1. 引言
受全球气候变化及人类活动影响，干旱、暴雨、洪涝等极端水文事件发生频率将进一步增加 [1] [2] [3] 。干旱洪涝灾害是全球性问题，旱灾由持续性缺水而引发，具有发生频率高、持续时间长、影响范围广、危害程度强等特点 [4] ，导致水库、湖泊蓄水减少，河流径流量减小，作物减产，人畜饮水困难等问题 [5] ；涝灾多由短期高强度降水或冰川大量融雪造成，导致山洪暴发、河流决堤，危及人类生命、破坏经济和生态环境 [6] 。在我国平均2~3年会遭遇一次严重的干旱灾害 [7] 。旱涝急转在我国也时有发生，在1994年6月中旬珠江流域及2011年夏初长江中下游地区由于连续强降水导致的旱涝急转事件 [8] [9] ，给社会生产造成了巨大损失。汉江流域地处亚热带季风区，气候变化频繁，容易发生干旱和洪涝事件，“旱涝并存、旱涝急转”事件时有发生。在短期里同时遭遇干旱、洪涝事件，会使区域受到的损失及影响呈倍数增加 [10] 。
旱涝异常研究一直是短期气候预测的重要内容，同时是国内外大气科学研究的热点 [11] [12] 。以往研究大多针对夏季降水异常，对旱涝的季节内变化关注较少 [13] [14] [15] 。旱涝急转现象正是季节内降水异常的典型代表 [16] ，在中国华南、长江中下游及西南等地区时有发生 [17] 。吴志伟等 [16] 、王胜等 [18] 、孙鹏等 [19] 分别对长江中下游地区、淮河流域、东江流域开展了旱涝急转事件时空变化趋势及特征研究。Wu等 [20] 从一个较长的时间尺度(季时间尺度)分析了长江中下游流域旱涝共存在夏季平均降水正常年份前提下的发生变化规律，研究指出即便在平均降水正常年，旱涝共存事件也可能发生。闪丽洁等 [21] 通过定义长、短周期旱涝急转指标对长江中下游地区的旱涝急转事件在时空上的分布规律开展了研究。
为了研究和评估旱涝急转给国家、人民带来的巨大损失，亟需一个能对旱涝急转进行定量评估的方法。国内外学者对于如何筛选旱涝急转事件做了一系列研究。Wu等 [20] 由夏季总降水和夏季无雨日定义了DFCI指数，用于定量筛选季尺度的旱涝急转事件。吴志伟等 [16] 定义了长周期旱涝急转指数LDFAI，定量分析了季尺度旱涝急转事件。以上研究大多基于季尺度，将旱涝急转的转折时间点固定在6至7月之间。实际上，旱涝急转事件在任何时段均有可能发生，及时获得旱涝急转的起止时间及转折时间点对于农业生产具有重大意义。
Lu于2009年提出的加权平均降水量WAP (Weighted Average Precipitation)适用于逐日、逐月等不同时间尺度 [22] 。Lu还使用了标准化的WAP (即Standard Weighted Average Precipitation, SWAP)可以对干旱情况进行逐日监测，识别出干旱开始、持续、结束时间以及强度等详细信息，能较好地分析干旱情况 [23] 。因此本文以SWAP指标筛选汉江流域的旱涝急转事件，分析事件演变规律，以期为汉江流域旱涝急转事件的预测及防洪抗旱提供科学依据，更好实现水资源优化配置。
2. 资料与方法
2.1. 研究区域和数据
汉江流域发源于秦岭南麓，位于东经106˚15'~114˚20'、北纬30˚10'~34˚20'，流域全长1577 km，流域面积约15.9万km2。汉江流域属于亚热带季风区，气候温和湿润，年降水量873 mm，水量较丰沛，但年内分配不均匀，年际变化较大。
本文研究资料采用汉江流域实测及GCM模拟日降水数据。实测数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)提供的15个气象站1961~2017年日降水数据(图1)。GCM模拟数据包括历史时期1971~2000年和未来时期2021~2050年。气候模型模拟来自于耦合模型比对项目第5阶段(CMIP5)数据库，选取BCC-CSM1-1m模型；选取中等排放路径RCP4.5和高端排放路径RCP8.5两种温室气体排放情景。
Figure 1. Distribution of meteorological stations in Hanjiang River basin
图1. 汉江流域气象站点分布
2.2. 研究方法
2.2.1. 标准化加权平均降雨指数
