摘要：当前，全球气候变暖导致极端水文事件（如洪水、干旱等）的发生频率与强度显著增加，改变了降水的时空分布格局，加剧了发生区域性旱涝灾害的风险。长江上游流域是整个长江流域以及我国重要的水源涵养区和水电能源基地。目前，长江上游流域水文干旱频发，径流量减少，威胁着长江中下

本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第6期

作者：王云，李文鑫，张建云，刘翠善，阮俞理，虞畅，金君良，王国庆，贺瑞敏

当前，全球气候变暖导致极端水文事件（如洪水、干旱等）的发生频率与强度显著增加，改变了降水的时空分布格局，加剧了发生区域性旱涝灾害的风险。长江上游流域是整个长江流域以及我国重要的水源涵养区和水电能源基地。目前，长江上游流域水文干旱频发，径流量减少，威胁着长江中下游流域的居民农业生产和生活用电等，不利于我国经济发展和生态保护。

中国工程院张建云院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第6期发表《长江上游流域水文干旱历史演变及未来预估》一文。文章利用水量平衡（RCCC-WBM）模型，分析了长江上游直门达、朱沱、寸滩、宜昌4个水文站及以上流域的水文要素历史演变和未来发展趋势，并基于标准化径流指数（SRI）识别了长江上游流域的水文干旱事件及特征。结果表明：① 1961—2020年，朱沱、寸滩和宜昌3个水文站的径流量及对应长江上游干流区、岷沱江、嘉陵江及乌江各子流域的SRI均呈减少趋势，即微弱变旱化趋势，而直门达水文站径流及以上金沙江流域SRI呈增加趋势，即无旱化趋势。② 2021—2090年，各水文站及以上流域SRI均呈增大趋势，说明长江上游流域未来呈无旱化趋势，这可能与未来预估降水、径流大幅增加密切相关；未来水文干旱频次、频率、历时及烈度均表现为近期较强，远期较弱。鉴于长江上游流域极端水文干旱现象日益显著，防旱减灾工作紧迫，建议完善抗旱机制体制，提升基础设施建设和应急管理能力，强化数字技术赋能，构建智慧防旱减灾体系并突出创新驱动，以强化防旱减灾科技支撑。

一、前言

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在第六次评估报告中指出，人类活动已成为加剧全球气候变暖的主要驱动力。全球气候变暖导致极端水文事件（如洪水、干旱等）的发生频率与强度显著增加，改变了降水的时空分布格局，加剧了发生区域性旱涝灾害的风险。21世纪以来，长江流域在2011年、2013年、2019年、2022年均发生了严重的水文干旱，造成了巨大的经济损失。其中，2022年，长江流域出现了大范围的异常高温干旱复合事件，多地日最高气温突破历史纪录，干旱过程综合强度为1961年以来最强，对流域内的自然环境和人类社会经济发展产生了广泛影响。长江上游流域是整个长江流域以及我国重要的水源涵养区和水电能源基地。水文干旱会直接影响供水和水力发电，目前长江上游流域水文干旱频发，径流量减少，威胁着长江中下游流域的居民农业生产和生活用电等，不利于我国经济发展和生态保护。

长江流域历史时期水文干旱状态呈加重态势，干旱频率呈上升趋势，多年平均干旱率为18.21%，特别是长江上游流域的干旱历时、干旱烈度、特旱事件的频次与区域均呈增加趋势。在未来演变趋势方面，长江上游流域远期干旱强度将有所缓解，整体将朝湿润化方向发展。目前，聚焦长江流域历史时期水文干旱演变态势、围绕典型水文干旱事件特征与归因分析的研究已较为成熟；而基于第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的多个气候模式数据，开展长江上游流域未来水文干旱变化趋势预估的研究亟待深化。明确气候变化背景下的长江上游流域历史水文干旱演变态势和未来水旱灾害的发展趋势，有助于降低水安全风险，促进社会和经济可持续发展。

