趙福年，王潤元，王 鶯，王鶴齡，張 凱，趙 鴻

(中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

隨著全球氣候變暖，人口增長，及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球各區(qū)域?qū)λ值男枨罅坎粩嘣黾覽1]。而近年來，干旱在全球各個(gè)區(qū)域發(fā)生的頻率不斷升高，其造成的損失難以估計(jì)[2]。區(qū)域干旱發(fā)生發(fā)展與水分需求的矛盾日益凸顯，因而了解并掌握干旱發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，構(gòu)建合適的指數(shù)，對(duì)干旱進(jìn)行精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)評(píng)估顯得尤為重要。

與其他自然災(zāi)害相比，干旱發(fā)生發(fā)展的過程及其致害的機(jī)制具有鮮明的特點(diǎn)(圖1)。首先，干旱在全球任何氣候區(qū)都有可能發(fā)生[3]，其影響范圍非常廣，但同時(shí)不同區(qū)域?qū)Ω珊档慕缍ㄓ执嬖谳^大差異。如赤道附近的巴厘島連續(xù)6 d無降水就可能引發(fā)干旱[4]，而非洲北部的利比亞地區(qū)兩年無降水才會(huì)出現(xiàn)干旱[5]。其次，干旱發(fā)生發(fā)展的過程非常緩慢，往往不易察覺，再加之其可以反復(fù)發(fā)生，且造成的影響具有累積性[6]，因而難以定量判斷其開始和結(jié)束時(shí)間。第三，與其他自然災(zāi)害不同，干旱發(fā)生造成的影響和破壞是非結(jié)構(gòu)性的[2-3]。諺語常說“旱一片，澇一線”，當(dāng)天氣系統(tǒng)配置合適，在冷暖空氣交匯的鋒面地帶發(fā)生較大強(qiáng)度的降水并誘發(fā)洪澇，我們可以從各區(qū)域降水的多少以及實(shí)際形成洪澇的狀況，判斷洪澇的影響區(qū)域及嚴(yán)重程度，從而可采取相對(duì)應(yīng)的減災(zāi)措施。而在單一的氣團(tuán)持續(xù)控制下，形成干旱天氣，即所謂“旱一片”，這“一片”涉及的區(qū)域有多大，以及這一區(qū)域干旱影響程度如何，往往很難定量做出計(jì)算。第四，干旱發(fā)生造成的影響在旱情解除后，不能立即得到緩解，這是干旱獨(dú)有的特點(diǎn)[7]。洪澇、臺(tái)風(fēng)以及地震等自然災(zāi)害在發(fā)生結(jié)束后，其影響基本可以解除，但是干旱卻不同，其對(duì)農(nóng)業(yè)及其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的影響，在降水增多干旱解除后依然存在。上述鮮明的特點(diǎn)，導(dǎo)致無法對(duì)干旱進(jìn)行準(zhǔn)確的定量預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)，并很難在干旱發(fā)生后制定出合理有效的應(yīng)對(duì)對(duì)策。目前，全世界甚至依然沒有一個(gè)普適的干旱定義[8]，而同時(shí)又由于對(duì)干旱發(fā)生發(fā)展過程研究不足，對(duì)干旱特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不清，更進(jìn)一步阻礙了干旱的準(zhǔn)確評(píng)估。

圖1 干旱的特點(diǎn)及其引發(fā)的研究難題

基于對(duì)干旱發(fā)生及致害特點(diǎn)的了解，本文以國內(nèi)外在水文干旱方面所應(yīng)用的游程理論為基礎(chǔ)，緊抓干旱的特征參數(shù)，探討干旱發(fā)生發(fā)展的機(jī)理過程，并進(jìn)一步定義一個(gè)具有普遍意義的干旱概念，分析不同領(lǐng)域干旱的關(guān)注點(diǎn)和時(shí)空尺度，在以上分析基礎(chǔ)上，論述干旱指數(shù)的構(gòu)建依據(jù)，可為干旱發(fā)生并致害的機(jī)理過程及干旱預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)的進(jìn)一步研究提供初步的理論依據(jù)。

1 干旱過程理論分析

1. 1 干旱參數(shù)

盡管干旱發(fā)生并致害的機(jī)理非常復(fù)雜，但研究者還是總結(jié)出了一些描述干旱發(fā)生發(fā)展的特征參數(shù)，這些參數(shù)分別為干旱開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、干旱強(qiáng)度、干旱程度(在水文干旱中也被稱為干旱烈度)以及干旱空間范圍及規(guī)模[2-3, 6]。在這些參數(shù)中，干旱開始與結(jié)束的間隔為干旱持續(xù)時(shí)間，且干旱強(qiáng)度、干旱程度及干旱持續(xù)時(shí)間之間存在一定的關(guān)系。美國水文專家Yevjevich[9]在研究陸地水文干旱時(shí)，以游程理論對(duì)干旱強(qiáng)度、干旱程度及干旱持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的界定和解釋，此后該理論也被國內(nèi)外科研人員廣泛應(yīng)用于水文干旱及其他類型干旱的監(jiān)測(cè)評(píng)估[5, 10-13]。

