2025, Vol. 51 
2. 国家气候中心，北京 100081
2. National Climate Centre, Beijing 100081
南水北调中线工程从汉江丹江口水库引水，跨越长江、淮河、黄河、海河4大流域，输水干渠地跨河南、河北、北京、天津4个省(直辖市)，是我国南水北调工程的重要组成部分(周希圣，2018；吴永妍等，2024)，也是缓解黄淮海平原水资源短缺的重大战略性基础设施(黄绳等，2019)，对于完善中国国家水网、优化水资源配置总体格局具有重要意义(张璐等，2022)。针对南水北调中线工程水源区和受水区降水、植被、水文等要素时空变化以及旱涝特征已有不少研究，陈茜茜等(2024)、刘俊等(2024)、康玲和何小聪(2011)、陈锋和谢正辉(2012)基于多源降水资料，探究南水北调中线工程水源区和受水区的降水时空变化特征以及降水丰枯遭遇风险等；白景锋等(2024)、李鹏傲等(2022)基于植被指数(NDVI)研究南水北调中线水源区植被时空分布和演化特征；曾凌等(2022)、张怡雅等(2022)研究水文情势自南水北调中线工程运行以来发生的变化；潘佳佳等(2024)基于全气象参数量化分析了中线干渠冬季热通量组成，有效提升了中线水温、冰情精细模拟能力；方思达等(2018)基于工程流域内旱涝资料，分析了近500年来南水北调中线工程水源区及受水区的旱涝遭遇特征及调水保障概率；张利平等(2010；2013)运用广义极值分布和广义帕累托分布两种极值统计模型，预估未来情景下南水北调中线工程水源区极端降水分布特征，并采用集对分析法对水源区与海河受水区的旱涝遭遇进行了研究，结果表明南水北调中线水源区与海河受水区历史上旱涝灾害频发，持续性旱涝灾害严重。上述相关研究为制定南水北调中线工程相关政策和技术指导提供理论依据，有助于提高水资源利用效率和可持续性。
干旱是最常见、最复杂的气象灾害之一，对农业生产、自然生态系统和社会经济都造成巨大的影响(陈少丹等，2017；王晓丹等，2022；高歌等，2023)。相较于局地干旱，区域性干旱因其影响范围广、持续时间长，往往造成更严重的损失，成为制约社会经济可持续发展的重要因素(罗蒙等，2023；周建琴等，2024；杨歆雨等，2022；金燕等，2018)。南水北调中线工程水源区和受水区常发生区域性干旱，如1968年黄淮海春夏秋连旱，旱期长、范围广、旱情重，对农作物播种、生长均造成较大影响或危害(徐建文等，2014)；1997年北方夏秋连旱，造成水库蓄水明显减少，地下水位下降，黄河多次出现断流(邹旭恺等，2021)，因而针对南水北调中线工程开展区域性干旱过程研究具有重要意义。目前针对南水北调中线工程区域性干旱过程的研究还不多见，本文以南水北调中线工程的水源区和受水区为研究区，基于气象干旱综合指数(MCI)及气象行业标准(中国气象局，2021；张强等，2021)，采用动态区域性干旱过程识别方法，识别出研究区1961—2023年所有区域性干旱过程，采用百分位数法对干旱过程综合强度指数划分阈值，进而开展区域性干旱过程分析评估及空间分型，以期为南水北调中线工程水资源调度及运行管理提供科学依据。
1 资料与方法研究区为汉江流域(水源区)和北京、天津、河北、河南4个省(直辖市)(受水区)。汉江流域包括汉江主干与其全部支流的所有流经区域，流域面积为15.9万km2，地势西北高、东南低，其发源地在陕西西南部秦岭与米仓山之间的宁强县嶓冢山，向东南穿越秦巴山地的陕南汉中、安康等市，进入鄂西后向北经过十堰流入丹江口水库，出水库后继续向东南流，过襄阳、荆门等市，在武汉市汇入长江(高琦等，2023；夏智宏等，2009)。水源区汉江流域共65个气象站；受水区北京(20个站)、天津(13个站)、河北(142个站)、河南(109个站)共284个气象站。各气象站选用1961—2023年(气象站建站时间晚于1961年的以建站起始年份为准)逐日平均气温、降水以及MCI，其中气温、降水资料来源于国家气象信息中心，MCI数据来源于国家气候中心，环流分析使用的数据为美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的NCEP-NCAR再分析资料。使用的变量包括位势高度、垂直速度和风场，主要采用850 hPa和500 hPa两层的数据，其中异常场的计算为原始场与1991—2020年气候态之间的差值。研究区高程及气象站分布如图 1所示。
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图 1 研究区高程及气象站分布 Fig. 1 Distribution of digital elevation model and meteorological stations in the study area |
