长期的水文趋势表明，2022至2024年间亚马逊西部地区遭遇了有记录以来最严重的水文干旱，同时水资源储存量也出现了显著下降

《Journal of Hydrology》：Long-term basin trends confirm a record 2022–2024 hydrological drought and water-storage losses in western Amazonia

亚马逊西部Tamshiyacu流域2022-2024年干旱水文特征分析，揭示长期降水增加与径流季节性延迟趋势，同时该流域遭遇24个月最长连续干旱期，导致地表径流（SRI-6指数

　　在南美洲的亚马逊流域，特别是秘鲁和厄瓜多尔的亚马逊-安第斯过渡区，近年来出现了显著的干旱现象。这一地区是亚马逊河流域的重要组成部分，贡献了约16%的总流量，其水文特征对于理解整个亚马逊流域的气候动态具有重要意义。本研究通过三种分析方法，评估了2022至2024年的干旱事件：首先，通过长期历史数据（1981至2024年）分析降水、径流和高径流季节的开始时间变化趋势；其次，利用卫星数据和地面观测，描述了2022至2024年期间的降雨异常；最后，通过标准化径流指数（SRI）和水储量异常来诊断干旱的水文影响。研究结果揭示了这一地区在气候变暖和森林砍伐影响下，水文系统的脆弱性正在加剧。

亚马逊流域不仅是世界上最大的热带雨林，还对全球生态系统和水文循环起到关键作用。它不仅维持着丰富的生物多样性，还在碳储存和大气水分再循环方面发挥重要作用。作为全球河流中流量最大的河流系统，亚马逊河的水文状况对区域乃至全球的水资源管理具有深远影响。然而，近年来，亚马逊流域的极端干旱事件显著增加，从每世纪一次变为每25年一次，这与森林砍伐和全球变暖密切相关。2005年、2010年和2016年的干旱事件对亚马逊流域超过一半的区域造成了影响，其中2010年的干旱尤为严重，影响了74%的亚马逊地区，包括秘鲁-厄瓜多尔边界区域。这种干旱的加剧趋势表明，亚马逊流域的水文系统正在受到气候变化的强烈冲击。

在秘鲁亚马逊地区的南部，气候变干的趋势尤为明显，这种变化受到自然气候变率和人类活动的影响，如森林砍伐。过去几十年中，南部亚马逊的干旱天数显著增加，这与区域大气变化和全球气候驱动因素有关。2022至2023年的干旱事件在南美高原上尤为严重，这是由厄尔尼诺现象引起的南向水分输送异常所导致的。进入2023年后，亚马逊流域遭遇了前所未有的干旱和高温，这与厄尔尼诺现象的转变和全球变暖及森林砍伐有关。这些极端气候事件突显了亚马逊流域对气候变化的高度敏感性，以及其生态系统面临的严峻挑战。

亚马逊-安第斯地区，特别是秘鲁和厄瓜多尔的亚马逊流域，对于本研究具有特别的重要性。这一地区经历了与气候变率相关的显著水文变化，包括降雨和径流模式的变化，这些变化受到大尺度气候现象如厄尔尼诺和大西洋多年代振荡（AMO）的影响。干旱不仅对水文系统造成影响，还对社会、文化和经济产生了重大后果，对水资源安全、粮食供应、公共卫生和能源生产构成威胁，尤其对土著和当地社区影响更为严重。例如，2023年的干旱导致图库马河在蒂尼奥马里亚的流量减少了45%，而2010年的干旱则造成了巴西阿克雷州约2.43亿美元的经济损失，占该州GDP的7.03%。

为了客观评估干旱事件的严重程度和时间演变，研究采用了标准化指标，如标准化径流指数（SRI）和标准化降水指数（SPI）。这些指标在区域和全球范围内被广泛用于评估干旱的强度和持续时间。在本研究中，SRI12与现场河流流量之间显示出强烈的相关性，这表明SRI12可以作为评估亚马逊流域气象干旱指数的可靠基准。此外，降雨和径流的开始和结束分析也被用于评估水文季节的时间变化，并识别雨季开始和干季结束的延迟或提前。这些方法通常与非参数趋势检测技术（如曼-肯德尔检验和Sen斜率估计器）相结合，用于揭示干旱与大尺度气候驱动因素和土地利用变化之间的联系。

