基于SWAP和SRI的漢江流域旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)空特征分析

趙 英，陳 華，楊 家 偉，許 崇 育，陳 杰

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

中國(guó)自古以來(lái)就是一個(gè)干旱、洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，災(zāi)害響范圍廣泛，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和人民生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了不可估量的損失[1-2]。在我國(guó)平均2～3 a就會(huì)遭遇一次嚴(yán)重的干旱災(zāi)害[3]。漢江流域作為長(zhǎng)江中游最大的支流[4]，流域面積約為15.9萬(wàn)km2，是湖北省重要的經(jīng)濟(jì)帶之一，漢江中下游的漢江平原是我國(guó)主要的商品糧生產(chǎn)基地之一。漢江流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候變化頻繁，“旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)”事件經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展。在短期時(shí)間里同時(shí)遭遇干旱、洪澇事件，會(huì)使區(qū)域受到的損失及影響呈倍數(shù)增加[5]。

旱澇異常研究一直是短期氣候預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容，同時(shí)是國(guó)內(nèi)外大氣科學(xué)研究熱點(diǎn)問(wèn)題[6-7]。以往的研究主要針對(duì)夏季降水的異常，對(duì)旱澇的季節(jié)內(nèi)變化研究較少[8-10]。從20世紀(jì)90年代以來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)旱澇異?，F(xiàn)象展開(kāi)研究，王勝、孫鵬、張雪花等[11-13]分別在淮河流域、長(zhǎng)江中下游地區(qū)和海河流域進(jìn)行旱澇急轉(zhuǎn)事件的時(shí)空變化趨勢(shì)及特征研究。Wu等[14]從一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度(季時(shí)間尺度)分析了長(zhǎng)江中下游流域旱澇共存在夏季平均降水正常年份前提下的發(fā)生變化規(guī)律，研究指出即便在平均降水正常的年份，旱澇共存事件也可能發(fā)生。

作為量化旱澇事件的工具，氣象旱澇指數(shù)的研究起步較早，至今已有眾多監(jiān)測(cè)氣象旱澇的指數(shù)。PDSI作為一個(gè)多因素的綜合干早指數(shù)，對(duì)干旱事件的監(jiān)測(cè)效果并不理想；SPI使用降水量作為單一因素，雖然簡(jiǎn)單明了，但不能滿(mǎn)足任意時(shí)間尺度的應(yīng)用。為了更全面的衡量旱澇情況，Lu于2009年提出的加權(quán)平均降水量WAP(Weighted Average Precipitation)適用于逐日、逐月等不同時(shí)間尺度[15]。之后Lu還使用了標(biāo)準(zhǔn)化的WAP(即Standard Weighted Average Precipitation，SWAP)對(duì)干旱情況進(jìn)行逐日監(jiān)測(cè)，該指數(shù)能識(shí)別出干旱開(kāi)始、持續(xù)、結(jié)束時(shí)間以及強(qiáng)度等詳細(xì)信息，較好地分析干旱情況[16]。水文旱澇通常反映區(qū)域水資源的豐虧情況，但相關(guān)的水文旱澇指數(shù)研究較少[17-18]。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)SRI(Standard Runoff Index)計(jì)算方法簡(jiǎn)單，適用于多時(shí)間尺度分析(1,3,6,12個(gè)月等)，以及資料缺乏、地形復(fù)雜的區(qū)域，目前在水文旱澇識(shí)別研究中應(yīng)用較多。Telesca等[19]運(yùn)用SRI分析了西班牙地區(qū)的水文干旱特征；Shukla[20]采用SPI和SRI分析了美國(guó)融雪區(qū)的旱澇情況；孫鵬等[21]在SPI和SRI二維變量干旱狀態(tài)的研究基礎(chǔ)上，研究了氣象干旱和水文干旱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