MCI采用《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)(中国气象局，2017)中给定的方法计算，为保证干旱日数的统计更加精确且符合实际，采用该标准中单站干旱过程的定义，提取各站1961—2023年所有的干旱过程，进而得到各站的干旱日数，分析研究区干旱日数历年变化、空间分布、变化趋势等时空演变特征。根据《区域性干旱过程监测评估方法》(QX/T 597—2021)(中国气象局，2021)，采用动态区域性干旱过程监测方法，即通过站点之间的重叠率来判断研究区区域性干旱过程，具体如下：依据MCI的监测结果，某日监测范围内有≥10%的相邻监测站点(指两个站点之间的距离在200 km以内)出现中度或以上强度的干旱，则定义为1个区域性干旱日；当连续的区域性干旱日之间站点重合率在50%以上，且持续时间在15 d以上时，则定义为一个区域性干旱过程；满足一次区域性干旱过程判定条件的首日为该次区域性干旱过程开始日；某次区域性干旱过程开始后，当连续5 d出现中旱或以上强度的站点数小于区域总站点数的10%或与前一干旱日的站点数重合率低于50%时，即表示该次干旱过程结束，则将前一日确定为该次区域性干旱过程的结束日。
依据某次区域性干旱过程的平均强度、平均影响面积和持续时间来确定其综合强度指数，其计算方法为：
| $ Z=f(I, A, T)=I \times \sqrt{A} \times \sqrt{T} $ | (1) |
式中：I为干旱过程的平均强度，即过程内单日干旱强度的平均值，单日干旱强度是指区域内MCI达到和超过中旱以上程度所有站MCI的平均值；A为干旱过程的平均影响面积，即过程内单日干旱面积的平均值，单日干旱面积是指区域内MCI达到和超过中旱以上程度的面积；T为干旱过程持续时间，即干旱过程开始日至结束日之间的天数。
根据研究区历次区域性干旱过程的综合强度指数，按照百分位数法进行划分，得到区域性干旱过程综合强度等级阈值，综合强度共划分为一般、较强、强、特强4级。
2 干旱时空变化特征 2.1 干旱日数历年变化根据单站干旱过程的定义，提取水源区汉江流域65个站、受水区284个站1961—2023年的所有干旱过程，再统计各站每年的总干旱日数，得到水源区(图 2a)和受水区(图 2b)干旱日数年际变化。
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图 2 1961—2023年(a)水源区和(b)受水区干旱日数年际变化 Fig. 2 Interannual variation of drought days in (a) water source area and (b) water receiving area from 1961 to 2023 |
由图 2可见，水源区和受水区干旱日数常年值分别为101 d和114 d，相关系数达0.59(显著性水平达到0.01以上)；二者年际波动均较大，干旱日数较多的年份超过180 d，而较少的年份仅10 d。水源区干旱日数最多的前5个年份分别是1966年(172 d)、2001年(166 d)、1997年(166 d)、1999年(164 d)、1995年(163 d)；受水区干旱日数最多的前5个年份分别是1968年(187 d)、1999年(185 d)、1997年(170 d)、1981年(170 d)、2019年(167 d)。从年代际看，20世纪90年代，水源区和受水区的干旱日数均处于较多时期。
2.2 干旱日数空间分布基于MCI计算1961—2023年研究区所有气象站逐日干旱指数值，按干旱过程定义提取各站历年所有干旱过程，再统计各站历年的总干旱日数，进而计算出各站历年平均干旱日数，得到研究区年均干旱日数空间分布(图 3)。由图 3可见，研究区干旱日数总体呈现“中间多两头少”的空间分布特征，其中受水区河南北部、河北南部为干旱日数高值中心，年均干旱日数为115~126 d，而水源区大部、受水区河南南部及河北北部为干旱日数低值区，年均干旱日数为62~85 d，其他地区年均干旱日数为85~115 d。
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图 3 1961—2023年研究区年均干旱日数空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of annual average drought days in the study area from 1961 to 2023 |
根据水源区和受水区各站1961—2023年历年干旱日数变化，计算各站干旱日数的线性趋势系数及其显著性，分析水源区和受水区干旱日数变化的空间差异性。水源区和受水区干旱日数线性趋势系数空间分布及显著性水平检验(通过0.1显著性水平检验)如图 4所示。由图 4可见，水源区大部、受水区的河南大部以及河北东部干旱日数线性趋势系数为正，表明干旱日数有增多趋势，而受水区的河北北部、河北西部及南部、北京、天津大部干旱日数趋势系数为负，表明干旱日数有减少趋势。从显著性水平检验来看，受水区的河北南部有13个站通过0.1显著性水平检验，即干旱日数存在显著的减少趋势，其他大部地区均未通过0.1显著性水平检验，即干旱日数变化趋势不显著。
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图 4 1961—2023年研究区干旱日数线性趋势系数分布 Fig. 4 Distribution of trend coefficients of drought days in the study area from 1961 to 2023 |