1.2 游程理論介紹

所謂游程是指狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)間的等待時(shí)間[14]，對(duì)于不同的事件類型，指持續(xù)出現(xiàn)同類事件時(shí)，在它的前后是另外的事件，如旱澇交替發(fā)生時(shí)，游程為從旱(澇)經(jīng)L步變化而達(dá)到澇(旱)時(shí)所用的時(shí)間。當(dāng)研究變量是離散序列，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量x0，凡xi-x0>0時(shí)，為正變差；若xi-x0<0，則為負(fù)變差(圖2)。出現(xiàn)一個(gè)正變差，后接連續(xù)k個(gè)正變差項(xiàng)，說明序列存在長為n的正游程，反之為負(fù)游程。一個(gè)長為n的正游程總和為正游程和Sn，反之為負(fù)游程和。根據(jù)游程理論的概念，負(fù)游程長可表示干旱的持續(xù)時(shí)間，而負(fù)游程和則為供水不足的數(shù)量，即干旱嚴(yán)重程度[13]。

圖2 游程理論解析

依據(jù)游程理論，可知干旱為水分平衡中的水分虧缺現(xiàn)象，而水分虧缺累積值即為干旱程度。當(dāng)水分供給低于預(yù)先給定的一個(gè)數(shù)值時(shí)，干旱開始出現(xiàn)，而當(dāng)水分供給高于該給定的數(shù)值時(shí)，干旱解除。水分供給低于給定數(shù)值的時(shí)間段為干旱持續(xù)時(shí)間。因此，干旱強(qiáng)度可用下式表示[9]：

(1)

以游程理論描述干旱過程，提供了一種研究干旱發(fā)生發(fā)展過程的新思路，明確了干旱特征參數(shù)之間的相互關(guān)系，為干旱等級(jí)的進(jìn)一步劃分指明了方向。但是從干旱發(fā)展的角度來看，由于氣象要素的影響及所研究空間下墊面供水條件的變化，干旱強(qiáng)度在每個(gè)時(shí)刻不可能是完全相同的。將干旱強(qiáng)度當(dāng)做干旱程度與干旱持續(xù)時(shí)間的比值，只能求算干旱過程中的平均干旱強(qiáng)度，忽略了干旱發(fā)展的詳細(xì)過程及干旱的累積特點(diǎn)，因此需要進(jìn)一步修正該干旱發(fā)生發(fā)展理論。

1.3 干旱過程

一定空間內(nèi)，水分平衡或儲(chǔ)水量的變化速率可以表征該空間內(nèi)水分的變化方向和變化量。如果該空間水分平衡呈增多偏移(即儲(chǔ)水量增加)，則說明該空間的水分變化率為正值，否則為負(fù)?？梢杂孟率奖硎荆?/p>

(2)

式中：Wt為一定時(shí)刻的水分平衡量空間儲(chǔ)水量，t為時(shí)間。同樣的，如果獲得一定空間水分的變化率，那么可以判斷該空間水分呈減少還是增加的趨勢(shì)。我們定義W1、W2、W3以及W4為所研究空間水分平衡或儲(chǔ)水量的臨界值，分別定為第1、2、3以及4臨界值，而對(duì)應(yīng)可設(shè)定干旱等級(jí)為輕旱、中旱、重旱以及特旱。4個(gè)臨界值的數(shù)量需要依據(jù)研究空間特定客體的需水狀況來確定：

(3)

在干旱發(fā)展過程中，干旱強(qiáng)度表征了水分的散失速率，但水分的散失速率與許多因素相關(guān)聯(lián)(其中氣象要素起主導(dǎo)作用)，因而在不同時(shí)刻特定空間水分的散失速率并不完全相同，但是綜合來講，干旱強(qiáng)度，也即水分散失速率是時(shí)間的函數(shù)，在本文中可以用I(t)表示。從而一段時(shí)間內(nèi)，空間的失水量可以用積分形式計(jì)算表達(dá)：

(4)

式中：ti表示一定時(shí)刻，0～ti表示一段時(shí)期；而ΔSi則表示一段時(shí)期，一定空間的水分散失量。如果定義空間內(nèi)的初始含水量為W0，則：

Wt=W0-ΔSi。

(5)

計(jì)算獲得Wt之后，將Wt與W1、W2、W3以及W4進(jìn)行比較，可以判斷所研究空間的水分盈虧狀況及干旱程度(圖3)。

圖3 特定空間水分平衡變化判斷干旱狀況

ΔSi與I(t)是干旱發(fā)展過程中兩個(gè)非常重要的參數(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，難以定量計(jì)算。一般ΔSi的計(jì)算與I(t)相關(guān)聯(lián)，其獲得有兩種方法，一種是利用微元法，如下式：

