旱情评估指标研究简介及探讨

胡 琳,吴珍梅

(浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

1 问题的提出

我国是世界上自然灾害发生较多的国家之一,自然灾害对我国社会经济发展具有重大的影响和危害。其中,干旱灾害是我国发生最为频繁、影响范围较大、对社会经济发展和生态环境可能造成严重危害的一种气象灾害。近几年我国南方地区干旱频发,给当地城乡居民和社会经济带来巨大影响。此外,我国农业生产遭受的自然灾害中,有一半以上是干旱灾害[1].。鉴于干旱的严重后果和影响,对旱情严重程度的评估尤为重要,但同时干旱自身的复杂性和对社会影响的广泛性,干旱指标都是建立在特定的地域和时间范围内,难以准确反映干旱发生的内在机理[2].。因此有必要对旱情评估指标研究进行综述和评价,为干旱的监测、研究、预测提供方法和依据,对干旱的减灾防灾也具有十分重要的意义。

2 国内外研究进展

由于干旱自身的复杂性及其影响的深远性,准确地、定量化地监测干旱的出现、结束、持续时间、覆盖范围、强度以及评价干旱的影响是十分困难的。对于不同类型的干旱,如气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱等,决定干旱开始和结束的标准差别很大。因此,为了监测研究干旱及其发生机理,国内外研究者们利用较易获得的降雨、蒸发、气温等气候要素,提出了干旱指标的概念并大量发展。

干旱指标是反映干旱成因和程度的量度,是干旱研究的一项很重要的基础性工作。目前国际上已有的干旱指标较多,Friedman[5].认为,干旱指标必须满足4个基本条件:①合适的时间尺度;②可定量评估大范围、长时间持续的干旱情况;③应用性强;④具有可用的或可计算的过去较长的、准确的指数序列。指标还应当能够适用于近期状况。

根据研究角度及研究领域的不同,各学科对干旱指标确定的侧重点也不同,如水文部门以径流量划分干旱程度;气象部门以降水量作为划分干旱等级的依据;现在由于人类活动频繁,对土壤、大气、环境的干扰明显,干旱程度受人为作用的影响,因此现在还有社会干旱的概念。目前将干旱主要分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。干旱指标根据干旱的类型也大致分为4类:气象干旱指标、水文干旱指标、农业干旱指标和社会经济干旱指标。其中气象指标由于气象干旱表现最为直接而成为其它3种指标的参考依据,具有重要的基础意义。

2.1 气象干旱指标

气象干旱是指一个相对长的时期内,某一地区的蒸发量大于降水量,或降水量异常偏小,大多数直接以降水量或降水量的统计量 (雨量指标、降水距平均方差、湿润度和干燥度指标、无雨日干旱指标以及帕尔默Palmer指标等)作为干旱指标。

2.1.1 降水量干旱指标

以下所列的6种干旱指标均只考虑了降水量,以降水量这一单一因子作为判别干旱的依据并划分干旱等级,判断旱情严重程度。

2.1.1.1 降水量百分率、降水量距平百分率

这一指标计算方法是将某时段的降水量与常年同期气候平均降水量之差与常年同期气候平均降水量相比的百分率,用“%”表示。

RAI(Rainfall Anomaly Index)[6].、BMDI(Bhalme and Mooly Drought Index)[7].等都属于这类指标。这类指标计算方法简单,且可应用于不同时间尺度,因此应用十分广泛。但该方法暗含了把降水量序列作为正态分布来处理,而实际上降水量长期序列的平均值与其中位数并不相等;又由于降水有很强的时空分布差异,降水量偏离正常值的不同距离的出现频率难以确定;不同地区降水量偏离正常值的距离大小难以相互比较。另外,该指标只考虑了降水量,未考虑土壤前期含水率、植被等情况,因此该方法在实际应用中存在一定的局限性。

2.1.1.2 降水异常指标

降水异常指标(RAI)是由Van Rooy提出的,从最湿到最干分为9个等级[8].。它按从正降水距平到负降水距平依大小排序并分级赋值,指数形式为:

2.1.1.3 降水量分位数

该指标将长时间的降水量序列按大小排序排列分组,以实际降水量在长时间序列中所占的分位数来判定旱涝的发生和程度,如澳大利亚的十分位Deciles指数。

十分位指数是由Gibbs和Maher[9].提出的,该方法将降水序列从大到小进行排序并分为10成,第1成为占降雨总量10%的最低降水量的上限值,依次类推。若降水总量低于该时段降水的历史分布的最低成数(第9个百分位数)时,该地区则被认为是“干旱影响区”。

