氣象與農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)研究進(jìn)展

李偉光， 劉少軍， 侯美亭， 韓 靜， 陳小敏

(1.海南省氣候中心，?？?570203； 2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203； 3.海南省氣象科學(xué)研究所，?？?570203； 4.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081)

引 言

干旱是世界上最主要的自然災(zāi)害之一，它影響著人類活動的各個方面。世界氣象組織(WMO)統(tǒng)計(jì)表明，干旱災(zāi)害占?xì)庀鬄?zāi)害的50%左右,造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他氣象災(zāi)害[1]。在我國干旱災(zāi)害發(fā)生頻次約占總災(zāi)害頻次的1/3,為各項(xiàng)災(zāi)害之首[2]。農(nóng)業(yè)是人類經(jīng)濟(jì)行業(yè)中需水量最大的行業(yè)，也是最易受干旱影響的行業(yè)。對我國來說，需要用地球上7%的土地養(yǎng)活全球20%的人口，耕地的復(fù)種指數(shù)遠(yuǎn)較其他國家的高，單位面積農(nóng)田需水量更多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的干旱脆弱性也就更高[3]。我國農(nóng)業(yè)平均每年受災(zāi)面積占播種面積的1/3，其中一半以上遭受干旱災(zāi)害[4]。

伴隨著氣候變化，地表溫度升高，熱量資源增加，作物適宜生育期延長及其帶來的農(nóng)田蒸散量的增加，都將加劇干旱發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度[5]。人口持續(xù)增多，生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，能源和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會經(jīng)濟(jì)用水量的成倍增長等，加劇了對地表水資源的爭奪。另外，水質(zhì)污染、地下水的過量開采都將加重干旱帶來的農(nóng)業(yè)損失。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策部門和普通農(nóng)戶迫切需要準(zhǔn)確監(jiān)測和評估干旱給生產(chǎn)帶來的損失。

1 干旱的復(fù)雜性

干旱是最常見的自然災(zāi)害，也是最復(fù)雜的自然災(zāi)害。不同行業(yè)的人所理解的干旱內(nèi)涵也不盡相同。首先是干旱定義的復(fù)雜性。世界氣象組織將干旱定義為長期地、持續(xù)地缺乏降水[6]；聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)則定義為作物由缺水導(dǎo)致的產(chǎn)量損失[7]。世界氣象組織對干旱的定義側(cè)重降水的缺少，但它沒有明確區(qū)分氣候上的干燥與異常天氣造成的持續(xù)降水偏少，所以在評價不同區(qū)域(比如沙漠和濕潤區(qū))干旱程度時可能引起曲解。聯(lián)合國糧農(nóng)組織從影響的后果定義干旱，引入了作物不缺水時的產(chǎn)量這一無法直接測量的變量，所以很難準(zhǔn)確測定。此外，還有一些其他的定義，其中最著名的定義是Palmer在1959年提出的“干旱是指一個區(qū)域水文條件明顯偏離常態(tài)”[8]。Palmer這個思想后來被McKee[9]、Vicente-Serrano[10]等科學(xué)家吸收，并廣泛傳播。Palmer從偏離常態(tài)的角度進(jìn)行定義干旱，優(yōu)點(diǎn)是排除了不同區(qū)域水文條件的差異，利于不同區(qū)域間比較，這種思想也被越來越多的行業(yè)指標(biāo)所接納。問題是對于干旱開始的標(biāo)志、持續(xù)的時間仍然是模糊的。干旱的發(fā)生是緩慢而遞進(jìn)的，所以很難界定它的開始時間。通常的解決方法是設(shè)定一個固定的閾值[11]，但這個閾值會隨著區(qū)域的不同或者季節(jié)的不同而變化，很難用一個統(tǒng)一固定的數(shù)值準(zhǔn)確界定干旱的開始和持續(xù)時間。并且干旱帶來的損失難以用一個干旱指數(shù)來反映。干旱損失或旱災(zāi)的大小不僅與干旱指數(shù)大小有關(guān)，而且與干旱持續(xù)時間有關(guān)；另外它們之間的關(guān)系是非線性的[12]，干旱指數(shù)每變化一個單位，干旱損失就可能增加幾倍。

