楊銘珂, 賀中華, 任榮儀

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)

在全球氣候變暖的大背景下，干旱在經(jīng)濟(jì)成本、社會(huì)問題以及生態(tài)等方面已經(jīng)發(fā)展為最具破壞性、最廣泛的主要?dú)夂驗(yàn)?zāi)害之一，干旱通常被定義為某一時(shí)段某地正常水的可用性降低，水分入不支出而引起的災(zāi)害現(xiàn)象，可為分為水文循環(huán)、降水(氣象干旱)、土壤水分(農(nóng)業(yè)干旱)、地下水和徑流(水文干旱)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[1]。氣象干旱強(qiáng)調(diào)由不均衡的降水引起水資源匱乏的干旱現(xiàn)象，水文干旱強(qiáng)調(diào)地表水與地下水收支不平衡，水分短缺所引起的干旱現(xiàn)象。與此同時(shí)，水文干旱被認(rèn)為是最徹底的干旱事件，是氣象干旱的延續(xù)，是氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱、社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱之間的紐帶。Peters等[2]認(rèn)為水文干旱以干旱為主要驅(qū)動(dòng)力，取決于氣象干旱在陸地水文循環(huán)中的擴(kuò)散，受到水文循環(huán)性質(zhì)(降水)的影響。Zhao等[3]在研究渭河流域時(shí)也發(fā)現(xiàn)氣象干旱與水文干旱之間具有很強(qiáng)的聯(lián)系。當(dāng)水文干旱發(fā)生時(shí)，很難有足夠地時(shí)間解決供水短缺的問題，可以利用從氣象干旱到水文干旱的傳播時(shí)間對(duì)水文干旱進(jìn)行預(yù)警，Li等[4]利用氣象干旱提出水文干旱等級(jí)預(yù)測(cè)方法，認(rèn)為在2個(gè)月的水文干旱預(yù)測(cè)，氣象干旱序列更好。因此找出氣象干旱與水文干旱之間的聯(lián)系，以及分析它們之間的滯后效應(yīng)，這對(duì)干旱檢測(cè)以及管理很重要，同時(shí)也對(duì)干旱的成因機(jī)制具有重要意義。

Liu等[5]利用三維(緯度、經(jīng)度以及時(shí)間)將氣象和水文干旱事件聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)氣象干旱到水文干旱的轉(zhuǎn)變特征為干旱歷時(shí)增加，響應(yīng)時(shí)間滯后以及干旱嚴(yán)重程度減弱。在從氣象干旱到水文干旱的傳播時(shí)間上，Vicente-Serrano等[6]在地中海沿岸的Aragon流域進(jìn)行干旱研究時(shí)發(fā)現(xiàn)該流域水文干旱比氣象干旱滯后 1～4個(gè)月。Li等[7]則發(fā)現(xiàn)氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間隨季節(jié)發(fā)生明顯變化，并且兩者的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性[8]。也有相關(guān)研究認(rèn)為氣象與水文干旱的關(guān)系在不同時(shí)間尺度上表現(xiàn)不同的特征。López-Moren等[9]在埃布羅盆研究水文干旱對(duì)不同小流域不同時(shí)間尺度的氣象干旱的響應(yīng)關(guān)系時(shí)，認(rèn)為兩者之間的響應(yīng)關(guān)系是多變的。蔣憶文等[10]研究黑河上游氣象與水文干旱指數(shù)時(shí)空變化，則發(fā)現(xiàn)該地區(qū)氣象與水文干旱在年尺度上具有較好的一致性，但在月尺度上因?yàn)樗难h(huán)過程，通常情況下水文干旱是滯后于氣象干旱。Zhou等[11]也認(rèn)為氣象和水文干旱變化在季節(jié)和月尺度上是不同的，氣象干旱對(duì)當(dāng)前和未來一個(gè)月的水文干旱有顯著影響。Satta等[12]則認(rèn)為每種干旱特征以及兩種干旱之間的滯后時(shí)間由潛在條件和氣候變量的空間變化而不一致。

黔中地區(qū)位于貴州中部，其范圍涉及長(zhǎng)江和珠江流域，并在其研究區(qū)內(nèi)建設(shè)有黔中水利樞紐工程，該工程以灌溉和城市供水為主，為黔中地區(qū)水資源利用、分配以及管理服務(wù)。但黔中地區(qū)處于巖溶峰林、巖溶峰叢，保水、蓄水能力弱，水資源也極度短缺，其具有自身的地貌特點(diǎn)以及氣候特征。與此同時(shí)，隨著黔中地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)發(fā)展以及人口增長(zhǎng)，蓄水需求不斷增大，使得人水矛盾突出，極為容易引發(fā)干旱事件，這對(duì)黔中水利樞紐工程的有效運(yùn)行提出了巨大的挑戰(zhàn)。并且前人研究主要集中在氣象干旱特征或者水文氣象要素變化等方面，對(duì)于該地區(qū)的水文干旱以及水文、氣象干旱響應(yīng)關(guān)系的分析較少。因此本文將以貴州中部地區(qū)為研究區(qū)域，基于降水資料和徑流資料對(duì)黔中地區(qū)的氣象水文干旱演變特征進(jìn)行分析，并探求兩者之間的響應(yīng)關(guān)系，希望能為黔中地區(qū)干旱評(píng)估、干旱預(yù)報(bào)以及為黔中水利樞紐工程的管理等工作提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

