湄公河流域气象和水文干旱时空演变特征与规律分析

张学君，吕 娟，屈艳萍，苏志诚，马苗苗

(1.中国水利水电科学研究院 防洪抗旱减灾研究所，北京市海淀区玉渊潭南路1号 100038；2.水利部 防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京市海淀区玉渊潭南路1号 100038)

澜沧江—湄公河是东南亚地区最大的国际河流，自北向南依次流经中国、缅甸、老挝、泰国、柬埔寨和越南等5个国家，中国境内上游河段称为澜沧江，出境后中下游河段称为湄公河。湄公河河道的流域面积63.06万km2，约占流域总面积的80%，多年径流量在总流域的占比接近90%，是沿岸各国工农业及生活用水、旅游、航运及渔业的重要保障[1]。该流域属于典型的热带季风区，降雨时空分布极为不均，干旱、洪涝等极端水文灾害频发。

不同于洪涝灾害，干旱具有持续时间长、波及范围广、影响人口多等特点，对社会经济、农业及生态系统具有重大、深远的影响[2-6]。根据湄公河委员会资料统计[7]，湄公河沿岸各国均是干旱灾害频发的区域。例如，2004-2005年和2016年的干旱事件是近十几年来较为严重的2次干旱。2004-2005年干旱波及越南三角洲、柬埔寨以及泰国的大部分省份，导致越南三角洲内超过104000hm2水稻受损减产，总损失达到4200万美元，导致柬埔寨50万人面临食物短缺。尤其在泰国，此次干旱使泰国全国约900万人生活受到影响，总损失达1.93亿美元。2016年初，湄公河流域越南、泰国、缅甸等地区再次遭遇到严重干旱。此次干旱是越南三角洲近90年来最严重的干旱，导致越南中部和南部地区近百万人缺乏日常用水，近16万hm2农田因海水入侵遭到破坏，造成经济损失达1050万美元；泰国亦受到持续干旱的影响，受灾人数超过956万人，农田受损面积超过200万hm2，经济损失达上亿美元。在此背景下，开展湄公河流域干旱特性分析研究，有助于揭示湄公河干旱时空特征，全面把握湄公河流域干旱变化规律。

受跨境河流数据难以获取的限制，以往关于湄公河的研究主要集中在卫星降雨的适用性评估[8]、流域径流变化[9]及水资源利用现状[10]等方面，对跨境流域干旱的分析研究仍相对较少[11]，尤其缺乏对流域大范围气象、水文干旱变化特性和规律的深入分析。为此，本研究拟借助近百年序列的高质量全球降雨网格化产品和干流主要站点的观测径流，分别采用标准化降雨指数(SPI)和标准化径流指数(SSI)分析湄公河流域气象和水文干旱时空分布特征，为流域干旱管理与抗旱减灾决策提供科学支撑。

1 数据与方法

鉴于当前获取湄公河流域大范围地面观测数据仍存在困难，本研究拟借助英国East Anglia大学气候研究中心(Climatic Research Unit；CRU)提供的全球过去近百年(1901-2016)高质量降雨序列产品[12]，作为开展历史气象干旱分析的数据源。CRU产品是基于整合已有的若干个知名数据库，重建的一套空间分辨率为0.5°×0.5°，覆盖全球所有陆地网格且无缺测的月平均地表气候要素数据集。同时，研究中收集整理了湄公河干流自上游至下游依次为清盛(Chiang Saen)、廊开(NongKhai)、穆达汉(Mukdahan)、上丁(Stung Treng)4个主要径流站(见图1)过去近30年(1985-2016)完整的逐日流量观测序列，用于分析湄公河流域水文干旱特性。

图1 湄公河流域主要水系及干流主要水文站Fig.1 Main water systems and four hydrological stations in the main stream in the Mekong River basin

借助上述2套数据，研究中分别构建1个月、3个月、6个月和12个月的标准化降雨指数(SPI)和标准化径流指数(SSI)用于开展湄公河流域不同尺度、不同类型干旱的特性分析。SPI是表征某时段降水量出现概率的指标，适用于月尺度以上的气象干旱监测[13]。目前，SPI指数已被广泛用于不同地区的气象干旱特征与规律分析[14-16]。SPI的具体计算式为：

