化，2022年3类极端事件的频次、强度和持续时间均为1961年以来之最。

注：图例后为线性趋势，单位为%/10 a；*和**分别代表趋势通过90%和95%显著性检验；图(a)～(c)中填色代表复合事件频次在总事件中的占比；图(d)～(f)中复合事件强度主要由高温事件强度贡献的为灰色填色，主要由干旱强度贡献的为图案填色。图7 1961～2022年6～10月长江流域区域平均高温、干旱和复合极端事件指标的变化特征Fig.7 Variation of the regional mean indicators of high temperature，drought and compound extreme events in the Changjiang River Basin during June to October from 1961 to 2022

表1为长江流域高温、干旱和复合事件综合危险性排名前20强的年份。在综合危险性较高的年份中，相对其他两类事件，高温事件更加倾向于影响全流域，尽管在上、中、下游中的两个区域发生严重干旱相对频繁，但全流域性干旱较少发生，仅在1979，1991，1992年和2022年的4 a中出现。在部分复合事件综合危险性较高的年份中，其高温和干旱的综合危险性均一般，如上游在1961，1966年和1981年，中游在1997年和1967年，下游在1964年；另有一些年份，尽管高温和干旱的危险性等级均不是最高，但与其相关的复合事件仍具有高危险性；相对其他两个区域，下游区域强高温、强干旱共同发生的年份，更容易导致强复合事件的发生。

表1 长江流域高温、干旱和复合事件综合危险性排名前20年份Tab.1 Top 20 based on the composite risk index for high temperature，drought and compound extremes events in Changjiang River Basin

高温干旱复合极端事件相较单独事件，会产生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[27]。21世纪以来，6～10月发生高危险性高温干旱复合极端事件且影响范围覆盖长江全流域的有2006，2013，2019年和2022年(见表1)，均对农业生产、水资源供给、能源供应、生态系统平衡及人体健康产生了较大影响，其中前3个年份在极端高温影响下，仅干旱本身造成的直接经济损失均超百亿元[36-38]。2022年长江流域夏、秋高温干旱复合事件的频次、强度、最长持续时间以及综合风险均位居历史首位(见表1)，导致7月以来长江流域上中下游同枯，8月长江中下游干流枯水重现期大于100 a一遇[40]，河湖干涸、温高导致野生水生生物死亡，川渝地区出现了严重电力供需失衡，四川省、重庆市、贵州省、江西省、湖南省等地发生多起森林火灾；8月份旱情峰值时，全国共有449万人因旱需生活救助，农作物受灾面积42.84万hm2。

4 结 论

(1) 2022年6～10月，长江全流域高强度和持续性的高温、干旱和复合事件一致频发，且复合事件的频次、强度、最大强度和最大持续时间显著偏大(强)；综合评估得到，四川盆地东部和长江中下游干流沿线及以南地区是2022年高温干旱复合事件相对影响最大的地区。

(2) 1961～2022年高温、干旱及其复合事件在不同区域的变化趋势相差较大，但高温干旱复合风险在四川盆地东部和长江流域东南部增加显著；虽然中下游干流周边干旱风险较低，但在局地复合事件持续时间的增加以及上游复合事件风险增大影响的叠加作用下，仍可能加剧中、下游的干旱风险。

(3) 流域东南部是高温和复合极端事件强度、持续时间极端性一致增强最显著的区域，充分表现了气候变暖背景下极端事件将变得更为极端的特点。干旱在全流域整体呈现出最大强度与平均强度同向变化的特征，即最大强度的变化趋势进一步放大了平均强度的变化趋势。高温事件增加是复合事件增加的主要原因，且越来越多的干旱事件与高温关联；上、中游在20世纪90年代末以后高温事件强度对复合事件强度起主要贡献的年份明显增多。

(4) 从综合危险性来看，全流域强高温事件并发的年份较多，而严重干旱常在上、中、下游中的两个区域内发展演变。历史上6～10月发生高危险性高温干旱复合事件且影响范围覆盖长江全流域的有2006，2013，2019年和2022年，均对农业生产、水资源供给、能源供应、生态系统平衡及人体健康产生了较大影响。

本研究揭示了高温干旱复合事件在长江流域的演变特征，但对于全球气候变暖、极端事件频发重发新常态下[41]，高温干旱复合事件呈现出的新特点还有很多有待研究的课题。例如通过识别区域极端事件，进一步分析刻画高温干旱复合事件的时空演变特征；利用熵权法[42]等改进综合危险性指数计算过程中的客观一致性；加入农业、水文、经济等更多承载体信息，逐步实现危险性评估向综合风险评估的过渡。通过分析，发现长江流域越来越多的干旱事件趋于与高温事件相联系，高温和降水在不同区域的协同关系是否发生变化，这背后的气候系统演变成因也值得进一步探究。在此基础上，对长江流域高温干旱复合事件发生演变的特征及综合风险的未来预估也是一个重要的研究内容。