21世纪以来干旱研究的若干新进展与展望

王莺，张强，2，王劲松，韩兰英，3，王素萍，张良，姚玉璧，4，郝小翠，王胜

（1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃兰州 730020；2.甘肃省气象局，甘肃兰州 730020；3.兰州区域气候中心，甘肃兰州 730020；4.兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州 730021）

引言

干旱是地球上分布范围较广、持续时间较长、对社会经济和环境影响最严重的气象灾害之一，与人类社会相伴相生，频繁发生于各个历史时期［1］。干旱不仅造成植被退化和土地荒漠化，长期严重干旱还可能导致人员和动物死亡，出现大规模迁移，甚至是朝代更替和文明消亡［2-3］。干旱作为破坏力巨大的自然灾害之一，很早就引起了研究者的关注［4］。干旱气象研究一般包含2个范畴，一是对干旱半干旱气候区的形成和演化以及发生在该区域的天气和气候进行研究，二是对全球任何区域的干旱气象进行研究［5］。本文主要综述和讨论第二种干旱气象研究方面的工作。

中国地域辽阔，处于东亚热带季风和副热带季风共同影响区，同时受西风环流和高原季风影响，可分为季风湿润区、内陆干旱区和青藏高寒区3个自然地理区。在特定自然地理环境和气候条件制约下，中国受干旱灾害影响严重［6-7］。据统计，中国农作物因旱年均受灾面积和成灾面积分别达2.1×107、8.9×106hm2，每年造成的粮食减产从数百万吨到3000多万吨，年均直接经济损失高达440亿元人民币［8］。IPCC第六次评估报告指出，在现有排放情景下全球地表温度将持续升高，水循环进一步加剧［9］，势必将导致中国的干旱分布格局发生新变化，整体呈现干旱化趋势，在北方干旱形势依然严峻的情况下，南方干旱事件也在增加［10-12］。如2020年，中国东北、华南地区遭遇了严重的夏伏旱［13］；2013年，长江中下游地区发生了骤旱［14］。同时，干旱灾害风险形成过程出现新特征［15-16］，这对于干旱灾害风险管理提出新的挑战［17］。由此可见，干旱已成为制约中国经济可持续发展的重要因素［18］。如何针对干旱进行防灾减灾已成为社会关注的热点。

国内外对干旱及其灾害进行了大量研究，研究逐步从干旱的表象特征向机理机制过渡，从最初关注降水到关注陆气相互作用，再到关注干旱对人类社会发展的影响及其响应［19-21］。作为一项多学科交叉的科学，干旱问题十分复杂，且具有地域性。气候变化导致干旱问题的复杂性进一步加剧，并出现很多新问题，如中国干旱时空分布出现了什么新特征？气候态变化对干旱监测及其阈值有何影响？气候变化为干旱灾害风险评估带来什么新挑战？诸多新的科学问题还有待于进一步研究。

目前关于干旱问题的相关研究机构和研究论文很多，涉及区域比较广泛，研究结果比较分散，且有些结论相悖。中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室是以科学观测试验为基础，以干旱气候变化和预防减缓干旱等气象灾害技术研究为专业特色的科研机构。在实验室顶层设计的总体研究目标和任务指导下，以实验室为平台开展了一批与干旱气象有关的国家自然基金重点项目“我国典型夏季风影响过渡区陆—气相互作用及其对夏季风响应研究”、国家重点基础研究发展计划课题“气候变暖背景下我国南方旱涝灾害风险评估与对策研究”、国家自然科学基金青年项目“中国西北半干旱区玉米干旱脆弱性特征及调控机制”等十多个国家级项目或课题的研究。这些项目或课题相互结合和继承，充分发挥了干旱项目群作用。为便于国内外同行了解研究的最新进展，本文从干旱监测技术、干旱时空分布规律、干旱致灾特征、干旱灾害风险及其对气候变暖的响应以及干旱灾害风险管理与防御技术等方面，系统总结了中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室干旱气象科研合作团队的最新科研成果，并提出了干旱气象研究存在的问题和挑战以及未来的发展方向和突破口，以期为中国的干旱防灾减灾工作提供支撑。

1 干旱气象研究取得的主要科学进展

1.1 干旱监测技术与方法

干旱指标是干旱监测的基础。通过综合降水、径流、温度、地物光谱等大量相关信息，形成易于计算和理解的指标，并以此来定量反映干旱的强度、范围和持续时间等特征。通过总结现有干旱监测指数的优缺点，干旱气象科研合作团队采用多种方法构建了新的干旱监测指数，并评估了不同指数的区域适宜性。

（1）构建了新的干旱监测指数——K干旱指数

王劲松等［22］基于降水和蒸散量构建了K干旱指数，主要用于监测大气和土壤干旱。计算公式如下：

式中：Ki,j为i年j站的K干旱指数；R'i,j、E'i,j分别为i年j站降水和蒸散的相对变率；Ri,j、Ei,j（mm）分别为i年j站降水量和蒸散量分别为j站最近30 a降水量和蒸散量的气候平均值。为便于干旱指标在大尺度空间的横向对比，对数据进行标准化处理。当降水相对变率越小、蒸散相对变率越大时，Ki,j越小，干旱越严重。K指数的干旱等级划分标准见文献［23］。研究发现，K指数在中国西北地区春旱、甘肃省干旱监测业务和贵州安顺等地区干旱监测中表现良好［22-24］。