(6)

式中：Δt為一個(gè)很短的時(shí)間間隔，無限趨于0；I′(t)為Δt時(shí)段內(nèi)，一個(gè)具有代表性的水分散失速率。若將I′(t)精確到小時(shí)、分、秒或其他更小的單位，在實(shí)際應(yīng)用中，幾乎沒有觀測(cè)數(shù)據(jù)支持，而且微元法計(jì)算的數(shù)據(jù)與實(shí)際失水相比還是存在一定的差異。若考慮空間水分平衡的變化，以天、候、旬、月及年來計(jì)算水分平衡過程中的水分散失量，則具有一定的可行性。從而一定時(shí)期的水分變化量可以用下式表示：

(7)

式中：I″(t)為一定時(shí)期內(nèi)的水分變化量，也可表征所研究時(shí)段內(nèi)的水分變化速率，其本質(zhì)是以天、候、旬、月或年尺度來衡量特定空間的水分變化量，即單位時(shí)間內(nèi)的水分變化量。I″(t)可以依據(jù)水分平衡計(jì)算獲得，方便實(shí)用，且式中t的步長也可依據(jù)實(shí)際需要，以所要研究空間水分變化量的時(shí)間尺度而調(diào)整。

1.4 綜合干旱定義的提出

從干旱過程的分析不難看出，特定空間水分平衡的變化是干旱研究的落腳點(diǎn)，從空間水分的變化過程及變化方向可以判斷出該空間是否有干旱發(fā)生，并計(jì)算獲得干旱強(qiáng)度及干旱程度。因而我們可以以空間的水分平衡及該空間中特定客體的水分需求為基礎(chǔ)，定義干旱。同時(shí)，考慮到干旱發(fā)生過程與氣象條件有非常重要的聯(lián)系：降水增多，會(huì)減緩干旱的發(fā)生甚至于發(fā)生澇災(zāi)；而降水異常偏少，以及長期的高溫低濕條件導(dǎo)致所研究空間蒸發(fā)蒸騰加劇，又容易引發(fā)干旱，可見氣象條件影響干旱的發(fā)生過程。不過由于空間前期儲(chǔ)水量及空間中特定客體的需水狀況不同，特定的氣象條件又不一定必然導(dǎo)致干旱發(fā)生，所以氣象要素是干旱發(fā)生發(fā)展的必要條件，而非充要條件。因而綜合上述分析，我們定義干旱為：一段時(shí)期內(nèi)，在氣象要素的影響下，特定空間尺度水分平衡的虧缺偏移，導(dǎo)致無法滿足該空間特定客體水分需求的現(xiàn)象。

該定義綜合考慮了氣象要素對(duì)干旱發(fā)生、發(fā)展、緩解以及解除的影響作用，又以一定空間尺度的下墊面水分虧缺為依據(jù)，評(píng)估干旱的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r，再根據(jù)空間所研究客體的需水特性不同，以客體需水量為研究落腳點(diǎn)，能夠較好的反映不同干旱類型的特殊性。因而該定義是一個(gè)比較綜合且能夠反映干旱事實(shí)的概念。

2 特定客體的著眼點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)干旱的影響因素

2.1 干旱類型劃分

從干旱的定義可知，干旱的發(fā)生受氣象要素的影響，但是干旱又不僅僅由氣象要素決定其是否必然發(fā)生。除氣象要素外，特定空間干旱的發(fā)生與下墊面條件及該空間中客體的需水量等因素相關(guān)聯(lián)。各區(qū)域下墊面及所研究空間客體不完全均一或相同，而是各具特點(diǎn)，因而很難將這些非均一的下墊面或客體歸為一類。不過考慮到不同部門所關(guān)注客體類型及其需水特性的差異，可將干旱劃分為4大類，即氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[2-3]。這4類干旱的定義及分類國內(nèi)外已有較多的研究[3-4, 10, 15-17]，在此不再贅述。本文主要對(duì)前3類干旱的側(cè)重點(diǎn)、影響因素以及它們之間的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行闡述與剖析。

