張學(xué)君，呂 娟，屈艷萍，蘇志誠(chéng)，馬苗苗

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 防洪抗旱減災(zāi)研究所，北京市海淀區(qū)玉淵潭南路1號(hào) 100038；2.水利部 防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京市海淀區(qū)玉淵潭南路1號(hào) 100038)

瀾滄江—湄公河是東南亞地區(qū)最大的國(guó)際河流，自北向南依次流經(jīng)中國(guó)、緬甸、老撾、泰國(guó)、柬埔寨和越南等5個(gè)國(guó)家，中國(guó)境內(nèi)上游河段稱(chēng)為瀾滄江，出境后中下游河段稱(chēng)為湄公河。湄公河河道的流域面積63.06萬(wàn)km2，約占流域總面積的80%，多年徑流量在總流域的占比接近90%，是沿岸各國(guó)工農(nóng)業(yè)及生活用水、旅游、航運(yùn)及漁業(yè)的重要保障[1]。該流域?qū)儆诘湫偷臒釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，降雨時(shí)空分布極為不均，干旱、洪澇等極端水文災(zāi)害頻發(fā)。

不同于洪澇災(zāi)害，干旱具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、波及范圍廣、影響人口多等特點(diǎn)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)及生態(tài)系統(tǒng)具有重大、深遠(yuǎn)的影響[2-6]。根據(jù)湄公河委員會(huì)資料統(tǒng)計(jì)[7]，湄公河沿岸各國(guó)均是干旱災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域。例如，2004-2005年和2016年的干旱事件是近十幾年來(lái)較為嚴(yán)重的2次干旱。2004-2005年干旱波及越南三角洲、柬埔寨以及泰國(guó)的大部分省份，導(dǎo)致越南三角洲內(nèi)超過(guò)104000hm2水稻受損減產(chǎn)，總損失達(dá)到4200萬(wàn)美元，導(dǎo)致柬埔寨50萬(wàn)人面臨食物短缺。尤其在泰國(guó)，此次干旱使泰國(guó)全國(guó)約900萬(wàn)人生活受到影響，總損失達(dá)1.93億美元。2016年初，湄公河流域越南、泰國(guó)、緬甸等地區(qū)再次遭遇到嚴(yán)重干旱。此次干旱是越南三角洲近90年來(lái)最嚴(yán)重的干旱，導(dǎo)致越南中部和南部地區(qū)近百萬(wàn)人缺乏日常用水，近16萬(wàn)hm2農(nóng)田因海水入侵遭到破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1050萬(wàn)美元；泰國(guó)亦受到持續(xù)干旱的影響，受災(zāi)人數(shù)超過(guò)956萬(wàn)人，農(nóng)田受損面積超過(guò)200萬(wàn)hm2，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上億美元。在此背景下，開(kāi)展湄公河流域干旱特性分析研究，有助于揭示湄公河干旱時(shí)空特征，全面把握湄公河流域干旱變化規(guī)律。

受跨境河流數(shù)據(jù)難以獲取的限制，以往關(guān)于湄公河的研究主要集中在衛(wèi)星降雨的適用性評(píng)估[8]、流域徑流變化[9]及水資源利用現(xiàn)狀[10]等方面，對(duì)跨境流域干旱的分析研究仍相對(duì)較少[11]，尤其缺乏對(duì)流域大范圍氣象、水文干旱變化特性和規(guī)律的深入分析。為此，本研究擬借助近百年序列的高質(zhì)量全球降雨網(wǎng)格化產(chǎn)品和干流主要站點(diǎn)的觀測(cè)徑流，分別采用標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SSI)分析湄公河流域氣象和水文干旱時(shí)空分布特征，為流域干旱管理與抗旱減災(zāi)決策提供科學(xué)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

