巴音河流域水文干旱对气象干旱的响应

武慧敏，吕爱锋，张文翔

(1.云南省高原地理过程与环境变化重点实验室,云南师范大学地理学部,昆明 650500；2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101；3.中国科学院大学,北京 100049)

干旱是一种反复发生且具有严重影响的灾害，与其他类型的灾害相比其波及范围广，影响时间长，是迄今为止代价最高的自然灾害[1]。干旱由一个地区长期降水不足引起，是典型的与水资源不足相关的异常气候事件[2]，会对农业和社会经济系统产生重大影响并导致广泛的社会、经济和环境挑战[3-5]。如2014年美国加州的干旱事件造成了22亿美元的损失[6]。根据水循环不同环节中水分影响对象的差异，一般将干旱分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱[7]，不同类型干旱的发生在时间上具有递进关系[8]。气象干旱是其他干旱类型的根源，在干旱灾害传播链中起关键作用[9]。水文干旱的发生与气象干旱相比较慢，其持续时间也比气象干旱要长，气象干旱的发生一般难以控制，但是水文干旱的影响可以通过一定的措施来避免或降低[10]。

国内外学者利用各类气象干旱指标如标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)、帕默尔干旱指数、标准化降水蒸散指数以及水文干旱指标如标准径流指数(standardized runoff index，SRI)、帕默尔水文干旱指数、径流干旱指数和地表供水指数等分别对气象干旱与水文干旱进行研究。其中：何福力等[11]基于标准化降水指数对黄河流域50年干旱演变进行分析；翟家齐等[12]利用标准化水资源指数对海河北系的干旱特征进行刻画；赵安周等[13]采用帕默尔干旱指数对渭河流域干旱时空分布进行研究；Hong等[14]利用径流干旱指数评估了长江上游水文干旱的不确定性。

综合来看，目前的干旱研究主要侧重于分析流域特定类型干旱的特征及其空间分布，多数研究在分析过程中仅选用单个干旱指数对研究区干旱状况进行讨论，不能对流域存在多种干旱类型的情况进行探讨，针对不同类型干旱传播过程的研究还是较为缺乏。本文主要从识别和统计气象干旱与水文干旱、评估干旱的趋势，探索SPI和SRI之间的关系，研究气象和水文干旱之间的传播时间以及气象干旱向水文干旱传播可能的影响及驱动因素。研究结果对区域干旱管理和水资源规划以及干旱风险的综合防控具有重要参考价值。

1 研究区概况

巴音河流域地处柴达木盆地东北部德令哈市，位于36°53′～38°11′N，96°29′～98°08′E之间，发源于祁连山支脉野牛脊山，流域总面积达17 608 km2，河流长约320 km，海拔为5 000 m[15]。属于高原荒漠半荒漠气候区，夏季温暖干燥，最热月平均气温为16.7 ℃，极端高温可达33.1 ℃，年均温为4.0 ℃；日照丰富，年日照时长为3 127.9 h，年蒸发量2 102.1 mm；无霜期约为84～99 d[16]。水资源极度缺乏，年平均降雨量182.3 mm。流域地势北高南低，地区降雨差异性较大，北部高山区的降雨200 mm以上，而南部平原区降雨量只有50～150 mm。巴音河是流域最大的内陆河，是该区域居民生活生产以及生态用水的主要来源，径流对该地区的影响尤为重要。随着全球气候变暖以及流域内人类活动的影响，巴音河流域干旱问题日益突显，湖泊及湿地面积降低，地下水位上升等一系列问题相继诱发[17]。

图1 巴音河流域水系图Fig.1 Water system of the Bayin River basin

2 研究方法与数据

2.1 研究方法

2.1.1SPI与SRI

SPI是Mckee等[18]在1993年提出的，SPI计算简单，且具有多种时间尺度，是干旱研究中广泛采用的指标。SPI反映降雨量出现的机会率，当SPI 为正值时表示降雨量偏多，而当SPI 出现负值时表示降雨量偏少。可以通过SPI负值的大小来确定干旱的严重程度，SPI 的值越小代表干旱严重程度越高。SPI 的计算公式可参考文献[19]。

SRI在2008年由Shukla等[20]提出，该指数参照标准化降水指数的概念，可以表示流域径流量出现的机会率，当出现正值时说明径流量偏多，当出现负值时说明该时段径流量偏少。该指数不仅计算简单，还可以进行不同时间尺度分析，并在地势复杂、水文资料缺乏地区具有适用性。SRI 的具体计算方法与SPI类似[21]，SPI与SRI等级划分见表1[22]。

