武慧敏，呂愛鋒，張文翔

(1.云南省高原地理過程與環(huán)境變化重點(diǎn)實驗室,云南師范大學(xué)地理學(xué)部,昆明 650500；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

干旱是一種反復(fù)發(fā)生且具有嚴(yán)重影響的災(zāi)害，與其他類型的災(zāi)害相比其波及范圍廣，影響時間長，是迄今為止代價最高的自然災(zāi)害[1]。干旱由一個地區(qū)長期降水不足引起，是典型的與水資源不足相關(guān)的異常氣候事件[2]，會對農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響并導(dǎo)致廣泛的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境挑戰(zhàn)[3-5]。如2014年美國加州的干旱事件造成了22億美元的損失[6]。根據(jù)水循環(huán)不同環(huán)節(jié)中水分影響對象的差異，一般將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱[7]，不同類型干旱的發(fā)生在時間上具有遞進(jìn)關(guān)系[8]。氣象干旱是其他干旱類型的根源，在干旱災(zāi)害傳播鏈中起關(guān)鍵作用[9]。水文干旱的發(fā)生與氣象干旱相比較慢，其持續(xù)時間也比氣象干旱要長，氣象干旱的發(fā)生一般難以控制，但是水文干旱的影響可以通過一定的措施來避免或降低[10]。

國內(nèi)外學(xué)者利用各類氣象干旱指標(biāo)如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)、帕默爾干旱指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)以及水文干旱指標(biāo)如標(biāo)準(zhǔn)徑流指數(shù)(standardized runoff index，SRI)、帕默爾水文干旱指數(shù)、徑流干旱指數(shù)和地表供水指數(shù)等分別對氣象干旱與水文干旱進(jìn)行研究。其中：何福力等[11]基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)對黃河流域50年干旱演變進(jìn)行分析；翟家齊等[12]利用標(biāo)準(zhǔn)化水資源指數(shù)對海河北系的干旱特征進(jìn)行刻畫；趙安周等[13]采用帕默爾干旱指數(shù)對渭河流域干旱時空分布進(jìn)行研究；Hong等[14]利用徑流干旱指數(shù)評估了長江上游水文干旱的不確定性。

綜合來看，目前的干旱研究主要側(cè)重于分析流域特定類型干旱的特征及其空間分布，多數(shù)研究在分析過程中僅選用單個干旱指數(shù)對研究區(qū)干旱狀況進(jìn)行討論，不能對流域存在多種干旱類型的情況進(jìn)行探討，針對不同類型干旱傳播過程的研究還是較為缺乏。本文主要從識別和統(tǒng)計氣象干旱與水文干旱、評估干旱的趨勢，探索SPI和SRI之間的關(guān)系，研究氣象和水文干旱之間的傳播時間以及氣象干旱向水文干旱傳播可能的影響及驅(qū)動因素。研究結(jié)果對區(qū)域干旱管理和水資源規(guī)劃以及干旱風(fēng)險的綜合防控具有重要參考價值。

1 研究區(qū)概況

巴音河流域地處柴達(dá)木盆地東北部德令哈市，位于36°53′～38°11′N，96°29′～98°08′E之間，發(fā)源于祁連山支脈野牛脊山，流域總面積達(dá)17 608 km2，河流長約320 km，海拔為5 000 m[15]。屬于高原荒漠半荒漠氣候區(qū)，夏季溫暖干燥，最熱月平均氣溫為16.7 ℃，極端高溫可達(dá)33.1 ℃，年均溫為4.0 ℃；日照豐富，年日照時長為3 127.9 h，年蒸發(fā)量2 102.1 mm；無霜期約為84～99 d[16]。水資源極度缺乏，年平均降雨量182.3 mm。流域地勢北高南低，地區(qū)降雨差異性較大，北部高山區(qū)的降雨200 mm以上，而南部平原區(qū)降雨量只有50～150 mm。巴音河是流域最大的內(nèi)陸河，是該區(qū)域居民生活生產(chǎn)以及生態(tài)用水的主要來源，徑流對該地區(qū)的影響尤為重要。隨著全球氣候變暖以及流域內(nèi)人類活動的影響，巴音河流域干旱問題日益突顯，湖泊及濕地面積降低，地下水位上升等一系列問題相繼誘發(fā)[17]。

