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摘要：利用多种统计方法对南水北调中线水源区降水和气温序列进行趋势诊断，识别了不同气象站点序列的时空变化趋势;以标准化降水蒸散指数（SPEI）为干旱指标，建立考虑降水和气温共同对干旱过程影响的评价模型，研究分析了水源区不同时间尺度和分期（汛期、非汛期和全年期）干旱过程动态变化特征。分析表明：降水量呈现不显著的下降趋势，气温总体呈现显著性上升趋势;短时间尺度SPEI对降水和气温变化更加敏感，随着时间尺度增大，SPEI值变化更加平缓;非汛期和全年期水源区发生严重干旱的概率增大，不同气象站点3个不同时期发生特旱或重旱的年份与历史发生干旱的资料相一致;干旱严重程度从上游到下游逐渐衰减，整个汉江上游和西北部地区干旱发生频次略高于下游和南部地区;对比标准化降水指标（SPI）计算结果，SPEI指数较SPI指数补充考虑了降水和气温对干旱过程的综合影响，可作为SPI指数的一个重要补充分析手段，可应用于描述南水北调中线水源区不同时间尺度的干旱特征。
关 键 词：干旱指数; 趋势诊断; 水源区; 南水北调中线; 汉江
近年来，北方干旱缺水问题已成为可持续发展的制约因素[1-3]。南水北调中线工程为缓解北方地区水资源短缺问题起到了关键的作用[4-5]。全球气候变暖，干旱事件持续时间、发生频率呈现增加的趋势[6]。干旱发生会减少区域可用水量，并给当地水资源管理带来挑战[7-8]。2010年10月至2011年6月，丹江口、郧西、竹山降水偏少七成以上，造成全市800余条中小河流断流，100座小水库、8 000多口塘堰干涸，丹江口水库水位比死水位低4.3 m。持续的干旱状态对汉江下游区域生活、生产用水和灌溉供水带来巨大的限制。因此，研究水源区不同时间尺度干旱特征将为跨流域调水工程水资源调度提供决策支撑。
20世纪以来，许多学者从干旱过程量化、监测分析等角度提出了一些评价指标[9-10]。目前，帕默尔干旱指标（Palmer drought severity index，PDSI）[11]和标准化降水指标（Standardized precipitation index，SPI）[12]是应用最为广泛的两个干旱指标。PDSI基于水量平衡的干湿指标，由于计算过程相对复杂、所需观测资料要求较高，且具有固定的时间尺度和自回归特征，使其在使用过程中受到一定的限制;SPI指标虽然能够描述不同时间尺度的特点，但是缺乏兼顾气温变化加剧干旱过程的重要因素[13]。综合考虑降水和气温对干旱过程影响，Vicenteserrano等人[14]研究提出了标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），兼具了多時间尺度和考虑蒸发变化特征，为研究分析区域干旱化过程及趋势提供了有利的工具。
受到人类活动的影响，径流资料很难反映流域的天然特性，然而对径流资料还原计算相对复杂，而且误差较大，很难满足水文系列样本的三性要求，因此干旱特征分析采用降水资料来进行分析计算。本研究利用多种统计方法对客观表征南水北调中线水源区干旱状况的两个重要因子降水和气温进行趋势诊断，识别其趋势变化。应用综合考虑降水和气温影响的干旱指数SPEI描述南水北调中线水源区不同时间尺度干旱特征，为水源区调水和汉江中下游供水提供理论参考。
1 研究区域概况和资料
南水北调工程确定从汉江的丹江口水库调水，重点解决北京、天津、河南、河北4个省及沿线城市的生活和生产用水，并兼顾沿线地区的生态环境和农业用水。截至2017年9月25日，已累计向北方送水超过100亿m3，沿线京津豫冀4省市5 310万人喝上长江水，工程综合效益同步显现。丹江口水库以上流域为汉江上游，是南水北调中线工程的水源地，流域面积为9.52万km2，约占全流域面积的60%。水源区年降水量为600～1 250 mm之间，年平均温度15℃～17℃。研究区域地理位置如图1所示。
