國內外干旱評估體系研究進展及展望

張 玨 ，郝 鵬 ，孫曉懿

0 引言

作為影響水資源安全的主要因素，干旱災害是全球范圍內頻繁發生的一種慢性自然災害，它對社會生活和經濟發展的影響之大，范圍之廣、持續之久、危害之深，超出了其他任何自然災害，成為影響世界發展的嚴重不穩定因素和影響國民經濟可持續發展的瓶頸因素[1]-[3]。受特殊的地理條件與氣候特征的影響，我國歷史上旱災就比較頻繁，從“后羿射日”的蠻荒時代到現代社會，干旱始終是威脅農業生產和人類生活的主要自然災害。尤其近些年，在全球氣候變化的影響下，我國干旱事件的強度、頻度、持續時間及空間分布等特性均發生了深刻變化。據《中國水旱災害公報》統計，我國農作物平均年成災面積近年來呈現出顯著的年代際增長態勢，從20世紀50年代的531.7萬hm2，迅速增長至90年的1384.2萬 hm2；1999～2001年，我國的旱災進入峰值區，平均年成災面積高達2237萬hm2，每年因旱災損失糧食250～300億kg，影響工業產值2000多億元。進入21世紀，我國干旱災害持續爆發，每年因旱災損失糧食基本維持在300多億kg，造成的工農業直接經濟損失近千億元。同時，干旱災害在空間范圍上也呈現擴大的趨勢，以往旱災多以華北、西北等半干旱半濕潤地區為主，而近年來江南、華南和西南等濕潤地區也面臨著嚴重季節性干旱的威脅，情勢令人堪憂。

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有關；同時，干旱成因及發展規律認識不足、干旱預報、預警方法和決策體系的薄弱，也是導致旱災損失嚴重的重要因素。為了積極應對我國近期出現的持續干旱事件，國家提出了“由單一的農業抗旱向生產、生活、生態全面抗旱轉變”的減災新思路，制定了“以防為主、防重于抗，抗重于救”的指導方針，要求各省區完善抗旱工程體系，提高應急抗旱減災能力。而要實現這一轉變，就必須加強對區域干旱評估與時空分布的認識，全面掌握干旱事件發展演化過程及潛在的災害影響，為制定區域抗旱規劃、開展水利基礎建設以及應急管理提供科學依據。鑒于此，本文擬對干旱評估體系的研究進展做以評述，以更好地指導廣大防災減災工作者把握干旱研究的發展方向，制定有效的防災控災策略。

1 干旱評估體系文獻回顧

干旱評估是準確把握干旱動態，評估區域干旱態勢，決策未來抗旱策略的關鍵，也是一直以來干旱研究的主體。該研究領域主要是從二十世紀初期開始發展的，其間發展了各種各樣的干旱指數和評價方法。最早由Munger[4]提出了連續24小時內降雨量低于1.27 mm（0.5in）日數作為識別干旱的標準。Blumenstock[5]應用干旱日數長短與機率理論描述干旱頻率，并定義若48小時內降雨低于2.54 mm即為干旱。而后，為描述農業干旱中水分需求的影響，McGuire and Palmer[6]利用實際供應水分與濕度需求的相對百分比，定義出了充足水分指數，并實際應用于1957年美國東部的干旱現象分析。從以上論述可得，在20世紀上半葉干旱的識別和評估過程已逐步從把降水短缺作為干旱現象的簡單方法發展到針對特定問題模式的有限應用。

1965年，Palmer利用降雨量、溫度及土壤飽和含水量等參數，建立了帕爾默干旱指數（Palmer Drought Severity Index,PDSI）來描述氣象干旱，其可反應異常氣候條件的影響，通過標準化，實現了干旱事件在空間和時間上的可比性。而后，PDSI廣泛被用于干旱研究的各個領域，如對比不同烈度的干旱事件[7]-[8]，研究干旱時空分布特征[9]～[12]，探索干旱的周期規律[13],監測水文趨勢，作物產量預測，評估潛在的火災危機[14]、劃定干旱影響范圍[15]，以及干旱預測[16]等等，并由此成為干旱指數發展史上的里程碑。

受行業用戶需求的影響，20世紀80年代以前，干旱指數的大部分工作都著眼于氣象或農業應用，水文干旱在干旱歷時、烈度、強度等方面的研究則被大大忽略。為了改善這種狀況，1982年Shafer and Dezman提出了地表水供水指數（Surface Water Supply Index，SWSI），作為地表水狀況的度量，彌補了PDSI的不足[17]。1993年，McKee et al.發展了標準化降雨指標（Standardized Precipitation Index，SPI），該方法只利用降水量要素和僅依賴統計方法，即可對干旱做出靈敏反應，且適用于任意時間尺度，在世界各地得到了廣泛的實際應用[18]～[20]。而后陸續有相當多研究成果發表，并在實踐生產中廣泛應用[21～23]、[25]。如 Gommes and Petrassi[24]提出國家型降雨指標（National Rainfall Index，RI）等。2000年開始，衛星和航空遙感技術廣泛應用于干旱的評估與監測領域，如DM（Drought Monitor）[26]方法，就是利用包括遙感和地面墑情監測等各類信息，將幾種干旱指標進行綜合分析，提供每周的旱情等級分布圖。