本文選取兩種應(yīng)用良好的旱澇監(jiān)測(cè)指數(shù)：氣象旱澇指數(shù)SWAP和水文旱澇指數(shù)SRI，采用游程理論[22]定量篩選漢江流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件，比較分析漢江流域氣象旱澇和水文旱澇規(guī)律的聯(lián)系與差異，以便為漢江流域旱澇災(zāi)害及防洪抗旱提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江發(fā)源于秦嶺南麓，有北、中、南3個(gè)源頭，位于東經(jīng)106°15′～114°20′、北緯30°10′～34°20′，流域全長(zhǎng)1 577 km，流域面積約15.9萬(wàn)km2。漢江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，年平均氣溫15℃～17℃，年降水量873 mm，水量較豐沛。

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究資料采用漢江流域15個(gè)氣象站點(diǎn)1961～2017 年逐日降雨資料，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)；徑流數(shù)據(jù)采用丹江口水庫(kù)逐日徑流數(shù)據(jù)(1968～2010年)、漢江中下游皇莊逐日徑流數(shù)據(jù)(1974～2013年)，如圖1所示。

圖1 漢江流域數(shù)據(jù)站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)平均降雨指數(shù)SWAP

為了展現(xiàn)當(dāng)日旱澇情況在歷史同一日的強(qiáng)弱程度，Lu[15]于2009年提出了基于累計(jì)降雨的氣象旱澇指標(biāo)SWAP。該指標(biāo)是基于加權(quán)平均降雨WAP通過(guò)Gamma函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化而得來(lái)[16]。WAP指數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Pn表示前n天當(dāng)天的降水；wn表示Pn的權(quán)重wn=(1-a)an；a為權(quán)重隨時(shí)間衰減參數(shù)；N為前期影響天數(shù)。通常經(jīng)驗(yàn)定義a=0.9；N=44。

最后將得到的WAP值按對(duì)應(yīng)日序數(shù)逐年排列，根據(jù)多年同一日WAP值構(gòu)建Gamma分布擬合，將其正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，從而得到對(duì)應(yīng)的SWAP值。

1.3.2標(biāo)準(zhǔn)徑流指數(shù)SRI

Shukla[20]采用類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index, SPI)的計(jì)算方法，提出水文旱澇指數(shù)——標(biāo)準(zhǔn)徑流指數(shù)SRI，基于實(shí)測(cè)徑流值推算水文旱澇程度。該指標(biāo)的計(jì)算采用長(zhǎng)時(shí)間序列資料，針對(duì)每年的同一時(shí)段流量集合作為研究序列，假定其服從皮爾遜三型(Pearson III，P-III)分布來(lái)擬合徑流序列，采用極大似然法估計(jì)分布參數(shù)。流量集的分布函數(shù)如下。

(2)

將累計(jì)頻率標(biāo)準(zhǔn)化即可得到對(duì)應(yīng)的SRI值。

當(dāng)0

(3)

(4)

當(dāng)0.5 < F(x)≤ 1 時(shí):

(5)

(6)

表 1根據(jù)SWAP與SRI值對(duì)應(yīng)的非超越概率，進(jìn)行旱澇強(qiáng)度分類(lèi)等級(jí)劃分[22]。

表1 基于SRI與SWAP指數(shù)旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3基于游程理論的事件識(shí)別

游程理論是一種分析時(shí)間序列的方法，Endt[23]最早運(yùn)用游程理論識(shí)別和描述干旱事件；綜合干旱指數(shù)(CI)[24]也采用游程理論來(lái)判別干旱事件。游程理論在旱澇診斷方面得到了廣泛應(yīng)用。

旱澇事件識(shí)別過(guò)程如下。

(1)干旱事件起始與結(jié)束。取干旱事件的截取水平R0為-1(輕旱)，0(正常)。當(dāng)旱澇指數(shù)SWAP(或SRI)在某月開(kāi)始小于-1，定義為一次干旱事件發(fā)生；到SWAP(或SRI)值大于0，定義為這次干旱事件結(jié)束。

