河流干旱对不同时间尺度的中国湘江流域气象干旱的鲁棒响应外文翻译资料

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河流干旱对不同时间尺度的中国湘江流域气象干旱的鲁棒响应

赵琳¹，吴建军²，方健¹

1武汉大学资源与环境科学学院，武汉430079

2北京师范大学灾害与应急管理学院，北京100875

函件应寄给方健; fj20061028@126.com

接收日期2015.6.2 收稿日期2015.10.1

学术编辑：MauritsW. Ertsen

版权所有copy;2016赵琳等。这是一个根据知识共享署名许可分发的开放获取文章。只要原始作品被正确引用，该文章被允许在任何媒介中不受限制地使用，分发和复制。

摘要：气象干旱可以演变为水文系统的所有方面，例如土壤层，地下水和河流排放，分别导致农业干旱，地下水干旱和溪流干旱。它如何传播？在气象干旱和其他气候之间是否有一些紧密的联系？这些问题需要进一步了解不同气候区域。在本文中，利用1976年到2005年不同时间尺度的月SRI和SPEI来了解河流干旱对湘江流域（中国中部的半湿润流域）气象干旱的影响。令人印象深刻的发现包括发现SRI和SPEI之间的强相关性。当与SRI相关时（?= 0.79），2个月时间尺度的SPEI表现最好。 SPEI的较长时间尺度似乎不适用于流水干旱鉴定。在季节性尺度中，在旱季获得较高的相关系数，而在季节中发现较低的系数。在2个月的时间尺度下，11月的R达到最大值0.89。此外，河流干旱与气象干旱之间的鲁棒响应关系也被发现。平均应答率（??）相当高（75.4％），其最大在2个月的时间尺度时获得（??= 82.9％）。同时，重要季节差异的反应率也有指出。

1.介绍

干旱是一种多方面的现象，它的发生跨越一个范围的时间和空间尺度[1]，是通过超过正常水缺乏的时期来判别其特征。它是世界上最具破坏性的自然灾害之一[2]，对自然环境的不同领域造成重大损害，如植被生长[3,4]，作物产量[5,6]，供水[7]，荒漠化[8]和森林火灾[9]。由于全球变暖，旱地面积在过去五十年显着增加[10]，在许多陆地区未来30-90年内普遍严重的干旱也被大多数模型模拟[11]。

现已有四种基本类型的干旱在1985年被Wilhite和Glantz确定 [12]，它们是气象的干旱，农业干旱，水文干旱和社会经济干旱。长期严重的气象干旱将逐渐传播到水资源的不同领域，如土壤湿度，地下水和河流排放，导致土壤干旱，地下水干旱等河流干旱。干旱通过水文系统的传播很复杂，可能受到基本条件如土地覆盖，植被，地形等[13-15]的影响。了解这种传播过程以及它在不同区域的行为不仅会有助于干旱监测和预警，同时也为制定区域干旱计划提供理论和实践意义上的进一步支持。

几个以前的研究报道了水文干旱与气象的关系干旱。部分研究已经注意到当干旱通过不同水文系统传播时的进一步的特征。在丹麦，Hisdal和Tallaksen进行了一个比较气象干旱与水文干旱区域特征的研究，并发现，与气象干旱相比，水文干旱分布较不均匀，发生频率较小，并且持续更长的时间[16]。 Peters等人还提供了证据表明，由气象干旱向地下水干旱的传播减少了干旱事件的数量，并导致了一个干旱严重程度分布的转变[17]。相关研究主要致力于不同时间尺度的水文干旱对气象干旱如何响应以及水文干旱到气象干旱的时滞。Vicente-Serrano和Lopez-Moreno发现了在多山地中海流域，表面流动回应了气象干旱的短时间尺度（1-4个月）[18]。Tabrizi等人发现在伊朗Doroodzan流域上游的年时间尺度气象干旱适用于调查下游的河流干旱的发生[19]。在中国的十个主要流域[20]，年时间尺度下的PDSI，SPI和降雨百分比异常之间具有良好相关性。在中国典型半干旱内陆流域内，四个月时间尺度下的标准化降水指数（SPI）在与标准化径流指数（SRI）[21]相关时最适合用于指标。 在这个区域内[21]同时还发现了河流干旱与气象干旱之间有127天的时间延迟。在埃塞俄比亚的阿瓦什河流域进行的研究[22]也曾发现类似的长达7个月的时间滞后。在美国俄克拉荷马州一个小干旱易发流域，模型投影[23]下在SRI和SPI之间存在2个月的时间滞后。

