3.2.1 干旱程度特征分析
黔中水利工程区自1960年以来,区域水文干旱程度逐渐加重,水文干旱虽时有发生,但区域干旱程度整体偏低,干旱主要发生于1985—1990年、2003—2006年、2010—2013年共3个时段内,其余时间段虽局部地区出现水资源短缺,河流径流量减少,但区域总体旱情较轻。虽然贵州的年平均降水较高,但由于坡度较陡、土层薄、保水能力差等原因,加上地形地貌复杂导致降雨不均匀,所以临时性干旱极易发生。3个月尺度上,水文干旱主要以轻旱为主,径流距平百分率最低为-31.43%(2010年),其次为-30.99%(1986年); 而在6个月尺度上,黔中地区水文干旱主要集中于1987—1993年,此时段内出现中等程度的水文干旱,距平百分率达到-44.50%(1991年),干旱程度与3个月尺度相比有所加重; 研究尺度为9个月、12个月时,在20世纪80年代末,水资源匮乏,黔中水利工程区遭受中等程度的水文干旱(Ra9=-45.72%,Ra12=-47.40%),进入21世纪后,干旱发生较为频繁且主要以轻旱为主,区域整体旱情较重为2011年,两个研究尺度的径流距平百分率分别为-36.75%,-39.62%,干旱程度为21世纪最高。从黔中地区多尺度水文干旱等值线分布(图6),明显看到区域干旱主要发生于20世纪80年代和进入21世纪以后,其中80年代属于贵州省少雨时期,气象干旱频发,极易发生水文干旱[25]。进入21世纪后,水文干旱发生频率有所增加,由于受持续少雨及高温天气影响,贵州省于2011年遭受了继2009—2010年西南大旱之后的又一次严重干旱,黔中水利工程区受此灾害影响,区域内供水量远远低于需水量,河流枯竭干涸,水资源严重缺乏[26]。
图5 干旱程度与干旱频率的二元Copula联合分布
3.2.2 干旱频率特征分析
从黔中水利枢纽工程区近57 a水文干旱频率分布可知:区域水文干旱频发,多尺度间干旱频率分布大体一致,且干旱频率起伏与干旱程度高低总体对应。由图7可知,黔中地区几乎年年有旱,且干旱发生普遍频繁,其中有3个时段水文干旱发生极为频繁(p>80%),分别为20世纪80年代—90年代初期,以及2000年之后。同时,利用干旱站次比进一步分析不同干旱对区域的影响情况,具体标准参考云南红河流域干旱研究[27]。图8表明区域水文干旱站次比分布与水文干旱严重程度大致对应,全域性干旱(p>50%)主要发生于80年代及2000年以后,区域水文干旱频率较高,干旱程度逐渐严重。整体上看,全域性干旱主要发生于干旱频繁年代,在各尺度下发生的比例相差不大,区域内干旱影响范围最广为12个月尺度下1989年,站次比约为100%,干旱频率约为98.2%; 干旱影响力位居第二的是9个月尺度下1989年,站次比约92.86%,频率约为98.2%,由此可见时段内区域干旱对区域产生的影响涉及范围较广,遍及区域内各水文站点,干旱程度较重。此外,1989年、2003年、2006年、2011年均有3个及以上研究尺度发生全域性干旱,据历史资料统计(来自于中国天气网),这几个年份内贵州省发生了严重的水文干旱,黔中地区因此出现江河来水量急剧减少,加上区域蓄水不足,地表下渗能力强等原因导致干旱波及较广。综上所述, 20世纪80年代中后期及21世纪初期是区域水文干旱频发期,多年来干旱频率呈增长趋势,影响范围逐渐扩大,水文干旱发生频率越高则造成的受灾范围越广[28]。
3.2.3 干旱程度与干旱频率联合分布特征
为进一步对多尺度水文干旱特征进行分析,利用联结函数拟合出干旱特征联合经验函数(图9)。结果表明,干旱程度和频率越高则区域水文干旱特征联合度越高,但多尺度间干旱联合特征值总体偏低。明显看到,3个月尺度时,干旱特征联合度最高且极值为0.65～0.7,表明区域极大可能遭受频率较高、程度较重的水文干旱。其次是12个月尺度,特征联合值为0.41～0.46,表明此尺度下虽然区域仍旧发生水文干旱,但是干旱程度与频率却比3个月尺度小得多。最后是6个月与9个月尺度,干旱特征联合值均远低于前两个尺度,分别为0.25～0.3,0.33～0.38,联合等值线较为稀疏,表明两个尺度下干旱程度与干旱频率之间变化不大,而区域干旱发生率亦较低。综合以上结果,3个月尺度下区域水文干旱程度与干旱频率均高于其余3个尺度,干旱特征联合值趋近于0.7,区域干旱频发,水资源匮乏,黔中地区受到较为严重的水文干旱,而在6个月尺度下,区域发生的水文干旱频率最低,干旱程度较为轻缓。
3.3 Copula模型下气象干旱与水文干旱概率分析
3.3.1 气象干旱与水文干旱联合分布特征