本文以直门达、朱沱、寸滩和宜昌4个水文站及以上流域为研究对象，基于历史实测气象水文数据和CMIP6多个气候模式预估的未来气象数据，运用水量平衡（RCCC-WBM）模型，分析1961—2020年的径流演变情势和2021—2090年的径流变化趋势。运用标准化径流指数（SRI）评估长江上游流域的水文干旱程度及干旱特征，分析长江上游流域水文干旱的历史演变情况及未来发展趋势，提出长江上游流域应对极端水文干旱灾害和气候变化的对策建议，为长江流域干旱预测与抗旱减灾提供科学依据。

二、研究区域与数据

本文的研究数据主要包括实测气象水文数据和未来气候变化情景下的CMIP6全球气候模式预估数据。① 气象数据来源于国家气候中心提供、由全国2400多个气象站资料插值生成的再分析数据集CN05.1，空间分辨率为0.5°×0.5°，包括1961—2020年长江上游流域直门达、朱沱、寸滩、宜昌4个水文站实测的气温和降水数据；实测水文数据来源于《长江流域水文年鉴》，包括1961—2020年实测的上述4个水文站的月尺度流量数据。② CMIP6全球气候模式预估数据包括低辐射强迫路径（SSP1-2.6）、中等辐射强迫路径（SSP2-4.5）和高辐射强迫路径（SSP5-8.5）3种排放情景下10种气候模式预估的2021—2090年气温、降水数据。气候模式包括BCC-CSM2-MR、CanESM5、EC-Earth3、GFDL-ESM4、INM-CM4-8、KACE-1-0-G、MIROC6、MPI-ESMI-2-HR、NorESM2-LM、UKESM1-0-LL，这些模式在极端降水和气温模拟方面效果较好，且CMIP6相较CMIP5对极端气候的模拟能力有所提升。

三、研究方法

（一） 水文干旱指标

本文采用SRI来评估长江上游流域的水资源短缺状况，识别水文干旱演变趋势。以1年为单位，运用皮尔逊III型概率分布函数对逐月平均径流序列进行拟合，计算其累积概率并进行正态标准化处理后得到SRI值。基于SRI的水文干旱等级划分标准如表1所示。

表1 基于SRI的水文干旱等级划分

（二） 水文干旱识别

一次水文干旱事件定义为SRI连续低于干旱阈值的月份序列。参考以往研究，选取水文干旱阈值为-1。具体来说，当SRI值≤-1时，干旱开始；当SRI值>-1时，干旱结束。从开始月份到结束月份为一次水文干旱事件，对于间隔仅一个月的相邻干旱事件，将其合并为一次干旱事件。在识别水文干旱事件后，计算并提取每次水文干旱事件的干旱特征，包括干旱频次、干旱频率、干旱历时和干旱烈度。其中，干旱频率为干旱月数与时段总月数之比；干旱历时指每一次干旱事件从起始至终止所历经的完整时间跨度；干旱烈度反映干旱的严重程度，用单次干旱事件中的SRI值与干旱阈值之差（取绝对值后累加）来量化。在数据合并时，对应干旱特征需相应调整计算。

表2 RCCC-WBM 模型月径流模拟过程

四、结果与分析

（一） 长江上游流域历史水文干旱分析

1.历史径流变化

基于长江上游流域直门达、朱沱、寸滩和宜昌4个水文站在1961—2020年的逐日实测径流量数据，在年尺度上进行数据处理，分析长江上游流域各水文站径流量的历史变化趋势（见图1），并运用曼 ‒ 肯德尔趋势检验法进行径流量变化趋势的显著性检验。研究结果显示，长江上游流域各水文站的年径流量变化趋势呈现出一定的差异性。具体表现为：朱沱、寸滩和宜昌3个水文站的径流呈不显著下降趋势，趋势变化率分别为-8.06 mm/10a、-2.62 mm/10a、-7.99 mm/10a，反映了长江上游干流区、岷沱江、嘉陵江及乌江各子流域的径流减少；相比之下，直门达水文站的径流则呈现不显著上升趋势，趋势变化率为6.08 mm/10a，反映了长江源区金沙江上段通天河区域的径流增加。这一差异性的变化态势主要归因于长江源区青藏高原1961—2020年的平均气温增加趋势显著，冰川融雪、冻土融化带来的基本径流增加，再加上年降水量呈明显增加趋势，共同导致了年平均径流量的增加。4个水文站的径流变化特征可以反映出长江上游流域的径流变化情况：长江上游西部金沙江上段流域径流整体上呈现增加趋势，而东部地势相对较低的上游干流区、岷沱江、嘉陵江及乌江各子流域径流整体上趋于减少。