为提高K指数对干旱过程（包括干旱的开始时间、持续时间和强度等）的刻画能力，WANG等［25］在原有K指数基础上增加了前期降水和蒸散量对当前干旱的累积影响。由于前期降水和蒸散量对土壤水分的贡献存在随时间衰减现象，因此对比了指数和线性2种衰减模型，并选取典型干旱年进行验证，发现线性衰减模型更符合干旱发展规律，并由此建立了新的K指数干旱监测模型［25］。线性衰减模型的表达式如下：

式中：n（d）为当前日期之前的天数，n=0，1，2，…，N（可根据降水和蒸散累积衰减时间分别将N确定为30、90或150 d）；Pn和En（mm）分别是第n天的降水量和蒸散量；a和b分别是斜率和截距。

（2）建立了基于地表能量平衡的干旱遥感监测新方法

干旱遥感监测的主要目的是探测土壤水分含量。目前常用的基于反照率、归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）和地表温度的干旱遥感监测模型一般适用于裸土地表（如表观热惯量法）或植被覆盖地表（如NDVI及其衍生的一系列干旱遥感监测模型），而对于稀疏植被覆盖的地表，这些方法的监测精度无法满足当前需求。为解决这一问题，郝小翠等［26］将基于地表能量平衡的波文比作为一种新手段引入干旱遥感监测中，构建了基于地表能量平衡的干旱遥感监测新方法。研究发现，地表能量平衡是地表干湿状况动态变化的重要物理约束，其中波文比定义为感热通量和潜热通量之比，可反映水热平衡分配随地表水分不同而产生的变化。土壤水分越充足，则感热通量越小、潜热通量越大，波文比越小；反之，土壤水分越少，波文比越大。与仅用地表温度建立的干旱遥感监测模型相比，波文比中感热和潜热能够同时兼顾能量和水分2个因子，适用于裸土和植被混合的稀疏植被覆盖地表，具体反演方法见文献［26］。同时，进一步基于波文比与土壤湿度的关系及《中华人民共和国国家标准农业干旱预警等级》建立了波文比干旱分级标准，用以评价大尺度旱情空间格局。土壤相对湿度（土壤含水量与田间持水量的百分比）60%、50%、40%分别是轻旱、中旱和重旱的临界值，对应的波文比分别为2.5、6.0和19.0。基于波文比法反演甘肃省河东地区地表干湿状况，发现波文比与0～20 cm土壤相对湿度具有显著的负相关关系［26］。

（3）发展了基于陆面模式的干旱监测方法

ZHANG等［27］从模式强迫资料生成、模式运行和结果后处理以及干旱监测产品生成3个方面，构建了基于CABLE（Australian community atmosphere biosphere land exchange）陆面模式的干旱监测方法。首先，以NCEP（National Centers for Environmental Prediction）T62地表通量数据为基础，应用国际广泛认可的CRU（Climatic Research Unit）、CMAP（Climate Prediction Center merged analysis of precipitation）和SRB（surface radiation budget）资 料，采 用Shepard插值方法，分别对NCEP温度、降水和辐射资料进行误差订正，运行CABLE模式得到每6 h一次的实时资料；然后，利用观测资料检验模式数据精度，建立质量可靠的准实时陆面模式强迫资料（滞后7 d左右），并对模拟结果进行周、旬、月平均，为开展干旱监测提供数据集。基于已生成的数据集计算标准化降水指数（standardized precipitation index，SPI）、标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）、帕尔默干旱严重度指数（Palmer drought severity index，PDSI），并根据百分位数法划分的干旱等级［28］，判断区域干旱状况。该方法详细介绍见文献［28］。基于CABLE陆面模式的干旱监测新方法有助于国内干旱趋势评估和干旱监测预警水平的提升。

（4）评估了国际流行的干旱监测指数的适用性

目前全球干旱监测指数已有百余种。干旱监测指数具有时空应用范围的局限性，如PDSI最初应用于美国半干旱地区［29］。不同干旱监测指数对于同一区域、同一时间的干旱监测结果差异显著［30］，故需要对这些干旱监测指数进行区域适用性研究。研究发现，改进的综合气象干旱指数（meteorological drought composite index，MCI）和K指数对中国北方地区干旱监测效果优于SPI、Pa（precipitation anomaly percentage）和SPEI，其中MCI对春旱监测效果较好，K指数对北方偏东、偏南区域的夏、秋、冬季旱情监测效果略优于MCI，Pa和SPI对夏、秋季旱情监测能力较高，SPEI对夏旱监测能力较强［31-32］（图1）。就华南和西南地区，MCI和K指数对各季干旱监测能力都较强，其中K指数在夏、秋季表现更好，MCI在冬、春季表现更好；DI（daily drought index）对冬、春季旱情监测效果较好，PDSI和GEVI（generalized extreme value index）对夏、秋季旱情监测效果较好，但sc_PDSI（self-calibrated PDSI）对干旱范围和等级的监测效果优于PDSI，而SPI对夏旱监测能力更强，SPIW60（standardized index of weighted average precipitation）整体监测效果较差［33-34］。从对干旱演变过程的刻画能力来看，K指数表现最好，其次是DI，MCI在干旱缓解阶段存在监测程度偏重的情况，SPI、SPIW60和GEVI存在监测程度偏轻、缓解过程解除过快的情况，PDSI对干旱演变过程的反映能力较差。总的来说，干旱指数的监测能力与各指数构建时考虑的主要致旱因子和时间尺度密切相关，深刻理解干旱形成机理是提高干旱指数监测能力的重要途径。

