姚立強(qiáng)，孫可可，許繼軍，袁 喆，屈艷萍

(1.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢 430010； 2.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，武漢 430010； 3.中國水利水電科學(xué)研究院 防洪抗旱減災(zāi)研究中心，北京 100038)

1 研究背景

干旱的發(fā)展演變具有過程復(fù)雜性、發(fā)展緩慢性、影響廣泛性等特征[1-4]。干旱指標(biāo)能夠?qū)⒊橄蟮母珊凳录M(jìn)行數(shù)字化表征，可以直觀化地反映干旱的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r。國內(nèi)外對于干旱描述主要通過干旱指標(biāo)[1-4]進(jìn)行表征，從不同角度構(gòu)建不同類型干旱指標(biāo)，有助于更加全面認(rèn)識干旱發(fā)生規(guī)律，特別是干旱時空分布特征，為識別和預(yù)防干旱提供基礎(chǔ)。然而，由于單一干旱指標(biāo)考慮因素的局限性，難以進(jìn)行區(qū)域旱情綜合評判。

目前，統(tǒng)籌考慮多種驅(qū)動因素、多種指示特征的綜合干旱指數(shù)，已成為干旱研究的重點及熱點[5-10]。Wang等[6]為綜合反映氣象干旱和水文干旱的特征，提出了一種新的基于Copula的標(biāo)準(zhǔn)化降水-蒸散-徑流指數(shù)(SPESI)； Huang等[7]采用非參數(shù)多元標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)(NMSDI)結(jié)合降水和徑流信息，研究了中國干旱結(jié)構(gòu)的時空特征；Zhang等[8]采用Gringorten點位公式，以降水(氣象)、徑流(水文)和土壤水分(農(nóng)業(yè))信息為基礎(chǔ)，建立了三變量標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)(TSDI)；Yang等[9]結(jié)合氣象、水文和農(nóng)業(yè)變量，利用多維Copulas函數(shù)構(gòu)造了一個非線性多元干旱指數(shù)(NMDI)，以解決干旱指數(shù)的結(jié)構(gòu)依賴性和靈活性帶來的復(fù)雜非線性關(guān)系；常文娟等[10]從干旱形成的機(jī)理角度出發(fā)，采用主成因分析法，將降雨、徑流及土壤含水量等水文氣象要素融合為一個干旱綜合指標(biāo)。綜上可知，目前區(qū)域干旱評估多選取單一因素或者多種因素的相對固定組合，描述干旱災(zāi)情，能夠從不同角度刻畫干旱影響。然而，由于區(qū)域人口、產(chǎn)業(yè)不斷調(diào)整，在不同時期、不同階段，各單項干旱因素對區(qū)域旱情的主導(dǎo)作用具有動態(tài)變化性，因此構(gòu)建能夠動態(tài)反映主要單項干旱因素的綜合表征指標(biāo)，對于區(qū)域旱情評估工作具有重要意義。

長株潭地區(qū)包括長沙、株洲、湘潭三市，位于我國南方降水豐沛地區(qū)。然而由于特殊的地理位置和氣候條件，該地區(qū)降水年內(nèi)分配極為不均，降水不均勻系數(shù)[11]總體在0.6以上，氣象干旱發(fā)生頻率較為頻繁，據(jù)統(tǒng)計，近60 a來，平均每年發(fā)生約1.5次氣象干旱事件[12]。近年來由于氣候變化、人類活動等因素影響，湘江干流枯水位、水庫蓄水不足、農(nóng)業(yè)干旱缺水、企業(yè)取水困難等現(xiàn)象時有發(fā)生，制約著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展[13]。目前，針對長株潭地區(qū)的干旱規(guī)律研究仍不多見，且現(xiàn)有干旱研究成果多基于單一干旱指數(shù)[14-18]，難以全面反映區(qū)域產(chǎn)業(yè)不斷變化下的干旱影響實情。

本研究擬在干旱單項指標(biāo)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合不斷變化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、單項指標(biāo)與不同產(chǎn)業(yè)干旱的相關(guān)性分析成果，通過動態(tài)權(quán)重系數(shù)法，構(gòu)建干旱綜合指數(shù)，用于長株潭地區(qū)干旱綜合評價。

