基于SPEI的嘉陵江流域旱澇時空演變分析

王世杰 劉柯瑩 孟長青

摘要：判斷旱澇災害發(fā)生的頻率、范圍、強度和趨勢具有重要意義。在嘉陵江流域1958～2017年實測月平均氣溫和月降水數(shù)據(jù)的基礎上，引入不同時間尺度的標準化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI），結(jié)合旱（澇）頻率、旱（澇）站次比和旱（澇）強度評估指標分析了嘉陵江流域旱澇頻率、范圍、強度的時空演變特征。結(jié)果表明：嘉陵江流域近60 a來雨澇的頻率高于干旱，其中夏旱、秋澇頻率最高;全區(qū)旱澇相當，區(qū)域性旱多于澇，旱澇強度變化趨勢基本一致;隨著時間尺度的不斷增大，嘉陵江西北大范圍的干旱增加趨勢趨于顯著，而東南部少量地區(qū)由干旱趨勢轉(zhuǎn)為雨澇趨勢，總體來看，流域呈北旱南澇的趨勢發(fā)展。研究成果可為旱澇評估、防洪減災工作提供依據(jù)。

關鍵詞：旱澇強度; 旱澇頻率; 旱澇趨勢; SPEI指數(shù); 嘉陵江流域

中圖法分類號：P426.616文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.002

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0012 - 08

0引 言

根據(jù)IPCC的第五次報告評估，從1880年到2012年，全球平均氣溫上升了0.65 ℃～1.06 ℃。在全球氣溫升高、極端氣候事件增多背景下[1]，部分地區(qū)干旱事件發(fā)生頻率呈增加趨勢[2]。李新周等[3]在研究近百年來全球主要干旱區(qū)的干旱化特征時發(fā)現(xiàn)，干旱發(fā)生概率明顯偏高。旱澇災害是世界上最嚴重的自然災害之一，具有覆蓋范圍廣、持續(xù)時間長、發(fā)生頻次高、突發(fā)性強等特點，嚴重威脅正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和社會生活[4]。由于引起干旱的原因很多且情況復雜， 其中很多因素容易受人類活動的影響，因此，研究者普遍選擇用干旱指數(shù)來簡化復雜的干旱問題。常見的干旱指數(shù)有Palmer干旱指數(shù)（PDSI）、標準化降水指數(shù)（SPI）以及標準化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）等[5]。其中，Vicente等[6]提出了標準化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index， SPEI），相較于SPI，它使蒸散對溫度更加敏感，與PDSI相比更加適合多尺度和空間相互比較，SPEI指數(shù)在干旱研究方面有著極為廣泛的應用[7]。王阿靜等[8]利用SPEI研究了甘肅省干旱現(xiàn)象的分區(qū)特征。李偉光等[7]通過SPEI分析了中國59 a來干旱化的空間分布、全國極端干旱事件發(fā)生頻次以及季節(jié)性干旱趨勢變化。Liu等[9]利用SPEI對四川省不同地貌進行了時空干旱分析。劉梅[10]在對中國東部氣候變化模擬預測的研究中也采用了多時間尺度SPEI干旱指數(shù)，分析了浙江1953～2014年近60 a的干旱和洪澇變化情況。

嘉陵江是長江上游地區(qū)重要支流之一，流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂蚝蛠啛釒Ъ撅L氣候，降雨隨時間和空間分布不均勻、氣候多變等特點使旱澇事件和地質(zhì)災害頻發(fā)，該區(qū)域的環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展遭受嚴重影響。過去學者對嘉陵江流域的旱澇研究主要集中在基于某一種旱澇指數(shù)分析旱澇災害發(fā)生的頻率和趨勢。杜華明等[1]對嘉陵江的研究發(fā)現(xiàn)，該流域20世紀60年代偏澇，澇災發(fā)生頻率高;70～80年代旱澇災害交替出現(xiàn)，總體偏澇;90年代以來，流域旱災發(fā)生的頻率和程度均高于澇災，且總體偏旱。此外，還有一些旱澇研究涉及或包括了嘉陵江的部分區(qū)域，如陜西省、四川省、重慶市以及長江流域等。李敏敏[11]在對長江流域的旱澇災害研究中發(fā)現(xiàn)，近52 a全流域、上游、重慶呈由澇轉(zhuǎn)旱趨勢，旱澇空間分布呈東南-西北相反型、西南-東北相反型。陜西省干旱風險較低的區(qū)域集中在陜南地區(qū)，洪澇高風險區(qū)域集中在陜北西北部以及陜南中部[12]。 四川省旱澇災害頻發(fā)，整體的發(fā)展趨勢為干旱化，在空間分布上，四川省的東北部和中部地區(qū)雨澇頻發(fā)，東部和南部發(fā)生干旱的概率較高[13]?？傮w而言，針對長江流域及其流經(jīng)各省份的相關氣候研究比較多，但對于嘉陵江全流域旱澇時空演變特征的研究比較少，而且只分析了時間特性，缺少對其旱澇頻率、趨勢、范圍、強度等全面的研究。本文利用嘉陵江流域14個氣象站點的氣象資料，對該流域的旱澇頻率、強度和趨勢隨時空變化特征進行了詳細分析，旨在豐富嘉陵江流域相關內(nèi)容方面的研究，厘清流域旱澇時空分布特征，可應用于該流域及附近地區(qū)的旱澇評估和防洪減災等工作。