图1 各水文站及以上流域1961—2020年的逐年径流量变化趋势

注：k表示趋势变化率，单位为mm/10a，表示每10年的变化量。k值为正时，表示呈增加趋势；k值为负时，表示呈减少趋势。下同。

2. 基于历史实测径流的SRI演变及水文干旱特征分析

图2为朱沱、寸滩、宜昌、直门达4个水文站及以上流域在1961—2020年的SRI变化趋势。可以发现：朱沱、寸滩和宜昌3个水文站及以上流域的SRI均呈现减小趋势，趋势率为-0.13/10a~-0.11/10a，表明长江上游干流区、岷沱江、嘉陵江及乌江各子流域水文干旱状况逐渐由无旱转为轻旱，干旱态势趋于严重；而直门达水文站及以上流域的SRI呈增大趋势，趋势率为0.16/10a，表明长江源区金沙江上段通天河区域的水文干旱状况趋于无旱。与水文干旱阈值相比，宜昌、寸滩和朱沱3个水文站及以上流域的SRI指标变化态势基本一致，水文干旱基本同步；而直门达水文站及以上流域与上述三者的SRI变化存在较大差异。这种差异可能归因于长江源区青藏高原近年来气温、降水量增幅均较大，使得径流量趋于增加，进而推动水文干旱状况减缓、无旱化趋势上升。整体上，长江上游金沙江流域水文干旱状况呈现无旱化趋势，而上游干流区、岷沱江、嘉陵江及乌江各子流域干旱状况整体上趋于恶化，逐渐由无旱转为轻旱。

图2 各水文站及以上流域1961—2020年的SRI变化趋势

表3给出了1961—2020年直门达、朱沱、寸滩、宜昌4个水文站及以上流域的水文干旱特征，即干旱频次为41~52次、干旱频率为15.95%~18.53%、干旱平均历时为2.13~2.77个月、干旱平均烈度为3.15~4.13。具体到各个水文站及以上流域的情况来看：① 宜昌水文站及以上流域，即长江上游干流区及乌江流域，出现水文干旱事件的频次最高，但干旱频率、干旱平均历时和干旱平均烈度都最低，表明该区域虽然水文干旱事件频发，但持续时间短、强度低。② 寸滩水文站及以上流域，即嘉陵江流域，出现水文干旱事件的频次和频率最高，平均历时和平均烈度相对较低，说明该区域水文干旱较为频繁且干旱历时和烈度波动性较大。③ 朱沱、直门达2个水文站及以上流域，即金沙江和岷沱江流域，出现水文干旱事件的频次较低，但平均历时、平均烈度均较高，说明该区域每次干旱事件的历时较长且烈度较大，对生态环境和生产活动的影响带来较大影响。此外，各子流域发生特旱事件的频次均较高，超过总干旱事件次数的40%，直门达、朱沱、寸滩、宜昌4个水文站及以上流域出现的重旱特旱事件占比分别为43.9%、41.86%、46%、40.38%；其中单次干旱最大历时不超过10个月，多数干旱事件历时为1~4个月，最大干旱烈度达到15.19，多数烈度为2~6。总体上，长江上游干流区及乌江流域水文干旱事件最为频发，但历时短、烈度低；嘉陵江流域水文干旱频次较多，但干旱历时和干旱烈度不确定性较大；金沙江流域和岷沱江流域发生水文干旱的频次较少，但极端性较强，易引发生态恶化、农业减产等；整个长江上游流域的重特旱事件普遍多发。

表3 各水文站及以上流域1961—2020年的水文干旱特征

（二） 长江上游流域未来水文干旱预估

本文将10种全球气候模式预估的未来气温、降水数据进行均值处理，基于多模式气温、降水均值模拟得出径流量数据，再基于模拟径流量计算得出未来多年的SRI序列。与10种单模式模拟结果相比，多个模式的集合平均模式与实测数据拟合程度更高、模拟效果更佳，有利于预估和分析未来气象数据的演变趋势。