黔中地區(qū)位于貴州省中部(圖1)，介于25°23′30″—75°5′10″N，104°10′20″—107°2′20″E，本研究擬以解決該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水而建設(shè)的重要調(diào)水工程——黔中水利工程樞紐為線，東至貴陽(yáng)，西至關(guān)嶺，北至威寧，南至鎮(zhèn)寧，處于巖溶峰林、巖溶峰叢，巖溶發(fā)育并分布較廣，透水性強(qiáng)且排泄快，土層較薄且蓄水保水能力差，水資源開發(fā)利用難度大。該地區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨季受季風(fēng)控制，年降水變率約為10.4%，多年平均降雨量為1 002 mm，主要集中在夏季，以6月居多，春、冬季少雨，夏季高溫多雨，秋季高溫少雨。研究區(qū)域內(nèi)的年徑流變率約為21.4%，6—7月徑流豐富，占全年徑流量的40%，而11月—次年4月為枯水期，尤以2—3月最少。特殊的喀斯特地貌、降水以及徑流時(shí)空分布不均等特征使得干旱事件在該地區(qū)頻發(fā)。

圖1 黔中地區(qū)以及氣象-雨量站和水文站分布

2 數(shù)據(jù)與來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文收集了貴州黔中地區(qū)1970—2016年多個(gè)氣象站以及雨量站的月均降水，同時(shí)氣象站數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站的日值數(shù)據(jù)集，徑流數(shù)據(jù)選取該地區(qū)1970—2016年的6個(gè)水文站點(diǎn)的逐月徑流數(shù)據(jù)(圖1)，利用逐月的降水和徑流數(shù)據(jù)對(duì)其氣象和水文干旱進(jìn)行分析。

2.2 研究方法

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized precipitation index，SPI)是氣象干旱評(píng)估常用指標(biāo)，適用多尺度地對(duì)氣象干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估。通常采用Gamma分布概率描述降水量的變化，將偏態(tài)概率分布的降水量進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分干旱等級(jí)[13]。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(Standardized streamflow index，SSI)是水文干旱評(píng)估常用指標(biāo)[14]，徑流與降水類似，同樣服從偏態(tài)分布，Malik[15]在對(duì)印度北阿坎德邦上流進(jìn)行干旱預(yù)測(cè)時(shí)將徑流值替代降水值，使用Gamma概率分布模型計(jì)算了水文干旱指數(shù)，即證明該概率分布模型同樣適用于以徑流為指標(biāo)的水文干旱指數(shù)計(jì)算。并且黔中地區(qū)降水量與徑流量相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86以上，兩者相關(guān)性明顯，同時(shí)為了便于對(duì)比干旱類型，本文的SSI與SPI計(jì)算方法一致，均采用gamma概率分布模型計(jì)算，采用降水指標(biāo)計(jì)算得到SPI，將徑流指標(biāo)代替降水得到SSI值。以SPI為例，具體計(jì)算公式為[16-18]：

(1)

式中:G(x)由gamma分布函數(shù)概率積分計(jì)算得出,用于擬合站點(diǎn)每個(gè)月的降水(徑流)頻率；x為月降水量(徑流量)；γ，β分別為gamma分布函數(shù)的形狀與尺度參數(shù)[17]。

(2)

(3)

本文采用gamma概率分布模型計(jì)算出月尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SSI)，并且依據(jù)《氣象干旱等級(jí)GB/T20481-2006》中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分干旱等級(jí)(表1)。

表1 基于SPI與SSI的干旱等級(jí)劃分

本文從干旱發(fā)生的頻率以及干旱發(fā)生的強(qiáng)度兩個(gè)方面評(píng)價(jià)黔中地區(qū)近47 a干旱演變特征。以月為單位，為了便于比較不同時(shí)期不同等級(jí)的干旱發(fā)生次數(shù)，故以干旱發(fā)生的頻率作為表征，按不同程度的干旱發(fā)生月數(shù)計(jì)算不同時(shí)期的干旱頻率[19]。為了方便描述和理解黔中地區(qū)干旱的空間變化特征，將干旱強(qiáng)度按干旱等級(jí)劃分無旱、輕度干旱、中度干旱、重度干旱以及極端干旱，得到黔中地區(qū)不同年代干旱強(qiáng)度空間分布圖，以評(píng)價(jià)不同時(shí)期干旱強(qiáng)度的空間格局特征[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象干旱時(shí)空特征