農(nóng)業(yè)干旱是尤為復(fù)雜的一種干旱。首先農(nóng)業(yè)干旱的對象是農(nóng)作物，農(nóng)作物生產(chǎn)深受人類活動和環(huán)境條件的影響，最終產(chǎn)量波動(災(zāi)損)是生產(chǎn)者主動活動和自然環(huán)境客觀波動共同作用的結(jié)果。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物栽培布局、栽培制度、品種選擇及管理措施等人類活動，決定了產(chǎn)量對天氣環(huán)境波動的敏感性，使產(chǎn)量面對自然災(zāi)害的損失程度不同。其次，農(nóng)業(yè)干旱有兩種空間尺度，農(nóng)田尺度和區(qū)域尺度[13]。農(nóng)田尺度較小，氣候條件相似、作物類型品種接近、發(fā)育期相近、管理措施相同，表征干旱的指數(shù)可以直接測量或計(jì)算；區(qū)域尺度范圍大，氣候條件、土壤類型、作物品種、生長發(fā)育、管理措施等均存在一定程度的時空差異，表征干旱的參數(shù)或指數(shù)只能通過抽樣或代表站統(tǒng)計(jì)間接而來。若將農(nóng)田尺度建立的模型簡單移植到區(qū)域尺度的干旱監(jiān)測或評估，會產(chǎn)生較大誤差。第三，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)田耗散水的來源比較復(fù)雜。農(nóng)田耗散水的來源有自然降水、江河水庫灌溉用水及地下水補(bǔ)給；而且農(nóng)田耗散水除蒸散外還會滲漏一部分，而滲漏量比例會隨不同地塊土壤的持水能力不同而差異較大；另外當(dāng)不同作物用水發(fā)生爭奪時，農(nóng)民往往選擇灌溉經(jīng)濟(jì)收益較高的經(jīng)濟(jì)作物而不灌溉糧食作物。鑒于這些原因，固定或者不合理的供水子系統(tǒng)(前期降水)設(shè)置將導(dǎo)致干旱監(jiān)測分析的失真。第四，在評估農(nóng)業(yè)減產(chǎn)損失時難以區(qū)分干旱和其他災(zāi)害影響損失。作物生長受多種環(huán)境因素制約，當(dāng)生長季內(nèi)遭受兩種以上災(zāi)害時，很難區(qū)分各自損失。例如，干旱往往伴隨著高溫，在產(chǎn)量形成時可能出現(xiàn)熱害或者干熱風(fēng)災(zāi)害，此時將這些產(chǎn)量損失劃為干旱還是熱害或者干熱風(fēng)都將影響最終結(jié)果。

盡管干旱和農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系及區(qū)分細(xì)節(jié)極其復(fù)雜，但各行業(yè)生產(chǎn)者和決策者仍都需要一個簡單有效的指數(shù)來指導(dǎo)生產(chǎn)和決策。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者需關(guān)注農(nóng)田尺度當(dāng)前和未來一段時間可支配水資源對作物的滿足情況，而政府決策者和糧油貿(mào)易商則關(guān)注區(qū)域尺度內(nèi)對總體產(chǎn)量的影響程度。為此國內(nèi)外科學(xué)家設(shè)計(jì)了許多紛繁復(fù)雜的干旱指數(shù)來量化干旱。更加準(zhǔn)確合理的干旱指數(shù)對表征當(dāng)前干旱程度和影響程度，對促進(jìn)決策者進(jìn)行有效的水資源管理從而減少農(nóng)業(yè)損失、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義。

