长江流域气象—水文复合高温干旱事件的多变量时空格局与传播特征

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Multivariate spatiotemporal patterns and propagation characteristics of meteorological and hydrological compound hot-drought events in the Yangtze River Basin

　　

复合高温干旱事件（Compound Hot–Drought Events, CHD events）通常指异常高温与降水亏缺或干旱条件同时发生或在时间上显著重叠并相互作用的极端气候事件。世界气象组织指出，在全球持续变暖背景下，极端天气和气候事件正变得更加频繁、广泛、强烈和并发。全球变暖改变了极端气候事件驱动因子之间的关系，增加了多种极端事件同时或相继发生的概率。高温可增强蒸散（evapotranspiration）并加速土壤水分消耗，从而加剧水分亏缺；反之，干旱条件降低土壤水分、抑制潜热通量（latent heat flux）并增强感热通量（sensible heat flux），进一步放大地表增温。与单一极端事件相比，复合高温干旱事件更可能触发严重自然灾害并造成更大的社会经济损失。因此，理解复合极端事件的特征和机制已成为当代气候与水文研究的重要前沿。研究人员从气象和水文两个视角评估长江流域（Yangtze River Basin, YRB）复合高温干旱事件，采用联合阈值法（joint threshold method）识别事件，使用标准化降水指数（Standardized Precipitation Index, SPI）和标准化径流指数（Standardized Runoff Index, SRI）分别表征气象干旱和水文干旱，并利用游程理论（run theory）提取事件历时、强度、烈度等属性。研究量化了CHD事件从气象到水文的传播时间，并分析事件日数、干旱强度、高温强度、干旱历时和干旱烈度等多指标时空变化。结果表明，复合高温干旱条件在研究期总体增强，尤其在2000年代后；气象事件在中东部更明显，水文事件在中下游更强；气象到水文传播时间因站而异，以宜昌最长；气象复合高温干旱特征与厄尔尼诺—南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO）、太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）和印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole, IOD）关系更密切，而水文响应与ENSO和IOD关系更强。研究人员认为，该研究有助于改进对CHD事件的理解和管理。

论文解读

研究背景：复合高温干旱事件（Compound Hot–Drought Events, CHD events；指异常高温与降水亏缺或干旱同时发生或显著重叠并相互作用的极端气候事件）在全球变暖下日趋频繁、广泛、强烈和并发。高温增强蒸散并加速土壤水分消耗，干旱又抑制潜热通量、增强感热通量并放大地表增温，使复合事件比单一极端事件更易造成严重灾害。长江流域（Yangtze River Basin, YRB）是中国重要经济走廊、生态屏障和粮食产区，人口密集、经济活动集中、生态系统相对脆弱，且2006、2011、2013、2019、2022等年份发生严重区域干旱。已有研究多从气象视角考察CHD事件，其水文表现理解不足，且常用单一指标，缺少整合多事件特征的统一框架。因此，研究人员从气象和水文两个视角，围绕气象与水文CHD事件时空差异、以及干旱强度、高温强度、事件频率、干旱历时和干旱烈度如何共同描述长期变异展开研究。

关键技术方法：基于YRB 1980—2024年月/日气象观测（降水、日最高气温）和1960—2022年日径流观测，选取宜昌、大通、北碚、武隆、城陵矶、丹江口、湖口、直门达8个水文站；气象数据来自中国气象数据服务中心，径流来自水利部长江水利委员会水文局，气候指数来自NOAA CPC/PSL和JAMSTEC。用SPI和SRI表征气象与水文干旱，以SPI/SRI≤?0.5和T₉₀或30 °C下限的联合阈值法识别CHD事件，用游程理论提取事件日数、干旱强度、高温强度、历时和烈度，以Pearson相关和滞后相关分析传播及气候指数关系，用Kriging插值和Kruskal–Wallis检验分析空间差异。

