干旱指標(biāo)研究現(xiàn)狀與展望

陳小鳳

干旱指標(biāo)研究現(xiàn)狀與展望

陳小鳳

一、干旱的定義及分類

1.干旱的定義

國內(nèi)外關(guān)于干旱的概念有很多，美國國家海洋和大氣管理局認(rèn)為干旱是在受影響區(qū)域一定時(shí)期內(nèi)因非正常干燥產(chǎn)生長時(shí)間缺水，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重氣候不平衡的現(xiàn)象。國際減災(zāi)戰(zhàn)略機(jī)構(gòu)認(rèn)為干旱通常是指在一個(gè)季度或者更長時(shí)期內(nèi)，由于降水嚴(yán)重缺少而產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，同時(shí)也可能伴隨高溫、強(qiáng)風(fēng)和低濕度等其他天氣因素的發(fā)生，從而加重危害性。《旱情等級標(biāo)準(zhǔn)》對干旱的定義為：因降水減少，或入境水量不足，造成工農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)居民生活以及生態(tài)環(huán)境正常用水需求得不到滿足現(xiàn)象。盡管干旱定義各不相同，但基本內(nèi)涵是一致的，即干旱都是一種長期缺水的自然現(xiàn)象。

2.干旱分類

通常將干旱分為四種類型：氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。這四種干旱之間既相互聯(lián)系亦存在區(qū)別。氣象干旱是一種純粹的氣候異常現(xiàn)象，而農(nóng)業(yè)、水文和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱更多的是強(qiáng)調(diào)干旱會(huì)對人類活動(dòng)造成影響。通常氣象干旱發(fā)生更為頻繁，農(nóng)業(yè)、水文和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱滯后于氣象干旱。

二、干旱指標(biāo)

干旱指標(biāo)是描述干旱的基本工具，起著量度、對比和綜合分析旱情的作用，是加強(qiáng)干旱監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)警和進(jìn)一步開展旱災(zāi)研究的基礎(chǔ)。雖然目前尚無一干旱指標(biāo)能夠描述所有類型干旱的特征，但各類干旱指標(biāo)都在得到進(jìn)一步的完善，其科學(xué)性和可操作性都在逐步提高。

1.氣象干旱指標(biāo)

氣象干旱指在一個(gè)相對長的時(shí)期內(nèi)，某一地區(qū)的蒸發(fā)量大于降水量，或者降水量異常偏少，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現(xiàn)象。常用的指標(biāo)有：降水量距平百分率、降水排頻、連續(xù)無雨日數(shù)、濕潤度與干燥度、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、Palmer干旱指數(shù)等。

（1）降水量距平百分率

降雨量距平百分率法是指某時(shí)段降水量與常年同期降水量相比的百分比，表示某一評定時(shí)段降水量與常年同期降水量的偏離程度，正值表示比常年值偏多的百分?jǐn)?shù)，負(fù)值表示比常年偏少。優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，其應(yīng)用十分普遍；缺點(diǎn)是一方面該指標(biāo)只考慮降水量，未考慮蒸發(fā)和下墊面狀況，另一方面該方法暗含著將降水量當(dāng)作正態(tài)分布來考慮，而實(shí)際上多年平均值一般并不是降水量長期序列的中位數(shù)。

（2）降水排頻（重現(xiàn)期法）

干旱期間的降水頻率，即旱災(zāi)重現(xiàn)期，是分析旱情嚴(yán)重程度的又一個(gè)尺度。通常采用三點(diǎn)適線法計(jì)算降水頻率和重現(xiàn)期。降水排頻采用某一頻率對應(yīng)的降水量作為平水年、枯水年、特枯水年。

（3）連續(xù)無雨日數(shù)

連續(xù)無雨日數(shù)是監(jiān)測干旱的常用指標(biāo)，指某一時(shí)段內(nèi)連續(xù)無有效降雨的天數(shù)，其持續(xù)時(shí)間的長短可反映土壤含水量持續(xù)下降的程度和干旱持續(xù)的時(shí)間，不同地區(qū)對連續(xù)日數(shù)和有效降水量閾值的規(guī)定有所不同，一般來說，連續(xù)無有效降水持續(xù)時(shí)間越長，干旱越嚴(yán)重。

（4）濕潤度和干燥度指標(biāo)

降水量與蒸發(fā)能力之比稱濕潤度（蒸發(fā)量與降水量之比為干燥度），是一種水分收支的綜合指標(biāo)。該指標(biāo)考慮了下墊面條件，但指標(biāo)中的蒸發(fā)能力是指在充分供水條件下的土壤蒸散失量，不能反映作物的實(shí)際需水情況及土壤各時(shí)期的供水情況。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI和Z指數(shù)

