基于SPI和SRI的馬別河流域氣象與水文干旱相關性分析

曾碧球 解河海 查大偉

摘要：利用馬別河流域1982-2015年逐月降水量和徑流量資料，采用標準化降雨指數（SPI）和標準化徑流指數（ SRI）分析馬別河流域氣象與水文干旱特征，并探索氣象與水文干旱之間的相關性。結果表明，1982-2015年，馬別河流域每2-3年會出現1次不同程度的干旱，年尺度上，氣象干旱變化趨勢不顯著;季尺度上，秋旱有顯著加重趨勢，春、夏、冬三季變化趨勢不顯著;年尺度上，水文干旱有顯著加重的趨勢，2000年后水文干旱頻率明顯增加，干旱年數占1982-2015年水文干旱年數的70%。馬別河流域氣象與水文干旱之間有緊密的相關性和一定的時滯性，1、3、6、12個月的時間尺度中，12個月尺度的SPI12與SRI12相關性最好，水文干旱滯后氣象干旱1個月。

關鍵詞：氣象干旱;水文干旱;標準化降雨指數;標準化徑流指數;馬別河流域

中圖分類號：P429;S423

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0040-05

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.008

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

干旱是指因降水減少或入境水量不足，造成工農業生產和城鄉居民生活以及生態環境正常用水需求得不到滿足的現象。干旱具有頻率大、持續時間長、影響范圍廣等特點，對國民經濟建設尤其是對農業生產造成嚴重危害，是許多國家和地區最常見的自然災害之一。干旱分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱4種類型，其中氣象干旱是旱情的預警，水文干旱預示旱情已出現，并有進一步發展為旱災的可能。

干旱指標是用于研究和評定干旱情況的定量標準，據統計，目前有100多種不同的旱情指標，常用的氣象干旱指標有降水距平指標、降水Z指數、帕爾默干旱指數（Palmer drought severity index，PDSI）、標準化降水指數（ Standardized precipitation index，SPI）等[1-4]，其中由世界氣象組織51推薦的標準降水指數計算數據簡單，具有多尺度等特點，是采用較廣泛的干旱指標，在干旱狀況分析中應用較普遍。常用的水文干旱評價指標有徑流量z指數[6]、地表供水指數[7]（Surface water supply index，SWSI）和標準化徑流指數[8]（Standardized runoff index，SRI）等，其中SRI計算方法與SPI類似，方法簡單，可以進行多時間尺度分析（1、3、6、12個月等），且適用于資料缺乏、地形復雜的區域，在水文干旱識別研究中應用較多[9，10]。

國內外在氣象干旱與水文干旱的歷時相關性上取得了一些研究成果。Vicente-Serrano等[11]在地中海沿岸的Aragon流域研究表明，該流域水文干旱比氣象干旱滯后1-4個月;李運剛等[12]采用標準化降水蒸散指數（SPEI）和徑流干旱指數（SDI）研究紅河流域氣象水文干旱演變關系，表明紅河流域水文干旱滯后于氣象干旱1-8個月;吳杰峰等[13]利用游程理論研究表明晉江流域水文干旱滯后氣象干旱1.45個月。

本研究采用SPI和SRI，分析馬別河流域氣象和水文干旱特征及其發展趨勢，并利用相關分析法探索氣象干旱與水文干旱之間的相關性。本研究分析馬別河流域干旱特征和變化規律對于指導其水資源規劃和抗旱等工作具有一定的實用價值。

1 研究區概況與資料

馬別河位于貴州省西南部，屬于亞熱帶季風氣候區，是珠江流域西江水系上源南盤江下游段的支流，發源于貴州省盤縣老廠，流經普安縣、興義市、興仁縣，在安龍縣匯人南盤江，全長142.5 km，流域面積2 924 km2，河口平均流量75.7m3/s。馬別河流域多年平均降水量為l 200 mm，降水量年內分配不均，5-8月降水量約占全年的65.1%;降水年際變化也較大，最大年和最小年降水之比為4.8倍。由于降水時空分布不均勻，季節性差異較大，易形成旱災。馬別河流域地勢北高南低，河流穿行于山丘區，經濟以農業為主。馬別河流域水資源開發利用程度總體低，干流沒有水庫工程，僅在支流上建有幸福水庫、隔界河水電站、石橋河一級水電站和石橋河二級水電站等4座徑流式水電站，已建支流的水電站庫容較小，調節能力有限。