表1 干旱指数等级划分Tab.1 Classification of drought indices

2.1.2Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法[23]可以识别一组数据的变化趋势及其突变情况。Mann-Kendall检验法的优势在于不受时间序列中异常值的干扰，序列不必具有相同的概率分布，只需满足水文数据偏态，在水资源领域应用广泛[24]。Mann-Kendall趋势检验法的计算过程已有学者[25]进行过详细的阐述。Z满足标准正态分布:若Z>0，则定义序列为上升趋势;若Z<0 时，序列则为下降趋势。对于给定的显著性水平α，若、|Z|≥Z1-α/2，则说明序列上升或下降趋势显著。

2.2 研究数据

巴音河流域气象水文站点匮乏，且流域地势北高南低，流域各支流自北向南沿途交汇，最终在南部海拔较低的德令哈地区汇合后流出研究区，作为流域出口的德令哈站点汇集了流域内众多支流，其径流量由流域内所有支流的径流构成。因此，在气象水文站点缺乏的巴音河流域，德令哈站可以较好地代表整个流域的水文状况。降水数据选用德令哈气象站1961—2019年逐月降水数据,径流数据选用德令哈水文站逐月径流数据，覆盖了1961年至2019共59年的数据，时间周期较长，可以表示巴音河流域较长一段时期干旱的变化趋势，反映的干旱状态比较稳定性，计算的数据在代表整个流域时合理性较强。

3 结果分析

3.1 气象干旱特征

3.1.1气象干旱的时间变化特征

基于流域 1961—2019 年逐月降水量进行气象干旱分析，不同时间尺度的标准化降水指数表征意义有差别:1个月尺度的SPI值受到每月降水变化影响，可以较好地反映气象干湿变化情况；3个月尺度的SPI值会受季节性降水变化影响；6个月和9个月的SPI值可以反应中期及中长期降水变化下的气象干旱状况；12个月的SPI值则表示长期的气象干旱情况，受到年平均降水的影响。研究采用 1、3、6、9、12个月共5种时间尺度计算SPI，可以很好地代表短期、中期及长期降水对气象干旱的影响(“SPI1”表示 1 月尺度 SPI，以此类推)。巴音河流域气象干旱指标变化过程见图2。

图2 巴音河流域气象干旱指标变化过程Fig.2 The change process of meteorological drought index in the Bayin River basin

结果显示，流域不同时间尺度下的SPI值都有明显差异，但干旱趋势大致相同。月尺度(SPI1)的波动最强，随着时间尺度的增大，波动起伏减缓。其中：巴音河流域SPI在20世纪60年代普遍在-1至-2之间，呈中度到重度干旱状态，巴音河流域水资源在这一时期处于缺乏状态，旱情较为严重；20世纪70年代SPI 值除1977年干旱指数为正值外，其余大部分年份都为负值，处于干旱频发生状态；在20世纪80年代和90年代，干旱与湿润交替出现，干旱指数SPI值显示这段时间发生的大部分干旱程度较轻，仅在1995年发生了较为严重的干旱。 对于整个巴音河流域，2002年以后SPI干旱指数大于 0 的年份明显增多，这说明进入21 世纪巴音河流域降水呈增多趋势，处于较为湿润的状态。巴音河流域湿润化的趋势与全球变暖引起的气温升高及蒸散发加剧关系密切，水循环速度加快使降水量也呈上升趋势[26]。此外，还有一些研究表明大气环流是西北地区干湿变化的重要原因：Peng等[27]认为亚洲副热带西风急流的南向位移引起西北地区上空正涡度平流发生异常，造成气旋上升运动，使区域降水增多；Li等[28]则认为北美副热带高压以及西伯利亚高压是引起西北地区降水量增多的主要因素。

3.1.2气象干旱趋势特征

巴音河流域气象干旱变化趋势采用Mann-Kendall 检验法分析。依据德令哈气象站1961—2019 年的月降水数据来计算SPI，进而计算检验统计量Z并进行趋势分析。若：判定趋势在90%的显著性水平上显著则需所得结果的绝对值大于1.64；所得结果的绝对值大于 1.96，则定义为在 95%的显著性水平上的趋势为显著。计算为负值说明为变干趋势，正值则代表变湿趋势。

巴音河流域SPI1的检验统计量Z=5.211 4，在α=0.05 的显著性水平下，|Z|>Z1-α/2=1.64。结果见图3，其中：标准化降水指数SPI1的检验统计量Z值为正值，整体呈现变湿趋势，并且标准化降水指数SPI1的检验统计量Z值超过了1.64，表明变湿趋势明显；进一步对巴音河流域SPI序列进行Mann-Kendall突变检测，在1961—2019年间，大多数年份的SPI1序列的UF值大于0，UF曲线整体呈波动上升趋势，UF、UB曲线于1985年相交，发生显著突变，干旱指数为正值的年份明显增多。

图3 巴音河流域SPI序列 Mann-Kendall 突变检测Fig.3 SPI sequence Mann-Kendall mutation detection in the Bayin River basin

