干旱特征与演变

1　绪　论

1．1　问题提出

近年来，随着全球气候变暖以及用水需求的不断增加，地处全国内陆干旱区的塔里木河域水资源匮乏的问题越来越严重，已成为制约地区经济社会可持续发展的重要因素之一。频繁发生的干旱是一个世界范围重大灾害性气候问题，直接和间接地阻碍了社会经济发展并威胁着人类的生存。《气候变化国家评估报告》（2006年12月）指出，目前气候变化对干旱和洪涝等水文极端事件的研究尚处于起步阶段，无论是研究方法还是研究内容都比较薄弱。我国农业、水资源、森林与其他自然生态系统、海岸带与近海生态系统等极易受全球气候变化的不利影响，自然灾害将有进一步加剧的可能。尤其是近年来，在气候变化和人类活动加剧等外界干扰作用下，干旱发生趋于频繁，在水资源紧缺地区，干旱灾害给社会经济的各个层面造成一系列复杂的影响，特别是对农业领域的危害并非局限于受灾的区域。与暴雨、洪水、地震等毁灭性效应的灾害相比，干旱发展缓慢且不易被察觉，当干旱特征显露之后，其影响范围之广、程度之严重致使应对措施无从开展，干旱已威胁到人类的生存和发展。深入研究分析变化条件下干旱演变态势，进行合理的干旱预警与流域干旱致灾效应分析，对科学用水、水资源合理调配以及流域的可持续发展具有重要意义。

我国是一个干旱灾害频繁发生的国家。据统计，全国每年干旱造成的损失占各种自然灾害的15%以上，为各项灾害之首。自上世纪90年代以来，我国旱灾频次明显加快，几乎每3年就发生一次重旱甚至特大旱，旱情持续时间更长，跨季、跨年的旱灾越来越频繁，旱灾造成的损失也呈加重趋势。2010年西南5省（市）（云南、贵州、广西、四川、重庆）发生百年一遇特大干旱，耕地受旱面积1．01亿亩，有2 088万人、1　368万头大牲畜因旱饮水困难，引起了国内外的广泛关注。频繁发生的干旱灾害，对我国城乡供水安全、粮食安全和生态环境安全构成极大威胁，抗旱减灾工作面临着前所未有的压力和挑战。据不完全统计，我国GDP平均每年因旱灾损失1．1%，约为3　000亿元，重旱年份则高达2．5%～3．5%。

作为我国最大的内陆干旱区的新疆塔里木河流域（以下简称塔河流域），水资源匮乏的问题越来越严重，已成为制约地区经济社会可持续发展的重要因素之一。随着塔里木河来水量持续减少以及区域内用水需求的增加，造成下游河道断流、干枯和地下水位下降，胡杨林及灌木大量死亡，绿色走廊不断衰退，生态环境恶化。2009年，塔河遭遇了60年一遇的特大干旱，主干河流入水量大幅减少，断流河段长达1　100km。频繁发生严重旱情，旱灾波及的范围已远远超出农业，不仅威胁塔河流域的粮棉生产，也给区域生态环境带来直接影响。

世界气象组织（WMO）和政府间气候变化专门委员会（IPCC）2007年8月7日联合发布的报告指出，全球持续变暖已经是毫无疑问的趋势，持续干旱、高温等事件变得更加频繁。报告预测未来某些内陆干旱区的持续干旱和高温等极端事件很可能将更加频繁地发生。

旱灾不仅造成严重的经济损失，还加剧了水土流失、荒漠化土地扩展等生态环境灾害，更严重影响社会经济发展与可持续发展。2006年，喀什、和田、阿克苏的部分县（市）河道来水量锐减，致使4月下旬～5月中旬农作物受旱面积一度达到近475万亩，其中重旱面积近100万亩，有近50万人、108万头（只）大牲畜发生临时饮水困难。2009年，塔河流域源流区遭遇大旱，叶尔羌河、盖孜河、提孜那甫河、库山河四条河流5～7月来水量比历年同期减少44．1%，是有水文记载以来同期来水量最少的年份，给流域社会生产、生活以及生态带来了极大的损失。塔河三源流（阿克苏河、叶尔羌河、和田河）5月份径流量仅为8．91亿m3，比历年同期减少2．15亿m3，为特枯月份。受源流来水减少及上游源流区抗旱灌溉引水的影响，塔河干流控制断面阿拉尔6月上旬来水量只有0．06亿m3，比历年同期少89%，6月中旬比同期少92%。受此影响，塔河近年来发生的断流点向上游发展，断流河长较往年有所延长，对下游农业生产和生态用水造成严重影响，旱灾已成为制约塔河流域可持续发展的重要灾害。

开展塔河流域干旱灾害方面的研究，对提高塔河流域抗旱应急管理水平，增强抗旱减灾预案的针对性和可操作性，提升灾害监测预报水平和预警能力，完善应急反应处置，发挥科技在抗旱减灾中的重要支撑、引领作用，预防和减轻自然灾害损失具有重要的实践指导意义。

