基于SWAP和SRI的汉江流域旱涝急转时空特征分析

2020-06-09赵英，陈华，杨家伟，许崇育，陈杰

人民长江 2020年4期

赵英，陈华，杨家伟，许崇育，陈杰

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072)

中国自古以来就是一个干旱、洪涝灾害频发的国家，灾害响范围广泛，对我国的经济和人民生命、财产安全带来了不可估量的损失[1-2]。在我国平均2～3 a就会遭遇一次严重的干旱灾害[3]。汉江流域作为长江中游最大的支流[4]，流域面积约为15.9万km2，是湖北省重要的经济带之一，汉江中下游的汉江平原是我国主要的商品粮生产基地之一。汉江流域地处亚热带季风区，气候变化频繁，“旱涝并存、旱涝急转”事件经常发生，严重影响了当地的发展。在短期时间里同时遭遇干旱、洪涝事件，会使区域受到的损失及影响呈倍数增加[5]。

旱涝异常研究一直是短期气候预测的重要内容，同时是国内外大气科学研究热点问题[6-7]。以往的研究主要针对夏季降水的异常，对旱涝的季节内变化研究较少[8-10]。从20世纪90年代以来越来越多的学者开始对旱涝异常现象展开研究，王胜、孙鹏、张雪花等[11-13]分别在淮河流域、长江中下游地区和海河流域进行旱涝急转事件的时空变化趋势及特征研究。Wu等[14]从一个较长的时间尺度(季时间尺度)分析了长江中下游流域旱涝共存在夏季平均降水正常年份前提下的发生变化规律，研究指出即便在平均降水正常的年份，旱涝共存事件也可能发生。

作为量化旱涝事件的工具，气象旱涝指数的研究起步较早，至今已有众多监测气象旱涝的指数。PDSI作为一个多因素的综合干早指数，对干旱事件的监测效果并不理想；SPI使用降水量作为单一因素，虽然简单明了，但不能满足任意时间尺度的应用。为了更全面的衡量旱涝情况，Lu于2009年提出的加权平均降水量WAP(Weighted Average Precipitation)适用于逐日、逐月等不同时间尺度[15]。之后Lu还使用了标准化的WAP(即Standard Weighted Average Precipitation，SWAP)对干旱情况进行逐日监测，该指数能识别出干旱开始、持续、结束时间以及强度等详细信息，较好地分析干旱情况[16]。水文旱涝通常反映区域水资源的丰亏情况，但相关的水文旱涝指数研究较少[17-18]。标准化径流指数SRI(Standard Runoff Index)计算方法简单，适用于多时间尺度分析(1,3,6,12个月等)，以及资料缺乏、地形复杂的区域，目前在水文旱涝识别研究中应用较多。Telesca等[19]运用SRI分析了西班牙地区的水文干旱特征；Shukla[20]采用SPI和SRI分析了美国融雪区的旱涝情况；孙鹏等[21]在SPI和SRI二维变量干旱状态的研究基础上，研究了气象干旱和水文干旱之间的转换关系。

本文选取两种应用良好的旱涝监测指数：气象旱涝指数SWAP和水文旱涝指数SRI，采用游程理论[22]定量筛选汉江流域的旱涝急转事件，比较分析汉江流域气象旱涝和水文旱涝规律的联系与差异，以便为汉江流域旱涝灾害及防洪抗旱提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

汉江发源于秦岭南麓，有北、中、南3个源头，位于东经106°15′～114°20′、北纬30°10′～34°20′，流域全长1 577 km，流域面积约15.9万km2。汉江流域属于亚热带季风区，气候温和湿润，年平均气温15℃～17℃，年降水量873 mm，水量较丰沛。

1.2 数据资料

研究资料采用汉江流域15个气象站点1961～2017 年逐日降雨资料，数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)；径流数据采用丹江口水库逐日径流数据(1968～2010年)、汉江中下游皇庄逐日径流数据(1974～2013年)，如图1所示。

图1 汉江流域数据站点分布

1.3 研究方法

1.3.1标准化加权平均降雨指数SWAP

为了展现当日旱涝情况在历史同一日的强弱程度，Lu[15]于2009年提出了基于累计降雨的气象旱涝指标SWAP。该指标是基于加权平均降雨WAP通过Gamma函数标准化而得来[16]。WAP指数计算公式如下：

(1)