圖1 巴音河流域水系圖Fig.1 Water system of the Bayin River basin

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 研究方法

2.1.1SPI與SRI

SPI是Mckee等[18]在1993年提出的，SPI計算簡單，且具有多種時間尺度，是干旱研究中廣泛采用的指標(biāo)。SPI反映降雨量出現(xiàn)的機(jī)會率，當(dāng)SPI 為正值時表示降雨量偏多，而當(dāng)SPI 出現(xiàn)負(fù)值時表示降雨量偏少?？梢酝ㄟ^SPI負(fù)值的大小來確定干旱的嚴(yán)重程度，SPI 的值越小代表干旱嚴(yán)重程度越高。SPI 的計算公式可參考文獻(xiàn)[19]。

SRI在2008年由Shukla等[20]提出，該指數(shù)參照標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的概念，可以表示流域徑流量出現(xiàn)的機(jī)會率，當(dāng)出現(xiàn)正值時說明徑流量偏多，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)值時說明該時段徑流量偏少。該指數(shù)不僅計算簡單，還可以進(jìn)行不同時間尺度分析，并在地勢復(fù)雜、水文資料缺乏地區(qū)具有適用性。SRI 的具體計算方法與SPI類似[21]，SPI與SRI等級劃分見表1[22]。

表1 干旱指數(shù)等級劃分Tab.1 Classification of drought indices

2.1.2Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法[23]可以識別一組數(shù)據(jù)的變化趨勢及其突變情況。Mann-Kendall檢驗法的優(yōu)勢在于不受時間序列中異常值的干擾，序列不必具有相同的概率分布，只需滿足水文數(shù)據(jù)偏態(tài)，在水資源領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[24]。Mann-Kendall趨勢檢驗法的計算過程已有學(xué)者[25]進(jìn)行過詳細(xì)的闡述。Z滿足標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布:若Z>0，則定義序列為上升趨勢;若Z<0 時，序列則為下降趨勢。對于給定的顯著性水平α，若、|Z|≥Z1-α/2，則說明序列上升或下降趨勢顯著。

2.2 研究數(shù)據(jù)

巴音河流域氣象水文站點(diǎn)匱乏，且流域地勢北高南低，流域各支流自北向南沿途交匯，最終在南部海拔較低的德令哈地區(qū)匯合后流出研究區(qū)，作為流域出口的德令哈站點(diǎn)匯集了流域內(nèi)眾多支流，其徑流量由流域內(nèi)所有支流的徑流構(gòu)成。因此，在氣象水文站點(diǎn)缺乏的巴音河流域，德令哈站可以較好地代表整個流域的水文狀況。降水?dāng)?shù)據(jù)選用德令哈氣象站1961—2019年逐月降水?dāng)?shù)據(jù),徑流數(shù)據(jù)選用德令哈水文站逐月徑流數(shù)據(jù)，覆蓋了1961年至2019共59年的數(shù)據(jù)，時間周期較長，可以表示巴音河流域較長一段時期干旱的變化趨勢，反映的干旱狀態(tài)比較穩(wěn)定性，計算的數(shù)據(jù)在代表整個流域時合理性較強(qiáng)。