2.2 不同類型干旱考慮的關(guān)鍵要素

由于不同部門的側(cè)重點(diǎn)不同，往往以所關(guān)注的某種特定研究客體為對(duì)象，從而使所描述的干旱發(fā)生狀況有其獨(dú)有的特點(diǎn)。對(duì)于氣象干旱，重點(diǎn)關(guān)注一定時(shí)期內(nèi)所研究區(qū)域氣象要素中降水量的變化狀況。氣象干旱常與所研究區(qū)域的氣候變化特征相聯(lián)系，以特定區(qū)域的氣候特征作為研究背景[17]。如果以干燥度判斷一個(gè)區(qū)域的氣候類型，可能是干旱氣候、半干旱氣候或濕潤半濕潤氣候等，這是一個(gè)區(qū)域氣候的平均狀態(tài)，即該區(qū)常年的氣候特點(diǎn)。而氣象干旱在這種常年的氣候背景下發(fā)生，是指在某一特定時(shí)段，降水量較多年平均降水量顯著偏少的現(xiàn)象[3]。但是這樣的干旱定義有時(shí)難免過于武斷，沒有考慮大氣的實(shí)際蒸發(fā)需求，如若一個(gè)區(qū)域持續(xù)陰天，大氣蒸發(fā)力相對(duì)較小，即使長期的無雨可能對(duì)該區(qū)域的水分收支影響不大，因而近年來氣象干旱的定義又有了部分的擴(kuò)展，進(jìn)一步考慮了蒸發(fā)量的變化狀況[2]。不過綜合來看氣象干旱更關(guān)注天氣的干、濕程度，其形成發(fā)展完全由氣象要素決定：降水決定水分的來源，溫度、風(fēng)速以及空氣飽和差等要素決定了大氣的蒸發(fā)能力。

水文干旱以流域的水文循環(huán)為落腳點(diǎn)，更注重一個(gè)地區(qū)或流域上河川徑流、湖泊水庫蓄水和地下徑流的持續(xù)性缺乏，也同樣需要與歷史統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行比較，且關(guān)注是否能夠滿足一定區(qū)域需水要求的事實(shí)[5, 18]。水文干旱主要討論水資源的豐枯狀況，能否滿足一定區(qū)域水上運(yùn)輸?shù)恼＿M(jìn)行，及區(qū)域工農(nóng)業(yè)用水需水的最小值。但需要注意水文干旱和內(nèi)陸河的枯季徑流是兩個(gè)不同的概念[17]。從水文干旱的關(guān)注點(diǎn)來看，水文干旱需要考慮水分的主要來源即流域各區(qū)域的降水，而同時(shí)需要關(guān)注所研究區(qū)域需水耗水量的多少。

影響農(nóng)業(yè)干旱的因素較多，除氣象條件外，土壤、作物、相同作物的不同生育期及農(nóng)田耕作方式等均會(huì)影響農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生發(fā)展[19]，這些因素增加了農(nóng)業(yè)干旱研究的復(fù)雜性，導(dǎo)致對(duì)農(nóng)業(yè)干旱下一個(gè)普適的定義都很困難[20]。而在實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)干旱的這種復(fù)雜性導(dǎo)致無法對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生狀況定量判斷。不過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在于盡量獲得較高的作物產(chǎn)量，而農(nóng)業(yè)干旱引起作物產(chǎn)量的降低，因此農(nóng)業(yè)干旱有時(shí)泛指因土壤水分不足，使作物供水減少，從而造成作物生長受阻，并最終使產(chǎn)量顯著降低的現(xiàn)象[3, 21]。農(nóng)業(yè)干旱的關(guān)注因素較多，使其研究的復(fù)雜度明顯高于氣象和水文干旱[22](圖4)，農(nóng)業(yè)干旱具有復(fù)雜、多變和模糊三個(gè)特征[17]。農(nóng)業(yè)干旱研究的落腳點(diǎn)在于作物缺水是否引起產(chǎn)量顯著下降，因而需要考慮作物在不同生長階段的水分供給狀況。但作物生長所需水分主要來源于土壤，所以土壤水分是農(nóng)業(yè)干旱研究關(guān)注的重點(diǎn)，土壤水分平衡的變化狀況在一定程度上決定了農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生發(fā)展。

圖4 各類型干旱研究復(fù)雜度變化圖示

2.3 不同類型干旱之間的區(qū)別與聯(lián)系

由于不同類型干旱關(guān)注點(diǎn)不同，所以其影響因素存在較大的差異。然而不同類型干旱之間的關(guān)系如何界定，是否可以在資料缺乏的區(qū)域以氣象干旱表征農(nóng)業(yè)干旱與水文干旱的發(fā)生狀況，依然存在諸多疑問。一定空間尺度，水分的來源大體可歸類為降水、冰川融水以及與水文循環(huán)相關(guān)的水分輸入(灌溉、地下水補(bǔ)給等)，但是綜合來看冰川融水以及水文循環(huán)相關(guān)的水分都來自于降水[23]，降水是所有水分的總來源，因此可認(rèn)為氣象干旱是引起水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱的主要原因。

