王鶯，張強，2，王勁松，韓蘭英，3，王素萍，張良，姚玉璧，4，郝小翠，王勝

（1.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重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅蘭州 730020；2.甘肅省氣象局，甘肅蘭州 730020；3.蘭州區(qū)域氣候中心，甘肅蘭州 730020；4.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學，甘肅蘭州 730021）

引言

干旱是地球上分布范圍較廣、持續(xù)時間較長、對社會經濟和環(huán)境影響最嚴重的氣象災害之一，與人類社會相伴相生，頻繁發(fā)生于各個歷史時期［1］。干旱不僅造成植被退化和土地荒漠化，長期嚴重干旱還可能導致人員和動物死亡，出現(xiàn)大規(guī)模遷移，甚至是朝代更替和文明消亡［2-3］。干旱作為破壞力巨大的自然災害之一，很早就引起了研究者的關注［4］。干旱氣象研究一般包含2個范疇，一是對干旱半干旱氣候區(qū)的形成和演化以及發(fā)生在該區(qū)域的天氣和氣候進行研究，二是對全球任何區(qū)域的干旱氣象進行研究［5］。本文主要綜述和討論第二種干旱氣象研究方面的工作。

中國地域遼闊，處于東亞熱帶季風和副熱帶季風共同影響區(qū)，同時受西風環(huán)流和高原季風影響，可分為季風濕潤區(qū)、內陸干旱區(qū)和青藏高寒區(qū)3個自然地理區(qū)。在特定自然地理環(huán)境和氣候條件制約下，中國受干旱災害影響嚴重［6-7］。據統(tǒng)計，中國農作物因旱年均受災面積和成災面積分別達2.1×107、8.9×106hm2，每年造成的糧食減產從數百萬噸到3000多萬噸，年均直接經濟損失高達440億元人民幣［8］。IPCC第六次評估報告指出，在現(xiàn)有排放情景下全球地表溫度將持續(xù)升高，水循環(huán)進一步加?。?］，勢必將導致中國的干旱分布格局發(fā)生新變化，整體呈現(xiàn)干旱化趨勢，在北方干旱形勢依然嚴峻的情況下，南方干旱事件也在增加［10-12］。如2020年，中國東北、華南地區(qū)遭遇了嚴重的夏伏旱［13］；2013年，長江中下游地區(qū)發(fā)生了驟旱［14］。同時，干旱災害風險形成過程出現(xiàn)新特征［15-16］，這對于干旱災害風險管理提出新的挑戰(zhàn)［17］。由此可見，干旱已成為制約中國經濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素［18］。如何針對干旱進行防災減災已成為社會關注的熱點。

國內外對干旱及其災害進行了大量研究，研究逐步從干旱的表象特征向機理機制過渡，從最初關注降水到關注陸氣相互作用，再到關注干旱對人類社會發(fā)展的影響及其響應［19-21］。作為一項多學科交叉的科學，干旱問題十分復雜，且具有地域性。氣候變化導致干旱問題的復雜性進一步加劇，并出現(xiàn)很多新問題，如中國干旱時空分布出現(xiàn)了什么新特征？氣候態(tài)變化對干旱監(jiān)測及其閾值有何影響？氣候變化為干旱災害風險評估帶來什么新挑戰(zhàn)？諸多新的科學問題還有待于進一步研究。

目前關于干旱問題的相關研究機構和研究論文很多，涉及區(qū)域比較廣泛，研究結果比較分散，且有些結論相悖。中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室是以科學觀測試驗為基礎，以干旱氣候變化和預防減緩干旱等氣象災害技術研究為專業(yè)特色的科研機構。在實驗室頂層設計的總體研究目標和任務指導下，以實驗室為平臺開展了一批與干旱氣象有關的國家自然基金重點項目“我國典型夏季風影響過渡區(qū)陸—氣相互作用及其對夏季風響應研究”、國家重點基礎研究發(fā)展計劃課題“氣候變暖背景下我國南方旱澇災害風險評估與對策研究”、國家自然科學基金青年項目“中國西北半干旱區(qū)玉米干旱脆弱性特征及調控機制”等十多個國家級項目或課題的研究。這些項目或課題相互結合和繼承，充分發(fā)揮了干旱項目群作用。為便于國內外同行了解研究的最新進展，本文從干旱監(jiān)測技術、干旱時空分布規(guī)律、干旱致災特征、干旱災害風險及其對氣候變暖的響應以及干旱災害風險管理與防御技術等方面，系統(tǒng)總結了中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室干旱氣象科研合作團隊的最新科研成果，并提出了干旱氣象研究存在的問題和挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向和突破口，以期為中國的干旱防災減災工作提供支撐。

1 干旱氣象研究取得的主要科學進展

1.1 干旱監(jiān)測技術與方法

干旱指標是干旱監(jiān)測的基礎。通過綜合降水、徑流、溫度、地物光譜等大量相關信息，形成易于計算和理解的指標，并以此來定量反映干旱的強度、范圍和持續(xù)時間等特征。通過總結現(xiàn)有干旱監(jiān)測指數的優(yōu)缺點，干旱氣象科研合作團隊采用多種方法構建了新的干旱監(jiān)測指數，并評估了不同指數的區(qū)域適宜性。

（1）構建了新的干旱監(jiān)測指數——K干旱指數

王勁松等［22］基于降水和蒸散量構建了K干旱指數，主要用于監(jiān)測大氣和土壤干旱。計算公式如下：

式中：Ki,j為i年j站的K干旱指數；R'i,j、E'i,j分別為i年j站降水和蒸散的相對變率；Ri,j、Ei,j（mm）分別為i年j站降水量和蒸散量分別為j站最近30 a降水量和蒸散量的氣候平均值。為便于干旱指標在大尺度空間的橫向對比，對數據進行標準化處理。當降水相對變率越小、蒸散相對變率越大時，Ki,j越小，干旱越嚴重。K指數的干旱等級劃分標準見文獻［23］。研究發(fā)現(xiàn)，K指數在中國西北地區(qū)春旱、甘肅省干旱監(jiān)測業(yè)務和貴州安順等地區(qū)干旱監(jiān)測中表現(xiàn)良好［22-24］。