2 干旱指數(shù)的發(fā)展與適用性

由于干旱影響的范圍十分廣泛，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、水文、氣象等科學(xué)家從不同的角度對此展開了深入的研究，設(shè)計(jì)了一系列干旱指數(shù)來量化干旱。從應(yīng)用行業(yè)來看，干旱指數(shù)可以分為氣象干旱指數(shù)、農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)、水文干旱指數(shù)和社會經(jīng)濟(jì)干旱指數(shù)。本文僅針對前兩種進(jìn)行介紹。

2.1 氣象干旱指數(shù)

氣象干旱指數(shù)由于其數(shù)據(jù)記錄的標(biāo)準(zhǔn)化，長期以來受到各行業(yè)使用者的歡迎，被視為其他行業(yè)干旱指數(shù)的基礎(chǔ)[12]，甚至被修訂后代用。氣象干旱指數(shù)的發(fā)展過程和設(shè)計(jì)理念大致可以分為以下四類。

2.1.1 早期干旱指數(shù)

早期氣象資料記錄時間較短，難以獲取其他地區(qū)氣象資料，這時的干旱指數(shù)一般依靠單站氣象資料，主要為降水量，進(jìn)行計(jì)算。這個時期的干旱指數(shù)以連續(xù)無雨日數(shù)[12]、不同時間尺度降水距平或累計(jì)降水距平、氣候干燥度等簡單指數(shù)為主。這類干旱指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是意義明確，局地適用性好，容易被使用者理解和接受，應(yīng)用非常廣泛，即使是現(xiàn)在也是應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)。但這類干旱指數(shù)存在以下兩個方面的問題：第一，這類干旱指數(shù)往往以當(dāng)?shù)厍闆r建立指標(biāo)，不同地區(qū)、季節(jié)氣象條件變異大，建立的指標(biāo)也不同。例如，英國連續(xù)15 d降水<0.25 mm(或1.0 mm)定義為干旱開始，印度將一周降水量為常年值一半以下定義為干旱開始，而俄羅斯將連續(xù)10 d總降水量<5 mm[12]定義為干旱開始。第二，這類干旱指數(shù)僅關(guān)注了地表水分平衡的輸入項(xiàng)，未涉及耗散輸出項(xiàng)，對地表水分收支平衡沒有反映[12]。這兩個方面就導(dǎo)致這類指數(shù)不能用于不同地區(qū)或不同季節(jié)間干旱程度的比較。

2.1.2 Palmer干旱指數(shù)(PDSI)

Palmer干旱指數(shù)是干旱指數(shù)發(fā)展的里程碑，由Palmer 在1965年提出。它從地表水分平衡的概念出發(fā)，考慮當(dāng)月降水相對該月氣候適宜降水量的異常及前一月異常的累積效應(yīng)[9]。由于最初的Palmer指數(shù)是基于9個氣候區(qū)以年為單位的資料設(shè)計(jì)的干旱指數(shù)，致使它不具有空間和不同月份之間的可比性，故許多科學(xué)家訂正了更適應(yīng)當(dāng)?shù)氐腜DSI[14]。Wells建立的自適應(yīng)PDSI(Self-calibrating PDSI)，通過動態(tài)校正指數(shù)計(jì)算中的經(jīng)驗(yàn)因子和氣候權(quán)重系數(shù)[15]，使得該指數(shù)空間可比性提高。目前，由于Palmer干旱指數(shù)可以較好地監(jiān)測區(qū)域干旱程度[16]，并且對溫度的響應(yīng)比較靈敏，是公認(rèn)較好的干旱指標(biāo)。但是PDSI仍然存在一定的局限性，比如計(jì)算過程中需要確定土壤的持水量、時間尺度單一等，參數(shù)難以向區(qū)域外推廣[17]。當(dāng)用于我國這種幅員遼闊、臺站稀少、地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大范圍干旱監(jiān)測時，會受參數(shù)選取和統(tǒng)一等因素制約。