我國干旱評估研究起步于上世紀50年代，采用的干旱指標及評估方法大多是參考國外指標體系的結構模式，按照國內氣候特征和干旱特點逐步建立起來的。如，安順清等[27]對PDSI干旱指標及其計算模式進行修正后應用到國內，取得了滿意的效果，張強等[28]以SPI指數和濕潤指數為基礎，發展了一個可以考慮近期降水量對干旱影響的綜合指標。除此之外，許多專家學者針對干旱現象的不確定性，采用不同方法對干旱的風險評估展開了系統研究[29]～[30]，并逐步完善了我國干旱風險指標與評估的概念與方法。

2 現行指標體系述評

2.1 指標體系

綜合分析目前國內外發展的干旱指標和評估方法，不難發現，由于受到干旱指標發展早期用戶需求的影響，指標體系的發展體現出明顯的行業印跡或分類特征（如表1）。

表1 國內外常用干旱指標分類

從表1看，目前干旱評估體系研究范疇多集中在干旱成因條件（降水虧缺等）、旱情特征表現（土壤含水量下降、地表徑流減少等）以及干旱災害損失（作物產量）等幾個方面，而對影響旱災發生的區域供水能力、水資源盈缺關系、農業損失系數、植物生長機理、土壤水運動規律等多方面因素沒有響應，指標體系中致災因素體現不足，容易導致旱災危機預警的結果有所偏差，進而影響整個防旱抗旱工作的大局。

再者，干旱指標的選取存在一定的主觀因素，缺乏對指標間物理成因關系的認識，使指標體系在表征中存在信息重復、結果不準確等問題。要掌握地區旱情變化，必須通過深入研究區域干旱規律及特點，識別干旱發展的重要驅動成分，在此基礎上構建區域的旱情評估與危機診斷指標體系。

2.2 指標體系的應用

由于干旱指標體系一般都帶有強烈的地區特色，因此對已有干旱指標應用時，要注意對干旱指標適用特點的分析（如表2），對于短期快速評估而言，由于其更側重反應能力，一般多采用單變量指標，如SPI，而在旱情綜合評估中，由于單一指標很難反映干旱發展的態勢，故指標的選取上多呈現出綜合指標的趨勢。

表2 常用干旱指標的優點與局限性

3 干旱評估體系未來的發展

由于干旱災害成因條件復雜、影響因素眾多、涉及范圍廣、時空不確定性大，導致干旱研究工作難度很大。特別是干旱災害作為自然過程與社會擾動相作用的綜合產物，兼具有自然屬性、社會屬性及其相互作用的多重屬性[31]。其誘發過程不僅取決于降水虧缺量及其持續時間、地勢地貌、土壤類型、作物種類、氣溫條件等自然條件，還與水源狀況、水利工程調蓄能力、節水技術、區域經濟條件、生產能力等多種社會因素密切相關[32]。因此要準確掌握干旱發生、發展規律、評估受旱程度、預測旱情發展動態是比較困難的。針對這樣一個科學難題，大多數研究選擇了從干旱災害的誘發因素切入，關注于干旱形成的氣象氣候條件、作物對干旱的響應機理以及可能造成的災害影響，而對干旱發展演變的水文機理過程以及在致災過程中人類活動所發揮的驅動作用則鮮有關注。就目前熱門的干旱預報、預警工作而言，要么依賴于降水、氣溫等氣象預報信息，要么依靠以往旱情觀測數據的概率統計和相關性分析，卻很少從干旱危機發生發展的機理出發來認識干旱問題。

同樣的特點也反映在旱情評估上，即多是以干旱形成的氣象條件（降水距平等氣象干旱指標）或干旱的表現形式（土壤墑情等農業干旱指標、徑流距平等水文干旱指標），或者是干旱的災害影響（社會經濟損失指標）來評估旱情程度[33]。而干旱的發展過程、人類活動的致災屬性則往往被忽視。進一步的分析，不難發現實際上這些指標并不是完全獨立的，而是相互聯系的，且都與人類活動息息相關。降水偏少是干旱的起因（氣象干旱），持續一段時間后將會造成土壤水分干涸和作物缺水（農業干旱），接著地表徑流及河道流量減少，地下水位下降（水文干旱），發展到一定程度就會導致作物枯死、飲用水困難等經濟社會危機（社會經濟干旱）。仔細分析其過程，可發現干旱事件發展的過程中，自然側支的不同狀態其實一直都在與人類側支發生交互，并相互影響。可見，干旱災害的發生不僅取決于自然條件的變化，人類活動的擾動也非常重要。而且同一地區在不同的擾動形式或強度下，干旱事件的走向是完全不同的。因此，要分析或預測干旱災害的發生或發展，必須研究人類活動側支的影響。

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