考虑到之前有限的，关于亚洲水文干旱与气象干旱之间关系的相关研究，本研究的范围在华南一个湿润的流域内关于河流干旱对气象干旱的响应南。如最近的研究[24]所示，PET，面对气候变化，水文循环中一个重要的组成部分，不应该在干旱监测中被忽略。不同于SPI，PET已经被纳入标准化降水蒸发指数（SPEI）计算[25]，使其在湿润和半湿润地区的干旱监测中比SPI更有效，其中两者降水和温度对于干旱识别至关重要。

主要目的是测试不同时间尺度下的SPEI在表明河流干旱时的有用性以及河流干旱与气象干旱的关系在湿润地区的不同季节如何表现，特别是在全球变暖的趋势下。目标是选择SPEI最合适的时间尺度在河流排放中来识别干旱。结果将有助于区域水资源规划和干旱管理。

2．材料和方法

2.1研究区域和数据

湘江流域是长江流域最大的子流域之一。它位于中国南方，大部分流域在湖南省内（图1）。作为长江的支流河流，湘江源自西南山区向东北流入洞庭湖。它的总长度为844公里，形成一个94,660平方公里的流域。在这个流域的流量主要通过降水补充。图2表现了1976年到2005年月平均径流量和月降水量之间的鲁棒线性关系。流域的海拔从2098m到0m不等，包含南部及西南部的高山以及北部的平原。通过1976至2005年间的平均月度温度和月降水量（图3）可以判断流域特征为湿润的亚热带季风气候。年平均温度约为17.1℃，年平均蒸发量是大约1200mm。年降雨量1170mm到2160mm，并且分布不均匀，容易引发频繁洪水和干旱。

在这个盆地有六个气象站（见图1中的黑点）。它们提供了本研究中使用到的气象信息。覆盖了1960年到2014年的月降水量和平均温度数据是由中国气象局提供。在湘潭站获得了日排放数据（图1中的绿点），湘潭站是湘江下游的关键水文站，覆盖期1976年至2005年。水文数据由长江水利委员会提供 （CWRC）。在计算SPEI和SRI之前已经进行了气象数据和放电数据的质量测试。

为了避免气象数据的不均匀性，我们通过关联每个气象站的数据序列与区域平均值来测试其一致性。表1显示每月降水的Pearson相关系数和每个站的平均温度系列以及区域平均系列。在所有气象站（?ge;0.87）内，相关系数都非常高且显着（?lt;0.01）。

2.2方法

2.2.1 气象干旱评价 气象干旱事件是基于新发展的标准化降水蒸发指数（SPEI）进行评估 [25]。时间的多尺度特征的鲁棒性， SPEI类似于SPI [26]。它也将温度结合进入模型，用于计算潜在蒸散发（PET）。我们按照Thornthwaite方法计算PET [27]，这已经被证明是可靠的SPEI计算方法[28]。

SPEI的计算需要长期月尺度气象数据，其根据不同的目标被安排到适当的时间，例如，3个月时间尺度，6月时间尺度，9个月时间尺度和12个月时间尺度。不同的时间尺度（?月）表示累积的不同时间长度的降水数据和通过回溯平均温度数据。在本研究中，SPEI的i月时间尺度被简写成SPEIi。更详细的计算程序可以在相关参考文献中找到[25]。藉由六个气象站，涵盖1960年至2014年期间的平均数据，输入每月降水和平均温度计算出SPEI。在本研究中，1976年到2005年之间1到12个月的时间尺度下的SPEI提取与SRI的时间跨度一致。

基于气象干旱的分类SPEI值见表2 [25]。 四次干旱强度按不同的SPEI值分类。

2.2.2 河流干旱的评价 SRI [29]在本研究中被用于识别河流干旱。 它可以用与正常标准化相似的方式计算，公式给作

SRI_ij=， (1)

其中?和?分别是年的年和月（?= 1976，1977，...，2005;?= 1,2,3，...，12）; 和sigma;?分别是

?_ij的平均值和标准偏差。 ???是给定的第i年和第j个月的月平均排放量的自然对数。 SRI的时间尺度是一个月。

基于SRI值的河流干旱分类见表2。四个主要干旱强度通过不同的SRI值分类。

2.2.3。 河流干旱对气象干旱的响应率。 在这项研究中，我们使用响应率（?_?）以指示气象干旱发生时河流干旱发生的百分比。 它代表不同时间尺度下河流干旱如何响应气象干旱。更高的R_r意味着这种反应更敏感，反之亦然。

?_?的具体算法如下：

R_r =， (2)

其中?是气象干旱（SPEI lt;0）在1976年到2005年的发生的次数，?是SPEI小于0的情况下河流干旱（SRI lt;0）发生的次数。

3.结果

3.1 SRI和SPEI的时间变异性 流域的每月SRI和不同时间尺度的SPEI见图4，涵盖1976年至2005年的时期。通过SRI系列确认了四个主要的河流干旱期，其为AUG / 1977-SEP / 1981（河流干旱期1（SDP1）），JUL / 1983-APR / 1993（SDP2），AUG / 1998-JUN / 1999（SDP3）和JUN / 2003-JUN / 2004（SDP4）。 SDP1和SDP2还具有间歇性短期湿润的特征。另外两个时期更短暂，被连续河流干旱覆盖。最严重的河流干旱发生在SDP3，其特征是连续三个月的极低SRI值（SRIFMA / 1999 lt;-2）。

