赣江流域气象水文干旱传播特征分析

韩会明，孙军红

（江西省水利科学院，江西南昌 330029）

0 引言

干旱是一种形成过程缓慢但会反复发生的自然灾害，其对经济、社会、生态和农业等方面产生的影响巨大［1］。目前，根据干旱传播的不同阶段，可将其划分为气象、水文、农业和社会经济干旱，干旱一般是由降水短缺引发，并通过水循环系统传播至土壤水分、径流和地下水，进而发展成其他类型的干旱。变化环境影响下，流域内降水径流规律较为复杂［2］，研究气象水文干旱传播规律，有助于水文干旱的早期监测预警［3］。

目前，国内外学者通过分析气象和水文干旱特征、传播规律、响应机制等方面对气象和水文干旱进行综合研究。刘永佳等［4］使用SPI 和SRI 指数探究了黄土高原地区气象水文干旱在不同季节的传播动态过程；Huang等［5］对渭河流域气象和水文干旱进行研究指出，气象干旱向水文干旱的传播时间具有明显的季节特征；文佐等［6］利用SPI和SSI指数揭示了淮河流域气象水文干旱之间的响应关系；顾磊等［7］基于SPI和SRI指数分析了中国主要流域气象水文干旱传播风险；Bevacqua等［8］开展了巴西457个流域的水文干旱传播规律研究，结果表明，与气象干旱相比，水文干旱通常更持久、更严重，恢复时间更慢。气象水文干旱之间存在时间差，研究其传播时间可以增加对水文干旱的预报能力。这些研究都加深了人们对区域气象水文干旱传播的认识，但较少研究量化气象干旱向水文干旱传播的概率，同时，计算简便的SPI 指数被广泛的用于各类区域气象水文干旱传播过程的研究中，由于其只反映了降水对干旱的影响，蒸散发对干旱传播的影响往往被忽略，但随着全球气温升高对降水径流等水文要素的影响越发显著［9］，气温对干旱传播的影响程度可能加强。基于此，文中以赣江流域为研究对象，赣江流域是江西省经济人口最聚集的地区，是鄱阳湖最大的子流域，也是水旱灾害多发区［10］，本文选取SPI 和SPEI 指数两种气象干旱指数和SRI 水文干旱指数对比分析气象水文干旱传播规律，并利用Copula函数量化气象干旱引发水文干旱的概率。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

赣江流域介于113°30'～116°40'E，24°29'～29°11'N 之间，属于亚热带湿润季风区，流域总面积约82 809 km2，流域多山地丘陵，气候温和，四季分明。赣江全长约823 km，干流流经江西省赣州、吉安、宜春、南昌和九江市，汇入鄱阳湖。本文收集了赣江流域1960-2018 年间逐月气象水文数据，包括39 个国家气象站点降水量、气温数据，以及赣江控制性水文站—外洲水文站径流量数据。

图1 研究区概况Fig.1 Survey map of study area

1.2 研究方法

1.2.1 干旱指数

文中选取SPEI 和SPI 两种气象干旱指数，SPI 计算过程与SPEI 类似，由于SPI 只考虑降水数据，因此，相比与SPEI 指数计算过程省略了蒸散发量的计算，对降水序列进行伽玛分布拟合，然后将其转换为标准化正态分布。SRI指数与SPI计算方法相同，用径流数据替换降水数据，选取径流概率分布类型后，进行正态标准化计算即可，干旱指数详细计算方法和干旱等级划分标准参考文献［11］。

表1 干旱指数划分标准Tab.1 Classification standard of drought

1.2.2 游程理论

本文选择游程理论三阈值方法对干旱指数时间序列进行初步判别、剔除和融合三步识别，提取干旱特征，具体步骤参考文献［12］。降水序列出现负游程干旱才会发生，因此，选择R0=0；当干旱指数小于-0.5时，发生轻旱，选择R2=-0.5；当干旱指数持续小于-0.3时也认为发生干旱，选择R1=-0.3［13］。

图2 游程理论示意图Fig.2 Concept map of run of theory

1.2.3 Copula函数条件概率

Copula 函数不限制边缘分布函数类型，形式多样且灵活［14］。对于干旱事件的历时u和烈度v两变量而言，联合分布函数可表达为：

当X≥x条件时，Y≥y的条件概率为：

文中基于Copula 函数理论，选用Gumbel-Copula、Clayton-Copula 和Frank-Copula 三种联合分布函数，使用平方欧式距离（d2）和赤池信息量准则法（AIC）来评价Copula 函数的拟合程度。

