區(qū)域干旱演變規(guī)律識(shí)別的研究進(jìn)展

辛 琛，張?zhí)锾?/p>

（1.陜西省江河水庫管理局，陜西 西安 710018；2.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

近年來，受環(huán)境變化影響，全球的干旱災(zāi)害頻頻出現(xiàn)，遠(yuǎn)高于以往任何時(shí)期，直接威脅人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生存環(huán)境[1]。我國位于亞洲季風(fēng)區(qū)，加之三級(jí)階梯的地形結(jié)構(gòu)和多樣的地貌特征，從根本上決定了我國干旱事件頻發(fā)和影響范圍較廣。在全球氣候變化影響下，我國干旱事件的強(qiáng)度、頻度、持續(xù)時(shí)間及空間分布等特性都發(fā)生了深刻的變化[2]，干旱事件不僅出現(xiàn)在水資源嚴(yán)重不足的北方地區(qū)，受低空季風(fēng)途徑被阻隔和水汽減弱的影響，在水資源相對(duì)豐富的南方地區(qū)也面臨著嚴(yán)重的季節(jié)性干旱的威脅。

干旱通常是指在某地理范圍內(nèi)因降水在一定時(shí)期持續(xù)少于正常狀態(tài)而導(dǎo)致水資源減少、影響植物正常生長和人類用水需求的一種自然現(xiàn)象[1]。而干旱災(zāi)害（簡稱旱災(zāi)）是指干旱對(duì)人類的正常生活、生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境造成影響、產(chǎn)生危害，是自然與社會(huì)綜合作用的結(jié)果[3]。鑒于干旱災(zāi)害的復(fù)雜性與緊迫性，預(yù)防和減輕干旱災(zāi)害已經(jīng)成為當(dāng)今世界關(guān)注的重要研究課題[4]。如政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）、世界氣候計(jì)劃、全球能量和水循環(huán)試驗(yàn)、國際全球變化人文因素計(jì)劃、國際水文計(jì)劃等國際重大研究計(jì)劃都將干旱與水資源安全問題列入其中，其重要性更加凸顯。

眾所周知，降水偏少是干旱事件發(fā)生的主要誘因，然而干旱本身是一種十分復(fù)雜的綜合現(xiàn)象。剖析我國近些年災(zāi)害頻發(fā)且損失嚴(yán)重的事實(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，災(zāi)害的形成不僅與我國抗旱保障基礎(chǔ)條件差的現(xiàn)狀息息相關(guān)；同時(shí)，干旱成因及發(fā)展規(guī)律認(rèn)識(shí)不足也是導(dǎo)致旱災(zāi)損失嚴(yán)重的重要因素。隨著全球極端氣候事件的增多，我國干旱出現(xiàn)的頻率有增長趨勢，且干旱程度日趨加劇。由于人們對(duì)于干旱災(zāi)害的危機(jī)狀況缺少必要的評(píng)估和預(yù)警能力，對(duì)應(yīng)對(duì)災(zāi)害缺乏足夠的心理和物質(zhì)準(zhǔn)備，往往處于被動(dòng)應(yīng)付的地位，常導(dǎo)致無法彌補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)損失。因此，系統(tǒng)全面地認(rèn)識(shí)干旱發(fā)生發(fā)展規(guī)律，掌握識(shí)別區(qū)域旱情演變的方法尤為重要，可為抗旱減災(zāi)應(yīng)急管理和統(tǒng)籌決策提供科學(xué)支撐。

1 干旱演變規(guī)律文獻(xiàn)回顧

干旱一般是長期的現(xiàn)象，而旱災(zāi)卻不同，它只是屬于偶發(fā)性的自然災(zāi)害，甚至在通常水量豐富的地區(qū)也會(huì)因一時(shí)的氣候異?；蚬┧到y(tǒng)的調(diào)配不利而導(dǎo)致旱災(zāi)[5]。因此，要預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，必須對(duì)干旱的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律做深入的探討，通過統(tǒng)計(jì)規(guī)律發(fā)現(xiàn)干旱事件的特征（如發(fā)生時(shí)間、周期、強(qiáng)度、臨界值等等），同時(shí)與眾多相關(guān)自然、環(huán)境要素進(jìn)行相關(guān)分析，識(shí)別誘發(fā)災(zāi)害的關(guān)鍵因子。