1.2 干旱时空分布规律

中国是干旱灾害发生频率高且影响严重的国家之一。正确认识中国干旱时空分布规律有助于制定科学合理的防灾减灾制度。

（1）中国整体呈现明显的干旱化趋势

图1 干旱指数对不同区域、不同季节干旱的监测准确率（引自文献［31］）（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.1 The monitoring accuracy of each drought index for different regions and different seasons（cited from literature［31］）（a）spring，（b）summer，（c）autumn，（d）winter

自20世纪60年代至2011年，随着东亚大气环流系统从对流层到平流层出现明显的年代际转折，中国的旱涝时空格局也随之出现新的特征。根据1960—2011年气象观测资料，中国存在一条自东北向西南延伸的干旱趋势带，东北、内蒙古中东部、华北、西北地区东部以及西南地区东部呈现变干趋势，西北地区西部的北疆、青海中部及西藏中北部呈现变湿趋势（图2）［35］［文中涉及的中国及各省（市、区）行政边界基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）1595号的标准地图绘制，底图无修改］。其中，西北地区东部轻到中旱日数增加，西南地区东部中到重旱日数显著增加，四川盆地中南部和山东半岛特旱发生频率增加［35］。从季节来看，秋季干旱化最显著，其次为春季和夏季，冬季则呈现不明显的变湿趋势［35-36］。从年代际来看，中国20世纪60年代之后干旱化趋势明显，20世纪90年代后期至21世纪初期干旱造成的损失最严重。总体来看，中国呈现明显的干旱化趋势，干旱范围扩大、强度加重、频率增加。

（2）在中国北方干旱形势依然严峻情况下，南方干旱呈现明显增加和加重趋势

中国北方地区总体属于干旱多发区域［37］。2000—2014年，在北方干旱频次和强度依然严峻情况下，南方干旱频次明显增多，且区域性和季节性的严重干旱事件也呈增加趋势（图3）。以华南和西南地区为例，在气候变暖背景下降水显著减少、潜在蒸散量减少且变异增大；在降水减少和温度升高的双重作用下，干旱程度加重［38］。分区域来看，西南地区约30%的区域属于干旱区，1953—2012年该地区一致呈显著变干趋势，秋季干旱化程度最强，极端干旱频次逐渐增多，干旱持续时间增长、频率增加、强度增强，冬春连旱多发［39］。川西高原、川西南山地和云南中北部区域干旱发生概率高于60%，且以冬、春旱为主；云贵高原中部易出现异常干旱［40-41］。华南地区地处中国南部沿海，年降水量在900～2700 mm之间，是中国多雨区之一，但近些年该区域的干旱事件也呈增加趋势。从季节变化来看，华南地区春、夏季持续干期日数呈下降趋势［-0.042、-0.108 d·（10 a）-1］，秋、冬季持续干期日数呈上升趋势［1.911、0.118 d·（10 a）-1］，且秋季持续干期日数最多（20～44 d）；从区域分布来看，持续干期日数最高的区域，春季在南部沿海，夏季在桂北和粤北、粤东及雷州半岛，秋季在粤东大部，冬季在雷州半岛；从年际变化来看，持续干期日数显著增加的区域，春季在桂南，夏季在桂中和桂南，秋季一致呈增加趋势，显著增加的区域主要在桂中和粤东北沿海地区，冬季主要集中在粤中南部、粤东以及桂东边缘［42］。从农业干旱灾害损失来看，1949—2012年西南地区干旱灾害的范围、程度和频次也呈增加趋势，四川最明显，其次是贵州，云南增加趋势最小。2002—2012年西南干旱的重灾中心向南北两边分离，云南和贵州的干旱面积明显增加［43］。

图2 1960—2011年SPI变化趋势空间分布（引自文献［35］）（○、▲分别表示通过99.9%和95%的置信水平）（a）年，（b）春季，（c）夏季，（d）秋季，（e）冬季Fig.2 Spatial distributions of the trend of SPI from 1960 to 2011（cited from literature［35］）（○and▲represent passing the confidence level of 99.9%and 95%，respectively）（a）the whole year，（b）spring，（c）summer，（d）autumn，（e）winter

图3 气温突变前后中国干旱强度（a）、频次（b）和持续时间（c）变化（引自文献［37］）Fig.3 Variation of drought severity（a），frequency（b）and duration（c）before and after temperature abrupt change in China（cited from literature［37］）

1.3 干旱致灾过程特征

干旱致灾过程是指干旱从发生到产生影响或灾害的过程。研究干旱致灾过程特征有助于理解干旱的发展过程及趋势，提高干旱管理水平。

（1）研究了干旱灾害的链式传递过程和主要特征

灾害链是由某一种致灾因子或生态环境变化而引发的一系列灾害现象［44］。干旱灾害链则是因降水短缺引发的一系列灾害构成。正确认识干旱灾害链的发生、发展和转变过程，对于断链式灾害管理具有积极意义。