基于研究区所有气象站1961—2023年逐日MCI，运用区域性干旱过程识别方法，识别研究区所有的区域性干旱过程。识别出研究区1961年以来共发生97次区域性干旱过程，干旱持续时间最长的3次过程分别为：1968年3月2日至10月5日，持续时间达218 d；1993年4月6日至10月31日，持续时间达209 d；1997年4月17日至11月10日，持续时间达208 d。研究区97次区域性干旱过程持续天数的频数分布如图 5所示，可看出，干旱过程持续天数呈指数递减的频数分布，复相关系数达0.9532。
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图 5 1961—2023年研究区区域性干旱过程持续天数的频数分布 Fig. 5 Frequency distribution of duration days of regional drought processes in the study area from 1961 to 2023 |
针对研究区97次区域性干旱过程，计算各个干旱过程的平均强度、平均影响面积、持续天数，根据式(1)计算得到历次干旱过程的综合强度指数，研究区干旱综合强度指数前10位的区域性干旱过程列于表 1。
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表 1 1961—2023年研究区干旱综合强度指数前10位的区域性干旱过程 Table 1 The top 10 regional drought processes in the comprehensive drought intensity index in the study area from 1961 to 2023 |
针对研究区97次区域性干旱过程的综合强度指数，采用百分位数法对其进行等级划分，分为特强、强、较强、一般区域性干旱过程，进而得到研究区各干旱过程综合强度等级对应的指数阈值(表 2)。根据表 2中区域性干旱过程各等级对应的阈值，对研究区97次区域性干旱过程进行等级划分，特强等级4次、强等级15次、较强等级30次、一般等级48次。研究区4次特强区域性干旱过程分别为1968年3月2日至10月5日、2001年3月23日至10月13日、1997年4月17日至11月10日和2000年3月11日至8月10日。
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表 2 研究区各干旱过程综合强度等级对应的阈值 Table 2 Threshold corresponding to each drought process comprehensive intensity level in the study area |
针对研究区历史典型区域性干旱过程，选取其中最强的3次干旱过程开展评估分析(表 1，序号1~ 3)。3次干旱过程均为特强等级，持续时间均在200 d以上，平均影响面积均超过21万km2。
从典型区域性干旱过程各等级干旱站数及降水量逐日演变(图 6)可以看出，3次干旱过程在时间分布、干旱最强时段以及各等级干旱站数占比等方面均存在明显差异。1968年的干旱过程呈单峰型分布，最强时段主要出现在6月上旬至7月上旬，轻旱站数占27%，中旱及以上站数占73%，其中特旱站数占16.1%。2001年的干旱过程呈多峰型分布，最强时段主要出现在5月中旬至6月中旬，轻旱站数占35%，中旱及以上站数占65%，其中特旱站数占17.5%。1997年的干旱过程亦呈多峰型分布，最强时段主要出现在8月上旬至9月上旬，轻旱站数占37.4%，中旱及以上站数占62.6%，其中特旱站数占11.7%。
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图 6 历史典型区域性干旱过程各等级干旱站数及降水量逐日演变 (a)1968年3月2日至10月5日，(b)2001年3月23日至10月13日，(c)1997年4月17日至11月10日 Fig. 6 Daily variation of the number of drought stations and precipitationat different levels of historical typical regional drought processes (a) 2 March to 5 October 1968, (b) 23 March to 13 October 2001, (c) 17 April to 10 November 1997 |
从典型区域性干旱过程各等级干旱日数空间分布(图 7)可以看出，3次干旱过程干旱日数的空间分布差异明显。1968年的干旱过程主要发生在研究区的中部和北部，干旱日数为120~220 d，干旱中心主要位于河南中部和北部、河北中部和西部，特旱日数达30~110 d；2001年的干旱过程发生在研究区的全域范围，干旱日数为80~200 d，干旱中心主要位于汉江流域东部、河南大部以及河北北部，特旱日数达30~120 d；1997年的干旱过程亦发生在研究区的全域范围，干旱日数为80~190 d，干旱中心主要位于汉江流域南部、河南西部和北部、河北南部，特旱日数达30~70 d。
