国内外干旱评估体系研究进展及展望

张 珏 ，郝 鹏 ，孙晓懿

0 引言

作为影响水资源安全的主要因素，干旱灾害是全球范围内频繁发生的一种慢性自然灾害，它对社会生活和经济发展的影响之大，范围之广、持续之久、危害之深，超出了其他任何自然灾害，成为影响世界发展的严重不稳定因素和影响国民经济可持续发展的瓶颈因素[1]-[3]。受特殊的地理条件与气候特征的影响，我国历史上旱灾就比较频繁，从“后羿射日”的蛮荒时代到现代社会，干旱始终是威胁农业生产和人类生活的主要自然灾害。尤其近些年，在全球气候变化的影响下，我国干旱事件的强度、频度、持续时间及空间分布等特性均发生了深刻变化。据《中国水旱灾害公报》统计，我国农作物平均年成灾面积近年来呈现出显著的年代际增长态势，从20世纪50年代的531.7万hm2，迅速增长至90年的1384.2万 hm2；1999～2001年，我国的旱灾进入峰值区，平均年成灾面积高达2237万hm2，每年因旱灾损失粮食250～300亿kg，影响工业产值2000多亿元。进入21世纪，我国干旱灾害持续爆发，每年因旱灾损失粮食基本维持在300多亿kg，造成的工农业直接经济损失近千亿元。同时，干旱灾害在空间范围上也呈现扩大的趋势，以往旱灾多以华北、西北等半干旱半湿润地区为主，而近年来江南、华南和西南等湿润地区也面临着严重季节性干旱的威胁，情势令人堪忧。

剖析我国近些年灾害频发且损失严重的事实，不难发现，灾害的形成不仅与我国抗旱保障基础条件差的现状有关；同时，干旱成因及发展规律认识不足、干旱预报、预警方法和决策体系的薄弱，也是导致旱灾损失严重的重要因素。为了积极应对我国近期出现的持续干旱事件，国家提出了“由单一的农业抗旱向生产、生活、生态全面抗旱转变”的减灾新思路，制定了“以防为主、防重于抗，抗重于救”的指导方针，要求各省区完善抗旱工程体系，提高应急抗旱减灾能力。而要实现这一转变，就必须加强对区域干旱评估与时空分布的认识，全面掌握干旱事件发展演化过程及潜在的灾害影响，为制定区域抗旱规划、开展水利基础建设以及应急管理提供科学依据。鉴于此，本文拟对干旱评估体系的研究进展做以评述，以更好地指导广大防灾减灾工作者把握干旱研究的发展方向，制定有效的防灾控灾策略。

1 干旱评估体系文献回顾

干旱评估是准确把握干旱动态，评估区域干旱态势，决策未来抗旱策略的关键，也是一直以来干旱研究的主体。该研究领域主要是从二十世纪初期开始发展的，其间发展了各种各样的干旱指数和评价方法。最早由Munger[4]提出了连续24小时内降雨量低于1.27 mm（0.5in）日数作为识别干旱的标准。Blumenstock[5]应用干旱日数长短与机率理论描述干旱频率，并定义若48小时内降雨低于2.54 mm即为干旱。而后，为描述农业干旱中水分需求的影响，McGuire and Palmer[6]利用实际供应水分与湿度需求的相对百分比，定义出了充足水分指数，并实际应用于1957年美国东部的干旱现象分析。从以上论述可得，在20世纪上半叶干旱的识别和评估过程已逐步从把降水短缺作为干旱现象的简单方法发展到针对特定问题模式的有限应用。

1965年，Palmer利用降雨量、温度及土壤饱和含水量等参数，建立了帕尔默干旱指数（Palmer Drought Severity Index,PDSI）来描述气象干旱，其可反应异常气候条件的影响，通过标准化，实现了干旱事件在空间和时间上的可比性。而后，PDSI广泛被用于干旱研究的各个领域，如对比不同烈度的干旱事件[7]-[8]，研究干旱时空分布特征[9]～[12]，探索干旱的周期规律[13],监测水文趋势，作物产量预测，评估潜在的火灾危机[14]、划定干旱影响范围[15]，以及干旱预测[16]等等，并由此成为干旱指数发展史上的里程碑。

受行业用户需求的影响，20世纪80年代以前，干旱指数的大部分工作都着眼于气象或农业应用，水文干旱在干旱历时、烈度、强度等方面的研究则被大大忽略。为了改善这种状况，1982年Shafer and Dezman提出了地表水供水指数（Surface Water Supply Index，SWSI），作为地表水状况的度量，弥补了PDSI的不足[17]。1993年，McKee et al.发展了标准化降雨指标（Standardized Precipitation Index，SPI），该方法只利用降水量要素和仅依赖统计方法，即可对干旱做出灵敏反应，且适用于任意时间尺度，在世界各地得到了广泛的实际应用[18]～[20]。而后陆续有相当多研究成果发表，并在实践生产中广泛应用[21～23]、[25]。如 Gommes and Petrassi[24]提出国家型降雨指标（National Rainfall Index，RI）等。2000年开始，卫星和航空遥感技术广泛应用于干旱的评估与监测领域，如DM（Drought Monitor）[26]方法，就是利用包括遥感和地面墒情监测等各类信息，将几种干旱指标进行综合分析，提供每周的旱情等级分布图。

