氣象干旱向水文干旱傳遞過程中干旱等級變化的定量評估

氣象干旱向水文干旱傳遞過程中干旱等級變化的定量評估

世界干旱災害頻發(fā)，對人類社會產生了嚴重影響，并呈現(xiàn)發(fā)展趨勢。干旱是源于長期降水不足引起的缺水現(xiàn)象，一般可劃分為氣象干旱、水文干旱、農業(yè)干旱和社會經(jīng)濟干旱本文以中國南方濕潤區(qū)東江流域為例，基于不同干旱等級發(fā)生概率，構造干旱等級變化評估的概率矩陣，通過引入變化率乘子和變化程度乘子，評估不同干旱等級變化情況和干旱特征總體變化情況，以期為流域抗旱減災過程中的干旱變化評估提供一種綜合定量方法。1研究方法和數(shù)據(jù)1.1蒸散發(fā)對氣象干旱的影響標準化降水蒸散指數(shù)(StandardizedPrecipitation-EvapotranspirationIndex,SPEI)是氣象干旱評估常用指標，可反映降水因子及氣溫因子所體現(xiàn)的潛在蒸散發(fā)對氣象干旱的綜合影響目前在SPEI計算過程中，通常采用Log-logistic概率分布函數(shù)擬合降水與蒸散的差值系列，其中潛在蒸散量采用Thornthwaite法計算(1)式中：在SSI的計算過程中，則常采用Γ分布擬合徑流量序列(2)式中：當?shù)玫浇邓颗c潛在蒸散量的差值系列的概率分布函數(shù)后，對累積概率進行標準化轉換(3)式中：基于干旱指數(shù)大小，干旱程度一般分為5個等級，即無旱、輕旱、中旱、重旱和極旱。為了量化干旱等級變化，可用量綱一數(shù)值1～5分別表示5個等級的干旱程度1.2干旱等級變化的概率矩陣與乘子法氣象干旱向水文干旱傳遞過程中，由于受到下墊面影響，降水與徑流的時空分布特征并不一致，體現(xiàn)在SPEI與SSI上存在差異，并最終反映在干旱等級上的變化。基于河川徑流過程的水文干旱等級，由于人類活動特別是水庫調節(jié)作用，改變了天然徑流的時空分布，SSI也會發(fā)生變化，并最終反映在水文干旱等級的變化。變化特征的定量分析中，常采用變化率或變化系數(shù)來反映系列的變化情況。但是對于分等級事件來說，多個等級之間的相互變化，使得等級變化特征描述較為復雜。應用實踐中，不僅關注等級事件系列的整體變化特征，也需要了解每一個等級的變化特征。為此，引入概率矩陣，以反映等級之間變化的發(fā)生概率。通過構造等級變化的概率矩陣，再引入反映不同變化特征的乘子，借助于矩陣運算來統(tǒng)一處理和量化等級的各種變化特征。已知等級變化前、后的干旱等級系列分別為式中：(5)式中：(6)實際上，概率矩陣令(式中：對于對于對于數(shù)值1和0分別表示等級上升或下降是否發(fā)生的判別，如對于中旱(等級為3)來說，其上升率、下降率和變化率的乘子，分別為[00011]對于所有等級變化的總體特征，有(11)式中：=此外，干旱等級變化會存在跨等級的躍遷現(xiàn)象，如無旱上升中旱，或者重旱下降為輕旱。因此，為了呈現(xiàn)等級的躍遷變化，可對等級差賦予不同權重，并定量評估等級變化的程度。令(式中：對于對于對于=如對于中旱(等級為3),其上升系數(shù)、下降系數(shù)和變化系數(shù)的乘子分別為[00012]對于所有等級變化的總體特征，有(17)式中：=上升系數(shù)1.3水文干旱指數(shù)變化東江流域位于珠江流域東部，控制站博羅水文站以上的集水面積為25325km本文收集了東江流域1956年4月—2019年3月共63a(水文年)的降水、氣溫和徑流觀測資料，以及流域三大水庫建成運行后逐月入庫和出庫徑流，并基于流域用水資料分析了耗水量。