基于標準化帕爾默干旱指數(shù)的西江流域干旱評估

袁 飛，章益棋，劉 懿，馬明衛(wèi)，張利敏，石佳勇

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046)

氣候變化加速了全球水循環(huán)，導致全球不同尺度水資源重新分配，極端水文事件(水旱災害)顯著增加[1]。受季風氣候影響，我國干旱災害也呈現(xiàn)頻發(fā)、廣發(fā)的特點，平均2～3年發(fā)生一場嚴重干旱，并且受旱范圍不斷擴大。目前我國干旱頻發(fā)區(qū)域不僅集中在北方干旱半干旱地區(qū)，同時也呈向南方濕潤區(qū)延伸的趨勢[2]。如，云南省自1961年以來干旱次數(shù)越來越多，干旱間隔越來越短，2009—2014年是云南歷史上最長的一個干旱期[3]；西南地區(qū)在2006年、2009年秋至2010年春連續(xù)發(fā)生多場極端干旱事件，部分干旱事件重現(xiàn)期甚至超過100年，嚴重威脅了當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。準確識別干旱過程、客觀評估干旱等級及嚴重程度，可為干旱防控和水資源適應性管理提供參考。

由于干旱形成過程復雜，影響因素眾多，根據(jù)不同的關注對象，目前學界已發(fā)展了100多種干旱指標，其中帕爾默干旱指數(shù)(Palmer drought severity index， PDSI)[4]和標準化干旱指數(shù)(standardized index， SI)是最具代表性的兩類干旱指數(shù)。常見的SI包括：標準化徑流指數(shù)(standardized runoff index， SRI)[5]、標準化降水指數(shù)(standardized precipitation index， SPI)[6-7]、標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index， SPEI)[7-8]等，其中SPI是最杰出的代表。PDSI采用兩層“水桶”模型概化模擬水文過程，具有一定物理機制，但計算過程復雜，時空可比性較差；SI則采用概率分布函數(shù)描述變量統(tǒng)計特征，計算簡便，時空可比性強，且具有多時間尺度特點。楊禮簫等[9]基于PSDI和SPI對黑河上游的干旱特征進行了對比分析；周蕾等[10]利用SPI、PDSI探究中國2001—2010年的干旱變化趨勢，分析了不同干旱指數(shù)在全國及區(qū)域上對干旱指示的差異；張林燕等[11]利用VIC模型結(jié)合PDSI分析了黃河源區(qū)干旱時空變化特征。在此基礎上，Ma等[12]進一步開發(fā)了標準化帕爾默干旱指數(shù)(standardized Palmer drought severity index， SPDI)，同時兼顧PDSI的物理機制和SI的統(tǒng)計優(yōu)勢，彌補二者不足，增強了干旱指數(shù)在不同氣候區(qū)的適用性。

本文采用具有物理機制的分布式水文模型與SPDI耦合，構(gòu)建物理機制更為完備、時空可比性強的綜合干旱指數(shù)，進而剖析西江流域歷史干旱事件的時空演變特征，評估干旱指數(shù)在濕潤區(qū)的適用性，以期為西江流域旱災防治和水資源優(yōu)化調(diào)配提供參考。

1 研究區(qū)域概況

西江發(fā)源于云南，流經(jīng)貴州、廣西和廣東，在珠海市注入南海，干流全長2 214 km，流域總面積34.6萬km2，占珠江流域70%以上。西江流域?qū)賮啛釒夂颍嗄昶骄鶜鉁貫?4～20 ℃，多年平均降水量為1 200～2 200 mm，年平均徑流量為2.12萬億m3，水資源豐富。流域內(nèi)降水時空分布不均，干旱是其主要氣象災害之一[13-14]。本文選取西江流域武宣水文站以上的集水區(qū)域為研究區(qū)(圖1)，集水面積196 255 km2，位于北緯23°02′～26°77′、東經(jīng) 102°25′～110°56′，跨越云南、廣西、貴州等省區(qū)(下文簡稱云南區(qū)、廣西區(qū)、貴州區(qū))。該區(qū)域在1962—1963年經(jīng)歷了嚴重干旱，1984—1992年出現(xiàn)了長達9年的連續(xù)干旱，2009年秋至2010年春，西南地區(qū)遭受了百年一遇的干旱，嚴重影響流域內(nèi)的航運、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。

