基于SWAP和SRI的漢江流域旱澇急轉時空特征分析

趙 英，陳 華，楊 家 偉，許 崇 育，陳 杰

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

中國自古以來就是一個干旱、洪澇災害頻發的國家，災害響范圍廣泛，對我國的經濟和人民生命、財產安全帶來了不可估量的損失[1-2]。在我國平均2～3 a就會遭遇一次嚴重的干旱災害[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，是湖北省重要的經濟帶之一，漢江中下游的漢江平原是我國主要的商品糧生產基地之一。漢江流域地處亞熱帶季風區，氣候變化頻繁，“旱澇并存、旱澇急轉”事件經常發生，嚴重影響了當地的發展。在短期時間里同時遭遇干旱、洪澇事件，會使區域受到的損失及影響呈倍數增加[5]。

旱澇異常研究一直是短期氣候預測的重要內容，同時是國內外大氣科學研究熱點問題[6-7]。以往的研究主要針對夏季降水的異常，對旱澇的季節內變化研究較少[8-10]。從20世紀90年代以來越來越多的學者開始對旱澇異?，F象展開研究，王勝、孫鵬、張雪花等[11-13]分別在淮河流域、長江中下游地區和海河流域進行旱澇急轉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生變化規律，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生。

作為量化旱澇事件的工具，氣象旱澇指數的研究起步較早，至今已有眾多監測氣象旱澇的指數。PDSI作為一個多因素的綜合干早指數，對干旱事件的監測效果并不理想；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用。為了更全面的衡量旱澇情況，Lu于2009年提出的加權平均降水量WAP(Weighted Average Precipitation)適用于逐日、逐月等不同時間尺度[15]。之后Lu還使用了標準化的WAP(即Standard Weighted Average Precipitation，SWAP)對干旱情況進行逐日監測，該指數能識別出干旱開始、持續、結束時間以及強度等詳細信息，較好地分析干旱情況[16]。水文旱澇通常反映區域水資源的豐虧情況，但相關的水文旱澇指數研究較少[17-18]。標準化徑流指數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、地形復雜的區域，目前在水文旱澇識別研究中應用較多。Telesca等[19]運用SRI分析了西班牙地區的水文干旱特征；Shukla[20]采用SPI和SRI分析了美國融雪區的旱澇情況；孫鵬等[21]在SPI和SRI二維變量干旱狀態的研究基礎上，研究了氣象干旱和水文干旱之間的轉換關系。

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

1 數據與方法

1.1 研究區概況

漢江發源于秦嶺南麓，有北、中、南3個源頭，位于東經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。漢江流域屬于亞熱帶季風區，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 數據資料

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

圖1 漢江流域數據站點分布

1.3 研究方法

1.3.1標準化加權平均降雨指數SWAP

為了展現當日旱澇情況在歷史同一日的強弱程度，Lu[15]于2009年提出了基于累計降雨的氣象旱澇指標SWAP。該指標是基于加權平均降雨WAP通過Gamma函數標準化而得來[16]。WAP指數計算公式如下：

(1)

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

最后將得到的WAP值按對應日序數逐年排列，根據多年同一日WAP值構建Gamma分布擬合，將其正態標準化，從而得到對應的SWAP值。

1.3.2標準徑流指數SRI

Shukla[20]采用類似標準化降水指數(Standardized Precipitation Index, SPI)的計算方法，提出水文旱澇指數——標準徑流指數SRI，基于實測徑流值推算水文旱澇程度。該指標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。流量集的分布函數如下。

(2)

將累計頻率標準化即可得到對應的SRI值。

當0

(3)

(4)

當0.5 < F(x)≤ 1 時:

(5)

(6)

表 1根據SWAP與SRI值對應的非超越概率，進行旱澇強度分類等級劃分[22]。

表1 基于SRI與SWAP指數旱澇等級劃分標準

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]最早運用游程理論識別和描述干旱事件；綜合干旱指數(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用。

旱澇事件識別過程如下。

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

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

(3)干旱強度。干旱持續時間內超過輕旱等級的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。

旱澇急轉事件識別過程如下。

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

(2)水文旱澇急轉事件。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澇事件。其中，旱澇急轉事件的起始時間是這次干旱事件的發生時間，結束時間是這次洪澇事件的結束時間。

統計指標如下。

(1)事件次數N。時段T內發生旱澇事件或旱澇急轉事件的總次數。

(2)旱澇急轉事件強度K。時段T內發生旱澇急轉事件指標累計值與時段T的比值。表 2給出了旱澇急轉強度劃分等級。

表2 旱澇急轉強度等級劃分

2 結果與分析

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域?，F對丹江口水庫及皇莊分區的旱澇事件時空演變特征進行分析。