研究结果：

3.1 各子流域高温阈值与高温日发生的空间变异：通过站点T₉₀统计与年高温日计算，研究人员发现多数站T₉₀超过30 °C，湖口最高34.49 °C，武隆较低31.20 °C；直门达、宜昌、大通T₉₀低于30 °C，故采用30 °C固定阈值。调整后直门达无高温日；丹江口高温日年际变率最大，2022年最多69天、1983年最少12天；湖口年际变率较小，最大与最小仅差4天。大通多年平均高温日最多43天，湖口最低2.87天；2015年武隆、城陵矶、丹江口高温日异常低，湖口和武隆少于10天。

3.2 气象与水文干旱的月尺度变化分析：通过12个月SPI和SRI时间序列分析，研究人员发现两类干旱均呈明显年际至年代际干湿交替。气象干旱所有站均出现，但频率和持续性不同：北碚、武隆SPI多在?1附近，以轻微干旱为主；宜昌、城陵矶、湖口多次持续低于?1，达到严重至极端气象干旱；大通SPI年际变率强，1990年代末、2000年代初、2011—2012年及2023年后干旱加剧。12-SRI站间差异更大，宜昌最小SRI约?3.73，为最严重；武隆、城陵矶、丹江口频繁负异常，2000年后多次严重至极端水文干旱；湖口2000年后SRI主要在0附近，水文干旱间歇且持续性有限。1990年代末至2000年代初和2007—2010年，部分站SPI信号弱而SRI中至严重，显示水文干旱相对气象干旱的滞后和累积；1980年代和2010年代短暂SPI干旱未转化为显著SRI，说明流域蓄水可缓冲降水亏缺。

3.3 复合高温干旱事件的时间特征：通过标准化多属性时间序列分析，气象CHD事件中除直门达外，各站事件日数增加，大通（p=0.009）和宜昌（p=0.002）显著增加；湖口增幅最大，线性趋势斜率0.19，丹江口较小为0.06。干旱强度早期较低，近二十年高峰更频繁，北碚平均干旱强度最高0.65，宜昌最低0.38。高温强度在宜昌和北碚2006年最高，分别为4.32和9.47；大通、武隆、湖口2022年最高，分别为3.94、7.13、4.74；2000年后高值更频繁，大通和宜昌显著增加（p<0.05）。干旱烈度除丹江口外增加，仅大通显著（p<0.05）；2023年宜昌、大通、武隆、城陵矶峰值分别为3.72、4.27、8.16、8.91。干旱历时早期较短，近年长历时事件更频繁。水文CHD事件主要呈个别年份高峰，无显著长期趋势（p>0.05）；事件日数所有站增加，丹江口趋势最强，斜率0.70，大通2018年最高63天。干旱强度所有站明显增加，大通2017年极端值2.36，平均最高1.28。高温强度整体增加，宜昌较弱；北碚2006年、丹江口2022年超过10，分别为10.43和11.17；2006年武隆、城陵矶、宜昌同时发生，武隆高温强度6.34。干旱烈度年际变异明显且多数站增加，宜昌2007年极端值超过14，武隆2000年后增加明显，趋势斜率0.0204，多次超过6。干旱历时长期增加，宜昌和大通主要集中在1—5个月并逐渐延长；武隆平均历时最长1.47，丹江口增加最明显，斜率0.057。

3.4 复合高温干旱事件的空间分布特征：通过224个气象站Kriging插值，研究人员发现气象CHD事件各指标空间格局区域对比明显。事件日数呈西低东高梯度，西部和高海拔低，中东部和东部高，最大747天；干旱强度中东部高、西部低；高温强度中北部高，最大9.70，西部和南部低；干旱烈度中东部和东部高、西部低；干旱历时中东部和东南部长，最大3.47，西部短。水文CHD事件方面，事件日中游较高，丹江口最大595天，大通最小205天；干旱强度从上游向中下游增加；高温强度站间差异大，丹江口最高5.81，大通最低2.01；干旱烈度和历时中下游大于上游。Kruskal–Wallis检验显示区域差异均不显著：事件日p=0.132，干旱强度p=0.499，高温强度p=0.499，干旱历时p=0.110，干旱烈度p=0.499，空间变异更多体现在单站间而非三个河段间。