3.1.1 氣象干旱時(shí)間演變 以貴州黔中地區(qū)的氣象以及雨量站1970—2016年逐月降水計(jì)算該地區(qū)月尺度SPI值，圖2選取1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月以及12個(gè)月時(shí)間尺度的月SPI?？梢钥闯?，隨著時(shí)間尺度的增大，SPI識(shí)別的干旱事件減少，但干旱歷時(shí)增加。1個(gè)月時(shí)間尺度的SPI(SPI_1)以及3個(gè)月時(shí)間尺度的SPI(SPI_3)所識(shí)別的干旱事件以短歷時(shí)為主，且SPI_3與SPI_1相比，SPI_1反映每個(gè)年代際均出現(xiàn)干旱，SPI_3則識(shí)別較長(zhǎng)歷時(shí)的干旱事件，呈現(xiàn)出一定規(guī)律，在圖2B中，可以發(fā)現(xiàn)干旱事件主要集中在20世紀(jì)80年代以及90年代、21世紀(jì)00年代以及10年代，尤其是2009—2013年期間，該時(shí)期SPI值最低且平均干旱歷時(shí)較長(zhǎng)，這說明這一時(shí)期黔中地區(qū)發(fā)生較為嚴(yán)重的干旱事件。而6個(gè)月、9個(gè)月以及12個(gè)月時(shí)間尺度的SPI(SPI_6，SPI_9，SPI_12)識(shí)別的干旱事件以長(zhǎng)歷時(shí)為主，隨著時(shí)間尺度增加，干旱歷時(shí)增大，干旱事件減少。在圖2E中，可以看出黔中地區(qū)不同年代際的干旱情況，1970—2016年SPI值共出現(xiàn)了6次明顯的低峰，依次為 1975年7月—1976年5月，1981年7月—1982年4月，1988年11月—1990年5月，2003年6月—2007年5月，2009年9月—2010年11月以及2011年6月—2012年6月，2013年6月—2014年6月，其中以2003—2007年的干旱歷時(shí)最長(zhǎng)，為48個(gè)月。分析不同時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)時(shí)間尺度較短時(shí)，SPI具有較高的時(shí)間頻率振蕩，干濕交替頻繁，而在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，SPI顯示較低的時(shí)間頻率，從而能夠監(jiān)測(cè)持續(xù)的干燥和潮濕時(shí)段。

圖3為黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個(gè)月時(shí)間尺度的年均SPI值變化趨勢(shì)，可以看出近47年貴州黔中地區(qū)SPI整體呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，具有明顯的干旱化態(tài)勢(shì)。不同時(shí)間尺度上SPI也呈現(xiàn)不同程度的干旱化特征，且隨著時(shí)間尺度的增加，黔中地區(qū)干旱現(xiàn)象越顯著。以1個(gè)月尺度的SPI(SPI_1)變化趨勢(shì)最小，其斜率為-0.009，干旱現(xiàn)象不明顯，SPI最小值出現(xiàn)在2009年，其次是1988年，依據(jù)SPI_1的5 a滑動(dòng)平均趨勢(shì)線來看，1980—1985年，SPI值下降顯著，其最低點(diǎn)在1985年，1995—2009年SPI再次出現(xiàn)明顯地下滑，最低點(diǎn)在2009年，即表示黔中地區(qū)近47年來2009年干旱最嚴(yán)重。以12個(gè)月尺度的SPI(SPI_12)變化趨勢(shì)最顯著，其斜率為-0.02，該時(shí)間尺度上，干旱現(xiàn)象顯著，SPI最低點(diǎn)在2010年，由SPI_12的5 a滑動(dòng)平均趨勢(shì)來看，SPI值在1978—1987年這段時(shí)期發(fā)生第一次顯著下降的趨勢(shì)，最低谷為1986年，這與SPI_1相比，最低點(diǎn)往后1 a；SPI值發(fā)生第二次下降且最顯著的時(shí)段在1995—2010年，最低點(diǎn)在2010年，表明這段時(shí)期干旱態(tài)勢(shì)化顯著且2010年為氣象最干旱的一年。SPI_3，SPI_6以及SPI_9下降趨勢(shì)相近，斜率分別為0.014，0.016以及0.018，但隨著時(shí)間尺度增大，SPI值的5 a滑動(dòng)平均曲線出現(xiàn)的起伏越大。在圖2B和圖2C中，可以看出，SPI_3和SPI_6的最低值均出現(xiàn)在2013年，而5 a滑動(dòng)平均趨勢(shì)的最低值在2009年，這說明SPI_3和SPI_6的干旱化態(tài)勢(shì)整體上雖然顯著但比SPI_9，SPI_12的干旱化趨勢(shì)小。

圖2 1970-2016年黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個(gè)月SPI動(dòng)態(tài)特征

圖3 1970-2016年黔中地區(qū)SPI變化特征

從年代際來看，SPI_1，SPI_3以及SPI_6以輕旱為主。與SPI_9，SPI_12相比，SPI_6出現(xiàn)的干旱事件最多，主要集中在21世紀(jì)10年代；SPI_9在21世紀(jì)10年代出現(xiàn)3次中度干旱以及1次重度干旱；SPI_12則以中旱為主，各個(gè)時(shí)間段均出現(xiàn)干旱，以2010年SPI值為小，為-1.67，屬于重度干旱。這說明在12個(gè)月時(shí)間尺度上，黔中地區(qū)氣象干旱態(tài)勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)重，干旱事件頻繁，干旱程度增大。

