研究背景
在气候变化背景下，全球面临着更为严重的干旱、洪涝等极端气象水文事件的威胁。极端气象水文事件不仅造成重大的社会经济损失，同时也给自然生态系统带来巨大的压力。加强区域干旱的动态监测与评估能力，深刻认识干旱的发生规律、传播机制，有助于提高防旱减灾能力，增强区域社会经济与生态环境系统的韧性，已成为当前国内外水文气象领域以及防灾减灾部门关注的热点。
传统上，干旱的监测和评估主要依赖于地面的水文气象观测数据。然而，受站点空间分布及其空间代表性的制约，基于站点的干旱监测较难反映区域干旱的整体情况。近年来，遥感技术因其监测范围广、获取信息全面等特点，在区域干旱监测中的作用日益突出。
已有的研究基于不同的遥感信源，获取区域植被、水体等信息，从不同角度分析区域的干旱特征，突破了传统基于单一地面观测气象水文因子进行干旱监测与评估的局限。然而，受限于遥感影像的时空分辨率和观测范围，当前如何获取连续、完备且一致性高的遥感信息，高效准确地监测区域干旱的发展动态，仍存在不少技术难题和挑战。
干旱的发生通常是由于区内降水不足（气象干旱），从而导致河川径流与湖库蓄水量减少，以及地下水位与土壤湿度降低、植被生长受抑制等水文、农业或生态干旱，并可反过来强化当地的气象干旱。然而，由于流域以及水体自身的调蓄作用，气象干旱并不一定同时带来水文干旱，而气象干旱的结束也不一定意味着水文干旱的终止。
把握气象干旱传播至水文干旱的过程和时间，以及水文干旱相对气象干旱结束的滞后时间，对于干旱的预测与管理意义重大。不同的研究人员基于不同的数据与方法探讨了气象-水文干旱间的传播规律。其中，基于标准化的干旱指数进行相关分析是较为常见的方法。
鄱阳湖区研究意义
鄱阳湖区是长江流域重要的洪水调蓄与水源涵养区，也是东亚候鸟的主要越冬地，是国际性的重要湿地。2022 年，在长江全流域严重干旱的背景下，鄱阳湖区水位显著下降，湿地生态系统遭受重创。深入认识鄱阳湖区干旱的基本特征以及湖区气象-水文干旱的传播规律，可为鄱阳湖区干旱的防灾减灾提供重要的科学参考。
研究区与数据
研究区概况
鄱阳湖（115°49′E—116°46′E，28°11′N—29°51′N）地属亚热带季风气候带，是我国的最大淡水湖泊。在地理位置上，鄱阳湖位于江西省北部、长江中下游，是典型的过水性吞吐湖泊，前承"五河"（赣江、抚河、信江、饶河、修水）来水，后经由湖口汇入长江，形成一种复杂的江湖河生态系统。
鄱阳湖流域包括五河流域及鄱阳湖湖区在内，其边界与江西省行政边界大体一致。在流域和长江干流水文情势的双重影响下，鄱阳湖汛期为4—9月，而非汛期为10月—次年3月。由于汛期和非汛期来水量的巨大差异，湖区水体空间格局的年内变化十分剧烈。鄱阳湖独特的水文条件塑造了多类型湿地复合的生态系统。
图1 鄱阳湖流域水系图与鄱阳湖区范围合成影像
数据来源
| 数据源 | 空间分辨率 | 时间分辨率 | 时间范围/年 | 产品名称 |
|---|---|---|---|---|
| MODIS | 500 m | 每日 | 2000—2023 | MCD43A4.061 |
| Landsat | 30 m | 每月 | 2000—2021 | JRC GSWE Monthly Water History, v1.4 |
| ERA5 | 0.1° | 每月 | 2000—2023 | ERA5-Land monthly averaged data |
研究方法
月水域面积序列重建
由GSWE可以直接获取鄱阳湖区的月水域面积。然而，由于Landsat系列卫星较长的重访周期及云雨的影响，无法由GSWE获取研究时段内完整的逐月水域面积时间序列。为此，本研究同时引入时序完备性较高的MODIS/MCD43A4数据产品。
基于MCD43A4，本研究首先用改进的自适应Otsu算法实现研究区不同时段水体范围的快速识别。该算法结合Canny边缘检测和形态学膨胀运算，能够根据不同的水体分布情况自动生成合适的分割阈值。