國內(nèi)外學(xué)者一直對(duì)干旱規(guī)律（特征）的識(shí)別方法予以充分關(guān)注。其中，最早是由Huff提出了由低雨量頻率及單一地形指標(biāo)組成的雙變量分析法，用以估算枯季流量。Whipple引入站年法進(jìn)行區(qū)域干旱頻率分析，可估算跨年度的水文干旱。Yevjevich引入游程統(tǒng)計(jì)理論分析年干旱事件，并強(qiáng)調(diào)大陸型尺度水文干旱應(yīng)利用其延時(shí)、區(qū)域大小、嚴(yán)重程度、重現(xiàn)機(jī)率與開始或結(jié)束時(shí)間來加以分析。Sen基于隨機(jī)變量理論中的隨機(jī)數(shù)與游程理論，應(yīng)用獨(dú)立且延遲的一階馬可夫過程數(shù)列探討了臨界干旱問題。Dracup等提出了采用長期平均年徑流量描述水文干旱事件與分析區(qū)域干旱頻率的統(tǒng)計(jì)模式。Hirsch提出利用月流量的條件累積機(jī)率分布函數(shù)(CDF)與ARMA(1,1)序列模式聯(lián)合進(jìn)行長期距的年徑流量推估，并應(yīng)用于美國馬里蘭州的Potomac河。Srikanthan基于降雨與徑流數(shù)據(jù)，采用序列繁衍分析，統(tǒng)計(jì)了澳大利亞維多利亞省五個(gè)流域發(fā)生大于一年延時(shí)的干旱平均重現(xiàn)期距。Chang利用不連續(xù)自回歸移動(dòng)平均法開展了極端降雨特性分析；Sen利用二階定常性馬可夫鏈方法探討臨界干旱問題，以提供臨界干旱的機(jī)率分布。Chang利用克利金法進(jìn)行了降雨量區(qū)域化變量分析，以探討干旱的區(qū)域化特性。Bonacci則探討了游程理論、間斷馬可夫與百一分段值法三種方法于干旱分析的應(yīng)用特點(diǎn)。Vijendra Kumar應(yīng)用多重線性回歸模式，分析農(nóng)作物收獲量、降雨量、降雨日數(shù)間的關(guān)系，用以描述農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象。

國內(nèi)研究者關(guān)于干旱成因及其特征規(guī)律的研究，包括溫之平等針對(duì)華南地區(qū)，依據(jù)南海夏季風(fēng)環(huán)流規(guī)律對(duì)華南春旱的形成機(jī)理進(jìn)行了定量研究；臧文斌和阮本清等采用TRMM衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)集對(duì)我國2010年初的氣象干旱進(jìn)行了特征分析；閆峰等采用SPI作為干旱評(píng)價(jià)因子，分析了河北省近50年的干旱時(shí)空分布特征；陳曉楠等從氣象干旱與農(nóng)業(yè)損失的關(guān)系出發(fā)，建立了農(nóng)業(yè)干旱程度評(píng)估指標(biāo)的量化模型，并利用蒙特卡羅模擬方法對(duì)農(nóng)業(yè)干旱程度的概率分布進(jìn)行了研究。

綜合以上分析可知，研究者早期主要采用干旱頻率分析的方法，在識(shí)別干旱過程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)干旱特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和描述。其討論的焦點(diǎn)在于選用何種適宜的指標(biāo)變量作為干旱頻率分析的對(duì)象以及如何避免僅由單個(gè)指標(biāo)變量進(jìn)行干旱頻率分析所產(chǎn)生的局限性等。后期研究則從頻率分布、重現(xiàn)期等慢慢擴(kuò)展到其時(shí)空分布的范疇，重點(diǎn)分析干旱的尺度效應(yīng)。

2 干旱規(guī)律研究的分類

目前，國內(nèi)外有關(guān)干旱規(guī)律的研究主要涵蓋于兩大領(lǐng)域，即干旱概率與干旱時(shí)空分布。兩者有交叉也有不同，干旱概率主要是應(yīng)用概率分析解決干旱事件在時(shí)間尺度上的問題，如干旱重現(xiàn)期、烈度、歷時(shí)以及間隔時(shí)間等。而干旱時(shí)空分布的研究中也有應(yīng)用概率分析的案例，但其更多的是探討頻率或者強(qiáng)度與影響面積之間的定量關(guān)系。

2.1 干旱概率

眾所周知，干旱事件是典型的概率事件，運(yùn)用概率分析理論解譯干旱規(guī)律是認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)干旱事件的一種極為重要的手段，其概率分布特征也是進(jìn)行區(qū)域水資源規(guī)劃與管理的重要依據(jù)。自從Yevjevich提出游程理論以來，大量有關(guān)干旱概率分析的研究成果陸續(xù)涌現(xiàn)出來。按照所采用的概率分析方法可將其劃分為四類，即單變量干旱特征概率分析或干旱參數(shù)重現(xiàn)期估算、二維干旱變量概率分析、基于Copulas的多元干旱變量概率分析以及干旱時(shí)空分析。從中不難發(fā)現(xiàn)，概率統(tǒng)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步不斷豐富著干旱概率的研究途徑，促進(jìn)研究進(jìn)展。

2.2 時(shí)空分布

干旱時(shí)空分布主要指干旱特征（強(qiáng)度、頻率、影響面積以及歷時(shí)）在時(shí)間和空間上的變化格局，是區(qū)域干旱嚴(yán)重等級(jí)區(qū)劃以及干旱識(shí)別與預(yù)測的重要研究基礎(chǔ)。通過對(duì)有關(guān)干旱時(shí)空分布的文獻(xiàn)的整理，可將對(duì)于干旱時(shí)空規(guī)律的研究大體分如下三個(gè)方面：

