基于SPI SPEI指数的汉江流域 1961~2014年干旱变化特征分析

进入21世纪以来，在全球气候变暖背景下，我国干旱时间的发生频率有明显的上升[1]。

气候变暖加剧了极端天气概率[2]。

极端气象问题引发的气象灾害引起全社会的广泛关注[3]。

干旱是我国最常见、对农业生产影响最大的气候灾害，危害性超过了其他的自然灾害[4]。

气象干旱是农业干旱与社会经济干旱的基础，是指区域内持续的降水异常偏少、土壤水分严重亏缺的气候现象。

气象干旱对农业生产和粮食安全的影响日益加重[5]。

新疆属典型的大陆性干旱半干旱气候区，气象干旱的影响范围大且持续时间长。

关于新疆气象干旱的分布特征及其成因研究显示，1964—2012年石河子垦区呈暖湿趋势[6]；天山地区气候总体呈暖湿化趋势[7]。

阿勒泰地区作物生育期气候总体日趋暖湿化[8]。

这些研究结果丰富了北疆气候干湿变化认知。

昌吉地区是新疆粮食和种子主产区，2021年统计数据显示，昌吉地区农作物面积为46.37万hm 2，其中粮食作物21.72万hm 2，制种作物5.5万hm 2。

另外，节水灌溉区占农作物总种植面积的90%，山旱地占10%。

随着气候变暖，昌吉地区春、夏季干旱事件频发，2020、2022年春、夏季，2015、2021、2023年夏季均发生不同程度的区域性气象干旱，对农业生产造成了不利影响。

因此，迫切需要探究昌吉地区近60年作物生长季干旱变化特征及演变，为农业安全生产提供科学依据。

本研究将基于昌吉地区1961—2020年气象资料，以标准化降水指数（SPI-7）作为干旱指标，分析作物生长季（4—10月）干旱时空变化特征，运用趋势分析法、M-K 突变检验法和小波分析法探究作物生长季干旱的年际和年代际变化特征，并基于干旱站次比和干旱强度分析作物生长季干旱的年际变化，以期为干旱监测预警和农业持续发展提供依据。

1研究区概况及数据来源1.1研究区概况基于SPI 的1961—2020年昌吉地区作物生长季气象干旱时空特征研究阿帕尔·肉孜1，阿吉古丽·沙依提2，叶尔克江·霍依哈孜1*，黄秋霞1（1.昌吉州气象局，新疆昌吉831100；2.新疆气象学会，新疆乌鲁木齐830002）摘要：基于昌吉地区1961—2020年的气象资料分析作物生长季标准化降水指数（SPI -7）的年际和年代际变化特征，揭示作物生长季干旱发生频率和强度。

基于SPEI干旱指数的西北地区干旱时空分布滕怀颐1冯克鹏1>2>3（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750001；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏银川750021）摘要：基于中国西北地区145个国家基本气象站1960—2017年逐月降水量数据和逐月平均气温数据，通过计算不同时间尺度下的逐月标准化降水蒸散发指数（SPEI），分析了不同时间尺度下的西北地区的不同季节、年际以及年代际下的干旱时空分布，并采用Mann-Kendall检验、小波分析以及样条函数空间插值等方法对西北地区57a的干旱时空变化特点进行了探讨。

结果发现，从年际变化来看，西北地区整体SPEI呈下降趋势，表明该地区干旱情况逐渐加重。

从季节变化来看，西北地区四季极度干旱和重度干旱频率均随时间尺度的增加而有所增加，但随着时间尺度的增加，中度干旱频率除秋季干旱频率一直增加外，春、夏、冬3季干旱频率均呈现先下降后增加的趋势。

由小波分析可知，西北地区在年际上存在着3~8a的周期的小尺度信号，在年代际上存在着12~ 15a和28~30a的大尺度信号，而7a和14a这2个周期在西北地区过去57a的干旱变化中起了主要作用。

由Mann -Kendall检验法可知，西北地区SPEI值在1995年发生突然减小的变异点，说明西北地区在1995年后由湿润转变为干旱，西北地区SPEI值下降趋势在2000年附近达到0.05显著水平，表明西北地区在2000年后干旱化加重趋势明显。