4.1 长江流域复合高温气象干旱向水文干旱传播时间的特征与意义：通过0—12个月滞后相关分析，传播呈空间异质性。北碚、城陵矶、湖口、武隆在滞后0—1个月出现较强相关峰值，表明水文响应较快。高温与降水亏缺同时发生时，蒸散增强、土壤水分消耗、地表径流和地下水补给减少，基流下降，进而加剧径流亏缺。传播受前期土壤水分、流域蓄水、径流路径和地下水—河流连通性调节。大通和丹江口各滞后相关较弱且无显著峰值，说明月尺度气象干旱不必然持续转化为水文异常，可能受大下游控制流域平滑和人类调节影响；丹江口水库调节与传播时间延长和敏感性降低有关。宜昌在约8个月出现相关峰值，可能受三峡水库（Three Gorges Reservoir, TGR）调节影响；TGR运行增加气象—水文干旱传播阈值、延长传播时间，并使大部分YRB水文干旱特征减少约0.96—20.57%。因此，相似滞后可由不同流域特征和人类调节组合导致。局限是统计滞后关系不能完全分离自然流域效应与水库调节等人类影响，未来需自然化径流、水库调度和地表观测数据。

4.2 复合高温气象干旱与水文干旱发生的机制启示：通过ENSO、NAO、PDO、IOD与事件日数、干旱强度、高温强度、历时和烈度的相关分析，研究人员发现ENSO与多个CHD特征呈中至较强相关，但大小甚至符号随站点及气象/水文视角变化。城陵矶ENSO与事件日数最强负相关（r=?0.45），低ENSO指数条件对应更多复合事件；ENSO可通过太平洋—东亚遥相关调制西太平洋副热带高压（Western Pacific Subtropical High, WPSH）和东亚季风水分输送。NAO总体呈正相关，宜昌气象干旱强度r=0.52、水文事件日r=0.46，其他站较弱。PDO关系主要出现在宜昌、大通、城陵矶；IOD相关总体较弱且局限于特定站和事件特征。气象响应主要反映温度、降水和 moisture transport 异常，水文响应还受土壤水分储存、地下水补给、产流、汇流和水库调节过滤，因此同一气候驱动可产生不同相关大小甚至符号。相关分析不能确立因果，气候模态间可能相互混淆，水文站网有限及水库调节、地表条件、流域蓄水差异也影响站间对比。未来需结合环流场诊断、因果或多变量归因、自然化径流和水库调度数据。

讨论部分总结：该研究将气象与水文视角纳入多指标框架，表明CHD条件在研究期总体增强，尤其2000年代后；气象事件中东部更明显，水文事件中下游更强；传播时间站间不同，宜昌最长；气象特征与ENSO、PDO、IOD关系更密切，水文响应与ENSO、IOD关系更强，且相关关系具明显空间异质性。研究同时强调自然流域蓄水、水库调节、地表条件和气候模态相互作用的复杂性，统计关系尚不能完全归因。

结论翻译：本研究采用长江流域长期气象与水文观测，利用联合阈值法识别复合高温干旱事件，并检验其时空特征。复合高温干旱条件总体在研究期增强，尤其在2000年代后。气象事件在中东部更显著，水文事件在中下游更强。从复合高温气象干旱到水文干旱的传播时间因站而异，以宜昌滞后最长。气象复合高温干旱特征与ENSO、PDO和IOD更密切，而水文响应与ENSO和IOD关系更强。干旱特征与气候指数相关关系在站间存在明显空间异质性。通过在多指标框架内整合气象和水文视角，本研究推进了对复合高温干旱特征如何在大流域中演变和传播的认识。然而，当前分析主要基于统计关系，未完全分解自然流域蓄水、水库调节、地表条件和相互作用气候模态的影响。未来整合自然化径流、水库调度记录、地表观测和基于过程的归因研究，将有助于阐明机制并改进气候变化下复合高温干旱演变预估。作者贡献声明列出Ziying Zhu、Kang Xie、Chang Yu、Yan Li、Zhangkang Shu、Junliang Jin、Cuishan Liu、Yanli Liu、Zhenxin Bao、Jianyun Zhang、Peng Liu、Guoqing Wang。