2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)化的干旱指數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)化的干旱指數(shù)以Mckee 1993年提出標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)為標(biāo)志[9]。SPI可以計(jì)算不同時間尺度的降水來反映不同水資源變化[18-19]。在SPI計(jì)算中，一般假設(shè)降水服從Γ分布，先求出月以上尺度降水量的分布概率，然后正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化而得。與此類似的還有Z指數(shù)，它假設(shè)某時段的降水量服從Person Ⅲ型分布,后對降水量進(jìn)行正態(tài)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)是基于歷史上年內(nèi)同時段降水量呈偏態(tài)分布的事實(shí)，然后進(jìn)行正態(tài)化，將降水量轉(zhuǎn)化成了該降水量偏離常態(tài)的程度。由于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)需水量是對當(dāng)?shù)亟邓L期適應(yīng)的結(jié)果，降水量越少越罕見，造成的干旱危害越大。從水分平衡來看，溫度和降水共同影響干旱，PDSI中兩者對干旱指數(shù)波動具有相近的貢獻(xiàn)率[16]。SPI未考慮溫度對干旱的強(qiáng)化作用，在評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時，考慮水分平衡的PDSI比只考慮降水的SPI更具有敏感性[20]。Sergio 2010年提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)解決了這一問題[21]。SPEI集合了以上兩個指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既融合了降水和溫度對于區(qū)域干旱的影響，同時具有多時間和多空間尺度的特性，因此可以對某一區(qū)域旱澇分布情況進(jìn)行分析。SPEI不僅考慮了與干旱直接相關(guān)的降水條件的影響，同時也考慮了溫度波動對干旱程度的影響，這樣比單純考慮降水的SPI、Z指數(shù)及降水距平指數(shù)等對干旱的反映具有更強(qiáng)的實(shí)際意義。SPEI計(jì)算方便，需要的氣象數(shù)據(jù)容易獲得，不像常用的PDSI和CWDI一樣需要大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)輸入和模型運(yùn)算。SPEI計(jì)算過程中構(gòu)建了簡單的降水蒸散模型，增強(qiáng)了指數(shù)的機(jī)理性，消除了地域、植被、地形等差異對指數(shù)的影響，因此非常適合全球變暖背景下區(qū)域干旱變化趨勢的監(jiān)測。不論是SPI還是SPEI，都存在一個時間分辨率不夠精細(xì)的問題，通常只能適用于月以上的監(jiān)測尺度。這一方面是由于短時期(月以下)降水量的分布概率用反演函數(shù)(Gamma或 log-logistic)擬合效果較差[22-23],另一方面是強(qiáng)行應(yīng)用到逐日滾動監(jiān)測時會出現(xiàn)由于強(qiáng)降水滑出計(jì)算窗而導(dǎo)致干旱指數(shù)不合理跳躍的問題[24-25]。

2.1.4 綜合氣象干旱指數(shù)類

這類指數(shù)往往是多種干旱指數(shù)的組合或根據(jù)使用目的訂正的氣象干旱指數(shù)。比較有代表性的有基于供水關(guān)系的作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)[26]、有效水含量指數(shù)、缺余水量指數(shù)等[27]，以及基于Palmer干旱指數(shù)的CMI等。目前，國家氣候中心用于全國干旱監(jiān)測的綜合氣象干旱監(jiān)測指數(shù)(CI、MCI)就是這類。該指數(shù)為加權(quán)計(jì)算30天、90天標(biāo)準(zhǔn)化降水及30天的相對濕潤度指數(shù)。前期降水的加權(quán)處理消除了綜合氣象干旱指數(shù)(CI)逐日監(jiān)測時的不合理跳躍，并利用作物系數(shù)Kc來增強(qiáng)反映農(nóng)業(yè)干旱的能力。該指數(shù)設(shè)計(jì)合理，既保留了反映氣候干燥程度的相對濕潤度指數(shù)項(xiàng)，又含有反映不同時間內(nèi)降水偏離常態(tài)的項(xiàng)；但在空間干旱監(jiān)測方面，需要人為根據(jù)地區(qū)和季節(jié)設(shè)置作物系數(shù)Kc，存在一定主觀性[28]。