与历史资料对比发现SPEI干旱指数在表征西北地区干旱状况有较好的适用性。

关键词：SPEI干旱指数；西北地区；干旱变化趋势；多时间尺度；小波分析；Mann-Kendall检验中图分类号：S161文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20210430024干旱是普遍发生在全世界的一种气象灾害，是指由于水分收支或供求关系不平衡，从而形成的水分短缺现象［1］。

2018年9月灌溉排水学报第37卷第9期Sep.2018Journal of Irrigation and Drainage No.9V ol.37文章编号：1672-3317（2018）09-0108-08基于SPEI的1960—2015年江汉平原旱涝规律分析及预测郭树龙，温季*，姜新（中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002）摘要：【目的】明确湖北省江汉平原的旱涝演变规律。

【方法】基于5个气象站1960—2015年实测资料，利用标准化降水蒸散指数（SPEI），统计分析了其旱涝变化情况，并采用Mann-Kendall突变检验分析其变化趋势，同时采用马尔柯夫链预测模型预测了2016—2020年旱涝情况。

【结果】Mann-Kendall趋势分析平均气温以0.238℃/10a上升，降水量以0.368mm/10a增加，参考作物腾发量(ET0)以0.028mm/10a增加，降水的增幅比ET0增幅大。

SPEI-1以0.013/10a增加，SPEI-3以0.018/10a增加，SPEI-12以0.038/10a增加，随着时间尺度的增加，SPEI增加趋势变大。

春秋二季向干旱化发展，夏冬二季向洪涝化发展。

2016—2020年该地区发生了持续时间最长的一次干旱过程为4个月，最干旱年份为1966年，最干旱月份为1963年1月；历时最长的一次洪涝过程为9个月，最涝年份为1983年，最涝月份为1983年10月。

基于马尔柯夫链预测模型，2016年发生干旱的概率为45%，而发生洪涝的概率为35%，2017年发生干旱的概率为30.61%，而发生洪涝的概率为29.71%，2018—2020年干旱发生的概率为35%左右，洪涝发生的概率为30%左右。

【结论】该地区向着湿润化发展，但是2016—2020年发生干旱的概率大于发生洪涝的概率。

关键词：旱涝；江汉平原地区；SPEI中图分类号：S162.1文献标志码：A doi:10.13522/ki.ggps.2017.0514郭树龙，温季，姜新.基于SPEI的1960—2015年江汉平原旱涝规律分析及预测[J].灌溉排水学报，2018,37（9）：108-115.0引言干旱和洪涝灾害是世界上普遍发生的气象灾害。

中国农业气象（Chinese Journal of Agrometeorology）2014年doi：10．3969/j．issn．1000－6362．2014．06．008高蓓，姜彤，苏布达，等．基于SPEI的1961－2012年东北地区干旱演变特征分析［J］．中国农业气象，2014，35（6）：656－662基于SPEI的1961－2012年东北地区干旱演变特征分析*高蓓1，2，姜彤1，2＊＊，苏布达1，2，朱娴韵1，2，王艳君1（1.南京信息工程大学地理与遥感学院/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044；2.中国气象局国家气候中心，北京100081）摘要：基于1961－2012年东北地区65个气象站逐日降水、气温、相对湿度、实际水汽压、风速和日照时数资料，计算标准化降水蒸散指数（SPEI），并对SPEI指数评价实际干旱的能力进行验证，采用M－K趋势检验和正交经验分解函数等统计方法，分析近52a东北地区年、季尺度的干旱演变特征。

结果表明：SPEI指数可以表征东北地区的干旱特征；1961－2012年，全区年SPEI指数呈现明显的阶段性特征，20世纪60年代后半段、70年代后半段和90年代后半段－21世纪初的3个时段发生了连续干旱，中西部地区是干湿变化异常敏感的地区。

东北地区春季干湿状况变化趋势不明显，但在2003年以后出现变湿态势，夏、秋季有不显著的干旱化态势，20世纪90年代中期以后秋季干旱化态势明显增强，黑龙江省西南部和吉林省西部地区秋旱加强态势较其它地区明显；冬季21世纪全区趋于变湿，变湿态势较明显的地区位于吉林省中西部和辽宁省北部。