3.2 水文干旱特征

3.2.1水文干旱的时间变化特征

基于 1961—2019 年逐月径流量进行水文干旱分析，同样使用1、3、6、9、12个月共5种时间尺度计算SRI。巴音河流域水文干旱指标变化过程见图4。

图4 巴音河流域水文干旱指标变化过程Fig.4 The change process of hydrologicall drought index in the Bayin River basin

所得结果具有与气象干旱相似的特征，不同时间尺度下的SRI值波动幅度明显不同，但干旱趋势大致相同。SRI1的波动最强，表现出时间尺度越小，SRI对水文干旱的反应越强烈。分析SRI可得:巴音河流域在20世纪60年代至20世纪80年代呈现旱涝交替现象，但干旱年份居多；20世纪90年代区域总体表现为干旱频发；20世纪90年代到21世纪初期SRI值普遍在-1～-2，呈中度到重度干旱状态。这时间段内，巴音河流域干旱持续时间长，旱情较为严重。整个巴音河流域在进入21 世纪后干旱指数SRI大多数年份为正值，表示这段时期巴音河流域水资源较为丰富，处于湿润状态，干旱呈减弱态势。

3.2.2水文干旱趋势特征

对巴音河流域SRI1进行Mann-Kendall趋势检验分析得到SPI1的检验统计量Z=1.359 5，在α=0.05的显著性水平下，|Z|>Z1-α/2=1.64,结果见图5。标准化径流指数SRI1的检验统计量Z值为正值，整体呈现变湿趋势，然而标准化径流指数SRI1的检验统计量Z值小于1.64，表明径流指数虽然有变湿的趋势，但这种趋势并不明显。对1961—2019年间的水文干旱指数SRI1做突变检验，由图5可知UF、UB曲线波动幅度较大，没有明显的上升趋势，进一步使用 Pettitt 突变点检验，结果显示序列的突变年份为2002年，表示从2002年开始序列值显著上升，变湿趋势加剧。21世纪后流域径流量增多，水文干旱减缓：一方面，流域水循环加快，降水增多使得径流量也有一定程度的增多；另一方面，全球变暖造成冰川消融，雪线升高，高山冰雪融水对径流量的增加也有一定的贡献。

图5 巴音河流域SRI序列Mann-Kendall突变检测Fig.5 SRI sequence Mann-Kendall mutation detection in the Bayin River basin

3.3 水文干旱对气象干旱的响应

3.3.1水文与气象干旱时滞互相关分析

对不同时间尺度巴音河流域的 SPI 和SRI做相关性分析，计算结果见表2。不同时间尺度的相关系数分别为0.22、0.30、0.47 和 0.66，气象干旱指数和水文干旱指数随着时间尺度的增大其相关性逐渐增强,12 个月尺度的相关性最强。

表2 巴音河流域不同时间尺度的SPI与SRI的相关性Tab.2 The correlation between SPI and SRI on different time scales in the Bayin River basin

对1961—2019年SPI12与SRI12序列取同期、滞后 1 个月、滞后 2 个月……11 个月的时间梯度，计算相关系数并进行相关性分析，取最大相关系数所对应的时间梯度作为SPI与SRI的滞后时间。研究表明，同期至滞后 11 个月的序列相关系数分别是 0.659、0.682、0.682、0.672、0.656、0.639、0.621、0.600、0.577、0.552、0.523和0.480，最大相关系数出现在滞后1～2个月，表明巴音河流域水文干旱对气象干旱的响应在滞后1～2 个月的时候最为敏感。

3.3.2水文干旱与气象干旱对比分析

将SPI12与SRI12进行对比分析，1961—2019年发生水文干旱时长191个月，发生气象干旱时长231个月，表明发生水文干旱的可能性与气象干旱相比较小，若气象干旱严重程度较低，水文干旱可能不会发生，且水文干旱相对于气象干旱具有延迟特征。

由图6可以看出，1961—1975年期间气象干旱的发生频率以及发生的严重程度均大于水文干旱，气象干旱多为中旱到重旱，水文干旱多为轻旱。其中：1966、1972年气象干旱曾达到特旱程度，而水文干旱最大程度为中旱等级；1975—2002年气象干旱和水文干旱的严重等级均有所降低，且这段时期水文干旱的发生频率及严重程度都要大于气象干旱，水文干旱持续时间较长；2002—2019年这段时间气象干旱和水文干旱很少发生，湿润程度显著增加，仅在2006和2014年发生中度气象干旱，在2015年发生轻度水文干旱。

图6 巴音河流域12个月尺度SPI与SRI序列的比较Fig.6 Comparison of 12-month scale SPI and SRI sequence in Bayin River basin