由于MODIS影像的空间分辨率低于Landsat，基于MODIS影像获取的水域面积通常偏低。因此，我们利用高分辨率的GSWE数据来校正MODIS数据，构建校正模型，进而重建鄱阳湖区2000—2023年逐月的水域面积序列。
标准化干旱指数
干旱的监测与评价通常都基于标准化干旱指数进行。标准化干旱指数可以消除水文气象变量的季节性因素，同时也有利于设定干旱评价标准。
本文考虑基于逐月降水与水域面积，构建标准化降水指数（SPI）与标准化水体指数（SWI）。SPI用于识别气象干旱，而SWI用于识别水文干旱。
标准化干旱指数的计算通常包括：①确定合适的概率分布函数；②计算累积概率；③将累积概率转换为标准正态分布的Z值。本研究中，SPI和SWI的计算均采用这一通用方法。
气象-水文干旱传播分析
为分析气象干旱向水文干旱的传播过程，本文采用基于事件的方法，分析不同来水区的气象干旱与湖区水文干旱之间的传播关系。具体步骤如下：
- 基于SPI和SWI，识别各来水区的气象干旱事件和湖区的水文干旱事件；
- 对于每一个水文干旱事件，寻找其前期可能的气象干旱事件；
- 计算气象干旱事件结束到水文干旱事件开始的时间差，即为干旱传播时间；
- 计算气象干旱事件结束到水文干旱事件结束的时间差，即为干旱恢复滞后时间；
- 统计分析不同来水区、不同时间尺度以及不同干旱等级下的干旱传播时间和恢复滞后时间。
研究结果
1. 鄱阳湖水域面积的时间变化特征
重建的2000—2023年鄱阳湖水域面积时间序列显示，鄱阳湖水域面积具有显著的季节性变化和年际波动。水域面积年内最大值通常出现在汛期（4—9月），而最小值则出现在非汛期（10月—次年3月）。
水域面积年内最大值与最小值的年际变差系数分别为0.13和0.12，表明鄱阳湖区汛期与非汛期出现干旱的可能性大致相当。这一结果说明，鄱阳湖区无论是在汛期还是非汛期，都面临着干旱风险。
图2 鄱阳湖区2000—2023年逐月水面面积
2. 鄱阳湖区水文干旱特征
在月尺度上，鄱阳湖区重度干旱事件（-1.5 < SWI ≤ -1.0）持续时间、间隔时间和严重程度中值分别为1个月、6.5个月和-0.25；极端干旱事件（SWI ≤ -1.5）对应指标的中值则分别为1个月、8个月和-0.29。
随着时间尺度的增加（从1个月到3个月、6个月），干旱事件总体上表现出持续时间减小、间隔时间延长而严重程度加剧的规律。这表明，短时间尺度的干旱事件更为频繁但严重程度较轻，而长时间尺度的干旱事件虽然频率降低但严重程度更高。
图3 不同水文气象条件下鄱阳湖区水体空间分布
3. 气象-水文干旱传播特征
从气象-水文干旱的传播时间上看，在月尺度上，修水、信江和饶河的气象干旱传播至湖区水文干旱的时间约为2个月，快于其它来水区，表明这3个流域的气象干旱对湖区的水文干旱有更为直接的影响。
干旱恢复滞时与干旱的传播时间在空间上、不同时间尺度上以及不同的干旱程度上有较高的一致性。这表明，气象干旱向水文干旱的传播机制在不同条件下具有相似的规律。
关键发现
水域面积变化特征
鄱阳湖水域面积年际波动强烈，汛期与非汛期干旱风险相当
干旱事件特征
随时间尺度增加，干旱持续时间减小、间隔时间延长、严重程度加剧
干旱传播规律
修水、信江和饶河流域气象干旱对湖区水文干旱影响更直接，传播时间约2个月
结论与讨论
方法创新
本文提出的基于遥感水域面积的标准化水体指数可有效识别水文干旱事件，拓展了遥感在干旱监测与管理中的应用。多源遥感数据融合重建的长时间序列水域面积数据，为干旱监测提供了新的数据源。
科学认识
研究揭示了鄱阳湖区干旱的时间特征和空间分布规律，发现汛期与非汛期干旱风险相当。气象-水文干旱传播过程的研究增强了对区域水文干旱形成机制的理解，有助于提高水文干旱的预测能力。
应用价值
鄱阳湖干旱及其气象-水文干旱传播特性的新认识可为鄱阳湖区的防灾减灾规划与决策提供重要的科学参考与数据支持，有助于制定更有针对性的干旱应对策略。