1．2　干旱与干旱灾害

1．2．1　干旱定义

干旱一词在气象学上有两种含义：一是干旱气候，一是干旱灾害。干旱气候是指蒸发量比降水量大得多的一种气候现象，是最大可能蒸散量（用H．L．彭曼公式计算的）与年降水量的比值大于或等于3．5的地区。干旱灾害是指某一地理范围在某一具体时段内的降水量比年平均降水量显著偏少，导致该地区的经济活动（尤其是农业生产）和人类生活受到较大危害的现象。作为自然灾害，干旱是表征气候学和水文参数最好的指标之一。在不同地区以及不同的学科领域里，国内外关于干旱的定义多达一百多种。对于干旱问题，用不同角度定义和用不同标准衡量，都体现了人们对干旱的认识和理解存在明显的差异。目前国际上对干旱的常规定义有以下几种：①世界气象组织定义为（WMO，1986）：“干旱是指长期的、持续的缺少降水。”②联合国防治干旱和荒漠化公约（UN　Secretraiat　General，1994）定义：“干旱是指降水已经大大低于正常记录水平，造成土地资源生产系统水文严重失衡的自然现象。”③美国粮食和农业组织（FAO，1983）定义旱灾为：“作物生长所需水分低于多年平均值。”④气候与天气百科全书（Schneider，1996）定义干旱为：“一个地区在统计基础上一个季度、一年或是多年的长期缺少降水。”⑤Gumbel（1963）定义干旱为日径流量的年均最小值。⑥Palmer（1965）解释干旱为：“一个干旱地区有着显著偏差的水文条件。”⑦Linseley，等人（1959）定义干旱为：“持续一段时间的无显著降雨。”⑧国际气候界定义干旱为：“长时期缺乏降水或降水明显短缺”或“降水短缺导致某方面的活动缺水。”⑨美国天气局定义干旱为：“严重和长时间的缺雨。”由于使用不同的变量来描述干旱，因此，干旱的定义各不相同。张景书按照普通逻辑对概念的要求，依据干旱的实际将干旱定义为：“干旱是指在一定时期内无降水或者降水量偏少引起土壤水分缺乏，从而不能满足作物正常生长所需要水分的一种气候现象。”该定义为发生定义，即通过种差指出干旱和其他气候现象（如水涝）在形式方面的不同。张景书指出：“一定时期内无效降水或者降水量偏少引起土壤水分缺乏，从而不能满足作物正常生长所需的水分”为种差，“气候现象”为属，“种差＋属”的定义方式体现了干旱概念的特有内涵和外延。任尚义综合各种定义反映干旱的特性，认为干旱是指在相对广阔的地区，在长期无降水和少降水或降水异常偏少的气候背景下，水分供应严重不足的现象。商务印书馆出版的《现代汉语词典》（第五版）中将“干旱”解释为“因降水不足而土壤、气候干燥”。我国国家气候局认为干旱是指因水分的收与支或供与求不平衡而形成的持续的水分短缺现象。《中华人民共和国抗旱条例》中将干旱灾害定义为由于降水减少、水工程供水不足引起的用水短缺，并对生活、生产和生态造成危害的事件。

而百度百科网络上从三个学科对“干旱”进行了定义：一是从大气科学（一级学科）中的应用气象学（二级学科）方面将干旱定义为“长期无雨或少雨导致空气干燥的现象”；二是从地理学（一级学科）中的气候学（二级学科）方面将干旱定义为“长期无雨或少雨导致空气干燥的现象”；三是从资源科技（一级学科）中的气候资源学（二级学科）方面将干旱定义为“长期无雨或少雨导致土壤和河流缺水及空气干燥的现象”。目前对干旱的定义很多，各自从本学科乃至本学科的不同方面来描述这一现象。

鉴此，国内外统一使用以下四种干旱定义类型（Wilhite　and　Glantz，1985；American　Meteorological　Society，2004），分别为：气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。

（1）气象干旱

气象干旱指某一地区长时期缺乏降水（Pinkeye，1966；Santos，1983；Chang，1991；Eltahir，1992），水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象（张强，2006）。降水普遍用于气象干旱的分析，考虑到使用降水距平值作为干旱指标（Gibbs，1975），多项研究使用月降水量数据分析干旱，用累计降水量和缺失量等其他方法分析干旱持续时间和强度（Chang　and　Kleopa，1991；Estrela，等，2000）。气象干旱最直观的表现在于降水量的减少，降水量的减少不仅是气象干旱发生的根本原因，而且它是引发其他类型干旱发生的重要的自然因子。农业干旱的发生与前期降水量息息相关，这是因为前期降水量和土壤保墒性能决定自然供给作物水分的能力；降水量的多少直接影响河流的径流量和河流、湖泊、水库、水塘的水位高度，从而影响到水文干旱的发生；因降水量减少不仅会影响到人们的生活用水，而且还使工业、航运、旅游、发电等行业遭受不同程度的经济损失。气象干旱是干旱类型的最初形式，依据气象干旱持续的时间和范围相继会引发农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。