(1)

(2)

式中：x为降水样本值；S为概率密度正负系数；c0，c1，c2和d1，d2，d3为Γ分布函数转换为累积频率简化近似求解式的计算参数，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308；G(x)为与Γ函数相关的降水分布概率，由Γ函数概率密度积分式求得：

(3)

当G(x)>0.5时，S=1；当G(x)≤0.5时，S=-1。

基于SPI估算值和《气象干旱等级标准》(GB/T 20481-2017)[17]，将干旱依次划分为轻旱(-1

标准化径流指数(Standardized Streamflow Index，SSI)根据长序列的实测月径流计算得到，表征某时段的断面径流量在历史同期的出现概率[18]。该指标的计算及旱情等级划分参照SPI。

基于上述2类指标，文中综合评估了湄公河流域气象和水文干旱的强度和频率的变化特征。其中，干旱发生频率是指发生干旱(SPI/SSI<-0.5)的年数在总时段内所占比例，计算式为：

d=(n/N)×100%

(4)

式中：n为发生干旱的年数；N为降水或径流观测的序列长度。

2 结果分析

2.1 基于SPI的气象干旱特性分析

2.1.1 SPI年际变化

图2展示了1950年代以来(1950-2016年)湄公河流域在1个月(SPI1，图2(a))、3个月(SPI3，图2(b))、6个月(SPI6，图2(c))和12个月(SPI12，图2(d))时间尺度上的SPI年际变化。总体上，不同时间尺度上的干旱程度存在较大差异，如流域在2013年5月的SPI1为-1.80，属于重旱；SPI3为-1.43，属中旱；SPI6为-0.76，属轻旱；SPI12为0.48，则表示未发生干旱。这表明，对于短时间尺度的轻旱或中旱，若降水亏缺能及时得到缓解，则在长时间尺度可能无旱。相反，当在长时间尺度发生重旱或特旱时，短时间尺度也可能无旱或轻旱。比如2005年7月，SPI1和SPI3的值分别为0.87和0.18，表示无旱；但随着时间尺度的增长，SPI12的值为-1.94，表明流域当前遭受到重大干旱。由图2(d)可看出，过去近65年间SPI范围位于-2.38至2.70之间，略微呈现上升趋势(0.04/10a)，表明流域整体存在轻微变干的趋势。就时段而言，湄公河流域发生干旱较为严重的时段主要为1950年代后期、1970年代末1980年代初、1990年代初以及2005年前后。其中，过去近30年间较严重干旱的年份为1981年、1983、1992年、1994年、1998年、2004-2005年、2009-2010年以及2015-2016年。

(a)1个月 (b)3个月

(c)6个月 (d)12个月

2.1.2 季节SPI变化

湄公河流域属于热带季风气候区，具有明显的干/湿季分异，即从5月至10月为降水丰沛的雨季；从11月至次年4月为降水偏少的干季。图3展示了湄公河流域雨季和干季的SPI变化。由图3(a)可知，雨季干旱和洪涝事件在年际上交替出现，SPI值在-2.38至2.90之间。从流域整体看，雨季SPI的变化趋势不明显(-0.02/10a)。从年际变化上，流域在2000-2010年以后的雨季降雨量偏丰；而20世纪90年代、2010-2016时段等均属于降雨量偏少的时段。其中，1993年、1998年和2015年雨季均发生重大干旱(SPI<-1.5)；尤其在1993年，SPI仅为-2.38，达到特旱级别。与雨季相比，干季的SPI值呈现较明显的上升趋势(0.1/10a)，表明干季出现干旱的强度及频率呈下降趋势。从年际角度上看，20世纪90年代中期前干季降水偏少，其中1955年、1959年、1980年及2005年SPI6值均低于-1.5，属重特大干旱年。而在20世纪90年代后期以来，SPI6值在大部分年份都大于0，尤其在2013年干季SPI值达到2.70，降雨量丰富。

(a)雨季 (b)干季图3 湄公河流域在雨季和干季的标准化降雨指数(SPI)变化序列Fig.3 Variations of SPI estimates in the rainy and dry seasons in the Mekong River basin