圖4是根據(jù)表1中SPI干旱劃分等級(jí)，統(tǒng)計(jì)近47年黔中15個(gè)氣象以及雨量站點(diǎn)每月SPI值，得到1970—2016年黔中地區(qū)干旱事件頻率變化圖。由圖4可看出，1970—2016年黔中地區(qū)干旱事件發(fā)生的頻率明顯增加，無旱月由1970年的74.61%下降到2010年的67.30%，不同程度的干旱月出現(xiàn)不同的漲幅，其中極端干旱事件出現(xiàn)的次數(shù)增多，干旱頻率增大且21世紀(jì)的極端干旱發(fā)生的頻率最高，20世紀(jì)80年代后逐年代際增加，其干旱頻率由20世紀(jì)70年代的2.06%增加至21世紀(jì)10年代的4.21%，兩者相差約2.7倍，這說明黔中地區(qū)21世紀(jì)初極端干旱事件發(fā)生較為頻繁。輕度、中度以及重度干旱事件發(fā)生的頻率總體上呈增加的趨勢(shì)，但并不是隨著年代際一直增加。輕度干旱在20世紀(jì)70年代的干旱頻率為11.89%，然而在21世紀(jì)00年代，其干旱頻率為17.00%，兩者相差約1.4倍，但21世紀(jì)10年代出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。中度干旱最大的干旱頻率在21世紀(jì)10年代，為9.37%，其次是20世紀(jì)90年代，為9.17%，最小干旱頻率在20世紀(jì)70年代，為7.67%，中度干旱頻率總體上隨著年代際出現(xiàn)增加—減少—增加的趨勢(shì)并且漲幅不大。重度干旱頻率總體上以增加—減少的趨勢(shì)變化，其在20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)00年代呈增加趨勢(shì)，漲幅1.5%，在21世紀(jì)10年代干旱頻率下降，但下降幅度不大。由圖4分析可知，黔中地區(qū)近47 a氣象干旱事件發(fā)生的頻率增加，其中以重度干旱、極端干旱的頻率漲幅最為明顯。

圖4 1970-2016年黔中地區(qū)不同氣象干旱等級(jí)發(fā)生的頻率

3.1.2 氣象干旱空間分布 從圖5中可以看出黔中地區(qū)各時(shí)段氣象干旱強(qiáng)度空間變化特征存在明顯差異。黔中地區(qū)1970—2016年多年平均干旱強(qiáng)度空間分布特征具有明顯的差異性(圖5F)，干旱以東至西出現(xiàn)強(qiáng)—弱—強(qiáng)—弱的變化特征，并且近47年黔中地區(qū)的干旱事件以中度干旱為主。

從年代際上看，發(fā)現(xiàn)不同年代際氣象干旱空間變化格局不同。在圖5(A，B，C)中可以發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)黔中地區(qū)干旱主要發(fā)生在威寧南部至黔中中部、西部以及南部等一些地區(qū)以及貴陽(yáng)東南部，極端干旱以20世紀(jì)70年代最為顯著。而威寧北部、織金西部、清鎮(zhèn)、平壩東北部以及貴陽(yáng)西北部的干旱化態(tài)勢(shì)較弱，主要以無旱為主。21世紀(jì)干旱空間格局出現(xiàn)與20世紀(jì)不同的變化特征。21世紀(jì)00年代(圖5D)，黔中地區(qū)以中度干旱為主，其干旱化面積最廣，由西北方向至東南方向，干旱呈減弱的變化趨勢(shì)，貴陽(yáng)東南部以極端干旱為主。21世紀(jì)10年代(圖5E)，以西北至西南，黔中干旱化態(tài)勢(shì)呈減弱—增強(qiáng)—減弱的變化趨勢(shì)，以中度干旱為主，極端干旱分別出現(xiàn)在赫章北部、威寧北部以及貴陽(yáng)東南部。21世紀(jì)黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)較20世紀(jì)強(qiáng)，干旱化態(tài)勢(shì)面積增加，并且中度干旱化態(tài)勢(shì)面積也呈增加趨勢(shì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)貴陽(yáng)東南部是干旱化態(tài)勢(shì)最顯著的地區(qū)，而清鎮(zhèn)以及貴陽(yáng)西北部的干旱化態(tài)勢(shì)最小。結(jié)合圖5(A-F)分析，發(fā)現(xiàn)近47 a黔中地區(qū)氣象干旱在不同年代際呈現(xiàn)不同的空間分布特征，隨著年代際的增加，黔中地區(qū)干旱化區(qū)域面積不斷擴(kuò)大。