关键词：标准化降水蒸散指数（SPEI）；年际变化；季节变化；干旱Evolution Analysis on Droughts in Northeast China During1961－2012Based on SPEI GAO Bei1，2，JIANG Tong1，2，SU Bu-da1，2，ZHU Xian-yun1，2，WANG Yan-jun1（1.School ofＲemote Sensing/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science＆Technology，Nanjing210044，China；2.The National Climate Centre，China Meteorological Administration，Beijing100081）Abstract：Based on the daily precipitation，temperature，relative humidity，actual vapor pressure，wind speed and sunshine duration record from65meteorological stations in1961－2012，the standardized precipitation evapotranspiration indices（SPEI）were calculated and verified for assessing the droughts in Northeast China．M-K method and Empirical Orthogonal Function（EOF）were also used to analyze drought characteristic in different time scale over Northeast China as well．The results showed that the SPEI could capture the evolution of droughts over the Northeast region．Annual SPEI showed an obvious fluctuation during1961－2012，the lasting droughts in Northeast China occurred in the late1960s，and variability of droughts was most severe in the middle-west part in late1970s and from ending of1990s to early21st century．Seasonal SPEI showed different characteristics，with no obvious trend in spring before21st century，but wetting tendency was found after2003．Occurrence of droughts in summer and autumn tended to increase，and more sever since mid-1990s in autumn in the southwest Heilongjiang province and the western Jilin province．While an obvious wetting tendency have been detected for winter season since early21st century in the middle-west Jilin province and the north Liaoning province．Key words：Standardized precipitation evapotranspiration index（SPEI）；Annual variation for SPEI；Seasonal variation for SPEI；Droughts干旱是影响农业生产、经济发展最严重的自然灾害之一［1］。