本研究还关注了亚马逊流域西部，特别是亚马逊-安第斯过渡区，该地区是亚马逊流域降雨最丰富的区域之一。然而，对于该地区在2022至2024年干旱期间的水文后果，目前了解有限。因此，本研究旨在分析亚马逊河在塔姆希亚库水文站（以下简称塔姆希亚库流域）的持续水文干旱，评估其严重程度、时间分布和驱动因素。具体目标包括：（i）量化1981至2024年间流域年度降水、平均径流和高径流季节开始时间的长期趋势；（ii）通过绘制月度异常图，描述2022至2024年干旱期间的降雨模式；（iii）利用标准化指数和径流、陆地水储量和地下水储量的异常，评估2022至2024年干旱的强度、持续时间和水文影响。此外，本研究通过将当前干旱与历史干旱事件进行比较，以阐明其时间变化特征和对流域水资源的潜在影响。

塔姆希亚库流域位于秘鲁亚马逊，总面积约为726,400平方公里，其中约53%的面积位于安第斯山脉海拔500米以上。该水文站位于马兰农河与乌卡亚利河交汇处附近，其年均流量为32,000立方米/秒，占亚马逊河在大西洋河口的年均流量的16%。塔姆希亚库流域不仅在水文上具有重要性，还在输送大量沉积物至亚马逊低地方面发挥关键作用。与密西西比河（年均流量约16,792立方米/秒）和刚果河（年均流量约41,000立方米/秒）相比，塔姆希亚库流域的年均流量接近刚果河的水平，但显著高于密西西比河。

塔姆希亚库流域以其丰富的生物多样性和多样的气候类型而著称，尤其是在亚马逊低地与安第斯山脉过渡区。这种气候多样性在降雨模式上尤为明显，北部低地的降雨全年几乎不变，而随着向安第斯山脉和南部移动，降雨季节性逐渐增强。这种差异在该流域的K?ppen-Geiger气候分类中有所体现，从低地的湿润赤道雨林（Af）到安第斯山脉较高处的季风（Am）和温带气候（Cwb/Cfb）。由于安第斯山脉的快速升高，形成了地形暴露，产生了降雨热点和显著的迎风坡-背风坡降雨差异。这些热点主要出现在低处的山麓地区（海拔400-700米），当地年降雨量梯度可达约190毫米/公里。

这些季节性降雨模式与该流域的水文循环密切相关。塔姆希亚库流域的年均降雨量在西南部低地和背风谷地为每年约1500毫米，而在东北部低地则超过3000毫米，安第斯山脉的迎风坡局部平均为每年约6000毫米，极端年份甚至接近9000毫米。这种降雨模式在该流域的水文响应中表现出显著的季节性特征，例如在塔姆希亚库站，高径流季节通常在3月至5月，低径流季节则在8月至10月。因此，将3月至5月定义为高径流季节，8月至10月为低径流季节，符合之前季节性降雨模式的滞后效应。

在研究方法方面，本研究使用了多种数据集和分析工具。首先，研究利用了秘鲁国家气象和水文服务局（SENAMHI）提供的1984至2024年的每日流量数据。这些数据在该流域的水文分析中至关重要，因为该区域的监测站点相对稀少，而塔姆希亚库站因其长期、连续且质量受控的记录而成为理想的选择。其次，研究采用了气候危害小组红外降水与站点数据（CHIRPS）来估计该流域的降雨量，该数据集结合了卫星红外图像和地面观测数据，提供了全球范围内的0.05°降雨量估计，时间跨度为1981至2024年。CHIRPS数据集因其高空间分辨率和长时间序列而被广泛用于气候和水文研究，尤其是在数据稀缺的流域。尽管如此，CHIRPS在不同地区和不同降雨模式下的表现存在差异，例如在低降雨量区域可能存在高估，而在高降雨量区域可能存在低估。此外，在复杂地形区域，其雨量识别能力较弱，且在日尺度上的可靠性较低。然而，研究表明，CHIRPS在亚马逊流域的复杂区域中仍然能够准确反映降雨模式和变率，支持其在水文评估中的应用。

为了识别地下水储量异常，研究还使用了NASA/JPL的GRACE和GRACE-FO数据集，通过Google Earth Engine进行处理。这些数据集以等效水厚度变化的形式表示陆地水储量异常，已被广泛应用于亚马逊流域的极端事件分析。JPL的RL06 mascon方法和海岸分辨率改进（CRI）滤波器有效减少了相关误差和海岸泄漏，提高了数据的准确性。在空间尺度约为1000公里的情况下，GRACE/GRACE-FO数据的典型精度在1.5厘米左右。研究将这些数据集的空间平均值应用于塔姆希亚库流域的上游贡献区域，以评估水储量的变化。

在方法上，本研究结合了流量记录、CHIRPS降雨数据和水储量数据，以评估长期水文趋势和近期干旱事件。研究首先对长期水文趋势进行了分析，包括年度和季节性降雨量以及平均流量的变化趋势。然后，通过月度降雨异常图，描述了2022至2024年干旱期间的降雨模式变化。最后，利用SRI-6和SRI-12指数以及水储量异常，评估了2022至2024年干旱的强度、持续时间和水文影响。这些方法共同构建了一个全面的干旱诊断框架，能够揭示干旱的复杂性，并支持其在不同时间尺度上的评估。