圖1 研究區(qū)及水文、氣象站點位置

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 資料來源

本文收集了中國氣象局提供的西江流域68個氣象站點1961—2014年的逐日氣象觀測資料，包括日降水、日最高、最低氣溫和風速；從水文年鑒中摘錄并整理西江流域12個水文站1961—1989年的逐日流量資料。植被覆被類型資料來源于馬里蘭大學發(fā)布的全球1 km×1 km的土地覆被數(shù)據(jù)，土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)來源于美國NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)水文辦公室提供的全球5′×5′土壤質(zhì)地資料，各類土壤參數(shù)依據(jù)Cosby等[15]的成果確定。將以上數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為0.25°×0.25°空間分辨率，作為水文模型的輸入數(shù)據(jù)。此外，還摘錄了《中國水旱災害公報》《中國氣象災害大典》(綜合卷、廣西卷、貴州卷、云南卷)等年鑒中西江流域1961—2014年期間歷史干旱事件，用于驗證SPDI在西江流域干旱評估的適用性。受氣象數(shù)據(jù)獲取影響，本研究的干旱評估年份僅至2014年，今后將延長數(shù)據(jù)長度，評估近期干旱演變情勢。

2.2 基于VIC模型的SPDI構(gòu)建

VIC(variable infiltration capacity)模型是基于物理機制的大尺度分布式水文模型，能夠有效模擬網(wǎng)格尺度的水分循環(huán)過程。針對PDSI干旱指標水文分量計算過于概化，本文采用物理機制較強的VIC分布式水文模型代替兩層土壤“水桶”模型，以充分考慮土壤、植被和地形等要素的空間變異性，并融合蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流機制，通過對降雨-徑流過程模擬得到網(wǎng)格單元的各項水文參量，最終構(gòu)建基于VIC模型的SPDI。構(gòu)建過程主要包括各水文分量和氣候適宜降水量的計算、廣義極值分布擬合以及標準化處理等3個環(huán)節(jié)。各水文分量表達式為

QPR=max(wAWC-w0,0)

(1)

RP=wAWC-QPR

(2)

QPL=QPLs+QPLm+QPLu

(3)

QR=max(w-w0,0)

(4)

QL=|min(w-w0),0|

(5)

式中：QPR為可能補水量，mm；RP為可能徑流深，mm；QPL為可能失水量，mm；QR為實際補水量，mm；QL為實際失水量，mm；w0、w分別為3層土壤時段初和時段末的總含水量，mm；wAWC為3層土壤的最大有效含水量，mm；QPLs、QPLm、QPLu分別為表層、中層和下層土壤的可能失水量，mm，采用3層蒸發(fā)模型分別估算。此外，氣候適宜降水量所需的實際蒸散量ET、實際徑流深R和可能蒸散量ETP等水文分量則由VIC模型計算。

氣候適宜降水量的表達式為

(6)

(7)

本文采用廣義極值分布擬合水分偏離d序列，估算相應累積概率分布，對其進行標準正態(tài)分布的逆運算，即得到相應的SPDI值，具體公式為

ISPDI=Φ-1[F(x)]

(8)

其中

式中：x為水分偏離d的時間序列；σ、μ、k分別為分布的尺度、位置和形狀參數(shù)，且σ>0。

本文采用VIC模型輸出的0.25°×0.25°網(wǎng)格尺度相關水文變量進行7 d滑動平均預處理，再根據(jù)上述公式計算以日為時間尺度的ISPDI時間序列。本文構(gòu)建基于日時間尺度的干旱指數(shù)，相較于月尺度的干旱評估方法，識別的干旱事件頻次較高、歷時較短，更適合用于捕捉驟發(fā)干旱、旱澇急轉(zhuǎn)等時空變化更為迅速的短歷時極端事件，對未來干旱監(jiān)測與評估技術(shù)的發(fā)展具有重要參考價值。