第34卷第3期2023年5月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.3May 2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.03.0031966 2015年长江流域水文干旱时空演变归因杨肖丽1,2,崔周宇1,2,任立良1,2,吴㊀凡1,2,袁山水1,3,江善虎1,2,刘㊀懿1,2(1.河海大学水灾害防御全国重点实验室,江苏南京㊀210098;2.河海大学水文水资源学院,江苏南京㊀210098;3.长江保护与绿色发展研究院,江苏南京㊀210098)摘要:气候变化和人类活动叠加影响下长江流域干旱情势日益严重且复杂多变,严重威胁着流域经济社会可持续发展,亟需探究自然变率和人类活动对长江流域水文干旱时空演变的作用机制,量化人类活动对水文干旱事件发生频次㊁破坏深度以及恢复速度的影响㊂本研究运用可细化人类活动影响的PCR-GLOBWB 2.0模型,耦合标准化径流指数(I SR )和可靠性-回弹性-脆弱性(RRV)框架,构建长江流域水文干旱状态的时空演变特征评估指标(I SRI-RRV ),揭示长江流域1966 2015年水文干旱状态的时空变化规律,定量评估水库调度和人类取用水等人类活动对长江流域极端水文干旱事件发生频率㊁持续时间和破坏深度的影响程度㊂结果表明:PCR-GLOBWB 2.0模型和I SRI-RRV 可准确表征长江流域水文干旱情势,量化人类活动对长江流域水文干旱状态时空演变特征的影响;19662015年长江流域水文干旱状态整体呈现恶化的趋势,但人类活动减少了1992年以来长江流域水文干旱面积占比;2006 2015年人类活动情景下长江流域的I SRI-RRV 明显高于自然情景,以水库调节为主的人类活动对长江流域整体I SRI-RRV 的提高贡献率较大㊂关键词:水文干旱;可靠性-回弹性-脆弱性框架;PCR-GLOBWB 2.0模型;人类活动;长江流域中图分类号:P339㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)03-0349-11收稿日期:2022-11-28;网络出版日期:2023-05-23网络出版地址:https :ʊ /kcms2/detail /32.1309.P.20230523.0848.002.html基金项目:国家自然科学基金资助项目(U2243203;52079036)作者简介:杨肖丽(1976 ),女,河北邯郸人,教授,博士,主要从事水文水资源研究㊂E-mail:yangxl@ 通信作者:任立良,RLL@ 干旱作为最复杂和频繁发生的自然灾害之一,对人类的生存环境造成了严重的影响,据统计全球不同地区每年因干旱造成的经济损失高达60亿~80亿美元[1]㊂长江流域作为中国最大的流域,受气候变化和人类活动干扰,径流量呈现出显著的下降趋势,发生干旱的频率㊁范围和强度均呈增加的趋势,造成了巨大的社会和经济损失,对流域水资源㊁粮食和生态安全带来了极大风险[2-3]㊂如2022年长江流域遭遇1961年有完整记录以来最严重的干旱,耕地受旱面积达4.42万km 2,约500万人用水困难[4]㊂随着城镇化㊁工业化的发展,流域取用水量的增加,水文干旱过程受人类活动的影响逐渐加大[2-3,5-9]㊂因此,厘清气候变化和人类活动影响下长江流域水文干旱的时空演变特征,定量评估人类活动对长江流域水文干旱时空演变状态的影响,对于制定缓解极端干旱的措施及管理计划,实现长江大保护战略具有重要的科学意义㊂表征干旱事件特征常用的干旱事件发生频次㊁历时和强度,无法反映干旱事件从发生到结束期间流域健康状态的变化,因此,无法确定干旱事件对流域的持续影响和干旱应对能力㊂Hashimoto 等[10]开发的可靠性-回弹性-脆弱性(Reliability-Resilience-Vulnerability,RRV)框架可以表征系统发生故障的频率(可靠性,Rel)㊁系统发生故障后恢复到令人满意状态的速度(回弹性,Res)和 不满意状态 对系统造成破坏的严重程度(脆弱性,Vul)[11],对量化风险指标具有明显的优势,为干旱事件影响的流域干旱状态评估提供了工具[12]㊂近年来,Zeng 等[11]㊁Hazbavi 等[13]将RRV 框架与标准化降水指数(SPI)㊁标准化蒸散发指数(SPEI)相结合,定量评估了不同地区的流域气象干旱的状态㊂RRV 框架通过流域应对干旱的可靠性,经历干旱事件后的恢复能力以及应对干旱的脆弱性[14],定量评估流域干旱状态的时空演变特征和流域或区域对干旱的350㊀水科学进展第34卷㊀响应,弥补了传统干旱指数的不足㊂但相关研究主要针对降水短缺的气象干旱[11,13,15]或以土壤水短缺表征的农业干旱[16],对以径流短缺为表现形式的水文干旱缺乏关注㊂能充分考虑人类用水与其他水文变量之间相互作用的PCR-GLOBWB(PCRaster Global Water Balance)2.0模型,通过水库调节㊁灌溉和用水模块模拟人类活动对产汇流的影响,可以量化人类活动对流域极端水文事件的影响[17-19]㊂鉴于此,本研究耦合PCR-GLOBWB2.0模型㊁标准化径流指数和可靠性-回弹性-脆弱性框架,构建长江流域水文干旱评估指标,综合考量水文干旱的频率㊁严重性和历时,定量分析人类活动对长江流域水文干旱状态的时空特征变化及影响机制,探究长江流域水文干旱状态的时空特征及归因,以期为长江流域极端干旱事件的应对和水资源规划配置提供科学参考㊂1㊀研究区与研究方法1.1㊀研究区概况长江流域位于24ʎ30ᶄN 30ʎ45ᶄN㊁90ʎ33ᶄE 