趙 英，陳 華，楊 家 偉，許 崇 育，陳 杰

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430072)

中國自古以來就是一個干旱、洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國家，災(zāi)害響范圍廣泛，對我國的經(jīng)濟(jì)和人民生命、財產(chǎn)安全帶來了不可估量的損失[1-2]。在我國平均2～3 a就會遭遇一次嚴(yán)重的干旱災(zāi)害[3]。漢江流域作為長江中游最大的支流[4]，流域面積約為15.9萬km2，是湖北省重要的經(jīng)濟(jì)帶之一，漢江中下游的漢江平原是我國主要的商品糧生產(chǎn)基地之一。漢江流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候變化頻繁，“旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)”事件經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展。在短期時間里同時遭遇干旱、洪澇事件，會使區(qū)域受到的損失及影響呈倍數(shù)增加[5]。

旱澇異常研究一直是短期氣候預(yù)測的重要內(nèi)容，同時是國內(nèi)外大氣科學(xué)研究熱點(diǎn)問題[6-7]。以往的研究主要針對夏季降水的異常，對旱澇的季節(jié)內(nèi)變化研究較少[8-10]。從20世紀(jì)90年代以來越來越多的學(xué)者開始對旱澇異常現(xiàn)象展開研究，王勝、孫鵬、張雪花等[11-13]分別在淮河流域、長江中下游地區(qū)和海河流域進(jìn)行旱澇急轉(zhuǎn)事件的時空變化趨勢及特征研究。Wu等[14]從一個較長的時間尺度(季時間尺度)分析了長江中下游流域旱澇共存在夏季平均降水正常年份前提下的發(fā)生變化規(guī)律，研究指出即便在平均降水正常的年份，旱澇共存事件也可能發(fā)生。

作為量化旱澇事件的工具，氣象旱澇指數(shù)的研究起步較早，至今已有眾多監(jiān)測氣象旱澇的指數(shù)。PDSI作為一個多因素的綜合干早指數(shù)，對干旱事件的監(jiān)測效果并不理想；SPI使用降水量作為單一因素，雖然簡單明了，但不能滿足任意時間尺度的應(yīng)用。為了更全面的衡量旱澇情況，Lu于2009年提出的加權(quán)平均降水量WAP(Weighted Average Precipitation)適用于逐日、逐月等不同時間尺度[15]。之后Lu還使用了標(biāo)準(zhǔn)化的WAP(即Standard Weighted Average Precipitation，SWAP)對干旱情況進(jìn)行逐日監(jiān)測，該指數(shù)能識別出干旱開始、持續(xù)、結(jié)束時間以及強(qiáng)度等詳細(xì)信息，較好地分析干旱情況[16]。水文旱澇通常反映區(qū)域水資源的豐虧情況，但相關(guān)的水文旱澇指數(shù)研究較少[17-18]。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)SRI(Standard Runoff Index)計算方法簡單，適用于多時間尺度分析(1,3,6,12個月等)，以及資料缺乏、地形復(fù)雜的區(qū)域，目前在水文旱澇識別研究中應(yīng)用較多。Telesca等[19]運(yùn)用SRI分析了西班牙地區(qū)的水文干旱特征；Shukla[20]采用SPI和SRI分析了美國融雪區(qū)的旱澇情況；孫鵬等[21]在SPI和SRI二維變量干旱狀態(tài)的研究基礎(chǔ)上，研究了氣象干旱和水文干旱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

本文選取兩種應(yīng)用良好的旱澇監(jiān)測指數(shù)：氣象旱澇指數(shù)SWAP和水文旱澇指數(shù)SRI，采用游程理論[22]定量篩選漢江流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件，比較分析漢江流域氣象旱澇和水文旱澇規(guī)律的聯(lián)系與差異，以便為漢江流域旱澇災(zāi)害及防洪抗旱提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江發(fā)源于秦嶺南麓，有北、中、南3個源頭，位于東經(jīng)106°15′～114°20′、北緯30°10′～34°20′，流域全長1 577 km，流域面積約15.9萬km2。漢江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤，年平均氣溫15℃～17℃，年降水量873 mm，水量較豐沛。

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究資料采用漢江流域15個氣象站點(diǎn)1961～2017 年逐日降雨資料，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)；徑流數(shù)據(jù)采用丹江口水庫逐日徑流數(shù)據(jù)(1968～2010年)、漢江中下游皇莊逐日徑流數(shù)據(jù)(1974～2013年)，如圖1所示。

圖1 漢江流域數(shù)據(jù)站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)平均降雨指數(shù)SWAP