氣象干旱指數(shù)還有很多，比如下次降水平均等待時間(AWTP)[29]、有效降水[30]及一些綜合或修訂的干旱指數(shù)[31-32]，都能從不同角度反映干旱狀況。

2.2 農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)

農(nóng)業(yè)上一般通過災(zāi)損來評價災(zāi)害嚴(yán)重程度，但這種結(jié)果評價法不利于調(diào)整生產(chǎn)措施以減輕災(zāi)害損失。因此為及時監(jiān)測或評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對干旱的反映，不同層次土壤水分、農(nóng)田供水、生理狀態(tài)等農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)被開發(fā)出來，主要有三類。

2.2.1 土壤水分指數(shù)類

這類指數(shù)是農(nóng)業(yè)干旱中最具有物理意義且應(yīng)用最廣泛的干旱指數(shù)，主要有土壤重量含水量、體積含水量、相對濕度、有效水分儲量等。這類指數(shù)從土壤供水的角度分析干旱，當(dāng)土壤中的水分能夠滿足作物蒸騰需要時即認(rèn)定為沒有干旱發(fā)生；當(dāng)其不能滿足作物蒸騰需要，開始影響作物正常生理生化過程，進(jìn)而影響產(chǎn)量時為干旱開始。作物對土壤水分的需求隨發(fā)育期不同而變化，以播種期、水分臨界期和作物需水關(guān)鍵期影響最大。隨著對干旱認(rèn)識的增強(qiáng)，確定了一系列作物的土壤水分指標(biāo)，如適宜含水量、凋萎含水量等指標(biāo)，并從單純的土壤水分指數(shù)發(fā)展出土壤水分距平、作物水分供需差等指數(shù)，開發(fā)出土壤水分模型、動態(tài)模擬土壤水分模型[33]。總之，土壤水分指數(shù)是非常理想的農(nóng)田尺度的農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)。但土壤水分受地表作物、土壤類型、周圍地形地勢影響，在空間上變異較大，觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)代表范圍往往較小，僅依靠幾個測點(diǎn)反映區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱往往帶來較大偏差。

為開展氣象為農(nóng)服務(wù)，中國氣象局從2009年開始了土壤水分自動化觀測站點(diǎn)建設(shè)，截至2017年底，已有2038個站點(diǎn)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。全國土壤水分自動觀測網(wǎng)的建成，實(shí)現(xiàn)了全國范圍農(nóng)田干旱程度監(jiān)控、干旱預(yù)警等功能，為科學(xué)灌溉和高效利用水資源奠定了基礎(chǔ)，大大提高和改進(jìn)了農(nóng)業(yè)氣象觀測水平和農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)能力。

2.2.2 作物生理生態(tài)指數(shù)類

這類指標(biāo)反映了干旱對作物生理生態(tài)的影響，如作物形態(tài)指標(biāo)、葉片水勢、氣孔導(dǎo)度、傷流量、冠層溫差、蒸騰速率等。水分是植物進(jìn)行生理活動的基礎(chǔ)，一旦缺水將迅速影響植物生理、生化、生態(tài)活動。植物生理活動的變化會通過植株形態(tài)反映出來，比如萎蔫、葉片失綠等。但作物形態(tài)指標(biāo)只能定性，不易量化，判識主觀性強(qiáng)，難以比較，而且形態(tài)上出現(xiàn)干旱時，作物生長發(fā)育已經(jīng)受到較嚴(yán)重的影響，這類作物形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)滯后性，一般很難在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用[34]。為此一系列定量植物生理活動的指標(biāo)如葉片水勢、氣孔導(dǎo)度、傷流量等被用來反映作物受旱程度。這些指標(biāo)往往依靠儀器設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室測定，數(shù)據(jù)的一致性受作物種類及氣象環(huán)境的影響，難以大范圍橫向或縱向比較?？傊@類指標(biāo)指數(shù)非常直觀，符合人類認(rèn)識事物的基本規(guī)律，能夠直接反映作物受影響的程度及干旱解除時的恢復(fù)能力，但與上一類指數(shù)一樣，屬于田間尺度的干旱指數(shù)，在區(qū)域范圍內(nèi)準(zhǔn)確性依賴于觀測站點(diǎn)的代表性，難以進(jìn)行時間、空間比較[35]。