Lu于2009年提出了基于累计降雨的气象旱涝指标SWAP (Standard Weighted Average Precipitation) [22] 。该指标基于加权平均降雨WAP (Weighted Average Precipitation)通过Gamma函数标准化得来 [23] 。SWAP指数以降水的单因素气象干旱指数，能在逐日尺度上分析区域的干湿状况。该指标可以识别出干旱开始、持续、结束时间及强度等详细信息，能较好的监测旱涝情况。旱涝等级根据SWAP值划分为9个等级 [4] (表1)。
Table 1. Drought and flood classification standard
表1. 旱涝等级划分标准
2.2.2. Mann-Kendall检验
Mann-Kendall非参数检验方法由Mann首先提出，并由Kendall逐渐完善形成完整的Mann-Kendall检验方法 [24] [25] 。非参数检验方法计算简单有效，不要求系列数据遵从一定分布，在气候、气象研究等方面已得到广泛运用，具体计算过程见参考文献 [26] 。
2.2.3. 旱涝急转事件识别
游程理论也称为轮次理论，是分析时间序列的一种方法。Yevjevich最早运用游程理论识别和描述干旱事件 [27] 。本文取干旱事件截取水平 为−1 (轻旱)，旱涝指标SWAP值满足连续七日小于−1时，定义为一次干旱事件发生，直到SWAP值满足连续三日大于0.5时，定义为此次干旱事件结束，从干旱起始到结束的时间间隔称之为该次干旱事件的持续时间。类似地，取洪涝事件截取水平 为1 (轻涝)，旱涝指标SWAP值满足连续七日大于1时，定义为一次洪涝事件发生，直到SWAP值满足连续三日小于−0.5时，定义为这次洪涝事件结束，从洪涝起始到结束的时间间隔称之为该次洪涝事件的持续时间。
采用上文游程理论定义的干旱事件和洪涝事件，对于某时期，若先后存在一个干旱事件和一个洪涝事件，且干旱事件结束时间与洪涝事件开始时间两者时间间隔小于五天，定义为一次旱涝急转事件，旱涝急转事件的起始时间是这次干旱事件的发生时间，结束时间是这次洪涝事件的结束时间。类似地，对于某时期，若先后存在一个洪涝事件和一个干旱事件，且洪涝事件结束时间与干旱事件开始时间两者间隔小于五天，定义为一次涝旱急转事件，涝旱急转事件的起始时间是这次洪涝事件的发生时间，结束时间是这次干旱事件的结束时间。
2.2.4. 旱涝事件分析指标
采用旱涝事件的发生频次与事件的平均强度两个指标来分析旱涝急转事件的时空变化规律。事件频次为流域时段内发生的旱涝急转事件的累计次数；事件平均强度采用时段内发生旱涝事件总的SWAP指标累计面积与时段内包含的总年数的比值。
3. 结果与分析
3.1. 历史旱涝事件特征分析
3.1.1. 降雨时空变化
图2展现了汉江流域1961~2017年年降水量及多年平均降水量空间分布。可以看出，汉江流域1961~2017年多年平均降水量为948 mm。年降水量最小值出现在1966年，为693 mm；年降水量最大值出现在1983年，为1412 mm；年降水量极值相差达719 mm，降水年际变化相差明显。20世纪90年代出现了连续多年降雨量低于多年平均降水量，事实也证明在90年代干旱事件发生频繁。从降雨空间分布看，汉江下游的多年平均降水量最多，为1356 mm；汉江上游的东南地区的降水量最少，为784 mm。总体而言，近57年来流域年降水量呈不显著上升趋势，上升速率为0.48 mm/年；多年平均降雨量的空间分布存在明显差异，具有不均匀性。
Figure 2. Precipitation from 1961 to 2017 and the spatial distribution of annual average precipitation in Hanjiang basin
图2. 汉江流域1961~2017年降水量及多年平均降水量空间分布
3.1.2. SWAP指数年际变化
图3给出了汉江流域SWAP指数年际变化趋势及M-K检验结果。从UF曲线看，近57年汉江流域SWAP指数呈现先下降后上升再下降后上升的趋势，但上升和下降的趋势均未超过0.05显著性水平临界线。综合SWAP指数计算结果看，旱涝指数SWAP大多在−0.5~0.5范围内变化，主要在0值附近上下波动，由此可知大多数年份属于正常年。干旱最严重的年份为1966年(SWAP为−1.60，重旱)、1997年(SWAP为−1.28，中旱)、2001年(SWAP为−1.18，中旱)，洪涝最严重的年份为1983年(SWAP为1.88，重涝)、1964年(SWAP为1.47，中涝)。这一结果与陶新娥等 [28] 用SPI及SPEI指数识别结果一致，说明SWAP指数能对干旱、洪涝事件做出合理诊断。