1研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

嘉陵江發(fā)源自秦嶺代王山，是長江上游最重要支流之一[14]。北起秦嶺南麓，南至長江重慶段，主要位于29°33′N～34°32′N，102°33′E～108°42′E，行政區(qū)上地跨川、渝、陜、甘4省市。嘉陵江流域面積約16萬km2，占長江流域的9%，其中干流面積占嘉陵江流域的1/4，為3.92萬km2，在長江所有支流中排名第一。流域地勢整體落差4 800 m，呈東南低西北高的形勢。嘉陵江流域夏季降水量可達全年的66%，自上游至下游降雨量呈減少趨勢[15]，暴雨的形成直接導致了洪澇災害的發(fā)生。嘉陵江由干流、涪江、渠江3個子流域組成，三者在合川地區(qū)匯合形成了巨大的扇形向心河網(wǎng)[16]。

本文從嘉陵江流域及附近地區(qū)選取了14個氣象站點，以1958～2017年的實測月降水和月平均氣溫作為研究數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取，個別站點在某些月份存在氣溫和降水數(shù)據(jù)缺失情況，在本文中采用同一時期附近多個站點的平均數(shù)據(jù)替代。圖1為嘉陵江流域氣象觀測站點分布圖。

2 研究方法

2.1 干旱指數(shù)

標準化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）[17]通過潛在蒸散量與降水的差值來表征一個地區(qū)干濕狀況偏離常年的程度，常用于干旱演變趨勢分析。SPEI使用月降水量與月潛在蒸散量之間的差值代替了SPI中的月降水量，并考慮了溫度因子，引入了表面蒸發(fā)變化的影響，使對全球溫度上升引起的干旱反應更敏感[9]。相較于其他干旱指數(shù)，SPEI既保留了PDSI考慮蒸散對溫度敏感的特點，又具備SPI計算簡單、適合多尺度、多空間比較的優(yōu)點 [7]。因此，本文利用SPEI指數(shù)進行嘉陵江流域的旱澇時空演變分析。具體原理參考文獻[8]。

針對不同歷時下的流域干旱情況，可用不同時間尺度的SPEI進行分析 [18]。季節(jié)尺度上的水分狀況可以用3個月尺度的干旱指數(shù)衡量，在農(nóng)業(yè)灌溉方面被廣泛應用;半年尺度上流域的氣候干旱情況可以用6個月尺度的干旱指數(shù)分析，而關于區(qū)域水文水資源對氣候變化的響應則需要12個月尺度的干旱指數(shù)計算[19]。本文將對1，3，6，12個月這4種典型時間尺度進行分別分析。按照旱澇嚴重程度不同劃分為9個等級[20]，如表1所示。

2.2 干旱指標

在SPEI的基礎上，利用Mann-Kendall法（簡稱“MK法”）進行趨勢化分析和顯著性檢驗，同時引入3個表征區(qū)域旱澇特征的評估指標，分別為旱澇頻率、旱澇站次比和旱澇強度[20]。對評估指標的詳細解釋如下：

（1） 旱（澇）頻率。旱（澇）頻率Pi為研究區(qū)域站點i發(fā)生旱（澇）年數(shù)ni與總年數(shù)N之比，即發(fā)生旱（澇）的頻繁程度，計算公式為