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图 7 历史典型区域性干旱过程不同等级干旱日数的空间分布 (a)1968年3月2日至10月5日，(b)2001年3月23日至10月13日，(c)1997年4月17日至11月10日 Fig. 7 Spatial distribution of drought days at different levels of historical typical regional drought processes (a) 2 March to 5 October 1968, (b) 23 March to 13 October 2001, (c) 17 April to 10 November 1997 |
针对3次干旱过程进行环流分析，利用NCEP-NCAR再分析资料，给出850 hPa和500 hPa的位势高度场(图 8)、垂直速度场(图 9)和风场(图 10)。结果显示，3次干旱过程的环流背景存在明显的差别，1968年研究区西侧850 hPa存在明显的低压负异常中心，整个区域受到异常西南风控制，南部水源区水汽条件较北部受水区相对更好，导致水源区不旱而受水区干旱；2001年研究区风场异常总体不明显，仅在东南侧的850 hPa高度上存在东北风异常，干旱发生的主要原因是850 hPa和500 hPa都处于异常下沉气流控制，对流发展困难导致干旱发生；1997年研究区的整个中低层几乎都被北风异常控制，不利于水汽输送，且850 hPa东亚大部地区都被高压异常控制，研究区存在明显的下沉气流异常，不利的水汽输送条件与难以发展的垂直运动共同导致了这次干旱过程。
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图 8 历史典型区域性干旱过程的850 hPa和500 hPa位势高度场(等值线，单位：gpm)及其距平(填色) (a)1968年3月2日至10月5日，(b)2001年3月23日至10月13日，(c)1997年4月17日至11月10日 Fig. 8 Geopotential height (contour, unit: gpm) and its anomaly (colored) at 850 hPa and 500 hPa during historical typical regional drought processes (a) 2 March to 5 October 1968, (b) 23 March to 13 October 2001, (c) 17 April to 10 November 1997 |
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图 9 历史典型区域性干旱过程的850 hPa和500 hPa垂直速度场(等值线，单位：Pa·s-1)及其距平(填色) (a)1968年3月2日至10月5日，(b)2001年3月23日至10月13日，(c)1997年4月17日至11月10日 Fig. 9 Vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) and its anomaly (colored) at 850 hPa and 500 hPa during historical typical regional drought processes (a) 2 March to 5 October 1968, (b) 23 March to 13 October 2001, (c) 17 April to 10 November 1997 |
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图 10 历史典型区域性干旱过程的850 hPa和500 hPa风场距平 (a)1968年3月2日至10月5日，(b)2001年3月23日至10月13日，(c)1997年4月17日至11月10日 Fig. 10 The 850 hPa and 500 hPa wind anomalies during historical typical regional drought processes (a) 2 March to 5 October 1968, (b) 23 March to 13 October 2001, (c) 17 April to 10 November 1997 |