圖5 1970-2016年黔中地區(qū)氣象干旱強(qiáng)度的時(shí)空分布特征

3.2 水文干旱時(shí)空特征

3.2.1 水文干旱時(shí)間演變 以貴州黔中地區(qū)的水文站1970—2016年逐月徑流計(jì)算月尺度SSI值，圖6選取1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月以及12個(gè)月時(shí)間尺度的月SSI值。隨著時(shí)間尺度的增加，SSI識(shí)別的干旱事件越集中，且干旱歷時(shí)越長(zhǎng)。較短的時(shí)間尺度如1個(gè)月時(shí)間尺度的SSI(SSI_1)和3個(gè)月時(shí)間尺度的SSI(SSI_3)具有較高的時(shí)間頻率振蕩，識(shí)別更多的干旱事件，并且以短歷時(shí)為主，在圖6(A—B)中，不同年代際均出現(xiàn)不同程度的干旱，主要輕旱和中旱為主，不同的是，SSI_3的干旱低峰值明顯，所識(shí)別的重旱與極旱也多于SSI_1。較長(zhǎng)的時(shí)間尺度如6，9以及12個(gè)月時(shí)間尺度的SSI(SSI_6，SSI_9以及SSI_12)具有較低的時(shí)間頻率振蕩。在圖6(C，D和E)中，看出SSI_6，SSI_9和SSI_12識(shí)別的干旱事件較為集中，干旱歷時(shí)較長(zhǎng)，并且隨著時(shí)間尺度不斷增大，重旱以及極旱出現(xiàn)的次數(shù)也呈增加趨勢(shì)，SSI_12的重度和極端干旱事件多于其他兩個(gè)時(shí)間尺度。依據(jù)SSI_12(圖6E)可以看出黔中地區(qū)近47 a中共出現(xiàn)7次明顯地干旱值低峰，干濕情況分明，其中以2005年5月至2007年7月的干旱歷時(shí)最長(zhǎng)，為26個(gè)月。

圖6 1970-2016年黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個(gè)月SSI動(dòng)態(tài)特征

圖7為黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個(gè)月時(shí)間尺度的SSI值變化趨勢(shì)，由圖可以看出隨著時(shí)間尺度的增大，SSI下降的趨勢(shì)越顯著，斜率越大，同時(shí)5 a滑動(dòng)平均曲線起伏的坡度越大。以1個(gè)月尺度的SSI(SSI_1)變化趨勢(shì)最小，其斜率為-0.007，干旱現(xiàn)象不明顯，出現(xiàn)兩個(gè)明顯的SSI值低峰，分別在1989年以及2013年，依據(jù)SSI_1的5 a滑動(dòng)平均來看，兩次下降趨勢(shì)分別為1982—1986年以及1996—2008年，這與SSI值曲線最低峰不一致。

3，6以及9個(gè)月時(shí)間尺度的SSI下降趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)(圖7B，C和D)，斜率分別為0.009，0.01，0.011，但不同時(shí)間尺度SSI的5 a滑動(dòng)平均最低峰也不同，SSI_3的兩次低峰為1987年以及2009年，SSI_6的為1986年以及2010年，SSI_9的為1987年以及2010年，這說明不同時(shí)間尺度上SSI呈現(xiàn)不同程度的干旱化特征。12個(gè)月時(shí)間尺度的SSI變化趨勢(shì)最顯著(圖7E)，其斜率為0.012，該時(shí)間尺度上，SSI變化曲線與5 a滑動(dòng)平均曲線的起伏明顯，SSI值最低點(diǎn)出現(xiàn)在1990年，其次是2006年，依據(jù)5 a滑動(dòng)平均曲線可以發(fā)現(xiàn)，SSI_12的第一次下降在1977—1986年，第二次在1996—2010年，這說明1977年開始干旱化態(tài)勢(shì)不斷加強(qiáng)，在1990年達(dá)到最低值后，黔中地區(qū)干旱態(tài)勢(shì)開始減弱，在1991年進(jìn)入濕潤(rùn)化態(tài)勢(shì)，隨后在1996年干旱化態(tài)勢(shì)繼續(xù)加強(qiáng)，至2006年達(dá)到第2個(gè)SSI值低點(diǎn)，隨后干旱化態(tài)勢(shì)雖然減弱，但一直持續(xù)，直到2015年才轉(zhuǎn)為濕潤(rùn)化態(tài)勢(shì)。

圖7 1970-2016年黔中地區(qū)SSI變化特征

從年代際來看，年均SSI值識(shí)別的干旱主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代。SSI_1和SSI_3以輕旱為主，SSI_1的干旱事件較少，SSI_3的干旱事件主要集中在21世紀(jì)；而SSI_6，SSI_9以及SSI_12則以輕旱、中旱為主，SSI_6在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)一次重旱，SSI_9出現(xiàn)的干旱事件最多，SSI_12在20世紀(jì)90年代以及21世紀(jì)00年代出現(xiàn)重旱，以1990年SSI值為小，為-1.68，屬于重度干旱。對(duì)黔中地區(qū)近47 a不同時(shí)間尺度的SSI變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水文干旱化態(tài)勢(shì)隨年代際發(fā)生不同變化，總體呈增強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)—減弱的變化趨勢(shì)。

本文根據(jù)表1干旱劃分等級(jí)，統(tǒng)計(jì)近47 a黔中6個(gè)水文站點(diǎn)每月SSI值，按不同等級(jí)的干旱發(fā)生月數(shù)計(jì)算不同時(shí)期的干旱頻率，得到1970—2016年黔中地區(qū)水文干旱事件頻率變化圖。黔中地區(qū)不同等級(jí)的水文干旱發(fā)生的頻率隨著年代際發(fā)生不同的變化，無干旱月份的頻率出現(xiàn)了減少—增加—減少的趨勢(shì)，其出現(xiàn)頻率以20世紀(jì)70年代71.25%下降至21世紀(jì)10年代的58.13%，這說明黔中地區(qū)水文干旱事件隨著年代際增加。其中極端干旱月增加的次數(shù)明顯增多，20世紀(jì)70年代發(fā)生極端干旱的頻率最小，為0.69%，20世紀(jì)10年代發(fā)生的頻率最大，為3.57%，兩者相差約2.88%，這說明極端干旱事件在21世紀(jì)發(fā)生較頻繁。中度以及重度干旱事件發(fā)生的頻率在1970—2016年也出現(xiàn)了明顯的漲幅，兩者的變化趨勢(shì)均為增加—減少—增加。