氣象干旱關(guān)注一定時(shí)期一定空間內(nèi)降水偏少，蒸發(fā)過強(qiáng)，降水與蒸發(fā)的不平衡，但是其并沒有考慮所研究空間氣象要素的前期條件、所研究時(shí)期空間下墊面的實(shí)際儲(chǔ)水狀況以及農(nóng)業(yè)與水文循環(huán)對(duì)氣象要素響應(yīng)的滯后性等因素，尤其沒有將氣象要素與實(shí)際需水情況相聯(lián)系[24]。大氣環(huán)流異常，高壓系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定控制，導(dǎo)致持續(xù)晴天少雨或無雨，從而氣象干旱發(fā)生。在此種天氣條件下，往往極易引發(fā)農(nóng)業(yè)干旱，氣象干旱是造成農(nóng)業(yè)干旱最為基本、直接的原因[25]。但是氣象干旱又不一定必然導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐過程中，往往存在“天旱地不旱”的現(xiàn)象，即發(fā)生了氣象干旱，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并未受干旱影響。這是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生不僅僅取決于氣象條件，作物品種、作物不同生育時(shí)期以及作物生長的其他環(huán)境條件同樣會(huì)影響農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生發(fā)展。同樣，水文干旱以水的短缺為特征，側(cè)重刻畫河道徑流的變化，而徑流形成過程包括了降水、植物蒸騰、土壤以及水體蒸發(fā)、土壤水下滲及水分側(cè)向運(yùn)動(dòng)等因素[5]，降水減少并不意味著水文干旱必然發(fā)生[26]。可見農(nóng)業(yè)干旱與水文干旱的發(fā)生不僅僅由氣象干旱所決定，氣象干旱發(fā)生時(shí)，農(nóng)業(yè)干旱和水文干旱并不一定發(fā)生。

農(nóng)業(yè)干旱重點(diǎn)關(guān)注土壤水分的變化，而土壤水分的運(yùn)移運(yùn)動(dòng)屬于水文過程的一部分，農(nóng)業(yè)干旱伴隨著水文情勢(shì)的變化。所以綜合來講，氣象干旱是水文干旱與農(nóng)業(yè)干旱的前兆，農(nóng)業(yè)干旱伴隨著水文干旱發(fā)生。如果一旦發(fā)生了水文干旱，則說明所研究空間降水已經(jīng)異常偏少；該空間地下水位已經(jīng)有所下降，河流水分也出現(xiàn)了虧缺；通過灌溉補(bǔ)給農(nóng)業(yè)缺水已經(jīng)比較困難，土壤水分和農(nóng)田作物需水將難以獲得補(bǔ)充。發(fā)生水文干旱時(shí)，如果氣象干旱得不到及時(shí)解除，又不從其他區(qū)域調(diào)水，所研究空間將面臨難以應(yīng)對(duì)的干旱問題，從這個(gè)角度看，水文干旱是氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱的進(jìn)一步延續(xù)和發(fā)展[5]。

表1 干旱涉及相關(guān)客體及過程的時(shí)空尺度劃分

3 干旱的時(shí)空尺度問題

3.1 研究客體時(shí)空尺度劃分

尺度是理解地學(xué)中各種過程和現(xiàn)象復(fù)雜性的關(guān)鍵，對(duì)地球各系統(tǒng)過程的認(rèn)識(shí)層次依賴于觀測(cè)的尺度。與其他地球物理過程不同，氣象要素變化及相應(yīng)的水文過程和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均有特定的時(shí)空尺度。氣象要素的變化過程與大氣的波譜組織結(jié)構(gòu)有關(guān)聯(lián)，不同的波譜特征對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間尺度。大氣環(huán)流所對(duì)應(yīng)最長的Rossby波持續(xù)時(shí)間大概有3-10天，而且影響范圍達(dá)數(shù)千公里。而與此相反，氣象要素的日變化過程具有顯著的特征變化頻率，微氣象學(xué)研究的時(shí)間尺度從秒到分，更關(guān)注與近地面層微小湍流相關(guān)的物質(zhì)和能量交換過程，其空間尺度也僅僅在數(shù)公里范圍內(nèi)[27]。在研究與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的水分和能量傳輸過程時(shí)，研究者將空間尺度劃分為土體尺度、農(nóng)田尺度以及區(qū)域尺度[28]，而同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)注的時(shí)間尺度主要以候、月以及季為主。水文循環(huán)常以流域尺度為研究對(duì)象，分別有小流域尺度，中流域尺度和全流域尺度[29]，而在其時(shí)間尺度則分為天、月、季及年。氣象要素、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水文過程相關(guān)的時(shí)空尺度劃分，如表1所示。由于干旱發(fā)生的過程與氣象要素、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水文過程相關(guān)聯(lián)，因而干旱的發(fā)生發(fā)展及其影響也具有不同的時(shí)空特征。

3.2 依據(jù)時(shí)空尺度劃分的干旱類型

從不同干旱關(guān)注點(diǎn)來看，氣象干旱關(guān)注大氣干濕狀況，農(nóng)業(yè)干旱關(guān)注土壤水分虧缺造成作物產(chǎn)量下降，水文干旱關(guān)注徑流減少造成區(qū)域需水短缺。而在這些過程中，如果將所研究的客體以時(shí)空尺度再進(jìn)行細(xì)分，又可以涉及到不同的要素，而對(duì)應(yīng)的干旱類型也會(huì)有明顯的區(qū)別。

