國內(nèi)外干旱評估體系研究進(jìn)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(zāi)害是全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生的一種慢性自然災(zāi)害，它對社會生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響之大，范圍之廣、持續(xù)之久、危害之深，超出了其他任何自然災(zāi)害，成為影響世界發(fā)展的嚴(yán)重不穩(wěn)定因素和影響國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)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(zāi)就比較頻繁，從“后羿射日”的蠻荒時代到現(xiàn)代社會，干旱始終是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的主要自然災(zāi)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(xù)時間及空間分布等特性均發(fā)生了深刻變化。據(jù)《中國水旱災(zāi)害公報》統(tǒng)計，我國農(nóng)作物平均年成災(zāi)面積近年來呈現(xiàn)出顯著的年代際增長態(tài)勢，從20世紀(jì)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(zāi)進(jìn)入峰值區(qū)，平均年成災(zāi)面積高達(dá)2237萬hm2，每年因旱災(zāi)損失糧食250～300億kg，影響工業(yè)產(chǎn)值2000多億元。進(jìn)入21世紀(jì)，我國干旱災(zāi)害持續(xù)爆發(fā)，每年因旱災(zāi)損失糧食基本維持在300多億kg，造成的工農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失近千億元。同時，干旱災(zāi)害在空間范圍上也呈現(xiàn)擴大的趨勢，以往旱災(zāi)多以華北、西北等半干旱半濕潤地區(qū)為主，而近年來江南、華南和西南等濕潤地區(qū)也面臨著嚴(yán)重季節(jié)性干旱的威脅，情勢令人堪憂。

剖析我國近些年災(zāi)害頻發(fā)且損失嚴(yán)重的事實，不難發(fā)現(xiàn)，災(zāi)害的形成不僅與我國抗旱保障基礎(chǔ)條件差的現(xiàn)狀有關(guān)；同時，干旱成因及發(fā)展規(guī)律認(rèn)識不足、干旱預(yù)報、預(yù)警方法和決策體系的薄弱，也是導(dǎo)致旱災(zāi)損失嚴(yán)重的重要因素。為了積極應(yīng)對我國近期出現(xiàn)的持續(xù)干旱事件，國家提出了“由單一的農(nóng)業(yè)抗旱向生產(chǎn)、生活、生態(tài)全面抗旱轉(zhuǎn)變”的減災(zāi)新思路，制定了“以防為主、防重于抗，抗重于救”的指導(dǎo)方針，要求各省區(qū)完善抗旱工程體系，提高應(yīng)急抗旱減災(zāi)能力。而要實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，就必須加強對區(qū)域干旱評估與時空分布的認(rèn)識，全面掌握干旱事件發(fā)展演化過程及潛在的災(zāi)害影響，為制定區(qū)域抗旱規(guī)劃、開展水利基礎(chǔ)建設(shè)以及應(yīng)急管理提供科學(xué)依據(jù)。鑒于此，本文擬對干旱評估體系的研究進(jìn)展做以評述，以更好地指導(dǎo)廣大防災(zāi)減災(zāi)工作者把握干旱研究的發(fā)展方向，制定有效的防災(zāi)控災(zāi)策略。

1 干旱評估體系文獻(xiàn)回顧

干旱評估是準(zhǔn)確把握干旱動態(tài)，評估區(qū)域干旱態(tài)勢，決策未來抗旱策略的關(guān)鍵，也是一直以來干旱研究的主體。該研究領(lǐng)域主要是從二十世紀(jì)初期開始發(fā)展的，其間發(fā)展了各種各樣的干旱指數(shù)和評價方法。最早由Munger[4]提出了連續(xù)24小時內(nèi)降雨量低于1.27 mm（0.5in）日數(shù)作為識別干旱的標(biāo)準(zhǔn)。Blumenstock[5]應(yīng)用干旱日數(shù)長短與機率理論描述干旱頻率，并定義若48小時內(nèi)降雨低于2.54 mm即為干旱。而后，為描述農(nóng)業(yè)干旱中水分需求的影響，McGuire and Palmer[6]利用實際供應(yīng)水分與濕度需求的相對百分比，定義出了充足水分指數(shù)，并實際應(yīng)用于1957年美國東部的干旱現(xiàn)象分析。從以上論述可得，在20世紀(jì)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(xiàn)象的簡單方法發(fā)展到針對特定問題模式的有限應(yīng)用。

1965年，Palmer利用降雨量、溫度及土壤飽和含水量等參數(shù)，建立了帕爾默干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index,PDSI）來描述氣象干旱，其可反應(yīng)異常氣候條件的影響，通過標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)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(lǐng)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(guī)律[13],監(jiān)測水文趨勢，作物產(chǎn)量預(yù)測，評估潛在的火災(zāi)危機[14]、劃定干旱影響范圍[15]，以及干旱預(yù)測[16]等等，并由此成為干旱指數(shù)發(fā)展史上的里程碑。

受行業(yè)用戶需求的影響，20世紀(jì)80年代以前，干旱指數(shù)的大部分工作都著眼于氣象或農(nóng)業(yè)應(yīng)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(shù)（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(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)化降雨指標(biāo)（Standardized Precipitation Index，SPI），該方法只利用降水量要素和僅依賴統(tǒng)計方法，即可對干旱做出靈敏反應(yīng)，且適用于任意時間尺度，在世界各地得到了廣泛的實際應(yīng)用[18]～[20]。而后陸續(xù)有相當(dāng)多研究成果發(fā)表，并在實踐生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[21～23]、[25]。如 Gommes and Petrassi[24]提出國家型降雨指標(biāo)（National Rainfall Index，RI）等。2000年開始，衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于干旱的評估與監(jiān)測領(lǐng)域，如DM（Drought Monitor）[26]方法，就是利用包括遙感和地面墑情監(jiān)測等各類信息，將幾種干旱指標(biāo)進(jìn)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(jì)50年代，采用的干旱指標(biāo)及評估方法大多是參考國外指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)模式，按照國內(nèi)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(biāo)及其計算模式進(jìn)行修正后應(yīng)用到國內(nèi)，取得了滿意的效果，張強等[28]以SPI指數(shù)和濕潤指數(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展了一個可以考慮近期降水量對干旱影響的綜合指標(biāo)。除此之外，許多專家學(xué)者針對干旱現(xiàn)象的不確定性，采用不同方法對干旱的風(fēng)險評估展開了系統(tǒng)研究[29]～[30]，并逐步完善了我國干旱風(fēng)險指標(biāo)與評估的概念與方法。

