区域干旱演变规律识别的研究进展

辛 琛，张田天

（1.陕西省江河水库管理局，陕西 西安 710018；2.黄河水利水电开发总公司，河南 郑州 450000）

0 引言

近年来，受环境变化影响，全球的干旱灾害频频出现，远高于以往任何时期，直接威胁人类社会的经济发展和生存环境[1]。我国位于亚洲季风区，加之三级阶梯的地形结构和多样的地貌特征，从根本上决定了我国干旱事件频发和影响范围较广。在全球气候变化影响下，我国干旱事件的强度、频度、持续时间及空间分布等特性都发生了深刻的变化[2]，干旱事件不仅出现在水资源严重不足的北方地区，受低空季风途径被阻隔和水汽减弱的影响，在水资源相对丰富的南方地区也面临着严重的季节性干旱的威胁。

干旱通常是指在某地理范围内因降水在一定时期持续少于正常状态而导致水资源减少、影响植物正常生长和人类用水需求的一种自然现象[1]。而干旱灾害（简称旱灾）是指干旱对人类的正常生活、生产以及生态环境造成影响、产生危害，是自然与社会综合作用的结果[3]。鉴于干旱灾害的复杂性与紧迫性，预防和减轻干旱灾害已经成为当今世界关注的重要研究课题[4]。如政府间气候变化专门委员会（IPCC）、世界气候计划、全球能量和水循环试验、国际全球变化人文因素计划、国际水文计划等国际重大研究计划都将干旱与水资源安全问题列入其中，其重要性更加凸显。

众所周知，降水偏少是干旱事件发生的主要诱因，然而干旱本身是一种十分复杂的综合现象。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息息相关；同时，干旱成因及发展规律认识不足也是导致旱灾损失严重的重要因素。随着全球极端气候事件的增多，我国干旱出现的频率有增长趋势，且干旱程度日趋加剧。由于人们对于干旱灾害的危机状况缺少必要的评估和预警能力，对应对灾害缺乏足够的心理和物质准备，往往处于被动应付的地位，常导致无法弥补的经济和生态损失。因此，系统全面地认识干旱发生发展规律，掌握识别区域旱情演变的方法尤为重要，可为抗旱减灾应急管理和统筹决策提供科学支撑。

1 干旱演变规律文献回顾

干旱一般是长期的现象，而旱灾却不同，它只是属于偶发性的自然灾害，甚至在通常水量丰富的地区也会因一时的气候异常或供水系统的调配不利而导致旱灾[5]。因此，要预防灾害的发生，必须对干旱的发生、发展规律做深入的探讨，通过统计规律发现干旱事件的特征（如发生时间、周期、强度、临界值等等），同时与众多相关自然、环境要素进行相关分析，识别诱发灾害的关键因子。

国内外学者一直对干旱规律（特征）的识别方法予以充分关注。其中，最早是由Huff提出了由低雨量频率及单一地形指标组成的双变量分析法，用以估算枯季流量。Whipple引入站年法进行区域干旱频率分析，可估算跨年度的水文干旱。Yevjevich引入游程统计理论分析年干旱事件，并强调大陆型尺度水文干旱应利用其延时、区域大小、严重程度、重现机率与开始或结束时间来加以分析。Sen基于随机变量理论中的随机数与游程理论，应用独立且延迟的一阶马可夫过程数列探讨了临界干旱问题。Dracup等提出了采用长期平均年径流量描述水文干旱事件与分析区域干旱频率的统计模式。Hirsch提出利用月流量的条件累积机率分布函数(CDF)与ARMA(1,1)序列模式联合进行长期距的年径流量推估，并应用于美国马里兰州的Potomac河。Srikanthan基于降雨与径流数据，采用序列繁衍分析，统计了澳大利亚维多利亚省五个流域发生大于一年延时的干旱平均重现期距。Chang利用不连续自回归移动平均法开展了极端降雨特性分析；Sen利用二阶定常性马可夫链方法探讨临界干旱问题，以提供临界干旱的机率分布。Chang利用克利金法进行了降雨量区域化变量分析，以探讨干旱的区域化特性。Bonacci则探讨了游程理论、间断马可夫与百一分段值法三种方法于干旱分析的应用特点。Vijendra Kumar应用多重线性回归模式，分析农作物收获量、降雨量、降雨日数间的关系，用以描述农业干旱现象。

国内研究者关于干旱成因及其特征规律的研究，包括温之平等针对华南地区，依据南海夏季风环流规律对华南春旱的形成机理进行了定量研究；臧文斌和阮本清等采用TRMM卫星降雨数据集对我国2010年初的气象干旱进行了特征分析；闫峰等采用SPI作为干旱评价因子，分析了河北省近50年的干旱时空分布特征；陈晓楠等从气象干旱与农业损失的关系出发，建立了农业干旱程度评估指标的量化模型，并利用蒙特卡罗模拟方法对农业干旱程度的概率分布进行了研究。