在對嘉陵江流域14個氣象站點計算SPEI指數(shù)之后，利用MK法對SPEI指數(shù)在1958～2017年的變化趨勢進行顯著性檢驗。MK法是非參數(shù)檢驗方法，不要求數(shù)據(jù)服從某一概率分布，少數(shù)異常值不會對其產(chǎn)生影響。該方法廣泛應用于氣象、水文領域的趨勢分析。本文選定顯著性水平0.05和0.01（相應閾值為±1.96和±2.58），根據(jù)MK值是否位于-1.96～1.96的區(qū)間外，判定指數(shù)的時序變化趨勢是否顯著;根據(jù)MK值是否位于-2.58～2.58的區(qū)間外，判定指數(shù)的時序變化趨勢是否極其顯著。

在對各氣象觀測站降水指數(shù)進行MK法檢驗的基礎上，再選用ArcGIS中的IDW插值法（Inverse Distance Weighting，即反距離權(quán)重法）對各指數(shù)的空間分布進行插值。

3 嘉陵江流域旱澇頻率時間分布特征

3.1 區(qū)域月、季、年旱澇頻率特征

嘉陵江流域不同程度旱澇頻率具有分布特點，表4為1958～2017年嘉陵江流域不同程度旱澇頻率，可以看出，各月中澇、輕澇、中旱、輕旱頻率較高，重澇、特澇、重旱、特旱頻率較低。干旱主要集中在4～9月，雨澇主要集中3～10月。不同月份干旱頻率降序排列為8，6，7，5，4，9，3，10，11，2，12，1月，不同月份雨澇頻率降序排列為9，7，5，10，8，6，4，11，3，1，12，2月。

從各個季節(jié)的旱澇頻率特征中可以得出，干旱頻率在夏季和秋季最高，其中夏旱頻率為38.1%，秋旱頻率為36.4%，而夏旱中以輕旱和中旱所占比重最大，秋旱中以中旱和重旱所占比重最大。雨澇頻率在夏季和秋季最高，其中夏澇頻率為31.7%，秋澇頻率為46.2%。而夏澇中以輕澇和中澇所占比重最大，秋澇中以中澇和重澇所占比重最大。重度及以上的干旱和雨澇大多發(fā)生在夏季和秋季。近60 a來干旱的頻率為32.9%，雨澇的頻率為 32.5%，兩者十分接近，僅相差0.4%。

3.2 區(qū)域年代際旱澇頻率特征

圖2為1960年代至2010年代嘉陵江全流域不同年代旱、澇站次比。由圖2可知，該流域各年代旱、澇站次比的變化范圍分別為14.9%～46.2%和20.4%～48.7%。其中，20世紀70年代相比于60年代，干旱程度增加，雨澇程度減弱;80年代干旱明顯減輕，雨澇有一定程度的加重;90年代干旱又顯著加重，雨澇顯著減弱。21世紀00年代干旱有一定程度的減輕，雨澇呈極微弱的下降;10年代干旱微弱下降，雨澇小幅度上升。因此，干旱頻率在各年代的排序為：1990年代>2000年代>2010年代>1970年代>1960年代>1980年代，在年代際尺度上干旱整體呈上升趨勢。雨澇頻率在各年代的排序為：1980年代>1960年代>1970年代>2010年代>1990年代>2000年代，在年代際尺度上雨澇整體呈下降趨勢。

4 嘉陵江流域旱澇時間演變特征

4.1 旱澇趨勢演變特征

嘉陵江流域14個氣象站點的SPEI指數(shù)在1958～2017年的MK值如表5所示。由表5可知，絕大部分檢驗值都小于零，約二分之一的MK值小于-1.96，其中大部分又小于-2.58。由此可以看出，嘉陵江流域的干旱趨勢整體上是增加的，在一些區(qū)域增加的程度極其顯著。

從單個站點來分析，岷縣、武都、綿陽、略陽這4個氣象站點在所有時間尺度下都小于-2.58，即通過了99%的顯著性檢驗，呈極其顯著的干旱增加趨勢。松潘、廣元和梁平在所有時間尺度下均小于0，在部分時間尺度下小于-1.96或小于-2.58，即這3個站點呈現(xiàn)干旱增加趨勢，但僅在部分時間尺度下增加的程度顯著或者極其顯著。沙坪壩站點與其他所有站點都不同，在所有時間尺度下MK值均大于0，且在12個月尺度下大于1.96，即通過了95%的顯著性檢驗，呈顯著的雨澇增加趨勢。萬源、閬中、巴中、達縣、遂寧和南充在所有時間尺度下MK值均位于-1.96～1.96之間，未表現(xiàn)出任何顯著的變化趨勢。