發(fā)生中度干旱的最大干旱頻率出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代，為13.69%，其發(fā)生最小的干旱頻率在20世紀(jì)70年代，為7.22%，兩者相差6.47%；21世紀(jì)10年代發(fā)生重度干旱的頻率為8.13%，20世紀(jì)70年代與90年代重度干旱頻率均為2.92%，干旱頻率的最大值與最小值相差5.31%。輕度干旱事件發(fā)生的頻率隨著年代際發(fā)生增加—減少—增加—減少的變化，其中20世紀(jì)80年代輕度干旱頻率為18.89%，是各年代際最大的，而最小的干旱頻率在20世紀(jì)90年代，為14.44%，兩者相差4.45%。由此可知，黔中地區(qū)近47 a水文干旱事件發(fā)生的頻率增加，以中度干旱增加最為顯著，重度以及極端干旱事件也出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并且在年代際間差異較大，而輕度干旱發(fā)生頻率減少。

圖8 1970-2016年黔中地區(qū)不同水文干旱等級(jí)發(fā)生的頻率

3.2.2 水文干旱空間分布 圖9為黔中地區(qū)不同年代水文干旱強(qiáng)度空間分布圖，以評(píng)價(jià)不同時(shí)期的干旱強(qiáng)度的空間格局特征。黔中地區(qū)多年平均水文干旱強(qiáng)度空間格局出現(xiàn)兩極分化的特征(圖9F)，干旱化態(tài)勢(shì)以東至西呈增加的趨勢(shì)。

從年代際上看，發(fā)現(xiàn)不同年代際水文干旱空間變化格局不同。20世紀(jì)黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)隨年代際變化呈弱—強(qiáng)的趨勢(shì)，發(fā)生干旱的地區(qū)逐漸增多，并且黔中的中南部地區(qū)干旱頻發(fā)，以輕度干旱為主。21世紀(jì)黔中地區(qū)水文干旱化態(tài)勢(shì)隨著年代際呈增加趨勢(shì)，以中度干旱為主。21世紀(jì)00年代與10年代的干旱空間格局存在差異。21世紀(jì)00年代(圖9D)，黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)由東往西呈減弱的趨勢(shì)，而21世紀(jì)10年代(圖9E)黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)由西北至東南呈減弱—增強(qiáng)的變化。黔中地區(qū)水文干旱的空間分布特征隨年代際發(fā)生不同的變化，空間差異性大。最為明顯的為20世紀(jì)與21世紀(jì)干旱化態(tài)勢(shì)的分布不一致，20世紀(jì)黔中地區(qū)干旱化最為明顯的地區(qū)主要在其中部，而進(jìn)入21世紀(jì)，特別是21世紀(jì)10年代，干旱化態(tài)勢(shì)最顯著的地區(qū)則在該地區(qū)西北部，同時(shí)21世紀(jì)的干旱化態(tài)勢(shì)是強(qiáng)于20世紀(jì)的。

圖9 1970-2016年黔中地區(qū)水文干旱強(qiáng)度的時(shí)空分布特征

3.3 水文干旱與氣象干旱的關(guān)系

從3.1與3.2可知，黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)越發(fā)嚴(yán)重，重度和極端干旱發(fā)生的頻率增加，同時(shí)該地區(qū)干旱化面積也在增加。氣象干旱是干旱發(fā)生的開始，而水文干旱則是氣象干旱的延續(xù)，利用氣象干旱有效預(yù)測(cè)水文干旱發(fā)生的前提是找到兩種干旱類型之間的關(guān)系。所以本文在研究黔中地區(qū)干旱演變特征的基礎(chǔ)之上繼續(xù)對(duì)該地區(qū)水文干旱與氣象干旱的關(guān)系進(jìn)行探求。

采用Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)分別對(duì)1～12個(gè)月尺度的SPI和SSI指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，從整體上看，兩者相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.01顯著性水平檢驗(yàn)，圖10為年均、1月、4月、7月、10月的SPI與SSI月序列的相關(guān)分析，以1月代表冬季、4月代表春季、7月代表夏季以及10月代表秋季。由圖可以看出，SSI-SPI之間相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)總體上一致，但不同的月份在不同時(shí)間尺度上其相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)明顯的差異，具體為：

(1)由圖10可知，SPI與SSI之間的相關(guān)性隨著時(shí)間尺度的增加而越密切，在達(dá)到某個(gè)值時(shí)，相關(guān)系數(shù)會(huì)保持一個(gè)穩(wěn)定的水平緩慢地上升，當(dāng)時(shí)間尺度繼續(xù)增加時(shí)，兩者的相關(guān)系數(shù)則會(huì)下降。并且不同時(shí)間的相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)也不一致。