（2）水文干旱

水文干旱是指一段时期地表水和地下水资源不足，它是为水的使用而建立起来的水资源管理体制系统，水文径流数据已被广泛应用于干旱分析（Dracup，等，1980；Sen，1980；Zelenhasic和Salvai，1987；Chang和Stenson，1990；Frick，等，1990；Mohan和Rangacharya，1991；Clausen和Pearson，1995）。利用回归分析有关干旱径流的集水属性，发现地质条件是影响水文干旱的主要因素之一（Zecharias和Brutsaert，1998；Vogel和Kroll，1992）。张俊等人认为水文干旱是指因降水长期短缺而造成某段时间内地表水或地下水收支不平衡，出现水分短缺，使河流径流量、地表水、水库蓄水和湖水减少的现象。水文干旱是与大量供水（包括河流、湖泊、水库和水塘的水位高度短缺）相联系的。与气象干旱和农业干旱相比，水文干旱出现较慢，如降水的减少有可能在半年内并不会反映在径流的减少上。这种惰性也意味着水文干旱比其他形式的干旱持续时间更长。水文干旱发生将导致城市、农村供水紧张，人畜饮水困难，也会加重农业干旱，导致社会经济干旱。水文干旱的评估一般采用总水量短缺、累计流量距平、地表水供给指数等指标。为了定量描述和分析水文干旱，把游程理论引入到定义之中，即一个径流的时间序列Q（t），为一个截断水平Q0（t）所截，负的游程长度D（Q（t）≤Q0（t））为干旱历时，游程S（距Q（t）的累计偏差）为干燥烈度（或干旱程度），游程强度M（距Q0 （t）的平均偏差）为干旱强度。其中，截断水平也叫干旱限值，是干旱特性描述的一个决定性因子。

（3）农业干旱

农业干旱通常可分为两种情况：土壤干旱和作物干旱。土壤干旱是指土壤有效水分减少到凋萎水量以下，使植物生长发育得不到正常供水的情形；作物干旱是指作物内水分亏损的生理现象。它可能是因根区土壤水分不足又伴随一定的蒸发势，也可能是土壤水分充足，因大气过高的蒸发势而引起的作物体内暂时性缺水。土壤干旱和作物干旱构成了农业干旱，表现为植物枯萎、减产等。孙荣强等认为农业干旱以土壤含水量和植物生长状态为特征，在农业生长季节内因长期无雨，造成大气干旱、土壤缺水，农作物生长发育受抑，导致明显减产，甚至无收的一种农业气象灾害。农业干旱通常来说就是土壤和植物生长长期受到地表水资源的限制，土壤含水量的下降主要是受到气象干旱和水文干旱等几个因素的影响，如实际蒸散量和潜在蒸发。植物需水则取决于当时的天气条件下，具体植物的生物学特性和增长阶段以及土壤的物理和生物特性。一些干旱指数主要是基于降水、温度和土壤水分，并且已经应用于农业干旱的研究。

（4）社会经济干旱

社会经济干旱是指水资源系统不能满足社会需水要求，从而关联到干旱与社会经济供应与需求关系（AMS，2004）。因天气原因而导致社会经济需要大于社会经济总供给水时往往会发生社会经济干旱。社会经济干旱同时也是自然系统与人类经济关系中水资源供需不平衡造成的异常水分短缺现象。其指标经常与一些经济商品的供需联系在一起，如粮食生产、发电量、航运、旅游效益以及生命财产损失系数法，即认为航运、旅游、发电等损失系数与受旱时间、受旱天数、受旱强度等诸因素存在一种函数关系。

一些研究已经讨论了上述四种基本干旱类型，这将有益于更好地介绍一种新的干旱类型，即地下水干旱。地下水干旱尚未列入到以上四种干旱类型之中，迄今为止，人们已经做了有关地下水干旱方面的研究，但尚不成熟，有待进一步的探讨。

1．2．2　干旱灾害

干旱问题是一个世界性的问题。当今世界对于干旱及干旱灾害的研究已有多年历史，国内外学者普遍认为干旱呈增加趋势。首先是非洲的萨赫勒—苏丹地区持续不断地发生严重的干旱，大范围的严重干旱又在世界许多地区接连不断地出现，加上与干旱灾害有关的荒漠化灾害等影响极大，严重制约了许多国家经济、社会的发展，并且威胁到人类的生存环境。为了减轻干早灾害的影响，1988年，WMO和UNEP联合建立了政府间气候变化专门委员会（PICC），1990年和1995年发表了两次评估报告，主要对干旱与沙漠化，特别是未来气候变化对农业、土地利用、林业、草地、水文和水资源的可能影响进行了系统地分析和研究，同时利用大气环流模式（GCMS）模拟研究了气候极端事件、萨赫勒干旱等。冯丽文（1988年）从气候对社会、经济、环境冲击的角度出发，对我国近35年（1951—1985年）来干害发生的时空分布特征及变化规律进行了分析，并且以大量事实为依据，阐述了干旱灾害对我国国民经济，如粮食产量、水资源和能源、林收渔业等造成的影响。方修琦等根据农业灾害统计资料，分析了新中国成立以来的旱灾时空分异特征和演变规律；得到的结论是我国旱灾灾情分布特点主要受自然环境控制。陈菊英、马宗晋等分别利用降水量距平百分率、干旱频率等指标建立了我国干旱灾害的时空分布格局。水利部长江水利委员会依据水旱灾害史料和气象水文观测记录分析了长江流域的历史农业干旱灾害时空分布规律。姜逢清等基于新疆1950—1997年历史灾害统计资料，运用一般统计学方法与分形理论分析了新疆的干旱灾害特征，对新疆农业旱情进行了风险评估。肖军，赵景波等（2006年）利用陕西省54年来的农业旱灾灾情资料对旱灾特征进行了详细地分析和预测，得出陕西省旱灾有发生频率加快、灾情加重的趋势，干旱灾害具有较强的持续性。张允，赵景波（2009年）通过对历史文献资料的收集、统计和分析，对1644—1911年西海固地区干旱灾害的时间变化、空间变化、等级序列以及驱动力因子进行了研究。总结出了在气候条件和人类活动的影响下，干旱灾害在时间和区域上呈逐年加重的趋势。黄会平（2010年）根据近60年来干旱灾情统计资料，分析了我国干旱灾害的时空分布特征及其变化趋势。统计结果表明：近60年来，我国干旱灾害的受灾面积、成灾面积、经济损失有逐步增加的趋势，灾害发生的频率也在不断加快。在空间分布上，陕西、甘肃、宁夏、内蒙、山西、青海、黑龙江、吉林、辽宁、重庆、山东、河北、北京、天津等是成灾严重的省（市）区；北方的黄河流域、松辽河流域、海滦河流域、淮河流域受灾严重，南方的长江流域、珠江流域、太湖流域等受灾相对较低，但总体上都有不断加重的趋势。李晶，王耀强等（2010年）调查分析了内蒙古自治区101个旗县1990～2007年间因旱造成的农业、牧业、城镇居民生活及工业方面的损害程度及相应降水资料。运用统计计算、频率分析等方法，初步确定了内蒙古自治区的旱情时空分布特征，确定了内蒙古自治区3个易旱季节旱灾易发区的分布区划及3个级别的旱灾等级（严重旱灾、中度旱灾、轻度旱灾）发生频率和分布区划。江涛，杨奇（2011年）等利用1956—2005年126个雨量站逐月降水资料，采用标准化降雨指数和经验正交函数分解法，探讨了广东省干旱灾害空间分布规律，结果表明：局部地区干旱灾害有逐渐加重的趋势。