4.2 旱澇范圍和旱澇強度演變特征

嘉陵江流域1958～2017年旱（澇）站次比和旱澇強度變化如圖3所示。干旱站次比變化區(qū)間為0～98%，其中，共有6 a干旱站次比大于70%，為全區(qū)域干旱，分別為1994，1997，2001，2002，2006，2016年。雨澇站次比變化區(qū)間為0～84%，其中，共有6 a雨澇站次比大于70%，為全區(qū)域雨澇，分別為1963，1968，1973，1980，1981，1983年。

由表6嘉陵江流域不同等級旱澇發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計可知：該流域在1958～2017年中，有8 a發(fā)生區(qū)域性旱，12 a發(fā)生部分地區(qū)旱，22 a發(fā)生局部地區(qū)旱，12 a無明顯干旱發(fā)生，局部地區(qū)旱和部分地區(qū)旱發(fā)生年數(shù)達34 a;有6 a發(fā)生區(qū)域性澇，19 a發(fā)生部分地區(qū)澇，16 a發(fā)生局部地區(qū)澇，13 a無明顯雨澇發(fā)生，局部地區(qū)雨澇和部分地區(qū)雨澇發(fā)生的年數(shù)達35 a。由此可見，嘉陵江流域旱澇頻發(fā)。

干旱強度的平均值為0.89，分布范圍為0～1.67，干旱強度與干旱站次比往往有一定程度的一致性，如1997，2006年既是重旱發(fā)生的年份，也是全區(qū)域旱發(fā)生的年份。雨澇強度的平均值為0.99，分布范圍為0～1.69，1996年為重澇。結(jié)合旱澇強度的擬合曲線可以看出，干旱與雨澇強度總體均呈現(xiàn)先減弱后加強趨勢，干旱和雨澇分別在2010年代和1960年代最重，1980年代和1990年代最輕。旱澇強度變化趨勢基本保持一致，全區(qū)域性的旱澇相當，區(qū)域性干旱多發(fā)于雨澇。

5 嘉陵江流域旱澇空間特征

5.1 區(qū)域旱澇頻率空間分布

1958～2017年嘉陵江流域旱澇頻率空間分布如圖4所示。分析圖4（a）可知，甘肅省隴南市武都區(qū)附近干旱頻率較高，高于36%;陜西省的中部地區(qū)干旱頻率較低，低于32%。分析圖4（b）可知，甘肅省隴南市武都區(qū)和四川省巴中市附近雨澇頻率較高，高于37%;四川省東部的高平和遂寧、重慶市北部的梁平區(qū)、沙坪壩附近雨澇頻率較低，低于29%。對比干旱和雨澇頻率發(fā)現(xiàn)，甘肅省隴南市武都區(qū)附近旱澇頻率均較高，四川省綿陽、閬中和遂寧附近旱澇頻率值均較低。整體而言，嘉陵江流域干旱頻率北部高，由北向南依次遞減;雨澇頻率北部和東部高、南部低，向南部逐漸遞減。

5.2 區(qū)域旱澇趨勢空間演變特征

嘉陵江流域14個氣象站點1958～2017年SPEI指數(shù)的MK值在不同時間尺度的空間分布如圖5所示，在所有時間尺度下絕大部分地區(qū)MK值小于0，說明從整體上看嘉陵江流域呈干旱增加趨勢。對比空間分布可以發(fā)現(xiàn)，嘉陵江流域北部和西部高海拔地區(qū)呈干旱增加趨勢，增加的程度比較明顯，而東南部少量地區(qū)呈雨澇增加趨勢，空間分布存在較大差異。此外，隨著時間尺度的不斷增大，嘉陵江流域西部和北部有更多區(qū)域MK值小于-2.58，即干旱增加趨勢趨于顯著，而東南部少量地區(qū)由干旱趨勢轉(zhuǎn)為雨澇趨勢，因此該流域呈北旱南澇的趨勢發(fā)展。