3 結(jié)果分析

3.1 氣象干旱特征

3.1.1氣象干旱的時間變化特征

基于流域 1961—2019 年逐月降水量進(jìn)行氣象干旱分析，不同時間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)表征意義有差別:1個月尺度的SPI值受到每月降水變化影響，可以較好地反映氣象干濕變化情況；3個月尺度的SPI值會受季節(jié)性降水變化影響；6個月和9個月的SPI值可以反應(yīng)中期及中長期降水變化下的氣象干旱狀況；12個月的SPI值則表示長期的氣象干旱情況，受到年平均降水的影響。研究采用 1、3、6、9、12個月共5種時間尺度計算SPI，可以很好地代表短期、中期及長期降水對氣象干旱的影響(“SPI1”表示 1 月尺度 SPI，以此類推)。巴音河流域氣象干旱指標(biāo)變化過程見圖2。

圖2 巴音河流域氣象干旱指標(biāo)變化過程Fig.2 The change process of meteorological drought index in the Bayin River basin

結(jié)果顯示，流域不同時間尺度下的SPI值都有明顯差異，但干旱趨勢大致相同。月尺度(SPI1)的波動最強(qiáng)，隨著時間尺度的增大，波動起伏減緩。其中：巴音河流域SPI在20世紀(jì)60年代普遍在-1至-2之間，呈中度到重度干旱狀態(tài)，巴音河流域水資源在這一時期處于缺乏狀態(tài)，旱情較為嚴(yán)重；20世紀(jì)70年代SPI 值除1977年干旱指數(shù)為正值外，其余大部分年份都為負(fù)值，處于干旱頻發(fā)生狀態(tài)；在20世紀(jì)80年代和90年代，干旱與濕潤交替出現(xiàn)，干旱指數(shù)SPI值顯示這段時間發(fā)生的大部分干旱程度較輕，僅在1995年發(fā)生了較為嚴(yán)重的干旱。 對于整個巴音河流域，2002年以后SPI干旱指數(shù)大于 0 的年份明顯增多，這說明進(jìn)入21 世紀(jì)巴音河流域降水呈增多趨勢，處于較為濕潤的狀態(tài)。巴音河流域濕潤化的趨勢與全球變暖引起的氣溫升高及蒸散發(fā)加劇關(guān)系密切，水循環(huán)速度加快使降水量也呈上升趨勢[26]。此外，還有一些研究表明大氣環(huán)流是西北地區(qū)干濕變化的重要原因：Peng等[27]認(rèn)為亞洲副熱帶西風(fēng)急流的南向位移引起西北地區(qū)上空正渦度平流發(fā)生異常，造成氣旋上升運(yùn)動，使區(qū)域降水增多；Li等[28]則認(rèn)為北美副熱帶高壓以及西伯利亞高壓是引起西北地區(qū)降水量增多的主要因素。

3.1.2氣象干旱趨勢特征

巴音河流域氣象干旱變化趨勢采用Mann-Kendall 檢驗法分析。依據(jù)德令哈氣象站1961—2019 年的月降水?dāng)?shù)據(jù)來計算SPI，進(jìn)而計算檢驗統(tǒng)計量Z并進(jìn)行趨勢分析。若：判定趨勢在90%的顯著性水平上顯著則需所得結(jié)果的絕對值大于1.64；所得結(jié)果的絕對值大于 1.96，則定義為在 95%的顯著性水平上的趨勢為顯著。計算為負(fù)值說明為變干趨勢，正值則代表變濕趨勢。

巴音河流域SPI1的檢驗統(tǒng)計量Z=5.211 4，在α=0.05 的顯著性水平下，|Z|>Z1-α/2=1.64。結(jié)果見圖3，其中：標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI1的檢驗統(tǒng)計量Z值為正值，整體呈現(xiàn)變濕趨勢，并且標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI1的檢驗統(tǒng)計量Z值超過了1.64，表明變濕趨勢明顯；進(jìn)一步對巴音河流域SPI序列進(jìn)行Mann-Kendall突變檢測，在1961—2019年間，大多數(shù)年份的SPI1序列的UF值大于0，UF曲線整體呈波動上升趨勢，UF、UB曲線于1985年相交，發(fā)生顯著突變，干旱指數(shù)為正值的年份明顯增多。

圖3 巴音河流域SPI序列 Mann-Kendall 突變檢測Fig.3 SPI sequence Mann-Kendall mutation detection in the Bayin River basin