122ʎ25ᶄE,总面积约180万km2,横跨中国西部㊁中部和东部三大经济区,流经19个省㊁自治区㊁直辖市,国内生产总值超过全国的40%㊂该流域处于亚洲季风气候区,水资源量较为丰富,多年平均径流量约9900亿m3,多年平均年降水量约1100mm㊂降水量时空分布不均衡,60%集中在夏季,从西部的约500mm到东部约2500mm㊂截至2020年,流域内有大㊁中型水库1700多座,其中2003年建成的三峡水库累计拦洪总量超过1800亿m3,补水总量为2894亿m3㊂基于长江流域1ʒ25万二级子流域分级数据集(http:ʊ),本研究将长江流域细分为长江干流流域㊁金沙江流域㊁岷江流域㊁乌江流域㊁嘉陵江流域㊁洞庭湖流域㊁汉江流域和鄱阳湖流域等8个子流域(图1)㊂图1㊀长江流域气象站㊁水文站和二级子流域分布Fig.1Map of meteorologic stations,hydrologic stations and sub-basins in the Yangtze River basin1.2㊀数据与方法1.2.1㊀数据本研究所用到的数据包括1966 2015年日降水和气温数据(https:ʊ/),长江流域9个水文站2006 2015年逐日径流量数据,长江流域2006 2015年年用水量(居民生活用水㊁工业用水㊁牲畜用水和灌溉用水)和年末水库蓄水量统计数据(2006 2015年长江流域及西南诸河水资源公报)㊂PCR-GLOB-WB2.0模型的参数主要包括气象驱动参数㊁土地覆盖参数㊁土壤参数㊁每层土壤的根系分数㊁地形参数㊁Arno方案(土壤水容量分布)指数㊁物候相关的参数㊁栅格土壤最大(最小)蓄水量㊁地下水参数和人类水管理参数[20](如非灌溉用水需求,自然水体和非自然水体)㊂㊀第3期杨肖丽,等:1966 2015年长江流域水文干旱时空演变归因351㊀1.2.2㊀PCR-GLOBWB 2.0模型模型的空间分辨率为10km ˑ10km,能充分考虑人类用水与其他水文变量之间的相互作用,通过水库调节㊁灌溉和用水模块模拟人类活动对产汇流过程的影响[20-21],极大地提高了季节性㊁极端性和正常状态下的流量特性的捕捉能力,且能够再现大多数河流总蓄水量的时空演变趋势和季节性特征㊂1.2.3㊀标准化径流指数采用标准化径流指数(I SR ),假设一定时间内径流量符合某一概率分布,通过对径流进行正态标准化[22],评估流域水文干旱[23]㊂基于I SR 的水文干旱[24]可以分为轻旱(-0.5~>-1)㊁中旱(-1~>-1.5)㊁重旱(-1.5~>-2)和特旱(ɤ-2)等5个级别㊂本研究主要分析研究区干旱程度达到中旱及以上(I SR ɤ-1)的水文干旱事件㊂1.2.4㊀I SRI-RRV 评估指标基于模型模拟的I SR 和能够衡量流域系统性能的可靠性(I Rel )㊁弹性(I Res )和脆弱性(I Vul )的RRV 框架,本研究构建了长江流域的水文干旱评估指标,综合评价水文干旱事件发生频次㊁破坏深度以及恢复速度,定量描述流域一定时间段内水文干旱的状态[25]㊂其中,RRV 框架的计算过程如下[26]:I Rel=1N ðN t =1Z t (1)I Res =ðN t =1W t /ðN t =1Z t (2)I Vul=1N ðT t =1L obs (t )-L std L std (t )ˑH (L obs (t )-L std )[](3)式中:N 为分析的总时段数;t 为当前时段;Z t 为当前时段的状态,若当前时段处于满意状态,则Z t =1,否则Z t =0;W t 记录总时段内处于满意状态遭到破坏的次数,若Z t =1且Z t +1=0,代表1次连续破坏的开始,则W t =0,否则W t =1;L obs (t )为第t 个时段的I SR ,L std 为相应的I SR 阈值㊂H (x )为Heaviside 函数,x <0,H (x )=0;x ȡ0,H (x )=1,确保对脆弱性的计算仅限于不满意状态㊂几何平均数对个体变量的变化更敏感,可选择其计算I SRI-RRV 值[27]:I SRI-RRV =3I Rel ˑI Res ˑI Vul (4)式中:I SRI-RRV 为水文干旱评估指数,该指数越高,表明流域水文干旱状态的健康度越好,即满意度越高[28],I SRI-RRV =1则表明某个时段该地区水文干旱状态处于 好 的状态㊂2㊀结果与讨论2.1㊀模型精度评估本研究采用百分比偏差(B P )和均方根误差(E RMS )验证PCR-GLOBWB 2.0模型对人类取用水和水库蓄水量的模拟精度,采用纳什效率系数(E NS )和皮尔逊相关系数(R )验证人类活动情景下径流过程的模拟精度[29-30]㊂长江流域2006 2015年生活用水㊁工业用水㊁灌溉用水和水库蓄水量模拟值与长江水资源公报统计值对比结果表明,B P 均小于10%,工业用水模拟的E RMS 稍差㊂生活用水和灌溉用水的模拟精度最好,B P 分别为-0.71%和-0.42%,E RMS 分别为15.97亿m 3/a 和26.98亿m 3/a;工业用水的B P 为-9.58%,E RMS 为99.34亿m 3㊂2006 2015年年末水库蓄水量模拟值与统计值的B P 为6.9%,E RMS 为264.39亿m 3/a㊂9个水文站2006 2015年的观测值与人类活动情景下模型模拟值的E NS 和R (表1)表明,PCR-GLOBWB 2.0模型模拟的人类活动情景下的月径流的结果较好,E NS 均达到0.6以上,九江站㊁螺山站和大通站E NS 均大于0.8,R 均大于0.9,其结果可用于进一步分析长江流域水文干旱过程㊂352㊀水科学进展第34卷㊀表1㊀2006—2015年PCR-GLOBWB 2.0模型径流模拟精度Table 1Validation results of the PCR-GLOBWB 2.0model simulation