6 結(jié) 論

本文以嘉陵江流域作為研究對象，基于1958～2017年的月實測降水和平均氣溫資料等氣象資料，進行了旱澇趨勢演變特征研究，同時引入了多個評估指標，研究了嘉陵江流域近60 a旱澇強度和頻率的變化規(guī)律。主要研究結(jié)果如下。

（1） 嘉陵江流域旱澇頻率特征。旱澇頻率主要集中在4～10月，多為輕旱、輕澇、中旱和中澇，其中干旱頻率最高在8月，雨澇頻率最高在9月，分別為49%和52.7%。旱澇頻率季節(jié)分布多以夏季和秋季為主，其中夏旱和秋澇最高，分別為38.1%和46.2%，重度以上旱澇大多為夏季和秋季，夏季始終處于相對干旱，對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)造成了嚴重影響。干旱和雨澇頻率十分接近，相差不超過0.5%。干旱高頻區(qū)位于嘉陵江西北部，雨澇高頻區(qū)位于嘉陵江西北部和東部，干旱頻率最高處與雨澇頻率最高處位于同一區(qū)域，并且最高雨澇頻率大于最高干旱頻率。

（2） 嘉陵江流域旱澇長期變化特征。20世紀60年代和70年呈旱澇交替趨勢，程度中等;80年代以雨澇為主，高強度的雨澇程度嚴重;90年代干旱突然加重，干旱頻率高達80年代的3倍，極端干旱造成了嚴重的經(jīng)濟損失;21世紀00年代干旱代替雨澇占據(jù)主導，直到10年代又出現(xiàn)旱澇交替。1960年代至2017年各級雨澇頻率逐漸遞減，1980年代突然加劇，干旱頻率先加重后減輕。

（3） 嘉陵江流域旱澇范圍和旱澇強度特征。旱澇站次比和旱澇強度均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，其中干旱和雨澇分別在21世紀10年代和20世紀60年代最重，20世紀80年代和20世紀90年代最輕。不同范圍等級旱多發(fā)于澇，區(qū)域性旱多發(fā)于澇。

（4） 嘉陵江流域旱澇趨勢特征。嘉陵江流域西北大部呈干旱增加趨勢，東南少部呈雨澇增加趨勢。隨著時間尺度的不斷增大，嘉陵江西北大范圍的干旱增加趨勢趨于顯著，而東南部少量地區(qū)由干旱趨勢轉(zhuǎn)為雨澇趨勢?？傮w來看，流域呈北旱南澇的發(fā)展趨勢。

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（編輯：李 慧）

Spatiotemporal evolution characteristics of drought and flood in Jialing River Basin based on SPEI

WANG Shijie ， LIU Keying， MENG Changqing

（School of Water Resources and Hydropower Engineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： The impact of droughts and floods is extremely severe， and determining the frequency， scope， intensity and trend of their occurrence is of great significance to disaster prevention and control. According to the measured monthly precipitation and monthly average temperature data in the Jialing River Basin from 1958 to 2017， through the standardized precipitation evaporation index （SPEI） of different time scales， combining with the drought （flood） frequency， drought （flood） station ratio and drought （flood） intensity evaluation indicators， the characteristics of the temporal and spatial evolution of the frequency， scope and intensity of drought and flood in the Jialing River Basin were analyzed. The results showed that the frequency of rainy waterlogging in the Jialing River Basin in the past 60 years was higher than that of drought， among which， the summer droughts and autumn waterlogging had the highest frequency; the drought and flood in the whole region were basically equivalent， regional droughts were more than regional flood， and the trend of drought and flood intensity was basically same. As the time scale increased， the increasing trend of large-scale droughts in the northwest of the Jialing River tended to be significant， while a small number of areas in the southeast turned from drought to rainy waterlogging. Generally speaking， the basin is developing in a trend of drought in the north and flood in the south. The research can provide a basis for drought and flood assessment， flood prevention and disaster reduction.

Key words： intensity of drought and flood; frequency of drought and flood; trend of drought and flood; SPEI index; Jialing River Basin

收稿日期：2021-07-13

基金項目：國家自然科學基金委員會青年項目（41901028）;中央高?；究蒲袠I(yè)務費-面上項目（2020MS025）

作者簡介：王世杰，男，研究方向為水利水電工程。 E-mail：sjwang2020@163.com

通訊作者：孟長青，女，講師，博士，研究方向為水文水資源。E-mail：els_meng@ncepu.edu.cn