从SPEI在不同时间尺度（图4）来看，可以确定不同时间尺度的气象干旱的演变。在SPEI的较短时间尺度发现更高的干旱频率。较长时间尺度的干旱发生时间滞后于较短时间尺度的干旱发生时间，这通过向右倾斜的红色垂直条纹（干旱事件）表明。此外，主要干旱及其大小和持续时间也可从图4中清楚地看出。最严重的气象干旱发生在1998 - 1999年。此外，从不同时间尺度的SRI和SPEI的比较分析可以发现河流干旱和气象干旱之间的良好对应。上述两个严重或极端气象干旱期（1998-1999，2003-2004）的特征在于所有时间尺度的SPEI与SDP3和SDP4非常吻合。这一结果表明，连续的严重气象干旱可能导致严重或连续的流域干旱。

3.2 SRI与SPEI不同时间尺度的关系

在不同时间尺度下，SRI和SPEI之间的Pearson相关系数如图5所示。相关系数在所有时间尺度都高且显着（?gt; 0.55，?lt;0.01），时间尺度有显着差异。在2个月时间尺度（?= 0.79）获得最大相关系数。相关性随着时间尺度的增加而逐渐减小。结果表明，湘江径流主要受当前和以前几个月的降水影响，进一步分析了不同月份不同时间尺度的SRI与SPEI之间的关系。在图6中发现了不同时间尺度的显着季节差异。在所有时间尺度中发现了10月至3月的较高相关系数（平均值?gt; 0.75，?lt;0.01）。在5月发现最低的相关系数，大多数不同时间尺度的ales小于0.5。关于时间尺度，1个月尺度的相关性低。它在2个月尺度上显得更高，并且当时间尺度增加时逐渐减小。在图6中的三个部分（红色区域具有大于0.85的红色区域）中发现最高相关性。前三个高相关系数在11月的2个月尺度（?= 0.89），8月的3个月尺度（?= 0.88）和3月的5个月尺度（?= 0.88）获得。图7显示了SRI系列和SPEI系列在2月份的两个月的时间尺度。可以清楚地发现，SRI的波动与SPEI2的波动非常吻合。靠近SRI系列的所有峰和谷对应于SPEI2的峰和谷。

3.3 河流干旱对气象干旱的响应 不同时间尺度河流干旱对气象干旱的响应率（??）如图8所示。他们之间发现了强烈的反应关系。 所有时间尺度的??都相当高，平均为75.4％。 在短至中等时间尺度（1至8个月），??维持在约75％，除了峰值出现在2个月时间尺度（??= 82.9％），8个月尺度后，??随时间尺度的增加逐渐下降，在12个月时达到最低（??= 69.3％）。 结果表明，湘江流域的河流干旱对2个月时间尺度的气象干旱有很好的响应。 当发生气象干旱（SPEI2 lt;0）时，河流干旱的概率将达到82.9％。

图9反映了河流干旱与气象干旱的季节响应差异，月度尺度上也发现了鲁棒反应关系。大多数响应率大于70％，而且月份差异明显。河流干旱对气象干旱的敏感性在季节和时间尺度上不同。 SPEI的较短（1-4个月）时间尺度在1月至7月可以指示河流干旱（SRI lt;0），而SPEI的中尺度（5-9个月）表现更好，用于指示8月至12月的河流干旱。在秋季和冬季（干旱季节）发现较高的反应率。可能的原因是溪流对干旱季节的降雨敏感，而在湿润季节，这种关系可能受到其他因素的影响，例如更频繁的强降雨，与高温相关的更强的蒸发蒸腾，以及更高的水需求，如农业城市和农村居民的灌溉和较高的家庭用水需求。11月份的7个月尺度（??= 93.8％），2月份的3个月尺度（??= 92.9％）和7月1个月尺度（??= 92.3％），最低??出现在5月，最小值等于41.7％。

4.讨论和结论

为了解湘江流域河流干旱如何回应，分别计算1976年至2005年不同时间尺度的月SRI和SPEI，以分别识别河流干旱和气象干旱。 目前已经研究了相关和响应关系。 本流域发现河流干旱和气象干旱之间的鲁棒关系。主要结论如下：

1. 通过对不同时间尺度的SRI和SPEI的比较分析，可以很好地研究河流干旱和气象干旱之间的关系。 连续严重的气象干旱将在这个盆

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