本次研究使用的1960～2014年逐日历史降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网（下载网址：http：//cdc.cma.gov.cn/）。水源区气象站点选取了栾川、略阳、汉中等12个分布较均匀的代表站（见图1）。结合地理信息系统（GIS）工具，采用泰森多边形法计算水源区各水文区不同时间尺度的平均降雨量和平均气温，为趋势诊断和干旱特征研究提供数据基础。
2 研究方法
2.1 趋势诊断
本次研究对于降雨和气温长序列趋势诊断采用线性回归[15]、Spearman秩检验[16]和Kendall秩和检验[17]3种常用方法。
2.2 标准化降水蒸散指数（SPEI）
结合降水和气温数据，新的干旱指数SPEI集合了PDSI对蒸发变化的敏感性和SPI描述干旱的多尺度特征，能够表征干旱化以及温度干旱过程的影响。基于不同时间尺度的降水量与计算的潜在蒸散发量（PET）差值，通过简单的水量平衡计算得到SPEI。
3 结果分析
3.1 降水量和气温时空趋势分析
采用线性回归法（LR）、Spearman秩检验（SP）和Kendall秩和检验（MK）3种方法对水源区12个气象站1960～2014年降水和气温序列进行趋势诊断。如表1所示，流域内年降水量呈现下降趋势，但趋势不显著;除尚州和石泉站外，年气温呈现显著性（P < 0.05）上升趋势。降水和气温序列的线性趋势和滑动平均分析如图2所示。从降雨和气温空间分布来看，汉江流域南部降雨明显较西北部大，尤其是陕西的尚州、略阳和镇安站;安康、老河口站气温较其它站要高，佛坪和栾川站气温较低。
3.2 基于SPEI的干旱时空特征分析
3.2.1 不同时间尺度干旱特征分析
根据已有相关研究[14，19-20]，基于SPEI的干旱化过程分析，干旱等级划分标准见表2。 本次研究选择1，3，6，12，18，24个月不同的时间尺度计算SPEI（对应的各时间尺度分别用SPEI-1，SPEI-3，SPEI-6，SPEI-12，SPEI-18和SPEI-24表示），分析水源区干旱过程动态变化特征。如图3所示，随着时间尺度增大，SPEI值变化更加平缓;时间尺度越小，SPEI值正负波动越大，对降水和气温变化更加敏感。对于土壤干湿过程通常通过持续的降雨或者干旱少雨使其发生变化，因此干旱监测是一个长期的过程。
水源区1960～2014年多年平均降水量为823 mm，其中汛期（5～10月）和非汛期（11月至次年4月）降水量分别为671 mm和152 mm，分别占81.5%和18.5%。结合水源区干旱发生特征，本研究进一步选取汛期、非汛期和全年期3个时期的干旱过程、干旱程度以及各级干旱出现频次。如图4所示，汛期SPEI有微弱的上升趋势，说明汛期干旱程度随时间变化不大;非汛期和全年期SPEI呈现显著的减小趋势，说明非汛期和全年期发生严重干旱的概率越来越大，非汛期表现更为明显。统计3个时期发生中旱、重旱、特旱的频次如表3所示，发现全年期严重干旱发生在1994～1996年和1999年，1997年发生特旱;汛期严重干旱发生在1964年和1966年，1997年发生特旱;非汛期严重干旱发生在1998～1999年，2010年发生特旱。
3.2.2 不同站点干旱特征分析
计算各气象站汛期、非汛期和全年期3个时期SPEI，发现汛期SPEI呈不显著的上升趋势，随着时间