1. 未来径流变化趋势分析

图3给出了SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5排放情景下长江上游流域直门达、朱沱、寸滩、宜昌4个水文站2021—2090年的模拟径流量变化情况。在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5排放情景下，未来长江上游流域各水文站的径流量均呈显著增加趋势，这可能与降水大幅增加、青藏高原气温升高导致冰川冻土融化等补充了径流有关。对比长江上游流域历史阶段（1961—2018年）和未来近期（2021—2055年）、远期（2056—2099年）的径流变化，结果表明：相较于历史阶段，长江上游各水文站多年平均径流在未来近期增幅较大，直门达、朱沱、寸滩、宜昌4个水文站的径流变化区间分别为-17.46%~20.41%、-17.04%~1.68%、-18.09%~4.82%、-14.61%~6.22%；在未来远期变化幅度较小，4个水文站径流变化区间分别为8.12%~37.11%、-9.13%~8.43%、-12.97%~6.64%、-12.83%~8.54%。总体上，基于多种气候模式集合的平均模式预估得出：长江上游流域未来径流量整体呈增加趋势，具体表现为未来近期径流增幅较大、远期变化幅动较小。

图3 3种排放情景下长江上游流域2021—2090年的模拟径流量变化趋势

2. 基于未来模拟径流的SRI趋势及干旱特征预估

图4给出了2021—2090年4个水文站及以上流域的年尺度SRI序列的变化趋势。由图4可知，各水文站及以上流域在3种排放情景下的SRI均呈不显著增大趋势，这表明整个长江上游流域未来将朝着无旱化方向发展。直门达、朱沱、寸滩、宜昌4个水文站及以上流域的SRI变化在3种排放情景下的增速均相差不大，分别为0.44/10a~0.47/10a、0.3/10a~0.36/10a、0.19/10a~0.27/10a、0.18/10a~0.31/10a。对比不同排放情景下的增速情况，可以发现，各水文站存在一定差异性。一般地，SSP1-2.6排放情景下的增速相对高，SSP5-8.5排放情景下的增速相对低。对比各水文站及以上流域SRI序列的波动情况，可以发现：直门达水文站及以上流域未来SRI变化更稳定，波动较小；而其他3个水文站及以上流域波动幅度较大。

图4 各水文站及以上流域2021—2090年的年尺度SRI变化趋势

表4为2021—2090年不同排放情景下各水文站及以上流域的水文干旱特征情况。比较各水文站及以上流域在未来近期和远期的水文干旱特征可以发现：4个子流域发生水文干旱事件的频次、频率、平均历时、平均烈度及重旱特旱事件发生的频次均表现出近期较强、远期减弱的特征。具体来说，在3种排放情景下，4个子流域近期的干旱频次为27~33次、干旱频率为16.9%~31.67%、干旱平均历时为2.22~4.75个月、干旱平均烈度为3.8~7.96、重旱特旱频次为14~21次。相比之下，远期各子流域干旱事件发生的频次和频率显著降低，干旱平均历时、平均烈度和重旱特旱频次也相对降低：在3种排放情景下，4个子流域远期的干旱频次为1~24次、干旱频率为0.24%~14.76%、干旱平均历时为1~3.06个月、干旱平均烈度为1.17~4.92、重旱特旱频次为0~15次。

表4 不同排放情景下各水文站及以上流域2021—2090年的水文干旱特征

比较各水文站及以上流域在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5不同排放情景下水文干旱特征的变化趋势，可以看出：长江上游流域水文干旱事件在3种排放情景下的干旱频次相差不大。在近期，干旱平均频率、平均历时、平均烈度基本表现为SSP1-2.6排放情景较强，SSP2-4.5排放情景较弱，SSP5-8.5排放情景最弱；与之相反，在远期表现为由SSP1-2.6排放情景向SSP5-8.5排放情景逐渐增强。鉴于全球范围内气候减缓措施的持续推进，SSP2-4.5排放情景在未来气候预测中展现出了更高的代表性和实际意义，因而受到了水文领域的广泛关注。将未来SSP2-4.5排放情景与SSP1-2.6排放情景相比，除直门达水文站外，其他3个水文站未来近期在SSP2-4.5排放情景下的干旱频率、平均历时和平均烈度都相对较低；远期在SSP2-4.5排放情景下，干旱发生的频次、频率、平均历时、平均强度以及重旱特旱频次均明显增多。