for month discharge from 2006to 2015站点经度纬度E NS R 寸滩106.60ʎE 29.62ʎN 0.620.93万县108.42ʎE 30.75ʎN 0.720.91朱沱105.85ʎE 29.02ʎN 0.740.90宜昌111.28ʎE 30.70ʎN 0.660.85高场104.42ʎE 28.80ʎN 0.710.95九江116.05ʎE 29.73ʎN 0.820.95汉口114.28ʎE 30.58ʎN 0.790.94螺山113.37ʎE 29.67ʎN 0.850.94大通117.62ʎE 30.77ʎN 0.830.962.2㊀长江流域水文干旱的时空特征图2㊀长江流域及各二级子流域水文干旱面积占比Fig.2Proportion of hydrological drought areas in the Yangtze River basin 1966 2015年长江及各二级子流域自然情景和人类活动情景下每年干旱程度达到中旱及以上(I SR ɤ-1)水文干旱的面积在流域总面积中的占比对比图(图2)显示,长江流域历史时期极端干旱主要发生在1972年㊁1978年㊁1986年㊁2006年和2011年,这与‘中国气象灾害大典“和长江流域及西南诸河水资源㊀第3期杨肖丽,等:1966 2015年长江流域水文干旱时空演变归因353㊀公报记录的长江流域历史旱情记录较为一致(表2),表明本研究所构建的I SR能很好地识别长江流域的水文干旱㊂表2㊀长江流域历史大旱实际文字资料记录与I SR识别水文干旱对照Table2Comparison of hydrological droughts between historical records and I SR calculateddroughts in the Yangtze River basin资料记载来源资料记载干旱年份资料记载干旱本文识别干旱范围‘中国气象灾害大典“1972年全国特大旱灾汉江流域㊁嘉陵江流域㊁金沙江流域㊁岷江流域1978年全国特大旱灾及高温洞庭湖流域㊁长江干流流域㊁嘉陵江流域㊁金沙江流域㊁鄱阳湖流域1986年长江中游地区旱灾及高温㊁江南旱灾洞庭湖流域㊁嘉陵江流域㊁岷江流域㊁鄱阳湖流域㊁乌江流域长江流域及西南诸河水资源公报2006年长江流域特大旱灾长江干流流域㊁金沙江流域㊁岷江流域㊁乌江流域2011年长江中下游和西南五省严重旱灾洞庭湖流域㊁长江干流流域㊁嘉陵江流域㊁金沙江流域㊁鄱阳湖流域㊁乌江流域㊀㊀1992年前自然情景下长江流域中度以上干旱发生面积小于人类活动情景,而1992年后则高于人类活动情景(图2)㊂二级子流域都呈现类似的规律,但在突变时间上略有差异,鄱阳湖流域最早(1973年),金沙江流域最迟(2000年)㊂长江中下游地区的洞庭湖流域㊁长江干流流域和鄱阳湖流域,人类活动对流域受旱面积的影响明显高于其他二级子流域㊂这可能与各个子流域人类开发利用的开始时间和强度有关㊂长江流域年代际水文干旱事件发生的频率㊁平均历时和强度时空差异性显著(图3)㊂2种情景下整个流域的水文干旱频率较低,历时多小于6个月,且以轻中度干旱为主㊂高频率的水文干旱主要发生在2006 2015年长江干流流域的上游及乌江流域,平均历时大于2个月,且多为平均干旱强度大于1的特旱㊂2.3㊀长江流域干旱状态时空演变特征I SRI-RRV年代际变化特征的时空分布图(图4)表明,长江流域和二级子流域的干旱状态的时空差异性显著㊂2006 2015年自然情景和人类活动情景下长江流域的I SRI-RRV比1966 1975年分别提升了4.91%和6.54%,但同期自然情景下部分二级子流域的I SRI-RRV均值均呈下降趋势,如汉江流域下降了3.28%,嘉陵江流域下降了0.04%,乌江流域下降了11.98%㊂人类活动改善了长江流域的水文干旱状态,扭转了自然状态下长江流域干旱状态的恶化趋势㊂1966 1975年,长江流域人类活动情景下的I SRI-RRV均值较自然情景低0.73%,仅有洞庭湖流域和长江干流流域人类活动情景下的I SRI-RRV均值高于自然情景,但相差较小(0.33%和0.36%);2006 2015年,人类活动情景下的I SRI-RRV均值比自然情景高1.68%,8个二级子流域中,仅有嘉陵江流域的人类活动加深了水文干旱状态的恶化,但是相较于1966 1975年,I SRI-RRV均值的恶化幅度由2.11%缩小至0.05%㊂图5对比了8个子流域2种情景下I Rel㊁I Res和I Vul均值㊂人类活动和自然情景下(图5中分别用N㊁H表示)可靠性指标在1966 1975年约为0.85和0.86,至2006 2015年分别提升了3.43%和1.99%,人类活动提升了可靠性的改善趋势㊂自然情景下各子流域的可靠性㊁回弹性和脆弱性变化趋势差异显著,汉江流域可靠性和回弹性指标均值分别下降了3.01%和6.64%,乌江流域可靠性㊁回弹性和脆弱性指标的均值依次下降了7.83%㊁23.45%和1.92%,其余的子流域则普遍呈上升趋势㊂人类活动对水文干旱的回弹性影响最为显著,2006 2015年人类活动情景下的回弹性均值比1966 1975年提高了近15.86%,而自然情景仅提升了9.20%㊂2种情景下水文干旱的脆弱性指标变化最小,分别提升了0.75%和0.64%㊂354㊀水科学进展第34卷㊀图3㊀1966 2015年长江流域的8个二级子流域水文干旱历时㊁频率与烈度特征箱线图Fig.3Frequency,duration and intensity characteristics of hydrological drought in eight sub-basins of the Yangtze River basin