该方法给出了降水量准确的统计量度,计算简单方便,仅需要降水资料。但在干旱结束时间上该法概念理解模糊,例如,当某一时段降水量接近或高于通常情况,可认为干旱结束。但在无雨期或少雨期,这一条件极易满足,此时干旱仍在发生,因此在季节降水明显的地区用该指标来判别干旱不可取,即该法对雨量的空间分配不敏感。

2.1.1.4 标准化降水指数 SPI(Standardized Precipitation Index)

标准化降水指数SPI是由M ckee等人于1993年提出的。它假设降水序列服从不完全Г分布,在计算出某时段内降水量的Г分布概率后,进行正态标准化处理,最后用标准化降水累计频率分布来划分干旱等级。

式中:t为累积概率的函数;c、d均为系数。当累积概率小于0.5时取“-”号,否则取“+”好。

Hayes[10].使用SPI监测美国的干旱得到了很好的效果。但SPI假定了所有地点旱涝发生概率相同,无法标识频发地区,另外,SPI要求长时期的降水资料。Guttman[11].认为对1 a或更短的干旱期,资料年限至少需要50 a;对超过1 a的干旱,资料年限应更长。

2.1.1.5 Z指数

Z指数与SPI属于同一类,不同的是Z指数假设降水量服从Person-Ⅲ型分布,通过对降水量标准化处理后,将概率密度函数Person-Ⅲ型分布转换为以Z变量的标准化正态分布。根据计算得到的Z值进行判断,以确定旱涝等级。计算公式如下:

式中:cs为偏态系数;Φ为标准变量,均可由降水资料序列计算求得,即:

式中:pi为某年月的降水量(mm);n为样本数为n年平均月降水量(mm)。Z指数又称为水分异常指标,消除了不同地区和时期的气候差异,是一个具有时空对比性的相对指标。

2.1.1.6 干旱面积指数DAI(Drought Area Index)

Bhalme和Mooley在评估印度夏季季风期的水分条件时提出了干旱面积指数DAI,期间次大陆的地域降水可达年降水量的75%或更多[7].。DAI公式为:

式中:I为干旱强度(无量纲);k为月份;p为月降水量(mm)为平均降水量(mm);σ为降水标准偏差(mm)。

由上式可以看出,DAI是一个递推指数,下一个月的DAI值取决于上一个月的值,因此可用来描述干旱的持久性。

Oladipo[12].对PDSI和 DAI在Nebraska地区作了比较,发现两者一致。DAI计算方法简单,只要求降水记录,不需要各种水分平衡项的计算。同时,DAI对干旱程度的计算是在各种气候区域上进行的,在一定程度上消除了由于气候类型不同而造成的差异,能够有效反映区域和年度尺度的水分状况。

2.1.2 湿润度和干燥度指标

湿润度是指降水量与蒸发能力之比,干燥度是指蒸发与降水之比,用这2个指标来表示水分收支的状况。该指标将蒸发这一因素作为干旱的形成因素之一,考虑了下垫面条件及地表能量对蒸散能力的影响,因此曾被用于全球或区域尺度得地表湿润状况分析,揭示了一些有意义的事实[13-14].。指标中的蒸发能力是指在充分供水条件下的土壤蒸散矢量,并不能反映作物的实际需水情况及土壤各时期的供水情况,不利于不同时间的干旱程度比较。

2.1.3 I指数

郭江勇[15].用近期降水、底墒和气温综合考虑干旱的程度,其表达式为:

式中:I为干旱指数;A为近期降水距平百分率;B为底墒;C为气温距平。

当 I≤1.5时,无旱;1.5＜I≤3.0时轻旱;3.0＜I≤4.0时重旱。

I指数不但考虑了前期降水对土壤水分的供给,还考虑了气温对干旱的影响,所需资料容易获取,便于计算。但 I指标对于前期降水时段的选择对不同的区域有不同的要求,不易掌握。

2.1.4 Palmer干旱指标PDSI(Palmer Drought Severity Index)

1965年Palmer[16].提出了目前国际上应用最为广泛的帕尔默干旱指标PDSI。Palmer定义干旱为持久的异常水分缺乏,并建立了能够进行干旱程度分析的指标体系。

