贛江流域氣象水文干旱傳播特征分析

韓會(huì)明，孫軍紅

（江西省水利科學(xué)院，江西南昌 330029）

0 引言

干旱是一種形成過(guò)程緩慢但會(huì)反復(fù)發(fā)生的自然災(zāi)害，其對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)和農(nóng)業(yè)等方面產(chǎn)生的影響巨大［1］。目前，根據(jù)干旱傳播的不同階段，可將其劃分為氣象、水文、農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱，干旱一般是由降水短缺引發(fā)，并通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)傳播至土壤水分、徑流和地下水，進(jìn)而發(fā)展成其他類(lèi)型的干旱。變化環(huán)境影響下，流域內(nèi)降水徑流規(guī)律較為復(fù)雜［2］，研究氣象水文干旱傳播規(guī)律，有助于水文干旱的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警［3］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)分析氣象和水文干旱特征、傳播規(guī)律、響應(yīng)機(jī)制等方面對(duì)氣象和水文干旱進(jìn)行綜合研究。劉永佳等［4］使用SPI 和SRI 指數(shù)探究了黃土高原地區(qū)氣象水文干旱在不同季節(jié)的傳播動(dòng)態(tài)過(guò)程；Huang等［5］對(duì)渭河流域氣象和水文干旱進(jìn)行研究指出，氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間具有明顯的季節(jié)特征；文佐等［6］利用SPI和SSI指數(shù)揭示了淮河流域氣象水文干旱之間的響應(yīng)關(guān)系；顧磊等［7］基于SPI和SRI指數(shù)分析了中國(guó)主要流域氣象水文干旱傳播風(fēng)險(xiǎn)；Bevacqua等［8］開(kāi)展了巴西457個(gè)流域的水文干旱傳播規(guī)律研究，結(jié)果表明，與氣象干旱相比，水文干旱通常更持久、更嚴(yán)重，恢復(fù)時(shí)間更慢。氣象水文干旱之間存在時(shí)間差，研究其傳播時(shí)間可以增加對(duì)水文干旱的預(yù)報(bào)能力。這些研究都加深了人們對(duì)區(qū)域氣象水文干旱傳播的認(rèn)識(shí)，但較少研究量化氣象干旱向水文干旱傳播的概率，同時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)便的SPI 指數(shù)被廣泛的用于各類(lèi)區(qū)域氣象水文干旱傳播過(guò)程的研究中，由于其只反映了降水對(duì)干旱的影響，蒸散發(fā)對(duì)干旱傳播的影響往往被忽略，但隨著全球氣溫升高對(duì)降水徑流等水文要素的影響越發(fā)顯著［9］，氣溫對(duì)干旱傳播的影響程度可能加強(qiáng)?；诖?，文中以贛江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，贛江流域是江西省經(jīng)濟(jì)人口最聚集的地區(qū)，是鄱陽(yáng)湖最大的子流域，也是水旱災(zāi)害多發(fā)區(qū)［10］，本文選取SPI 和SPEI 指數(shù)兩種氣象干旱指數(shù)和SRI 水文干旱指數(shù)對(duì)比分析氣象水文干旱傳播規(guī)律，并利用Copula函數(shù)量化氣象干旱引發(fā)水文干旱的概率。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

贛江流域介于113°30'～116°40'E，24°29'～29°11'N 之間，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，流域總面積約82 809 km2，流域多山地丘陵，氣候溫和，四季分明。贛江全長(zhǎng)約823 km，干流流經(jīng)江西省贛州、吉安、宜春、南昌和九江市，匯入鄱陽(yáng)湖。本文收集了贛江流域1960-2018 年間逐月氣象水文數(shù)據(jù)，包括39 個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)，以及贛江控制性水文站—外洲水文站徑流量數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Survey map of study area

1.2 研究方法

1.2.1 干旱指數(shù)

文中選取SPEI 和SPI 兩種氣象干旱指數(shù)，SPI 計(jì)算過(guò)程與SPEI 類(lèi)似，由于SPI 只考慮降水?dāng)?shù)據(jù)，因此，相比與SPEI 指數(shù)計(jì)算過(guò)程省略了蒸散發(fā)量的計(jì)算，對(duì)降水序列進(jìn)行伽瑪分布擬合，然后將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布。SRI指數(shù)與SPI計(jì)算方法相同，用徑流數(shù)據(jù)替換降水?dāng)?shù)據(jù)，選取徑流概率分布類(lèi)型后，進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算即可，干旱指數(shù)詳細(xì)計(jì)算方法和干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)［11］。