多站點降水和氣溫數(shù)據(jù)采用泰森多邊形法，獲得流域面降水系列和氣溫系列。基于博羅站徑流實測數(shù)據(jù)，并還原三大水庫徑流調節(jié)量(入庫與出庫徑流之差)和流域社會經(jīng)濟用水產生的耗水量，得到流域天然徑流系列。只還原社會經(jīng)濟用水的耗水量，則認為是流域水庫影響下的徑流系列。東江流域降水系列和氣溫系列如圖2(a)所示，天然徑流序列、水庫影響下的徑流序列如圖2(b)所示。需要特別說明的是，在計算基于水庫影響下的水文干旱指數(shù)時，其徑流系列的累積概率計算采用與天然徑流系列相同的概率分布模型和參數(shù)。兩者之間的干旱等級變化，更直觀地反映了水庫徑流調節(jié)作用對水文干旱的影響。另外，為了討論不同時間尺度下干旱變化特征，選取了月、季、年3個尺度，分別評估1—12月、春、夏、秋、冬和全年(水文年)的干旱等級變化。其中，考慮到東江流域水情特點2結果與討論2.1水文干旱發(fā)生情況東江流域月、季和年尺度的氣象干旱指數(shù)(SPEI)、基于天然徑流的水文干旱指數(shù)(SSI)和水庫徑流調節(jié)作用下的水文干旱指數(shù)(SSI′)如圖3所示，各尺度干旱等級發(fā)生概率如表2所示，各月、季的發(fā)生概率如圖4所示。月尺度氣象干旱發(fā)生了247個月，概率為0.327。其中，輕旱、中旱、重旱和極旱的概率分別為0.181、0.092、0.049和0.005。9—12月的氣象干旱較為突出，發(fā)生的比例分別為46.0%、79.4%、61.9%和44.4%?；谔烊粡搅鞯乃母珊蛋l(fā)生了301個月，概率為0.398,其中，輕旱、中旱和重旱的概率分別為0.232、0.157和0.009,無極旱發(fā)生。水文干旱較為突出的時間是從11月份開始，持續(xù)到次年3月份，11—3月的水文干旱發(fā)生比例分別達到了81.0%、85.7%、88.9%、82.5%和63.5%。水庫徑流調節(jié)作用下的水文干旱發(fā)生了168個月，概率為0.222。其中，輕旱、中旱和重旱的概率分別為0.187、0.034和0.001,無極旱發(fā)生。11—3月的水文干旱發(fā)生比例，分別下降到41.3%、38.1%、47.6%、54.0%和41.3%。季尺度氣象干旱發(fā)生了87季，概率為0.345。其中輕旱、中旱和重旱的概率，分別為0.158、0.151和0.036,無極旱發(fā)生。冬季氣象干旱較為突出，干旱發(fā)生比例達到了82.5%,其中輕旱、中旱和重旱分別為31.7%、41.3%和9.5%?；谔烊粡搅鞯乃母珊蛋l(fā)生了110季，概率為0.437。其中輕旱、中旱和重旱的概率，分別為0.226、0.198和0.012,無極旱發(fā)生。其中，水文干旱較為突出的是冬季和春季，干旱發(fā)生比例分別達到了77.8%和87.3%。水庫徑流調節(jié)作用下的水文干旱發(fā)生了71季，概率為0.282。其中，輕旱、中旱和重旱的概率分別為0.238、0.040和0.004,無極旱發(fā)生。冬季和春季水文干旱各自發(fā)生比例，分別下降到42.9%和61.9%。年尺度氣象干旱發(fā)生了22a,概率為0.349。其中輕旱、中旱和重旱的概率，分別為0.206、0.127和0.016,沒有極旱發(fā)生，重旱發(fā)生在1963年?；谔烊粡搅鞯乃母珊蛋l(fā)生了17a,概率為0.270。其中輕旱、中旱、重旱和極旱的概率，分別為0.095、0.127、0.032和0.016,2004年和2009年由中旱上升為重旱，1963年由重旱上升為極旱。