PDSI综合考虑了前期降水、水分供给、水分需求、实际蒸散量、潜在蒸散量等要素,是以水分平衡为基础而建立的一个气象干旱指标,具有明确的物理意义,可用来监测干旱的发生、发展和缓解情况,并衡量其严重程度,所以又被称为Palmer旱度模式。至今美国的官方网站上仍在发布该指数的分析结果,广泛应用于美国气象、农业、水利及政府决策部门中。

但该指标也存在很多不足:在计算蒸散量、径流量、土壤水分交换量的可能值与实际值时要遵循一系列的规则和假设;没有考虑人类活动对水平衡的影响及降雪、冰冻等因素,所有的降水都被当作降雨来处理,使得在中高纬度地区的寒冷季节计算结果有较大的偏差;计算过程比较复杂;用于干旱监测时对干旱的出现反应不够灵敏,有滞后现象。由于该指标最初只针对美国农业区,限制了它的广泛适用性。对于我国来讲,台站稀少,地表结构复杂,加之资料同化水平有待进一步提高,对有关参数的选取和计算有一定的制约,所以在PDSI指数提出后,我国大量学者和研究人员对其进行了研究和改进并加以应用。余晓珍[17].在我国黑龙江、吉林、河北、山东、江苏、广西和新疆7个省和自治区的部分地区进行了对Palmer旱度模式的适用性检验,提出了应用中存在的一些问题及修正后的Palmer旱度模式。运用修正模式得到的计算成果与历史旱情文献记载的对比表明,Palmer指标可以成为我国这些地区区域干旱分析的有效工具,为今后在中国进一步推广应用Palmer指标和更深入开展干旱研究提供了依据。

2.2 农业干旱指标

农业干旱的发生有着极其复杂的机理,在受到各种自然因素如降水、温度、地形等影响的同时也受到人为因素的影响,如农作物布局、作物品种及生长状况等[2].。因此农业干旱指标必然涉及与大气、作物、土壤有关的因子。

2.2.1 作物水分指标(CMI)

作物水分指标(CMI)是Palmer基于月平均温度和降水提出的用于在较大空间尺度上的作物温度指数。

CMI主要用于监测农作物的干旱程度,具有良好的物理机制,能较好地反映短期农作物的水分状况,已经被美国农业部采用作为评价短期农作物水分需求的指标。但和PDSI不同,由于CMI易迅速改变,对于长期干旱的监测不尽如人意,例如暴雨过程可迅速使作物达到水分饱和,但干旱仍在持续。另外,CMI也能表示每一生长季的开始和结束,对植物学年鉴很有用,但它定义在生长季开始和结束时的值均为0,限制了指标的使用范围,而且由于CMI评价水分盈缺程度等级是依据处于生长期植物的水分需求状况而定的,所以在应用于作物或自然植被时必须考虑它们的生长状况[2].。

2.2.2 Palmer水分距平指数 (Z指数)

Palmer水分距平指数 (Z指数)是计算PDSI时的一个中间变量,即当月实际观测降水量与气候适宜状况下降水量的差 (d)与某一地点某一月份的气候权重系数K的乘积,不考虑前期条件对PDSI的影响。Palmer Z指数对土壤水分量值变化较为敏感,可用于农业干旱的监测。Karl[18].通过研究发现该指标作为农业干旱定量指数效果比CMI好。与所有Palmer指标一样,不足之处是公式繁琐,计算复杂。

2.2.3 土壤含水率指标

农作物生长的水分主要是靠根系直接从土壤中吸取,土壤水分的不足会影响农作物的正常发育。常用的土壤水分指标是根据土壤水分平衡原理和水分消退模式计算各个生长时期的土壤含水率,并以作物不同生长状态下 (正常、缺水、干旱等)土壤水分的试验数据作为制定指标,预测农业干旱是否发生[19].。

目前认为当土壤相对含水率＜40%时,作物受旱严重;当土壤相对含水率为40%～60%时,作物呈现旱象;作物生长较好的土壤含水率为田间持水量的60%～80%。但这个值不固定,常受到外来因素的影响。

2.2.4 作物旱情指标

作物旱情指标也是常用的农业类干旱指标,是利用作物生理生态特征的突变和最优分割理论而建立的反映干旱程度的指标,是目前国内外普遍认为的直接反映水分供应状况的最灵敏的指标[20-21].。该指标可以分为作物情态指标(定性的利用作物长势、长相来进行作物缺水诊断)和作物生理指标(包括利用叶水势、气孔导度、产量、冠层温度等)2大类。