2.2.3 衛(wèi)星遙感干旱指數(shù)類

這類指數(shù)根據(jù)監(jiān)測的對象又可以分為4種：一是通過微波(SAR)或者熱慣量來估測土壤水分，如垂直干旱指數(shù)(PDI)、表觀熱慣量(ATI)、微波反演土壤水分等[36]，這些指標(biāo)比較適用于裸露的土地[37-38]；二是通過監(jiān)測植被指數(shù)的偏差來表征作物形態(tài)或長勢[38-39]，如植被指數(shù)距平(AVI)、植被條件指數(shù)(VCI)等，這些適用于植被覆蓋地區(qū)；三是利用植被含水量對短波紅外波段非常敏感的特征直接反映植被含水量，比如短波紅外垂直失水指數(shù)(SPSI)、歸一化差異水分指數(shù)(NDWI)等[26]；四是通過監(jiān)測冠層溫度的變化來反演植物受干旱脅迫的程度，如條件溫度植被指數(shù)(TCI)、歸一化溫度指數(shù)(NDTI)及結(jié)合溫度與植被指數(shù)的作物水分虧缺指數(shù)(CWSI)、水分虧缺指數(shù)(WDI)、溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)等。衛(wèi)星遙感干旱指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是具有非常好的空間分辨率[40-41]，可以實(shí)現(xiàn)一段時間和一定空間上的連續(xù)性監(jiān)測；缺點(diǎn)是建立的各種反演模型中的參數(shù)在不同季節(jié)和地區(qū)不夠穩(wěn)定，反演模型受其他因素影響比較大，不能區(qū)分其他因素造成的地物特征變化。另外，由于云的遮擋、采樣頻率等問題，時間分辨率精度不高[5,42]。GRACE衛(wèi)星通過測量全球重力場時間變化信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對陸地水儲量變化的監(jiān)測，極大程度地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)SAR遙感衛(wèi)星只能反演地表幾個厘米厚的土壤濕度的不足[43]。GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得的地下水儲量、蒸散量和土壤濕度等參量與實(shí)測數(shù)據(jù)有較好的一致性，很好地補(bǔ)充了地面觀測之不足,但其缺點(diǎn)是空間分辨率較低[44]。

2.3 氣象與農(nóng)業(yè)干旱的聯(lián)系與區(qū)別

雖然氣象干旱是產(chǎn)生農(nóng)業(yè)干旱的原因，氣象干旱往往伴隨著不同程度的農(nóng)業(yè)干旱，兩種干旱指數(shù)也可以在一定程度上代用，但是兩種干旱的側(cè)重點(diǎn)是不同的。

首先，氣象干旱更多地關(guān)注當(dāng)?shù)厮制胶馄x常態(tài)的程度，所以氣象干旱指數(shù)時間監(jiān)測尺度一般為月以上。農(nóng)業(yè)干旱則更注重當(dāng)?shù)亟邓蛲寥拦┧芰εc作物需求的差值。從兩者發(fā)生的先后順序上來說，一般會有時滯，氣象干旱先發(fā)生，隨后土壤水分減少，導(dǎo)致植物根系不能獲取足夠的水分進(jìn)而產(chǎn)生農(nóng)業(yè)干旱。另外，在水分敏感期，隨著作物的快速生長，作物對水分的需求迅速增加，需水量與土壤供水能力的差值也加大，這就要求農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)具有較高的時間分辨率。