2 结果与分析

2.1 年和季节干旱趋势变化分析

1960-2018 年赣江流域年和季节SPEI、SPI 和SRI 的逐年变化过程及其趋势如图3。春季是四季中干旱最弱的季节，也是洪涝灾害最严重的季节，每年3 月中旬开始的雨季持续到6 月中下旬，降水多且集中致使洪涝灾害多发。此外，SRI-3结果表明1963年出现水文干旱，《中国气象灾害大典—江西卷》［15］中记载从1962 年10 月开始江西省多数地区发生春夏秋连旱，干旱指数的年尺度也表明1963 年SPEI 和SPI 低至-2.5，SRI 为3.2，均为历史最低。SPEI 反映的夏旱程度要明显强于SPI 和SRI，并在1965、1967、1971、1978、1981、1988、2003等年出现了与SPI和SRI 评估的旱涝结果不一致现象，由于SPEI 考虑了气温要素，而江西省每年7、8 月份受“副高”控制，晴空少雨高温异常，蒸发能力是降水的数倍，SPEI 和SPI 的对比说明了气温对夏季干湿状况影响较大。3 种干旱指数对秋旱描述一致性较好，水文干旱程度要弱于气象干旱，在1996 年SPEI 和SPI 分别达到-1.8 和-2.3，为最严重的一场秋旱。冬季3 种干旱指数变化过程形式相似，但时间变化上存在显著差异，SPEI 变化过程线位于SPI 和SRI 之上，出现了和夏季一样的干旱状态评估结果不一致，SPEI 表明冬季干旱少有发生，而SPI 和SRI 表明冬旱十分严重。根据《中国气象灾害大典—江西卷》［15］中记载江西地区夏秋旱多发且严重，并无明显冬旱发生。流域内历年来冬季少雨，在寒冷的冬季当降水低于正常水平时并不会转化成较高的蒸发能力，SPI只反映了该时期降水少的这一特征。SRI则反映了前几个月的降水较少效果的不断累积，致使冬季水文干旱明显。

图3 年和季节干旱趋势变化Fig.3 Annual and seasonal drought trends

3 种干旱指数12 个月尺度逐年变化过程整体上一致性较好，1963年干旱最严重，其次为1971、2003和2011年。同时，干旱指数对年和季节的干湿变化趋势均表现为同干或同湿，春季和夏季SPEI指数的气候倾斜率绝对值最大，春季干旱化趋势为0.032/10 a，夏季湿润化趋势为0.056/10 a，秋季和冬季SRI 气候倾斜率最大，分别为0.06/10 a 和0.089/10 a，SPEI 气候倾斜率最小。年干旱情况也趋于减弱，气候倾斜率SPI>SRI>SPEI。

2.2 干旱传播特征分析

为了更清楚的了解气象水文干旱传播后其特征发生的变化，利用游程理论识别气象干旱和水文干旱事件，提取干旱历时和烈度特征，绘制干旱特征箱型图进行对比分析，如图4，图4中黑点为干旱历时和干旱烈度的中位数。结果表明，SPEI 和SPI评估的赣江流域气象干旱事件分别为87 和75 次，水文干旱事件为65 次。SPEI 评估的气象干旱事件要多于SPI，气象干旱事件多于水文干旱事件，说明气象干旱要比水文干旱更频发，或是前期土壤含水量和地下水等因素的共同作用使得一些较轻的气象干旱事件并不会传播为水文干旱事件。但是，从干旱历时和烈度箱型图对比可以看出，水文干旱平均历时和烈度均要高于气象干旱，中位线也在箱体中部以上，说明水文干旱事件多为长历时和高烈度。干旱持续时间越长，带来的社会影响就越大，在干旱历时超过7个月的干旱事件中，气象干旱和水文干旱事件分别为5（SPEI）、2（SPI）和22次，水文干旱事件远超气象干旱，这意味着气象干旱传播到水文干旱后，干旱历时和烈度均明显增加，干旱的危害性更强。干旱历时超过9 个月的水文干旱共7 次，分别是1962 年8 月-1963 年4 月、1963 年6 月-1964 年2 月、1965 年7 月-1966 年3 月、1971 年7 月-1972 年3月、2003年7月-2004年3月、2010年8月-2011年4月和2017年9月-20年5月，这也记载的干旱事件情况相一致［15］。

图4 3种干旱指数的干旱历时和烈度特征Fig.4 Drought duration and intensity characteristics of three drought indexes