鑒于當(dāng)前獲取湄公河流域大范圍地面觀測(cè)數(shù)據(jù)仍存在困難，本研究擬借助英國(guó)East Anglia大學(xué)氣候研究中心(Climatic Research Unit；CRU)提供的全球過(guò)去近百年(1901-2016)高質(zhì)量降雨序列產(chǎn)品[12]，作為開(kāi)展歷史氣象干旱分析的數(shù)據(jù)源。CRU產(chǎn)品是基于整合已有的若干個(gè)知名數(shù)據(jù)庫(kù)，重建的一套空間分辨率為0.5°×0.5°，覆蓋全球所有陸地網(wǎng)格且無(wú)缺測(cè)的月平均地表氣候要素?cái)?shù)據(jù)集。同時(shí)，研究中收集整理了湄公河干流自上游至下游依次為清盛(Chiang Saen)、廊開(kāi)(NongKhai)、穆達(dá)漢(Mukdahan)、上丁(Stung Treng)4個(gè)主要徑流站(見(jiàn)圖1)過(guò)去近30年(1985-2016)完整的逐日流量觀測(cè)序列，用于分析湄公河流域水文干旱特性。

圖1 湄公河流域主要水系及干流主要水文站Fig.1 Main water systems and four hydrological stations in the main stream in the Mekong River basin

借助上述2套數(shù)據(jù)，研究中分別構(gòu)建1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SSI)用于開(kāi)展湄公河流域不同尺度、不同類(lèi)型干旱的特性分析。SPI是表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率的指標(biāo)，適用于月尺度以上的氣象干旱監(jiān)測(cè)[13]。目前，SPI指數(shù)已被廣泛用于不同地區(qū)的氣象干旱特征與規(guī)律分析[14-16]。SPI的具體計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中：x為降水樣本值；S為概率密度正負(fù)系數(shù)；c0，c1，c2和d1，d2，d3為Γ分布函數(shù)轉(zhuǎn)換為累積頻率簡(jiǎn)化近似求解式的計(jì)算參數(shù)，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308；G(x)為與Γ函數(shù)相關(guān)的降水分布概率，由Γ函數(shù)概率密度積分式求得：

(3)

當(dāng)G(x)>0.5時(shí)，S=1；當(dāng)G(x)≤0.5時(shí)，S=-1。

基于SPI估算值和《氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 20481-2017)[17]，將干旱依次劃分為輕旱(-1

標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(Standardized Streamflow Index，SSI)根據(jù)長(zhǎng)序列的實(shí)測(cè)月徑流計(jì)算得到，表征某時(shí)段的斷面徑流量在歷史同期的出現(xiàn)概率[18]。該指標(biāo)的計(jì)算及旱情等級(jí)劃分參照SPI。

基于上述2類(lèi)指標(biāo)，文中綜合評(píng)估了湄公河流域氣象和水文干旱的強(qiáng)度和頻率的變化特征。其中，干旱發(fā)生頻率是指發(fā)生干旱(SPI/SSI<-0.5)的年數(shù)在總時(shí)段內(nèi)所占比例，計(jì)算式為：

d=(n/N)×100%

(4)

式中：n為發(fā)生干旱的年數(shù)；N為降水或徑流觀測(cè)的序列長(zhǎng)度。

2 結(jié)果分析

2.1 基于SPI的氣象干旱特性分析

2.1.1 SPI年際變化

圖2展示了1950年代以來(lái)(1950-2016年)湄公河流域在1個(gè)月(SPI1，圖2(a))、3個(gè)月(SPI3，圖2(b))、6個(gè)月(SPI6，圖2(c))和12個(gè)月(SPI12，圖2(d))時(shí)間尺度上的SPI年際變化。總體上，不同時(shí)間尺度上的干旱程度存在較大差異，如流域在2013年5月的SPI1為-1.80，屬于重旱；SPI3為-1.43，屬中旱；SPI6為-0.76，屬輕旱；SPI12為0.48，則表示未發(fā)生干旱。這表明，對(duì)于短時(shí)間尺度的輕旱或中旱，若降水虧缺能及時(shí)得到緩解，則在長(zhǎng)時(shí)間尺度可能無(wú)旱。相反，當(dāng)在長(zhǎng)時(shí)間尺度發(fā)生重旱或特旱時(shí)，短時(shí)間尺度也可能無(wú)旱或輕旱。比如2005年7月，SPI1和SPI3的值分別為0.87和0.18，表示無(wú)旱；但隨著時(shí)間尺度的增長(zhǎng)，SPI12的值為-1.94，表明流域當(dāng)前遭受到重大干旱。由圖2(d)可看出，過(guò)去近65年間SPI范圍位于-2.38至2.70之間，略微呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(0.04/10a)，表明流域整體存在輕微變干的趨勢(shì)。就時(shí)段而言，湄公河流域發(fā)生干旱較為嚴(yán)重的時(shí)段主要為1950年代后期、1970年代末1980年代初、1990年代初以及2005年前后。其中，過(guò)去近30年間較嚴(yán)重干旱的年份為1981年、1983、1992年、1994年、1998年、2004-2005年、2009-2010年以及2015-2016年。