為提高K指數對干旱過程（包括干旱的開始時間、持續(xù)時間和強度等）的刻畫能力，WANG等［25］在原有K指數基礎上增加了前期降水和蒸散量對當前干旱的累積影響。由于前期降水和蒸散量對土壤水分的貢獻存在隨時間衰減現(xiàn)象，因此對比了指數和線性2種衰減模型，并選取典型干旱年進行驗證，發(fā)現(xiàn)線性衰減模型更符合干旱發(fā)展規(guī)律，并由此建立了新的K指數干旱監(jiān)測模型［25］。線性衰減模型的表達式如下：

式中：n（d）為當前日期之前的天數，n=0，1，2，…，N（可根據降水和蒸散累積衰減時間分別將N確定為30、90或150 d）；Pn和En（mm）分別是第n天的降水量和蒸散量；a和b分別是斜率和截距。

（2）建立了基于地表能量平衡的干旱遙感監(jiān)測新方法

干旱遙感監(jiān)測的主要目的是探測土壤水分含量。目前常用的基于反照率、歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）和地表溫度的干旱遙感監(jiān)測模型一般適用于裸土地表（如表觀熱慣量法）或植被覆蓋地表（如NDVI及其衍生的一系列干旱遙感監(jiān)測模型），而對于稀疏植被覆蓋的地表，這些方法的監(jiān)測精度無法滿足當前需求。為解決這一問題，郝小翠等［26］將基于地表能量平衡的波文比作為一種新手段引入干旱遙感監(jiān)測中，構建了基于地表能量平衡的干旱遙感監(jiān)測新方法。研究發(fā)現(xiàn)，地表能量平衡是地表干濕狀況動態(tài)變化的重要物理約束，其中波文比定義為感熱通量和潛熱通量之比，可反映水熱平衡分配隨地表水分不同而產生的變化。土壤水分越充足，則感熱通量越小、潛熱通量越大，波文比越?。环粗?，土壤水分越少，波文比越大。與僅用地表溫度建立的干旱遙感監(jiān)測模型相比，波文比中感熱和潛熱能夠同時兼顧能量和水分2個因子，適用于裸土和植被混合的稀疏植被覆蓋地表，具體反演方法見文獻［26］。同時，進一步基于波文比與土壤濕度的關系及《中華人民共和國國家標準農業(yè)干旱預警等級》建立了波文比干旱分級標準，用以評價大尺度旱情空間格局。土壤相對濕度（土壤含水量與田間持水量的百分比）60%、50%、40%分別是輕旱、中旱和重旱的臨界值，對應的波文比分別為2.5、6.0和19.0。基于波文比法反演甘肅省河東地區(qū)地表干濕狀況，發(fā)現(xiàn)波文比與0～20 cm土壤相對濕度具有顯著的負相關關系［26］。

（3）發(fā)展了基于陸面模式的干旱監(jiān)測方法

ZHANG等［27］從模式強迫資料生成、模式運行和結果后處理以及干旱監(jiān)測產品生成3個方面，構建了基于CABLE（Australian community atmosphere biosphere land exchange）陸面模式的干旱監(jiān)測方法。首先，以NCEP（National Centers for Environmental Prediction）T62地表通量數據為基礎，應用國際廣泛認可的CRU（Climatic Research Unit）、CMAP（Climate Prediction Center merged analysis of precipitation）和SRB（surface radiation budget）資 料，采 用Shepard插值方法，分別對NCEP溫度、降水和輻射資料進行誤差訂正，運行CABLE模式得到每6 h一次的實時資料；然后，利用觀測資料檢驗模式數據精度，建立質量可靠的準實時陸面模式強迫資料（滯后7 d左右），并對模擬結果進行周、旬、月平均，為開展干旱監(jiān)測提供數據集?；谝焉傻臄祿嬎銟藴驶邓笖担╯tandardized precipitation index，SPI）、標準化降水蒸散指數（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）、帕爾默干旱嚴重度指數（Palmer drought severity index，PDSI），并根據百分位數法劃分的干旱等級［28］，判斷區(qū)域干旱狀況。該方法詳細介紹見文獻［28］?；贑ABLE陸面模式的干旱監(jiān)測新方法有助于國內干旱趨勢評估和干旱監(jiān)測預警水平的提升。

（4）評估了國際流行的干旱監(jiān)測指數的適用性

目前全球干旱監(jiān)測指數已有百余種。干旱監(jiān)測指數具有時空應用范圍的局限性，如PDSI最初應用于美國半干旱地區(qū)［29］。不同干旱監(jiān)測指數對于同一區(qū)域、同一時間的干旱監(jiān)測結果差異顯著［30］，故需要對這些干旱監(jiān)測指數進行區(qū)域適用性研究。研究發(fā)現(xiàn)，改進的綜合氣象干旱指數（meteorological drought composite index，MCI）和K指數對中國北方地區(qū)干旱監(jiān)測效果優(yōu)于SPI、Pa（precipitation anomaly percentage）和SPEI，其中MCI對春旱監(jiān)測效果較好，K指數對北方偏東、偏南區(qū)域的夏、秋、冬季旱情監(jiān)測效果略優(yōu)于MCI，Pa和SPI對夏、秋季旱情監(jiān)測能力較高，SPEI對夏旱監(jiān)測能力較強［31-32］（圖1）。就華南和西南地區(qū)，MCI和K指數對各季干旱監(jiān)測能力都較強，其中K指數在夏、秋季表現(xiàn)更好，MCI在冬、春季表現(xiàn)更好；DI（daily drought index）對冬、春季旱情監(jiān)測效果較好，PDSI和GEVI（generalized extreme value index）對夏、秋季旱情監(jiān)測效果較好，但sc_PDSI（self-calibrated PDSI）對干旱范圍和等級的監(jiān)測效果優(yōu)于PDSI，而SPI對夏旱監(jiān)測能力更強，SPIW60（standardized index of weighted average precipitation）整體監(jiān)測效果較差［33-34］。從對干旱演變過程的刻畫能力來看，K指數表現(xiàn)最好，其次是DI，MCI在干旱緩解階段存在監(jiān)測程度偏重的情況，SPI、SPIW60和GEVI存在監(jiān)測程度偏輕、緩解過程解除過快的情況，PDSI對干旱演變過程的反映能力較差?？偟膩碚f，干旱指數的監(jiān)測能力與各指數構建時考慮的主要致旱因子和時間尺度密切相關，深刻理解干旱形成機理是提高干旱指數監(jiān)測能力的重要途徑。