from1966to20152.4㊀干旱状态与人类活动相关性评价人类活动主要通过水库调度和取用水等影响河道径流,进而影响水文干旱的状态㊂据长江水资源公报统计,2006 2015年期间,长江流域年均水资源总量为9425.3亿m3,总耗水量由820.2亿m3增长至848.5亿m3,水库蓄水量由923.8亿m3增至1988.7亿m3㊂因此,本研究采用2种情景下I SRI-RRV的差值及其与水库蓄水量的相关分析,来计算人类活动(水库调节和人类取用水)对长江流域I SRI-RRV即水文干旱状态的影响程度(图6)㊂㊀第3期杨肖丽,等:1966 2015年长江流域水文干旱时空演变归因355㊀图4㊀自然情景与人类活动情景下I SRI-RRV年代对比Fig.4Chronological comparison of I SRI-RRV under the natural and human scenarios㊀㊀2006 2015年长江流域整体的I SRI-RRV均值呈现波动上升的趋势,自然和人类活动情景下年尺度I SRI-RRV均值分别提升了27.15%和18.09%㊂流域年末水库蓄水量与2种情景I SRI-RRV均值差的相关系数R=-0.90,蓄水量与干旱状态呈显著的负相关㊂2种情景下I SRI-RRV均值差较大的年份的年末水库蓄水量也偏少,水文干旱也较为严重,表明长江流域的水文干旱状态受到水库调蓄的影响㊂三峡水库2003年6月开始蓄水,2006年10月蓄水156m,将1996 2015年三峡水库下游的宜昌站的径流过程划分时段Ⅰ(1996年1月至2003年6月)和时段Ⅱ(2006年11月至2015年12月)进行对比(图7)㊂时段Ⅰ人类活动对宜昌径流的影响较小,人类活动对月径流的改变率为-0.81%~1.37%;时段Ⅱ内人类活动削减洪峰和补充枯水期径流的能力提升显著,水库调节于4 7月削减径流,使得6月削减径流幅度最大,年均约2.31%,于10 2月补充径流,12月补充径流的幅度最大,年均约4.19%㊂Chai等[31]发现在三峡水库2003年建成后出现了 旱季流量偏大,汛期流量偏小 的现象,2011年三峡水库缓解水文干旱的能力明显高于2006年㊂据统计,2006年和2011年大旱中,三峡水库分别向下游补水约35.8亿m3和215亿m3,有效缓解了长江中下游发生的旱情[32],表明人类活动(尤其是水库调度)对水文干旱状态有着显著的影响㊂356㊀水科学进展第34卷㊀图5㊀自然情景和人类活动情景下长江流域I Rel㊁I Res和I Vul均值热点图Fig.5Heat map of average I Rel,I Res and I Vul in the Yangtze River basin under natural and human scenarios图6㊀长江流域2006 2015年大型水库蓄水量与平均I SRI-RRV指数变化Fig.6Changes of water storage and I SRI-RRV of large reservoirs in the Yangtze River basin from2006to2015㊀第3期杨肖丽,等:1966 2015年长江流域水文干旱时空演变归因357㊀图7㊀1996 2015年宜昌站自然情景与人类活动情景下月平均径流对比Fig.7Comparison of monthly discharge under two scenarios at Yichang station from1996to20153㊀结㊀㊀论本研究耦合考虑人类活动对水文过程影响的PCR-GLOBWB2.0模型和水文干旱评估指数,定量评估了长江流域水文干旱状态的时空变化特征,探究了水库调节和人类取用水等活动对长江流域水文干旱事件发生频次㊁破坏深度以及恢复速度的影响,主要结论如下:(1)人类活动影响了长江流域水文干旱的时空变化特征,1966 1985年人类活动情景下水文干旱事件的面积占比高于自然情景,1985 2015年人类活动减少了长江流域水文干旱的面积占比㊂(2)长江流域的水文干旱状态在自然情景下呈现恶化的趋势,人类活动小幅改善了干旱状态,大幅提升了从不满意状态恢复的速率(回弹性)和减缓处于满意状态概率(可靠性)的下降趋势㊂(3)2006 2015年,人类活动情景下长江流域的水文干旱状态明显高于自然情景,水库调度是长江流域水文干旱状态改善的重要原因之一㊂参考文献:[1]周帅,王义民,畅建霞,等.黄河流域干旱时空演变的空间格局研究[J].水利学报,2019,50(10):1231-1241. 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第41卷第2期水文灾ol.41No.2 2021年4月JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY Apr.,2021DOI:10.19797/ki.1000-0852.20200213基于SPEI指数的兰州干旱特征与气候指数的关系徐乔婷】，陈涟2,范月华1,唐文雯1,陆宝宏1(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；2.夏阳水务管理所，上海201799)摘要:基于1961-2012年逐日气象及同期4个气候因子资料系列，采用标准化降水蒸散发指数(SPEI)定量描述兰州地区干旱状况，利用M-K检验分析了该地干旱变化趋势，采用皮尔逊相关系数法以及交叉小波变换法研究了SPEI与北大西洋涛动(NAO)、北极振荡(A0)、太平洋十年涛动(PDO)以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)四个气候因子之间的关系。