在深入调查研究本国旱灾规律、旱灾影响和国民抗旱减灾活动的基础上，美国国会于1998年通过美国国家干旱政策法案（The　Natinoal　Druoght　Poliyc），明确提出本国抗旱减灾的方针，同时成立了国家干旱政策委员会（The　National　Drouhgt　Policy　Commission），授权对本国抗旱方略进行研究，并向国会提出有关建议。国家干旱政策委员会随后提交了题为“为21世纪的干旱做准备（Preparing　for Drouhgt　in　the　21st　Centuyr－Report　of　the　National　Drought　Pocliy　Commssion）”的报告，全面分析了本国旱情形势，提出了具体的抗旱减灾对策。刘引鸽（2003年）利用西北地区降水和农作物旱灾面积统计资料，将干旱灾害事件与影响因子进行对比分析，结果表明：厄尔尼诺事件当年或次年，南方涛动指数负距平，太阳黑子低值，青藏高原为多雪年，地表径流枯期，西北干旱灾害发生率较高，降水稀少，气候变化，人类活动是干旱灾害发生的原因。杜金龙，邢茂娟等（2004年）研究出了地处黑龙江省西部松嫩平原腹地的安达市干旱灾害形成的原因是自然因素和人类因素。黄桂珍，韦庆华等（2010年）从气候、地形等方面分析了广西凌云县2009年秋至2010年干旱灾害的成因，并提出了相应的抗旱措施，尽可能减少干旱灾害造成的损失。梁建茵等根据广东省86个气象站的降水量资料，用正态化Z指标讨论了广东省汛期旱涝的成因及前期影响因子，并对前后汛期的旱涝等级进行了划分。吕娟，高辉等（2011年）根据2000年以后的气象及旱灾统计数据，总结出了21世纪我国干旱灾害发生频率大、受旱面积广、区域变化明显的特点，并从自然、社会两方面分析了旱灾频发的原因。李治国，朱玲玲等（2012年）利用河南省1950～2009年干旱灾情资料，分析了干旱灾害的变化特征及成因，得到的结论是资源环境、气候变化和社会经济条件是干旱灾害形成的原因。

1．3　干旱研究的进展

1．3．1　干旱指标的研究

干旱指标是干旱监测的基础，也是衡量干旱程度的关键环节。由于干旱成因及其影响的复杂性，很难找到一种普遍适用各种用途的干旱指标，因此应用于不同需求的各种干旱指标得到了发展。归纳各种干旱指标大致可分为四类，即气象指标、水文指标、农业指标、社会经济指标。由于各个部门对干旱的定义不同，水文部门以径流量的丰枯等级来划分干旱程度，农业部门以土壤的干湿状况来确定干旱程度，气象部门则以降雨量的多少来确定干旱程度。因此，为了监测研究干旱及其变化，科学家们利用气温、降水量、径流量等水文气象要素，逐渐发展了大量的干旱指标。这些干旱指标包含了降水量、气温、蒸发量、径流、土壤含水量、湖泊水位、地下水位等众多的基础资料，最终形成一系列简单的指标数字。对于决策者和相关领域来说，干旱指标比原始观测资料更加直观，可利用性强。