與氣象要素變化過程相關(guān)的干旱所關(guān)注的問題從時(shí)空可以大致分為三類。第一類是大氣干旱，即大氣溫度過高、相對(duì)濕度過低等特殊氣象原因造成植物缺水的現(xiàn)象，典型的如干熱風(fēng)。該類干旱發(fā)生時(shí)間短暫，一般在數(shù)天到數(shù)十天之間，且其天氣過程在中小尺度范圍，同時(shí)大氣干旱又與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相聯(lián)系，在空間上發(fā)生于農(nóng)田尺度。第二類是大氣環(huán)流異常，大尺度高壓天氣系統(tǒng)穩(wěn)定控制下的異常少雨現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)我們所研究的氣象干旱，其時(shí)間尺度從數(shù)天到連續(xù)幾個(gè)季節(jié)，甚至連續(xù)數(shù)年，而空間則涉及大尺度大氣環(huán)流，而對(duì)應(yīng)所影響的下墊面涉及較大的區(qū)域。第三種是一定空間尺度下的常年?duì)顟B(tài)，即氣候干旱，氣候干旱的形成決定于海陸分布、地理緯度以及其他因素，氣候干旱是氣象要素的多年平均狀態(tài)，其空間尺度涉及非常廣，可以從區(qū)域尺度到全流域尺度。

而對(duì)于與農(nóng)業(yè)相關(guān)的干旱而言，農(nóng)業(yè)干旱研究的主體是農(nóng)作物與水分的相互關(guān)系，落腳點(diǎn)一是土壤水分供給，另一個(gè)是作物水分的吸收。土壤理化特征分布本身具有較強(qiáng)的空間差異性，而且加上中小尺度天氣過程的影響，從而導(dǎo)致相同地區(qū)相近地段土壤水分存在較大的差異，作物生長所處的土壤水分條件不同，土壤干旱的發(fā)生狀況也不完全一致。同時(shí)，不同農(nóng)田地塊，由于施肥條件或其他化學(xué)因素作用，引起土壤溶液濃度過高，即使土壤中水分充足，但作物根系因滲透過程控制無法吸收土壤中的水分，也很容易使作物遭受生理干旱[30]。而生理干旱往往發(fā)生于土體尺度到農(nóng)田尺度之間，不過一些特殊的情形下，也可能整個(gè)區(qū)域作物遭受生理干旱。此外，由于氣象要素的控制，大氣干旱發(fā)生時(shí)，往往是數(shù)公里內(nèi)的作物遭受危害比較嚴(yán)重，而相鄰部分區(qū)域卻受害較輕，甚至不受害，所以大氣干旱所導(dǎo)致較短時(shí)期的農(nóng)業(yè)干旱，其空間尺度定位于農(nóng)田尺度。但有時(shí)在氣象干旱長期影響下，一個(gè)區(qū)域的整個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)也可能遭受到影響，使得農(nóng)業(yè)干旱擴(kuò)大到區(qū)域尺度。總的來看，從影響因素和時(shí)空尺度劃分，農(nóng)業(yè)干旱大致可分為土壤干旱、作物生理干旱、以及由大氣干旱引發(fā)的農(nóng)業(yè)干旱。

水文過程涉及到的物理過程比較繁雜，既包括一定的中小尺度天氣過程，又包括大氣環(huán)流過程以及與農(nóng)業(yè)用水相關(guān)的所有土壤水分運(yùn)移過程，因此其時(shí)空尺度相對(duì)比農(nóng)業(yè)干旱所涉及的時(shí)空尺度要大的多，但同時(shí)流域面積總是有限的，所以其時(shí)空尺度較大尺度的氣象要素變化過程要小。中小流域的水文循環(huán)，往往受中小尺度天氣過程影響較大，短期較大強(qiáng)度的降水過程可能很快緩解中小流域的水文干旱，但是在時(shí)間尺度上，水文過程要滯后于天氣過程的發(fā)生。同時(shí)人類活動(dòng)在很大程度上會(huì)影響中小流域干旱的發(fā)生發(fā)展，因此在分析水文干旱過程時(shí)，流域水分需求是不能忽略的重點(diǎn)。

4 構(gòu)造干旱指數(shù)的依據(jù)

干旱指數(shù)是定量分析干旱特征的工具，目的是為了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)干旱的發(fā)生、發(fā)展、強(qiáng)度、程度、范圍及起止時(shí)間，所以干旱指數(shù)應(yīng)該包含明確的物理機(jī)制[31]。此外，根據(jù)本文所定義的干旱概念，干旱過程至少涉及水分的收支兩個(gè)方面，因而在構(gòu)建干旱指數(shù)時(shí)，應(yīng)包含水分平衡項(xiàng)目中的主項(xiàng)，即必須考慮前期水分狀況對(duì)后期的影響，且同時(shí)應(yīng)該具有時(shí)空可比較性等[31]。