变化干旱程度变化不大;各站点非汛期和全年期SPEI呈现显著的减小趋势，说明非汛期和全年期发生严重干旱的概率随时间变化增大，尤其是非汛期。各气象站点3个时期发生中旱及以上干旱的频次如表4所示，發现不同气象站点和3个不同时期发生特旱或重旱的年份与历史干旱资料一致。如1994～1997年、2010年等均在不同站点发生不同程度的干旱。以汉中市历年干旱实际情况为例，1994～1997年，汉中市连续4 a出现连季干旱，其中1994，1995年干旱为100 a一遇，其他2 a均达到50～60 a一遇标准，造成冬春夏三季或夏秋连续两季干旱。干旱最严重时，大小河道断流，水库2/3以上全部干涸，汉江武侯站最长断流时间达3个月。基于SPEI的南水北调中线水源区干旱特征分析能够为调水提供技术参考。
3.2.3 干旱特征空间变化分析
从干旱发生空间变化来分析，干旱发生频次或者灾害严重程度上游较下游要大，靠近西北部地区较南部地区普遍要大。以1999年非汛期重大干旱为例，汉江上游的略阳站、汉中站、石泉站、安康站和老河口站非汛期SPEI指数分别为-1.974，-1.700，-1.611，-1.343和-1.174，可以看出干旱严重程度从上游到下游逐渐衰减。从不同气象站点汛期、非汛期和全年期发生中旱、重旱、特旱的频次表（见表4）分析知，整个汉江上游和西北部地区干旱发生频次略高于下游和南部地区。
3.2.4 与SPI指数对比分析
同样选择1，3，6，12，18，24个月不同的时间尺度计算SPI（对应的各时间尺度分别用SPI-1，SPI-3，SPI-6，SPI-12，SPI-18和SPI-24表示），如图5所示。以SPI-3，SPI-6，SPI-12和SPI-24为例，特大干旱事件主要发生在1995～2000年以及2011年。采用SPI指数能够像SPEI指数一样发现识别出大部分干旱事件，但是SPEI指数识别的干旱事件包含2014年干旱，在SPI指数中没有被识别出来。根据实际干旱调查资料分析发现，2014年汉江上游包括汉中、襄阳等城市都发生大旱。因此，初步认为SPEI指数较SPI指数补充考虑了降水和气温对干旱过程的综合影响，可作为表征干旱程度的又一个重要分析应用指数，具有较好的实际应用价值，可应用于描述南水北调中线水源区不同时间尺度干旱特征。
4 结 论
（1） 本文利用多种统计技术对汉江上游研究区域多年降水和气温序列进行趋势诊断，识别了不同气象站点的时空变化趋势，即降水量呈现不显著的下降趋势，气温总体呈现显著性上升趋势。
（2） 选取综合考虑降水和气温对干旱过程的影响新气候干旱指数SPEI，对不同月时间尺度（1，3，6，12，18月和24月）和分期（汛期、非汛期和全年期）汉江上游区域（南水北调中线工程水源区）干旱过程动态变化特征研究分析，表明SPEI-1，SPEI-3对降水和气温变化更加敏感，随着时间尺度增大，SPEI值变化更加平缓;汛期干旱程度随时间变化不大，非汛期和全年期发生严重干旱的概率越来越大，非汛期表现更为明显;不同气象站点3个不同时期发生特旱或重旱的年份与历史干旱资料一致。
（3） 通过分析不同气象站SPEI指数空间分布特征，发现研究区域的干旱严重程度从上游到下游逐渐衰减，整个汉江上游和西北部地区干旱发生频次略高于下游和南部地区;另外，以历史发生干旱事件为依据，对比分析标准化降水指标（SPI）计算结果表明， SPEI指数较SPI指数补充考虑了降水和气温对干旱过程的综合影响，可作为SPI指数的一个重要补充分析手段，可应用于描述南水北调中线水源区不同时间尺度的干旱特征。
本次研究主要基于历史实测气象序列资料进行干旱时空特征分析，将来可采用计算SPEI指数方法开展气候变化影响下的水源区和受水区未来干旱变化趋势及特征分析，为跨流域调水和水资源配置提供理论参考。
参考文献：
[1] 陈志恺.持续干旱与华北水危机[J].中国水利，2002（4）：8-11.
[2] 夏军，谈戈.全球变化与水文科学新的进展与挑战[J].资源科学，2002，24 （3）：1-7.