1.2 干旱時空分布規(guī)律

中國是干旱災害發(fā)生頻率高且影響嚴重的國家之一。正確認識中國干旱時空分布規(guī)律有助于制定科學合理的防災減災制度。

（1）中國整體呈現(xiàn)明顯的干旱化趨勢

圖1 干旱指數對不同區(qū)域、不同季節(jié)干旱的監(jiān)測準確率（引自文獻［31］）（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.1 The monitoring accuracy of each drought index for different regions and different seasons（cited from literature［31］）（a）spring，（b）summer，（c）autumn，（d）winter

自20世紀60年代至2011年，隨著東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)從對流層到平流層出現(xiàn)明顯的年代際轉折，中國的旱澇時空格局也隨之出現(xiàn)新的特征。根據1960—2011年氣象觀測資料，中國存在一條自東北向西南延伸的干旱趨勢帶，東北、內蒙古中東部、華北、西北地區(qū)東部以及西南地區(qū)東部呈現(xiàn)變干趨勢，西北地區(qū)西部的北疆、青海中部及西藏中北部呈現(xiàn)變濕趨勢（圖2）［35］［文中涉及的中國及各省（市、區(qū)）行政邊界基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2016）1595號的標準地圖繪制，底圖無修改］。其中，西北地區(qū)東部輕到中旱日數增加，西南地區(qū)東部中到重旱日數顯著增加，四川盆地中南部和山東半島特旱發(fā)生頻率增加［35］。從季節(jié)來看，秋季干旱化最顯著，其次為春季和夏季，冬季則呈現(xiàn)不明顯的變濕趨勢［35-36］。從年代際來看，中國20世紀60年代之后干旱化趨勢明顯，20世紀90年代后期至21世紀初期干旱造成的損失最嚴重。總體來看，中國呈現(xiàn)明顯的干旱化趨勢，干旱范圍擴大、強度加重、頻率增加。

（2）在中國北方干旱形勢依然嚴峻情況下，南方干旱呈現(xiàn)明顯增加和加重趨勢

中國北方地區(qū)總體屬于干旱多發(fā)區(qū)域［37］。2000—2014年，在北方干旱頻次和強度依然嚴峻情況下，南方干旱頻次明顯增多，且區(qū)域性和季節(jié)性的嚴重干旱事件也呈增加趨勢（圖3）。以華南和西南地區(qū)為例，在氣候變暖背景下降水顯著減少、潛在蒸散量減少且變異增大；在降水減少和溫度升高的雙重作用下，干旱程度加重［38］。分區(qū)域來看，西南地區(qū)約30%的區(qū)域屬于干旱區(qū)，1953—2012年該地區(qū)一致呈顯著變干趨勢，秋季干旱化程度最強，極端干旱頻次逐漸增多，干旱持續(xù)時間增長、頻率增加、強度增強，冬春連旱多發(fā)［39］。川西高原、川西南山地和云南中北部區(qū)域干旱發(fā)生概率高于60%，且以冬、春旱為主；云貴高原中部易出現(xiàn)異常干旱［40-41］。華南地區(qū)地處中國南部沿海，年降水量在900～2700 mm之間，是中國多雨區(qū)之一，但近些年該區(qū)域的干旱事件也呈增加趨勢。從季節(jié)變化來看，華南地區(qū)春、夏季持續(xù)干期日數呈下降趨勢［-0.042、-0.108 d·（10 a）-1］，秋、冬季持續(xù)干期日數呈上升趨勢［1.911、0.118 d·（10 a）-1］，且秋季持續(xù)干期日數最多（20～44 d）；從區(qū)域分布來看，持續(xù)干期日數最高的區(qū)域，春季在南部沿海，夏季在桂北和粵北、粵東及雷州半島，秋季在粵東大部，冬季在雷州半島；從年際變化來看，持續(xù)干期日數顯著增加的區(qū)域，春季在桂南，夏季在桂中和桂南，秋季一致呈增加趨勢，顯著增加的區(qū)域主要在桂中和粵東北沿海地區(qū)，冬季主要集中在粵中南部、粵東以及桂東邊緣［42］。從農業(yè)干旱災害損失來看，1949—2012年西南地區(qū)干旱災害的范圍、程度和頻次也呈增加趨勢，四川最明顯，其次是貴州，云南增加趨勢最小。2002—2012年西南干旱的重災中心向南北兩邊分離，云南和貴州的干旱面積明顯增加［43］。

圖2 1960—2011年SPI變化趨勢空間分布（引自文獻［35］）（○、▲分別表示通過99.9%和95%的置信水平）（a）年，（b）春季，（c）夏季，（d）秋季，（e）冬季Fig.2 Spatial distributions of the trend of SPI from 1960 to 2011（cited from literature［35］）（○and▲represent passing the confidence level of 99.9%and 95%，respectively）（a）the whole year，（b）spring，（c）summer，（d）autumn，（e）winter

圖3 氣溫突變前后中國干旱強度（a）、頻次（b）和持續(xù)時間（c）變化（引自文獻［37］）Fig.3 Variation of drought severity（a），frequency（b）and duration（c）before and after temperature abrupt change in China（cited from literature［37］）

1.3 干旱致災過程特征

干旱致災過程是指干旱從發(fā)生到產生影響或災害的過程。研究干旱致災過程特征有助于理解干旱的發(fā)展過程及趨勢，提高干旱管理水平。

（1）研究了干旱災害的鏈式傳遞過程和主要特征

災害鏈是由某一種致災因子或生態(tài)環(huán)境變化而引發(fā)的一系列災害現(xiàn)象［44］。干旱災害鏈則是因降水短缺引發(fā)的一系列災害構成。正確認識干旱災害鏈的發(fā)生、發(fā)展和轉變過程，對于斷鏈式災害管理具有積極意義。