目前全球所研制和使用的干旱指數(shù)有數(shù)百種之多，然而綜合起來，可以大致歸為兩類，一類為只考慮所研究空間水分來源的指數(shù)，另一類則為同時(shí)考慮了水分平衡中影響源和匯的因素而構(gòu)建的綜合干旱指數(shù)。

4.1 僅考慮水分平衡“源”、匯或斷面的指數(shù)

一段時(shí)期，一定空間研究客體所需水分的來源可能各不相同，但是綜合而言，水分的最終來源是降水，降水的多少直接影響所研究空間干旱的發(fā)生及緩解狀況。因而，在干旱指數(shù)的構(gòu)建過程中，許多研究者將降水作為所研究空間水分的變化主項(xiàng)，從而僅依據(jù)降水一個(gè)氣象要素構(gòu)建干旱指數(shù)，并將降水對(duì)該空間歷史降水平均值的波動(dòng)值，作為干旱發(fā)生的判定、及干旱等級(jí)劃分的依據(jù)。代表性的指數(shù)有降水距平百分率、降水量分位數(shù)法[32]、SPI(標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù))[32]、Z指數(shù)等[33]。

該類干旱指數(shù)計(jì)算所需參數(shù)少，計(jì)算便捷，而且能夠在較大區(qū)域范圍使用，因而得到了較多的應(yīng)用和發(fā)展[34]。但是由于各地區(qū)的氣候特點(diǎn)不完全一樣，降水較特定地區(qū)歷史平均值的虧缺和增多頻率及偏移總量，對(duì)各地區(qū)下墊面水分需求的意義不完全一致，因而以降水距平百分率和降水量分位數(shù)來衡量各區(qū)域干旱程度，會(huì)導(dǎo)致所得結(jié)果無法在時(shí)空尺度進(jìn)行比較。而SPI指數(shù)和Z指數(shù)等類型指數(shù)假定降水量服從Γ型概率密度函數(shù)分布、PersonⅢ概率密度函數(shù)分布或其他類似的概率密度函數(shù)分布，然后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的指數(shù)[32-33, 35]，用以監(jiān)測(cè)干旱。這類干旱指數(shù)的可以用于任意的時(shí)間尺度，且對(duì)降水量的變化較為敏感，因而可以對(duì)因降水減少而引發(fā)的干旱做出快速響應(yīng)。但是該類干旱與降水距平百分率和降水分位數(shù)指數(shù)一樣，并未涉及地面實(shí)際干旱的發(fā)生過程，指數(shù)的物理機(jī)制不明確，對(duì)特定空間的氣象要素考慮較少，僅只關(guān)注降水一個(gè)要素，代表性差，而研究空間水分平衡的匯及空間特定客體的需水狀況如何，則完全不了解。因而無法真實(shí)反映地面的實(shí)際干旱狀況。

4.2 以“源”與“匯”為依據(jù)構(gòu)建的指數(shù)

隨著對(duì)干旱發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，干旱研究者開始構(gòu)建與干旱過程特征相關(guān)的干旱指數(shù)，即在干旱發(fā)生發(fā)展時(shí)，不僅僅考慮所研究空間中水分的源，而開始綜合考慮水分平衡中源與匯的關(guān)系及影響因素[36-38]。

特定空間水分平衡中匯可以大概分為4類，即水體及土壤蒸發(fā)耗水、植物蒸騰耗水、與水文循環(huán)相關(guān)的水分輸出(入滲、徑流等)以及植物或其他客體相關(guān)的自身形態(tài)構(gòu)成耗水與貯水。在這些過程中，前3項(xiàng)損耗了水分平衡的絕大部分，而最后一項(xiàng)所占比例相對(duì)較少，但隨著人口及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，該項(xiàng)在大幅度提高，不過本文并不討論這一項(xiàng)的變化。從空間水分平衡匯的分析可以看出，水分平衡支出的絕大部分都受氣象要素的影響，高溫、低濕及適宜的風(fēng)速等氣象條件都會(huì)加劇水分的蒸發(fā)、作物的蒸騰，而降水的減少導(dǎo)致水文循環(huán)中水分輸出的減少。因而在構(gòu)建干旱指數(shù)時(shí)，可以依據(jù)已有的蒸發(fā)、蒸騰或蒸散模型對(duì)所研究空間水分的匯進(jìn)行定量模擬計(jì)算，然后依據(jù)源與匯的關(guān)系，判斷所研究空間的水分平衡狀況，從而確定該空間的干濕狀況。