对比1961—2020年（见表3）和2021—2090年的水文干旱特征（见表4）可以发现：长江上游流域未来干旱频次将呈减少趋势，干旱频率、平均历时、平均烈度以及重旱特旱频次均表现为在未来近期增强而远期减弱。具体来说，在历史时期干旱频次为41~52次、干旱频率为15.95%~18.53%、干旱平均历时为2.13~2.77个月、干旱平均烈度为3.15~4.13、重旱特旱事件有18~21次。而未来近期的干旱频次为27~33次、干旱频率为16.9%~31.67%、干旱平均历时为2.22~4.75个月、干旱平均烈度为3.8~7.96、重旱特旱频次为14~21次；在未来远期的干旱频次为1~24次、干旱频率为0.24%~14.76%、干旱平均历时为1~3.06月、干旱平均烈度为1.17~4.92、重旱特旱频次为0~15次。整体来看，长江上游流域未来水文干旱事件发生的可能性降低，但长历时、高烈度的极端干旱事件在未来近期将趋于频发，且影响范围将更大，即长江上游流域未来近期极端干旱事件发生的可能性将显著增加。

（三） 讨论

长江上游流域未来径流对气温、降水变化的响应将直接影响该流域的水文干旱状况。本文进一步讨论了长江上游流域未来气温和降水量的变化情况，以更清晰地揭示该流域水文干旱的演变规律。

未来气温（多模式均值）变化主要通过影响蒸散发强度间接导致径流变化，从而引起长江上游流域水文干旱演变。图5给出了不同排放情景下的长江上游流域未来气温变化情况，可以看出：在3种排放情景下，未来各水文站及以上流域将呈现显著温升趋势；气温变化基本同步，变化幅度相差不大，仅直门达水文站及以上流域的平均气温较其他三者气温增幅略高0.01~0.36 ℃。具体来看，在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5排放情景下，各水文站及以上流域气温较基准期多年平均气温在近期将分别升高约1.75 ℃、1.93 ℃、2.35 ℃，在远期将分别升高约2.12 ℃、2.89 ℃、4.43 ℃，未来气温的增长幅度明显加剧。

图5 不同排放情景下长江上游流域的未来气温变化

注：箱线图上、下的横线分别代表最大值与最小值，上、下边界分别代表分位数75%与25%的值，中间横线代表中位数值。下同。

未来降水（多模式均值）变化将直接影响长江上游流域径流变化，从而影响水文干旱的特征及演变趋势。图6给出了不同排放情景下的长江上游流域未来降水变化情况，可知：多模式集合平均模式在3种排放情景下预估的未来降水量变化以显著增加趋势为主。对比4个水文站及以上流域降水增幅发现：朱沱、寸滩、宜昌3个水文站及以上流域的降水量增幅相差不大，在3种排放情景下近期增幅分别为3.09%~3.56%、2.56%~2.8%、2.19%~2.44%；远期增幅分别为8.06%~8.7%、7.05%~7.3%、12.22%~12.35%。而直门达水文站及以上流域的降水量增幅相对较大，在3种排放情景下的近期增幅分别为8.86%、7.29%、10.6%，远期增幅分别为12.45%、14.78%、24.42%。

图6 不同排放情景下的长江上游流域未来降水变化

结合未来径流量变化预测结果来看，2021—2090年，长江上游流域将出现气温升高、降水量增加、径流量增大的趋势，与已有研究得出的变化趋势一致。同时径流量显著增大的结果，与第二次青藏科考研究发现“亚洲水塔”冰川融水变化对长江流域年径流的影响一致。长江上游流域未来气温将显著升高，降水量和径流量将大幅增加，使得未来水文干旱指标SRI呈上升趋势，表征该流域的水文干旱状况趋于无旱化。因此，长江上游流域未来水文干旱状况趋于减弱的可能性较大。