為了展現(xiàn)當(dāng)日旱澇情況在歷史同一日的強(qiáng)弱程度，Lu[15]于2009年提出了基于累計降雨的氣象旱澇指標(biāo)SWAP。該指標(biāo)是基于加權(quán)平均降雨WAP通過Gamma函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化而得來[16]。WAP指數(shù)計算公式如下：

(1)

式中，Pn表示前n天當(dāng)天的降水；wn表示Pn的權(quán)重wn=(1-a)an；a為權(quán)重隨時間衰減參數(shù)；N為前期影響天數(shù)。通常經(jīng)驗定義a=0.9；N=44。

最后將得到的WAP值按對應(yīng)日序數(shù)逐年排列，根據(jù)多年同一日WAP值構(gòu)建Gamma分布擬合，將其正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，從而得到對應(yīng)的SWAP值。

1.3.2標(biāo)準(zhǔn)徑流指數(shù)SRI

Shukla[20]采用類似標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index, SPI)的計算方法，提出水文旱澇指數(shù)——標(biāo)準(zhǔn)徑流指數(shù)SRI，基于實(shí)測徑流值推算水文旱澇程度。該指標(biāo)的計算采用長時間序列資料，針對每年的同一時段流量集合作為研究序列，假定其服從皮爾遜三型(Pearson III，P-III)分布來擬合徑流序列，采用極大似然法估計分布參數(shù)。流量集的分布函數(shù)如下。

(2)

將累計頻率標(biāo)準(zhǔn)化即可得到對應(yīng)的SRI值。

當(dāng)0

(3)

(4)

當(dāng)0.5 < F(x)≤ 1 時:

(5)

(6)

表 1根據(jù)SWAP與SRI值對應(yīng)的非超越概率，進(jìn)行旱澇強(qiáng)度分類等級劃分[22]。

表1 基于SRI與SWAP指數(shù)旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3基于游程理論的事件識別

游程理論是一種分析時間序列的方法，Endt[23]最早運(yùn)用游程理論識別和描述干旱事件；綜合干旱指數(shù)(CI)[24]也采用游程理論來判別干旱事件。游程理論在旱澇診斷方面得到了廣泛應(yīng)用。

旱澇事件識別過程如下。

(1)干旱事件起始與結(jié)束。取干旱事件的截取水平R0為-1(輕旱)，0(正常)。當(dāng)旱澇指數(shù)SWAP(或SRI)在某月開始小于-1，定義為一次干旱事件發(fā)生；到SWAP(或SRI)值大于0，定義為這次干旱事件結(jié)束。

(2)干旱持續(xù)時間。從干旱起始到結(jié)束的這段時間間隔定義為干旱事件的持續(xù)時間。

(3)干旱強(qiáng)度。干旱持續(xù)時間內(nèi)超過輕旱等級的SWAP(或SRI)絕對值之和的均值。

類似地，洪澇事件的截取水平R0為1(輕澇)、0(正常)。洪澇過程與干旱過程類似，不再贅述。

旱澇急轉(zhuǎn)事件識別過程如下。

(1)氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件。先后存在一個干旱事件和一個洪澇事件，且干旱結(jié)束與洪澇開始時間間隔小于5 d，定義為一次氣象旱轉(zhuǎn)澇事件。

(2)水文旱澇急轉(zhuǎn)事件。先后存在一個干旱事件和一個洪澇事件，且兩者的時間間隔小于等于1月，定義為一次水文旱轉(zhuǎn)澇事件。其中，旱澇急轉(zhuǎn)事件的起始時間是這次干旱事件的發(fā)生時間，結(jié)束時間是這次洪澇事件的結(jié)束時間。

統(tǒng)計指標(biāo)如下。

(1)事件次數(shù)N。時段T內(nèi)發(fā)生旱澇事件或旱澇急轉(zhuǎn)事件的總次數(shù)。

(2)旱澇急轉(zhuǎn)事件強(qiáng)度K。時段T內(nèi)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件指標(biāo)累計值與時段T的比值。表 2給出了旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度劃分等級。

表2 旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇事件時空分析

將漢江流域分為上游、中下游區(qū)域，漢江上游為丹江口水庫以上，漢江中下游為丹江口水庫以下至皇莊區(qū)域?，F(xiàn)對丹江口水庫及皇莊分區(qū)的旱澇事件時空演變特征進(jìn)行分析。