表1 干旱指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard of drought

1.2.2 游程理論

本文選擇游程理論三閾值方法對(duì)干旱指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行初步判別、剔除和融合三步識(shí)別，提取干旱特征，具體步驟參考文獻(xiàn)［12］。降水序列出現(xiàn)負(fù)游程干旱才會(huì)發(fā)生，因此，選擇R0=0；當(dāng)干旱指數(shù)小于-0.5時(shí)，發(fā)生輕旱，選擇R2=-0.5；當(dāng)干旱指數(shù)持續(xù)小于-0.3時(shí)也認(rèn)為發(fā)生干旱，選擇R1=-0.3［13］。

圖2 游程理論示意圖Fig.2 Concept map of run of theory

1.2.3 Copula函數(shù)條件概率

Copula 函數(shù)不限制邊緣分布函數(shù)類(lèi)型，形式多樣且靈活［14］。對(duì)于干旱事件的歷時(shí)u和烈度v兩變量而言，聯(lián)合分布函數(shù)可表達(dá)為：

當(dāng)X≥x條件時(shí)，Y≥y的條件概率為：

文中基于Copula 函數(shù)理論，選用Gumbel-Copula、Clayton-Copula 和Frank-Copula 三種聯(lián)合分布函數(shù)，使用平方歐式距離（d2）和赤池信息量準(zhǔn)則法（AIC）來(lái)評(píng)價(jià)Copula 函數(shù)的擬合程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 年和季節(jié)干旱趨勢(shì)變化分析

1960-2018 年贛江流域年和季節(jié)SPEI、SPI 和SRI 的逐年變化過(guò)程及其趨勢(shì)如圖3。春季是四季中干旱最弱的季節(jié)，也是洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的季節(jié)，每年3 月中旬開(kāi)始的雨季持續(xù)到6 月中下旬，降水多且集中致使洪澇災(zāi)害多發(fā)。此外，SRI-3結(jié)果表明1963年出現(xiàn)水文干旱，《中國(guó)氣象災(zāi)害大典—江西卷》［15］中記載從1962 年10 月開(kāi)始江西省多數(shù)地區(qū)發(fā)生春夏秋連旱，干旱指數(shù)的年尺度也表明1963 年SPEI 和SPI 低至-2.5，SRI 為3.2，均為歷史最低。SPEI 反映的夏旱程度要明顯強(qiáng)于SPI 和SRI，并在1965、1967、1971、1978、1981、1988、2003等年出現(xiàn)了與SPI和SRI 評(píng)估的旱澇結(jié)果不一致現(xiàn)象，由于SPEI 考慮了氣溫要素，而江西省每年7、8 月份受“副高”控制，晴空少雨高溫異常，蒸發(fā)能力是降水的數(shù)倍，SPEI 和SPI 的對(duì)比說(shuō)明了氣溫對(duì)夏季干濕狀況影響較大。3 種干旱指數(shù)對(duì)秋旱描述一致性較好，水文干旱程度要弱于氣象干旱，在1996 年SPEI 和SPI 分別達(dá)到-1.8 和-2.3，為最嚴(yán)重的一場(chǎng)秋旱。冬季3 種干旱指數(shù)變化過(guò)程形式相似，但時(shí)間變化上存在顯著差異，SPEI 變化過(guò)程線(xiàn)位于SPI 和SRI 之上，出現(xiàn)了和夏季一樣的干旱狀態(tài)評(píng)估結(jié)果不一致，SPEI 表明冬季干旱少有發(fā)生，而SPI 和SRI 表明冬旱十分嚴(yán)重。根據(jù)《中國(guó)氣象災(zāi)害大典—江西卷》［15］中記載江西地區(qū)夏秋旱多發(fā)且嚴(yán)重，并無(wú)明顯冬旱發(fā)生。流域內(nèi)歷年來(lái)冬季少雨，在寒冷的冬季當(dāng)降水低于正常水平時(shí)并不會(huì)轉(zhuǎn)化成較高的蒸發(fā)能力，SPI只反映了該時(shí)期降水少的這一特征。SRI則反映了前幾個(gè)月的降水較少效果的不斷累積，致使冬季水文干旱明顯。