2 研究區(qū)域

本文選擇長株潭地區(qū)為研究區(qū)，長株潭地區(qū)位于湖南省中東部、湘江流域下游(地理位置如圖1所示)，是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心增長極，2018年地區(qū)生產(chǎn)總值15 796億元，占湖南省的43.4%。該地區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，春末夏初多雨，夏末秋季多旱。由于受季風(fēng)和下墊面等影響，降水時空分布不均，長沙、株洲、湘潭三市多年平均降水量分別為1 507、1 510、1 365 mm，年降水量50%以上集中在4—6月份，7—9月份降水量僅占全年的18%左右，與農(nóng)業(yè)需水、夏季高峰期需水過程不相匹配。20世紀(jì)50年代以來發(fā)生較為嚴(yán)重干旱的年份有1956年、1972年、1978年、1981年、1984年、1985年、1992年、2003年、2004年、2007年、2008年、2010年、2011年、2013年、2018年，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了較大損失，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)飲水困難。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)資料

本文研究所需的數(shù)據(jù)資料，主要包括氣象、水文和旱情統(tǒng)計三大類(見表1)，其中氣象資料為長株潭范圍內(nèi)11個氣象站1961—2018年逐日降水、氣溫、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，水文資料為長沙、株洲、湘潭等12個水文站1961—2018年逐日平均水位數(shù)據(jù)，旱情統(tǒng)計資料為長沙、株洲、湘潭三市1961—2018年歷史記載的干旱事件調(diào)查數(shù)據(jù)。各氣象、水文站點分布見圖1。

表1 主要基礎(chǔ)資料名稱及數(shù)據(jù)來源Table 1 Main basic data and their sources

3.2 研究方法

3.2.1 干旱指標(biāo)計算方法

干旱對社會經(jīng)濟(jì)的影響主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)作物缺水和城鄉(xiāng)供水短缺等方面，隨著農(nóng)業(yè)播種面積變化、城鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同等干旱產(chǎn)生的影響程度也隨之發(fā)生變化，其中農(nóng)業(yè)干旱損失變化相對較小，而工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)由于基數(shù)的不斷變大，同等干旱下?lián)p失增加較快。為此，可通過設(shè)置不同單項指標(biāo)的動態(tài)權(quán)重，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)變化條件下區(qū)域總體干旱評價。

3.2.1.1 干旱單項指標(biāo)計算

本文選取單月標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、單月標(biāo)準(zhǔn)化水位指數(shù)(SZI)、單月標(biāo)準(zhǔn)化水資源短缺指數(shù)(SSDI)，作為識別長株潭區(qū)域氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱的單項指標(biāo)，其中SPI、SZI已在氣象、水文干旱評價中得到廣泛應(yīng)用[19-21]，在水文干旱評價中，SZI、SRI(標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù))分別從水位取水困難、水量取水不足兩種角度進(jìn)行構(gòu)建，其結(jié)果之間具有一致性。SPI和SZI計算公式和干旱等級閾值可參考《氣象干旱等級》(GB/T 20481—2017)，上述各指標(biāo)采用相同的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，以月為計算尺度。

對于農(nóng)業(yè)干旱，選取標(biāo)準(zhǔn)化水資源短缺指數(shù)(SSDI)[22]為干旱指標(biāo)，該指標(biāo)類似于標(biāo)準(zhǔn)化降水-蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)，以水分虧缺量的積累效應(yīng)為出發(fā)點，利用有效降水、農(nóng)作物需水之差作為輸入量，以兩者差值偏離平均狀態(tài)的程度來表征作物干旱情況，即

Di=Pei-ETci。

(1)

式中：Di為給定月份缺水量(mm)；Pei和ETci分別為給定月份有效降水量和作物需水量(mm)。

根據(jù)逐月缺水量，可獲取給定時間尺度內(nèi)(如1個月、3個月等)的累積缺水量。目前，作物需水量的獲取主要有兩種途徑：水量平衡法和綜合性氣候?qū)W方法。對于前者而言，需要實測土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)作支撐，而該數(shù)據(jù)難以獲取且在空間上具有很大的變異性，難以在大尺度上推廣應(yīng)用，因此，后者的應(yīng)用較為普遍，尤其是作物系數(shù)法，已被證明有一定的精度。該方法計算公式為

ETc=KC·ET0。

(2)

式中：ETc為作物需水量(mm)；ET0為參照騰發(fā)量(mm)；KC為作物系數(shù)。其中，ET0的計算采用國際糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法計算。計算有效降水量的經(jīng)驗公式需對區(qū)域土壤質(zhì)地、作物等參數(shù)進(jìn)行率定，通用性較差，本次研究采用美國土壤保持局USDA-SCS方法計算有效降水，即