通過與歷史記載相結(jié)合,挑選出不同歷史時期典型旱澇年進(jìn)行分析。圖 2～3給出了丹江口水庫、皇莊分區(qū)典型旱澇年SWAP值及SRI值年內(nèi)變化情況。丹江口水庫典型旱、澇年為1992年和1983年；皇莊區(qū)域典型旱、澇年為1999年和1983年。就干旱事件而言，兩個旱澇指數(shù)均顯示1992年從1月下旬開始出現(xiàn)旱情，到2月旱情最嚴(yán)重，到6月底旱情消失，干旱持續(xù)時間為五個半月左右。根據(jù)歷史記載1992年出現(xiàn)嚴(yán)重的春夏季干旱，與兩個指標(biāo)描述的事件一致。皇莊區(qū)域1983年從5月底出現(xiàn)旱情，到9月份旱情達(dá)到極點(diǎn)，到10月旱情消失，干旱持續(xù)時間為6個月左右。對于洪澇事件，丹江口水庫、皇莊分區(qū)事件演變情況大致相同，從4月底開始出現(xiàn)輕微洪澇，隨著時間推移，洪澇情況逐漸加重，每年的6～9月出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇情況，從10月份以后洪澇逐漸消失。

圖2 丹江口水庫典型旱澇年SWAP及SRI指標(biāo)年內(nèi)變化

圖3 皇莊典型旱澇年SWAP及SRI指標(biāo)年內(nèi)變化

總體而言，干旱事件在任意時間段都有可能發(fā)生，洪澇事件主要集中在每年的6～9月。從SWAP和SRI值的年內(nèi)變化情況看，兩個指數(shù)的月尺度變化趨勢大致相同，且兩個指數(shù)均能診斷出旱澇事件，可以分析出旱澇事件的開始、持續(xù)和結(jié)束時間，體現(xiàn)出事件發(fā)生的嚴(yán)重程度等信息。

從圖 4可見，漢江流域1961～2017年近57 a間所有站點(diǎn)均發(fā)生過不同程度的旱澇事件，干旱事件次數(shù)在17～23次之間；洪澇事件次數(shù)在15～23次之間。旱澇事件頻次的空間分布不均勻，干旱事件的頻次大致呈現(xiàn)從漢江上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)先逐漸減少后增加的趨勢;洪澇事件頻次大致呈現(xiàn)從北到南逐漸增加的趨勢。

圖4 漢江流域1961～2017年氣象干旱、洪澇事件頻次空間分布

2.2 旱澇急轉(zhuǎn)事件分析

2.2.1旱澇急轉(zhuǎn)事件時空分析

表 3～6篩選出了丹江口水庫、皇莊分區(qū)的氣象及水文旱澇急轉(zhuǎn)事件統(tǒng)計特征。從表中可以看出，丹江口水庫、皇莊分區(qū)氣象旱澇急轉(zhuǎn)次數(shù)均為10次；水文旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生次數(shù)分別為7,6次。對于兩個分區(qū),氣象旱轉(zhuǎn)澇事件的急轉(zhuǎn)點(diǎn)均集中在6～10月，對應(yīng)事件的強(qiáng)度也相對較高，兩分區(qū)呈現(xiàn)出較為相似的演變特征。水文旱澇急轉(zhuǎn)事件主要集中在夏季，事件的急轉(zhuǎn)點(diǎn)主要集中在6,7月，且事件的平均強(qiáng)度較高，為中等強(qiáng)度。

綜上，漢江流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件主要發(fā)生在夏季，即在6～10月份旱澇急轉(zhuǎn)事件較為頻發(fā)，且事件發(fā)生的強(qiáng)度較高，相比于其他時段更具威脅性，應(yīng)予以足夠重視。

表3 丹江口水庫氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件

表4 皇莊氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件

表5 丹江口水庫水文旱澇急轉(zhuǎn)事件

表6 皇莊水文旱澇急轉(zhuǎn)事件

圖5中給出了丹江口水庫、皇莊分區(qū)不同年代氣象、水文旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化情況。從圖5可以看出兩個分區(qū)不同年代旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化有所不同。丹江口水庫水文旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化波動不大；氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化差異較大，最高的發(fā)生在1980s，頻率最低的在2010s?；是f的氣象、水文旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化差異較大，頻率最高的均發(fā)生在1970s；頻率最低的均發(fā)生在2010s。從事件的整體變化趨勢看，對于SWAP指數(shù)，丹江口水庫旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率呈緩慢下降趨勢；對于SRI指數(shù)，旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率呈緩慢上升趨勢。而皇莊分區(qū)2個指標(biāo)反映出來的旱澇急轉(zhuǎn)事頻率均呈顯著下降趨勢。