2.1.3 SPI变化的空间分布

湄公河流域SPI变化趋势的空间分布如图4所示。在全年尺度上(图4(a))，缅甸、泰国东北部及柬埔寨大部分地区SPI呈现下降趋势，表明以上地区全年尺度上具有明显的变干趋势，尤其在泰国东北部的部分地区，SPI下降趋势达-0.15/10a；相对而言，SPI在老挝具有明显的增大趋势，表明老挝发生干旱频率和强度呈现下降趋势。由图4(b)可看出，雨季干旱程度增强的区域主要分布在泰国东北部、老挝中部、缅甸和柬埔寨等国家地区，老挝北部的干旱程度呈现明显减弱的趋势；与雨季相比，干季的SPI在流域大部分地区呈现增加趋势，表明干季发生干旱的频率和强度不断降低；相对而言，变干趋势明显的区域主要集中在泰国东北部及柬埔寨西部的小部分地区(见图4(c))。

图4 湄公河流域SPI变化趋势空间分布图Fig.4 The SPI patterns over varying timescales

2.1.4 气象干旱发生频率

湄公河流域干旱和重特大干旱发生频率的空间分布如图5所示。图5(a)展示了1950-2016年湄公河流域气象干旱(SPI<-0.5)发生频率的空间分布，显然，流域95%以上的地区气象干旱的平均发生频率均超过了25%，其中老挝、泰国东北部及柬埔寨西北部等地区的干旱频率甚至超过30%，表明湄公河地区极易发生降雨持续亏缺，进而发展为气象干旱。进一步，计算同时段流域重特大级别干旱(SPI<-1.5)的发生频率(见图5(b))。经分析发现，柬埔寨、越南等下游地区遭受重特大干旱冲击的频率最高，达到近10%，表明上述地区平均每10年就会遭受到一次重特大干旱。对比图5(a)和图5(b)可发现，越南三角洲地区的干旱发生频率略低于上游地区，但发生重特大干旱的频率却偏高于上游地区。这表明三角洲地区更易受到重特大干旱的冲击。

(a)干季(SPI<0.5) (b)重特大干季(SPI<-0.5)

2.2 基于SSI的水文干旱特性分析

2.2.1 SSI年际变化

图6展示了过去近30年(1986-2016年)清盛站、廊开站、穆达汉和上丁站6个月尺度SSI(SSI6)的年际变化。在上游清盛站，SSI6的序列无明显趋势变化。就单次干旱事件而言，清盛站在1992-1993年、1997年、1999年、2004-2005年、2012年等，SSI值都低于-1.5，表明站点在上述年份发生重大干旱。与上游清盛站不同，廊开、穆达汉及上丁站SSI6均呈现较为明显的上升趋势，幅度分别为0.18/10a，0.47/10a，0.11/10a，表明过去近30年间上述3个站点水文干旱的发生强度和频率呈现下降趋势。

(a)清盛 (b)廊开

(c)穆达汉 (d)上丁

从干旱年份而言，位于中下游的廊开、穆达汉和上丁站出现水量严重缺失(SSI6<-1.5)的重旱年份为1987-1988年、1992-1993年、1997年、1999年、2004-2005年、2012年等，与上游的清盛站的重旱年份基本吻合。需要指出的是，在20世纪80年代末90年代初(1987-1988年)，上述3个站点的SSI均接近或者低于-2(即流量显著少于历史平均值)，但上游清盛站的流量亏缺现象相对较为缓和。需要指出的是，与清盛站、廊开、穆达汉等中上游的站点不同，上丁站在2016年的SSI6一度接近-1.5，表明2016年湄公河下游水位和水量严重下降，柬埔寨南部及越南三角洲等周围地区遭受到重大水文干旱。

(a)清盛 (b)廊开

(c)穆达汉 (d)上丁图7 清盛、廊开、穆达汉和上丁站12个月尺度标准化径流指数(SSI12)的变化趋势Fig.7 Changing trend of the 12-month Standard Streamflow Index(SSI12) of Chiang Saen，NongKhai，Mukdahan，and Stung Treng station