其次，在氣象干旱指數(shù)中，蒸散的計(jì)算方式對干旱指數(shù)的波動貢獻(xiàn)較小[45]，但在農(nóng)業(yè)干旱中蒸散估算的偏差會導(dǎo)致對作物需水量估算的不準(zhǔn)確。另外由于作物不同發(fā)育期作物系數(shù)的不同會對農(nóng)田蒸散產(chǎn)生更大偏差[46-47]，所以在農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)設(shè)計(jì)中，蒸散的準(zhǔn)確估算顯得尤為重要。

第三，我國大部分地區(qū)屬于季風(fēng)氣候，雨熱同季，春季溫度上升較快而同期降水較少，溫度已經(jīng)適宜作物生長，降水卻成為制約作物生長的限制因子，所以我國很多地方有十年九旱之說。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)及廣義極值分布干旱指數(shù)(GEVI)都是利用概率分布函數(shù)對降水或降水蒸散差進(jìn)行擬合，取不同重現(xiàn)期對應(yīng)的指數(shù)值作為干旱的閾值。所以這類指數(shù)在不同地區(qū)、不同季節(jié)干旱發(fā)生頻率一致，這在一定程度上限制了氣象干旱指數(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。

3 發(fā)展與展望

由于土壤和作物水分狀況測量工作量大，費(fèi)時費(fèi)力，且觀測站在表征區(qū)域干旱狀況時的代表性差，所以決策者和科學(xué)家們希望尋求一種簡便的方法來表征干旱。雖然僅僅依靠氣象干旱指數(shù)不能給出農(nóng)業(yè)干旱的精確時段和強(qiáng)度概念，但在監(jiān)測與評估區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱時，修訂的氣象干旱指數(shù)仍然是當(dāng)前最簡便且有效的手段。用來反映農(nóng)業(yè)干旱的理想干旱指數(shù)應(yīng)該具有以下三個特點(diǎn)。

一是應(yīng)具備良好的時間空間分辨率。由于干旱的發(fā)生是緩慢的，但是在作物生長的關(guān)鍵期干旱的致災(zāi)又是迅速的，所以好的干旱指數(shù)應(yīng)該具有良好的時間分辨率。水資源的管理者和決策者需要從宏觀上考慮干旱的程度，農(nóng)田尺度的干旱往往以點(diǎn)帶面，給決策者造成片面認(rèn)識，良好的干旱指數(shù)應(yīng)具備區(qū)域、農(nóng)田尺度的適應(yīng)性。

二是能夠反映農(nóng)田供水和蒸散的平衡。中國大約有一半的農(nóng)田屬于灌溉農(nóng)田，灌溉水的來源有地下水、地表蓄水等。在干旱指數(shù)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮不同空間或者時間尺度上灌溉水分對當(dāng)前農(nóng)田蒸散的補(bǔ)充作用。

三是理想的干旱指數(shù)在區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)具有相對穩(wěn)定的閾值來識別干旱，從而測定干旱持續(xù)時間、極端強(qiáng)度、累積強(qiáng)度，這3項(xiàng)特征是準(zhǔn)確評估生產(chǎn)損失的關(guān)鍵。

為滿足農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測要求，干旱指數(shù)設(shè)計(jì)需融合氣象和遙感數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)源上滿足干旱監(jiān)測對時間和空間分辨率的要求；基于致旱機(jī)理，也就是從降水或土壤供水能力與作物需水量(農(nóng)田蒸散)的直接矛盾著手。目前陸表真實(shí)蒸散的遙感反演算法已相對成熟，相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性已經(jīng)能夠滿足干旱監(jiān)測需求，可嘗試?yán)闷涑晒娲鷧⒖甲魑镎羯㈤_展干旱指標(biāo)研究。

干旱具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，用單一的干旱指數(shù)指標(biāo)很難反映不同地區(qū)、季節(jié)干旱的本質(zhì)特征[48-49]。因此，各地可對不同對象、不同時期設(shè)計(jì)適合當(dāng)?shù)氐母珊抵笖?shù)指標(biāo)，準(zhǔn)確、迅速地反映當(dāng)?shù)馗珊档奶卣骱陀绊憽?/p>