(2)干旱持續(xù)時(shí)間。從干旱起始到結(jié)束的這段時(shí)間間隔定義為干旱事件的持續(xù)時(shí)間。

(3)干旱強(qiáng)度。干旱持續(xù)時(shí)間內(nèi)超過(guò)輕旱等級(jí)的SWAP(或SRI)絕對(duì)值之和的均值。

類(lèi)似地，洪澇事件的截取水平R0為1(輕澇)、0(正常)。洪澇過(guò)程與干旱過(guò)程類(lèi)似，不再贅述。

旱澇急轉(zhuǎn)事件識(shí)別過(guò)程如下。

(1)氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件。先后存在一個(gè)干旱事件和一個(gè)洪澇事件，且干旱結(jié)束與洪澇開(kāi)始時(shí)間間隔小于5 d，定義為一次氣象旱轉(zhuǎn)澇事件。

(2)水文旱澇急轉(zhuǎn)事件。先后存在一個(gè)干旱事件和一個(gè)洪澇事件，且兩者的時(shí)間間隔小于等于1月，定義為一次水文旱轉(zhuǎn)澇事件。其中，旱澇急轉(zhuǎn)事件的起始時(shí)間是這次干旱事件的發(fā)生時(shí)間，結(jié)束時(shí)間是這次洪澇事件的結(jié)束時(shí)間。

統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如下。

(1)事件次數(shù)N。時(shí)段T內(nèi)發(fā)生旱澇事件或旱澇急轉(zhuǎn)事件的總次數(shù)。

(2)旱澇急轉(zhuǎn)事件強(qiáng)度K。時(shí)段T內(nèi)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件指標(biāo)累計(jì)值與時(shí)段T的比值。表 2給出了旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度劃分等級(jí)。

表2 旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度等級(jí)劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇事件時(shí)空分析

將漢江流域分為上游、中下游區(qū)域，漢江上游為丹江口水庫(kù)以上，漢江中下游為丹江口水庫(kù)以下至皇莊區(qū)域?，F(xiàn)對(duì)丹江口水庫(kù)及皇莊分區(qū)的旱澇事件時(shí)空演變特征進(jìn)行分析。

通過(guò)與歷史記載相結(jié)合,挑選出不同歷史時(shí)期典型旱澇年進(jìn)行分析。圖 2～3給出了丹江口水庫(kù)、皇莊分區(qū)典型旱澇年SWAP值及SRI值年內(nèi)變化情況。丹江口水庫(kù)典型旱、澇年為1992年和1983年；皇莊區(qū)域典型旱、澇年為1999年和1983年。就干旱事件而言，兩個(gè)旱澇指數(shù)均顯示1992年從1月下旬開(kāi)始出現(xiàn)旱情，到2月旱情最嚴(yán)重，到6月底旱情消失，干旱持續(xù)時(shí)間為五個(gè)半月左右。根據(jù)歷史記載1992年出現(xiàn)嚴(yán)重的春夏季干旱，與兩個(gè)指標(biāo)描述的事件一致。皇莊區(qū)域1983年從5月底出現(xiàn)旱情，到9月份旱情達(dá)到極點(diǎn)，到10月旱情消失，干旱持續(xù)時(shí)間為6個(gè)月左右。對(duì)于洪澇事件，丹江口水庫(kù)、皇莊分區(qū)事件演變情況大致相同，從4月底開(kāi)始出現(xiàn)輕微洪澇，隨著時(shí)間推移，洪澇情況逐漸加重，每年的6～9月出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇情況，從10月份以后洪澇逐漸消失。

圖2 丹江口水庫(kù)典型旱澇年SWAP及SRI指標(biāo)年內(nèi)變化

圖3 皇莊典型旱澇年SWAP及SRI指標(biāo)年內(nèi)變化

總體而言，干旱事件在任意時(shí)間段都有可能發(fā)生，洪澇事件主要集中在每年的6～9月。從SWAP和SRI值的年內(nèi)變化情況看，兩個(gè)指數(shù)的月尺度變化趨勢(shì)大致相同，且兩個(gè)指數(shù)均能診斷出旱澇事件，可以分析出旱澇事件的開(kāi)始、持續(xù)和結(jié)束時(shí)間，體現(xiàn)出事件發(fā)生的嚴(yán)重程度等信息。

