中国干旱研究进展综述

1中国干旱研究进展综述（南京信息工程大学滨江学院，南京，210044）摘要：随着人民生活水平的提高，经济建设的发展，由于干旱造成的危害也日益严重，其直接威肋到国家的长期粮食安全和社会稳定。我国众多气象学家对于干旱从干旱的定义、干旱指标和干旱监测以及干旱预报方面进行了深入的研究，取得了相应的进展，作者将对这些研究进展作简要综述。干旱的单一定义很难满足各行业、各部门的不同特点和对水的不同需求。目前将干旱按气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱进行分类定义已得到大多学者的普遍认可。对气象干旱指标、农业干旱指标、水文干旱指标3个方面的研究成果进行了较为全面的对比分析，同时分析比较了国内常用的一些干旱指数如降水量距平、降水量分位数、标准化降水指数及PDST等的原理和计算方法。指出在研制干旱指标时，要注意要素的可收集性及其适时性，考虑主要要素和监测业务的可行性，干旱指标要简单、明了，可计算性强，以便于业务使用和推广。文章还介绍了中国气象局国家气候中心干旱监测业务的发展与现状，以及干旱监测业务的流程监测方法、产品内容等。从干旱分类及其应用指标的基础上，对目前在气象干旱预报、农业干旱预报以及干旱的集成预报方法方面所取得的进展进行了阐述，并讨论了各种预报方法的优缺点以及未来干旱预报的趋势。关键词：干旱定义；干旱指标；干旱监测；干旱预报；引言干旱是造成损失最为严重的自然灾害，受其影响的人数比其它任何自然灾害都多。干旱是我国范围的主要自然灾害，在社会经济高速发展的影响下，干旱的频繁发生己成为最为严峻的环境问题之一，己经引起我国政府的高度重视。干旱，尤其是重大干旱灾害直接威肋到国家的长期粮食安全和社会稳定。我国是一个自然灾害频发的国家，据统计，气象灾害造成的经济损失约占所有自然灾害的70%，其中干旱造成的损失又占了气象灾害的50%以上。开展干旱的评估、监测与预测研究，已成为政府和学术界高度重视的热点问题，且具有重大现实意义。干旱按其种类，可分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱，这种分类，也说明了干旱影响的形式和对象不同。干旱指标即表征某一地区干旱程度的标准，是旱情描述的数值表达，起着量度、对比和综合分析旱情的作用，是加强干旱监测、预测、预警和进一步开展旱灾研究的基础。对于不同类型的干旱，干旱指标应该具有明确的物理意义，其所涉及的资料容易获得，参数计算简便，同时，指标应能反映干旱的成因、程度、开始、结束和持续时间等。根据判断角度的不同，使用不同的标准和计算方法，通常可以将干旱指标分为气象干旱指标、农业干旱指标和水文干旱指标三大类。1995年起，中国气象局国家气候中心开发研制了“全国旱涝气候监测、预警系统”。该系统利用降水量、气温等常规观测要素，依托气候指标计算，实现了对全国干旱范围和程度的实时监测和影响评估，并利用数值模式预报资料对未来旱涝发展趋势进行预警分析。在我国，如何有效地监测旱情的动态变化并进2行准确的预报，也成为众多学者共同关心的研究课题，由于干旱灾害受到诸多长期天气过程的影响，人们对其成灾机理仍不尽明确，这些模型大多具有比较明显的区域性和针对性，尚未形成能在全国各地广泛适用的预报模型。1干旱的定义和分类目前对干旱的定义还未达成一致，我国国家气象局认为干旱是指因水分的收与支或供与求不平衡而形成的持续的水分短缺现象；《中华人民共和国抗旱条例》中将干旱灾害定义为由于降水减少、水工程供水不足引起的用水短缺，并对生活、生产和生态造成危害的事件[1]。对干旱的这种定义虽然在一定程度上反映了引起干旱的直接原因，但由于干旱涉及的范围广泛，时空分布多样，以及人们对水资源的不同需求，使干旱的单一定义很难满足各行业、各部门的需求。于是研究者开始将不同的类型干旱进行分类和重新定义，目前对于将干旱分成气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱的分类方法已基本达成共识[2]。