Pe=SF(1.252 5Pt0.824 2-2.935 2)·

(109.551 2×10-4ETc) 。

(3)

式中：Pt為月降水量；Pe為有效降水量(mm)，且Pe≤min(Pt, ETc)；SF為土壤水分貯存因子，通常取SF為1.0。

3.2.1.2 干旱綜合指標(biāo)構(gòu)建

采用動態(tài)權(quán)重系數(shù)法，分別以單月SPI、單月SZI、單月SSDI作為識別長株潭區(qū)域氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱的單項指標(biāo)?？紤]到區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的年際變化、產(chǎn)業(yè)需水規(guī)律的季節(jié)性變化等因素，各類型干旱對于旱情的主導(dǎo)作用也將發(fā)生變化，因此需要對單項干旱指標(biāo)設(shè)置動態(tài)權(quán)重，構(gòu)建反映區(qū)域整體干旱等級的綜合指標(biāo)。干旱綜合指標(biāo)計算公式為

MIDI=a1SPI+a2SZI+a3SSDI 。

(4)

式中：MIDI為干旱綜合指標(biāo)；a1、a2、a3為單項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

由于長株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)需水具有季節(jié)性變化規(guī)律，在農(nóng)業(yè)作物的非需水季節(jié)，降水虧缺對農(nóng)業(yè)產(chǎn)值不產(chǎn)生明顯影響，因此僅需在作物需水季節(jié)(4—10月份)，考慮SPI和SSDI的權(quán)重系數(shù)；當(dāng)發(fā)生輕度水文干旱時，由于城鎮(zhèn)供水保證率高于農(nóng)業(yè)，此時水文干旱對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)基本不造成損失，SZI權(quán)重設(shè)為0；隨著SZI的繼續(xù)降低，城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)正常需水均將發(fā)生破壞，且由于城鎮(zhèn)供水的單位用水效益高于農(nóng)業(yè)，SZI的權(quán)重占比將隨著水文干旱等級的增加而增長，在極端干旱情況下，城鎮(zhèn)與農(nóng)業(yè)干旱權(quán)重為產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比例。由此，得到各單項指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的計算公式為

(5)

式中:bi為權(quán)重系數(shù);Pi為第i產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值;Di為第i產(chǎn)業(yè)的損失變化系數(shù)(反映不同產(chǎn)業(yè)干旱損失程度)，i為產(chǎn)業(yè)類型對應(yīng)的數(shù)值，本文劃分為農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)(工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等)，對應(yīng)的i分別為1和2。當(dāng)干旱月份為農(nóng)業(yè)非需水季節(jié)時(1—3月份、11—12月份)，由于農(nóng)業(yè)無干旱損失，此時農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)的損失變化系數(shù)為0， 4—10月份時，Di為從0到1變化的多項式函數(shù)(輕旱以上時農(nóng)業(yè)Di為1，城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)Di隨干旱等級的發(fā)展，逐漸趨向1)，可采用式(6)計算得到。

(6)

式中：A為輕旱(以SZI為指標(biāo))對應(yīng)的干旱烈度；B為極端干旱下烈度；Ci為當(dāng)前干旱烈度；θ為多項式函數(shù)的冪參數(shù)(初步取值3)；Pi為第i產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值；P為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。

3.2.2 干旱識別及頻率計算方法

考慮到干旱具有隨時間緩慢發(fā)展，呈現(xiàn)干旱歷時、烈度、范圍等多種特征和累積變化效應(yīng)，本次研究采用游程理論識別干旱事件，并對場次干旱的歷時和烈度進(jìn)行評價[23-24]。游程理論識別類似于閾值判別法，通過設(shè)定干旱指標(biāo)閾值R0、R1和R2，可得出干旱歷時、干旱烈度，并實現(xiàn)相鄰干旱過程的合并、小干旱過程的取舍判別。其中干旱歷時指干旱過程開始至結(jié)束所持續(xù)的時間；干旱烈度指干旱過程中干旱指標(biāo)值與干旱閾值之差的累積和，因此當(dāng)以月為時間尺度時，可計算得到年度或幾個月的累積干旱烈度。

在干旱識別結(jié)果基礎(chǔ)上，利用Copula函數(shù)法分析干旱歷時與烈度的聯(lián)合分布特征[23-25]，并計算干旱發(fā)生的頻率和重現(xiàn)期，為干旱演變特征分析提供基礎(chǔ)。計算公式為

FD,S(d,s)=exp{-[(-lnu)θ+(-lnv)θ]1/θ} 。

(7)