2.3 水文干旱指标

水文干旱是指河川径流低于其正常值或含水层水位降落的现象,其主要特征是在特定面积、特定时段内可利用水量的短缺。在各种干旱形式中,水文干旱的出现是最慢的。评价水文干旱常用的指标有以下3种。

2.3.1 年径流系数

年径流系数指的是年径流深与年降水量之比,即R/P。该比值说明在降水量中有多少水变成了径流。若降水量大部分消耗于蒸发和下渗,则径流系数小。径流系数的大小与自然地理区的干湿程度有很大关系。我国曾用该指标对降水与径流进行分区。

2.3.2 地表供水指数SWSI(Surface Water Supply Index)

地表水供给指数 (SWSI)由Shafer和Dezman[22].提出,用于弥补PDSI在大变化的地形、积雪、滞后流失等方面的不足,严格考虑了积雪和其它径流滞后的问题。

地表供水指数是地表水条件的指示器,包含了山地雪盖因素。该指数将气象和水文参数合并成一个单一指数,允许在不同流域、盆地之间进行比较。将雨量站、水库、雪盖、流量站的数据归总,将每组汇集的数据采用频率分析法归一化,确定每一组数据的非极度概率并进行比较,可以根据每个组成部分的贡献赋予一定的权重,该指数的值域在 (-4.2,+4.2),这一加权处理使各流域之间可以相互比较[23].。

当某个测站废弃或新增,就得重新进行频率分析;当流域或盆地的水文设施发生改变,就需要重新建立算法,很难维持该指数在时间上的一致性。

2.3.3 Palmer水文干旱强度指数PHDI(Palmer Hydrological Drought Index)

PHDI与PDSI很相似,采用相同的2层土壤水平衡模式,区别在于PHDI有更加严格的旱涝结束标准。PHDI在旱涝的开始和结束时段,对大气的改变反应较PDSI缓慢,PDSI认为当水分条件开始不断变化直到缺水消失时干旱结束;而PHDI则认为水分短缺完全消失时干旱结束。反应延迟的好处就是当天气转为正常时,土壤湿度、河川流量、湖泊水位高度可能还是呈现缺水状态。这一滞后对水文类干旱评估是适当的,因为水文类干旱本来就比气象类干旱变化缓慢。

2.4 社会经济干旱指标

社会经济干旱是指社会、经济领域从水分影响生产、消费活动等描述的干旱现象,一般以干旱所造成的经济损失作为其研究指标。

Ohlsson[24].提出SWSI(SocialWater Scarcity Index)用于反映社会所面对的干旱胁迫程度。计算公式为:

式中:ARW为年可利用水量(万m3);P为人口数(万人);HDI(Human Development Index)为人类发展指数,综合反映一个国家综合状况。

当SWSI为0～5时整个社会水量充足;6～10时受到水分轻度缺乏;11～20时严重不足;＞20时水量重度缺乏。

另外,根据社会供需水量的差异也可制定社会经济干旱指标。如果把社会对水的需求分为3方面:工业需水量(A1)、农业需水量(A2)和生活与服务行业需水量(A3),社会经济干旱指标的判别式为:W＜A1+A2+A3,式中W表示总供水量,对掌握整个社会的水资源情况有一定意义,但对水资源的年、月具体变化描述不够[25].。

3 研究方向

我国西北地区干旱问题一直是较为严重的自然灾害之一,对干旱的地域研究经验也较为丰富。但近几年国内南部地区干旱频发,干旱问题也越来越引起相关部门的重视。对旱情的评价及干旱指标的研究确定尤为迫切。

国内外在干旱指标方面已取得了很好的研究成果。基于现有干旱指标的研究成果,对未来的干旱研究应加强以下几点:

(1)Palmer旱度模式目前国际上应用最为广泛,但在中国适用性不强。因此在以后的研究中应根据中国国情进一步完善。

(2)目前大多数干旱指标没有考虑水分的蒸发和耗损,降低了干旱指标的精度,所以干旱指标应结合植被蒸散发、土壤水传递、渗漏、地下水回灌等水文过程,以探求干旱的内在发生机制,提高计算精度。

(3)现在大多数干旱指标的时间尺度为月或季。对于一些常年干旱的地区,能尽量缩小干旱时间尺度对其干旱监测及预报有重要意义。时间尺度越小,反映的干旱状况越精细,计算量也增大,因此要根据实际情况选择适宜的时间尺度。