圖3 年和季節(jié)干旱趨勢(shì)變化Fig.3 Annual and seasonal drought trends

3 種干旱指數(shù)12 個(gè)月尺度逐年變化過(guò)程整體上一致性較好，1963年干旱最嚴(yán)重，其次為1971、2003和2011年。同時(shí)，干旱指數(shù)對(duì)年和季節(jié)的干濕變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為同干或同濕，春季和夏季SPEI指數(shù)的氣候傾斜率絕對(duì)值最大，春季干旱化趨勢(shì)為0.032/10 a，夏季濕潤(rùn)化趨勢(shì)為0.056/10 a，秋季和冬季SRI 氣候傾斜率最大，分別為0.06/10 a 和0.089/10 a，SPEI 氣候傾斜率最小。年干旱情況也趨于減弱，氣候傾斜率SPI>SRI>SPEI。

2.2 干旱傳播特征分析

為了更清楚的了解氣象水文干旱傳播后其特征發(fā)生的變化，利用游程理論識(shí)別氣象干旱和水文干旱事件，提取干旱歷時(shí)和烈度特征，繪制干旱特征箱型圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4，圖4中黑點(diǎn)為干旱歷時(shí)和干旱烈度的中位數(shù)。結(jié)果表明，SPEI 和SPI評(píng)估的贛江流域氣象干旱事件分別為87 和75 次，水文干旱事件為65 次。SPEI 評(píng)估的氣象干旱事件要多于SPI，氣象干旱事件多于水文干旱事件，說(shuō)明氣象干旱要比水文干旱更頻發(fā)，或是前期土壤含水量和地下水等因素的共同作用使得一些較輕的氣象干旱事件并不會(huì)傳播為水文干旱事件。但是，從干旱歷時(shí)和烈度箱型圖對(duì)比可以看出，水文干旱平均歷時(shí)和烈度均要高于氣象干旱，中位線(xiàn)也在箱體中部以上，說(shuō)明水文干旱事件多為長(zhǎng)歷時(shí)和高烈度。干旱持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，帶來(lái)的社會(huì)影響就越大，在干旱歷時(shí)超過(guò)7個(gè)月的干旱事件中，氣象干旱和水文干旱事件分別為5（SPEI）、2（SPI）和22次，水文干旱事件遠(yuǎn)超氣象干旱，這意味著氣象干旱傳播到水文干旱后，干旱歷時(shí)和烈度均明顯增加，干旱的危害性更強(qiáng)。干旱歷時(shí)超過(guò)9 個(gè)月的水文干旱共7 次，分別是1962 年8 月-1963 年4 月、1963 年6 月-1964 年2 月、1965 年7 月-1966 年3 月、1971 年7 月-1972 年3月、2003年7月-2004年3月、2010年8月-2011年4月和2017年9月-20年5月，這也記載的干旱事件情況相一致［15］。

圖4 3種干旱指數(shù)的干旱歷時(shí)和烈度特征Fig.4 Drought duration and intensity characteristics of three drought indexes

2.3 氣象水文干旱傳播時(shí)間

不同時(shí)間尺度干旱指數(shù)可以反映流域的短期和長(zhǎng)期缺水狀況，隨著干旱發(fā)展，也將對(duì)徑流產(chǎn)生影響，為探明贛江流域氣象干旱傳播至水文干旱的時(shí)間規(guī)律，分別計(jì)算1～24個(gè)月尺度的SPEI 和SPI 與SRI-1 之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)，傳播時(shí)間即為SPEI-i和SPI-i與SRI-1 之間相關(guān)性最強(qiáng)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度i。如圖5（a），流域不同月份氣象干旱向水文干旱傳播時(shí)間在1～6 個(gè)月之間，其中，3-5 月氣象干旱到水文干旱的傳播時(shí)間從5 個(gè)月降至2 個(gè)月，這是由于流域秋冬季節(jié)長(zhǎng)期少雨地表水不足，同時(shí)土壤水和地下水難以得到補(bǔ)充，使得冬季贛江下游河床常年裸露，同時(shí)3月中旬開(kāi)始贛江流域雨季來(lái)臨，降水持續(xù)不斷［圖5（b）］，地表和地下水不斷得到補(bǔ)給，但雨季開(kāi)始時(shí)，降水主要是對(duì)土壤水的補(bǔ)償，加上植物生長(zhǎng)需水，降水產(chǎn)流形式主要為蓄滿(mǎn)產(chǎn)流，使得3 月氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間達(dá)到5 個(gè)月。隨著4、5 月份雨季持續(xù)，降水強(qiáng)度也不斷增大，土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài)，因此，氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間降至2 個(gè)月。夏季6 月干旱的傳播時(shí)間達(dá)到最短為1 個(gè)月，雨季使得土壤水近乎飽和，同時(shí)6月降水強(qiáng)度也是年內(nèi)最大，降水也易于形成產(chǎn)流；7、8月份流域高溫天氣伴隨著高蒸散發(fā)量，同時(shí)農(nóng)作物和植被的耗水量不斷增加，土壤水和地下水開(kāi)始減少，氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間開(kāi)始增加。9-12 月份降水量持續(xù)減少導(dǎo)致傳播時(shí)間不斷增大。SPEI、SPI和SRI描述的氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間在11 和12 月具有很大的差異，這表明氣溫對(duì)干旱傳播時(shí)間的影響在這兩個(gè)月表現(xiàn)的更加敏感。由于SPI 計(jì)算過(guò)程中只考慮降水因素，其分析的氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間各月變化與降水的年內(nèi)各月分配呈現(xiàn)負(fù)變化趨勢(shì)，SPEI 因?yàn)榭紤]到降水和氣溫，其和年內(nèi)降水分配的負(fù)變化趨勢(shì)也被弱化。