式中，Pn表示前n天当天的降水；wn表示Pn的权重wn=(1-a)an；a为权重随时间衰减参数；N为前期影响天数。通常经验定义a=0.9；N=44。

最后将得到的WAP值按对应日序数逐年排列，根据多年同一日WAP值构建Gamma分布拟合，将其正态标准化，从而得到对应的SWAP值。

1.3.2标准径流指数SRI

Shukla[20]采用类似标准化降水指数(Standardized Precipitation Index, SPI)的计算方法，提出水文旱涝指数——标准径流指数SRI，基于实测径流值推算水文旱涝程度。该指标的计算采用长时间序列资料，针对每年的同一时段流量集合作为研究序列，假定其服从皮尔逊三型(Pearson III，P-III)分布来拟合径流序列，采用极大似然法估计分布参数。流量集的分布函数如下。

(2)

将累计频率标准化即可得到对应的SRI值。

当0

(3)

(4)

当0.5 < F(x)≤ 1 时:

(5)

(6)

表 1根据SWAP与SRI值对应的非超越概率，进行旱涝强度分类等级划分[22]。

表1 基于SRI与SWAP指数旱涝等级划分标准

1.3.3基于游程理论的事件识别

游程理论是一种分析时间序列的方法，Endt[23]最早运用游程理论识别和描述干旱事件；综合干旱指数(CI)[24]也采用游程理论来判别干旱事件。游程理论在旱涝诊断方面得到了广泛应用。

旱涝事件识别过程如下。

(1)干旱事件起始与结束。取干旱事件的截取水平R0为-1(轻旱)，0(正常)。当旱涝指数SWAP(或SRI)在某月开始小于-1，定义为一次干旱事件发生；到SWAP(或SRI)值大于0，定义为这次干旱事件结束。

(2)干旱持续时间。从干旱起始到结束的这段时间间隔定义为干旱事件的持续时间。

(3)干旱强度。干旱持续时间内超过轻旱等级的SWAP(或SRI)绝对值之和的均值。

类似地，洪涝事件的截取水平R0为1(轻涝)、0(正常)。洪涝过程与干旱过程类似，不再赘述。

旱涝急转事件识别过程如下。

(1)气象旱涝急转事件。先后存在一个干旱事件和一个洪涝事件，且干旱结束与洪涝开始时间间隔小于5 d，定义为一次气象旱转涝事件。

(2)水文旱涝急转事件。先后存在一个干旱事件和一个洪涝事件，且两者的时间间隔小于等于1月，定义为一次水文旱转涝事件。其中，旱涝急转事件的起始时间是这次干旱事件的发生时间，结束时间是这次洪涝事件的结束时间。

统计指标如下。

(1)事件次数N。时段T内发生旱涝事件或旱涝急转事件的总次数。

(2)旱涝急转事件强度K。时段T内发生旱涝急转事件指标累计值与时段T的比值。表 2给出了旱涝急转强度划分等级。

表2 旱涝急转强度等级划分

2 结果与分析

2.1 旱涝事件时空分析

将汉江流域分为上游、中下游区域，汉江上游为丹江口水库以上，汉江中下游为丹江口水库以下至皇庄区域。现对丹江口水库及皇庄分区的旱涝事件时空演变特征进行分析。

通过与历史记载相结合,挑选出不同历史时期典型旱涝年进行分析。图 2～3给出了丹江口水库、皇庄分区典型旱涝年SWAP值及SRI值年内变化情况。丹江口水库典型旱、涝年为1992年和1983年；皇庄区域典型旱、涝年为1999年和1983年。就干旱事件而言，两个旱涝指数均显示1992年从1月下旬开始出现旱情，到2月旱情最严重，到6月底旱情消失，干旱持续时间为五个半月左右。根据历史记载1992年出现严重的春夏季干旱，与两个指标描述的事件一致。皇庄区域1983年从5月底出现旱情，到9月份旱情达到极点，到10月旱情消失，干旱持续时间为6个月左右。对于洪涝事件，丹江口水库、皇庄分区事件演变情况大致相同，从4月底开始出现轻微洪涝，随着时间推移，洪涝情况逐渐加重，每年的6～9月出现严重洪涝情况，从10月份以后洪涝逐渐消失。

图2 丹江口水库典型旱涝年SWAP及SRI指标年内变化

图3 皇庄典型旱涝年SWAP及SRI指标年内变化

总体而言，干旱事件在任意时间段都有可能发生，洪涝事件主要集中在每年的6～9月。从SWAP和SRI值的年内变化情况看，两个指数的月尺度变化趋势大致相同，且两个指数均能诊断出旱涝事件，可以分析出旱涝事件的开始、持续和结束时间，体现出事件发生的严重程度等信息。