SPI是指在計(jì)算出某時(shí)段內(nèi)降水量的分布概率后，再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。Z指數(shù)是用Person-Ⅲ型分布擬合某一時(shí)段的降水量，而后對降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，將概率密度函數(shù)Person-Ⅲ型分布轉(zhuǎn)換為以Z變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。Z指標(biāo)只不過是在降水量的概率分布上用Person-Ⅲ型分布代替了正態(tài)分布，并沒有抓住降水量年內(nèi)分配不均等影響原因這一關(guān)鍵。

（6）Palmer指標(biāo)（Palmer Drought SeverityIndex）

Palmer指標(biāo)綜合考慮降水、潛在蒸散、前期土壤濕度和徑流，引入了水量平衡的原理，又考慮了供需關(guān)系，具有較好的時(shí)間、空間可比性，能夠描述干旱形成、發(fā)展、減弱和結(jié)束的全過程。該指標(biāo)最大貢獻(xiàn)是首先提出了當(dāng)前情況下的氣候上適應(yīng)降水量概念，以及用氣候特征權(quán)重因子修正水分異常指標(biāo)，使得各代表站之間、各月之間的干旱程度可以比較。

2.農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)

農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)是對農(nóng)業(yè)干旱評價(jià)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對干旱發(fā)生的強(qiáng)度做出定量評價(jià)，是指以植物體水分狀況、土壤水分狀況、植物冠層溫度狀況以及綜合考慮植物、土壤、大氣各種作用因素的一類干旱指標(biāo)。

（1）土壤含水量指標(biāo)

常用的土壤含水量指標(biāo)有兩種：一種是以作物不同生長狀態(tài)下（正常、缺水、干旱等）土壤水分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為判定依據(jù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測的土壤含水率判定旱情。另外一種是用土壤水分消退模式來擬定旱情指標(biāo)，根據(jù)農(nóng)田水分平衡原理，計(jì)算各時(shí)段末的土壤含水量，預(yù)測農(nóng)業(yè)干旱是否發(fā)生。目前一般認(rèn)為當(dāng)土壤相對含水率小于40%時(shí)，作物受旱嚴(yán)重，當(dāng)土壤相對含水率為40%～60%時(shí)，作物呈現(xiàn)旱象，60%～80%時(shí)為作物生長的適宜土壤水分含量，當(dāng)其值大于80%時(shí)，則表明土壤水分過多，其具體數(shù)值隨作物類別、品種及生長階段而變化。

（2）土壤濕度

土壤濕度一般以土壤水分重量占干土重的百分?jǐn)?shù)來表示，也有以土壤水分的容積占土壤總體積的百分?jǐn)?shù)來表示。用它作干旱指標(biāo)時(shí)，干旱程度一般可界定為：不同深度土壤相對濕度Sd滿足Sd＜60%、Sd＜50%、Sd＜40%時(shí)的干旱程度分別為輕旱、中旱、大旱。

（3）供需水比例指標(biāo)

該指標(biāo)考慮了多種水分因素對作物干旱的影響，綜合考慮了水量平衡的各個(gè)因素，并與農(nóng)作物需水量相關(guān)聯(lián)，但是有些因素在不同時(shí)段、不同區(qū)域較難計(jì)算，在推廣應(yīng)用上造成了很大的困難。

（4）土壤有效水分指標(biāo)

土壤某一層中存儲(chǔ)的能被植物根系吸收的水分叫土壤有效水分存儲(chǔ)量S，當(dāng)S小到一定程度植物就會(huì)發(fā)生凋萎，因此可以用它來反應(yīng)土壤的缺水程度及評價(jià)農(nóng)業(yè)旱情。

3.水文干旱指標(biāo)

水文干旱指由于降水的長期短缺而造成某段時(shí)間內(nèi)，地表水或地下水收支不平衡，出現(xiàn)水分短缺，使河流流量、地表水、水庫蓄水和湖水減少。在各種干旱中形式中，水文干旱的出現(xiàn)是最慢的。

（1）年徑流系數(shù)

該指標(biāo)是年徑流深與年降水量的比值，反映在降水量中有多少水變成了徑流。若降水量大部分消耗于蒸發(fā)和下滲，則徑流系數(shù)小。徑流系數(shù)的大小與自然地理區(qū)的干濕程度有很大關(guān)系。

