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)域一定時期內(nèi)因非正常干燥產(chǎn)生長時間缺水，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季度或者更長時期內(nèi)，由于降水嚴(yán)重缺少而產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，同時也可能伴隨高溫、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?，F(xiàn)象，而農(nóng)業(yè)、水文和社會經(jīng)濟(jì)干旱更多的是強(qiáng)調(diào)干旱會對人類活動造成影響。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)

氣象干旱指在一個相對長的時期內(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?jǐn)?shù)，負(fù)值表示比常年偏少。優(yōu)點(diǎn)是計算簡單，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)重程度的又一個尺度。通常采用三點(diǎn)適線法計算降水頻率和重現(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)，指某一時段內(nèi)連續(xù)無有效降雨的天數(shù)，其持續(xù)時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是指在計算出某時段內(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)干旱評價的一個標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)對干旱發(fā)生的強(qiáng)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(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，計算各時段末的土壤含水量，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，作物受旱嚴(yán)重，當(dāng)土壤相對含水率為40%～60%時，作物呈現(xiàn)旱象，60%～80%時為作物生長的適宜土壤水分含量，當(dāng)其值大于80%時，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，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(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段、不同區(qū)域較難計算，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)

土壤某一層中存儲的能被植物根系吸收的水分叫土壤有效水分存儲量S，當(dāng)S小到一定程度植物就會發(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，整個指數(shù)需要重新計算，因?yàn)橐紤]每個因子概率分布的變化與權(quán)重變化，其指數(shù)對每一個流域而言唯一，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)的計算。PDSI認(rèn)為當(dāng)水分條件開始不斷變化直到缺水消失時干旱結(jié)束；PHDI則認(rèn)為水分短缺完全消失時干旱結(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.社會經(jīng)濟(jì)干旱指標(biāo)

社會經(jīng)濟(jì)干旱是指由自然系統(tǒng)與人類社會經(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，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，因此在評價某一區(qū)域旱情時要建立干旱指標(biāo)體系，以彌補(bǔ)單一干旱指標(biāo)評價的不足。干旱指標(biāo)體系的建立一般有包括以下四個步驟：（1）選取區(qū)域內(nèi)常用的或者評價效果較好的干旱評價指標(biāo)組成干旱評價指標(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）