Figure 3. Interannual variation and mutation test of SWAP index from 1961 to 2017 in Hanjiang Basin
图3. 汉江流域1961~2017年降水量及多年平均降水量空间分布
3.1.3. 不同等级旱涝事件频次时空变化
从表2可以看出汉江流域不同年代干旱、洪涝事件呈先上升后下降的趋势，不同年代间不同等级旱涝事件发生频率差异明显。其中90年代不同等级干旱发生共5次，干旱事件的累计频率最高，为43.33%，该年代降水最少，多年平均降水量仅为903.6 mm。80年代不同等级洪涝发生共5次，洪涝事件的累计频率高达40%，该年代降水最多，多年平均降水量为1015.9 mm。60年代极端干旱、洪涝事件累计频率最高，高达8.14%。
Table 2. Frequency of different drought and flood grades in Hanjiang River basin
表2. 汉江流域不同等级旱涝事件发生频率
从图4可见，近57年全流域均发生过不同程度的旱、涝事件，干旱事件最少为17次，最多为23次；洪涝事件最少为15次，最多为20次，干旱事件的频次高于洪涝事件的频次，说明干旱事件对区域发展更具威胁性。流域旱涝事件频次在空间分布上不均匀，干旱事件主要分布在汉江上游及下游地区，汉江中游事件的发生频次较少，为17次左右。洪涝事件主要分布在汉江上游的西北和南部地区及汉江下游；汉江中游洪涝事件的发生频次相对较少，为15次左右。从分析结果可知，汉江中游受旱涝事件较汉江上游及下游地区的威胁影响程度小。
Figure 4. Spatial distribution of frequency of drought and flood from 1961 to 2017 in Hanjiang River basin
图4. 汉江流域1961~2017年干旱、洪涝事件频次的空间分布
Figure 5. Spatial distribution of SWAP Index in typical drought year (1966) and flood year (1983) in Hanjiang River basin
图5. 汉江流域典型干旱年(1966年)、典型洪涝年(1983年)SWAP指数空间分布
图5展示了汉江流域典型干旱年、洪涝年SWAP指数空间分布。可以看出，汉江流域典型旱涝年SWAP指数空间分布存在明显差异。1966年汉江中下游地区的干旱等级明显高于汉江上游地区；1983年汉江上游和下游的洪涝等级明显高于汉江中游地区。总体来说，SWAP指数均呈现从上游的西北地区到下游的东南地区先逐渐减小到后增大的趋势。
3.2. 旱涝急转事件特征分析
3.2.1. 未来气候变化情景下SWAP指数及旱涝事件年际变化
图6给出了汉江流域2021~2050年SWAP指数年际变化情况。在未来2021~2050年间，汉江流域两种气候情景下SWAP指数均呈现不显著上升趋势。其中RCP4.5情景下SWAP指数上升速度较RCP8.5情景快，且SWAP指数的年际变化波动较RCP8.5情景大。
Figure 6. Interannual variation of SWAP index from 2021 to 2050 in Hanjiang River basin
图6. 汉江流域2021~2050年SWAP指数年际变化
由表3可知，汉江流域未来RCP4.5、RCP8.5情景下干旱事件频率呈逐渐减小趋势，到2050 s发生频率降至最小；相反，洪涝事件频率呈逐渐增大趋势，到2050 s增至最大。其中等级较高的干旱事件主要集中在2030 s、2040 s，等级较高的洪涝事件主要集中在2050 s。从整体看，2021~2050年汉江流域两种气候情景下干旱事件发生的频率(达到35%左右)均大于洪涝事件发生的频率(为19%左右)，干旱事件的威胁性更大。
Table 3. Frequency of different drought and flood grades in two future climate scenarios
表3. 未来两种气候情景下不同旱涝等级发生频率
3.2.2. 历史及未来旱涝急转事件频次及强度时空演变