國際上通常將干旱分為氣象干旱、農業(yè)干旱、水文干旱和社會經濟干旱。張強等［45］認為，在重視生態(tài)文明建設的今天，還應該增加生態(tài)干旱類別。氣象干旱代表了降水的強度和概率特征，農業(yè)干旱、水文干旱、社會經濟干旱和生態(tài)干旱則反映了氣象干旱的影響程度，它們彼此之間并非相互獨立，而是存在鏈式傳遞過程。如圖4所示，降水異常偏少可導致氣象干旱的發(fā)生，當條件合適時氣象干旱會向生態(tài)、水文和農業(yè)干旱并行傳遞，當干旱發(fā)展到一定程度就會引發(fā)社會經濟干旱［45］，且農業(yè)干旱、水文干旱和生態(tài)干旱內部也存在明顯相互傳遞過程。隨著干旱傳遞鏈的逐漸增長，干旱造成的影響越難以逆轉。在干旱解除時，可能會發(fā)生氣象干旱和農業(yè)干旱已解除，而生態(tài)干旱和水文干旱仍持續(xù)的情況。需要注意的是，干旱災害傳遞并非必然過程，只有在干旱程度達到一定閾值時才會往下傳遞，且不同區(qū)域干旱災害傳遞鏈及其閾值差異很大［45］。鑒于此，可通過對氣象干旱監(jiān)測來實現(xiàn)對農業(yè)、水文、生態(tài)和社會經濟干旱的早期預警。氣候變化進一步加劇了干旱傳遞過程的復雜性，如生態(tài)環(huán)境脆弱性發(fā)生改變可導致干旱傳遞進程加快，干旱發(fā)生時間和區(qū)域的改變可令其發(fā)生發(fā)展規(guī)律難以把握［46］。

圖4 干旱傳遞過程及其相互作用（引自文獻［45］）Fig.4 Drought transfer processes and interactions（cited from literature［45］）

王勁松等［47］基于災害鏈理論，通過干旱事件歷史資料普查，分析了中國西南和華南地區(qū)干旱災害鏈傳遞特征。研究發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生氣象干旱時，云南、廣西、貴州冬、春季易發(fā)生森林火災；隨著干旱程度加重，還會造成人畜飲水困難。長期干旱還可引起疫病、蟲害、鼠害等的發(fā)生和發(fā)展，造成植被生物量減少，影響人民生活和工農業(yè)生產。從中國西南和華南地區(qū)干旱災害鏈（圖5）可知，一旦發(fā)生干旱，在沒有任何防御或斷鏈措施下最終結果一致，即經濟損失加劇、生態(tài)環(huán)境惡化。從干旱鏈傳遞閾值來看，特大干旱會引發(fā)土壤退化，重度干旱會引發(fā)森林火災、病蟲害爆發(fā)和水力發(fā)電量降低，而中度干旱就可能影響航運。另外，干旱災害鏈在西南和華南地區(qū)有明顯不同。西南地區(qū)是典型的喀斯特地貌，輕度干旱就可能導致作物受旱，中度干旱會造成生活用水困難；華南地區(qū)，只有達到中度干旱才會向下傳遞到作物，重度干旱才能影響生活用水。也就是說，在同樣氣象干旱程度下，由于西南和華南地區(qū)干旱孕災環(huán)境不同，災害鏈的傳遞特征不同，受影響的程度也不同。

（2）發(fā)現(xiàn)了作物因旱損失的關鍵影響期

圖5 中國西南（a）和華南（b）地區(qū)干旱災害鏈（改自文獻［47］）（色標表示達到此等級的旱災可影響到的承災體）Fig.5 Drought disaster chain in southwestern China(a)and South China(b)(modified from literature［47］）(The color labels represent the corresponding disaster-affected body by drought disaster with different levels)

以往研究關注更多的是農業(yè)因旱損失與全年不同氣候條件的關系。對于作物來說，其因旱損失程度與不同氣候要素及不同生育期對氣候要素的依賴程度密切相關，因此尋找作物因旱損失的關鍵影響期是深入理解干旱致災過程的一個重要途徑。張強等［46］研究發(fā)現(xiàn)，從全年來看，中國南方地區(qū)農業(yè)干旱綜合損失率受降水的影響大于溫度，但相關性總體較弱。從月尺度來看，南方農業(yè)干旱綜合損失率與降水（溫度）的關系在4、6—8月（6、7、12月）較顯著，說明春、夏季降水（夏、冬季溫度）對農業(yè)因旱損失影響較大，而與MCI的關系在5—10月較顯著，尤其是7—8月，說明夏旱對農業(yè)因旱損失影響至關重要［48-49］。將關鍵影響期與作物生長階段關聯(lián)起來，發(fā)現(xiàn)中國南方農業(yè)干旱的關鍵影響期正處于作物返青、拔節(jié)、抽雄、開花、吐絲和分蘗等關鍵生長階段（圖6）。

（3）獲得了干旱災害形成的降水虧缺累積時間尺度的區(qū)域差異性

干旱發(fā)展是一個緩慢的累積過程，某一時刻干旱程度不僅與當前降水量有關，也與前期降水量的累積效應有關。對這一問題的正確認識有助于干旱監(jiān)測、預警和評估準確性的提高。WANG等［50］研究發(fā)現(xiàn)，中國約80%的干旱災害由3個月內時間尺度的降水虧缺引起。其中，華北、西北地區(qū)東部、黃淮、江漢及西南地區(qū)西部的干旱災害多由1個月內的降水虧缺引起；西南地區(qū)東部、華南、江南、江淮及東北區(qū)域的干旱災害多由2～3個月內的降水虧缺引起；4～6個月尺度降水虧缺引起的干旱災害約占總面積的17%，這種干旱過程一般是50 a或百年一遇的干旱事件，如2009年西南地區(qū)秋冬春連旱（圖7）?？偟膩碚f，黃河流域和西南地區(qū)西部降水虧缺的累積時間尺度小于南方大部和東北地區(qū)。這一研究揭示了降水虧缺累積時間尺度對干旱災害發(fā)生的影響程度及區(qū)域差異，為不同地區(qū)干旱致災因子的時間尺度選取提供支撐，有利于干旱監(jiān)測指數的改進和完善。