3.3.3水文干旱对气象干旱的季节性响应

结合巴音河流域季节特征与SPIn和SRI1之间的相关性对干旱传播的季节性进行分析。根据图7反映的结果：春季(3—5月)SRI与SPI5相关性最强(r=0.24)，春季气温回升，冰雪消融，增加的地表水下渗形成土壤水、潜流和地下水，加之春季植物生长，用水需求上升，使产生径流的水量减少，水文干旱的响应时间为5个月；夏季(6—8月)SRI与SPI6相关性显著(r=0.72)，夏季高温炎热，蒸散发加剧，植被蒸腾作用增强了水量消耗，夏季农业生产的用水量大，加之径流的变化主要依赖于降水，气象干旱更加容易引起水文干旱的发生，这与相关性热图反映的夏季6个月的传播时间也有一致性；秋季(9—11月)SRI与SPI9相关性显著(r=0.64)，秋季温度开始降低，流域的蒸散发量也减少，随着浅层土壤中储存的水分逐渐被耗尽，导致流域水文干旱对气象干旱的响应延迟；冬季(12月—2月)SRI与SPI8相关性较强(r=0.33)，冬季由于积雪的产生，冬季的蒸发量最小，降水对径流的影响减弱，使气象干旱向水文干旱的传播时间相对较长。

图7 巴音河流域不同时间尺度SPI与SRI1序列的相关性Fig.7 Correlation between SPI and SRI1 sequence in different time scales in Bayin River basin

综上， SPIn与SRI1在雨季的相关性强度明显高于旱季。巴音河流域降水集中于雨季，对河流流量的补充具有重要影响；而在旱季，随着气温的降低，蒸散发也随之减弱，使得水循环过程放缓，干旱传播的时间延长。表3中SPIn和SRI1的最大相关系数反映的气象干旱向水文干旱的传播时长与流域的季节特性具有一致性，水文干旱对气象干旱的响应在春季和夏季短于在秋季和冬季的响应时间。

表3 巴音河流域不同季节气象干旱向水文干旱的传播时间Tab.3 The spread time of meteorological drought to hydrological drought in different seasons in the Bayin River basin

4 讨论与结论

在指标的选取上，SPI被普遍应用于干旱分析中，具有较强的可靠性。此外，SPI与其他干旱指数相比计算虽简单，但却在干旱预警和干旱灾害控制方面具有很好的效果[29]。SRI是一种标准化的指数，区域偏差被最小化，可以表征流域的水文特征，并且可以计算不同时间尺度的水文干旱状况，能够反映由于季节变化而引起的干旱滞后问题[22]。已有研究[30]表明德令哈地区的气候表现出暖湿化趋势，这与本研究的结论具有一致性，气温升高引起高山冰雪融化，使巴音河流域的径流量呈现上升趋势。西北地区的黑河[31]、疏勒河[32]等流域上游的径流量从20世纪50年代起均呈增加趋势，巴音河流域的径流量也具有相似的变化趋势，径流量的增多可能与西北地区在近些年的暖湿化趋势相关[33]。文广超等[34]研究了巴音河流域气候变化和人类活动对上游径流量的影响，通过累积量斜率变化率方法，在不考虑其他因素影响时降水量对年径流量增加的贡献率达到 83.06% ，而人类活动对年径流量增加的贡献率占16.94% ，表明人类活动对巴音河上游年径流变化的影响相对较小。

研究采用SPI和SRI对巴音河流域1961—2019年气象干旱和水文干旱的演变特征及其趋势进行分析，并对水文干旱对气象干旱的响应进行探析得到：流域20世纪60年代的气象干旱形势最为严峻，总体表现出中度-重度干旱；1985年气象干旱发生突变，之后流域湿润年份明显增多，流域水文干旱在20世纪90年代较为严重，呈现出中度-重度干旱状态；21世纪以来流域极少发生水文干旱。Mann-Kendall趋势检验结果显示流域水文干旱的突变点为2002年，从2002年开始呈现水文湿润状态的年份增多。巴音河流域水文干旱与气象干旱在12个月尺度上相关性最强，对12个月尺度的气象干旱指数与水文干旱指数进行时滞互相关分析，得到水文干旱滞后于气象干旱1～2个月；水文干旱对气象干旱的季节性响应表现出雨季的相关性强度高于旱季，水文干旱在春季对气象干旱的响应最为迅速，水文干旱对气象干旱的响应在春夏季快于秋冬季。

考虑到气温的持续上升，未来蒸散发等必将成为不可忽略的部分，而SPI、SRI并未将这些考虑进去。另外，随着水利工程的逐步完善与运行，未来人类活动的影响也将加剧对流域水循环的影响。因此，从生态和社会经济角度选择综合干旱指数进行多因子综合分析，对日益复杂的水文过程进行合理模拟，以提供更完善的干旱风险评价，将成为流域水文研究的重要方向之一。