本研究所用資料為1982-2015年地瓜、老廠、青山、樓下、馬嶺、頂效、楓塘等7個站點降水量和馬嶺站的徑流量數據，該資料是無缺值的連續資料，在馬別河流域相關研究分析中得到廣泛的應用，其中馬嶺站控制集雨面積2 277 km2，占馬別河流域面積的77.9%。本研究采用的馬別河流域氣象和水文站點地理位置如圖1所示。

2 研究方法

2.1 標準化降雨指數

標準化降雨指數（SPI）由Mckee等于1993年提出，是世界氣象組織（WMO）推薦的干旱評估指標。該指數計算數據簡單，具有多尺度等特點，在干旱狀況分析中應用較普遍，在中國已得到廣泛的應用。

SPI是一個標準化指數，反映降雨量可能出現的機會率。SPI負值代表雨量偏少，而SPI正值則代表雨量偏多。干旱嚴重程度可根據相應SPI的負值大小來劃分等級，SPI負值越大表示干旱越嚴重。

當F> 0.5時，S=1;當F≤0.5時，S=-1。其中，c0=2.515 517， cl=0.802 853， C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。最終，通過式（4）計算的Z即為標準化降水指數的計算值。

根據《氣象干旱等級》（GB /T20481-2017）中干旱的等級劃分標準，對流域干旱等級進行劃分，SPI>-0.5為無旱;-1.0

2.2 標準化徑流指數

標準化徑流指數（SRI）是Shukla等L81于2008年參照標準化降水指數這一概念提出的，反映河川徑流量可能出現的機會率。SRI負值代表徑流量偏少，SRI正值則代表徑流量偏多。標準化徑流指數計算方法與標準化降水指數類似，可以進行多時間尺度分析，目前在水文干旱研究中應用較多，通常將水文干旱等級劃分為5等，SRI>-0.5為無旱;-1.0

2.3 相關分析法

利用線性相關分析法分析干旱變化趨勢和氣象與水文干旱之間的相關性。設直線方程的形式為：

y= ax+b

（6）

式中，x為自變量，y為倚變量;a為線性斜率，b為常數。a和b采用最小二乘法進行估計。若a>0，則說明x與y線性正相關;若a<0，則說明x與y線性負相關。x與y的相關性大小由線性相關系數r決定，r2≤1，r2越接近1，則x與y線性相關越強。

3 結果與分析

3.1 氣象干旱

SPI可以適應各種時間尺度，如1、2、3、6、12個月（簡稱為SPI1、SPI2、SPI3、SPI6、SPI12），本研究分別利用3、12個月尺度的SPI指數來表示季節和年尺度的干旱特征。

3.1.1 年際變化采用12個月時間尺度的SPI12識別1982-2015年馬別河流域年尺度的干旱情況，計算結果如圖2所示，有5個不同長度的時段發生干旱，分別是1984年、1987-1989連續3年、1992年、2004-2005年連續2年、2009-2013連續5年，與《貴州水旱災害》[14]和《興仁縣水利志》[15]中記錄的干旱年份具有一致性，說明SPI指數能夠客觀反映實際干旱情況。年尺度的SPI序列擬合的趨勢線線性斜率a為負數，但其線性斜率沒有通過0.05的顯著性檢驗，表明年尺度上，馬別河流域干旱有加重趨勢，但趨勢不顯著。2000年以后干旱的年份偏多，2001-2015年的15年中有7年發生干旱，占1982-2015年干旱年份的58%，表明2000年以后氣象干旱頻率有所增加。

3.1.2 季節變化 貴州省農業冬旱發生在上年12月至本年2月，春旱發生在3-5月，夏旱發生在6-8月，秋旱發生在9-11月。本研究采用3個月尺度的SPI3識別不同季節的干旱情況，其中2月SPI3識別冬旱期，5月SPI3識別春早期，8月SPI3識別夏旱期，11月SPI3識別秋旱期。先計算7個雨量站點逐月的3個月尺度SPI3，再統計7個雨量站點2月SPI3.5月SPI3、8月SPI3和11月SPI3的均值，然后采用線性趨勢線分析干旱變化趨勢，計算成果見圖3。由圖3可知，2月SPI3、5月SP13、8月SPI3和11月SPI3序列分別表示1982-2015年冬旱、春旱、夏旱和秋旱的變化過程，4組SPI3序列擬合的線性斜率n均為負數，但只有秋季11月SPI3序列的線性斜率通過了0.05的顯著性檢驗，說明秋旱有顯著的加重趨勢，其他季節加重的趨勢不顯著。