从图 4可见，汉江流域1961～2017年近57 a间所有站点均发生过不同程度的旱涝事件，干旱事件次数在17～23次之间；洪涝事件次数在15～23次之间。旱涝事件频次的空间分布不均匀，干旱事件的频次大致呈现从汉江上游的西北地区到下游的东南地区先逐渐减少后增加的趋势;洪涝事件频次大致呈现从北到南逐渐增加的趋势。

图4 汉江流域1961～2017年气象干旱、洪涝事件频次空间分布

2.2 旱涝急转事件分析

2.2.1旱涝急转事件时空分析

表 3～6筛选出了丹江口水库、皇庄分区的气象及水文旱涝急转事件统计特征。从表中可以看出，丹江口水库、皇庄分区气象旱涝急转次数均为10次；水文旱涝急转发生次数分别为7,6次。对于两个分区,气象旱转涝事件的急转点均集中在6～10月，对应事件的强度也相对较高，两分区呈现出较为相似的演变特征。水文旱涝急转事件主要集中在夏季，事件的急转点主要集中在6,7月，且事件的平均强度较高，为中等强度。

综上，汉江流域的旱涝急转事件主要发生在夏季，即在6～10月份旱涝急转事件较为频发，且事件发生的强度较高，相比于其他时段更具威胁性，应予以足够重视。

表3 丹江口水库气象旱涝急转事件

表4 皇庄气象旱涝急转事件

表5 丹江口水库水文旱涝急转事件

表6 皇庄水文旱涝急转事件

图5中给出了丹江口水库、皇庄分区不同年代气象、水文旱涝急转事件频率变化情况。从图5可以看出两个分区不同年代旱涝急转事件频率变化有所不同。丹江口水库水文旱涝急转事件频率变化波动不大；气象旱涝急转事件频率变化差异较大，最高的发生在1980s，频率最低的在2010s。皇庄的气象、水文旱涝急转事件频率变化差异较大，频率最高的均发生在1970s；频率最低的均发生在2010s。从事件的整体变化趋势看，对于SWAP指数，丹江口水库旱涝急转事件频率呈缓慢下降趋势；对于SRI指数，旱涝急转事件频率呈缓慢上升趋势。而皇庄分区2个指标反映出来的旱涝急转事频率均呈显著下降趋势。

图5 丹江口水库、皇庄不同年代旱涝急转事件频率变化

图6展示了汉江流域1961～2017年气象旱涝急转统计特征的空间分布。就事件发生次数而言，汉江流域近57 a气象旱转涝事件发生次数大多在5～11次，频率在0.1～0.3，中游地区旱转涝频率略高，在0.2～0.3；旱转涝次数呈现从上游的西北地区到下游的东南地区先减小到后增大的趋势。从事件平均强度看，汉江流域近57 a气象旱转涝强度略高，大部分区域处于中等强度水平以上，仅汉江西北部部分区域略低于中等强度水平，平均强度总体呈现出从上游的西北地区到下游的东南地区逐渐增大的趋势。

2.2.2典型旱涝急转事件分析

前面章节探讨了气象旱涝SWAP指数、水文旱涝SRI指数的适用性，分析了气象、水文旱涝事件及旱涝急转事件的时空特征变化，现对流域的旱涝急转事件具体过程进行分析。

图7给出了丹江口水库、皇庄区域典型气象旱涝急转事件过程。从图7中可以发现，SWAP指标的变化情况与降雨联系密切。旱涝急转持续时间为2至3个月左右，由干旱转变为洪涝的时间主要集中在夏季的7月初。图中SWAP的变化过程反映了干旱历时，干旱强度，洪涝历时、洪涝强度以及由干旱急转为洪涝的时间节点等信息，说明SWAP指标能对旱涝急转事件作出合理诊断。

图6 汉江流域1961～2017年气象旱涝急转事件频次及平均强度空间分布

图7 丹江口水库、皇庄典型气象旱涝急转过程

对于典型水文旱涝急转事件，从图8可以看出干旱事件的累计过程，涝期洪峰流量的到达时间，SRI指数的最大值与径流最大值时间上具有一致性，说明SRI指数能够对径流过程的洪峰流量出现时间及大小做出诊断。在旱涝过程中，前期的干旱持续时间长，为5～6个月左右，且干旱程度严重；由干旱转变为洪涝的时间短且急，涝期的月平均流量为旱期的5～10倍左右。由此旱涝急转事件一旦发生，相关部分需要在极短时间内从抗旱转变为防汛，其工作难度加大，事件造成的损失必然比单一干旱、洪涝损失要大，对社会发展造成的威胁重大，需要引起足够的重视。