1.4 干旱災害風險及其對氣候變暖的響應

全球氣候變暖導致干旱發(fā)生的頻率、時間和強度呈現(xiàn)增加趨勢［51］，并對農、林、牧業(yè)生產和水資源與水循環(huán)及生態(tài)與自然環(huán)境等造成廣泛影響，進而對人類生存與可持續(xù)發(fā)展構成嚴重威脅。中國是暴露于干旱災害危險區(qū)人口最多的國家，社會經濟發(fā)展和人民生活水平的提高嚴重依賴于干旱災害管理水平。近些年來，干旱災害管理已從最初的應急管理向風險管理轉變，干旱災害風險的科學評價和特征研究就變得尤為重要。自20世紀90年代開始，為響應“國際減災10年”活動，中國開展了大量的干旱災害風險研究工作。中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室的干旱氣象科研合作團隊在這一發(fā)展過程中主要取得了以下幾方面的科學認識：

圖6 中國南方溫度、降水和MCI的變化趨勢及其對作物的關鍵影響期（引自文獻［48］）Fig.6 The trends for the three key climate factors（monthly total precipitation，mean temperature and MCI）and their relationships to crop growth and development periods（cited from literature［48］）

（1）提出了干旱災害風險形成的概念模型。在自然災害風險形成機制上，主要有“二因子說”、“三因子說”和“四因子說”［52］。從災害學和自然災害風險形成機制角度出發(fā)，IPCC第五次評估報告認為，災害風險不僅取決于致災因子的嚴重程度，在很大程度上也取決于暴露度和脆弱性水平。張強等［46］在此基礎上，引入氣候變化和人類活動影響，結合孕災環(huán)境敏感性，提出了一個新的干旱災害風險形成機理概念模型（圖8）。該模型考慮了人類活動對氣候變暖、區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化以及應對和恢復力的影響，并通過間接作用傳遞到不同影響層面，是干旱災害風險形成的基礎。氣候變化和突變使得氣候變率和氣候態(tài)發(fā)生變化，導致致災因子危險性發(fā)生改變，是干旱災害風險形成的必要條件。氣候變率和氣候態(tài)的變化又可以引起生物演化和群落演替，導致人類和生物的時空分布特征發(fā)生變化，令干旱災害承災體的暴露性和脆弱性發(fā)生改變。應對和恢復力及地殼運動引起的地質和水文環(huán)境變化間接影響了地質地理環(huán)境和水資源環(huán)境，從而造成孕災環(huán)境敏感性發(fā)生變化。這些變化迫使干旱災害風險形成新的特征。該概念模型全面、客觀地表征了干旱災害風險的形成機理，反映了氣候變暖背景下干旱災害風險的可變性與動態(tài)過程特征。通過該模型獲得的干旱災害風險特征將更加科學和客觀，更接近干旱災害風險的本質。

（2）揭示了干旱災害風險分布特征。中國夏季風影響區(qū)的干旱致災高危險區(qū)和高風險區(qū)主要位于夏季風邊緣區(qū)域，這是因為該區(qū)域降水總量小且時空變率大［53］。黃河流域干旱風險具有明顯的地帶性和復雜性，中下游風險高于上游［54-55］。甘肅省干旱受災率在22%時旱災風險最大，10%～20%時風險為1.0～1.6 a一遇，大于50%時風險約為12 a一遇，具有發(fā)生概率高、周期短的特征［56-58］。中國南方的干旱高風險區(qū)主要位于川東盆地、川滇交界處、滇東北大部、桂西南部及粵東北部和雷州半島［46，59-62］。研究發(fā)現(xiàn)，甘肅冬小麥主產區(qū)的干旱災害高風險區(qū)主要位于隴東黃土高原，種植保險率為83%～85%［63］；西北半干旱區(qū)玉米的干旱災害高及次高風險區(qū)主要位于甘肅臨夏、定西、會寧、秦安、平涼東北部、慶陽北部和寧夏鹽池、固原以及陜西榆林西部和南部、關中東部和南部［64-65］，而西南地區(qū)玉米生育期干旱高風險區(qū)主要分布在滇中和滇北、黔西和四川盆地中部［66］；草地干旱災害高風險區(qū)主要位于內蒙古東北部、東北地區(qū)西部、寧夏北部、塔里木盆地北邊緣、青藏高原南部、云貴高原、河南和山東地區(qū)［67］。

圖7 不同累積時間尺度降水虧缺下干旱災害的發(fā)生概率（單位：%）（a）1個月，（b）2個月，（c）3個月，（d）1～3個月，（e）4～6個月Fig.7 Probability of drought disaster under precipitation deficit at different cumulative time scales（Unit：%）（a）1 month，（b）2 months，（c）3 months，（d）1-3 months，（e）4-6 months

圖8 干旱災害風險形成機理概念模型（引自文獻［46］）實線為直接影響，虛線為間接影響Fig.8 Conceptual model of drought disaster risk formation mechanism（cited from literature［46］）（solid lines for direct impact，and dotted lines for indirect impact）

（3）揭示了干旱災害風險對氣候變暖的響應特征。氣候變暖導致干旱災害風險要素之間的關系更加復雜（圖9）［45］。從全國來看，氣候變暖導致干旱災害發(fā)生的頻率、強度和持續(xù)時間呈增加趨勢，令干旱危險性增大［37］，同時還可導致干旱承災體分布區(qū)域、產量、暴露時間、耐旱性及生存環(huán)境等發(fā)生較大幅度的變化［68-69］。其中，氣候變暖導致中國夏季風影響區(qū)干旱危險性明顯增加，高危險區(qū)主要位于季風邊緣區(qū)、西南地區(qū)以及沿海的浙江和福建，且明顯有向季風邊緣區(qū)轉移的趨勢，同時中國南方的干旱高風險區(qū)明顯減少，北方的干旱高風險區(qū)增加（圖10）［53］。氣候變暖導致甘肅省干旱受災風險增加了17.65%，成災風險增加了19.57%，且大旱發(fā)生風險增加［15］。氣候變暖后，華南和西南地區(qū)致災因子高危險區(qū)面積擴大8%，華南擴大更顯著，達13%，且致災因子危險性從云南東部向貴州和四川盆地擴展；云南中東部地區(qū)的孕災環(huán)境高敏感范圍擴大，四川盆地和貴州北部的高敏感區(qū)范圍略有縮??；干旱災害的高風險區(qū)面積擴大3%，呈現(xiàn)自云南向東和向北擴展趨勢，華南干旱面積擴大更為明顯，達6%（圖11）［46］。