水庫徑流調節(jié)作用下的水文干旱發(fā)生了17a,概率為0.270。其中輕旱、中旱、重旱和極旱的概率，分別為0.127、0.095、0.016、0.032,2009年和1963年分別維持重旱和極旱，2004年由重旱上升至極旱?？傮w而言，氣象干旱在10月前后較為突出，這與東江流域降水年內分布規(guī)律較為符合。其中10月的氣象干旱最為嚴重，這是由于降水偏少的同時，氣溫也相對較高，潛在蒸散發(fā)量大，氣溫與潛在蒸散發(fā)量的差值最小。水文干旱在非汛期(冬季和春季)較為突出，這與東江流域徑流年內分配規(guī)律較為一致。干旱較為突出的年份為1963年、2004年與2009年，這與文獻記載2.2對干旱從流暢性和水文干旱地區(qū)轉移的干旱程度的變化2.2.1干旱等級上升氣象干旱向水文干旱傳遞過程中干旱總體變化率見表3,各干旱等級上升率及下降率如圖5。月尺度干旱等級上升率為28.0%,下降率為19.7%,總體變化率為47.7%。4—6月的干旱等級變化不明顯；7—10月的干旱等級變化以下降為主，下降率分別為39.7%、34.9%、42.9%和74.6%;11—3月的等級變化以上升為主，上升率分別為31.8%、66.7%、90.0%、77.8%和61.9%。干旱等級上升主要表現(xiàn)在無旱和輕旱的變化，如11—3月，無旱上升率為24%、43%、62%、67%和57%;12—2月，輕旱上升率分別為24%、19%和10%。干旱等級下降主要表現(xiàn)在輕旱和中旱的變化，如7—10月，輕旱下降率分別為14%、19%、17%和13%;7—11月，中旱下降率為13%、10%、17%、25%和16%;另外，10月份重旱和極旱的下降率也分別達到了35%和2%。季尺度干旱等級上升率為26.2%,下降率為20.6%,總體變化率為46.8%。夏季干旱等級變化甚小，秋季和冬季干旱等級變化以下降為主，春季干旱以上升為主。其中，夏季輕旱、中旱和重旱的下降率分別為14%、16%和5%,冬季輕旱、中旱和重旱的下降率分別為13%、24%和10%,春季無旱和輕旱的上升率分別為71%和16%。年尺度干旱等級上升率為19.0%,下降率為15.9%,總體變化率為34.9%。其中，無旱、輕旱、中旱和重旱的上升率分別為6%、8%、3%和2%,輕旱和中旱的下降率分別為9%和6%?？傮w而言，氣象干旱等級在秋季及10月主要表現(xiàn)為下降至較低的水文干旱等級，在12月及春季則相反。換言之，氣象干旱通常早于水文干旱發(fā)生，這與降雨徑流過程有關，其中需要經(jīng)過坡面匯流、河網(wǎng)匯流等環(huán)節(jié)，導致水文干旱通常滯后于氣象干旱2.2.2干旱等級變化程度氣象干旱向水文干旱傳遞過程中干旱總體變化系數(shù)見表3,各等級上升系數(shù)和下降系數(shù)如圖6。月尺度干旱等級上升系數(shù)和下降系數(shù)分別為0.374和-0.332,總體變化系數(shù)為0.042,表明干旱等級總體略有上升。7—10月干旱等級下降系數(shù)相對較大，分別達到了-0.810、-0.540、-0.730和-1.429。其中10月份干旱等級下降程度最大，主要表現(xiàn)為中旱和重旱的變化，下降系數(shù)分別為-0.40和-0.87。12—3月干旱等級上升系數(shù)相對較大，分別達到了0.825、1.063、1.190、0.841,變化程度均接近1個等級，主要表現(xiàn)為輕旱的變化，上升系數(shù)分別為0.59、0.86、1.06和0.78。