3.2 水文干旱特征

3.2.1水文干旱的時間變化特征

基于 1961—2019 年逐月徑流量進(jìn)行水文干旱分析，同樣使用1、3、6、9、12個月共5種時間尺度計算SRI。巴音河流域水文干旱指標(biāo)變化過程見圖4。

圖4 巴音河流域水文干旱指標(biāo)變化過程Fig.4 The change process of hydrologicall drought index in the Bayin River basin

所得結(jié)果具有與氣象干旱相似的特征，不同時間尺度下的SRI值波動幅度明顯不同，但干旱趨勢大致相同。SRI1的波動最強(qiáng)，表現(xiàn)出時間尺度越小，SRI對水文干旱的反應(yīng)越強(qiáng)烈。分析SRI可得:巴音河流域在20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)80年代呈現(xiàn)旱澇交替現(xiàn)象，但干旱年份居多；20世紀(jì)90年代區(qū)域總體表現(xiàn)為干旱頻發(fā)；20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初期SRI值普遍在-1～-2，呈中度到重度干旱狀態(tài)。這時間段內(nèi)，巴音河流域干旱持續(xù)時間長，旱情較為嚴(yán)重。整個巴音河流域在進(jìn)入21 世紀(jì)后干旱指數(shù)SRI大多數(shù)年份為正值，表示這段時期巴音河流域水資源較為豐富，處于濕潤狀態(tài)，干旱呈減弱態(tài)勢。

3.2.2水文干旱趨勢特征

對巴音河流域SRI1進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗分析得到SPI1的檢驗統(tǒng)計量Z=1.359 5，在α=0.05的顯著性水平下，|Z|>Z1-α/2=1.64,結(jié)果見圖5。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)SRI1的檢驗統(tǒng)計量Z值為正值，整體呈現(xiàn)變濕趨勢，然而標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)SRI1的檢驗統(tǒng)計量Z值小于1.64，表明徑流指數(shù)雖然有變濕的趨勢，但這種趨勢并不明顯。對1961—2019年間的水文干旱指數(shù)SRI1做突變檢驗，由圖5可知UF、UB曲線波動幅度較大，沒有明顯的上升趨勢，進(jìn)一步使用 Pettitt 突變點(diǎn)檢驗，結(jié)果顯示序列的突變年份為2002年，表示從2002年開始序列值顯著上升，變濕趨勢加劇。21世紀(jì)后流域徑流量增多，水文干旱減緩：一方面，流域水循環(huán)加快，降水增多使得徑流量也有一定程度的增多；另一方面，全球變暖造成冰川消融，雪線升高，高山冰雪融水對徑流量的增加也有一定的貢獻(xiàn)。

圖5 巴音河流域SRI序列Mann-Kendall突變檢測Fig.5 SRI sequence Mann-Kendall mutation detection in the Bayin River basin

3.3 水文干旱對氣象干旱的響應(yīng)

3.3.1水文與氣象干旱時滯互相關(guān)分析

對不同時間尺度巴音河流域的 SPI 和SRI做相關(guān)性分析，計算結(jié)果見表2。不同時間尺度的相關(guān)系數(shù)分別為0.22、0.30、0.47 和 0.66，氣象干旱指數(shù)和水文干旱指數(shù)隨著時間尺度的增大其相關(guān)性逐漸增強(qiáng),12 個月尺度的相關(guān)性最強(qiáng)。

表2 巴音河流域不同時間尺度的SPI與SRI的相關(guān)性Tab.2 The correlation between SPI and SRI on different time scales in the Bayin River basin

對1961—2019年SPI12與SRI12序列取同期、滯后 1 個月、滯后 2 個月……11 個月的時間梯度，計算相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行相關(guān)性分析，取最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的時間梯度作為SPI與SRI的滯后時間。研究表明，同期至滯后 11 個月的序列相關(guān)系數(shù)分別是 0.659、0.682、0.682、0.672、0.656、0.639、0.621、0.600、0.577、0.552、0.523和0.480，最大相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在滯后1～2個月，表明巴音河流域水文干旱對氣象干旱的響應(yīng)在滯后1～2 個月的時候最為敏感。