2.3 干旱評估方法

根據(jù)ISPDI的數(shù)值將干旱劃分成4個等級：-1

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流過程模擬

采用VIC模型模擬武宣站以上區(qū)域1961—2014年的產(chǎn)流過程，采用馬斯京根分段連續(xù)演算法進行河道匯流演算。圖3為武宣站率定期(1969—1979年)和驗證期(1980—1989年)的日流量過程線，可見VIC模型模擬的武宣站日流量過程與實測流量過程基本吻合。經(jīng)統(tǒng)計，率定期和驗證期的確定性系數(shù)(NSE)分別為0.889、0.883，均高于0.85；徑流深相對誤差(BIAS)為-3.0%、0.9%，均在 ±3%以內(nèi)。綜上，VIC模型在西江流域武宣站以上區(qū)域模擬精度較高，滿足后續(xù)研究需要。

圖2 游程理論示意圖

3.2 歷史干旱事件驗證

選取1963年、1991年、2009年和2010年這4個不同年代且干旱較嚴重的年份作為典型年份，將基于SPDI識別的干旱事件與年鑒記載的干旱事件進行對比，分析SPDI在西江流域的適用性。圖4為基于SPDI和游程方法計算的典型年份干旱烈度時空分布，可以看出，1963年1月廣西區(qū)、貴州區(qū)出現(xiàn)短暫冬旱，2月旱情緩解，3月貴州區(qū)春旱露頭，4月旱情蔓延至全區(qū)并持續(xù)至5月，6月云南區(qū)旱情緩解，其他區(qū)旱情持續(xù)發(fā)展，7月全區(qū)旱情緩解，8月貴州區(qū)、廣西區(qū)出現(xiàn)輕度夏旱，9月云南區(qū)秋旱露頭，10月開始全區(qū)旱情完全緩解；1991年4月廣西區(qū)、貴州區(qū)春旱嚴重，5月旱情雖得到一定緩解，但云南區(qū)、貴州西南部、廣西西部旱情仍持續(xù)發(fā)展，6月開始旱情基本緩解，8月廣西區(qū)秋旱露頭并持續(xù)至9月，10月緩解，12月云南區(qū)出現(xiàn)輕度冬旱；2009年9月至2010年3月，全區(qū)發(fā)生嚴重干旱，4月開始旱情基本緩解，7—8月，部分地區(qū)又出現(xiàn)輕度干旱。結(jié)合年鑒記載的干旱事件(表1)[7-11]，以上年份識別的干旱過程均與年鑒記載基本相符；且從烈度強弱及干旱影響的空間范圍整體分析，2009—2010年旱情最為嚴重，其次為1963年和1991年，與年鑒記載2010年西南5省旱情為百年一遇大旱、1991年旱情次于1963年均相符，表明SPDI適用于西江流域的干旱評估，可以進一步分析西江流域歷史干旱的時空變化特征。

(a) 率定期(1969—1973年)

(a) 1963年

表1 西江流域典型年份實際旱情記載

3.3 歷史干旱時間變化特征

本文統(tǒng)計了西江流域和云南、廣西和貴州各分區(qū)1961—2014年期間各年干旱頻次、歷時和烈度，并分析這3個干旱特征變量在年尺度上的變化趨勢。如圖5所示，無論是全流域還是各分區(qū)，其干旱頻次、歷時及烈度在年尺度上均呈現(xiàn)不同程度的波動；其中2009年全流域和各分區(qū)的3個干旱特征變量數(shù)值在所有年份中最高，尤其以云南區(qū)最明顯，與年鑒所述2009—2010年發(fā)生百年一遇干旱相符合。