长期水文趋势分析显示，塔姆希亚库流域的高径流季节开始时间显著延迟，每年约延迟12天。这一趋势与该地区降雨量和流量的长期变化密切相关。同时，低径流季节的流量显著减少，年减少量约为-116.3立方米/秒。这些趋势不仅揭示了该流域水文系统的长期脆弱性，还表明近年来的干旱事件加剧了这种脆弱性。例如，2022至2023年的干旱记录了高径流季节的最短持续时间（121天），与1996至1997年（133天）、2005至2006年（125天）和2010至2011年（126天）等极端干旱年份相似。这些结果表明，干旱事件在该地区呈现出周期性加剧的趋势，进一步突显了水文系统的脆弱性。

2022至2024年的降雨异常图揭示了该流域在9月至8月期间的显著降雨减少。这种减少在2023年尤为严重，与该地区水文干旱的加剧相吻合。降雨异常的空间和时间分布与亚马逊流域的两个气候驱动因素有关：（i）2022至2023年期间，西南亚马逊的向南水分输送异常减少了向安第斯山脉的湿度输送；（ii）2023年6月至8月期间，亚马逊中北部地区的异常下沉气流抑制了对流活动，减少了降雨。这些气候模式与厄尔尼诺现象的转变和热带大西洋异常暖水温有关，进一步加剧了干旱的强度。

在塔姆希亚库站，2022至2023年的流量显著低于长期平均值，而2023至2024年的流量则进一步下降，低于历史范围。这种下降趋势与亚马逊流域的干旱现象一致，表明该流域的水文系统正在受到持续干旱的影响。此外，地下水储量异常也显示出显著的下降趋势，尤其是在2022年后期至2023至2024年的水文年期间。这些下降可能是由于塔姆希亚库站的径流减少和流域范围内的干旱加剧所致。地下水储量的持续下降不仅影响了水文系统的稳定性，还对水资源可用性、生态系统和农业产生了深远影响。

研究还发现，水储量和地下水储量的季节性变化在2022至2024年的水文年期间与2002至2020年的平均值相比出现了显著偏差。通常在3月至8月期间观察到的水储量峰值在干旱年份显著降低，表明水文系统的整体耗竭。这些结果强调了长期干旱对流域水资源的严重影响，以及对可持续水资源管理的迫切需求。在亚马逊流域，地下水储量的减少可能与降水减少、蒸发增加和土地利用变化有关，这些因素共同影响了水文系统的稳定性。

在使用GRACE/GRACE-FO数据集评估水储量变化时，需要注意其在流域和子流域尺度上的局限性。这些数据集整合了所有水体，并需要仔细处理信号泄漏和衰减问题。将地下水储量从水储量中分离出来依赖于辅助模型，因此继承了这些模型的不确定性。尽管存在这些限制，研究结果与流量和水储量的其他数据集一致，表明2023至2024年的干旱导致了流域范围内的水体显著减少。

本研究的结论表明，塔姆希亚库流域在2022至2024年的干旱事件是前所未有的，其持续时间长达24个月，是过去四十年中最长和最强烈的干旱之一。这种干旱事件导致了水储量的显著下降，其中陆地水储量异常达到了历史最低水平（低于-15厘米）。塔姆希亚库站的流量在2023年9月就已低于其历史范围，并在2024年8月进一步下降至10,000立方米/秒以下，显示出这一干旱事件的极端性。这些结果表明，降雨减少和季节性径流变化共同加剧了亚马逊流域的干旱严重性，这与该地区干旱频率和强度增加的趋势一致。

研究还指出，尽管本研究基于观测到的降雨和径流数据，但其分析受到卫星记录时间范围、数据集固有不确定性和地面水文站空间覆盖不足的限制。因此，未来的研究应扩展时间范围，采用区域气候和水文模型，纳入土地利用和蒸散发动力学，并评估社区层面的影响，以支持适应性管理策略的制定。此外，研究结果对研究人员和政策制定者具有重要意义，包括：（i）水文季节的变化可以作为热带河流流域干旱压力的早期指标；（ii）多年度的降雨、径流和水储量的综合减少需要采用观测数据和指数相结合的综合监测系统；（iii）政策制定者应考虑利用这些指标来制定早期预警系统和积极的水资源分配计划，以增强生态系统和社区的韧性。这些发现也为气候变化适应、土地利用政策和生态系统建模提供了有价值的信息，有助于防止亚马逊流域的草原化临界点，从而保护森林生态系统。