3.3.2水文干旱與氣象干旱對比分析

將SPI12與SRI12進(jìn)行對比分析，1961—2019年發(fā)生水文干旱時長191個月，發(fā)生氣象干旱時長231個月，表明發(fā)生水文干旱的可能性與氣象干旱相比較小，若氣象干旱嚴(yán)重程度較低，水文干旱可能不會發(fā)生，且水文干旱相對于氣象干旱具有延遲特征。

由圖6可以看出，1961—1975年期間氣象干旱的發(fā)生頻率以及發(fā)生的嚴(yán)重程度均大于水文干旱，氣象干旱多為中旱到重旱，水文干旱多為輕旱。其中：1966、1972年氣象干旱曾達(dá)到特旱程度，而水文干旱最大程度為中旱等級；1975—2002年氣象干旱和水文干旱的嚴(yán)重等級均有所降低，且這段時期水文干旱的發(fā)生頻率及嚴(yán)重程度都要大于氣象干旱，水文干旱持續(xù)時間較長；2002—2019年這段時間氣象干旱和水文干旱很少發(fā)生，濕潤程度顯著增加，僅在2006和2014年發(fā)生中度氣象干旱，在2015年發(fā)生輕度水文干旱。

圖6 巴音河流域12個月尺度SPI與SRI序列的比較Fig.6 Comparison of 12-month scale SPI and SRI sequence in Bayin River basin

3.3.3水文干旱對氣象干旱的季節(jié)性響應(yīng)

結(jié)合巴音河流域季節(jié)特征與SPIn和SRI1之間的相關(guān)性對干旱傳播的季節(jié)性進(jìn)行分析。根據(jù)圖7反映的結(jié)果：春季(3—5月)SRI與SPI5相關(guān)性最強(qiáng)(r=0.24)，春季氣溫回升，冰雪消融，增加的地表水下滲形成土壤水、潛流和地下水，加之春季植物生長，用水需求上升，使產(chǎn)生徑流的水量減少，水文干旱的響應(yīng)時間為5個月；夏季(6—8月)SRI與SPI6相關(guān)性顯著(r=0.72)，夏季高溫炎熱，蒸散發(fā)加劇，植被蒸騰作用增強(qiáng)了水量消耗，夏季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水量大，加之徑流的變化主要依賴于降水，氣象干旱更加容易引起水文干旱的發(fā)生，這與相關(guān)性熱圖反映的夏季6個月的傳播時間也有一致性；秋季(9—11月)SRI與SPI9相關(guān)性顯著(r=0.64)，秋季溫度開始降低，流域的蒸散發(fā)量也減少，隨著淺層土壤中儲存的水分逐漸被耗盡，導(dǎo)致流域水文干旱對氣象干旱的響應(yīng)延遲；冬季(12月—2月)SRI與SPI8相關(guān)性較強(qiáng)(r=0.33)，冬季由于積雪的產(chǎn)生，冬季的蒸發(fā)量最小，降水對徑流的影響減弱，使氣象干旱向水文干旱的傳播時間相對較長。

圖7 巴音河流域不同時間尺度SPI與SRI1序列的相關(guān)性Fig.7 Correlation between SPI and SRI1 sequence in different time scales in Bayin River basin

綜上， SPIn與SRI1在雨季的相關(guān)性強(qiáng)度明顯高于旱季。巴音河流域降水集中于雨季，對河流流量的補(bǔ)充具有重要影響；而在旱季，隨著氣溫的降低，蒸散發(fā)也隨之減弱，使得水循環(huán)過程放緩，干旱傳播的時間延長。表3中SPIn和SRI1的最大相關(guān)系數(shù)反映的氣象干旱向水文干旱的傳播時長與流域的季節(jié)特性具有一致性，水文干旱對氣象干旱的響應(yīng)在春季和夏季短于在秋季和冬季的響應(yīng)時間。