国际上通常将干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。张强等［45］认为，在重视生态文明建设的今天，还应该增加生态干旱类别。气象干旱代表了降水的强度和概率特征，农业干旱、水文干旱、社会经济干旱和生态干旱则反映了气象干旱的影响程度，它们彼此之间并非相互独立，而是存在链式传递过程。如图4所示，降水异常偏少可导致气象干旱的发生，当条件合适时气象干旱会向生态、水文和农业干旱并行传递，当干旱发展到一定程度就会引发社会经济干旱［45］，且农业干旱、水文干旱和生态干旱内部也存在明显相互传递过程。随着干旱传递链的逐渐增长，干旱造成的影响越难以逆转。在干旱解除时，可能会发生气象干旱和农业干旱已解除，而生态干旱和水文干旱仍持续的情况。需要注意的是，干旱灾害传递并非必然过程，只有在干旱程度达到一定阈值时才会往下传递，且不同区域干旱灾害传递链及其阈值差异很大［45］。鉴于此，可通过对气象干旱监测来实现对农业、水文、生态和社会经济干旱的早期预警。气候变化进一步加剧了干旱传递过程的复杂性，如生态环境脆弱性发生改变可导致干旱传递进程加快，干旱发生时间和区域的改变可令其发生发展规律难以把握［46］。

图4 干旱传递过程及其相互作用（引自文献［45］）Fig.4 Drought transfer processes and interactions（cited from literature［45］）

王劲松等［47］基于灾害链理论，通过干旱事件历史资料普查，分析了中国西南和华南地区干旱灾害链传递特征。研究发现，当发生气象干旱时，云南、广西、贵州冬、春季易发生森林火灾；随着干旱程度加重，还会造成人畜饮水困难。长期干旱还可引起疫病、虫害、鼠害等的发生和发展，造成植被生物量减少，影响人民生活和工农业生产。从中国西南和华南地区干旱灾害链（图5）可知，一旦发生干旱，在没有任何防御或断链措施下最终结果一致，即经济损失加剧、生态环境恶化。从干旱链传递阈值来看，特大干旱会引发土壤退化，重度干旱会引发森林火灾、病虫害爆发和水力发电量降低，而中度干旱就可能影响航运。另外，干旱灾害链在西南和华南地区有明显不同。西南地区是典型的喀斯特地貌，轻度干旱就可能导致作物受旱，中度干旱会造成生活用水困难；华南地区，只有达到中度干旱才会向下传递到作物，重度干旱才能影响生活用水。也就是说，在同样气象干旱程度下，由于西南和华南地区干旱孕灾环境不同，灾害链的传递特征不同，受影响的程度也不同。

（2）发现了作物因旱损失的关键影响期

图5 中国西南（a）和华南（b）地区干旱灾害链（改自文献［47］）（色标表示达到此等级的旱灾可影响到的承灾体）Fig.5 Drought disaster chain in southwestern China(a)and South China(b)(modified from literature［47］）(The color labels represent the corresponding disaster-affected body by drought disaster with different levels)

以往研究关注更多的是农业因旱损失与全年不同气候条件的关系。对于作物来说，其因旱损失程度与不同气候要素及不同生育期对气候要素的依赖程度密切相关，因此寻找作物因旱损失的关键影响期是深入理解干旱致灾过程的一个重要途径。张强等［46］研究发现，从全年来看，中国南方地区农业干旱综合损失率受降水的影响大于温度，但相关性总体较弱。从月尺度来看，南方农业干旱综合损失率与降水（温度）的关系在4、6—8月（6、7、12月）较显著，说明春、夏季降水（夏、冬季温度）对农业因旱损失影响较大，而与MCI的关系在5—10月较显著，尤其是7—8月，说明夏旱对农业因旱损失影响至关重要［48-49］。将关键影响期与作物生长阶段关联起来，发现中国南方农业干旱的关键影响期正处于作物返青、拔节、抽雄、开花、吐丝和分蘖等关键生长阶段（图6）。

（3）获得了干旱灾害形成的降水亏缺累积时间尺度的区域差异性

干旱发展是一个缓慢的累积过程，某一时刻干旱程度不仅与当前降水量有关，也与前期降水量的累积效应有关。对这一问题的正确认识有助于干旱监测、预警和评估准确性的提高。WANG等［50］研究发现，中国约80%的干旱灾害由3个月内时间尺度的降水亏缺引起。其中，华北、西北地区东部、黄淮、江汉及西南地区西部的干旱灾害多由1个月内的降水亏缺引起；西南地区东部、华南、江南、江淮及东北区域的干旱灾害多由2～3个月内的降水亏缺引起；4～6个月尺度降水亏缺引起的干旱灾害约占总面积的17%，这种干旱过程一般是50 a或百年一遇的干旱事件，如2009年西南地区秋冬春连旱（图7）。总的来说，黄河流域和西南地区西部降水亏缺的累积时间尺度小于南方大部和东北地区。这一研究揭示了降水亏缺累积时间尺度对干旱灾害发生的影响程度及区域差异，为不同地区干旱致灾因子的时间尺度选取提供支撑，有利于干旱监测指数的改进和完善。