（2）地表供水指數(shù)SWSI

SWSI指數(shù)是以積雪、徑流量、降水、水庫蓄水量為因子，能代表不同水文年的供水條件，用于彌補(bǔ)PDSI在大變化的地形、積雪、滯后流失等方面的不足。該指數(shù)的不足之處是當(dāng)數(shù)據(jù)源發(fā)生變化或是供水發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)指數(shù)需要重新計(jì)算，因?yàn)橐紤]每個(gè)因子概率分布的變化與權(quán)重變化，其指數(shù)對每一個(gè)流域而言唯一，不同流域或不同區(qū)域之間的SWSI指數(shù)無可比性。

（3）水文干旱指數(shù)PHDI

PHDI是PDSI的一種改進(jìn)，用于評價(jià)長期土壤濕度異常對徑流、地下水、蓄水量的影響。PHSI與PDSI都使用觀測的土壤含水量占需求含水量的比率來定義干旱結(jié)束點(diǎn)，區(qū)別在干旱結(jié)束點(diǎn)的計(jì)算。PDSI認(rèn)為當(dāng)水分條件開始不斷變化直到缺水消失時(shí)干旱結(jié)束；PHDI則認(rèn)為水分短缺完全消失時(shí)干旱結(jié)束。

其他常用的水文干旱指標(biāo)還有河道來水量距平百分率、水庫蓄水量距平百分率、地下水埋深下降值等。

4.社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱指標(biāo)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱是指由自然系統(tǒng)與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中水資源供需不平衡所造成的水資源短缺現(xiàn)象，社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱是最復(fù)雜也是抗御難度最大的一種干旱形式。社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱指標(biāo)主要評估由于干旱所造成的經(jīng)濟(jì)損失，常與一些經(jīng)濟(jì)商品的供需聯(lián)系在一起，如建立降水、徑流和糧食生產(chǎn)、發(fā)電量、航運(yùn)、旅游效益以及生命財(cái)產(chǎn)損失等關(guān)系。

三、干旱指標(biāo)體系

據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)，目前世界各國應(yīng)用的干旱指標(biāo)有55種之多，但是沒有一種指標(biāo)可以用來描述多種類型的干旱，因此在評價(jià)某一區(qū)域旱情時(shí)要建立干旱指標(biāo)體系，以彌補(bǔ)單一干旱指標(biāo)評價(jià)的不足。干旱指標(biāo)體系的建立一般有包括以下四個(gè)步驟：（1）選取區(qū)域內(nèi)常用的或者評價(jià)效果較好的干旱評價(jià)指標(biāo)組成干旱評價(jià)指標(biāo)體系；（2）收集區(qū)域歷史干旱資料和長系列的水文、氣象、農(nóng)業(yè)等觀測資料進(jìn)行分析；（3）劃分干旱評價(jià)指標(biāo)體系不同等級標(biāo)準(zhǔn)，并確定輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱及特大干旱對應(yīng)的干旱指標(biāo)的臨界值，并通過分析歷史資料進(jìn)行檢驗(yàn)與核準(zhǔn)；（4）確定區(qū)域干旱評價(jià)指標(biāo)體系中各干旱指標(biāo)對應(yīng)的四種干旱等級的區(qū)間范圍。

四、總結(jié)與展望

針對干旱指標(biāo)研究現(xiàn)狀，提出以下四點(diǎn)建議與展望：（1）目前國內(nèi)的干旱監(jiān)測站點(diǎn)分布不均，有些地區(qū)缺乏站點(diǎn)或者站點(diǎn)偏少，干旱監(jiān)測站點(diǎn)的布設(shè)要充分利用現(xiàn)有的水文、氣象及土壤墑情監(jiān)測站點(diǎn)，盡量減少或避免監(jiān)測盲區(qū)的出現(xiàn)；（2）遙感用于監(jiān)測旱情將會(huì)是今后干旱監(jiān)測的發(fā)展趨勢，日常干旱監(jiān)測中可采用傳統(tǒng)的站網(wǎng)監(jiān)測與遙感等新技術(shù)相結(jié)合；（3）建立干旱指標(biāo)時(shí)要考慮區(qū)域氣候特點(diǎn)、作物種植、土壤類型，要具有實(shí)用性與可操作性；（4）為彌補(bǔ)單一干旱指標(biāo)的不足之處，選取多個(gè)干旱指標(biāo)建立干旱指標(biāo)體系已成為建立干旱預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢■

（作者單位：水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院233000）

（專欄編輯：張婷）