通過與歷史記載相結合,挑選出不同歷史時期典型旱澇年進行分析。圖 2～3給出了丹江口水庫、皇莊分區典型旱澇年SWAP值及SRI值年內變化情況。丹江口水庫典型旱、澇年為1992年和1983年；皇莊區域典型旱、澇年為1999年和1983年。就干旱事件而言，兩個旱澇指數均顯示1992年從1月下旬開始出現旱情，到2月旱情最嚴重，到6月底旱情消失，干旱持續時間為五個半月左右。根據歷史記載1992年出現嚴重的春夏季干旱，與兩個指標描述的事件一致?；是f區域1983年從5月底出現旱情，到9月份旱情達到極點，到10月旱情消失，干旱持續時間為6個月左右。對于洪澇事件，丹江口水庫、皇莊分區事件演變情況大致相同，從4月底開始出現輕微洪澇，隨著時間推移，洪澇情況逐漸加重，每年的6～9月出現嚴重洪澇情況，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指標年內變化

圖3 皇莊典型旱澇年SWAP及SRI指標年內變化

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

從圖 4可見，漢江流域1961～2017年近57 a間所有站點均發生過不同程度的旱澇事件，干旱事件次數在17～23次之間；洪澇事件次數在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從漢江上游的西北地區到下游的東南地區先逐漸減少后增加的趨勢;洪澇事件頻次大致呈現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 旱澇急轉事件分析

2.2.1旱澇急轉事件時空分析

表 3～6篩選出了丹江口水庫、皇莊分區的氣象及水文旱澇急轉事件統計特征。從表中可以看出，丹江口水庫、皇莊分區氣象旱澇急轉次數均為10次；水文旱澇急轉發生次數分別為7,6次。對于兩個分區,氣象旱轉澇事件的急轉點均集中在6～10月，對應事件的強度也相對較高，兩分區呈現出較為相似的演變特征。水文旱澇急轉事件主要集中在夏季，事件的急轉點主要集中在6,7月，且事件的平均強度較高，為中等強度。

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

表3 丹江口水庫氣象旱澇急轉事件

表4 皇莊氣象旱澇急轉事件

表5 丹江口水庫水文旱澇急轉事件

表6 皇莊水文旱澇急轉事件

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

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

2.2.2典型旱澇急轉事件分析

前面章節探討了氣象旱澇SWAP指數、水文旱澇SRI指數的適用性，分析了氣象、水文旱澇事件及旱澇急轉事件的時空特征變化，現對流域的旱澇急轉事件具體過程進行分析。

圖7給出了丹江口水庫、皇莊區域典型氣象旱澇急轉事件過程。從圖7中可以發現，SWAP指標的變化情況與降雨聯系密切。旱澇急轉持續時間為2至3個月左右，由干旱轉變為洪澇的時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，干旱強度，洪澇歷時、洪澇強度以及由干旱急轉為洪澇的時間節點等信息，說明SWAP指標能對旱澇急轉事件作出合理診斷。

圖6 漢江流域1961～2017年氣象旱澇急轉事件頻次及平均強度空間分布

圖7 丹江口水庫、皇莊典型氣象旱澇急轉過程

對于典型水文旱澇急轉事件，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時間，SRI指數的最大值與徑流最大值時間上具有一致性，說明SRI指數能夠對徑流過程的洪峰流量出現時間及大小做出診斷。在旱澇過程中，前期的干旱持續時間長，為5～6個月左右，且干旱程度嚴重；由干旱轉變為洪澇的時間短且急，澇期的月平均流量為旱期的5～10倍左右。由此旱澇急轉事件一旦發生，相關部分需要在極短時間內從抗旱轉變為防汛，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過程

3 結 論

本文以漢江流域為研究對象，采用氣象旱澇指數SWAP及水文旱澇指數SRI進行了適用性分析，重點分析了漢江流域旱澇急轉事件時空演變特征，得出以下結論。

(1)SWAP和SRI指數均能反映事件的干旱歷時，干旱強度，洪澇歷時、洪澇強度以及由干旱急轉為洪澇的時間節點等信息，說明可應用兩指數對漢江流域旱澇急轉事件演變特征進行合理診斷，具有良好的適用性。

(2)分析漢江流域歷史上發生旱澇急轉事件特征，發現旱澇急轉事件次數呈現從上游的西北地區到下游的東南地區先減小后增大的趨勢；平均強度呈現從上游的西北地區到下游的東南地區逐漸增大的趨勢。

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