干旱指標研究現狀與展望

陳小鳳

干旱指標研究現狀與展望

陳小鳳

一、干旱的定義及分類

1.干旱的定義

國內外關于干旱的概念有很多，美國國家海洋和大氣管理局認為干旱是在受影響區域一定時期內因非正常干燥產生長時間缺水，進而導致嚴重氣候不平衡的現象。國際減災戰略機構認為干旱通常是指在一個季度或者更長時期內，由于降水嚴重缺少而產生的自然現象，同時也可能伴隨高溫、強風和低濕度等其他天氣因素的發生，從而加重危害性。《旱情等級標準》對干旱的定義為：因降水減少，或入境水量不足，造成工農業和城鄉居民生活以及生態環境正常用水需求得不到滿足現象。盡管干旱定義各不相同，但基本內涵是一致的，即干旱都是一種長期缺水的自然現象。

2.干旱分類

通常將干旱分為四種類型：氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱。這四種干旱之間既相互聯系亦存在區別。氣象干旱是一種純粹的氣候異常現象，而農業、水文和社會經濟干旱更多的是強調干旱會對人類活動造成影響。通常氣象干旱發生更為頻繁，農業、水文和社會經濟干旱滯后于氣象干旱。

二、干旱指標

干旱指標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，是加強干旱監測、預測、預警和進一步開展旱災研究的基礎。雖然目前尚無一干旱指標能夠描述所有類型干旱的特征，但各類干旱指標都在得到進一步的完善，其科學性和可操作性都在逐步提高。

1.氣象干旱指標

氣象干旱指在一個相對長的時期內，某一地區的蒸發量大于降水量，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象。常用的指標有：降水量距平百分率、降水排頻、連續無雨日數、濕潤度與干燥度、標準化降水指數、Palmer干旱指數等。

（1）降水量距平百分率

降雨量距平百分率法是指某時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數，負值表示比常年偏少。優點是計算簡單，其應用十分普遍；缺點是一方面該指標只考慮降水量，未考慮蒸發和下墊面狀況，另一方面該方法暗含著將降水量當作正態分布來考慮，而實際上多年平均值一般并不是降水量長期序列的中位數。

（2）降水排頻（重現期法）

干旱期間的降水頻率，即旱災重現期，是分析旱情嚴重程度的又一個尺度。通常采用三點適線法計算降水頻率和重現期。降水排頻采用某一頻率對應的降水量作為平水年、枯水年、特枯水年。

（3）連續無雨日數

連續無雨日數是監測干旱的常用指標，指某一時段內連續無有效降雨的天數，其持續時間的長短可反映土壤含水量持續下降的程度和干旱持續的時間，不同地區對連續日數和有效降水量閾值的規定有所不同，一般來說，連續無有效降水持續時間越長，干旱越嚴重。

（4）濕潤度和干燥度指標

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

（5）標準化降水指數SPI和Z指數

SPI是指在計算出某時段內降水量的分布概率后，再進行正態標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。Z指數是用Person-Ⅲ型分布擬合某一時段的降水量，而后對降水量進行正態化處理，將概率密度函數Person-Ⅲ型分布轉換為以Z變量的標準正態分布。Z指標只不過是在降水量的概率分布上用Person-Ⅲ型分布代替了正態分布，并沒有抓住降水量年內分配不均等影響原因這一關鍵。

（6）Palmer指標（Palmer Drought SeverityIndex）

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

2.農業干旱指標

農業干旱指標是對農業干旱評價的一個標準，依據這個標準對干旱發生的強度做出定量評價，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。

（1）土壤含水量指標

常用的土壤含水量指標有兩種：一種是以作物不同生長狀態下（正常、缺水、干旱等）土壤水分的實驗數據作為判定依據，以實時監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，根據農田水分平衡原理，計算各時段末的土壤含水量，預測農業干旱是否發生。目前一般認為當土壤相對含水率小于40%時，作物受旱嚴重，當土壤相對含水率為40%～60%時，作物呈現旱象，60%～80%時為作物生長的適宜土壤水分含量，當其值大于80%時，則表明土壤水分過多，其具體數值隨作物類別、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數來表示，也有以土壤水分的容積占土壤總體積的百分數來表示。用它作干旱指標時，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%時的干旱程度分別為輕旱、中旱、大旱。

