巴音河流域水文干旱對氣象干旱的響應

武慧敏，呂愛鋒，張文翔

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

干旱是一種反復發生且具有嚴重影響的災害，與其他類型的災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害[1]。干旱由一個地區長期降水不足引起，是典型的與水資源不足相關的異常氣候事件[2]，會對農業和社會經濟系統產生重大影響并導致廣泛的社會、經濟和環境挑戰[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]。根據水循環不同環節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、農業干旱和社會經濟干旱[7]，不同類型干旱的發生在時間上具有遞進關系[8]。氣象干旱是其他干旱類型的根源，在干旱災害傳播鏈中起關鍵作用[9]。水文干旱的發生與氣象干旱相比較慢，其持續時間也比氣象干旱要長，氣象干旱的發生一般難以控制，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]。

國內外學者利用各類氣象干旱指標如標準化降水指數(standardized precipitation index，SPI)、帕默爾干旱指數、標準化降水蒸散指數以及水文干旱指標如標準徑流指數(standardized runoff index，SRI)、帕默爾水文干旱指數、徑流干旱指數和地表供水指數等分別對氣象干旱與水文干旱進行研究。其中：何福力等[11]基于標準化降水指數對黃河流域50年干旱演變進行分析；翟家齊等[12]利用標準化水資源指數對海河北系的干旱特征進行刻畫；趙安周等[13]采用帕默爾干旱指數對渭河流域干旱時空分布進行研究；Hong等[14]利用徑流干旱指數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重于分析流域特定類型干旱的特征及其空間分布，多數研究在分析過程中僅選用單個干旱指數對研究區干旱狀況進行討論，不能對流域存在多種干旱類型的情況進行探討，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動因素。研究結果對區域干旱管理和水資源規劃以及干旱風險的綜合防控具有重要參考價值。

1 研究區概況

巴音河流域地處柴達木盆地東北部德令哈市，位于36°53′～38°11′N，96°29′～98°08′E之間，發源于祁連山支脈野牛脊山，流域總面積達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，夏季溫暖干燥，最熱月平均氣溫為16.7 ℃，極端高溫可達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，地區降雨差異性較大，北部高山區的降雨200 mm以上，而南部平原區降雨量只有50～150 mm。巴音河是流域最大的內陸河，是該區域居民生活生產以及生態用水的主要來源，徑流對該地區的影響尤為重要。隨著全球氣候變暖以及流域內人類活動的影響，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[17]。

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

2 研究方法與數據

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。SPI反映降雨量出現的機會率，當SPI 為正值時表示降雨量偏多，而當SPI 出現負值時表示降雨量偏少。可以通過SPI負值的大小來確定干旱的嚴重程度，SPI 的值越小代表干旱嚴重程度越高。SPI 的計算公式可參考文獻[19]。

SRI在2008年由Shukla等[20]提出，該指數參照標準化降水指數的概念，可以表示流域徑流量出現的機會率，當出現正值時說明徑流量偏多，當出現負值時說明該時段徑流量偏少。該指數不僅計算簡單，還可以進行不同時間尺度分析，并在地勢復雜、水文資料缺乏地區具有適用性。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]可以識別一組數據的變化趨勢及其突變情況。Mann-Kendall檢驗法的優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，只需滿足水文數據偏態，在水資源領域應用廣泛[24]。Mann-Kendall趨勢檢驗法的計算過程已有學者[25]進行過詳細的闡述。Z滿足標準正態分布: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 研究數據

巴音河流域氣象水文站點匱乏，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匯合后流出研究區，作為流域出口的德令哈站點匯集了流域內眾多支流，其徑流量由流域內所有支流的徑流構成。因此，在氣象水文站點缺乏的巴音河流域，德令哈站可以較好地代表整個流域的水文狀況。降水數據選用德令哈氣象站1961—2019年逐月降水數據,徑流數據選用德令哈水文站逐月徑流數據，覆蓋了1961年至2019共59年的數據，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，反映的干旱狀態比較穩定性，計算的數據在代表整個流域時合理性較強。

3 結果分析

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 年逐月降水量進行氣象干旱分析，不同時間尺度的標準化降水指數表征意義有差別: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值會受季節性降水變化影響；6個月和9個月的SPI值可以反應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變化過程見圖2。

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

結果顯示，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，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60年代普遍在-1至-2之間，呈中度到重度干旱狀態，巴音河流域水資源在這一時期處于缺乏狀態，旱情較為嚴重；20世紀70年代SPI 值除1977年干旱指數為正值外，其余大部分年份都為負值，處于干旱頻發生狀態；在20世紀80年代和90年代，干旱與濕潤交替出現，干旱指數SPI值顯示這段時間發生的大部分干旱程度較輕，僅在1995年發生了較為嚴重的干旱。 對于整個巴音河流域，2002年以后SPI干旱指數大于 0 的年份明顯增多，這說明進入21 世紀巴音河流域降水呈增多趨勢，處于較為濕潤的狀態。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加劇關系密切，水循環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流是西北地區干濕變化的重要原因：Peng等[27]認為亞洲副熱帶西風急流的南向位移引起西北地區上空正渦度平流發生異常，造成氣旋上升運動，使區域降水增多；Li等[28]則認為北美副熱帶高壓以及西伯利亞高壓是引起西北地區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。依據德令哈氣象站1961—2019 年的月降水數據來計算SPI，進而計算檢驗統計量Z并進行趨勢分析。若：判定趨勢在90%的顯著性水平上顯著則需所得結果的絕對值大于1.64；所得結果的絕對值大于 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的檢驗統計量Z=5.211 4，在α=0.05 的顯著性水平下，|Z|>Z1-α/2=1.64。結果見圖3，其中：標準化降水指數SPI1的檢驗統計量Z值為正值，整體呈現變濕趨勢，并且標準化降水指數SPI1的檢驗統計量Z值超過了1.64，表明變濕趨勢明顯；進一步對巴音河流域SPI序列進行Mann-Kendall突變檢測，在1961—2019年間，大多數年份的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，發生顯著突變，干旱指數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變化過程見圖4。