综合以上分析可知，研究者早期主要采用干旱频率分析的方法，在识别干旱过程的基础上进一步对干旱特征进行统计分析和描述。其讨论的焦点在于选用何种适宜的指标变量作为干旱频率分析的对象以及如何避免仅由单个指标变量进行干旱频率分析所产生的局限性等。后期研究则从频率分布、重现期等慢慢扩展到其时空分布的范畴，重点分析干旱的尺度效应。

2 干旱规律研究的分类

目前，国内外有关干旱规律的研究主要涵盖于两大领域，即干旱概率与干旱时空分布。两者有交叉也有不同，干旱概率主要是应用概率分析解决干旱事件在时间尺度上的问题，如干旱重现期、烈度、历时以及间隔时间等。而干旱时空分布的研究中也有应用概率分析的案例，但其更多的是探讨频率或者强度与影响面积之间的定量关系。

2.1 干旱概率

众所周知，干旱事件是典型的概率事件，运用概率分析理论解译干旱规律是认识和应对干旱事件的一种极为重要的手段，其概率分布特征也是进行区域水资源规划与管理的重要依据。自从Yevjevich提出游程理论以来，大量有关干旱概率分析的研究成果陆续涌现出来。按照所采用的概率分析方法可将其划分为四类，即单变量干旱特征概率分析或干旱参数重现期估算、二维干旱变量概率分析、基于Copulas的多元干旱变量概率分析以及干旱时空分析。从中不难发现，概率统计技术的进步不断丰富着干旱概率的研究途径，促进研究进展。

2.2 时空分布

干旱时空分布主要指干旱特征（强度、频率、影响面积以及历时）在时间和空间上的变化格局，是区域干旱严重等级区划以及干旱识别与预测的重要研究基础。通过对有关干旱时空分布的文献的整理，可将对于干旱时空规律的研究大体分如下三个方面：

2.2.1 基于概率理论的干旱时空分析

该类方法主要是应用概率分析方法对干旱的时空分布特征进行研究。早期有关干旱时空分布特征的研究都是基于这种方法，其重点在于建立干旱“强度-面积-频率”曲线（SAF）、“强度-延时-频率”曲线（SDF）以及“强度-面积-延时”曲线（SAD）。最早，Tase将总亏缺和最大亏缺强度作为主要干旱指标，运用随机模拟方法计算了整个干旱地区和特定区域的概率分布。Santos通过干旱历时、干旱强度以及影响面积等参数的概率分布，研究了区域的多年连续干旱特征。Andreadis等利用网格化的降水和温度数据，结合历时干旱影响面积与烈度的关系，构建了区域干旱的SAD曲线，重新认识了1920年～2003年间美国大陆的干旱历史。Alegria和Watkin基于年际和暖季降水资料，绘制了区域干旱SDF曲线，对区域的干旱频率及重现期进行了深入研究。

2.2.2 基于干旱指标的干旱时空分析

随着SPI、PDSI等干旱指数研究的不断深入，有不少学者将其引入到区域干旱的时空特征分析中。如Soule使用三个帕尔默指数（月水分变化指数ZINX、干旱强度指数PDSI、水文干旱指数PHDI）对不同干旱定义下的美国大陆干旱事件的频率和历时进行了研究和对比。Kim等将PDSI与SAF曲线相结合，评估了墨西哥Conchos流域的干旱烈度。Vicente-Serrano使用SPI指标分析了一定时间尺度下研究区干旱空间格局的差异。曹永强等采用综合气象干旱指数，从干旱强度、干旱持续时间和干旱频率三个方面对辽宁省的年季干旱特征进行了分析。

2.2.3 基于气候模式的干旱时空分析

通过气候变化与干旱频率以及时空变化之间的定量关系研究，确定气候变化或气候模式对干旱事件的遥驱动机制。目前关于气候模式与干旱频率之间的研究相对较多，且已有研究表明区域尺度的气象和水文干旱与大尺度大气环流异常有直接关系。而对于大规模大气环流模式对干旱在时间和空间层面的影响则少有研究，有待继续加强。

3 结论

综合以上分析，可知干旱特征规律在研究对象上正从单一的时间规律向区域的时空展布过渡，更侧重尺度效应的研究。然而在研究中，笔者也发现干旱特征规律的研究主体多为干旱事件本身或与其相关的气象水文因子，但对影响干旱走向的下垫面条件、人类活动等影响因素以及不同因子间的转化关系考虑较少，缺乏对干旱规律的系统认识。特别是近几年，受气候变化影响，一些有关干旱规律研究的新问题尤其值得关注：（1）受气候变化和人类活动的影响，气象水文因子序列发生变异，其与干旱事件或特征的响应关系也将受到影响，如何解决变异条件下的干旱规律识别问题；（2）干旱过程是一个多因子驱动的复杂过程，单独从某一个指标或某一个方面研究干旱发生、发展的规律已不再合适，必须从干旱事件的物理驱动机制入手开展研究；（3）人类活动是干旱事件的重要驱动成分，以往的规律分析中多以自然规律为主，而在人类活动扰动强烈的今天，这样的方法已不再适宜，那么如何在干旱的时空分布规律中体现或量化人类活动的影响。