從圖 4可見(jiàn)，漢江流域1961～2017年近57 a間所有站點(diǎn)均發(fā)生過(guò)不同程度的旱澇事件，干旱事件次數(shù)在17～23次之間；洪澇事件次數(shù)在15～23次之間。旱澇事件頻次的空間分布不均勻，干旱事件的頻次大致呈現(xiàn)從漢江上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)先逐漸減少后增加的趨勢(shì);洪澇事件頻次大致呈現(xiàn)從北到南逐漸增加的趨勢(shì)。

圖4 漢江流域1961～2017年氣象干旱、洪澇事件頻次空間分布

2.2 旱澇急轉(zhuǎn)事件分析

2.2.1旱澇急轉(zhuǎn)事件時(shí)空分析

表 3～6篩選出了丹江口水庫(kù)、皇莊分區(qū)的氣象及水文旱澇急轉(zhuǎn)事件統(tǒng)計(jì)特征。從表中可以看出，丹江口水庫(kù)、皇莊分區(qū)氣象旱澇急轉(zhuǎn)次數(shù)均為10次；水文旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生次數(shù)分別為7,6次。對(duì)于兩個(gè)分區(qū),氣象旱轉(zhuǎn)澇事件的急轉(zhuǎn)點(diǎn)均集中在6～10月，對(duì)應(yīng)事件的強(qiáng)度也相對(duì)較高，兩分區(qū)呈現(xiàn)出較為相似的演變特征。水文旱澇急轉(zhuǎn)事件主要集中在夏季，事件的急轉(zhuǎn)點(diǎn)主要集中在6,7月，且事件的平均強(qiáng)度較高，為中等強(qiáng)度。

綜上，漢江流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件主要發(fā)生在夏季，即在6～10月份旱澇急轉(zhuǎn)事件較為頻發(fā)，且事件發(fā)生的強(qiáng)度較高，相比于其他時(shí)段更具威脅性，應(yīng)予以足夠重視。

表3 丹江口水庫(kù)氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件

表4 皇莊氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件

表5 丹江口水庫(kù)水文旱澇急轉(zhuǎn)事件

表6 皇莊水文旱澇急轉(zhuǎn)事件

圖5中給出了丹江口水庫(kù)、皇莊分區(qū)不同年代氣象、水文旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化情況。從圖5可以看出兩個(gè)分區(qū)不同年代旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化有所不同。丹江口水庫(kù)水文旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化波動(dòng)不大；氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化差異較大，最高的發(fā)生在1980s，頻率最低的在2010s?；是f的氣象、水文旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化差異較大，頻率最高的均發(fā)生在1970s；頻率最低的均發(fā)生在2010s。從事件的整體變化趨勢(shì)看，對(duì)于SWAP指數(shù)，丹江口水庫(kù)旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率呈緩慢下降趨勢(shì)；對(duì)于SRI指數(shù)，旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率呈緩慢上升趨勢(shì)。而皇莊分區(qū)2個(gè)指標(biāo)反映出來(lái)的旱澇急轉(zhuǎn)事頻率均呈顯著下降趨勢(shì)。

圖5 丹江口水庫(kù)、皇莊不同年代旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化

圖6展示了漢江流域1961～2017年氣象旱澇急轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)特征的空間分布。就事件發(fā)生次數(shù)而言，漢江流域近57 a氣象旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生次數(shù)大多在5～11次，頻率在0.1～0.3，中游地區(qū)旱轉(zhuǎn)澇頻率略高，在0.2～0.3；旱轉(zhuǎn)澇次數(shù)呈現(xiàn)從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)先減小到后增大的趨勢(shì)。從事件平均強(qiáng)度看，漢江流域近57 a氣象旱轉(zhuǎn)澇強(qiáng)度略高，大部分區(qū)域處于中等強(qiáng)度水平以上，僅漢江西北部部分區(qū)域略低于中等強(qiáng)度水平，平均強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)逐漸增大的趨勢(shì)。