将气象干旱与水文干旱的边缘分布函数进行联合,得到满足二者分布特征的联合经验分布函数,进一步分析两者之间联结特征(图 10)。从整体联合变化上看,4个尺度中均呈现出明显的相似性,在时间分布上呈“低—高—低”状分布具有规律性。两种干旱类型联合度较低时段为1985—1990年、2000—2015年,结合气象干旱与水文干旱事件分布情况(图2,图6),结果表明:时段内水文干旱与气象干旱并非都发生,区域干旱主要以水文干旱为主,在区域干旱灾害中占主要地位,产生的灾后影响也最为重大。从局部联合变化上看,在4个研究尺度中两种干旱类型于1977年联合程度较高[C(U,V)>0.9],尤其是6个月尺度下,两种干旱联合趋近于1,这表明两种干旱类型在此年份内都发生,且二者对区域的作用和影响力相当,间接说明区域长时间降水量不足,多高温天气并由气象干旱引发区域水文干旱,河流湖泊枯竭,区域严重缺水。干旱联合程度偏低主要分布于3个月尺度下1985—1990年,联合值最低时近似于0,表明这段时间内某一干旱在黔中水利工程区内占据主导地位,两种干旱类型之间力量相差悬殊,主要以水文干旱为主,间接说明区域发生干旱是由于下垫面因素所导致,因地处典型喀斯特地区,地表水不易留存,地表径流流失严重,侧面增强区域水文干旱的发生。
图9 干旱程度与干旱频率的二元Copula联合分布
为进一步了解多尺度气象干旱与多尺度水文干旱之间的紧密程度,采用Pearson和Kendall相关系数计算两种干旱类型间多尺度指标的两两相关性(图 11)。从二元正态Copula函数上看,在Kendall相关系数中(图 11A),两种干旱类型的相关系数值介于0.2～0.6,同一尺度的SPI指标下,水文干旱研究尺度越长则两种指标间的相关性越强,相关系数趋近于0.6; 在Spearman相关系数中(图 11B),多尺度指标间的相关系数介于0.3～0.8,6个月SPI与12个月Ra相关系数趋近于0.8,最低相关系数略高于0.3。两种相关系数虽均为正相关,但Spearman方法下的相关性明显稍强,相关系数约为0.32～0.79。从二元T-Copula函数上看,在Kendall相关系数(图 11C),两种干旱指标间相关系数略高于同等方法下的二元正态Copula函数,为0.27～0.63,而在Spearman相关系数等值线中(图 11D),呈现出的相关系数值高于其余几种情况,在T-Copula函数中,Spearman相关系数介于0.39～0.82,两种干旱指标间相关性达到最强,为4种情况之最。以上结果表明,两种干旱指标均表现出较强的相关性,其中以6个月SPI与12个月Ra为相关性最强,3个月尺度的SPI与Ra之间的相关性最弱,当SPI在同一尺度下,水文干旱研究尺度越长,则两种指标间的相关性也随之增长。
3.3.2 多尺度下的干旱联合概率分析
图 12为黔中水利枢纽工程区多尺度气象干旱、水文干旱在某时段内频发的概率分布,结果表明:干旱联合概率在多尺度上的特征并不明显,各尺度间概率分布差异不大,联合概率并不会随着研究尺度的增加而增加; 但在时间上却有明显分布特征,干旱联合概率偏高的时段主要为80年代中后期、2003—2005年以及2010—2013年,此时段内区域多水文干旱与气象干旱,干旱程度较重,发生频率较高。根据联合分布等值线可了解到,等值线数值越高则两种干旱高频发生的概率越高,而数值越低则表明两种干旱都发生的可能性越低。由图 12明显看出,两种干旱类型在1989年、2003年、2005年、2011年、2013年出现联合概率极大值,概率主要分布于[0.9,1],在此5个年份内,黔中水利工程区频繁出现水文干旱与气象干旱,在双重干旱发生下,区域因长时间降水不足,蒸散发量增加,从而导致地表径流量减少,地表水通过蒸发和入渗等方式消散而不汇流聚集。联合概率极低值主要出现于1995—1997年,概率主要分布于[0,0.05],表明黔中地区同时出现两种高频干旱的概率趋近于0,结合4.1.1与4.2.1研究结果,此时段内黔中地区雨水充足,地表河流湖泊水量丰富,发生干旱的可能性极低。
3.3.3 多尺度下的干旱条件概率分析
气象干旱与水文干旱之间有着密切的联系,一定时期内无降水或降水不足导致的区域蒸散发需求加剧了大气干燥状况从而促进了水文干旱的发展,但区域在一定时期内无降水或降水量极少不一定导致水文干旱的发生[29]。图 13为某一尺度气象干旱(U)发生后,各尺度下水文干旱(V)发生的条件概率[C(U,V)],由等值线分布情况可知,水文干旱条件概率较高时期主要为1984—1990年,概率区间主要在[0.9,1],即区域发生气象干旱,长时间降雨不足后极有可能引发区域水文干旱。从整体上看,多尺度水文干旱在各尺度气象干旱发生下的条件概率大体一致,可见气象干旱的研究尺度长短对多尺度水文干旱发生概率影响不大。但是从局部差异上看,在条件概率概率偏高时段即1985—1990年,3个月与6个月尺度下的气象干旱发生,均导致水文干旱在9个月尺度下发生概率最高; 9个月与12个月尺度下的气象干旱发生,导致水文干旱在6个月与9个月尺度下发生概率最高,但我们能明显看到12个月尺度下气象干旱发生后,水文干旱在6个月尺度内发生的高概率时段较长。另外,根据黔中水利枢纽工程区57 a间条件概率分布(图 14),区域水文干旱发生概率波动较大,当区域气象干旱发生后,水文干旱于1989年达到概率极大值,条件概率约为0.940,于1983年达到极小值,概率约为0.156,整体呈上升趋势。综合以上结果,12个月尺度下气象干旱的发生,导致6个月尺度下水文干旱发生的概率偏高且干旱时段较长,57 a来黔中地区水文干旱发生的条件概率总体呈上升趋势,其中以20世纪80年代中后期及进入21世纪后的概率变化较为显著,在长时间的降水不足情况下,区域发生水文干旱的概率偏高。