(a)1個(gè)月 (b)3個(gè)月

(c)6個(gè)月 (d)12個(gè)月

2.1.2 季節(jié)SPI變化

湄公河流域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，具有明顯的干/濕季分異，即從5月至10月為降水豐沛的雨季；從11月至次年4月為降水偏少的干季。圖3展示了湄公河流域雨季和干季的SPI變化。由圖3(a)可知，雨季干旱和洪澇事件在年際上交替出現(xiàn)，SPI值在-2.38至2.90之間。從流域整體看，雨季SPI的變化趨勢(shì)不明顯(-0.02/10a)。從年際變化上，流域在2000-2010年以后的雨季降雨量偏豐；而20世紀(jì)90年代、2010-2016時(shí)段等均屬于降雨量偏少的時(shí)段。其中，1993年、1998年和2015年雨季均發(fā)生重大干旱(SPI<-1.5)；尤其在1993年，SPI僅為-2.38，達(dá)到特旱級(jí)別。與雨季相比，干季的SPI值呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢(shì)(0.1/10a)，表明干季出現(xiàn)干旱的強(qiáng)度及頻率呈下降趨勢(shì)。從年際角度上看，20世紀(jì)90年代中期前干季降水偏少，其中1955年、1959年、1980年及2005年SPI6值均低于-1.5，屬重特大干旱年。而在20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，SPI6值在大部分年份都大于0，尤其在2013年干季SPI值達(dá)到2.70，降雨量豐富。

(a)雨季 (b)干季圖3 湄公河流域在雨季和干季的標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)(SPI)變化序列Fig.3 Variations of SPI estimates in the rainy and dry seasons in the Mekong River basin

2.1.3 SPI變化的空間分布

湄公河流域SPI變化趨勢(shì)的空間分布如圖4所示。在全年尺度上(圖4(a))，緬甸、泰國(guó)東北部及柬埔寨大部分地區(qū)SPI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明以上地區(qū)全年尺度上具有明顯的變干趨勢(shì)，尤其在泰國(guó)東北部的部分地區(qū)，SPI下降趨勢(shì)達(dá)-0.15/10a；相對(duì)而言，SPI在老撾具有明顯的增大趨勢(shì)，表明老撾發(fā)生干旱頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由圖4(b)可看出，雨季干旱程度增強(qiáng)的區(qū)域主要分布在泰國(guó)東北部、老撾中部、緬甸和柬埔寨等國(guó)家地區(qū)，老撾北部的干旱程度呈現(xiàn)明顯減弱的趨勢(shì)；與雨季相比，干季的SPI在流域大部分地區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，表明干季發(fā)生干旱的頻率和強(qiáng)度不斷降低；相對(duì)而言，變干趨勢(shì)明顯的區(qū)域主要集中在泰國(guó)東北部及柬埔寨西部的小部分地區(qū)(見(jiàn)圖4(c))。

圖4 湄公河流域SPI變化趨勢(shì)空間分布圖Fig.4 The SPI patterns over varying timescales

2.1.4 氣象干旱發(fā)生頻率

湄公河流域干旱和重特大干旱發(fā)生頻率的空間分布如圖5所示。圖5(a)展示了1950-2016年湄公河流域氣象干旱(SPI<-0.5)發(fā)生頻率的空間分布，顯然，流域95%以上的地區(qū)氣象干旱的平均發(fā)生頻率均超過(guò)了25%，其中老撾、泰國(guó)東北部及柬埔寨西北部等地區(qū)的干旱頻率甚至超過(guò)30%，表明湄公河地區(qū)極易發(fā)生降雨持續(xù)虧缺，進(jìn)而發(fā)展為氣象干旱。進(jìn)一步，計(jì)算同時(shí)段流域重特大級(jí)別干旱(SPI<-1.5)的發(fā)生頻率(見(jiàn)圖5(b))。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，柬埔寨、越南等下游地區(qū)遭受重特大干旱沖擊的頻率最高，達(dá)到近10%，表明上述地區(qū)平均每10年就會(huì)遭受到一次重特大干旱。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可發(fā)現(xiàn)，越南三角洲地區(qū)的干旱發(fā)生頻率略低于上游地區(qū)，但發(fā)生重特大干旱的頻率卻偏高于上游地區(qū)。這表明三角洲地區(qū)更易受到重特大干旱的沖擊。