气象干旱是指某时段内，由于蒸发量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象;农业干旱指在作物生长关键期由于土壤水分持续不足而造成的作物体内水分亏缺，影响作物正常生长发育，进而导致减产或失收的现象;水文干旱指因降水长期短缺而造成某段时间内地表水或地下水收支不平衡，出现水分短缺，使河流径流量、地表水、水库蓄水和湖水减少的现象;社会经济干旱是指自然系统与人类社会经济系统中水资源供需不平衡造成的异常水分短缺现象。气象干旱可以迅速开始和突然结束，农业干旱的爆发一般晚于气象干旱，这取决于上层土壤的前期含水量，水文干旱则在气象干旱结束后仍将持续较长时间。另外根据干旱发生的频次，干旱可分为因气候引起的常年性干旱以及由气象因子(降水少、气温高)引起的季节性干旱。[3]2干旱指标2.1气象干旱指标2.1.1降水量距平百分率降水距平百分率是表征某时段降水量异常的方法之一，能直观反应降水异常引起的干旱;在我国气象日常业务中经常使用，多用于评估月、季、年发生的干旱事件。其计算公式为:%100PPpPa式中:P为某时段降水量,P为计算时段同期气候平均降水量[4]。这类指数的优点是计算方法简单，其应用十分普遍，我国国家级、各省市和地区级气象台站都在不同程度上使用降水量距平百分率来评价其干旱状况;缺点是一方而这种指标只考虑降水量，未考虑蒸发和卜垫而状况，和实际情况常有出入，另一方而这种方法实质上暗含着将降水量当作正态分布来考虑，而实际上多年平均值一般并不是降水量长期序列的中位数，由于降水量时空分布的差异，降3水量偏离正常值的不同距离的出现频率以及不同地区降水量偏离正常值的距离大小是难以相互比较的。2.1.2连续无有效降水日数连续无有效降水日数也是监测干旱的常用指标，不同的地区对连续日数和有效降水量阀值的规定有所不同，一般来说，连续无有效降水持续时间越长，干旱越严重。2.1.3降水量分位数将长时间的降水量序列按大小顺序排列分组，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。2.1.4标准化降水指数SPI标准化降水指数是McKee等在评估关国科罗拉多州干旱状况时提出的。假定降水量符合某种概率分布函数，然后做标准化变换，计算出的指数值正值表示比正常偏多，负值表示比正常偏少。优点是计算方法相对简单，可适用于任意时间尺度，对干旱的反应较灵敏。标准化降水指数SPI的应用十分广泛。[5]2.1.5Z指数考虑到降水量服从PⅢ型分布，Z指数法通过对降水量R进行正态化处理，将其概率密度函数进行转换运算得到以Z为变量的标准正态分布:式中：Cs为偏态系数;Xi为降水标准化变量，可由降水系列资料求得[6]。2.1.6帕默尔干旱指数帕默尔干旱指数是表征在一段时间内，该地区实际水分供应持续少于当地气候适宜水分供应的水分亏缺。其基本原理是土壤水分平衡原理。该指数基于月值资料设计，经标准化处理，可对不同地区、不同时间的土壤水分状况进行比较，在计算水分收支平衡时，考虑了前期降水量和水分供需，物理意义明确。安顺请等将帕默尔指数针对中国的情况进行了修改，计算公式如下:570136/1805.0iiizxx式中，ix为第i个月的帕默尔干旱指数；K为权重因子；pE为某个月的长期平均可能蒸散量；R为某个月的长期平均土壤水补水量；F为长期平均月平均径流量;P为某个月长期平均降水量;L某个月长期平均土壤水失水量；D为月水分偏差的绝对值平均[7]。2.1.7湿润度和干燥度指标4以降水量与蒸发能力之比称湿润度(蒸发与降水之比为干燥度)，以此来表示水分收支的状况。这种指标考虑了下垫面条件，但指标中的蒸发能力是指在充分供水条件下的土壤蒸散失量，不能反映作物的实际需水情况及土壤各时期的供水情况[8。9]。2.1.8综合气象干旱指数综合气象干旱指数CI是利用近30d(相当月尺度)和近90d(相当季尺度)降水量标准化降水指数，以及近30d相对湿润指数进行综合而得，该指标既反映短时间尺度(月)和长时间尺度(季）降水量气候异常情况，又反映短时间尺度(影响农作物)水分亏欠情况。