2 現(xiàn)行指標(biāo)體系述評

2.1 指標(biāo)體系

綜合分析目前國內(nèi)外發(fā)展的干旱指標(biāo)和評估方法，不難發(fā)現(xiàn)，由于受到干旱指標(biāo)發(fā)展早期用戶需求的影響，指標(biāo)體系的發(fā)展體現(xiàn)出明顯的行業(yè)印跡或分類特征（如表1）。

表1 國內(nèi)外常用干旱指標(biāo)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(xiàn)（土壤含水量下降、地表徑流減少等）以及干旱災(zāi)害損失（作物產(chǎn)量）等幾個方面，而對影響旱災(zāi)發(fā)生的區(qū)域供水能力、水資源盈缺關(guān)系、農(nóng)業(yè)損失系數(shù)、植物生長機理、土壤水運動規(guī)律等多方面因素沒有響應(yīng)，指標(biāo)體系中致災(zāi)因素體現(xiàn)不足，容易導(dǎo)致旱災(zāi)危機預(yù)警的結(jié)果有所偏差，進(jìn)而影響整個防旱抗旱工作的大局。

再者，干旱指標(biāo)的選取存在一定的主觀因素，缺乏對指標(biāo)間物理成因關(guān)系的認(rèn)識，使指標(biāo)體系在表征中存在信息重復(fù)、結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。要掌握地區(qū)旱情變化，必須通過深入研究區(qū)域干旱規(guī)律及特點，識別干旱發(fā)展的重要驅(qū)動成分，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建區(qū)域的旱情評估與危機診斷指標(biāo)體系。

2.2 指標(biāo)體系的應(yīng)用

由于干旱指標(biāo)體系一般都帶有強烈的地區(qū)特色，因此對已有干旱指標(biāo)應(yīng)用時，要注意對干旱指標(biāo)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(cè)重反應(yīng)能力，一般多采用單變量指標(biāo)，如SPI，而在旱情綜合評估中，由于單一指標(biāo)很難反映干旱發(fā)展的態(tài)勢，故指標(biāo)的選取上多呈現(xiàn)出綜合指標(biāo)的趨勢。

表2 常用干旱指標(biāo)的優(yōu)點與局限性

3 干旱評估體系未來的發(fā)展

由于干旱災(zāi)害成因條件復(fù)雜、影響因素眾多、涉及范圍廣、時空不確定性大，導(dǎo)致干旱研究工作難度很大。特別是干旱災(zāi)害作為自然過程與社會擾動相作用的綜合產(chǎn)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(fā)過程不僅取決于降水虧缺量及其持續(xù)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(diào)蓄能力、節(jié)水技術(shù)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件、生產(chǎn)能力等多種社會因素密切相關(guān)[32]。因此要準(zhǔn)確掌握干旱發(fā)生、發(fā)展規(guī)律、評估受旱程度、預(yù)測旱情發(fā)展動態(tài)是比較困難的。針對這樣一個科學(xué)難題，大多數(shù)研究選擇了從干旱災(zāi)害的誘發(fā)因素切入，關(guān)注于干旱形成的氣象氣候條件、作物對干旱的響應(yīng)機理以及可能造成的災(zāi)害影響，而對干旱發(fā)展演變的水文機理過程以及在致災(zāi)過程中人類活動所發(fā)揮的驅(qū)動作用則鮮有關(guān)注。就目前熱門的干旱預(yù)報、預(yù)警工作而言，要么依賴于降水、氣溫等氣象預(yù)報信息，要么依靠以往旱情觀測數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計和相關(guān)性分析，卻很少從干旱危機發(fā)生發(fā)展的機理出發(fā)來認(rèn)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(biāo)）或干旱的表現(xiàn)形式（土壤墑情等農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)、徑流距平等水文干旱指標(biāo)），或者是干旱的災(zāi)害影響（社會經(jīng)濟(jì)損失指標(biāo)）來評估旱情程度[33]。而干旱的發(fā)展過程、人類活動的致災(zāi)屬性則往往被忽視。進(jìn)一步的分析，不難發(fā)現(xiàn)實際上這些指標(biāo)并不是完全獨立的，而是相互聯(lián)系的，且都與人類活動息息相關(guān)。降水偏少是干旱的起因（氣象干旱），持續(xù)一段時間后將會造成土壤水分干涸和作物缺水（農(nóng)業(yè)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(fā)展到一定程度就會導(dǎo)致作物枯死、飲用水困難等經(jīng)濟(jì)社會危機（社會經(jīng)濟(jì)干旱）。仔細(xì)分析其過程，可發(fā)現(xiàn)干旱事件發(fā)展的過程中，自然側(cè)支的不同狀態(tài)其實一直都在與人類側(cè)支發(fā)生交互，并相互影響?？梢?，干旱災(zāi)害的發(fā)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(qū)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(yù)測干旱災(zāi)害的發(fā)生或發(fā)展，必須研究人類活動側(cè)支的影響。

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