第二章 干旱评估理论体系

第2章干旱评估理论体系研究

2.1 概述

干旱形成原因异常复杂，发生非常缓慢，且在其发生之前没有明显征兆，使得干旱识别与评估十分困难。进行干旱状况评估，目前大多采用指数评估的方法，包括单指数评估、多指数综合评估，国内外常用的干旱指数有距平指数、Palmer 指数、SPI指数等[34,55,68]。由于区域干旱影响因素繁多，采用单一指数进行干旱评估仅考虑了影响干旱的个别因素，很难实现对干旱全面地、客观地评估，不能满足要求，为了克服其不足目前多采用多指数综合评估方法，因而确定研究区域的干旱状况时会涉及到多指数综合评估的问题；其次，考虑到干旱空间分布不均匀性，干旱评估还涉及到空间尺度问题，存在着由小尺度向大尺度综合的问题；同时，干旱往往易受人工干预的影响，比如增加农业灌溉等，又存在着人工干预后的干旱评估[69]。

结合前人研究，笔者将干旱评估分为两类：一类称为自然干旱评估，即仅由气象要素影响而引起的干旱评估；另一类称为综合旱情评估，即考虑了人工干预后的干旱状况评估。进行干旱评估研究，必须明确点干旱和区域干旱的概念。点干旱主要是从某一测点所代表的空间范围对干旱进行的研究，不考虑测点空间内干旱的空间不均匀性；而区域干旱考虑了干旱空间不均匀性，在区域水平上对干旱问题加以分析和评估。在自然干旱评估过程中，首先需要确定基本评估单元，如以县或市为基本单元，对基本单元进行点干旱评估，再将点评估结果综合更大的区域，如将县综合到市、再到省等，最后到整个研究区域。干旱发生后，为了减轻旱灾损失，各部门会采取不同措施进行抗旱减灾，如在干旱期打井、调水等措施，以增加水资源供应量。因此，在进行综合旱情评估时，需要考虑人工干预对最终旱情的影响，本文主要考虑采取灌溉措施或者增加灌溉水量对最终旱情的影响，实现对综合旱情的评估。

2.2干旱评估指数

干旱指数是确定干旱是否发生及其严重程度的标准，是干旱监测、评估等研究分析的基础与核心。目前，世界上应用的干旱评估指数有数百种，不同指数的侧重点各不相同，因此，选取科学合理的干旱指数或指数体系就成为了开展干旱评估工作的关键之举。寻找一种能够普遍适用于各种用途的指数难度很大，从原则上讲，干旱指数应具备明确的物理意义，能反映干旱成因、严重程度、起止时间等信息；从内容上讲，干旱指数应涵盖干旱的持续时间、干旱强度和严重程度3个要素。总体说来，一个科学的干旱指数应具备如下几个特性[16]：准确性（即能够准确的描述干旱的程度、范围和起始时间）、实用性（即所涉及的资料容易获取、参数计算简便）、理论性（即具有明确的物理机制，充分考虑降水、蒸散发、径流以及土壤特性等因素对水分状况的影响）、易理解性（即干旱指数可代表总的应用程度）、普适性（即能广泛适用于各种自然环境）、可比性（即不同地区的干旱指数评估结果能够进行相互比较）。

目前，我国气象、水利、农业等相关专业都已经制订了或者正在制订相关评价规范，主要包括：《气象干旱等级（GB/T 20481-2006）》、《旱情等级标准（SL 424-2008）》、《农业干旱等级（征求意见稿）》、《小麦干旱灾害等级（GB/T 81-2007）》、《干旱灾害等级（征求意见稿）》，其他相关规范中也规定了一些干旱评价指标，如《农业干旱预警等级（征求意见稿）》、水利行业《旱情风险评价导则》还有待审批[44,70]。本节基于美国气象学会（AMS）对干旱的分类，从分析常用干旱指数的特性出发，分别对气象、水文和农业3种常见干旱类型的评估指数及相应的等级标准进行介绍，为构建干旱评估指标体系提供理论基础。

2.2.1 气象干旱指数

气象干旱主要是由于降水量和蒸发量收支不平衡造成的异常水分短缺的现象，因此，通常用降水量或蒸发量作为干旱指数。目前常用的气象干旱指数主要有以下几种：

（1）降水距平百分率

降水距平百分率是表征月、季或年降水量较常年值偏多或偏少的指标，能直

接反映降水异常引起的干旱事件，是最简单、最常用的气象干旱指数。其具体计算形式见公式2.1

P

=

100%a P P P

⨯－ (2.1)

式中：Pa —计算期内降水量距平百分比（％）；

P —计算期内降水量（mm ）；

P —计算期内多年平均降水量（mm ）。计算期内的多年平均降水量P 宜

采用近30年的平均值。

利用降水距平百分率指标计算时，应根据不同季节选择适当的计算期长度。一般说来，夏季宜采用1个月；春、秋季宜采用连续2个月；冬季宜采用连续3个月。对应的干旱等级标准见表2.1。

表2.1 降水距平百分率干旱等级标准

干旱等级

降水量距平百分率P a (%) 月尺度

季尺度 年尺度 轻旱 -60＜P a ≤-40 -50＜P a ≤-25 -30＜P a ≤-15 中旱 -80＜P a ≤-60 -70＜P a ≤-50 -40＜P a ≤-30 重旱 -95＜P a ≤-80 -80＜P a ≤-70 -45＜P a ≤-40 特旱

P a ≤-95

P a ≤-80

P a ≤-45

(2) 标准化降雨指数(SPI )

McKee 等人[71]于1993年提出标准化降水指数(SPI , Standardized Precipitation Inde x )，它考虑到实际降水是一种偏态分布，在降水分析中采用Γ分布概率来描述降水量的变化，然后再经正态标准化求得SPI 值。Γ分布能很好地拟合气候降水时间序列，其与降水频率分布曲线非常相似。通过转换将原始的降水资料变成一个标准的正态分布，使该地区在特定时期的平均SPI 值为0。SPI 为正值表示降水量大于多年降水中值，负值则表示降水量低于多年降水中值。具体计算如式2.2所示，干旱等级标准见表2.2。

.1])[()(1230

12+++++-=t d t d t d c t c t c t S

SPI

(2.2)

式中，2

1

ln

F t =，其中F 为概率；S 为系数。且当F >0.5时，S =1；当F ≤0.5时，