(2)1月以及4月SSI-SPI的相關(guān)系數(shù)總體上低于年均相關(guān)系數(shù)，7月以及10月SSI-SPI的相關(guān)系數(shù)則總體是高于年均相關(guān)系數(shù)。這說明黔中地區(qū)冬春兩季水文干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)弱于夏秋兩季，SSI-SPI關(guān)系的模式隨著時(shí)間尺度發(fā)生季節(jié)性變化，不同季節(jié)表現(xiàn)出明顯的差異。

(3)1月SSI-SPI關(guān)系最佳尺度為7個(gè)月。在圖10中，可以發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)增加速度最快的階段為2～7個(gè)月，7個(gè)月時(shí)間尺度以后相關(guān)性保持穩(wěn)定地緩慢地上升趨勢(shì)。4月SSI-SPI相關(guān)性的變化趨勢(shì)弱于其他月份，其最佳尺度為10個(gè)月。7月SSI-SPI的總體相關(guān)系數(shù)比年均與其他月份高，但其最佳時(shí)間尺度為3個(gè)月。10月SSI-SPI相關(guān)性變化趨勢(shì)顯著，依據(jù)相關(guān)系數(shù)增加的速度來看，10月SSI-SPI相關(guān)性最佳時(shí)間尺度為4個(gè)月。

圖10 黔中地區(qū)不同時(shí)間尺度上SSI與SPI連續(xù)序列之間的相關(guān)系數(shù)

圖11為不同時(shí)間不同尺度上SSI-SPI相關(guān)系數(shù)的熱圖。根據(jù)年均相關(guān)系數(shù)的熱圖變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)(圖11E)，黔中地區(qū)的水文干旱普遍滯后于氣象干旱1個(gè)月，例如SSI_1與SPI_2相關(guān)系數(shù)大于SSI_1與SPI其他尺度，依次類推；但10個(gè)月尺度以后，SSI_11與SPI_11，SSI_12與SPI_12的相關(guān)系數(shù)均大于其他尺度，李運(yùn)剛[21]認(rèn)為水文干旱發(fā)生時(shí)都會(huì)伴隨著氣象干旱的發(fā)生，但氣象干旱并不一定會(huì)引起水文干旱的發(fā)生，這由氣象干旱的歷時(shí)或強(qiáng)度所決定。當(dāng)氣象干旱的歷時(shí)較短或者強(qiáng)度較小的情況下，水文干旱不一定發(fā)生。同理，在多時(shí)間尺度例如12個(gè)月時(shí)間尺度上，氣象干旱的歷時(shí)較長(zhǎng)以及強(qiáng)度較大，使得水文干旱同時(shí)期發(fā)生也是有可能的。

圖11 黔中地區(qū)年均、1月、4月、7月以及10月SSI-SPI相關(guān)系數(shù)熱圖

水文干旱與氣象干旱之間的相關(guān)性在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同信息。在圖11(A，B，C和D)，隨著季節(jié)變化，SSI-SPI相關(guān)性也發(fā)生了明顯變化，兩者的相關(guān)性依次減小順序?yàn)橄募?秋季>春季>冬季，最大相關(guān)性的時(shí)間尺度也發(fā)生同質(zhì)變化，以夏季開始(圖11C)，其高相關(guān)性主要集中在3～9個(gè)月時(shí)間尺度上；秋季6～12個(gè)月時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)較高(圖11D)，夏季至秋季，高相關(guān)性群推后3個(gè)月；冬季高相關(guān)性主要集中在8～12個(gè)月(圖11A)，秋季至冬季，高相關(guān)性群縮小并推后2個(gè)月；而春季的高相關(guān)性群繼續(xù)縮小(圖11B)，相關(guān)性最佳的尺度為3個(gè)月，集中在10～12個(gè)月時(shí)間尺度上，同時(shí)相關(guān)性大的時(shí)間尺度也隨著減少。