式中：FD,S(d,s)為干旱歷時d與烈度s的聯(lián)合分布函數(shù)；u和v為兩個獨立累積分布函數(shù)，u為FD(d)，v為FS(s)；θ為參數(shù)，可通過干旱歷時與烈度間的Kendall相關(guān)系數(shù)求出。

3.2.3 干旱演變特征分析方法

本論文依據(jù)MIDI綜合干旱識別結(jié)果，采用多尺度統(tǒng)計方法[26]，分析綜合干旱的月尺度、季尺度和年尺度變化特征。針對月尺度MIDI，統(tǒng)計各月份輕旱、中旱、重旱、特旱的發(fā)生次數(shù)，分析不同月份下各等級干旱的發(fā)生頻次、年際變化規(guī)律，以及干旱產(chǎn)生的可能原因；針對季尺度干旱，統(tǒng)計不同地區(qū)、不同季節(jié)的干旱發(fā)生頻次，研究干旱的季節(jié)性變化規(guī)律；針對年尺度干旱，分析干旱烈度、干旱歷時的年際變化趨勢，以揭示綜合干旱的整體變化趨勢。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 綜合干旱指標(biāo)的確定

4.1.1 單項干旱指標(biāo)與實際旱情的相關(guān)性分析

以長株潭11個縣市單元為研究對象，采用基于游程理論的干旱識別方法[27](閾值R0、R1、R2分別取0、-0.5和-1.0)，識別11個縣市1961—2018年期間基于SPI、SZI、SSDI三類指標(biāo)的干旱事件，并統(tǒng)計出各指標(biāo)干旱歷時，與中國水旱災(zāi)害公報、湖南省氣象災(zāi)害監(jiān)測公報、湖南省抗旱規(guī)劃以及相關(guān)文獻(xiàn)中記載的長株潭地區(qū)實際干旱過程進(jìn)行對比。以2003年為典型干旱年份，干旱歷時過程對比見表2。由表2可以看出，由于實際干旱過程更加關(guān)注致災(zāi)月份，理論計算干旱歷時的時間跨度總體上高于實際記載，且基于SZI識別的干旱過程，其發(fā)生月份較SPI、SSDI干旱、實際記載干旱過程存在一定的時間滯后現(xiàn)象(原因為：水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生時間滯后于氣象干旱，11—12月份為非農(nóng)業(yè)灌溉需水期，因此實際記載干旱歷時中少有11—12月份)。

表2 不同指標(biāo)識別干旱過程結(jié)果對比(2003年，典型干旱年)Table 2 Comparison of drought identification resultsamong different indicators in typical drought year 2003

為了確定干旱綜合指標(biāo)對應(yīng)單項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，更加準(zhǔn)確刻畫區(qū)域總體旱情，本文對各單項指標(biāo)計算結(jié)果的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析。選取干旱受旱面積、因旱減少供水量[27-29]為實際旱情數(shù)據(jù)，以2003年夏季(6—8月份)干旱為典型，分析11個縣市SPI、SZI、SSDI三類指標(biāo)干旱烈度與實際記載干旱受旱面積比例的相關(guān)性，見圖2；以株洲市1990—2007年實際因旱減少供水量資料為依據(jù)，對比累積干旱烈度與因旱減少供水量，見圖3。由圖2和圖3可以看出：實際受旱面積比例(受旱面積占播種面積的比例)與SSDI相關(guān)性較強(qiáng)，決定系數(shù)在0.8以上，其次為SPI，SZI與受旱面積比例無顯著相關(guān)性；然而SZI與因旱減少供水量相關(guān)性較強(qiáng)，高于SPI和SZI的相關(guān)性。

圖2 2003年夏季(6—8月份)累積干旱烈度與受旱面積相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between cumulative droughtintensity and drought affected area in summer of 2003 (June to August)

圖3 累積干旱烈度與因旱減少供水量相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between cumulative drought intensityand water supply reduction due to drought

綜上分析可知，SPI和SSDI與作物受旱情況相關(guān)性較好，可較好地描述農(nóng)業(yè)干旱等級，SZI更加適用于刻畫以地表徑流為水源區(qū)域的城鎮(zhèn)干旱等級。