2.2.1 基于概率理論的干旱時(shí)空分析

該類方法主要是應(yīng)用概率分析方法對(duì)干旱的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究。早期有關(guān)干旱時(shí)空分布特征的研究都是基于這種方法，其重點(diǎn)在于建立干旱“強(qiáng)度-面積-頻率”曲線（SAF）、“強(qiáng)度-延時(shí)-頻率”曲線（SDF）以及“強(qiáng)度-面積-延時(shí)”曲線（SAD）。最早，Tase將總虧缺和最大虧缺強(qiáng)度作為主要干旱指標(biāo)，運(yùn)用隨機(jī)模擬方法計(jì)算了整個(gè)干旱地區(qū)和特定區(qū)域的概率分布。Santos通過干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度以及影響面積等參數(shù)的概率分布，研究了區(qū)域的多年連續(xù)干旱特征。Andreadis等利用網(wǎng)格化的降水和溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合歷時(shí)干旱影響面積與烈度的關(guān)系，構(gòu)建了區(qū)域干旱的SAD曲線，重新認(rèn)識(shí)了1920年～2003年間美國大陸的干旱歷史。Alegria和Watkin基于年際和暖季降水資料，繪制了區(qū)域干旱SDF曲線，對(duì)區(qū)域的干旱頻率及重現(xiàn)期進(jìn)行了深入研究。

2.2.2 基于干旱指標(biāo)的干旱時(shí)空分析

隨著SPI、PDSI等干旱指數(shù)研究的不斷深入，有不少學(xué)者將其引入到區(qū)域干旱的時(shí)空特征分析中。如Soule使用三個(gè)帕爾默指數(shù)（月水分變化指數(shù)ZINX、干旱強(qiáng)度指數(shù)PDSI、水文干旱指數(shù)PHDI）對(duì)不同干旱定義下的美國大陸干旱事件的頻率和歷時(shí)進(jìn)行了研究和對(duì)比。Kim等將PDSI與SAF曲線相結(jié)合，評(píng)估了墨西哥Conchos流域的干旱烈度。Vicente-Serrano使用SPI指標(biāo)分析了一定時(shí)間尺度下研究區(qū)干旱空間格局的差異。曹永強(qiáng)等采用綜合氣象干旱指數(shù)，從干旱強(qiáng)度、干旱持續(xù)時(shí)間和干旱頻率三個(gè)方面對(duì)遼寧省的年季干旱特征進(jìn)行了分析。

2.2.3 基于氣候模式的干旱時(shí)空分析

通過氣候變化與干旱頻率以及時(shí)空變化之間的定量關(guān)系研究，確定氣候變化或氣候模式對(duì)干旱事件的遙驅(qū)動(dòng)機(jī)制。目前關(guān)于氣候模式與干旱頻率之間的研究相對(duì)較多，且已有研究表明區(qū)域尺度的氣象和水文干旱與大尺度大氣環(huán)流異常有直接關(guān)系。而對(duì)于大規(guī)模大氣環(huán)流模式對(duì)干旱在時(shí)間和空間層面的影響則少有研究，有待繼續(xù)加強(qiáng)。

3 結(jié)論

綜合以上分析，可知干旱特征規(guī)律在研究對(duì)象上正從單一的時(shí)間規(guī)律向區(qū)域的時(shí)空展布過渡，更側(cè)重尺度效應(yīng)的研究。然而在研究中，筆者也發(fā)現(xiàn)干旱特征規(guī)律的研究主體多為干旱事件本身或與其相關(guān)的氣象水文因子，但對(duì)影響干旱走向的下墊面條件、人類活動(dòng)等影響因素以及不同因子間的轉(zhuǎn)化關(guān)系考慮較少，缺乏對(duì)干旱規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。特別是近幾年，受氣候變化影響，一些有關(guān)干旱規(guī)律研究的新問題尤其值得關(guān)注：（1）受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，氣象水文因子序列發(fā)生變異，其與干旱事件或特征的響應(yīng)關(guān)系也將受到影響，如何解決變異條件下的干旱規(guī)律識(shí)別問題；（2）干旱過程是一個(gè)多因子驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜過程，單獨(dú)從某一個(gè)指標(biāo)或某一個(gè)方面研究干旱發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律已不再合適，必須從干旱事件的物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制入手開展研究；（3）人類活動(dòng)是干旱事件的重要驅(qū)動(dòng)成分，以往的規(guī)律分析中多以自然規(guī)律為主，而在人類活動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)烈的今天，這樣的方法已不再適宜，那么如何在干旱的時(shí)空分布規(guī)律中體現(xiàn)或量化人類活動(dòng)的影響。