[3] Xia J，Zhang Y Y.Water security in north China and countermeasure to climate change and human activity[J].Physics & Chemistry of the Earth Parts A/b/c，2008，33（5）：359-363. [4] 吴德绪，倪晖.南水北调中线工程设计与重大技术问题研究[J].人民长江，2014，45（6）：1-3.
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[8] Long D，Scanlon B R，Longuevergne L，et al.GRACE satellite monitoring of large depletion in water storage in response to the 2011 drought in Texas[J].Geophysical Research Letters，2013，40（13）：3395-3401.
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[10] Keyantash J A， Dracup J A. The quantification of drought：An evaluation of drought indices[J].Bull. Amer. Meteor.Soc，2002（83）：1167–1180.
[11] Palmer W C.Meteomrological Drought[M]. Washington DC：Depanment of Commerce Weather Bureau，1965.
[12] McKee T B，Doesken N J，Kleist J.The relationship of drought frequency and duration to time scales[C]∥Eighth conference on Applied ClimatologyAnaheim：American Meteorological Society，1993：179-184.
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[20] 余江游，夏军，佘敦先，等.南水北调中线工程水源区与海河受水区干旱遭遇研究[J].南水北调与水利科技，2018（1）：63-68.
（编辑：刘 媛）
关 键 词：干旱指数; 趋势诊断; 水源区; 南水北调中线; 汉江
近年来，北方干旱缺水问题已成为可持续发展的制约因素[1-3]。南水北调中线工程为缓解北方地区水资源短缺问题起到了关键的作用[4-5]。全球气候变暖，干旱事件持续时间、发生频率呈现增加的趋势[6]。干旱发生会减少区域可用水量，并给当地水资源管理带来挑战[7-8]。2010年10月至2011年6月，丹江口、郧西、竹山降水偏少七成以上，造成全市800余条中小河流断流，100座小水库、8 000多口塘堰干涸，丹江口水库水位比死水位低4.3 m。持续的干旱状态对汉江下游区域生活、生产用水和灌溉供水带来巨大的限制。因此，研究水源区不同时间尺度干旱特征将为跨流域调水工程水资源调度提供决策支撑。
20世纪以来，许多学者从干旱过程量化、监测分析等角度提出了一些评价指标[9-10]。目前，帕默尔干旱指标（Palmer drought severity index，PDSI）[11]和标准化降水指标（Standardized precipitation index，SPI）[12]是应用最为广泛的两个干旱指标。PDSI基于水量平衡的干湿指标，由于计算过程相对复杂、所需观测资料要求较高，且具有固定的时间尺度和自回归特征，使其在使用过程中受到一定的限制;SPI指标虽然能够描述不同时间尺度的特点，但是缺乏兼顾气温变化加剧干旱过程的重要因素[13]。综合考虑降水和气温对干旱过程影响，Vicenteserrano等人[14]研究提出了标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），兼具了多時间尺度和考虑蒸发变化特征，为研究分析区域干旱化过程及趋势提供了有利的工具。