该指标适合实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估。综合气象干旱指数CI的计算为：309030cMbZaZCI(1)式中：9030,ZZ分别为近30和90d标准化降水指数SPI值;30M为近30d相对湿润度指数;a为为近30d标准化降水系数，由达轻旱以上级别30Z的平均值除以历史出现的最小值30Z得到，平均取0.4;b为近90d标准化降水系数，由达轻旱以上级别90Z的平均值除以历史出现最小值90Z得到，平均取0.4;c为近30d相对湿润系数，由达轻旱以上级别30M的平均值，除以历史出现最小值30M得到，平均取0.8.通过(1)式，利用前期平均气温、降水量可以滚动计算出每天综合干旱指数CI，进行干旱监测[10]。2.2农业干旱指标从干旱的成因角度看，农业干旱灾害主要受降水量等气象因素影响，因此从气象条件来研究农业干旱规律是一种较为普遍方法。但是由于在实际中，气象干旱与农业干旱并不完全一致，因此农业干旱的研究还要综合考虑不同作物生长期间供水和需水的关系、土壤的墒情特征等因素。2.2.1土壤水分指标土壤水分的亏缺状况是农业干旱的关键，常用的土壤水分指标是土壤湿度(土壤水分重量占干土重的百分数)和土壤有效水分存储(土壤某一厚度层中存储的能被植物根系吸收的水分)。在评估作物的灌水量时，常用的土壤水分指标是土壤水分亏缺量(实际蒸散量与可能蒸散量之差)。2.2.2Palmer干旱指标Palmer在1965年提出了Palmer指标(PDSI)，这个指标综合考虑了水分亏缺量和持续时间对干旱程度的影响，在国际上得到了广泛的应用。因为该指标是以美国的中部和西部地区资料为基础，安顺清等人将利用郑州、济南等地的资料对PSDI指数进行了修正，使之更为适应中国的实际情况。2.2.3作物水分指标Palmer(1968)基于PDSI指数设计出作物水分指数CMI(CropMoistureIndex)，用于测定作物干旱状况，该指数基于每周总降水量、平均气温及上周的CMI值，用气象方法监测和5识别作物干旱。利用CMI指数表达遥感监测结果，可以获得作物干旱演进的空间分布动态图，从而为政府或农户应对干旱提供决策依据。我国采用的农业干旱指标很多，但是能较准确的识别干旱等级的并不多，其实别的结果往往比实际情况严重很多，还很难满足农业旱情评价的实际需要。2.3水文干旱指标水文干旱指标主要体现了降水和水资源收支不平衡时造成的水分亏缺的程度，该指标大多采用月径流量占平均径流量的百分比来表示，一般用5个整数(一2，一1,0,1,2)来代表不同等级的径流量，分别是:径流量距平△一30%，代表枯水年，用一2表示;一30%≤△一10%，代表偏枯年，用一1表示;一10%≤△10%，代表正常年，用0表示;10%≤△30%，代表偏丰年，用1表示;△30%，代表丰水年，用2表示。王劲松等研制了适合灌溉区应用的径流量干旱指数。水文干旱指标有较强的专业性，对于水调、灌溉有很好的指导意义。但是河流流量监测站的选取有很大的局限性，流量受上游用水的影响很大，而上游用水量是一个不好确定的因子，同时某地的降水量对下游的流量贡献大，对于本地的流量影响小，上述矛盾在实际工作中不好解决。3干旱监测3.1指标体系目前国家气候中心的干旱监测业务实现了多种指标的实时监测，包括降水量距平百分率、标准化降水指数、K指数[11]、湿润度指数和综合旱涝指标CI等。其中综合指数CI为最主要的监测指标，CI是一个融合了标准化降水指数和湿润百分率指数以及近期降水量等要素的一种综合指数，其等级划分如表1表1旱涝等级旱涝类型CI值0特涝CI≥2.41重涝2.4CI≥1.82中涝1.8CI≥1.23轻涝1.2CI≥0.64正常0.6CI-0.65轻旱-0.6≥CI-1.26中旱-1.2≥CI-1.87重旱-1.8≥CI-2.48特旱-2.4≥CI63.2数据库及管理系统干旱监测系统由三个数据库体系组成，它们分别是基本气候资料数据库、指标数据库和干旱灾情数据库。数据管理主要功能有:各类数据库的维护、输人、修改、扩充等功能；基本气候资