1.4 干旱灾害风险及其对气候变暖的响应

全球气候变暖导致干旱发生的频率、时间和强度呈现增加趋势［51］，并对农、林、牧业生产和水资源与水循环及生态与自然环境等造成广泛影响，进而对人类生存与可持续发展构成严重威胁。中国是暴露于干旱灾害危险区人口最多的国家，社会经济发展和人民生活水平的提高严重依赖于干旱灾害管理水平。近些年来，干旱灾害管理已从最初的应急管理向风险管理转变，干旱灾害风险的科学评价和特征研究就变得尤为重要。自20世纪90年代开始，为响应“国际减灾10年”活动，中国开展了大量的干旱灾害风险研究工作。中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室的干旱气象科研合作团队在这一发展过程中主要取得了以下几方面的科学认识：

图6 中国南方温度、降水和MCI的变化趋势及其对作物的关键影响期（引自文献［48］）Fig.6 The trends for the three key climate factors（monthly total precipitation，mean temperature and MCI）and their relationships to crop growth and development periods（cited from literature［48］）

（1）提出了干旱灾害风险形成的概念模型。在自然灾害风险形成机制上，主要有“二因子说”、“三因子说”和“四因子说”［52］。从灾害学和自然灾害风险形成机制角度出发，IPCC第五次评估报告认为，灾害风险不仅取决于致灾因子的严重程度，在很大程度上也取决于暴露度和脆弱性水平。张强等［46］在此基础上，引入气候变化和人类活动影响，结合孕灾环境敏感性，提出了一个新的干旱灾害风险形成机理概念模型（图8）。该模型考虑了人类活动对气候变暖、区域生态环境变化以及应对和恢复力的影响，并通过间接作用传递到不同影响层面，是干旱灾害风险形成的基础。气候变化和突变使得气候变率和气候态发生变化，导致致灾因子危险性发生改变，是干旱灾害风险形成的必要条件。气候变率和气候态的变化又可以引起生物演化和群落演替，导致人类和生物的时空分布特征发生变化，令干旱灾害承灾体的暴露性和脆弱性发生改变。应对和恢复力及地壳运动引起的地质和水文环境变化间接影响了地质地理环境和水资源环境，从而造成孕灾环境敏感性发生变化。这些变化迫使干旱灾害风险形成新的特征。该概念模型全面、客观地表征了干旱灾害风险的形成机理，反映了气候变暖背景下干旱灾害风险的可变性与动态过程特征。通过该模型获得的干旱灾害风险特征将更加科学和客观，更接近干旱灾害风险的本质。

（2）揭示了干旱灾害风险分布特征。中国夏季风影响区的干旱致灾高危险区和高风险区主要位于夏季风边缘区域，这是因为该区域降水总量小且时空变率大［53］。黄河流域干旱风险具有明显的地带性和复杂性，中下游风险高于上游［54-55］。甘肃省干旱受灾率在22%时旱灾风险最大，10%～20%时风险为1.0～1.6 a一遇，大于50%时风险约为12 a一遇，具有发生概率高、周期短的特征［56-58］。中国南方的干旱高风险区主要位于川东盆地、川滇交界处、滇东北大部、桂西南部及粤东北部和雷州半岛［46，59-62］。研究发现，甘肃冬小麦主产区的干旱灾害高风险区主要位于陇东黄土高原，种植保险率为83%～85%［63］；西北半干旱区玉米的干旱灾害高及次高风险区主要位于甘肃临夏、定西、会宁、秦安、平凉东北部、庆阳北部和宁夏盐池、固原以及陕西榆林西部和南部、关中东部和南部［64-65］，而西南地区玉米生育期干旱高风险区主要分布在滇中和滇北、黔西和四川盆地中部［66］；草地干旱灾害高风险区主要位于内蒙古东北部、东北地区西部、宁夏北部、塔里木盆地北边缘、青藏高原南部、云贵高原、河南和山东地区［67］。

图7 不同累积时间尺度降水亏缺下干旱灾害的发生概率（单位：%）（a）1个月，（b）2个月，（c）3个月，（d）1～3个月，（e）4～6个月Fig.7 Probability of drought disaster under precipitation deficit at different cumulative time scales（Unit：%）（a）1 month，（b）2 months，（c）3 months，（d）1-3 months，（e）4-6 months

图8 干旱灾害风险形成机理概念模型（引自文献［46］）实线为直接影响，虚线为间接影响Fig.8 Conceptual model of drought disaster risk formation mechanism（cited from literature［46］）（solid lines for direct impact，and dotted lines for indirect impact）

（3）揭示了干旱灾害风险对气候变暖的响应特征。气候变暖导致干旱灾害风险要素之间的关系更加复杂（图9）［45］。从全国来看，气候变暖导致干旱灾害发生的频率、强度和持续时间呈增加趋势，令干旱危险性增大［37］，同时还可导致干旱承灾体分布区域、产量、暴露时间、耐旱性及生存环境等发生较大幅度的变化［68-69］。其中，气候变暖导致中国夏季风影响区干旱危险性明显增加，高危险区主要位于季风边缘区、西南地区以及沿海的浙江和福建，且明显有向季风边缘区转移的趋势，同时中国南方的干旱高风险区明显减少，北方的干旱高风险区增加（图10）［53］。气候变暖导致甘肃省干旱受灾风险增加了17.65%，成灾风险增加了19.57%，且大旱发生风险增加［15］。气候变暖后，华南和西南地区致灾因子高危险区面积扩大8%，华南扩大更显著，达13%，且致灾因子危险性从云南东部向贵州和四川盆地扩展；云南中东部地区的孕灾环境高敏感范围扩大，四川盆地和贵州北部的高敏感区范围略有缩小；干旱灾害的高风险区面积扩大3%，呈现自云南向东和向北扩展趋势，华南干旱面积扩大更为明显，达6%（图11）［46］。

