區域干旱演變規律識別的研究進展

辛 琛，張田天

（1.陜西省江河水庫管理局，陜西 西安 710018；2.黃河水利水電開發總公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

近年來，受環境變化影響，全球的干旱災害頻頻出現，遠高于以往任何時期，直接威脅人類社會的經濟發展和生存環境[1]。我國位于亞洲季風區，加之三級階梯的地形結構和多樣的地貌特征，從根本上決定了我國干旱事件頻發和影響范圍較廣。在全球氣候變化影響下，我國干旱事件的強度、頻度、持續時間及空間分布等特性都發生了深刻的變化[2]，干旱事件不僅出現在水資源嚴重不足的北方地區，受低空季風途徑被阻隔和水汽減弱的影響，在水資源相對豐富的南方地區也面臨著嚴重的季節性干旱的威脅。

干旱通常是指在某地理范圍內因降水在一定時期持續少于正常狀態而導致水資源減少、影響植物正常生長和人類用水需求的一種自然現象[1]。而干旱災害（簡稱旱災）是指干旱對人類的正常生活、生產以及生態環境造成影響、產生危害，是自然與社會綜合作用的結果[3]。鑒于干旱災害的復雜性與緊迫性，預防和減輕干旱災害已經成為當今世界關注的重要研究課題[4]。如政府間氣候變化專門委員會（IPCC）、世界氣候計劃、全球能量和水循環試驗、國際全球變化人文因素計劃、國際水文計劃等國際重大研究計劃都將干旱與水資源安全問題列入其中，其重要性更加凸顯。

眾所周知，降水偏少是干旱事件發生的主要誘因，然而干旱本身是一種十分復雜的綜合現象。剖析我國近些年災害頻發且損失嚴重的事實，不難發現，災害的形成不僅與我國抗旱保障基礎條件差的現狀息息相關；同時，干旱成因及發展規律認識不足也是導致旱災損失嚴重的重要因素。隨著全球極端氣候事件的增多，我國干旱出現的頻率有增長趨勢，且干旱程度日趨加劇。由于人們對于干旱災害的危機狀況缺少必要的評估和預警能力，對應對災害缺乏足夠的心理和物質準備，往往處于被動應付的地位，常導致無法彌補的經濟和生態損失。因此，系統全面地認識干旱發生發展規律，掌握識別區域旱情演變的方法尤為重要，可為抗旱減災應急管理和統籌決策提供科學支撐。

1 干旱演變規律文獻回顧

干旱一般是長期的現象，而旱災卻不同，它只是屬于偶發性的自然災害，甚至在通常水量豐富的地區也會因一時的氣候異常或供水系統的調配不利而導致旱災[5]。因此，要預防災害的發生，必須對干旱的發生、發展規律做深入的探討，通過統計規律發現干旱事件的特征（如發生時間、周期、強度、臨界值等等），同時與眾多相關自然、環境要素進行相關分析，識別誘發災害的關鍵因子。

國內外學者一直對干旱規律（特征）的識別方法予以充分關注。其中，最早是由Huff提出了由低雨量頻率及單一地形指標組成的雙變量分析法，用以估算枯季流量。Whipple引入站年法進行區域干旱頻率分析，可估算跨年度的水文干旱。Yevjevich引入游程統計理論分析年干旱事件，并強調大陸型尺度水文干旱應利用其延時、區域大小、嚴重程度、重現機率與開始或結束時間來加以分析。Sen基于隨機變量理論中的隨機數與游程理論，應用獨立且延遲的一階馬可夫過程數列探討了臨界干旱問題。Dracup等提出了采用長期平均年徑流量描述水文干旱事件與分析區域干旱頻率的統計模式。Hirsch提出利用月流量的條件累積機率分布函數(CDF)與ARMA(1,1)序列模式聯合進行長期距的年徑流量推估，并應用于美國馬里蘭州的Potomac河。Srikanthan基于降雨與徑流數據，采用序列繁衍分析，統計了澳大利亞維多利亞省五個流域發生大于一年延時的干旱平均重現期距。Chang利用不連續自回歸移動平均法開展了極端降雨特性分析；Sen利用二階定常性馬可夫鏈方法探討臨界干旱問題，以提供臨界干旱的機率分布。Chang利用克利金法進行了降雨量區域化變量分析，以探討干旱的區域化特性。Bonacci則探討了游程理論、間斷馬可夫與百一分段值法三種方法于干旱分析的應用特點。Vijendra Kumar應用多重線性回歸模式，分析農作物收獲量、降雨量、降雨日數間的關系，用以描述農業干旱現象。

國內研究者關于干旱成因及其特征規律的研究，包括溫之平等針對華南地區，依據南海夏季風環流規律對華南春旱的形成機理進行了定量研究；臧文斌和阮本清等采用TRMM衛星降雨數據集對我國2010年初的氣象干旱進行了特征分析；閆峰等采用SPI作為干旱評價因子，分析了河北省近50年的干旱時空分布特征；陳曉楠等從氣象干旱與農業損失的關系出發，建立了農業干旱程度評估指標的量化模型，并利用蒙特卡羅模擬方法對農業干旱程度的概率分布進行了研究。