水分平衡中匯的計(jì)算主要依據(jù)彭曼公式、彭曼蒙蒂斯公式或者桑斯威特公式[39-40]。但依據(jù)已有公式模型計(jì)算匯存在一定問題，即這些理論模型計(jì)算結(jié)果并非該區(qū)域?qū)嶋H的水分散失量。諸如SPEI(標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù))計(jì)算蒸散量采用桑斯威特公式[36]，但是若一定區(qū)域存在蒸發(fā)悖論，固然氣溫升高，但是該區(qū)域的大氣蒸發(fā)力并未增加，區(qū)域的失水量并未顯著增加，而桑斯威特公式僅考慮氣溫[41]，在一定程度上夸大了區(qū)域損失的水量，無形中增加了干旱嚴(yán)重程度，這在干旱指數(shù)應(yīng)用中是需要注意的問題。同時(shí)，理論的蒸散計(jì)算公式在干旱發(fā)展過程中是否適用存在諸多疑問，因?yàn)樵诟珊蛋l(fā)展到一定程度，下墊面實(shí)際蒸發(fā)及作物蒸騰量會(huì)因水體或土壤水分的供給不足而必然下降，但是理論公式往往假設(shè)下墊面供水持續(xù)充足，因而下墊面水分減少的趨勢(shì)在理論公式中無法及時(shí)有效的體現(xiàn)，這在一定程度上影響了干旱指數(shù)的準(zhǔn)確性。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)一段時(shí)期即使降水偏少，并存在高溫低濕的天氣條件，但是只要前期天氣條件為所研究區(qū)域提供了較為充足的降水，在當(dāng)前天氣條件下土壤水分依然能夠滿足作物生長的需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一般不會(huì)認(rèn)為該區(qū)域發(fā)生了干旱。所以，關(guān)注區(qū)域的水分平衡對(duì)于干旱的真實(shí)刻畫更有實(shí)際意義[24]。目前除了依據(jù)已有的理論模型計(jì)算蒸發(fā)及蒸騰外，一些干旱指數(shù)也依據(jù)水分平衡關(guān)系計(jì)算一定空間的水分變化狀況[42-43]。依據(jù)水分平衡求算儲(chǔ)水量變化的干旱指數(shù)，計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，所需參數(shù)較多，往往涉及SPAC(土壤-作物-大氣連續(xù))的各個(gè)部分，需要對(duì)SPAC各個(gè)環(huán)節(jié)有較好的理解和掌握[44]。由于該類指數(shù)充分考慮了水分循環(huán)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，物理機(jī)制明確，計(jì)算精度相對(duì)較高。Palmer指數(shù)是這類指數(shù)的代表[24]，其較強(qiáng)的機(jī)理性，使其在構(gòu)建后50年的今天，依然是干旱指數(shù)中的佼佼者，美國政府決策部門依賴其監(jiān)測(cè)結(jié)果制定或調(diào)整防災(zāi)減災(zāi)計(jì)劃[16]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，區(qū)域觀測(cè)站點(diǎn)的加密，研制和使用該類干旱指數(shù)，反應(yīng)地面真實(shí)的干旱狀況，從而解決實(shí)際的干旱問題將具有較好的前景。

5 展望

本文在游程理論的基礎(chǔ)上，以干旱的特征參數(shù)為切入點(diǎn)，論述了干旱發(fā)生發(fā)展過程的機(jī)理，并對(duì)干旱概念進(jìn)行了重新定義，在此基礎(chǔ)上對(duì)干旱指數(shù)的構(gòu)建依據(jù)進(jìn)行了解釋。但是干旱研究的目的是及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)判斷干旱的發(fā)生時(shí)間及程度，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，然而在實(shí)際干旱監(jiān)測(cè)過程中，干旱發(fā)展程度臨界值的確定依然存在許多疑問[45]，且區(qū)域之間差異明顯，這一方面使得目前依然無法對(duì)干旱等級(jí)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量描述，一方面又限制了干旱指數(shù)的大范圍推廣。因而研究并準(zhǔn)確找到定量描述干旱程度臨界值的方法仍然是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)干旱及評(píng)估干旱影響的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

干旱研究是一個(gè)非常復(fù)雜的科學(xué)問題，需要從干旱的預(yù)測(cè)、到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、再到發(fā)展過程機(jī)理以及最后的防旱抗旱等方面入手，形成一套較為完備的研究體系，需要?dú)庀?、遙感、農(nóng)業(yè)及水文等多學(xué)科交叉聯(lián)動(dòng)，共同針對(duì)干旱孕育(干旱歷程上游)、發(fā)生發(fā)展(干旱歷程中游)、再到緩解(干旱歷程下游)等方面進(jìn)行全面系統(tǒng)的剖析(圖5)，建立一套系統(tǒng)性的干旱研究理論，如此才能更有效地應(yīng)對(duì)和解決干旱問題。

圖5 干旱全過程研究示意圖