图9 干旱灾害风险要素之间的关系及其受气候变暖的影响（引自文献［45］）Fig.9 The relation between the factors of drought disaster risk and the effect of climate warming on them（cited from literature［45］）

（4）明确了气候变化对干旱灾损的影响。1960—2010年，中国轻、中和重度以上农业干旱灾损比率分别为14.1%、6.5%和1.0%，呈增加趋势，且旱灾等级越强，增加速率越快［18］。其中，北方的轻、中和重度以上农业干旱灾损比率分别较南方高2.1倍、2.2倍和1.9倍，且北方旱灾损失率的增加速率大于南方，这说明气候变化对中国北方干旱灾害的影响较南方更突出［18］。从农业旱灾综合损失率来看，中国平均为5.4%，其中北方和南方平均分别为7.4%和3.5%；从农业干旱灾害损失率的增加速率来看，中国为0.5%·（10 a）-1，其中北方和南方分别为0.6、0.3%·（10 a）-1［18］。另外发现，年平均气温每升高1℃，南方和北方的农业干旱灾害综合损失率分别增加0.93%和0.94%；年降水量每减少100 mm，南方和北方的农业干旱灾害综合损失率分别增加0.76%和5.50%［18］。气温突变后，北方农业干旱灾害综合损失率增幅是南方的3～4倍（图12），受气候变化影响显著［18］。

1.5 干旱灾害风险管理与防御技术

干旱灾害风险管理作为一种主动、有备、周密和有效的防旱抗旱管理模式，贯穿于干旱发生发展的全过程，其本质是积极预防和降低干旱灾害风险。

图10 温度突变前（a、c）、突变后（b、d）干旱致灾危险性（a、b）和灾损风险性（c、d）空间分布（引自文献［53］）Fig.10 Spatial distributions of drought hazard（a，b）and risk（c，d）before（a，c）and after（b，d）temperature jump（cited from literature［53］）

（1）构建了干旱灾害风险管理策略概念模型

张强等［46］基于不同风险因子和风险承灾体构建了干旱灾害风险管理策略概念模型（图13）。可以看出，对于致灾因子高危险区，可采取的策略主要包括加强人工增雨、提高露水利用率、规避高危险区以及采取农耕措施减少土壤水分蒸发等；对于孕灾环境高敏感区，主要措施是改变生态、水文和土壤条件，如提高水分涵养能力、水资源保障能力和土壤保墒能力；对于防旱减灾能力弱的区域，需要集合多方面力量，加大抗旱防灾工程建设和技术开发投入、提高公众对干旱的认识以及加强干旱监测、预测、预警等能力；对于承灾体高暴露区，主要措施是提高承灾体的抗旱能力。针对不同承灾体，一般是通过风险预警、风险规避、风险控制和风险应对几个步骤进行风险管理。对于农业，可通过气象干旱监测进行风险预警，通过精细化种植规避干旱风险，发展多元化和规模性经营进行风险控制，加强农业干旱适应技术的研发和农业保险的推广进行风险应对；对于水资源，可通过气象干旱监测和抗旱应急水源工程建设进行风险预警，提高工程的安全运行标准、健全水资源调度系统、严格把控“三条红线”制度的落实进行风险控制，加强高风险区防洪抗旱体系建设、优化水资源配置效率进行风险应对；对于生态系统，可通过建立生态红线和生态补偿机制提高风险控制能力，实施生态移民、自然保护区等项目进行风险应对。

图11 气温突变前（a）、突变后（b）中国华南和西南地区干旱灾害风险特征（引自文献［46］）Fig.11 Characteristics of drought disaster risk in South China and southwestern China before（a）and after（b）temperature abrupt change（cited from literature［46］）

图12 气温突变前后中国南方、北方和全国农业旱灾综合损失率平均值对比（引自文献［18］）Fig.12 Changes of the average comprehensive loss rate of agriculture drought before and after the increases of annual average temperature in northern，southern China and the whole China（cited from literature［18］）

（2）提出了干旱灾害风险防控技术对策

①充分发挥监测评估信息的防控决策作用。通过技术手段提高干旱监测预警能力，构建实时有效的干旱预警平台和干旱灾害综合业务服务系统，提高干旱灾害风险评估和对策服务的时效性，是风险防控管理的重要途径［46］。

②充分发挥农田基础设施作用。通过加强农田基础设施建设，提高水资源利用效率；通过加强水利基础设施管理，合理开发和优化配置现有水资源；通过科技发展，提高农田灌溉节水能力，扩大节水灌溉面积［70］。

③实施高效水肥利用技术。在工程方面，可采用喷灌、滴灌、渗灌等技术；在农艺方面，可采用地表覆盖、双垄沟播、小畦改造等增温保墒措施；在科学管理方面，根据作物需水关键期科学补水，提高水分利用率等［70］。