圖5 氣象干旱到水文干旱的逐月傳播時(shí)間和降水的年內(nèi)分配Fig.5 Monthly propagation time of meteorological drought to hydrological drought and annual distribution of precipitation

2.4 氣象干旱引發(fā)水文干旱概率

擬合氣象水文干旱事件獲得最優(yōu)邊緣分布函數(shù)，通過(guò)d2和AIC 方法評(píng)價(jià)確定氣象水文干旱最優(yōu)聯(lián)合分布函數(shù)為Frank-Copula 函數(shù)。用Frank-Copula 函數(shù)構(gòu)建氣象水文干旱聯(lián)合分布，以氣象干旱為條件，計(jì)算引發(fā)輕、中、重、特四級(jí)以上水文干旱的概率，如圖6所示。結(jié)果表明，基于兩種氣象干旱指數(shù)所確定的引發(fā)同一等級(jí)水文干旱事件概率隨著氣象干旱加重而升高；氣象水文干旱同等程度下引發(fā)干旱傳播的概率隨著干旱加重而降低，SPI-SRI 條件概率曲線(xiàn)從輕度水文干旱到重度水文干旱曲線(xiàn)明顯陡于SPEI-SRI 曲線(xiàn)，SPI-SRI 指數(shù)確定的輕旱以上至特旱以上概率依次為0.892、0.769、0.504 和0.185，SPEISRI 指數(shù)確定的輕旱以上至特旱以上概率依次為0.787、0.653、0.483 和0.273；SPEI 指數(shù)條件下的僅水文特旱事件以上發(fā)生概率高于SPI 指數(shù)，同時(shí)4 種不同等級(jí)SPEI 指數(shù)確定的引發(fā)水文特旱事件概率均高于SPI指數(shù)，說(shuō)明對(duì)于輕度水文干旱事件SPI計(jì)算的引發(fā)概率更高，相反對(duì)于嚴(yán)重水文干旱事件SPEI計(jì)算的引發(fā)概率更高；此外，輕度以上的氣象和水文干旱代表著流域發(fā)生干旱的最低可能性，SPI-SRI 指數(shù)確定的引發(fā)流域水文干旱事件概率為0.892，高于SPEI-SRI 指數(shù)的0.787，這意味著氣溫因素影響下，氣象干旱引發(fā)水文干旱事件的閾值更高，并更傾向于引發(fā)烈度更強(qiáng)的水文干旱事件。

圖6 氣象干旱引發(fā)水文干旱概率Fig.6 Hydrological drought condition probability

4 結(jié)論

基于贛江流域近60 年降水、氣溫和徑流量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算不同時(shí)間尺度干旱指數(shù)，分析氣象和水文干旱特征以及干旱傳播特征。得到以下主要結(jié)論：

（1）氣象和水文干旱指數(shù)變化趨勢(shì)均表明春季干旱加重，由于氣溫因素的影響，使得SPEI 反映的夏季干旱變化與SPI 和SRI有很大的差異。

（2）氣象干旱事件要少于水文干旱，氣象干旱向水文干旱的傳播使得干旱危害性增強(qiáng)，高危害性的水文干旱事件明顯增多。

（3）年干旱傳播時(shí)間在1～6個(gè)月，降水是影響干旱傳播時(shí)間的主要因素，氣溫在6、11 和12 月對(duì)干旱傳播時(shí)間的影響高于其它月份。

（4）氣溫影響下氣象干旱引發(fā)水文干旱事件的閾值更高，并更傾向于引發(fā)烈度更強(qiáng)的水文干旱事件。