圖9 干旱災害風險要素之間的關系及其受氣候變暖的影響（引自文獻［45］）Fig.9 The relation between the factors of drought disaster risk and the effect of climate warming on them（cited from literature［45］）

（4）明確了氣候變化對干旱災損的影響。1960—2010年，中國輕、中和重度以上農業(yè)干旱災損比率分別為14.1%、6.5%和1.0%，呈增加趨勢，且旱災等級越強，增加速率越快［18］。其中，北方的輕、中和重度以上農業(yè)干旱災損比率分別較南方高2.1倍、2.2倍和1.9倍，且北方旱災損失率的增加速率大于南方，這說明氣候變化對中國北方干旱災害的影響較南方更突出［18］。從農業(yè)旱災綜合損失率來看，中國平均為5.4%，其中北方和南方平均分別為7.4%和3.5%；從農業(yè)干旱災害損失率的增加速率來看，中國為0.5%·（10 a）-1，其中北方和南方分別為0.6、0.3%·（10 a）-1［18］。另外發(fā)現(xiàn)，年平均氣溫每升高1℃，南方和北方的農業(yè)干旱災害綜合損失率分別增加0.93%和0.94%；年降水量每減少100 mm，南方和北方的農業(yè)干旱災害綜合損失率分別增加0.76%和5.50%［18］。氣溫突變后，北方農業(yè)干旱災害綜合損失率增幅是南方的3～4倍（圖12），受氣候變化影響顯著［18］。

1.5 干旱災害風險管理與防御技術

干旱災害風險管理作為一種主動、有備、周密和有效的防旱抗旱管理模式，貫穿于干旱發(fā)生發(fā)展的全過程，其本質是積極預防和降低干旱災害風險。

圖10 溫度突變前（a、c）、突變后（b、d）干旱致災危險性（a、b）和災損風險性（c、d）空間分布（引自文獻［53］）Fig.10 Spatial distributions of drought hazard（a，b）and risk（c，d）before（a，c）and after（b，d）temperature jump（cited from literature［53］）

（1）構建了干旱災害風險管理策略概念模型

張強等［46］基于不同風險因子和風險承災體構建了干旱災害風險管理策略概念模型（圖13）?？梢钥闯觯瑢τ谥聻囊蜃痈呶ｋU區(qū)，可采取的策略主要包括加強人工增雨、提高露水利用率、規(guī)避高危險區(qū)以及采取農耕措施減少土壤水分蒸發(fā)等；對于孕災環(huán)境高敏感區(qū)，主要措施是改變生態(tài)、水文和土壤條件，如提高水分涵養(yǎng)能力、水資源保障能力和土壤保墑能力；對于防旱減災能力弱的區(qū)域，需要集合多方面力量，加大抗旱防災工程建設和技術開發(fā)投入、提高公眾對干旱的認識以及加強干旱監(jiān)測、預測、預警等能力；對于承災體高暴露區(qū)，主要措施是提高承災體的抗旱能力。針對不同承災體，一般是通過風險預警、風險規(guī)避、風險控制和風險應對幾個步驟進行風險管理。對于農業(yè)，可通過氣象干旱監(jiān)測進行風險預警，通過精細化種植規(guī)避干旱風險，發(fā)展多元化和規(guī)模性經營進行風險控制，加強農業(yè)干旱適應技術的研發(fā)和農業(yè)保險的推廣進行風險應對；對于水資源，可通過氣象干旱監(jiān)測和抗旱應急水源工程建設進行風險預警，提高工程的安全運行標準、健全水資源調度系統(tǒng)、嚴格把控“三條紅線”制度的落實進行風險控制，加強高風險區(qū)防洪抗旱體系建設、優(yōu)化水資源配置效率進行風險應對；對于生態(tài)系統(tǒng)，可通過建立生態(tài)紅線和生態(tài)補償機制提高風險控制能力，實施生態(tài)移民、自然保護區(qū)等項目進行風險應對。

圖11 氣溫突變前（a）、突變后（b）中國華南和西南地區(qū)干旱災害風險特征（引自文獻［46］）Fig.11 Characteristics of drought disaster risk in South China and southwestern China before（a）and after（b）temperature abrupt change（cited from literature［46］）

圖12 氣溫突變前后中國南方、北方和全國農業(yè)旱災綜合損失率平均值對比（引自文獻［18］）Fig.12 Changes of the average comprehensive loss rate of agriculture drought before and after the increases of annual average temperature in northern，southern China and the whole China（cited from literature［18］）

（2）提出了干旱災害風險防控技術對策

①充分發(fā)揮監(jiān)測評估信息的防控決策作用。通過技術手段提高干旱監(jiān)測預警能力，構建實時有效的干旱預警平臺和干旱災害綜合業(yè)務服務系統(tǒng)，提高干旱災害風險評估和對策服務的時效性，是風險防控管理的重要途徑［46］。

②充分發(fā)揮農田基礎設施作用。通過加強農田基礎設施建設，提高水資源利用效率；通過加強水利基礎設施管理，合理開發(fā)和優(yōu)化配置現(xiàn)有水資源；通過科技發(fā)展，提高農田灌溉節(jié)水能力，擴大節(jié)水灌溉面積［70］。

③實施高效水肥利用技術。在工程方面，可采用噴灌、滴灌、滲灌等技術；在農藝方面，可采用地表覆蓋、雙壟溝播、小畦改造等增溫保墑措施；在科學管理方面，根據作物需水關鍵期科學補水，提高水分利用率等［70］。