④加强生态环境保护与建设。在气候脆弱区实施退耕还林还草、生态移民等措施，发展农林牧渔复合型立体农业，建立水源涵养林、防风固沙林，积极发展资源节约型农业和生态农业，提高农业生态系统的抗逆性和恢复力［46］。

⑤积极推广农业保险。立足各地实际，积极开展具有地方特色的农业保险品种研发，加强农业气象保险的“融合式”发展，有效减轻政府财政的干旱赈灾负担，提高农户风险防御水平［71］。

⑥大力开发空中云水资源。中国西北、西南地区分别约有15%、20%的水汽可在本区域形成降水［72］。对空中水资源利用的一个主要途径是人工增雨（雪）。以祁连山区为例，飞机人工增雨（雪）的投入产出比在1：30以上，按照10%～15%的增雨（雪）率估算，河西走廊地区内陆河流域年水资源增加量可达3.7×108～7.4×108m3［72］。因此，增加空中水资源利用对于缓解干旱有积极意义。

⑦陆面非降水性水分的开发利用。陆面非降水性水分主要包括水汽吸附、露水（或霜）和雾［73］。研究发现，非降水性水分是干旱和半干旱区的潜在水源，其贡献率能达到甚至超过降水量，影响土壤—植物—大气界面的能量平衡。同时，陆面非降水性水分的植物吸收利用率远高于降水，能够快速降低植被体内的水分亏缺，为植物受旱的恢复发挥关键作用［74-75］。因此，在干旱和半干旱区，陆面非降水性水分可以有效缓解季节性干旱的发展［76］。在实际操作中，可以从选择有利气候条件和开发最佳水分凝结面两方面入手［77］。就局地气候条件而言，可选择少云、空气湿度较大、风速适中、近地层逆温较明显、表面温度较低的平坦开阔区域放置非降水性水分收集系统。如黄土高原半干旱区露水形成的有利气候条件是风速为0.5～2 m·s-1，相对湿度大于80%，温度露点差为-3～6℃，地气温差为-2～2℃［78-79］。就水分凝结面来说，一般要考虑凝结面形状和结构、绝热性、反射率、亲水性等因素［78-79］。

图13 干旱灾害风险管理策略概念模型（改自文献［46］）Fig.13 Conceptual model of drought disaster risk management strategy（modified from literature［46］）

2 干旱研究的科学问题及展望

21世纪以来，中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室的干旱气象科研合作团队在干旱监测技术、干旱时空分布规律、干旱致灾过程特征、干旱灾害风险及其对气候变暖的响应以及干旱灾害风险管理与防御技术等方面取得了很多研究进展。然而，由于干旱气象科学问题的复杂性及社会发展对干旱防灾减灾要求的不断提升，干旱气象研究还存在很多问题和挑战。例如，缺乏支撑干旱研究的综合性野外观测试验，对干旱气候变化的影响、原因缺乏深入认识，对干旱致灾过程及特征认识较浅显，对干旱判别及构建干旱监测指数的机理性研究不够深入，对气候变暖背景下干旱灾害风险新特征的认识还有待加强，对干旱灾害风险管理与防御技术对策还需要进一步细化，等等。随着干旱灾害理论的不断创新、多源数据的不断丰富及技术手段的不断提升，为解决这些问题提供了更多可能。未来，在干旱气象研究方面有望在一些关键科学问题上取得新的突破：

（1）针对气候变化背景下干旱高发区设计综合性干旱观测试验。国内已相继开展了一系列与干旱有关的科学观测试验，这些试验主要关注植物干旱胁迫、土壤水分转化等内容，并主要集中在中国北方的传统干旱高发区［80］，而对于陆—气能量、物质循环等多要素和长时间的系统性观测明显不足［20］，对于干旱灾害链式传递过程的试验设计不够，对于气候变化导致的干旱灾害风险变化特征的试验设计较缺乏，针对中国南方地区和季风过渡带等新重旱多发区的综合性干旱科学试验布局较少。未来研究应加强这些方面的设计和投入。

（2）加强干旱形成机理研究。中国干旱的发生和发展受季风、海温、高原热力及动力、局地陆—气相互作用以及人类活动等因素的协同影响。同时，还要考虑大系统对干旱气候及其灾害的影响，如高原北支绕流和翻越气流、印度半岛、印度洋、南海以及全球干旱特征、机制和不同干旱区的联系。目前，许多研究主要从陆面强迫的角度进行简单考虑，忽视了陆—气相互作用的影响［20］。同时，干旱事件还具有多时间尺度特征，轻旱可能是短期的单一时间尺度干旱事件，而重大干旱事件大多是多时间尺度叠加或转换形成的［46］。因此，仅从单因素或某几个因素认识干旱形成和发展机理远远不够。气候变暖对干旱的影响非常复杂，它可以通过多途径影响干旱的发生发展过程，而这一过程中气温、降水、蒸发、湿度等要素之间的关系也是非线性的多层次、多途径交叉耦合关系。对于气候变化背景下中国干旱及其灾害时空分布特征形成的原因及对生态环境的影响研究还比较粗浅，有些结论尚停留在猜想阶段［81］。未来研究应基于多源资料的收集和试验数据的获取，从不同维度和尺度定量研究干旱的形成机理。