在国外，Gibbs和Maher在1967年提出了RD指标（Rainfall　Deciles），将降水量按从大到小的顺序排列分组，采用百分位法将降雨量划分为5个等级，落入第1等级范围内被定义为一场干旱事件，该指标已广泛应用于澳大利亚的干旱监测。Bahlme和Mooley在1980年提出了BMDI指标，根据干旱程度将干旱划分为正常、轻旱、中旱、大旱、极旱5个等级；Bogard等根据该指标研究了不同环境对干旱的影响；McKee等在1993年提出了标准化降水指数（Standardized　Precipitation Index，SPI），其优点是仅需要降雨资料，就能够反映出干旱对不同类型的水资源可利用量的影响，既可用来评价对降雨响应较快的土壤水分，亦可用来评价对降雨响应相对较慢的地下水补给，时空适用性强。Hayes使用SPI监测美国的干旱得到了很好的效果，该指数还被美国国家干旱减灾中心（the　National　Drought　MitigationCenter，NDMC）和西部区域气候中心（the　Western　Regional　Climate　Center，WRCC）用于监测紧邻的美国各州的气候分异水平。Tsakiris等提出了一个类似于SPI的指标——径流干旱指标（Runoff　drought　index，RDI），考虑了蒸散发能力对干旱的影响。Richard通过对水库蓄水、径流、积雪和降水进行加权平均提出了地表水供给指标（Surface　Water　Supply　Index，SWSI），能够较为全面地反映干旱对城市用水和农业灌溉的影响。随着卫星遥感技术的发展，Kogan在1995年就尝试将卫星遥感资料计算的植被条件指数（VCI）用于干旱监测。随后，Ghulam先后提出了植被条件返照率干旱指数（VCDA）和正交干旱指数（PDI）。Brown等又将遥感信息与气象信息组合建立了植被干旱响应指数（VegDRI）。

在国外学者对干旱指标的研究成果中，值得重点指出的是1965年由Palmer提出的目前国际上应用仍然非常广泛的帕尔默干旱指数（Palmer　Drought　Severity　Index，PDSI）。该指标利用降水与气温资料，运用Thornthwaite方法估算的蒸散发能力且基于双层土壤模型的假设进行简单的水量平衡计算，提出“对当前情况气候上适宜的降水”概念（Climatically　Appropriate　For　Existing　Condition，CAFEC）：当某地区实际的水分供给持续少于当地气候适宜的水分供给时，由水分亏缺导致的干旱将会出现。Palmer干旱程度指标（Palmer　Drought　Severity　Index，PDSI）是经过权重修正的无量纲指标，在时间和空间上都具有可比性。PDSI自提出至今，被广泛应用于旱情比较、旱情时空分布特征分析、干旱面积评价等旱涝气候评价及其灾害评价，并被确定为美国各州政府机构启动干旱救助计划的依据。

中国学者在干旱指标研究方面也取得了一定的进展。鞠笑生等从降雨量的分布函数入手，对降雨量进行正态变换，提出了Z指标。中国国家气象中心使用Z指标监测各地的旱涝状况。杨青等利用降雨距平百分率建立了适用于干旱半干旱地区大范围、长时期干旱监测的干旱指数。王劲松等根据干旱地区降水量和蒸发量的实际特点，运用两者的相对变率来消除两者量级的区别，建立了一种改进的西北地区干旱指标——K指标。庞万才等从有效降水的理论入手，针对降水过程次数、降水过程总量，降水过程的时间分布结构和效能，提出了相对蒸散效能指数、降水过程总效能指数等四个干旱指数。朱自玺等对气象产量和降水距平进行相关分析，并与农业干旱划分标准相结合，确定了两套与轻旱、中旱、重旱和极端干旱相对应的干旱指标。张强等提出了一个以标准化降水指数、湿润度指数及近期降水量为基础的综合干旱指数CI。该指数已经作为中国国家气象干旱等级标准。

综上所述，干旱指标种类繁多，常用的干旱指标大都建立在特定的地域和时间范围内，随着3S（GIS、GPS、RS）在大范围干旱监测及评价中的应用，达到了实时、动态的监测旱情，能对旱灾造成的损失进行综合评价，并可以通过情景分析手段，直观地表达出旱灾灾情和损失的空间分布情况，对干旱特征、干旱评价的研究以及干旱防治措施的开展具有良好的参考价值。

1．3．2　干旱特征与演变

由于干旱具有随机性，概率论和随机理论方法是研究干旱特性的一种合适的途径。1967年，Yevjevich最初把应用游程理论用于干旱特性研究，定义了干旱历时、干旱烈度和干旱强度，即干旱特征三要素，初步分析了这些要素的统计规律。此后，有不少学者基于这一理论基础，进行了深入研究。干旱三要素之间一般具有很高的相依性，多变量分析就成为早期研究中较为容易、客观的方法，主要用来分析揭示干旱发生的规律。2001年Shen研究了一定干旱历时对应的干旱烈度的条件概率分布和已知干旱历时和干旱烈度的边际分布的联合分布。2006年，Shiau通过指数分布和Gamma分布拟合了干旱历时和干旱烈度的边缘分布，通过Copula函数将干旱历时和干旱烈度两者连接起来，建立干旱历时和干旱烈度的概率模型，为干旱分析提供了一种新途径。随后Shiau等利用此方法对黄河流域的干旱特征进行了分析。2007年，Zhang等利用Copula函数分析了气象干旱三要素两两间的变化规律。