④加強生態(tài)環(huán)境保護與建設。在氣候脆弱區(qū)實施退耕還林還草、生態(tài)移民等措施，發(fā)展農林牧漁復合型立體農業(yè)，建立水源涵養(yǎng)林、防風固沙林，積極發(fā)展資源節(jié)約型農業(yè)和生態(tài)農業(yè)，提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的抗逆性和恢復力［46］。

⑤積極推廣農業(yè)保險。立足各地實際，積極開展具有地方特色的農業(yè)保險品種研發(fā)，加強農業(yè)氣象保險的“融合式”發(fā)展，有效減輕政府財政的干旱賑災負擔，提高農戶風險防御水平［71］。

⑥大力開發(fā)空中云水資源。中國西北、西南地區(qū)分別約有15%、20%的水汽可在本區(qū)域形成降水［72］。對空中水資源利用的一個主要途徑是人工增雨（雪）。以祁連山區(qū)為例，飛機人工增雨（雪）的投入產出比在1：30以上，按照10%～15%的增雨（雪）率估算，河西走廊地區(qū)內陸河流域年水資源增加量可達3.7×108～7.4×108m3［72］。因此，增加空中水資源利用對于緩解干旱有積極意義。

⑦陸面非降水性水分的開發(fā)利用。陸面非降水性水分主要包括水汽吸附、露水（或霜）和霧［73］。研究發(fā)現(xiàn)，非降水性水分是干旱和半干旱區(qū)的潛在水源，其貢獻率能達到甚至超過降水量，影響土壤—植物—大氣界面的能量平衡。同時，陸面非降水性水分的植物吸收利用率遠高于降水，能夠快速降低植被體內的水分虧缺，為植物受旱的恢復發(fā)揮關鍵作用［74-75］。因此，在干旱和半干旱區(qū)，陸面非降水性水分可以有效緩解季節(jié)性干旱的發(fā)展［76］。在實際操作中，可以從選擇有利氣候條件和開發(fā)最佳水分凝結面兩方面入手［77］。就局地氣候條件而言，可選擇少云、空氣濕度較大、風速適中、近地層逆溫較明顯、表面溫度較低的平坦開闊區(qū)域放置非降水性水分收集系統(tǒng)。如黃土高原半干旱區(qū)露水形成的有利氣候條件是風速為0.5～2 m·s-1，相對濕度大于80%，溫度露點差為-3～6℃，地氣溫差為-2～2℃［78-79］。就水分凝結面來說，一般要考慮凝結面形狀和結構、絕熱性、反射率、親水性等因素［78-79］。

圖13 干旱災害風險管理策略概念模型（改自文獻［46］）Fig.13 Conceptual model of drought disaster risk management strategy（modified from literature［46］）

2 干旱研究的科學問題及展望

21世紀以來，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室的干旱氣象科研合作團隊在干旱監(jiān)測技術、干旱時空分布規(guī)律、干旱致災過程特征、干旱災害風險及其對氣候變暖的響應以及干旱災害風險管理與防御技術等方面取得了很多研究進展。然而，由于干旱氣象科學問題的復雜性及社會發(fā)展對干旱防災減災要求的不斷提升，干旱氣象研究還存在很多問題和挑戰(zhàn)。例如，缺乏支撐干旱研究的綜合性野外觀測試驗，對干旱氣候變化的影響、原因缺乏深入認識，對干旱致災過程及特征認識較淺顯，對干旱判別及構建干旱監(jiān)測指數的機理性研究不夠深入，對氣候變暖背景下干旱災害風險新特征的認識還有待加強，對干旱災害風險管理與防御技術對策還需要進一步細化，等等。隨著干旱災害理論的不斷創(chuàng)新、多源數據的不斷豐富及技術手段的不斷提升，為解決這些問題提供了更多可能。未來，在干旱氣象研究方面有望在一些關鍵科學問題上取得新的突破：

（1）針對氣候變化背景下干旱高發(fā)區(qū)設計綜合性干旱觀測試驗。國內已相繼開展了一系列與干旱有關的科學觀測試驗，這些試驗主要關注植物干旱脅迫、土壤水分轉化等內容，并主要集中在中國北方的傳統(tǒng)干旱高發(fā)區(qū)［80］，而對于陸—氣能量、物質循環(huán)等多要素和長時間的系統(tǒng)性觀測明顯不足［20］，對于干旱災害鏈式傳遞過程的試驗設計不夠，對于氣候變化導致的干旱災害風險變化特征的試驗設計較缺乏，針對中國南方地區(qū)和季風過渡帶等新重旱多發(fā)區(qū)的綜合性干旱科學試驗布局較少。未來研究應加強這些方面的設計和投入。

（2）加強干旱形成機理研究。中國干旱的發(fā)生和發(fā)展受季風、海溫、高原熱力及動力、局地陸—氣相互作用以及人類活動等因素的協(xié)同影響。同時，還要考慮大系統(tǒng)對干旱氣候及其災害的影響，如高原北支繞流和翻越氣流、印度半島、印度洋、南海以及全球干旱特征、機制和不同干旱區(qū)的聯(lián)系。目前，許多研究主要從陸面強迫的角度進行簡單考慮，忽視了陸—氣相互作用的影響［20］。同時，干旱事件還具有多時間尺度特征，輕旱可能是短期的單一時間尺度干旱事件，而重大干旱事件大多是多時間尺度疊加或轉換形成的［46］。因此，僅從單因素或某幾個因素認識干旱形成和發(fā)展機理遠遠不夠。氣候變暖對干旱的影響非常復雜，它可以通過多途徑影響干旱的發(fā)生發(fā)展過程，而這一過程中氣溫、降水、蒸發(fā)、濕度等要素之間的關系也是非線性的多層次、多途徑交叉耦合關系。對于氣候變化背景下中國干旱及其災害時空分布特征形成的原因及對生態(tài)環(huán)境的影響研究還比較粗淺，有些結論尚停留在猜想階段［81］。未來研究應基于多源資料的收集和試驗數據的獲取，從不同維度和尺度定量研究干旱的形成機理。