(4)干旱发生时间的确定对干旱的真实情况了解极为重要。比如在作物生长时期的干旱要比其他时期的干旱影响大得多,目前的干旱指标大多数没考虑这一点。因此在评价干旱的影响精度时应考虑风险系数。

(5)广泛采用遥感干旱监测技术,以其宏观、快速、动态、经济的特点为干旱监测开辟一个崭新领域。

(6)湿润地区如中国南部的干旱问题应引起重视。一般认为湿润地区降水充沛,旱情发生概率不高且灾情不严重。但从目前发生的几次西南旱情来看,旱灾导致的经济社会损失严重。因此,对中国湿润地区的旱情研究及干旱监测应切实加强。

[1].刘颖秋,宋建军,张庆杰.干旱灾害对我国社会经济影响研究[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[2].袁文平,周广胜.干旱指标的理论分析与研究展望[J]..地球科学进展,2004,19(6):982-988.

[3].Wilhite D A.Drought as anatural hazard:Concepts and definitions[C].//Wilhite D A,ed.Drought:A Global Assessment.London&New York:Routledge,2000:3-18.

[4].秦大河,丁一汇,王绍武.中国西部生态环境变化及其应对战略 [J]..地球科学进展,2002,17(3):314-319.

[5].Friedman,D.G..The prediction of long-continuing drought in south and southwest Texas.Occasional Papers in Meteorology,No.1[M]..Hartford,CT:The Travelers Weather Research Center,1957.

[6].Bhalme,H.N.,D.A.Mooley.Large-scale drought/floods and monsoon circulation[J]..Monthly Weather Review,1980(108):1197-1211.

[7].Gibbs,W.J.,J.V.Maher.Rainfall deciles as drought indicators[J]..Bureau of Meteorology Bulletin,1967(48):34-37.

[8].VanRay.M.P..Arainfall anomaly indexindependent of time and space[J]..Notos,1965(14):43-48.

[9].W.J.Gibbs,J.V.Maher.Rainfall deciles as drought indicators Australian[R]..Melboume:Commonwealth of Australia,1967.

[10].Hayes M J,Svoboda M D,Wilhite D A,etal.Monitoring the1996 drought using the standardized precipitation index[J]..Bulletin of the American Meteorological Society,1999(80):429-438.

[11].Guttman, N.B.. Accepting the Standardized Precipitation Index:A calculation algorithm[J]..Journal of the American Water Resources Association,1999(35):311-322.

[12].Oladipo,E.O..A comparative performance analysis of three meteorological drought indices[J]..Journal of Climatology.1985(5):655-664.

[13].马柱国,华丽娟,任小波.中国近代北方极端干湿事件的演变规律 [J]..地理学报 (增刊),2003:69-74.

[14].马柱国.华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系 [J]..科学通报,2007,52(10):1199-1206.

[15].郭江勇.陇东干旱的分布特征[J]..甘肃农村科技,1999,10(2):6-10.

[16].Palmer W.C..Meteorological drought[R]..Washington DC.:Research paper,U.S.Weather Bureau,1965.

[17].余晓珍.美国帕尔默旱度模式的修正和应用[J]..水文,1996(6):30-34.

[18].Karl, T. R.The sensitivity of Palmer Drought Severity Indexand Palmer'sZ-index to Calibration coefficients including potential evapotranspiration[J]..JournalofAppliedMeteorology,1986(25):77-86.

[19].孙荣强.干旱评价及灾害指标[J]..自然灾害学报,1994,3(3):49-55.

[20].宋凤斌,徐世昌.抗旱性鉴定指标研究 [J]..中国生态农业学报,2004,12(1):121-129.

[21].Duff G. A.,Myers B. A.,Williams R.J.,et al.Seasonal patterns in soil moisture, vapor pressure deficit,tree canopy cover and predawn water potential in a northern Australian Savanna[J]..Australian Journal of Botany.1997,45(2):211-224.

[22].Shafer, B. A.,L. E. Dezman.Development of a Surface Water Supply Index(SWSI) to assess the severity of drought conditions in snowpack runoff areas[C]..∥Proceewings of the WesternSnow Conference.Reno,1982.

[23].Garen, D.C. Revised Surface-Water Supply Index for the western United States[J]..Water Resources Plan,1992(119):437-454.

[24].OhlssonI.Water conflict and social resource scarcity[J]..Physics and chemistry of the Earth(B).2000,25(3):213-220.

[25].王劲松,郭江勇,周跃武,等.干旱指标研究的进展与展望[J]..干旱区地理,2007,30(1):60-64.