为分析研究区区域性干旱过程的空间分型，对其所有气象站1961—2023年MCI进行经验正交函数(EOF)分析，前3个模态分别为：第1模态的解释方差为44.8%，表现为研究区干湿一致型，即全区一致为干旱或湿润；第2模态的解释方差为14.3%，表现为研究区南北干湿跷跷板型，即南部干旱时北部湿润，或南部湿润时北部干旱；第3模态的解释方差为7.7%，表现为研究区南、中、北部三极子分布，即南北部干旱时中部湿润，或南北部湿润时中部干旱。这是因为MCI主要是基于降水计算而得，对研究区降水进行EOF分析，其结果与MCI结果十分相似，第1模态为全区一致型(解释方差为65.3%)，第2模态为南北反向型(解释方差为7.7%)，第3模态为三极子分布(解释方差为4.9%)，因而影响MCI 3模态的主要因素是降水的时空分布。根据EOF分区结果，将研究区分为南部、中部和北部3个区域，其中南部为汉江流域(水源区)、中部为河南省、北部为京津冀地区(中部和北部为受水区)。
针对研究区1961年以来所有区域性干旱过程，分别计算历次干旱过程中3个区域内各站MCI的平均强度，统计MCI平均值≤-0.5的站点占区域内总站数的百分比，并以50%为阈值来判断各区域是否为干旱(百分比超过50%为干旱，否则为不旱)，得到3个区域的干旱空间分布。由于受水区包含中部的河南省以及北部的京津冀地区，当其任一地区发生干旱时，都认为受水区发生干旱。经过统计得出：研究区97次区域性干旱过程中，有39次水源区和受水区同时干旱，占比40.2%；有53次水源区不旱而受水区干旱，占比54.6%；有5次水源区干旱而受水区不旱，占比5.2%。总体来看，有54.6% 的区域性干旱过程，水源区不旱而受水区干旱，有利于南水北调中线工程开展调水工作。
由于南水北调中线工程调水是从汉江流域丹江口水库引水，进一步将汉江流域(水源区)以丹江口为界，分为丹江口以上(汉江流域上游)和丹江口以下(汉江流域下游)两个区域，分别计算汉江流域、汉江流域上游、汉江流域下游的干旱日数与丹江口水库入库流量、库水位的相关性。结果表明：汉江流域、汉江流域上游、汉江流域下游3个区域的干旱日数与丹江口水库入库流量相关系数分别为-0.66、-0.69、-0.52，与丹江口水库库水位相关系数分别为-0.35、-0.42、-0.20。计算结果表明，无论是丹江口水库的入库流量还是库水位，均与流域上游的干旱日数负相关性最高，说明流域上游的干旱状况与水源区的水量联系最为密切，为南水北调中线工程调水的关键区。
5 结论与讨论(1) 研究区干旱日数总体呈现“中间多两头少”的空间分布特征，受水区河南北部、河北南部为干旱日数高值区，而水源区大部、受水区河南南部及河北北部为低值区。水源区和受水区干旱日数常年值分别为101 d和114 d，相关系数达0.59；二者干旱日数年际波动均较大，20世纪90年代均处于较多时期。水源区大部、受水区河南大部以及河北东部干旱日数呈增多趋势，而受水区河北北部、西部与南部及北京和天津大部干旱日数呈减少趋势，从显著性水平检验来看，受水区河北南部有13个站通过0.1显著性水平检验，其他大部地区均未通过，变化趋势不显著。
(2) 1961—2023年，研究区共发生97次区域性干旱过程，干旱过程持续天数呈指数递减的频率分布。根据干旱过程的平均强度、平均影响面积和持续天数，计算出历次区域性干旱过程的综合强度指数，采用百分位数法得到特强、强、较强和一般4个强度等级对应的阈值，进而计算出1961年以来研究区共发生4次特强、15次强、30次较强、48次一般等级的区域性干旱过程。研究区最强3次干旱过程分别发生在1968年、2001年、1997年，综合强度均为特强等级，持续时间均在200 d以上，平均影响面积均超过21万km2，环流特征差异致使3次过程在干旱日数的时空分布、干旱最强时间段以及各等级干旱站数占比等方面均存在明显差异。
(3) 研究区1961—2023年MCI的EOF分析前3个模态分别为干湿一致型、南北干湿跷跷板型、南中北部三极子分布，据此将研究区分为南部(汉江流域)、中部(河南省)、北部(京津冀地区)3个区域，其中南部为水源区，中部和北部为受水区。针对研究区97次区域性干旱过程，54.6%为水源区不旱而受水区干旱，此种情况下有利于工程调水。
从研究区年均干旱日数空间分布可知，受水区干旱日数明显多于水源区，尤其是受水区中部地区，年均干旱日数超过110 d，为水源区的近2倍；且1961年以来研究区有54.6%的区域性干旱过程，水源区不旱而受水区干旱，表明从水源区向受水区调水非常必要且具备条件，从而体现南水北调工程具有重要意义；同时有40.2%的区域性干旱过程为全区一致干旱，即水源区和受水区均干旱，此时可能会出现受水区需要调水，但水源区无水可调的情形；此外，还有5.2%的区域性干旱过程为水源区干旱而受水区不旱，此种情形下受水区调水需求明显下降，因而对于不同年份的干旱过程，南水北调中线工程需结合实际情况开展有针对性的调水工作。丹江口水库以上(汉江流域上游)区域干旱状况与水源区水量关系最为密切，为调水工程的关键区。此外，南水北调中线工程线路长，跨越亚热带和暖温带季风气候区，整个区域气候特征、地形地貌等差异显著，在气候变暖背景下，不同区域的气温、降水、蒸发、径流等气象水文要素变化复杂，导致旱涝配置呈现诸多的不确定性，特别是气候异常情况下，水源区与受水区连续同旱，将直接影响调水工程的可靠性，这些均有待进一步研究，为南水北调中线工程调水管理提供科学依据。
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