研究结果表明：干旱指数SPEI在月、春、夏、秋及年尺度上均呈显著下降趋势、冬季增长趋势不显著，未来兰州春、夏和秋季缺水有加重趋势，冬季有变湿润倾向；SPEI与PDO、ENSO在秋季呈显著负相关；ENSO主要影响干旱短周期的年际变化；干旱与PDO 和AO呈滞后的负相关关系，两指数主要影响较长周期干旱的年际和年代际变化。

关键词：SPEI；气候指数；M-K趋势检验；交叉小波中图分类号:P429文献标识码:A1引言干旱指长期缺少有效降雨导致生活、生产及生态需水严重亏缺，影响范围广、持续时间长(近年来全球气候不断变暖，干旱发生频繁,研究干旱成因及其变化特征具有重要现实意义。

干旱指数作为量化干旱情况的有效工具［1］，学者们相继提出了帕默尔干旱指数(PDSI)［2］、标准化降水指数(SPI)［3］和标准化降水蒸散指数(SPEI)［4］等指标，其中SPEI综合考虑了降水和蒸散发的影响，具有多尺度特性。

在干旱成因方面,除了研究历史久远的局地陆气相互作用对干旱的影响，近期众多研究成果表明大尺度气候因子(北大西洋涛动、北极涛动、厄尔尼诺-南方涛动、海表温度等)对干旱的形成可能起着至关重要的作用。