2.3 气象水文干旱传播时间

不同时间尺度干旱指数可以反映流域的短期和长期缺水状况，随着干旱发展，也将对径流产生影响，为探明赣江流域气象干旱传播至水文干旱的时间规律，分别计算1～24个月尺度的SPEI 和SPI 与SRI-1 之间的Pearson 相关系数，传播时间即为SPEI-i和SPI-i与SRI-1 之间相关性最强时刻对应的时间尺度i。如图5（a），流域不同月份气象干旱向水文干旱传播时间在1～6 个月之间，其中，3-5 月气象干旱到水文干旱的传播时间从5 个月降至2 个月，这是由于流域秋冬季节长期少雨地表水不足，同时土壤水和地下水难以得到补充，使得冬季赣江下游河床常年裸露，同时3月中旬开始赣江流域雨季来临，降水持续不断［图5（b）］，地表和地下水不断得到补给，但雨季开始时，降水主要是对土壤水的补偿，加上植物生长需水，降水产流形式主要为蓄满产流，使得3 月气象干旱向水文干旱的传播时间达到5 个月。随着4、5 月份雨季持续，降水强度也不断增大，土壤处于湿润状态，因此，气象干旱向水文干旱的传播时间降至2 个月。夏季6 月干旱的传播时间达到最短为1 个月，雨季使得土壤水近乎饱和，同时6月降水强度也是年内最大，降水也易于形成产流；7、8月份流域高温天气伴随着高蒸散发量，同时农作物和植被的耗水量不断增加，土壤水和地下水开始减少，气象干旱向水文干旱的传播时间开始增加。9-12 月份降水量持续减少导致传播时间不断增大。SPEI、SPI和SRI描述的气象干旱向水文干旱的传播时间在11 和12 月具有很大的差异，这表明气温对干旱传播时间的影响在这两个月表现的更加敏感。由于SPI 计算过程中只考虑降水因素，其分析的气象干旱向水文干旱的传播时间各月变化与降水的年内各月分配呈现负变化趋势，SPEI 因为考虑到降水和气温，其和年内降水分配的负变化趋势也被弱化。

图5 气象干旱到水文干旱的逐月传播时间和降水的年内分配Fig.5 Monthly propagation time of meteorological drought to hydrological drought and annual distribution of precipitation

2.4 气象干旱引发水文干旱概率

拟合气象水文干旱事件获得最优边缘分布函数，通过d2和AIC 方法评价确定气象水文干旱最优联合分布函数为Frank-Copula 函数。用Frank-Copula 函数构建气象水文干旱联合分布，以气象干旱为条件，计算引发轻、中、重、特四级以上水文干旱的概率，如图6所示。结果表明，基于两种气象干旱指数所确定的引发同一等级水文干旱事件概率随着气象干旱加重而升高；气象水文干旱同等程度下引发干旱传播的概率随着干旱加重而降低，SPI-SRI 条件概率曲线从轻度水文干旱到重度水文干旱曲线明显陡于SPEI-SRI 曲线，SPI-SRI 指数确定的轻旱以上至特旱以上概率依次为0.892、0.769、0.504 和0.185，SPEISRI 指数确定的轻旱以上至特旱以上概率依次为0.787、0.653、0.483 和0.273；SPEI 指数条件下的仅水文特旱事件以上发生概率高于SPI 指数，同时4 种不同等级SPEI 指数确定的引发水文特旱事件概率均高于SPI指数，说明对于轻度水文干旱事件SPI计算的引发概率更高，相反对于严重水文干旱事件SPEI计算的引发概率更高；此外，轻度以上的气象和水文干旱代表着流域发生干旱的最低可能性，SPI-SRI 指数确定的引发流域水文干旱事件概率为0.892，高于SPEI-SRI 指数的0.787，这意味着气温因素影响下，气象干旱引发水文干旱事件的阈值更高，并更倾向于引发烈度更强的水文干旱事件。

图6 气象干旱引发水文干旱概率Fig.6 Hydrological drought condition probability

4 结论

基于赣江流域近60 年降水、气温和径流量数据，通过计算不同时间尺度干旱指数，分析气象和水文干旱特征以及干旱传播特征。得到以下主要结论：

（1）气象和水文干旱指数变化趋势均表明春季干旱加重，由于气温因素的影响，使得SPEI 反映的夏季干旱变化与SPI 和SRI有很大的差异。

（2）气象干旱事件要少于水文干旱，气象干旱向水文干旱的传播使得干旱危害性增强，高危害性的水文干旱事件明显增多。

（3）年干旱传播时间在1～6个月，降水是影响干旱传播时间的主要因素，气温在6、11 和12 月对干旱传播时间的影响高于其它月份。

（4）气温影响下气象干旱引发水文干旱事件的阈值更高，并更倾向于引发烈度更强的水文干旱事件。