2.1　干旱分类与旱情监测

2.1.1　干旱分类

作为一种自然现象，干旱的发生发展过程均存在于一定的时空范围内。以水循环过程为时间轴线，研究区域(流域)的水循环过程发生水分亏缺，其相应的水循环阶段即会引发干旱。而且，上一个水循环环节的水分亏缺会影响到下一个环节的循环过程，每个环节都会随水循环的进程而产生交互影响。由于干旱的发生悄无声息，起止时间较难界定，干旱强度也很难被准确监测，到目前为止，干旱尚无统一准确的定义[1，2]。干旱根据受旱机制的不同分为气象干旱、水文干旱、农业干旱、社会经济干旱以及生态干旱[3，4]。气象干旱主要指持续一段时间的降水亏缺现象;农业干旱是指在农作物生长发育过程中，因降水不足、土壤含水量过低或作物得不到适时适量的灌溉，致使供水不能满足农作物的正常需水，而造成农作物减产;水文干旱是指由于气候变化和人类活动引起的地表和地下水资源量在一定程度上的减少;社会经济干旱则是指当水分供需不平衡，水分供给量小于需求量时，正常社会经济活动受到水分条件制约影响的现象。

随着全球变化研究的深入，越来越多的研究开始关注干旱对大区域生态系统的影响[5]。当一个区域长期干旱少雨又缺少灌溉水源时，生态系统生产者会呈现出生长不良和枯萎等旱象，即引发生态干旱[4，6]。具体来说，生态干旱是指由于供水受限、蒸散发大致不变导致的地下水位下降、物种丰富度下降、群落生物量下降以及湿地面积萎缩的旱象[7，8]。生态干旱是各类干旱中最复杂的一个，涉及气象、水文、土壤、植被、地理和社会经济等各个方面的因素，气象干旱、水文干旱和社会经济干旱在一定程度上均可能引发生态干旱。生态干旱直接影响生态系统的功能和结构，严重时会对生态系统产生毁灭性的破坏。但目前生态系统干旱研究比较少[9，10]。

在几类干旱中，气象干旱最直观的旱象表现在降水量的减少、蒸发量增大，与研究区域的气候变化特征紧密相关;农业干旱主要与前期土壤湿度，作物生长期有效降水量、作物需水量、灌溉条件以及种植结构有关;水文干旱是一种持续性的、区域性河川径流量和水库蓄水量较于正常年或多年平均值偏少、难以满足自然和社会需水要求的水文现象;社会经济干旱(工业服务业):是由于经济、社会的发展需水量日益增加，区域可供水不足影响生产、生活等活动。其指标常与一些经济商品的供需联系在一起，如建立降水、径流和粮食生产、工业损失产值(发电量)、服务业产值(航运、旅游效益)以及生命财产损失等关系[11]。农业、水文和社会经济干旱更关注人类和社会方面造成的影响，生态干旱则是人类关注对自己赖以生存的环境所产生的影响。

几种类型干旱之间既有联系，也有区别。气象干旱是其他类型干旱发生发展的基础。由于农业、水文、社会经济和生态干旱的发生同时受到地表水和地下水供应的影响，其频率显著小于气象干旱。当气象干旱持续一段时间，才有可能引发农业、水文干旱，并随着干旱的逐渐演进，可能诱发社会经济、生态干旱从而造成严重的后果。若长时间降水偏少后气象干旱发生，则农业干旱发生与否要取决于气象干旱发生的时间、地点、灌溉条件及种植结构等条件。通常，在气象干旱发生几周后，土壤水分出现亏缺，农作物、草原和牧场才会表现出来一定的旱象。持续数月的气象干旱会导致江河径流、湖泊、水库以及地下水位下降，从而引发水文干旱。水文干旱是各种干旱类型的过渡表现形式，是气象和农业干旱的延续，水文干旱的发生意味着水分亏缺已经十分严重。当水分短缺影响到人类生活或经济生产需水时，就发生了社会经济干旱。并且一旦发生了严重的水文干旱，必然引发社会经济干旱或生态干旱。水文干旱的压力累进到一定程度必然转移干旱的风险，作用于社会经济和生态系统承灾体。而且地表水与地下水系统水资源供应量受其管理方式的影响，使得降水不足与主要干旱类型的直接联系降低。同样，滞后若干时间后水文干旱的发生也存在一定发不确定性;农业干旱发生时气象干旱和水文干旱未必一定发生，但是发生了农业干旱则一定发生社会经济干旱，生态干旱在一定程度也会诱发。由于农业生态系统是人工化的生态系统，因此农业干旱在一定程度上也属于生态干旱的范畴。自然植被的干旱抵抗能力强于农业植被，但是发生严重干旱时，通过人类活动取水灌溉将有限的水资源应用于农业，会使自然植被生长受到影响，从而引发生态干旱(尤其在有灌溉条件的区域)。发生严重水文干旱时，社会经济和生态干旱发生的风险增高。水文干旱是联系气象干旱、农业干旱、社会经济和生态干旱的纽带。因此社会经济、生态干旱与农业干旱存在着包含关系，而社会经济干旱与气象、水文干旱并不存在包含关系。例如，在发生气象干旱后，假如能及时为农作物提供灌溉，或采取其他农业措施保持土壤水分，满足作物需要，就不会形成农业干旱。但在灌溉设施不完备的地方，气象干旱是引发农业干旱的最重要因素。气象、农业、水文及社会经济干旱都有可能直接引发生态干旱，造成草地枯黄、森林死亡。然而，随着社会经济的快速发展，人类需水量日益增加，高强度的取水可能会引发水文干旱。而且，在社会经济用水优先的管理模式下，当人类生活生产用水严重挤占生态用水时，会直接引发生态干旱。社会经济干旱发生时，不一定发生气象、水文干旱，在工业用水优先的前提下必然发生农业和生态干旱。生态干旱发生时，说明农业、水文和社会经济干旱必然发生，气象干旱有可能发生，也有可能不发生。各干旱类型之间的相互关系见图2.1。综上所述，不同类型干旱之间密切关联，其各自的发生时间、持续时间和发生强度等干旱特征在随着干旱持续发展的过程中都遵循一定的规律，因此，开展不同时段的干旱发展特征科学监测有利于及时掌握干旱发展态势，对于区域干旱综合管理具有重要意义。