根據2、5、8、11月SPI3分別識別出馬別河流域1982-2015年冬旱、春旱、夏旱和秋旱不同等級干旱年份，結果見表1。馬別河流域8次重旱以上級別的干旱中有6次發生在2000年后，表明2000年后干旱發生等級有加大趨勢;2000年后秋旱發生的比例占66.7%，說明秋旱發生頻率有加大趨勢。

3.2 水文干旱

采用12個月尺度的SRI12來分析1982-2015年馬別河流域年尺度的水文干旱情況，結果如圖4所示，有4個不同長度時段發生干旱，分別是1988-1989連續2年、1992年、2004-2005年連續2年、2009-2013年連續5年。年尺度的SRI序列擬合的趨勢線線性斜率a為負數，且其線性斜率通過了0.05的顯著性檢驗，說明水文干旱有顯著加重的趨勢。2000年以后干旱的年份明顯偏多，2001-2015年的15年中有7年發生干旱，占1982-2015年水文干旱年數的70%，表明2000年后水文干旱頻率明顯增加。

3.3 氣象與水文干旱的相關性

分別計算馬別河流域不同時間尺度的SPI和SRI，并進行相關性分析，結果顯示，1、3、6、12個月時間尺度的SPI與SRI的相關系數分別為0.58、0.71、0.79和0.89，以上相關系數均通過0.05的顯著性水平檢驗，表明馬別河流域氣象干旱和水文干旱有明顯的相關性，其中12個月時間尺度的相關系數最大，表明12個月時間尺度的相關性最好。

將12個月尺度的SPI和SRI進行對比分析，1982-2015年出現氣象干旱141個月，出現水文干旱128個月，可見發生水文干旱的概率比氣象干旱要小，且由圖5可以看出，在氣象干旱歷時較短或強度較小的情況下，水文干旱不一定會出現，且水文干旱相對于氣象干旱有一定的滯后性。為進一步探討水文干旱與氣象干旱的時滯性，分別對1982-2015年SPI12序列與同期、滯后1個月、滯后2個月……11個月的SRI12序列進行相關性分析，其中同期至滯后6個月的序列均通過了0.05的顯著性水平檢驗，相關系數分別是0.85、0.87、0.79、0.69、0.60、0.52和0.43，可見，SPI12與滯后1個月的SRI12相關系數最大，表明馬別河流域水文干旱滯后氣象干旱1個月。

4 小結

本研究采用標準化降雨指數和標準化徑流指數分析馬別河流域氣象和水文干旱的特征與變化趨勢，并探討水文與氣象干旱的相關性，得出主要結論如下。

1） 1982-2015年，馬別河流域在氣象干旱方面，季尺度的秋旱有顯著加重趨勢;在水文干旱方面，年尺度的水文干旱有顯著加重趨勢;2000年后氣象和水文干旱發生頻率都有顯著增加。

2）馬別河流域氣象與水文干旱之間有緊密的相關性和一定的時滯性，1、3、6、12個月的時間尺度中，12個月尺度的SPI12與SRI12相關性最好，水文干旱滯后氣象干旱1個月。

由于SPI和SRI2項評價指標自身的局限性，其中SPI僅考慮了降水量，SRI僅考慮了徑流量，而影響干旱的因素還包括氣溫、蒸散發量、地下水位和水庫蓄水狀態等，因此有待于進一步進行多因子綜合研究。

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基金項目：貴州省農業攻關計劃項目（黔科合支撐[2016]2561號）;貴州省水利廳科研項目（KT201606）

作者簡介：曾碧球（1977-），男，湖南新化人，高級工程師，主要從事水資源調度和干旱預警預測研究工作，（電話）13560082265（電子信箱）15470846@qq.com。