五、结论与建议

（一） 研究结论

受全球气候变化影响，长江上游流域干旱事件愈发凸显，极端水文干旱事件出现频率和强度逐渐增加，导致整个长江流域农业减产、沿岸地区及中下游流域居民生活和工业生产中水资源与电力供应的显著短缺。针对长江上游流域历史水文干旱演变情势及未来发展趋势，研究结果表明：① 1961—2020年，朱沱、寸滩和宜昌3个水文站的径流呈不显著下降趋势，反映了长江上游干流区、岷沱江、嘉陵江及乌江各子流域的径流减少；仅直门达水文站的径流呈不显著上升趋势，反映了长江源区金沙江上段通天河区域的径流增加，这与气候变暖导致的融雪径流增加密切相关。朱沱、寸滩和宜昌3个水文站及其对应子流域的SRI均呈现不显著下降趋势，反映了长江上游干流区、岷沱江、嘉陵江及乌江各子流域的干旱状况将逐渐由无旱转为轻旱，即呈微弱变干趋势；而直门达水文站及以上流域的SRI呈不显著增加趋势，反映了长江上游金沙江流域历史时期干旱状况整体上趋于无旱化。② 2021—2090年，各水文站及以上流域在3种排放情景下的SRI均呈增大趋势，表明长江上游流域未来干旱程度将减弱，朝无旱化趋势发展。这可能与未来预估降水量、径流量大幅增加密切相关。未来长江上游流域的干旱特征表现为近期较强、远期较弱。

（二） 应对长江上游流域水文干旱的建议

1. 完善抗旱机制体制，科学编制城市干旱防御应急预案，加强培训和预演，切实提升应急管理能力

优化抗旱领导组织体系，健全党政同责的地方抗旱工作责任制，完善应急、水利、气象及电力等部门联动协调机制。强化流域协作，健全长江流域抗旱减灾联合调度机制，优化长江上游大型水库群运用方式。坚持“预防为主、防抗救相结合”的原则，着力强化干旱风险预防和动态监管。完善干旱灾害应急预案体系，强化应急预案培训和预演，健全气象水文干旱预警预报与应急响应联动机制，完善极端干旱情况下的“熔断”启动机制，提升应急响应决策能力。加强应急救援队伍建设，提高干旱灾害综合救援能力。

2. 完善水利基础设施建设，提升抗旱能力

对标100年一遇防治要求，完善水利基础设施，有效衔接国土空间规划，及时修订长江流域防旱减灾规划，优化储蓄水设施体系布局。开展防旱减灾工程达标建设，加强水库、堤防等设施的建设和维护，修复潜在隐患、提升设施的耐久性，确保结构稳固、功能完善，以便有效地调节和储存水资源，为流域内的农业灌溉、工业生产及居民生活提供稳定的水源保障。

3. 强化数字技术赋能，构建智慧防旱减灾体系

构建长江流域智慧防旱减灾体系。坚持先进与实用并重，建立“空天地”一体、空间全覆盖的气象水文干旱立体监测体系；打破信息壁垒，整合和共享跨部门、跨地区信息资源，夯实干旱灾害治理的数据基础，实现人 ‒ 水 ‒ 物信息的透彻感知。实现极端干旱、江河径流的精准预报，提升干旱早期预警能力；按照数字孪生流域建设标准，高水平构建长江流域调度系统，实现预报调度一体化和防旱联调联控，满足复杂场景推演应用需求，提升流域生命线和重要保护对象安全保障能力。

4. 突出创新驱动，强化防旱减灾科技支撑

发挥长江流域的独特优势，打造具有国内乃至国际影响力的防旱减灾科技研发高地。加大研发投入，提高水文干旱和沿岸城市防旱减灾基础科学理论、关键技术、先进实用装备、政策制度创新与应用等方面的支持力度；建设长江流域干旱灾害科学观测试验基地和应急抢险实训基地，充分发挥现有科技创新平台及智库作用；推动长江流域防旱减灾科技的高水平、高层次对外交流合作。

注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。

作者简介

张建云

水文水资源专家，中国工程院院士。

主要从水文水资源、防汛抗旱、气候变化影响、水利信息化、水环境保护与治理等方面的科研工作。

注：论文反映的是研究成果进展，不代表《中国工程科学》杂志社

来源：中国工程院院刊