（3）构建多源数据融合和多方法结合的综合干旱监测新方法。不同区域不同时间尺度的干旱都有其特有的多因子协同作用规律和多时空尺度叠加转换特征。干旱的发生发展通常是一个缓慢过程，但它又可能因一场较大的降水过程而结束，甚至发生旱涝急转现象，即干旱的发生与结束具有明显的非对称性特征。近年来骤发性干旱频发，对该类型的干旱监测、判识和预测提出更高的要求［82-85］。基于以上原因，现有的干旱监测指标存在对干旱发展过程刻画不合理的问题，缺乏判识其发生发展的客观定量阈值标准。对于农业和生态干旱监测，植物本身需水状态和土壤供水情况是必须考虑的因素，尤其在灌溉农业区［86］。在未来工作中应结合野外干旱综合科学试验，加强对多源数据的获取和利用，并结合陆—气耦合模式，构建多源数据融合和多方法结合的综合干旱监测新方法。

（4）深化干旱灾害链式传递过程研究。目前，对于链式效应较短且灾害效应显著的灾害链系统研究较多，如暴雨洪涝灾害链、台风灾害链、地震灾害链等［87-89］，而对于灾害传递机理复杂性高且链条长的干旱灾害链研究较少，研究体系仍未建立，且基于干旱灾害链的风险评估研究不足［90］。已有研究通常从干旱灾害链理论出发，主要构建了干旱灾害链式传递过程框架，且定性分析了典型区域的干旱灾害链特征［91］。未来研究中应在多学科支撑下，主要从干旱灾害链识别、演化过程解析、构链规律量化和断链对策明确等方面入手，采用系统动力学演变模型、概率模型、模糊综合评价、经典地学统计等方法进行定量化的干旱灾害链致灾机理及传递过程研究，更好服务于逐级干旱预警工作。

（5）精细化干旱灾害风险特征和风险管理研究。干旱灾害风险包含了危险性、脆弱性、暴露性、敏感性、恢复力等要素，具有明显的非线性和突出的动态性特征。目前的干旱灾害风险评估主要有因子综合分析法、概率统计法、物理模型法和情景分析法。这些方法在风险形成、风险表达、参数合理性和完整性方面存在明显不足［46］。未来研究中应加强对风险因子作用机理的研究，明晰风险传递进程，构建具有明确物理意义的干旱灾害风险评估模型。需要指出的是，在干旱灾害风险评估中存在数据时空分辨率较低的突出问题。例如，干旱灾损资料的记录往往是定性描述，或是基于省、市行政单元，这无法满足精细化的风险评估要求。在未来研究中应积极发挥多源数据优势，采用合理的数据融合方法和数据挖掘技术，提高资料的广度和精度。气候变暖背景下，干旱灾害危险性发生显著变化，同时也会对脆弱性、暴露性、恢复力等造成一系列影响［92］。现有研究对这一问题进行了初步探讨，但气候变暖对干旱灾害风险影响的机理性研究还远远不够，这也是未来研究需要关注的问题。干旱灾害风险是一个动态变化的过程，如农业承灾体对干旱的敏感性和恢复力与生育期密切相关，已有研究常常使用某个干旱指数变化来分析干旱发展状况，忽略了承灾体的特征，可能会得出错误的结论。在未来研究中应针对特定区域的特定承灾体，借助试验和物理模型等手段，考虑承灾体的干旱敏感性特征，进行动态的精细化干旱灾害风险评估。

干旱灾害风险管理主要通过对干旱灾害风险进行研判，确定风险接受等级。对于可接受的风险，在结合其他决策依据及风险交流与监测基础上，形成干旱灾害风险管理决策；对于不可接受的风险，则需要集合人力物力，采取预防、减缓和防备等行为，或通过保险等风险转移手段，有效避免、减少干旱灾害的不利影响。这是一种技术、机制和政策相互匹配的科学有效的风险管理体系［46，93-94］。在未来研究中应丰富和细化干旱灾害风险管理策略模型，制定具体的行动计划，保障其顺利运行。

3 结束语

21世纪以来，依托中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室平台开展的与干旱气象相关的科研项目群在干旱监测技术、干旱时空分布规律、干旱致灾特征、干旱灾害风险及其对气候变暖的响应以及干旱灾害风险管理与防御技术等方面取得了很多成果，对推动干旱气象研究发展起到积极作用。在研究内容上，从最早的仅关注降水，到现在的与气候变化、生态环境、社会经济发展等紧密结合的研究新格局，推动干旱灾害风险管理与防御技术研究进入新阶段，形成了在国内外有影响的干旱气象科学研究团队。但是，中国地理位置的独特性以及气候变化和社会经济发展需求，使得干旱问题愈加复杂，中国的干旱气象科学研究还面临诸多挑战，需要进一步加大相关科研力量和经费的投入，针对研究重点和难点问题进行科技攻关，提高干旱防灾减灾技术能力。在社会经济迅速发展和科学技术全面进步的当下，人们对于干旱防灾减灾的需求大幅增加，尤其在气候变化背景下对干旱气象研究提出了许多新的科学问题和发展需求。随着社会经济发展和科学技术进步，地-空观测体系、数值模拟技术、计算机智能化等不断完善和进步，未来中国干旱气象科学研究在瞄准国际前沿和热点的同时，将紧密结合中国建设发展的实际需求，进一步提升中国干旱气象科技的国际影响力。