綜合以上分析可知，研究者早期主要采用干旱頻率分析的方法，在識別干旱過程的基礎上進一步對干旱特征進行統計分析和描述。其討論的焦點在于選用何種適宜的指標變量作為干旱頻率分析的對象以及如何避免僅由單個指標變量進行干旱頻率分析所產生的局限性等。后期研究則從頻率分布、重現期等慢慢擴展到其時空分布的范疇，重點分析干旱的尺度效應。

2 干旱規律研究的分類

目前，國內外有關干旱規律的研究主要涵蓋于兩大領域，即干旱概率與干旱時空分布。兩者有交叉也有不同，干旱概率主要是應用概率分析解決干旱事件在時間尺度上的問題，如干旱重現期、烈度、歷時以及間隔時間等。而干旱時空分布的研究中也有應用概率分析的案例，但其更多的是探討頻率或者強度與影響面積之間的定量關系。

2.1 干旱概率

眾所周知，干旱事件是典型的概率事件，運用概率分析理論解譯干旱規律是認識和應對干旱事件的一種極為重要的手段，其概率分布特征也是進行區域水資源規劃與管理的重要依據。自從Yevjevich提出游程理論以來，大量有關干旱概率分析的研究成果陸續涌現出來。按照所采用的概率分析方法可將其劃分為四類，即單變量干旱特征概率分析或干旱參數重現期估算、二維干旱變量概率分析、基于Copulas的多元干旱變量概率分析以及干旱時空分析。從中不難發現，概率統計技術的進步不斷豐富著干旱概率的研究途徑，促進研究進展。

2.2 時空分布

干旱時空分布主要指干旱特征（強度、頻率、影響面積以及歷時）在時間和空間上的變化格局，是區域干旱嚴重等級區劃以及干旱識別與預測的重要研究基礎。通過對有關干旱時空分布的文獻的整理，可將對于干旱時空規律的研究大體分如下三個方面：

2.2.1 基于概率理論的干旱時空分析

該類方法主要是應用概率分析方法對干旱的時空分布特征進行研究。早期有關干旱時空分布特征的研究都是基于這種方法，其重點在于建立干旱“強度-面積-頻率”曲線（SAF）、“強度-延時-頻率”曲線（SDF）以及“強度-面積-延時”曲線（SAD）。最早，Tase將總虧缺和最大虧缺強度作為主要干旱指標，運用隨機模擬方法計算了整個干旱地區和特定區域的概率分布。Santos通過干旱歷時、干旱強度以及影響面積等參數的概率分布，研究了區域的多年連續干旱特征。Andreadis等利用網格化的降水和溫度數據，結合歷時干旱影響面積與烈度的關系，構建了區域干旱的SAD曲線，重新認識了1920年～2003年間美國大陸的干旱歷史。Alegria和Watkin基于年際和暖季降水資料，繪制了區域干旱SDF曲線，對區域的干旱頻率及重現期進行了深入研究。

2.2.2 基于干旱指標的干旱時空分析

隨著SPI、PDSI等干旱指數研究的不斷深入，有不少學者將其引入到區域干旱的時空特征分析中。如Soule使用三個帕爾默指數（月水分變化指數ZINX、干旱強度指數PDSI、水文干旱指數PHDI）對不同干旱定義下的美國大陸干旱事件的頻率和歷時進行了研究和對比。Kim等將PDSI與SAF曲線相結合，評估了墨西哥Conchos流域的干旱烈度。Vicente-Serrano使用SPI指標分析了一定時間尺度下研究區干旱空間格局的差異。曹永強等采用綜合氣象干旱指數，從干旱強度、干旱持續時間和干旱頻率三個方面對遼寧省的年季干旱特征進行了分析。

2.2.3 基于氣候模式的干旱時空分析

通過氣候變化與干旱頻率以及時空變化之間的定量關系研究，確定氣候變化或氣候模式對干旱事件的遙驅動機制。目前關于氣候模式與干旱頻率之間的研究相對較多，且已有研究表明區域尺度的氣象和水文干旱與大尺度大氣環流異常有直接關系。而對于大規模大氣環流模式對干旱在時間和空間層面的影響則少有研究，有待繼續加強。

3 結論

綜合以上分析，可知干旱特征規律在研究對象上正從單一的時間規律向區域的時空展布過渡，更側重尺度效應的研究。然而在研究中，筆者也發現干旱特征規律的研究主體多為干旱事件本身或與其相關的氣象水文因子，但對影響干旱走向的下墊面條件、人類活動等影響因素以及不同因子間的轉化關系考慮較少，缺乏對干旱規律的系統認識。特別是近幾年，受氣候變化影響，一些有關干旱規律研究的新問題尤其值得關注：（1）受氣候變化和人類活動的影響，氣象水文因子序列發生變異，其與干旱事件或特征的響應關系也將受到影響，如何解決變異條件下的干旱規律識別問題；（2）干旱過程是一個多因子驅動的復雜過程，單獨從某一個指標或某一個方面研究干旱發生、發展的規律已不再合適，必須從干旱事件的物理驅動機制入手開展研究；（3）人類活動是干旱事件的重要驅動成分，以往的規律分析中多以自然規律為主，而在人類活動擾動強烈的今天，這樣的方法已不再適宜，那么如何在干旱的時空分布規律中體現或量化人類活動的影響。