对于干旱空间分布特征，Andreadis等利用VIC（Variable　Infiltration　Capacity）模型模拟出1920～2003年美国的土壤水分与径流量，当它们低于一定阈值水平时认为干旱事件发生，随后采用聚类算法识别出干旱事件的历时、范围以及相应的干旱程度，建立了SAD（Drought　Severity－Area－Duration）曲线，基于此曲线分析美国干旱的历史变化趋势。Tallaksen等利用SWAP（Soil－Water－Atmosphere）模型模拟的地下水补给量和MODFLOW模拟的地下水头，根据截距法确定英国Pang流域干旱事件的历时、覆盖范围及其干旱程度。Santos等采用主成分分析法（Principal　Component　Analysis，PCA）和K－均值聚类算法（K－means　clustering，KMC）两种方法对葡萄牙干旱的空间分布进行识别分析。

在国内，闫宝伟等利用Copula函数分析了汉江上游的干旱特征。王文胜等根据河川径流记录，应用Kriging优化内插法，按照游程理论及截距法分析了干旱历时、干旱烈度及其条件概率等特征值。史建国等运用Penman－Monteith法计算干燥度，并在此基础上运用Kriging插值法生成黄河流域干燥度的分布图。蔡明科、和宛琳等人分别利用游程分析、马尔可夫平稳概率和随机理论的方法分析了渭河流域和黄土高原的干旱特征。彭高辉等运用游程理论进行数字特征计算，绘制了黄河流域干旱重现期等值线图，并根据K－均值聚类算法对数字特征进行分类。

1．3．3　干旱预警研究

很多学者对干旱预报的研究开展了大量工作，其中不少预报方法是建立在干旱指数和大气环流指数的基础之上。1998年，Dai将经验正交函数（Empirical　Orthogonal　Function，EOF）引到全球的干旱时空分析中，发现干旱事件的发生与厄尔尼诺现象密切相关。Tabrizi等运用Wilcoxon－Mann－Whitney非参数检验方法探索气象干旱与水文干旱的相关关系，结果显示两者具有较好的一致性，这也说明了通过一类干旱的出现来预测另一类干旱发生的可能性。Nalbantis和Tsakiris探讨了相同设计模式的气象与水文干旱指标的相关关系，通过气象干旱指标在希腊Evinos流域取得较好的预测效果。由于干旱与诸如降雨、径流等随机现象关系密切，因此干旱也具有随机性，随机理论方法是研究干旱特性的一种合适的途径。Lohani等采用非齐次马尔柯夫链研究PDSI序列的随机特征，根据随机特性建立了早期的干旱预警系统。Chung等运用低阶离散自回归滑动平均模型（DARMA）估计干旱事件的发生概率。Kim等根据PDSI干旱指标，应用配对小波变换和人工神经网络方法，对墨西哥Conchos流域进行干旱预警。

在国内，张存杰等以EOF为基础，利用均生函数法、多元回归法等数理统计方法对降雨量进行预测检验，得出一种适用于西北地区干旱预测的概念模型。陈涛等通过方差分析筛选出环流特征量中对干旱敏感的预报因子，基于这些因子建立了干旱预报模型，在衡阳地区取得了较好的模拟效果。张遇春等根据灰色系统突变预测方法，建立GM（1，1）灾变预测模型，预测了黑河地区未来的干旱发生情况。林盛吉利用主成分（PCA）与支持向量机（SVM）相结合的统计降尺度方法，构建大尺度气候预报因子与月降雨量的模型，应用HadCM3等三种气候模式对未来30年钱塘江流域的干旱情况进行预测。

1．3．4　干旱灾害监测

美国国家级干旱监测系统始于20世纪80年代。20世纪末，由美国国家干旱减灾中心（NDMC）、海洋大气局（NOAA）、农业部（USDA）一起合作建立了新的干旱监测系统（The　Drought　Monitor），由监测干旱状况及影响的图形和文字组成。“The　Drought　Monitor”中将干旱程度分为4个级别：D1，D2，D3，D4。另外一个级别是D0，表示虽然没有发生干旱灾害，但较正常偏少。

美国干旱监测等级划分采用百分位数方法，用于确定干旱级别的所有数据都考虑了它们在该地点、该时间出现的历史频次。唯一的例外是在与各种干旱等级相关的时段内，用地方标准化的百分位数描述干旱特征时，对标准降水百分率采用了一些全国性的标准。尽管干旱分类阈值在全美所有区域内并非都能很准确地与百分位数相对应，但它们仍然为使用统一参数的干旱分类提供了一个可参考的标准。

2002—2003年澳大利亚经历了一次强度大，范围广的干旱，一些地区还伴随高温事件。在干旱的高峰期，澳大利亚57%的大陆遭受了10个月甚至更长时间的非常严重的水分亏损，90%地区的累计降水量低于中位数。为了更客观、公平和透明地处理极端事件，2005年，澳大利亚工业理事会委托成立国家农业监测系统。NAMS（National　Agricultural　Monitoring　System）系统由气象和国家科学、工业研究机构（CSIRO）合作完成。NAMS信息显示主要农业产品系统的目前状况和近期生长季产品预测。NAMS最初的目的是进行气候监测并为旱地提供数据，之后NAMS延伸到覆盖澳大利亚灌溉区和集约化工业。