(a) 干旱頻次

表2 1961—2014年西江流域和各分區(qū)干旱特征變量的MK統(tǒng)計值

對西江流域和各分區(qū)1961—2014年期間各年干旱事件頻次、歷時、烈度及各等級干旱事件歷時的時間序列進行Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗，結(jié)果見表2。由表2可見，全流域輕旱歷時的MK統(tǒng)計值大于2.56，通過了置信度為99%的顯著性檢驗，呈顯著的增加趨勢；干旱頻次、歷時及中旱歷時的MK統(tǒng)計值均大于1.96，通過了置信度為95%的顯著性檢驗，即干旱頻次、歷時及中旱歷時呈增加趨勢；干旱烈度通過了置信度為90%的顯著性檢驗，呈不明顯的增加趨勢。同理，云南區(qū)干旱頻次、歷時、烈度以及輕旱、中旱歷時均呈顯著增加趨勢，重旱歷時呈增加趨勢；廣西區(qū)各干旱特征變量無明顯變化趨勢；貴州區(qū)輕旱歷時呈顯著增加趨勢，干旱頻次、極旱歷時呈增加趨勢。根據(jù)重旱和極旱歷時的統(tǒng)計結(jié)果，云南區(qū)和貴州區(qū)極端干旱事件發(fā)生的時間呈增加趨勢，廣西區(qū)無明顯變化。

將1961—2014年劃分為5個年代際(1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2014年，分別記為年代際1、2、3、4、5)，分別統(tǒng)計全流域和各分區(qū)各年代際干旱特征變量的年均值，分析年代際尺度上的干旱演變情勢，結(jié)果見圖6。由圖6可知，西江流域旱情在干旱頻次、歷時及烈度3個方面變化情勢基本一致；20世紀60年代和80年代是旱情相對嚴重的年代，21世紀以來旱情最為嚴重，具體表現(xiàn)為干旱頻次較高、歷時較長以及烈度較強；20世紀70年代到21世紀初，全流域及各分區(qū)的干旱頻次、歷時、烈度呈波動上升趨勢，且21世紀初呈陡增趨勢，其中云南區(qū)上升趨勢最為明顯，屬旱情最嚴重地區(qū)，貴州區(qū)次之、廣西區(qū)旱情程度最低。

3.4 歷史干旱空間變化特征

圖7為西江流域1961—2014年干旱事件的年均頻次、年均歷時的空間分布，可見西江流域大部分區(qū)域的年均干旱頻次高于2.25次，其中中部偏西地區(qū)干旱頻次相對偏低，其他地區(qū)年均干旱頻次均較高(最高達3.11次)；54年間西江流域各網(wǎng)格年均干旱頻率保持在1.68～3.11次，表明研究區(qū)干旱頻發(fā)。研究區(qū)年均干旱歷時的空間分布與年均干旱頻次基本一致，絕大部分區(qū)域年均干旱歷時在50 d以上，最高可達68.5 d，即西江流域約13.7%～16.8%的時間受干旱影響。

(a) 干旱頻次

(a) 年均干旱頻次

圖8為1961—2014年期間西江流域平均干旱烈度和最大干旱烈度的空間分布特征。如圖8所示，西江流域中部及西部地區(qū)平均干旱烈度相對較高，東部地區(qū)則相對較低，但平均烈度數(shù)值變化范圍較小，表明其空間分布差異性不明顯；西江流域中部偏西(貴州西南部)地區(qū)的最大干旱烈度最高，西部(云南區(qū))相對較高，東部(廣西大部、貴州東南部)地區(qū)最低，且其數(shù)值變化范圍較大，說明最大干旱烈度空間差異性明顯。

(a) 平均干旱烈度

4 結(jié) 論

a. 采用SPDI識別的歷史干旱事件時空變化過程與年鑒記載基本相符，表明SPDI適用于西江流域的干旱監(jiān)測和評估。

b. 1961—2014年期間西江流域干旱頻次、歷時均呈顯著上升趨勢，云南區(qū)、貴州區(qū)極端干旱事件發(fā)生的時間呈增加趨勢，1960、1980和2000年代屬于旱情較嚴重年代，且21世紀以來西江流域總體呈顯著干旱化趨勢。

c. 西江流域中部偏西地區(qū)年均干旱頻次較低，其他地區(qū)相對較高；干旱歷時空間分布與頻次基本一致；最大干旱烈度在流域中部偏西地區(qū)較高，其余地區(qū)相對較低，且空間分布差異明顯；平均干旱烈度空間分布較為均勻。