圖5 丹江口水庫、皇莊不同年代旱澇急轉(zhuǎn)事件頻率變化

圖6展示了漢江流域1961～2017年氣象旱澇急轉(zhuǎn)統(tǒng)計特征的空間分布。就事件發(fā)生次數(shù)而言，漢江流域近57 a氣象旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生次數(shù)大多在5～11次，頻率在0.1～0.3，中游地區(qū)旱轉(zhuǎn)澇頻率略高，在0.2～0.3；旱轉(zhuǎn)澇次數(shù)呈現(xiàn)從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)先減小到后增大的趨勢。從事件平均強(qiáng)度看，漢江流域近57 a氣象旱轉(zhuǎn)澇強(qiáng)度略高，大部分區(qū)域處于中等強(qiáng)度水平以上，僅漢江西北部部分區(qū)域略低于中等強(qiáng)度水平，平均強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)逐漸增大的趨勢。

2.2.2典型旱澇急轉(zhuǎn)事件分析

前面章節(jié)探討了氣象旱澇SWAP指數(shù)、水文旱澇SRI指數(shù)的適用性，分析了氣象、水文旱澇事件及旱澇急轉(zhuǎn)事件的時空特征變化，現(xiàn)對流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件具體過程進(jìn)行分析。

圖7給出了丹江口水庫、皇莊區(qū)域典型氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件過程。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，SWAP指標(biāo)的變化情況與降雨聯(lián)系密切。旱澇急轉(zhuǎn)持續(xù)時間為2至3個月左右，由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)楹闈车臅r間主要集中在夏季的7月初。圖中SWAP的變化過程反映了干旱歷時，干旱強(qiáng)度，洪澇歷時、洪澇強(qiáng)度以及由干旱急轉(zhuǎn)為洪澇的時間節(jié)點(diǎn)等信息，說明SWAP指標(biāo)能對旱澇急轉(zhuǎn)事件作出合理診斷。

圖6 漢江流域1961～2017年氣象旱澇急轉(zhuǎn)事件頻次及平均強(qiáng)度空間分布

圖7 丹江口水庫、皇莊典型氣象旱澇急轉(zhuǎn)過程

對于典型水文旱澇急轉(zhuǎn)事件，從圖8可以看出干旱事件的累計過程，澇期洪峰流量的到達(dá)時間，SRI指數(shù)的最大值與徑流最大值時間上具有一致性，說明SRI指數(shù)能夠?qū)搅鬟^程的洪峰流量出現(xiàn)時間及大小做出診斷。在旱澇過程中，前期的干旱持續(xù)時間長，為5～6個月左右，且干旱程度嚴(yán)重；由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)楹闈车臅r間短且急，澇期的月平均流量為旱期的5～10倍左右。由此旱澇急轉(zhuǎn)事件一旦發(fā)生，相關(guān)部分需要在極短時間內(nèi)從抗旱轉(zhuǎn)變?yōu)榉姥?，其工作難度加大，事件造成的損失必然比單一干旱、洪澇損失要大，對社會發(fā)展造成的威脅重大，需要引起足夠的重視。

圖8 丹江口水庫、皇莊典型水文旱澇急轉(zhuǎn)過程

3 結(jié) 論

本文以漢江流域為研究對象，采用氣象旱澇指數(shù)SWAP及水文旱澇指數(shù)SRI進(jìn)行了適用性分析，重點(diǎn)分析了漢江流域旱澇急轉(zhuǎn)事件時空演變特征，得出以下結(jié)論。

(1)SWAP和SRI指數(shù)均能反映事件的干旱歷時，干旱強(qiáng)度，洪澇歷時、洪澇強(qiáng)度以及由干旱急轉(zhuǎn)為洪澇的時間節(jié)點(diǎn)等信息，說明可應(yīng)用兩指數(shù)對漢江流域旱澇急轉(zhuǎn)事件演變特征進(jìn)行合理診斷，具有良好的適用性。

(2)分析漢江流域歷史上發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件特征，發(fā)現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)事件次數(shù)呈現(xiàn)從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)先減小后增大的趨勢；平均強(qiáng)度呈現(xiàn)從上游的西北地區(qū)到下游的東南地區(qū)逐漸增大的趨勢。

(3)干旱事件在任意時間段都有可能發(fā)生，洪澇事件主要集中在每年的6～10月；但旱澇急轉(zhuǎn)事件主要集中發(fā)生在夏季，且事件發(fā)生的時間短且急，強(qiáng)度較高，因此，相比于其他時段更具威脅性，在實(shí)際防汛抗旱工作中應(yīng)予以足夠重視。