（3）供需水比例指標

該指標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因素，并與農作物需水量相關聯，但是有些因素在不同時段、不同區域較難計算，在推廣應用上造成了很大的困難。

（4）土壤有效水分指標

土壤某一層中存儲的能被植物根系吸收的水分叫土壤有效水分存儲量S，當S小到一定程度植物就會發生凋萎，因此可以用它來反應土壤的缺水程度及評價農業旱情。

3.水文干旱指標

水文干旱指由于降水的長期短缺而造成某段時間內，地表水或地下水收支不平衡，出現水分短缺，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，水文干旱的出現是最慢的。

（1）年徑流系數

該指標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和下滲，則徑流系數小。徑流系數的大小與自然地理區的干濕程度有很大關系。

（2）地表供水指數SWSI

SWSI指數是以積雪、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PDSI在大變化的地形、積雪、滯后流失等方面的不足。該指數的不足之處是當數據源發生變化或是供水發生變化時，整個指數需要重新計算，因為要考慮每個因子概率分布的變化與權重變化，其指數對每一個流域而言唯一，不同流域或不同區域之間的SWSI指數無可比性。

（3）水文干旱指數PHDI

PHDI是PDSI的一種改進，用于評價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束點，區別在干旱結束點的計算。PDSI認為當水分條件開始不斷變化直到缺水消失時干旱結束；PHDI則認為水分短缺完全消失時干旱結束。

其他常用的水文干旱指標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.社會經濟干旱指標

社會經濟干旱是指由自然系統與人類社會經濟系統中水資源供需不平衡所造成的水資源短缺現象，社會經濟干旱是最復雜也是抗御難度最大的一種干旱形式。社會經濟干旱指標主要評估由于干旱所造成的經濟損失，常與一些經濟商品的供需聯系在一起，如建立降水、徑流和糧食生產、發電量、航運、旅游效益以及生命財產損失等關系。

三、干旱指標體系

據世界氣象組織統計，目前世界各國應用的干旱指標有55種之多，但是沒有一種指標可以用來描述多種類型的干旱，因此在評價某一區域旱情時要建立干旱指標體系，以彌補單一干旱指標評價的不足。干旱指標體系的建立一般有包括以下四個步驟：（1）選取區域內常用的或者評價效果較好的干旱評價指標組成干旱評價指標體系；（2）收集區域歷史干旱資料和長系列的水文、氣象、農業等觀測資料進行分析；（3）劃分干旱評價指標體系不同等級標準，并確定輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱及特大干旱對應的干旱指標的臨界值，并通過分析歷史資料進行檢驗與核準；（4）確定區域干旱評價指標體系中各干旱指標對應的四種干旱等級的區間范圍。

四、總結與展望

針對干旱指標研究現狀，提出以下四點建議與展望：（1）目前國內的干旱監測站點分布不均，有些地區缺乏站點或者站點偏少，干旱監測站點的布設要充分利用現有的水文、氣象及土壤墑情監測站點，盡量減少或避免監測盲區的出現；（2）遙感用于監測旱情將會是今后干旱監測的發展趨勢，日常干旱監測中可采用傳統的站網監測與遙感等新技術相結合；（3）建立干旱指標時要考慮區域氣候特點、作物種植、土壤類型，要具有實用性與可操作性；（4）為彌補單一干旱指標的不足之處，選取多個干旱指標建立干旱指標體系已成為建立干旱預測預警系統的發展趨勢■

（作者單位：水利水資源安徽省重點實驗室安徽省·水利部淮委水利科學研究院233000）

（專欄編輯：張婷）