张强等就目前干旱监测技术在现实需求的牵引下，随着气象及其相关学科技术进步，大致将干旱监测技术发展分为以下七个阶段：

（1）仅依赖降水的单要素阶段。20世纪前20年，主要以降水来监测干旱。最早是用累积降水短缺程度或降水距平来度量干旱，1916年，Munger假设干旱的强度与干旱持续的时间的平方呈正比，提出一个年际和地区间可比较的森林火险客观度指数。随后Kincer通过分析将季节分布和不同强度降水天数，设计了一个更实用的干旱指数。Blumenstock还提出利用概率理论来计算干旱指数。

（2）降水和温度要素相结合的阶段。20世纪30年代初Marcovitch首次将气温引入干旱指数的计算。随后，Thornthwaite提出了降水效率指数，用月降水和月蒸发之比来表示月降水效率。之后，Thornthwaite又进一步提出用降水量减去蒸散量作为干旱指数。Thornthwaite的工作为现代气候学分类奠定了理论基础。

（3）针对农业的干旱监测技术发展阶段。由于干旱对农业的影响显著，van Bavel等首次提出了农业干旱概念。随后，Dickson假定蒸散与土壤总水分含量成正比来计算农业干旱日。1960年，WMO正式给出了一个针对玉米的干旱指数。与此同时，Thornthwaite等提出了水分收支计算法，用于跟踪土壤水分变化。之后，McGuire等通过延伸潜在蒸散概念提出了充足水分指数，并用该指数绘制了1957年美国东部干旱空间分布图。

（4）Palmer指数时代。1965年，Palmer提出了干旱指数模型，这是干旱指数发展史上的一个重要里程碑，该模型将前期降水、水分供给和水分需求结合在水文计算系统中，并采用了气候适宜条件标准化计算，使该指数在空间和时间上具有可比性，即是著名的Palmer气象干旱指数（PDSI）。相对于20世纪初的干旱监测方法，Palmer指数以完善的水分平衡模式为物理基础，是干旱指数发展史上的重大转折点。

（5）针对专门用途的发展阶段。Keetch等提出了一个可用火灾管控的干旱指数，其干旱因子由降水和土壤水分综合确定。随后，Shear等给出了由水分收支确定的水分异常干旱指数。1980年，Dracup等利用长期平均年流量提出了水文干旱事件监测模型。而最近，Zierl建立了专门针对森林生态系统的WAWAHAMO干旱指数。另外，国外一些科学家也开始提出社会经济干旱指数和社会经济干旱脆弱性指数的概念。

（6）标准化指数发展阶段。为了使干旱指数能用于国家决策之中，1993年，Houorou等以80%保证率的降水量作为可靠降水指数（DI），并以其监测整个非洲大陆。Leathers于20世纪末发展了国家标准干旱指数（CI）。王劲松等利用降水和蒸发相对值平衡原理提出了一个K干旱监测指数，在西北地区干旱监测业务试验中表现出了比较好的效果。

（7）新技术和技术集成阶段。随着卫星遥感技术的发展和监测手段的多样性，早在1995年Kogan就尝试将卫星遥感资料计算的植被条件指数（VCI）用于干旱监测。随后，Ghulam先后提出了植被条件返照率干旱指数（VCDA）和正交干旱指数（PDI）。之后，Brown等又将遥感信息与气象信息组合建立了植被干旱响应指数（VegDRI）。

由于干旱是一个涉及很多相关学科的复杂自然现象，目前还没有任何干旱监测方法能够对干旱进行准确、及时的监测，因此，干旱监测技术发展面临诸多的科学挑战。

1．3．5　干旱灾害风险评估

干早灾害评估是对干旱现象的频度和强度、危险性、易损性及潜在性、经济损失进行估计。美国（1965年）帕默尔提出了干旱指数（帕默尔干旱指数），用来评估研究区域干旱的范围、干旱程度、干旱频度和受灾面积等问题。Cuhasch（1995年）提出了下次降水平均等待时间（AWTP）来表述某区域某时段里干旱持续时间，该指数可以用来衡量干旱时间的长短或干旱的程度等。Diaz和Quayle用美国各地温度、降水资料为美国48个地区建立了干旱指数。Bhalm等在分析印度夏季季风期的水分条件时提出了干旱面积指数（DAI）。一些先进国家，特别是美国和日本，近几年开始注重干旱缺水风险评估、风险管理和应急预案的研究。AdamMunro等提出了基于风险评价与管理理论的城市干旱缺水管理模式。美国政府一直重视干旱研究、预防与管理，在处理干旱和其他自然灾害或紧急事件时，社会各界，特别是联邦政府越来越强调预防、减灾和风险管理。其中，基于风险的干旱管理和抗旱预案已成为美国干旱政策的重要组成部分。以美国减灾中心Wilhite博士为核心的研究团体，开展了旱灾的风险评价与管理基础理论方面的系统研究，提出了基于风险评价的10个步骤的干旱规划与预案方法。目前，基于风险评价的干旱管理和抗旱预案已成为美国联邦政府应付干旱的基石。日本从80年代起制定“综合治水对策”，要求开展洪涝、干旱风险评价和风险管理的研究，并在区域旱灾损失评估、风险评价和综合减灾对策等方面取得了一定的研究成果。另为，俄罗斯、澳大利亚等国家也相继建立了气候监测及诊断分析业务，以加强对灌溉用水和干旱灾害的研究。