（3）構建多源數據融合和多方法結合的綜合干旱監(jiān)測新方法。不同區(qū)域不同時間尺度的干旱都有其特有的多因子協(xié)同作用規(guī)律和多時空尺度疊加轉換特征。干旱的發(fā)生發(fā)展通常是一個緩慢過程，但它又可能因一場較大的降水過程而結束，甚至發(fā)生旱澇急轉現(xiàn)象，即干旱的發(fā)生與結束具有明顯的非對稱性特征。近年來驟發(fā)性干旱頻發(fā)，對該類型的干旱監(jiān)測、判識和預測提出更高的要求［82-85］?；谝陨显?，現(xiàn)有的干旱監(jiān)測指標存在對干旱發(fā)展過程刻畫不合理的問題，缺乏判識其發(fā)生發(fā)展的客觀定量閾值標準。對于農業(yè)和生態(tài)干旱監(jiān)測，植物本身需水狀態(tài)和土壤供水情況是必須考慮的因素，尤其在灌溉農業(yè)區(qū)［86］。在未來工作中應結合野外干旱綜合科學試驗，加強對多源數據的獲取和利用，并結合陸—氣耦合模式，構建多源數據融合和多方法結合的綜合干旱監(jiān)測新方法。

（4）深化干旱災害鏈式傳遞過程研究。目前，對于鏈式效應較短且災害效應顯著的災害鏈系統(tǒng)研究較多，如暴雨洪澇災害鏈、臺風災害鏈、地震災害鏈等［87-89］，而對于災害傳遞機理復雜性高且鏈條長的干旱災害鏈研究較少，研究體系仍未建立，且基于干旱災害鏈的風險評估研究不足［90］。已有研究通常從干旱災害鏈理論出發(fā)，主要構建了干旱災害鏈式傳遞過程框架，且定性分析了典型區(qū)域的干旱災害鏈特征［91］。未來研究中應在多學科支撐下，主要從干旱災害鏈識別、演化過程解析、構鏈規(guī)律量化和斷鏈對策明確等方面入手，采用系統(tǒng)動力學演變模型、概率模型、模糊綜合評價、經典地學統(tǒng)計等方法進行定量化的干旱災害鏈致災機理及傳遞過程研究，更好服務于逐級干旱預警工作。

（5）精細化干旱災害風險特征和風險管理研究。干旱災害風險包含了危險性、脆弱性、暴露性、敏感性、恢復力等要素，具有明顯的非線性和突出的動態(tài)性特征。目前的干旱災害風險評估主要有因子綜合分析法、概率統(tǒng)計法、物理模型法和情景分析法。這些方法在風險形成、風險表達、參數合理性和完整性方面存在明顯不足［46］。未來研究中應加強對風險因子作用機理的研究，明晰風險傳遞進程，構建具有明確物理意義的干旱災害風險評估模型。需要指出的是，在干旱災害風險評估中存在數據時空分辨率較低的突出問題。例如，干旱災損資料的記錄往往是定性描述，或是基于省、市行政單元，這無法滿足精細化的風險評估要求。在未來研究中應積極發(fā)揮多源數據優(yōu)勢，采用合理的數據融合方法和數據挖掘技術，提高資料的廣度和精度。氣候變暖背景下，干旱災害危險性發(fā)生顯著變化，同時也會對脆弱性、暴露性、恢復力等造成一系列影響［92］?，F(xiàn)有研究對這一問題進行了初步探討，但氣候變暖對干旱災害風險影響的機理性研究還遠遠不夠，這也是未來研究需要關注的問題。干旱災害風險是一個動態(tài)變化的過程，如農業(yè)承災體對干旱的敏感性和恢復力與生育期密切相關，已有研究常常使用某個干旱指數變化來分析干旱發(fā)展狀況，忽略了承災體的特征，可能會得出錯誤的結論。在未來研究中應針對特定區(qū)域的特定承災體，借助試驗和物理模型等手段，考慮承災體的干旱敏感性特征，進行動態(tài)的精細化干旱災害風險評估。

干旱災害風險管理主要通過對干旱災害風險進行研判，確定風險接受等級。對于可接受的風險，在結合其他決策依據及風險交流與監(jiān)測基礎上，形成干旱災害風險管理決策；對于不可接受的風險，則需要集合人力物力，采取預防、減緩和防備等行為，或通過保險等風險轉移手段，有效避免、減少干旱災害的不利影響。這是一種技術、機制和政策相互匹配的科學有效的風險管理體系［46，93-94］。在未來研究中應豐富和細化干旱災害風險管理策略模型，制定具體的行動計劃，保障其順利運行。

3 結束語

21世紀以來，依托中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室平臺開展的與干旱氣象相關的科研項目群在干旱監(jiān)測技術、干旱時空分布規(guī)律、干旱致災特征、干旱災害風險及其對氣候變暖的響應以及干旱災害風險管理與防御技術等方面取得了很多成果，對推動干旱氣象研究發(fā)展起到積極作用。在研究內容上，從最早的僅關注降水，到現(xiàn)在的與氣候變化、生態(tài)環(huán)境、社會經濟發(fā)展等緊密結合的研究新格局，推動干旱災害風險管理與防御技術研究進入新階段，形成了在國內外有影響的干旱氣象科學研究團隊。但是，中國地理位置的獨特性以及氣候變化和社會經濟發(fā)展需求，使得干旱問題愈加復雜，中國的干旱氣象科學研究還面臨諸多挑戰(zhàn)，需要進一步加大相關科研力量和經費的投入，針對研究重點和難點問題進行科技攻關，提高干旱防災減災技術能力。在社會經濟迅速發(fā)展和科學技術全面進步的當下，人們對于干旱防災減災的需求大幅增加，尤其在氣候變化背景下對干旱氣象研究提出了許多新的科學問題和發(fā)展需求。隨著社會經濟發(fā)展和科學技術進步，地-空觀測體系、數值模擬技術、計算機智能化等不斷完善和進步，未來中國干旱氣象科學研究在瞄準國際前沿和熱點的同時，將緊密結合中國建設發(fā)展的實際需求，進一步提升中國干旱氣象科技的國際影響力。