水文干旱不直接受降雨的影響，其嚴(yán)重程度反映了地區(qū)的缺水量，而由降水補(bǔ)充的蓄水量枯竭會(huì)對(duì)該地區(qū)的缺水量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[22]，所以由不均衡降水導(dǎo)致的氣象干旱與水文干旱有著密切的關(guān)系。結(jié)合圖10與圖11分析，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)SSI-SPI最佳時(shí)間尺度與滯后時(shí)間是不一致的。1月最佳時(shí)間尺度為7個(gè)月，其水文干旱滯后于氣象干旱1～4個(gè)月；4月最佳時(shí)間尺度為10個(gè)月，其水文干旱滯后于氣象干旱1～5個(gè)月；7月最佳時(shí)間尺度為3個(gè)月，而其水文干旱滯后于氣象干旱1～3個(gè)月；10月最佳時(shí)間尺度為4個(gè)月，其水文干旱普遍滯后于氣象干旱1～4個(gè)月。黔中地區(qū)地貌類型既包括喀斯特峰林區(qū)也包括喀斯特峰叢區(qū)[23]，巖溶水系統(tǒng)的特殊性使得該地區(qū)的氣象水文干旱情況與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)不同，特別是氣象與水文干旱之間的響應(yīng)關(guān)系也因此受到明顯的影響。黔中地區(qū)夏季SSI-SPI相關(guān)性最大，其次是秋季，結(jié)合該地區(qū)降水與地貌特征分析，該地區(qū)受到大氣環(huán)流季節(jié)活動(dòng)的影響，降水時(shí)空分布不均，地下河道以及巖溶孔隙等存在使得降水入滲至地下河或者其他巖溶孔隙儲(chǔ)存，以及巖溶水補(bǔ)給地表水包括徑流等均需要過程以及時(shí)間。夏季7月、8月因高溫少雨，發(fā)生氣象干旱時(shí)，隨著干旱強(qiáng)度增強(qiáng)或干旱歷時(shí)加長(zhǎng)，使得地表水嚴(yán)重缺水，影響作物供水以及生活用水，地下水以及巖溶孔隙水等補(bǔ)給地表水的水量增多以及補(bǔ)給速度加快從而缺水，由此影響流域蓄水量；秋季溫度高，降水補(bǔ)給少，地下水以及儲(chǔ)存在巖溶孔隙的水等繼續(xù)補(bǔ)給地表水，由于干旱強(qiáng)度或者干旱歷時(shí)小于或者短于夏季干旱，秋季SSI-SPI相關(guān)性僅次于夏季，所以夏、秋兩季的SSI-SPI最佳時(shí)間尺度與滯后時(shí)間相差不大。黔中地區(qū)冬季雨雪補(bǔ)給雖然量少，但因?yàn)闇囟鹊?，日照時(shí)數(shù)少，蒸發(fā)弱于其他季節(jié)，地表缺水量不嚴(yán)重，地下水補(bǔ)給弱，SSI-SPI相關(guān)系數(shù)較低。春季溫度開始回升，同時(shí)降水補(bǔ)給晚，植物需水增大，蒸發(fā)增強(qiáng)，與冬季干旱類似，干旱歷時(shí)較長(zhǎng)以及干旱化面積較小，以較長(zhǎng)的時(shí)間尺度才能引起水文干旱，所以春冬兩季最佳時(shí)間尺度與滯后時(shí)間相差較大。故SSI-SPI相關(guān)系數(shù)大小為夏季>秋季>春季>冬季。

4 結(jié) 論

(1)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)與標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SSI)不同的時(shí)間尺度反映的干旱特征不同，主要為較短時(shí)間尺度的干旱指數(shù)具有較高的時(shí)間頻率振蕩，能識(shí)別更多的干旱事件，而較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，干旱指數(shù)具有較低的時(shí)間頻率振蕩，能夠監(jiān)測(cè)持續(xù)的干燥和濕潤(rùn)時(shí)段。

(2)1970—2016年黔中地區(qū)氣象以及水文干旱強(qiáng)度增強(qiáng)，干旱化趨勢(shì)隨著年代際發(fā)生變化，主要以增強(qiáng)趨勢(shì)為主。并且該地區(qū)發(fā)生干旱的頻率增加，其中21世紀(jì)以后重度干旱以及極端干旱出現(xiàn)的頻率大幅增加。

(3)黔中地區(qū)氣象與水文干旱在不同年代際呈現(xiàn)不同的空間分布特征。21世紀(jì)黔中地區(qū)氣象干旱化態(tài)勢(shì)較20世紀(jì)強(qiáng)，干旱化態(tài)勢(shì)面積增加，并且貴陽(yáng)東南部是干旱化態(tài)勢(shì)最顯著的地區(qū)。20世紀(jì)與21世紀(jì)的黔中地區(qū)水文干旱化態(tài)勢(shì)的分布不一致，20世紀(jì)黔中地區(qū)干旱化最為明顯的地區(qū)主要在其中部，而進(jìn)入21世紀(jì)，特別是21世紀(jì)10年代，干旱化態(tài)勢(shì)最顯著的地區(qū)則在該地區(qū)西北部。

(4)黔中地區(qū)氣象干旱與水文干旱的關(guān)系非常密切，相關(guān)系數(shù)隨著時(shí)間尺度增加而增大，但達(dá)到最大值后，時(shí)間尺度繼續(xù)增加時(shí)，兩者的相關(guān)系數(shù)則會(huì)下降，并且不同時(shí)間的相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)不一致。同時(shí)氣象干旱與水文干旱之間的響應(yīng)關(guān)系還呈現(xiàn)出季節(jié)性變化，其相關(guān)系數(shù)大小為夏季>秋季>冬季>春季。

SPI與SSI分別是基于降水和徑流計(jì)算得來，兩者用于分析黔中地區(qū)氣象與水文干旱的演變過程和空間特征，結(jié)合Pearson相關(guān)分析對(duì)SSI—SPI之間的關(guān)系進(jìn)行定性分析，而實(shí)際干旱情勢(shì)的定性分析以及氣象水文干旱之間的定量關(guān)系仍然存在一定的挑戰(zhàn)，氣象干旱向水文干旱傳播的時(shí)間受多種因素的影響，僅僅采用相關(guān)分析是不夠的，并且黔中地區(qū)巖溶地貌復(fù)雜多樣，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式以及水資源開發(fā)與利用等因素使得對(duì)氣象水文干旱之間的關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)需要更深度考慮。未來時(shí)期將繼續(xù)致力于黔中地區(qū)不同類型干旱的演變以及響應(yīng)關(guān)系，采用更科學(xué)的定量方法并考慮結(jié)合氣候模式以及IPCC未來排放情景對(duì)該區(qū)域氣象水文干旱的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。