(a)干季(SPI<0.5) (b)重特大干季(SPI<-0.5)

2.2 基于SSI的水文干旱特性分析

2.2.1 SSI年際變化

圖6展示了過(guò)去近30年(1986-2016年)清盛站、廊開(kāi)站、穆達(dá)漢和上丁站6個(gè)月尺度SSI(SSI6)的年際變化。在上游清盛站，SSI6的序列無(wú)明顯趨勢(shì)變化。就單次干旱事件而言，清盛站在1992-1993年、1997年、1999年、2004-2005年、2012年等，SSI值都低于-1.5，表明站點(diǎn)在上述年份發(fā)生重大干旱。與上游清盛站不同，廊開(kāi)、穆達(dá)漢及上丁站SSI6均呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢(shì)，幅度分別為0.18/10a，0.47/10a，0.11/10a，表明過(guò)去近30年間上述3個(gè)站點(diǎn)水文干旱的發(fā)生強(qiáng)度和頻率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(a)清盛 (b)廊開(kāi)

(c)穆達(dá)漢 (d)上丁

從干旱年份而言，位于中下游的廊開(kāi)、穆達(dá)漢和上丁站出現(xiàn)水量嚴(yán)重缺失(SSI6<-1.5)的重旱年份為1987-1988年、1992-1993年、1997年、1999年、2004-2005年、2012年等，與上游的清盛站的重旱年份基本吻合。需要指出的是，在20世紀(jì)80年代末90年代初(1987-1988年)，上述3個(gè)站點(diǎn)的SSI均接近或者低于-2(即流量顯著少于歷史平均值)，但上游清盛站的流量虧缺現(xiàn)象相對(duì)較為緩和。需要指出的是，與清盛站、廊開(kāi)、穆達(dá)漢等中上游的站點(diǎn)不同，上丁站在2016年的SSI6一度接近-1.5，表明2016年湄公河下游水位和水量嚴(yán)重下降，柬埔寨南部及越南三角洲等周?chē)貐^(qū)遭受到重大水文干旱。

(a)清盛 (b)廊開(kāi)

(c)穆達(dá)漢 (d)上丁圖7 清盛、廊開(kāi)、穆達(dá)漢和上丁站12個(gè)月尺度標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SSI12)的變化趨勢(shì)Fig.7 Changing trend of the 12-month Standard Streamflow Index(SSI12) of Chiang Saen，NongKhai，Mukdahan，and Stung Treng station

圖7展示了1986-2016年間清盛站、廊開(kāi)站、穆達(dá)漢和上丁站12個(gè)月尺度SSI(SSI12)的年際變化。過(guò)去近30年間，上游清盛站的SSI12總體呈下降趨勢(shì)。特別是進(jìn)入2010年以來(lái)，清盛站的SSI值在大部分年份均為負(fù)值，其中2012年更是低至-1.5附近，這表明近年間清盛站的流量持續(xù)短缺，引發(fā)水文干旱。與之相比，位于中游的廊開(kāi)及穆達(dá)漢站的SSI12值呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，其中穆達(dá)漢站SSI上升幅度達(dá)0.48/10a，表明近30年來(lái)上述2個(gè)站點(diǎn)的水文干旱的發(fā)生強(qiáng)度和頻率顯著下降。對(duì)于下游的上丁站而言，SSI12的總體變化趨勢(shì)不顯著。不過(guò)，上丁站的SSI在2005年之后的絕大多數(shù)年份均低于0，表明上丁站在過(guò)去近十幾年的流量通常低于往年同期水平，極易發(fā)生水文干旱現(xiàn)象。