在基于综合性旱情指标的预测方法中，1981年安顺清等人开展了利用蒸发力和相对蒸散量计算作物水分亏缺状况的研究工作。1982年，鹿洁忠开展了关于“农田水分平衡和干旱的计算预测”的研究，孙荣强采用土壤水平衡的方法建立了“农业干旱预测模型”。在世界气候计划的推动下，中国于1987年成立了国家气候委员会，制定了中国国家气候计划，推动了气候灾害，包括干旱规律、干旱评估的研究进展。1989年4月，我国成立的中国国际减灾干旱委员会，提出了应加强干旱及其影响评估模式和系统的研究，包括研究干旱对土地退化、地表植被退化、地表水、地下水的影响；建立各类干旱影响的评估模式，及中国近代和历史时期干旱发生发展的规律、形成机制和过程；干旱预测方法及自然与人为因素对干旱的影响研究；气候变化、干旱与荒漠化的相互作用研究；对干旱及其影响进行区划，在不同区域建立减轻干旱影响的示范工程，制定减轻干旱影响的对策等。安顺清等人利用灰色系统理论预测方法，王革丽等采用时间序列分析方法，朱晓华采用分形理论，张学成等人采用均生函数预测方法对干旱进行了预测研究。1996年，王密侠等人建立了“陕西省作物旱情预测系统”。1998年，田武文等人建立了“陕西省旱涝季度、年度预测和集成预测模型”。章大全等根据中国气象局（1958—2007年）提供的温度、降水和Palmer旱涝指数均一化数据库，构建统计模型，量化了温度和降水变化在干旱形成中所占的比重，并对未来5年中国8个气候区的干旱化趋势进行了预测。杨建伟利用沁河流域气象站42年的实测降水量资料建立灰色预测GM （1，1）灾变模型，对干旱灾害进行预测，经检验，效果较为理想。国家水利部（2008年）发布的《旱情等级标准》规定了农业、牧业和城市旱情的评估指标及等级划分标准。申广荣等利用GIS技术对黄淮海平原的旱情进行了监测研究。

随着经济的迅速发展、人口增长及由此引起的以气候变暖为标志的全球气候变化，干旱有进一步加重的趋势。国内外干旱灾害研究很多，且在干旱定义、干旱灾害成因、干旱指标、影响因素、干旱等级、研究干旱的各种方法、预测预报干旱灾害等各方面取得了很好的成果，但对新疆干旱，尤其是针对塔河流域干旱灾害方面的研究较少，仍有待进一步深入。

1．4　主要研究内容

本书重点分析了塔河流域历史干旱发生的频率及灾害损失，揭示了近50年流域内的干旱灾害时空演变特征。通过搜集《新疆通志（水利志）》、《中国气象灾害大典（新疆卷）》、《新疆50年（1955—2005）》、《新疆维吾尔自治区抗旱规划报告》、《中国历史干旱（1949—2000）》等文献，新疆防汛抗旱办公室对历史文件等资料进行系统整理，并采用典型区域调研核准的方法，构建了新疆历史干旱灾害损失数据库。

基于塔河流域水资源时空分布特征、现状用水水平及气候变化等因素，从不同层次、不同角度对塔河流域内的干旱灾害成因进行了系统的研究，确定了流域内形成干旱的主要因素。通过分析得出，塔河流域干旱灾害成因是由自然和社会两个主要因素共同造成的，流域内干旱频发与流域内干旱缺水、水资源时空分布不均匀是造成干旱频发的根本原因，而人类的不合理活动及其气候变化是造成干旱灾害增加的诱因。从时间尺度上、空间尺度上分析了干旱灾害的演变规律与分布特征，系统地分析研究流域干旱特征及其演变趋势，结果显示塔河流域近年来干旱灾害发生频率明显呈增加的趋势，同时干旱灾害的受灾面积、成灾面积、各种经济损失有逐步增加的趋势。流域内大多数区域均有春旱发生，春夏季是新疆最普遍的干旱季节。

在总结前人干旱研究的基础，根据研究流域内陆水循环和水平衡的实际特点，对其干旱特征进行了定量描述，系统分析了流域的干旱演变趋势，选取气象、水文干旱指标，参照流域的实际旱情检验了各指标的适用性，并运用模糊物元理论建立了流域综合干旱评价模型。依据选定的气象干旱指标，应用主成分分析法对塔河流域的气象干旱空间分布进行划分，对各分区的春季旱涝情况进行了趋势预测。同时采用三阈值游程理论对流域水文干旱事件进行识别分析，借助Copula函数建立了干旱两要素之间的联合分布，计算出各干旱事件的联合重现期。

选取标准降水与干旱灾害损失等关键指标，对塔河流域内干旱灾害进行了风险评估，制定了不同干旱等级下干旱发生概率的空间分布图。研究建立了干旱预警理论方法，运用加权马尔柯夫链对干旱转移状态进行预测，引入双原则对严重干旱事件的预测结果进行了优化。运用自回归滑动平均模型（ARIMA）及乘积季节模型（SARIMA）对中尺度干旱指标值进行预测，结果令人满意，研究成果可为区域水资源管理及抗旱方案的制定提供技术支撑。