图7展示了1986-2016年间清盛站、廊开站、穆达汉和上丁站12个月尺度SSI(SSI12)的年际变化。过去近30年间，上游清盛站的SSI12总体呈下降趋势。特别是进入2010年以来，清盛站的SSI值在大部分年份均为负值，其中2012年更是低至-1.5附近，这表明近年间清盛站的流量持续短缺，引发水文干旱。与之相比，位于中游的廊开及穆达汉站的SSI12值呈现明显上升趋势，其中穆达汉站SSI上升幅度达0.48/10a，表明近30年来上述2个站点的水文干旱的发生强度和频率显著下降。对于下游的上丁站而言，SSI12的总体变化趋势不显著。不过，上丁站的SSI在2005年之后的绝大多数年份均低于0，表明上丁站在过去近十几年的流量通常低于往年同期水平，极易发生水文干旱现象。

2.2.2 水文干旱发生频率

以SSI<-0.5作为判断水文干旱发生的阈值，文中计算了上述4个水文站点在过去近30年(1985-2016年)水文干旱的发生频率。结果显示，清盛、廊开、穆达汉和上丁4个站点的水文干旱频率均不低于25%(依次分别为35%，31%，25%和31%)，与气象干旱发生频率(见图5)基本吻合。这表明持续的气象干旱将导致河道径流减少，进而引发对应地区的水文干旱。在此基础上，进一步统计了同时段各站点重大水文干旱(SSI<-1.5)的发生频率。结果显示，以穆达汉、上丁为代表的下游站点的重大水文干旱频率接近10%；而清盛、廊开等上游站点对应的频率约为3%。这表明相对于上游地区，湄公河下游地区更易遭遇严重的水文干旱。

3 结论与讨论

本研究基于过去近百年的历史长序列月降雨数据产品，采用不同时间尺度的标准化降水指数(SPI)，分别从强度、发生频率两方面，分析了1950-2016年间湄公河流域气象干旱的时空变化特征；借助湄公河干流清盛、廊开、穆达汉、上丁4个典型水文站提供的过去近30年河道径流观测序列，采用标准化径流指数(SSI)，分析了流域在1986-2016年间水文干旱的变化趋势。分析结果表明：过去近60年间湄公河流域SPI值在-2.38-2.70之间变化，发生气象干旱较为严重的时段主要为1950年代后期、1970年代末到1980年代初、1990年代初以及2005年前后。从年际变化趋势看，流域整体的气象干旱变化不明显，但泰国东北部、柬埔寨大部及缅甸等国家地区的变干趋势明显，尤其在泰国东北部的部分地区。就水文干旱而言，基于SSI6和SSI12的分析均表明位于干流上中下游的清盛、廊开、穆达汉、上丁等典型站点在1987-1988年、1992-1993年、1997年、1999年、2004-2005年、2012年均出现水量较往年同期异常偏少的现象，其中大部分年份的SSI低于-1.5，表明在上述年份湄公河流域大部分地区均遭受到重大水文干旱的影响。从过去近30年来的变化趋势看，位于上中下游等不同河段的站点SSI总体趋势不尽相同。在12个月尺度上，清盛站SSI总体上呈下降趋势，特别在2010年以后；位于中游的廊开及穆达汉站的SSI上升趋势明显；而下游上丁站的SSI变化不明显，但2005年之后的绝大多数年份上丁站的SSI均为负值，表明该站点流域在过去近十年受水文干旱影响较为频繁。在干旱发生频率方面，流域绝大多数地区的气象和水文干旱的发生频率均超过25%，其中柬埔寨南部、越南三角洲等下游地区遭遇重大干旱的频率接近10%，远高于上游地区或站点，这表明下游地区更易受到重大干旱的冲击。

需要指出的是，由于目前仍难以获取湄公河流域高密度、长序列的地面气象台站观测数据，本研究主要借助于支持公开获取的全球降雨数据产品进行流域内的气象干旱分析。未来本研究成果仍需借助日益丰富的湄公河流域地面观测数据进行进一步验证。此外，本研究揭示了湄公河流域气象和水文干旱在过去近几十年的时空演变特征与规律，对流域干旱管理与旱灾防范具有重要的科学指导意义。