4.1.2 動態(tài)權(quán)重系數(shù)確定與綜合干旱指標(biāo)構(gòu)建

在上述單項指標(biāo)與旱情的相關(guān)性分析基礎(chǔ)上，采用3.2.1節(jié)中方法，設(shè)置各單項指標(biāo)的動態(tài)權(quán)重系數(shù)，計算得到長株潭地區(qū)2006—2019年城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)干旱指標(biāo)權(quán)重與農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)權(quán)重的比值變化情況，見圖4。由圖4可以看出，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化水位指數(shù)SZI為-1.5及以上時，SZI的權(quán)重低于SPI和SSDI，隨著年份變化，由于城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占總產(chǎn)值的比例不斷增加，其相應(yīng)的權(quán)重比例也隨之增加；當(dāng)SZI低于-2.0時，城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)干旱將成為區(qū)域旱情的主導(dǎo)。

圖4 長株潭地區(qū)城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)權(quán)重比值年際變化Fig.4 Interannual variations of dynamic weightcoefficient ratio in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

4.2 指標(biāo)適用性分析

基于4.1節(jié)構(gòu)建的干旱綜合指標(biāo)，將各縣市干旱綜合指標(biāo)平均值作為長株潭區(qū)域綜合干旱指標(biāo)，采用游程理論，識別1961—2018年區(qū)域干旱過程，以年度累積干旱烈度為標(biāo)準(zhǔn)，選取最嚴(yán)重典型干旱年份，對比分析各典型年份累計干旱烈度與實際記載受旱面積的變化趨勢(實測區(qū)域旱災(zāi)損失的長序列資料較缺乏，本文僅以受旱面積作為實測資料分析驗證)，結(jié)果見圖5。典型干旱年(理論)、典型干旱年(實際)分別對應(yīng)累積干旱烈度及受旱面積，1畝≈666.67 m2。由圖5可以看出，基于區(qū)域綜合指標(biāo)的典型干旱年份與實際記載典型干旱年份及其排序總體保持一致，能夠反映區(qū)域總體旱情。

圖5 基于MIDI的年累積干旱烈度與實際受旱面積對比分析Fig.5 Comparison of annual cumulative droughtintensity and actual drought affected area basedon MIDI

在干旱指標(biāo)空間分布上，本文選取2018年春季(3—5月份)干旱為典型時段，計算各氣象、水文站點的MIDI干旱指標(biāo)進(jìn)行空間插值(IDW反距離插值)，結(jié)果見圖6。通過對比分析可以看出，MIDI綜合指標(biāo)干旱等級與SPI、SZI和SSDI指標(biāo)干旱等級的空間變化趨勢總體一致，相比單項指標(biāo)，MIDI綜合指標(biāo)能夠反映以地表徑流為主要水源區(qū)域(湘江沿岸城鎮(zhèn)以水文干旱為主導(dǎo))旱情，同時能夠揭示糧食主產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)旱情，更加適用于區(qū)域旱情總體評估。

圖6 2018年春季(3—5月份)干旱空間分布情況Fig.6 Spatial distribution of drought in spring of 2018 (March to May)

4.3 基于綜合干旱指標(biāo)的干旱特征分析

4.3.1 干旱特征空間格局

基于IDW插值得到各縣市單元MIDI綜合指標(biāo)序列，采用游程理論識別干旱過程，并計算其歷時與烈度的聯(lián)合重現(xiàn)期(頻率)，結(jié)果如表3所示。

表3 長株潭地區(qū)1961—2018年歷史干旱識別及頻率計算結(jié)果Table 3 Result of historic drought identification andfrequency calculation results for Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region from 1961 to 2018

從干旱年內(nèi)年際變化看，平均每年約發(fā)生1.3次干旱，單次干旱歷時約2個月，平均烈度為1.3，重現(xiàn)期約7.4 a，1961—2018年期間較為嚴(yán)重的干旱事件主要集中在1963年、2011年和2018年，這一結(jié)果與歷史記載干旱區(qū)域旱情總體一致。根據(jù)《湖南省水旱災(zāi)害》附件統(tǒng)計，1963年湖南省受災(zāi)面積為近幾十年之最；根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和分析成果[13]，2011年湘江長株潭段發(fā)生了持續(xù)性低水位，其中長沙站跌破歷史最低水位；根據(jù)《中國水旱災(zāi)害公報》《湖南氣候變化監(jiān)測公報》，2018年以長株潭地區(qū)為代表的湘中地區(qū)發(fā)生了持續(xù)性高溫少雨天氣，干旱災(zāi)害嚴(yán)重。

從干旱事件空間分布看，各縣市單元近幾十年干旱總次數(shù)、平均干旱歷時、烈度和重現(xiàn)期差異不大，然而由于不同地區(qū)氣象、水文和下墊面空間分布的差異，以及干旱事件分割等因素，最大重現(xiàn)期的干旱事件發(fā)生年份存在較大差異。