2.2.2典型旱澇急轉(zhuǎn)事件分析

前面章節(jié)探討了氣象旱澇SWAP指數(shù)、水文旱澇SRI指數(shù)的適用性，分析了氣象、水文旱澇事件及旱澇急轉(zhuǎn)事件的時(shí)空特征變化，現(xiàn)對(duì)流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件具體過(guò)程進(jìn)行分析。

圖7給出了丹江口水庫(kù)、皇莊區(qū)域典型氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件過(guò)程。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，SWAP指標(biāo)的變化情況與降雨聯(lián)系密切。旱澇急轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間為2至3個(gè)月左右，由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)楹闈车臅r(shí)間主要集中在夏季的7月初。圖中SWAP的變化過(guò)程反映了干旱歷時(shí)，干旱強(qiáng)度，洪澇歷時(shí)、洪澇強(qiáng)度以及由干旱急轉(zhuǎn)為洪澇的時(shí)間節(jié)點(diǎn)等信息，說(shuō)明SWAP指標(biāo)能對(duì)旱澇急轉(zhuǎn)事件作出合理診斷。

圖6 漢江流域1961～2017年氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件頻次及平均強(qiáng)度空間分布

圖7 丹江口水庫(kù)、皇莊典型氣象旱澇急轉(zhuǎn)過(guò)程

對(duì)于典型水文旱澇急轉(zhuǎn)事件，從圖8可以看出干旱事件的累計(jì)過(guò)程，澇期洪峰流量的到達(dá)時(shí)間，SRI指數(shù)的最大值與徑流最大值時(shí)間上具有一致性，說(shuō)明SRI指數(shù)能夠?qū)搅鬟^(guò)程的洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間及大小做出診斷。在旱澇過(guò)程中，前期的干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，為5～6個(gè)月左右，且干旱程度嚴(yán)重；由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)楹闈车臅r(shí)間短且急，澇期的月平均流量為旱期的5～10倍左右。由此旱澇急轉(zhuǎn)事件一旦發(fā)生，相關(guān)部分需要在極短時(shí)間內(nèi)從抗旱轉(zhuǎn)變?yōu)榉姥?，其工作難度加大，事件造成的損失必然比單一干旱、洪澇損失要大，對(duì)社會(huì)發(fā)展造成的威脅重大，需要引起足夠的重視。

圖8 丹江口水庫(kù)、皇莊典型水文旱澇急轉(zhuǎn)過(guò)程

3 結(jié) 論

本文以漢江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用氣象旱澇指數(shù)SWAP及水文旱澇指數(shù)SRI進(jìn)行了適用性分析，重點(diǎn)分析了漢江流域旱澇急轉(zhuǎn)事件時(shí)空演變特征，得出以下結(jié)論。

(1)SWAP和SRI指數(shù)均能反映事件的干旱歷時(shí)，干旱強(qiáng)度，洪澇歷時(shí)、洪澇強(qiáng)度以及由干旱急轉(zhuǎn)為洪澇的時(shí)間節(jié)點(diǎn)等信息，說(shuō)明可應(yīng)用兩指數(shù)對(duì)漢江流域旱澇急轉(zhuǎn)事件演變特征進(jìn)行合理診斷，具有良好的適用性。

(2)分析漢江流域歷史上發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件特征，發(fā)現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)事件次數(shù)呈現(xiàn)從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)先減小后增大的趨勢(shì)；平均強(qiáng)度呈現(xiàn)從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)逐漸增大的趨勢(shì)。

(3)干旱事件在任意時(shí)間段都有可能發(fā)生，洪澇事件主要集中在每年的6～10月；但旱澇急轉(zhuǎn)事件主要集中發(fā)生在夏季，且事件發(fā)生的時(shí)間短且急，強(qiáng)度較高，因此，相比于其他時(shí)段更具威脅性，在實(shí)際防汛抗旱工作中應(yīng)予以足夠重視。