受到人类活动的影响，径流资料很难反映流域的天然特性，然而对径流资料还原计算相对复杂，而且误差较大，很难满足水文系列样本的三性要求，因此干旱特征分析采用降水资料来进行分析计算。本研究利用多种统计方法对客观表征南水北调中线水源区干旱状况的两个重要因子降水和气温进行趋势诊断，识别其趋势变化。应用综合考虑降水和气温影响的干旱指数SPEI描述南水北调中线水源区不同时间尺度干旱特征，为水源区调水和汉江中下游供水提供理论参考。
1 研究区域概况和资料
南水北调工程确定从汉江的丹江口水库调水，重点解决北京、天津、河南、河北4个省及沿线城市的生活和生产用水，并兼顾沿线地区的生态环境和农业用水。截至2017年9月25日，已累计向北方送水超过100亿m3，沿线京津豫冀4省市5 310万人喝上长江水，工程综合效益同步显现。丹江口水库以上流域为汉江上游，是南水北调中线工程的水源地，流域面积为9.52万km2，约占全流域面积的60%。水源区年降水量为600～1 250 mm之间，年平均温度15℃～17℃。研究区域地理位置如图1所示。
本次研究使用的1960～2014年逐日历史降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网（下载网址：http：//cdc.cma.gov.cn/）。水源区气象站点选取了栾川、略阳、汉中等12个分布较均匀的代表站（见图1）。结合地理信息系统（GIS）工具，采用泰森多边形法计算水源区各水文区不同时间尺度的平均降雨量和平均气温，为趋势诊断和干旱特征研究提供数据基础。
2 研究方法
2.1 趋势诊断
本次研究对于降雨和气温长序列趋势诊断采用线性回归[15]、Spearman秩检验[16]和Kendall秩和检验[17]3种常用方法。
2.2 标准化降水蒸散指数（SPEI）
结合降水和气温数据，新的干旱指数SPEI集合了PDSI对蒸发变化的敏感性和SPI描述干旱的多尺度特征，能够表征干旱化以及温度干旱过程的影响。基于不同时间尺度的降水量与计算的潜在蒸散发量（PET）差值，通过简单的水量平衡计算得到SPEI。
3 结果分析
3.1 降水量和气温时空趋势分析
采用线性回归法（LR）、Spearman秩检验（SP）和Kendall秩和检验（MK）3种方法对水源区12个气象站1960～2014年降水和气温序列进行趋势诊断。如表1所示，流域内年降水量呈现下降趋势，但趋势不显著;除尚州和石泉站外，年气温呈现显著性（P < 0.05）上升趋势。降水和气温序列的线性趋势和滑动平均分析如图2所示。从降雨和气温空间分布来看，汉江流域南部降雨明显较西北部大，尤其是陕西的尚州、略阳和镇安站;安康、老河口站气温较其它站要高，佛坪和栾川站气温较低。
3.2 基于SPEI的干旱时空特征分析
3.2.1 不同时间尺度干旱特征分析
根据已有相关研究[14，19-20]，基于SPEI的干旱化过程分析，干旱等级划分标准见表2。 本次研究选择1，3，6，12，18，24个月不同的时间尺度计算SPEI（对应的各时间尺度分别用SPEI-1，SPEI-3，SPEI-6，SPEI-12，SPEI-18和SPEI-24表示），分析水源区干旱过程动态变化特征。如图3所示，随着时间尺度增大，SPEI值变化更加平缓;时间尺度越小，SPEI值正负波动越大，对降水和气温变化更加敏感。对于土壤干湿过程通常通过持续的降雨或者干旱少雨使其发生变化，因此干旱监测是一个长期的过程。
水源区1960～2014年多年平均降水量为823 mm，其中汛期（5～10月）和非汛期（11月至次年4月）降水量分别为671 mm和152 mm，分别占81.5%和18.5%。结合水源区干旱发生特征，本研究进一步选取汛期、非汛期和全年期3个时期的干旱过程、干旱程度以及各级干旱出现频次。如图4所示，汛期SPEI有微弱的上升趋势，说明汛期干旱程度随时间变化不大;非汛期和全年期SPEI呈现显著的减小趋势，说明非汛期和全年期发生严重干旱的概率越来越大，非汛期表现更为明显。统计3个时期发生中旱、重旱、特旱的频次如表3所示，发现全年期严重干旱发生在1994～1996年和1999年，1997年发生特旱;汛期严重干旱发生在1964年和1966年，1997年发生特旱;非汛期严重干旱发生在1998～1999年，2010年发生特旱。