图7给出汉江流域各站点不同时期旱涝急转事件发生频次。从旱涝急转事件发生频次看，历史时期涝转旱事件年平均次数为0.5次左右，未来时期RCP4.5情景下为0.6次左右，呈上升趋势，而RCP8.5情景下为0.3次左右，呈下降趋势。历史时期旱转涝事件年平均次数为0.7次左右，未来时期RCP4.5情景下为0.7次左右，RCP8.5情景下为0.6次左右，相比历史时期，未来两种气候情景下旱转涝的发生频次没有明显变化。旱涝急转事件年平均次数均介于一年一遇与两年一遇之间，证明事件筛选方案较为合理，并未使事件频繁发生。对比旱涝事件发生频次可以看出，无论是历史时期还是未来时期两种气候情景下，涝转旱发生频次较少，旱转涝发生频次较高，证明洪涝事件发生完以后发生干旱事件的概率较低，旱转涝事件的可能性更高，更具威胁性。
Figure 7. Frequency of drought and flood at different periods in Hanjiang River basin
图7. 汉江流域各站点不同时期旱涝急转事件发生频次
从图8及图9汉江流域旱涝急转事件发生的平均强度看，相比历史时期，RCP4.5情景下涝转旱平均强度无明显变化，RCP8.5情景下平均强度呈下降趋势；RCP4.5、RCP8.5情景下旱转涝平均强度均呈上升趋势，其中RCP8.5下的上升趋势更加显著。总体而言，在历史及未来时期，旱转涝事件的平均强度均高于涝转旱事件的平均强度，旱转涝事件的威胁性更大。从空间分布看，历史时期涝转旱平均强度较高的主要分布在汉江中上游地区，旱转涝事件强度较高的主要分布在汉江上游西北地区及汉江中游。未来RCP4.5情景下，涝转旱事件平均强度较高的主要分布在汉江上游西北地区及汉江中游；旱转涝事件除佛坪、略阳站点及汉江下游强度较低外，其他地区平均强度较高。未来RCP8.5情景下，涝转旱事件平均强度较高的主要分布在汉江中、下游，旱转涝事件平均强度较高主要分布在汉江上游的西北地区及汉江中、下游。
Figure 8. Spatial distribution of intensity of flood-drought under historical and RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in Hanjiang River basin
图8. 历史及未来RCP4.5、RCP8.5两种情景下汉江流域涝转旱强度空间分布
Figure 9. Spatial distribution of intensity of drought-flood under historical and RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in Hanjiang River basin
图9. 历史及未来RCP4.5、RCP8.5两种情景下汉江流域旱转涝强度空间分布
4. 结论
本文以汉江流域15个气象站点1961~2017年实测及GCM模型模拟的逐日降水数据，采用标准化加权平均降水指数（SWAP），分析了汉江流域历史及未来两个时期SWAP指数的时空变化规律及旱涝事件的演变特征，得出以下几个结论：
1) 历史时期汉江流域年降水量呈不显著上升趋势，上升速率为0.48 mm/年；SWAP指数呈先下降后上升再下降后上升的趋势；在未来两种气候情景下，SWAP指数均呈不显著上升趋势，且RCP4.5情景下的上升速度比RCP8.5快，SWAP指数的年际变化波动也较大。
2) 历史及未来时期汉江流域干旱事件发生频率均大于洪涝事件发生频率，干旱事件的威胁性更大。未来两种气候情景下干旱事件的频率呈逐渐减小的趋势，到2050 s发生频率降至最小；洪涝事件的发生频率呈逐渐增大的趋势，到2050 s增至最大。
3) 历史时期汉江流域旱涝事件频次在空间分布上不均匀，干旱事件频次最多的主要分布在汉江上游的略阳、西峡站点附近和汉江下游；洪涝事件频次最多的主要分布在汉江上游的西北和南部地区及汉江下游。典型旱涝年SWAP指数均呈现从上游的西北地区到下游的东南地区先逐渐减小到后增大的趋势。1966年汉江中下游地区的干旱等级明显高于汉江上游地区；1983年汉江上游和下游的洪涝等级明显高于汉江中游地区。
4) 与历史时期相比，未来RCP4.5情景下涝转旱事件频次呈上升趋势，而RCP8.5情景下发生频次呈下降趋势；未来两种气候情景下旱转涝的发生频次没有明显变化。历史及未来时期下，涝转旱发生频次及平均强度均小于旱转涝，旱转涝发生的可能性更高，威胁性更大。
基金项目
国家自然科学基金重点项目(51339004)；国家重点研发计划(2017YFA0603702)。