季尺度干旱等級上升系數(shù)為0.369,下降系數(shù)為-0.278,總體變化系數(shù)為0.091,表明總體干旱程度略有上升，但變化程度甚小。秋季和冬季干旱程度下降較為明顯，變化程度分別為-0.556和-0.349。春季干旱程度顯著上升，變化程度為1.286,超過了1個等級。年尺度干旱等級上升系數(shù)為0.206,下降系數(shù)為-0.206,總體變化系數(shù)為0,表明總體干旱程度不變。其中，無旱、輕旱、中旱和重旱的上升系數(shù)分別為0.08、0.08、0.03和0.02,輕旱和中旱的下降系數(shù)分別為-0.10和-0.11。2.3影響水庫流量調節(jié)的水文干旱度變化的評價2.3.1干旱等級變化情況水庫影響下水文干旱總體變化率見表3,各等級上升率和下降率如圖7。月尺度水文干旱等級上升率較小，為1.9%;主要以下降為主，下降率為30.7%;總體變化率為32.6%。11—3月干旱等級變化率較大，分別為58.6%、72.4%、70.7%、72.4%和55.2%,其中下降率分別為56.9%、72.4%、69.0%、69.0%和48.3%。干旱等級下降主要表現(xiàn)在輕旱和中旱的變化，11—3月的輕旱下降率分別為41%、36%、31%、19%和24%,中旱下降率分別為16%、36%、36%、48%和21%。季尺度干旱等級變化基本為下降，下降率為32.8%,總體變化率為33.2%。冬季和春季的干旱等級變化率分別為56.9%和70.7%,均是下降變化。干旱等級下降主要表現(xiàn)為輕旱和中旱的變化，其中冬季分別為34%和21%、春季分別為17%和52%。年尺度干旱等級上升率為5.2%,下降率為6.9%,總體變化率為12.1%。其中，無旱和重旱的上升率分別為3%和2%,輕旱和中旱的下降率均為3%?？傮w而言，月尺度和季節(jié)尺度干旱的下降率均超過30%,干旱等級下降明顯，尤其表現(xiàn)為枯水期(秋季、冬季)的等級下降顯著。而年尺度干旱等級下降率僅為6.9%,干旱等級下降不明顯。東江流域三大水庫主要改變了流域徑流年內變化2.3.2干旱等級變化水庫影響下水文干旱總體變化系數(shù)見表3,各等級上升系數(shù)和下降系數(shù)如圖8。月尺度干旱等級上升系數(shù)較小，為0.019;主要以下降為主，下降系數(shù)-0.361;總體變化系數(shù)為-0.342,表明水庫影響下的月尺度水文干旱有所緩解。11—3月干旱等級下降明顯，變化系數(shù)分別為-0.586、-0.879、-0.828、-0.828和-0.483,其中12—2月干旱等級下降程度接近1個等級，分別為-0.879、-0.845和-0.862。干旱等級下降主要表現(xiàn)在輕旱和中旱的變化，11—3月的輕旱下降系數(shù)分別為-0.41、-0.36、-0.31、-0.19和-0.24,中旱下降系數(shù)分別為-0.19、-0.52、-0.52、-0.64和-0.24。季尺度干旱等級變化基本為下降，下降系數(shù)為-0.362,總體變化系數(shù)為-0.358,表明水庫影響下的季尺度水文干旱有所緩解。冬季和春季的干旱等級變化系數(shù)分別為-0.603和-0.810,均是下降變化；其中春季干旱等級下降程度接近1個等級。干旱等級下降主要表現(xiàn)為輕旱和中旱的變化，其中冬季分別為-0.34和-0.24、春季分別為-0.17和-0.62。年尺度干旱等級上升系數(shù)為0.052,下降率為-0.069,總體變化系數(shù)為-0.017,表明水庫對年尺度水文干旱影響不大。其中，無旱和重旱的上升系數(shù)