基于標準化帕爾默干旱指數的西江流域干旱評估

袁 飛，章益棋，劉 懿，馬明衛，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，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頻發、廣發的特點，平均2～3年發生一場嚴重干旱，并且受旱范圍不斷擴大。目前我國干旱頻發區域不僅集中在北方干旱半干旱地區，同時也呈向南方濕潤區延伸的趨勢[2]。如，云南省自1961年以來干旱次數越來越多，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]；西南地區在2006年、2009年秋至2010年春連續發生多場極端干旱事件，部分干旱事件重現期甚至超過100年，嚴重威脅了當地工農業生產和人民生活。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，根據不同的關注對象，目前學界已發展了100多種干旱指標，其中帕爾默干旱指數(Palmer drought severity index， PDSI)[4]和標準化干旱指數(standardized index， SI)是最具代表性的兩類干旱指數。常見的SI包括：標準化徑流指數(standardized runoff index， SRI)[5]、標準化降水指數(standardized precipitation index， SPI)[6-7]、標準化降水蒸散發指數(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描述變量統計特征，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在全國及區域上對干旱指示的差異；張林燕等[11]利用VIC模型結合PDSI分析了黃河源區干旱時空變化特征。在此基礎上，Ma等[12]進一步開發了標準化帕爾默干旱指數(standardized Palmer drought severity index， SPDI)，同時兼顧PDSI的物理機制和SI的統計優勢，彌補二者不足，增強了干旱指數在不同氣候區的適用性。

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

1 研究區域概況

西江發源于云南，流經貴州、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。西江流域屬亞熱帶氣候，多年平均氣溫為14～20 ℃，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域為研究區(圖1)，集水面積196 255 km2，位于北緯23°02′～26°77′、東經 102°25′～110°56′，跨越云南、廣西、貴州等省區(下文簡稱云南區、廣西區、貴州區)。該區域在1962—1963年經歷了嚴重干旱，1984—1992年出現了長達9年的連續干旱，2009年秋至2010年春，西南地區遭受了百年一遇的干旱，嚴重影響流域內的航運、工農業生產和人民生活。

圖1 研究區及水文、氣象站點位置

2 研究數據與方法

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布的全球1 km×1 km的土地覆被數據，土壤質地數據來源于美國NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)水文辦公室提供的全球5′×5′土壤質地資料，各類土壤參數依據Cosby等[15]的成果確定。將以上數據分別轉換為0.25°×0.25°空間分辨率，作為水文模型的輸入數據。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。受氣象數據獲取影響，本研究的干旱評估年份僅至2014年，今后將延長數據長度，評估近期干旱演變情勢。

2.2 基于VIC模型的SPDI構建

VIC(variable infiltration capacity)模型是基于物理機制的大尺度分布式水文模型，能夠有效模擬網格尺度的水分循環過程。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，并融合蓄滿產流和超滲產流機制，通過對降雨-徑流過程模擬得到網格單元的各項水文參量，最終構建基于VIC模型的SPDI。構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個環節。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，且σ>0。

本文采用VIC模型輸出的0.25°×0.25°網格尺度相關水文變量進行7 d滑動平均預處理，再根據上述公式計算以日為時間尺度的ISPDI時間序列。本文構建基于日時間尺度的干旱指數，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干旱、旱澇急轉等時空變化更為迅速的短歷時極端事件，對未來干旱監測與評估技術的發展具有重要參考價值。

2.3 干旱評估方法

根據ISPDI的數值將干旱劃分成4個等級：-1

3 結果與分析

3.1 徑流過程模擬

采用VIC模型模擬武宣站以上區域1961—2014年的產流過程，采用馬斯京根分段連續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。經統計，率定期和驗證期的確定性系數(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。綜上，VIC模型在西江流域武宣站以上區域模擬精度較高，滿足后續研究需要。

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、貴州區出現短暫冬旱，2月旱情緩解，3月貴州區春旱露頭，4月旱情蔓延至全區并持續至5月，6月云南區旱情緩解，其他區旱情持續發展，7月全區旱情緩解，8月貴州區、廣西區出現輕度夏旱，9月云南區秋旱露頭，10月開始全區旱情完全緩解；1991年4月廣西區、貴州區春旱嚴重，5月旱情雖得到一定緩解，但云南區、貴州西南部、廣西西部旱情仍持續發展，6月開始旱情基本緩解，8月廣西區秋旱露頭并持續至9月，10月緩解，12月云南區出現輕度冬旱；2009年9月至2010年3月，全區發生嚴重干旱，4月開始旱情基本緩解，7—8月，部分地區又出現輕度干旱。結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

本文統計了西江流域和云南、廣西和貴州各分區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，其干旱頻次、歷時及烈度在年尺度上均呈現不同程度的波動；其中2009年全流域和各分區的3個干旱特征變量數值在所有年份中最高，尤其以云南區最明顯，與年鑒所述2009—2010年發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干旱特征變量的MK統計值

對西江流域和各分區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，結果見表2。由表2可見，全流域輕旱歷時的MK統計值大于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；廣西區各干旱特征變量無明顯變化趨勢；貴州區輕旱歷時呈顯著增加趨勢，干旱頻次、極旱歷時呈增加趨勢。根據重旱和極旱歷時的統計結果，云南區和貴州區極端干旱事件發生的時間呈增加趨勢，廣西區無明顯變化。

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)，分別統計全流域和各分區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，其中云南區上升趨勢最為明顯，屬旱情最嚴重地區，貴州區次之、廣西區旱情程度最低。

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域的年均干旱頻次高于2.25次，其中中部偏西地區干旱頻次相對偏低，其他地區年均干旱頻次均較高(最高達3.11次)；54年間西江流域各網格年均干旱頻率保持在1.68～3.11次，表明研究區干旱頻發。研究區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平均干旱烈度相對較高，東部地區則相對較低，但平均烈度數值變化范圍較小，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)地區的最大干旱烈度最高，西部(云南區)相對較高，東部(廣西大部、貴州東南部)地區最低，且其數值變化范圍較大，說明最大干旱烈度空間差異性明顯。

(a) 平均干旱烈度

4 結 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、貴州區極端干旱事件發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年均干旱頻次較低，其他地區相對較高；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較高，其余地區相對較低，且空間分布差異明顯；平均干旱烈度空間分布較為均勻。