3.2.2 不同站点干旱特征分析
计算各气象站汛期、非汛期和全年期3个时期SPEI，发现汛期SPEI呈不显著的上升趋势，随着时间
变化干旱程度变化不大;各站点非汛期和全年期SPEI呈现显著的减小趋势，说明非汛期和全年期发生严重干旱的概率随时间变化增大，尤其是非汛期。各气象站点3个时期发生中旱及以上干旱的频次如表4所示，發现不同气象站点和3个不同时期发生特旱或重旱的年份与历史干旱资料一致。如1994～1997年、2010年等均在不同站点发生不同程度的干旱。以汉中市历年干旱实际情况为例，1994～1997年，汉中市连续4 a出现连季干旱，其中1994，1995年干旱为100 a一遇，其他2 a均达到50～60 a一遇标准，造成冬春夏三季或夏秋连续两季干旱。干旱最严重时，大小河道断流，水库2/3以上全部干涸，汉江武侯站最长断流时间达3个月。基于SPEI的南水北调中线水源区干旱特征分析能够为调水提供技术参考。
3.2.3 干旱特征空间变化分析
从干旱发生空间变化来分析，干旱发生频次或者灾害严重程度上游较下游要大，靠近西北部地区较南部地区普遍要大。以1999年非汛期重大干旱为例，汉江上游的略阳站、汉中站、石泉站、安康站和老河口站非汛期SPEI指数分别为-1.974，-1.700，-1.611，-1.343和-1.174，可以看出干旱严重程度从上游到下游逐渐衰减。从不同气象站点汛期、非汛期和全年期发生中旱、重旱、特旱的频次表（见表4）分析知，整个汉江上游和西北部地区干旱发生频次略高于下游和南部地区。
3.2.4 与SPI指数对比分析
同样选择1，3，6，12，18，24个月不同的时间尺度计算SPI（对应的各时间尺度分别用SPI-1，SPI-3，SPI-6，SPI-12，SPI-18和SPI-24表示），如图5所示。以SPI-3，SPI-6，SPI-12和SPI-24为例，特大干旱事件主要发生在1995～2000年以及2011年。采用SPI指数能够像SPEI指数一样发现识别出大部分干旱事件，但是SPEI指数识别的干旱事件包含2014年干旱，在SPI指数中没有被识别出来。根据实际干旱调查资料分析发现，2014年汉江上游包括汉中、襄阳等城市都发生大旱。因此，初步认为SPEI指数较SPI指数补充考虑了降水和气温对干旱过程的综合影响，可作为表征干旱程度的又一个重要分析应用指数，具有较好的实际应用价值，可应用于描述南水北调中线水源区不同时间尺度干旱特征。
4 结 论
（1） 本文利用多种统计技术对汉江上游研究区域多年降水和气温序列进行趋势诊断，识别了不同气象站点的时空变化趋势，即降水量呈现不显著的下降趋势，气温总体呈现显著性上升趋势。
（2） 选取综合考虑降水和气温对干旱过程的影响新气候干旱指数SPEI，对不同月时间尺度（1，3，6，12，18月和24月）和分期（汛期、非汛期和全年期）汉江上游区域（南水北调中线工程水源区）干旱过程动态变化特征研究分析，表明SPEI-1，SPEI-3对降水和气温变化更加敏感，随着时间尺度增大，SPEI值变化更加平缓;汛期干旱程度随时间变化不大，非汛期和全年期发生严重干旱的概率越来越大，非汛期表现更为明显;不同气象站点3个不同时期发生特旱或重旱的年份与历史干旱资料一致。
（3） 通过分析不同气象站SPEI指数空间分布特征，发现研究区域的干旱严重程度从上游到下游逐渐衰减，整个汉江上游和西北部地区干旱发生频次略高于下游和南部地区;另外，以历史发生干旱事件为依据，对比分析标准化降水指标（SPI）计算结果表明， SPEI指数较SPI指数补充考虑了降水和气温对干旱过程的综合影响，可作为SPI指数的一个重要补充分析手段，可应用于描述南水北调中线水源区不同时间尺度的干旱特征。
本次研究主要基于历史实测气象序列资料进行干旱时空特征分析，将来可采用计算SPEI指数方法开展气候变化影响下的水源区和受水区未来干旱变化趋势及特征分析，为跨流域调水和水资源配置提供理论参考。
参考文献：
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（编辑：刘 媛）