4.3.2 干旱特征時間演變規(guī)律

采用多尺度分析方法，分別從月、季和年3種時間尺度，分析長株潭地區(qū)MIDI綜合干旱的變化特征，結(jié)果見圖7—圖9?？梢钥闯?，近58 a期間，長株潭地區(qū)輕度以上干旱主要集中8—11月份，且以輕旱和中旱為主；重旱、特旱主要集中在3—6月份、11—12月份。

圖7 長株潭地區(qū)綜合干旱年內(nèi)變化情況Fig.7 Monthly change of comprehensive drought inChangsha-Zhuzhou-Xiangtan region

圖8 長株潭地區(qū)綜合干旱年際變化情況Fig.8 Interannual variation of comprehensive droughtin Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

圖9 長株潭地區(qū)綜合干旱不同年代空間變化情況Fig.9 Spatial variation of comprehensive drought overdifferent years in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

從年尺度干旱指標(biāo)來看，近58 a來，隨著來水豐枯變化，旱情相應(yīng)呈現(xiàn)年際波動變化特征，其中1963—1975年、2006—2018年兩個時期，極端干旱發(fā)生頻次相對更高，累積干旱烈度高于1976—2005年期間，這一變化與《中國水旱災(zāi)害公報》中近年來湖南省農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積和因旱飲水困難人口變化趨勢基本一致。近20 a來干旱烈度呈現(xiàn)一定的上升趨勢，以株洲為例，2018年累積干旱烈度為近58 a之最。

5 結(jié)論與展望

本文在SPI、SZI、SSDI等單項干旱指標(biāo)基礎(chǔ)上，提出了基于動態(tài)權(quán)重系數(shù)法的綜合干旱指標(biāo)MIDI，并對指標(biāo)的適用性進(jìn)行了分析驗證。以長株潭地區(qū)11個縣市單元為研究區(qū)，計算了近58 a各干旱事件的歷時、烈度和發(fā)生頻率，采用多尺度分析方法，分析了長株潭地區(qū)月、季和年3種時間尺度的演變規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)SPI、SZI對于不同水源、行業(yè)類型干旱評價各具優(yōu)勢，SPI、SSDI年干旱累積烈度與農(nóng)業(yè)受旱面積率相關(guān)性相對較高；SZI干旱烈度與城鎮(zhèn)因旱減少供水量相關(guān)性較高，更適用于依靠地表徑流為主要供水水源的城鎮(zhèn)干旱評價。

(2) 綜合干旱指標(biāo)MIDI可通過設(shè)置合理的單項指標(biāo)閾值，對多水源和產(chǎn)業(yè)類型的區(qū)域旱情進(jìn)行評價。本研究考慮到區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的年際變化、產(chǎn)業(yè)需水規(guī)律的季節(jié)性變化等因素，在不同時間階段，各單項指標(biāo)干旱對于旱情的主導(dǎo)作用存在差異，據(jù)此提出了隨年份、月份變化的單項指標(biāo)動態(tài)權(quán)重系數(shù)。根據(jù)分析結(jié)果，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化水位指數(shù)SZI為-1.5及以上時，SZI的權(quán)重低于SPI和SSDI，隨著年份變化，由于城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占總產(chǎn)值的比例不斷增加，其相應(yīng)的權(quán)重比例也隨之增加；當(dāng)SZI低于-2.0時，城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)干旱將成為區(qū)域旱情的主導(dǎo)。

(3)基于綜合干旱指標(biāo)MIDI，對長株潭地區(qū)1961—2018年干旱演變趨勢、典型年干旱空間分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：隨著來水豐枯變化，旱情相應(yīng)呈現(xiàn)年際波動變化特征?；趨^(qū)域綜合指標(biāo)的典型干旱年份與實際記載典型干旱年份及其排序總體保持一致，能夠反映區(qū)域總體旱情；MIDI綜合指標(biāo)干旱等級與SPI、SZI和SSDI干旱等級的空間變化趨勢總體一致，當(dāng)多種指標(biāo)結(jié)果存在方向上的差異時，綜合指標(biāo)可作緩和處理，其結(jié)果以發(fā)揮主導(dǎo)作用的單項干旱指標(biāo)結(jié)果為主，能夠解決干旱發(fā)展演變的非線性復(fù)雜變化問題。研究結(jié)果可為區(qū)域綜合旱情評價、旱情監(jiān)測預(yù)警等提供參考。