图2.1　各干旱类型之间关系图

2.1.2　旱情监测指标内涵

旱情指标是刻画干旱程度、持续时间、空间范围的数值度量，表征某一地区干旱严重程度的变量或标准，用于对干旱造成的影响进行定量化评估，是开展干旱监测、预测、预警、评估和进一步开展旱灾研究的基础[12]。干旱等级就是将不同旱情指标转化为可以公度的用以衡量早情严重程度的定量分级，是不可以公度的干旱指标的归一化表征，具有量度、对比和综合分析旱情的作用，具体描述见表2.1[13]。

表2.1　不同等级干旱及其旱象

续表

目前，由于干旱自身的复杂特性和对社会影响的广泛性，多数旱情指标建立在特定的地域和时间范围内，不同区域干旱指标差异很大，而且具有特定的时空尺度。干旱评估指标决定了旱情指标用来反映干旱的时空特性，但由于不同地区农业生产条件差别很大，受旱的原因和造成的危害也各不相同，且受气候、地形地质、水资源条件和农业生产状况等多种因素影响。为了更加深刻地认识和准确评估干旱的发展动态及其影响，国内外众多专家学者对干旱的强度等级等指标进行了广泛而又深入的研究。虽然各种定义的表述不尽相同，但是这些定义中都包含有干旱的核心内容即水分缺乏[5]。一般而言，合理的干旱指标首先应该能够精确地描述干旱的强度、范围和起止时间;其次，指标应该包含明确的物理机制，充分考虑降水、蒸散发、径流、渗透以及土壤特性等因素对水分状况的影响;最后，指标的实用性也是关系到它能否被广泛应用的关键。在全球、区域尺度等普遍应用的旱情指数有帕尔默干旱指数(palmer drought severity index，PDSI)、地表供水指数(surface water supply index， SWSI)、标准化降雨指数(standardized precipitation index，SPI)等。

由于干旱具有随机性、不确定性、动态性等多维特征，干旱的度量是比较困难的，其发生发展乃至结束时间是模糊不清的。由于干旱的复杂性与差异性，客观判断和评估干旱事件的时空分布特征至关重要。通常，干旱采用严重(缺水)程度、持续时间和影响面积三维特征进行衡量。因此，一次干旱事件可采用干旱严重程度、持续时间和影响面积等特征变量进行量化表征。一般，通过构建某一干旱指数进行干旱识别，再依据干旱指数的阈值水平划分确定干旱事件的起止时间、持续时间、干旱强度、干旱面积等特征变量(图2.2)[14-16]。以SPI干旱指数为例，一个干旱事件可以从以下特征进行描述:①干旱开始时间(t b):表示水资源短缺时期的开始，即干旱的开始。②干旱终止时间(t e):表示水资源短缺达到最严重的时候，并得到较大程度的缓解，干旱状况不再持续发展。③干旱持续时间(Duration，D d):以年、月、周、日等不同时间尺度表达持续时间(干旱起始和终止之间的时间间隔)，在此期间干旱特征参数连续低于临界水平，也是反映旱情的一个重要指标。④干旱严重程度(S d:阴影面积):它表示累计水分亏缺程度(低于临界水平)的干旱参数，是反映干旱导致某地区的缺水程度，是用于描述一场干旱的主要旱情指标之一。⑤干旱强度(I d):它是低于临界水平的平均值，它是干旱严重程度与干旱持续时间的比值。干旱过程内所有持续时间的SPI指数为轻旱以上的干旱等级之和，其值越小干旱过程越强。⑥影响面积(Area:A1、A2、A3):通常将干旱涉及(影响)的最大范围(面积)，干旱面积是反映旱情重要指标之一。依据高精度格点的水文气象与遥感资料建立全球或区域的海-陆-气格点空间分布数据集，识别干旱发生空间范围。设置面积阈值，提取包含干旱发生范围的干旱事件。

图2.2　不同等级干旱事件的识别