表3 巴音河流域不同季節(jié)氣象干旱向水文干旱的傳播時間Tab.3 The spread time of meteorological drought to hydrological drought in different seasons in the Bayin River basin

4 討論與結(jié)論

在指標(biāo)的選取上，SPI被普遍應(yīng)用于干旱分析中，具有較強(qiáng)的可靠性。此外，SPI與其他干旱指數(shù)相比計算雖簡單，但卻在干旱預(yù)警和干旱災(zāi)害控制方面具有很好的效果[29]。SRI是一種標(biāo)準(zhǔn)化的指數(shù)，區(qū)域偏差被最小化，可以表征流域的水文特征，并且可以計算不同時間尺度的水文干旱狀況，能夠反映由于季節(jié)變化而引起的干旱滯后問題[22]。已有研究[30]表明德令哈地區(qū)的氣候表現(xiàn)出暖濕化趨勢，這與本研究的結(jié)論具有一致性，氣溫升高引起高山冰雪融化，使巴音河流域的徑流量呈現(xiàn)上升趨勢。西北地區(qū)的黑河[31]、疏勒河[32]等流域上游的徑流量從20世紀(jì)50年代起均呈增加趨勢，巴音河流域的徑流量也具有相似的變化趨勢，徑流量的增多可能與西北地區(qū)在近些年的暖濕化趨勢相關(guān)[33]。文廣超等[34]研究了巴音河流域氣候變化和人類活動對上游徑流量的影響，通過累積量斜率變化率方法，在不考慮其他因素影響時降水量對年徑流量增加的貢獻(xiàn)率達(dá)到 83.06% ，而人類活動對年徑流量增加的貢獻(xiàn)率占16.94% ，表明人類活動對巴音河上游年徑流變化的影響相對較小。

研究采用SPI和SRI對巴音河流域1961—2019年氣象干旱和水文干旱的演變特征及其趨勢進(jìn)行分析，并對水文干旱對氣象干旱的響應(yīng)進(jìn)行探析得到：流域20世紀(jì)60年代的氣象干旱形勢最為嚴(yán)峻，總體表現(xiàn)出中度-重度干旱；1985年氣象干旱發(fā)生突變，之后流域濕潤年份明顯增多，流域水文干旱在20世紀(jì)90年代較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)出中度-重度干旱狀態(tài)；21世紀(jì)以來流域極少發(fā)生水文干旱。Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果顯示流域水文干旱的突變點(diǎn)為2002年，從2002年開始呈現(xiàn)水文濕潤狀態(tài)的年份增多。巴音河流域水文干旱與氣象干旱在12個月尺度上相關(guān)性最強(qiáng)，對12個月尺度的氣象干旱指數(shù)與水文干旱指數(shù)進(jìn)行時滯互相關(guān)分析，得到水文干旱滯后于氣象干旱1～2個月；水文干旱對氣象干旱的季節(jié)性響應(yīng)表現(xiàn)出雨季的相關(guān)性強(qiáng)度高于旱季，水文干旱在春季對氣象干旱的響應(yīng)最為迅速，水文干旱對氣象干旱的響應(yīng)在春夏季快于秋冬季。

考慮到氣溫的持續(xù)上升，未來蒸散發(fā)等必將成為不可忽略的部分，而SPI、SRI并未將這些考慮進(jìn)去。另外，隨著水利工程的逐步完善與運(yùn)行，未來人類活動的影響也將加劇對流域水循環(huán)的影響。因此，從生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)角度選擇綜合干旱指數(shù)進(jìn)行多因子綜合分析，對日益復(fù)雜的水文過程進(jìn)行合理模擬，以提供更完善的干旱風(fēng)險評價，將成為流域水文研究的重要方向之一。