2.2.2 水文干旱發(fā)生頻率

以SSI<-0.5作為判斷水文干旱發(fā)生的閾值，文中計(jì)算了上述4個(gè)水文站點(diǎn)在過(guò)去近30年(1985-2016年)水文干旱的發(fā)生頻率。結(jié)果顯示，清盛、廊開(kāi)、穆達(dá)漢和上丁4個(gè)站點(diǎn)的水文干旱頻率均不低于25%(依次分別為35%，31%，25%和31%)，與氣象干旱發(fā)生頻率(見(jiàn)圖5)基本吻合。這表明持續(xù)的氣象干旱將導(dǎo)致河道徑流減少，進(jìn)而引發(fā)對(duì)應(yīng)地區(qū)的水文干旱。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了同時(shí)段各站點(diǎn)重大水文干旱(SSI<-1.5)的發(fā)生頻率。結(jié)果顯示，以穆達(dá)漢、上丁為代表的下游站點(diǎn)的重大水文干旱頻率接近10%；而清盛、廊開(kāi)等上游站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率約為3%。這表明相對(duì)于上游地區(qū)，湄公河下游地區(qū)更易遭遇嚴(yán)重的水文干旱。

3 結(jié)論與討論

本研究基于過(guò)去近百年的歷史長(zhǎng)序列月降雨數(shù)據(jù)產(chǎn)品，采用不同時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)，分別從強(qiáng)度、發(fā)生頻率兩方面，分析了1950-2016年間湄公河流域氣象干旱的時(shí)空變化特征；借助湄公河干流清盛、廊開(kāi)、穆達(dá)漢、上丁4個(gè)典型水文站提供的過(guò)去近30年河道徑流觀測(cè)序列，采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SSI)，分析了流域在1986-2016年間水文干旱的變化趨勢(shì)。分析結(jié)果表明：過(guò)去近60年間湄公河流域SPI值在-2.38-2.70之間變化，發(fā)生氣象干旱較為嚴(yán)重的時(shí)段主要為1950年代后期、1970年代末到1980年代初、1990年代初以及2005年前后。從年際變化趨勢(shì)看，流域整體的氣象干旱變化不明顯，但泰國(guó)東北部、柬埔寨大部及緬甸等國(guó)家地區(qū)的變干趨勢(shì)明顯，尤其在泰國(guó)東北部的部分地區(qū)。就水文干旱而言，基于SSI6和SSI12的分析均表明位于干流上中下游的清盛、廊開(kāi)、穆達(dá)漢、上丁等典型站點(diǎn)在1987-1988年、1992-1993年、1997年、1999年、2004-2005年、2012年均出現(xiàn)水量較往年同期異常偏少的現(xiàn)象，其中大部分年份的SSI低于-1.5，表明在上述年份湄公河流域大部分地區(qū)均遭受到重大水文干旱的影響。從過(guò)去近30年來(lái)的變化趨勢(shì)看，位于上中下游等不同河段的站點(diǎn)SSI總體趨勢(shì)不盡相同。在12個(gè)月尺度上，清盛站SSI總體上呈下降趨勢(shì)，特別在2010年以后；位于中游的廊開(kāi)及穆達(dá)漢站的SSI上升趨勢(shì)明顯；而下游上丁站的SSI變化不明顯，但2005年之后的絕大多數(shù)年份上丁站的SSI均為負(fù)值，表明該站點(diǎn)流域在過(guò)去近十年受水文干旱影響較為頻繁。在干旱發(fā)生頻率方面，流域絕大多數(shù)地區(qū)的氣象和水文干旱的發(fā)生頻率均超過(guò)25%，其中柬埔寨南部、越南三角洲等下游地區(qū)遭遇重大干旱的頻率接近10%，遠(yuǎn)高于上游地區(qū)或站點(diǎn)，這表明下游地區(qū)更易受到重大干旱的沖擊。

需要指出的是，由于目前仍難以獲取湄公河流域高密度、長(zhǎng)序列的地面氣象臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，本研究主要借助于支持公開(kāi)獲取的全球降雨數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行流域內(nèi)的氣象干旱分析。未來(lái)本研究成果仍需借助日益豐富的湄公河流域地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，本研究揭示了湄公河流域氣象和水文干旱在過(guò)去近幾十年的時(shí)空演變特征與規(guī)律，對(duì)流域干旱管理與旱災(zāi)防范具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。