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

所得結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，表現出時間尺度越小，SRI對水文干旱的反應越強烈。分析SRI可得:巴音河流域在20世紀60年代至20世紀80年代呈現旱澇交替現象，但干旱年份居多；20世紀90年代區域總體表現為干旱頻發；20世紀90年代到21世紀初期SRI值普遍在-1～-2，呈中度到重度干旱狀態。這時間段內，巴音河流域干旱持續時間長，旱情較為嚴重。整個巴音河流域在進入21 世紀后干旱指數SRI大多數年份為正值，表示這段時期巴音河流域水資源較為豐富，處于濕潤狀態，干旱呈減弱態勢。

3.2.2水文干旱趨勢特征

對巴音河流域SRI1進行Mann-Kendall趨勢檢驗分析得到SPI1的檢驗統計量Z=1.359 5，在α=0.05的顯著性水平下，|Z|>Z1-α/2=1.64,結果見圖5。標準化徑流指數SRI1的檢驗統計量Z值為正值，整體呈現變濕趨勢，然而標準化徑流指數SRI1的檢驗統計量Z值小于1.64，表明徑流指數雖然有變濕的趨勢，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，進一步使用 Pettitt 突變點檢驗，結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世紀后流域徑流量增多，水文干旱減緩：一方面，流域水循環加快，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。

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

3.3.1水文與氣象干旱時滯互相關分析

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

表2 巴音河流域不同時間尺度的SPI與SRI的相關性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，計算相關系數并進行相關性分析，取最大相關系數所對應的時間梯度作為SPI與SRI的滯后時間。研究表明，同期至滯后 11 個月的序列相關系數分別是 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，最大相關系數出現在滯后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進行對比分析，1961—2019年發生水文干旱時長191個月，發生氣象干旱時長231個月，表明發生水文干旱的可能性與氣象干旱相比較小，若氣象干旱嚴重程度較低，水文干旱可能不會發生，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生頻率以及發生的嚴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重等級均有所降低，且這段時期水文干旱的發生頻率及嚴重程度都要大于氣象干旱，水文干旱持續時間較長；2002—2019年這段時間氣象干旱和水文干旱很少發生，濕潤程度顯著增加，僅在2006和2014年發生中度氣象干旱，在2015年發生輕度水文干旱。

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性響應

結合巴音河流域季節特征與SPIn和SRI1之間的相關性對干旱傳播的季節性進行分析。根據圖7反映的結果：春季(3—5月)SRI與SPI5相關性最強(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，使產生徑流的水量減少，水文干旱的響應時間為5個月；夏季(6—8月)SRI與SPI6相關性顯著(r=0.72)，夏季高溫炎熱，蒸散發加劇，植被蒸騰作用增強了水量消耗，夏季農業生產的用水量大，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生，這與相關性熱圖反映的夏季6個月的傳播時間也有一致性；秋季(9—11月)SRI與SPI9相關性顯著(r=0.64)，秋季溫度開始降低，流域的蒸散發量也減少，隨著淺層土壤中儲存的水分逐漸被耗盡，導致流域水文干旱對氣象干旱的響應延遲；冬季(12月—2月)SRI與SPI8相關性較強(r=0.33)，冬季由于積雪的產生，冬季的蒸發量最小，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在雨季的相關性強度明顯高于旱季。巴音河流域降水集中于雨季，對河流流量的補充具有重要影響；而在旱季，隨著氣溫的降低，蒸散發也隨之減弱，使得水循環過程放緩，干旱傳播的時間延長。表3中SPIn和SRI1的最大相關系數反映的氣象干旱向水文干旱的傳播時長與流域的季節特性具有一致性，水文干旱對氣象干旱的響應在春季和夏季短于在秋季和冬季的響應時間。

表3 巴音河流域不同季節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 討論與結論

在指標的選取上，SPI被普遍應用于干旱分析中，具有較強的可靠性。此外，SPI與其他干旱指數相比計算雖簡單，但卻在干旱預警和干旱災害控制方面具有很好的效果[29]。SRI是一種標準化的指數，區域偏差被最小化，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]表明德令哈地區的氣候表現出暖濕化趨勢，這與本研究的結論具有一致性，氣溫升高引起高山冰雪融化，使巴音河流域的徑流量呈現上升趨勢。西北地區的黑河[31]、疏勒河[32]等流域上游的徑流量從20世紀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在近些年的暖濕化趨勢相關[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率達到 83.06% ，而人類活動對年徑流量增加的貢獻率占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行分析，并對水文干旱對氣象干旱的響應進行探析得到：流域20世紀60年代的氣象干旱形勢最為嚴峻，總體表現出中度-重度干旱；1985年氣象干旱發生突變，之后流域濕潤年份明顯增多，流域水文干旱在20世紀90年代較為嚴重，呈現出中度-重度干旱狀態；21世紀以來流域極少發生水文干旱。Mann-Kendall趨勢檢驗結果顯示流域水文干旱的突變點為2002年，從2002年開始呈現水文濕潤狀態的年份增多。巴音河流域水文干旱與氣象干旱在12個月尺度上相關性最強，對12個月尺度的氣象干旱指數與水文干旱指數進行時滯互相關分析，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性響應表現出雨季的相關性強度高于旱季，水文干旱在春季對氣象干旱的響應最為迅速，水文干旱對氣象干旱的響應在春夏季快于秋冬季。

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