我国干旱评估研究起步于上世纪50年代，采用的干旱指标及评估方法大多是参考国外指标体系的结构模式，按照国内气候特征和干旱特点逐步建立起来的。如，安顺清等[27]对PDSI干旱指标及其计算模式进行修正后应用到国内，取得了满意的效果，张强等[28]以SPI指数和湿润指数为基础，发展了一个可以考虑近期降水量对干旱影响的综合指标。除此之外，许多专家学者针对干旱现象的不确定性，采用不同方法对干旱的风险评估展开了系统研究[29]～[30]，并逐步完善了我国干旱风险指标与评估的概念与方法。

2 现行指标体系述评

2.1 指标体系

综合分析目前国内外发展的干旱指标和评估方法，不难发现，由于受到干旱指标发展早期用户需求的影响，指标体系的发展体现出明显的行业印迹或分类特征（如表1）。

表1 国内外常用干旱指标分类

从表1看，目前干旱评估体系研究范畴多集中在干旱成因条件（降水亏缺等）、旱情特征表现（土壤含水量下降、地表径流减少等）以及干旱灾害损失（作物产量）等几个方面，而对影响旱灾发生的区域供水能力、水资源盈缺关系、农业损失系数、植物生长机理、土壤水运动规律等多方面因素没有响应，指标体系中致灾因素体现不足，容易导致旱灾危机预警的结果有所偏差，进而影响整个防旱抗旱工作的大局。

再者，干旱指标的选取存在一定的主观因素，缺乏对指标间物理成因关系的认识，使指标体系在表征中存在信息重复、结果不准确等问题。要掌握地区旱情变化，必须通过深入研究区域干旱规律及特点，识别干旱发展的重要驱动成分，在此基础上构建区域的旱情评估与危机诊断指标体系。

2.2 指标体系的应用

由于干旱指标体系一般都带有强烈的地区特色，因此对已有干旱指标应用时，要注意对干旱指标适用特点的分析（如表2），对于短期快速评估而言，由于其更侧重反应能力，一般多采用单变量指标，如SPI，而在旱情综合评估中，由于单一指标很难反映干旱发展的态势，故指标的选取上多呈现出综合指标的趋势。

表2 常用干旱指标的优点与局限性

3 干旱评估体系未来的发展

由于干旱灾害成因条件复杂、影响因素众多、涉及范围广、时空不确定性大，导致干旱研究工作难度很大。特别是干旱灾害作为自然过程与社会扰动相作用的综合产物，兼具有自然属性、社会属性及其相互作用的多重属性[31]。其诱发过程不仅取决于降水亏缺量及其持续时间、地势地貌、土壤类型、作物种类、气温条件等自然条件，还与水源状况、水利工程调蓄能力、节水技术、区域经济条件、生产能力等多种社会因素密切相关[32]。因此要准确掌握干旱发生、发展规律、评估受旱程度、预测旱情发展动态是比较困难的。针对这样一个科学难题，大多数研究选择了从干旱灾害的诱发因素切入，关注于干旱形成的气象气候条件、作物对干旱的响应机理以及可能造成的灾害影响，而对干旱发展演变的水文机理过程以及在致灾过程中人类活动所发挥的驱动作用则鲜有关注。就目前热门的干旱预报、预警工作而言，要么依赖于降水、气温等气象预报信息，要么依靠以往旱情观测数据的概率统计和相关性分析，却很少从干旱危机发生发展的机理出发来认识干旱问题。

同样的特点也反映在旱情评估上，即多是以干旱形成的气象条件（降水距平等气象干旱指标）或干旱的表现形式（土壤墒情等农业干旱指标、径流距平等水文干旱指标），或者是干旱的灾害影响（社会经济损失指标）来评估旱情程度[33]。而干旱的发展过程、人类活动的致灾属性则往往被忽视。进一步的分析，不难发现实际上这些指标并不是完全独立的，而是相互联系的，且都与人类活动息息相关。降水偏少是干旱的起因（气象干旱），持续一段时间后将会造成土壤水分干涸和作物缺水（农业干旱），接着地表径流及河道流量减少，地下水位下降（水文干旱），发展到一定程度就会导致作物枯死、饮用水困难等经济社会危机（社会经济干旱）。仔细分析其过程，可发现干旱事件发展的过程中，自然侧支的不同状态其实一直都在与人类侧支发生交互，并相互影响。可见，干旱灾害的发生不仅取决于自然条件的变化，人类活动的扰动也非常重要。而且同一地区在不同的扰动形式或强度下，干旱事件的走向是完全不同的。因此，要分析或预测干旱灾害的发生或发展，必须研究人类活动侧支的影响。

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