2.1　干旱分類與旱情監(jiān)測

2.1.1　干旱分類

作為一種自然現(xiàn)象，干旱的發(fā)生發(fā)展過程均存在于一定的時空范圍內(nèi)。以水循環(huán)過程為時間軸線，研究區(qū)域(流域)的水循環(huán)過程發(fā)生水分虧缺，其相應(yīng)的水循環(huán)階段即會引發(fā)干旱。而且，上一個水循環(huán)環(huán)節(jié)的水分虧缺會影響到下一個環(huán)節(jié)的循環(huán)過程，每個環(huán)節(jié)都會隨水循環(huán)的進程而產(chǎn)生交互影響。由于干旱的發(fā)生悄無聲息，起止時間較難界定，干旱強度也很難被準(zhǔn)確監(jiān)測，到目前為止，干旱尚無統(tǒng)一準(zhǔn)確的定義[1，2]。干旱根據(jù)受旱機制的不同分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱、社會經(jīng)濟干旱以及生態(tài)干旱[3，4]。氣象干旱主要指持續(xù)一段時間的降水虧缺現(xiàn)象;農(nóng)業(yè)干旱是指在農(nóng)作物生長發(fā)育過程中，因降水不足、土壤含水量過低或作物得不到適時適量的灌溉，致使供水不能滿足農(nóng)作物的正常需水，而造成農(nóng)作物減產(chǎn);水文干旱是指由于氣候變化和人類活動引起的地表和地下水資源量在一定程度上的減少;社會經(jīng)濟干旱則是指當(dāng)水分供需不平衡，水分供給量小于需求量時，正常社會經(jīng)濟活動受到水分條件制約影響的現(xiàn)象。

隨著全球變化研究的深入，越來越多的研究開始關(guān)注干旱對大區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響[5]。當(dāng)一個區(qū)域長期干旱少雨又缺少灌溉水源時，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)者會呈現(xiàn)出生長不良和枯萎等旱象，即引發(fā)生態(tài)干旱[4，6]。具體來說，生態(tài)干旱是指由于供水受限、蒸散發(fā)大致不變導(dǎo)致的地下水位下降、物種豐富度下降、群落生物量下降以及濕地面積萎縮的旱象[7，8]。生態(tài)干旱是各類干旱中最復(fù)雜的一個，涉及氣象、水文、土壤、植被、地理和社會經(jīng)濟等各個方面的因素，氣象干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱在一定程度上均可能引發(fā)生態(tài)干旱。生態(tài)干旱直接影響生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毀滅性的破壞。但目前生態(tài)系統(tǒng)干旱研究比較少[9，10]。

在幾類干旱中，氣象干旱最直觀的旱象表現(xiàn)在降水量的減少、蒸發(fā)量增大，與研究區(qū)域的氣候變化特征緊密相關(guān);農(nóng)業(yè)干旱主要與前期土壤濕度，作物生長期有效降水量、作物需水量、灌溉條件以及種植結(jié)構(gòu)有關(guān);水文干旱是一種持續(xù)性的、區(qū)域性河川徑流量和水庫蓄水量較于正常年或多年平均值偏少、難以滿足自然和社會需水要求的水文現(xiàn)象;社會經(jīng)濟干旱(工業(yè)服務(wù)業(yè)):是由于經(jīng)濟、社會的發(fā)展需水量日益增加，區(qū)域可供水不足影響生產(chǎn)、生活等活動。其指標(biāo)常與一些經(jīng)濟商品的供需聯(lián)系在一起，如建立降水、徑流和糧食生產(chǎn)、工業(yè)損失產(chǎn)值(發(fā)電量)、服務(wù)業(yè)產(chǎn)值(航運、旅游效益)以及生命財產(chǎn)損失等關(guān)系[11]。農(nóng)業(yè)、水文和社會經(jīng)濟干旱更關(guān)注人類和社會方面造成的影響，生態(tài)干旱則是人類關(guān)注對自己賴以生存的環(huán)境所產(chǎn)生的影響。

幾種類型干旱之間既有聯(lián)系，也有區(qū)別。氣象干旱是其他類型干旱發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)。由于農(nóng)業(yè)、水文、社會經(jīng)濟和生態(tài)干旱的發(fā)生同時受到地表水和地下水供應(yīng)的影響，其頻率顯著小于氣象干旱。當(dāng)氣象干旱持續(xù)一段時間，才有可能引發(fā)農(nóng)業(yè)、水文干旱，并隨著干旱的逐漸演進，可能誘發(fā)社會經(jīng)濟、生態(tài)干旱從而造成嚴(yán)重的后果。若長時間降水偏少后氣象干旱發(fā)生，則農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生與否要取決于氣象干旱發(fā)生的時間、地點、灌溉條件及種植結(jié)構(gòu)等條件。通常，在氣象干旱發(fā)生幾周后，土壤水分出現(xiàn)虧缺，農(nóng)作物、草原和牧場才會表現(xiàn)出來一定的旱象。持續(xù)數(shù)月的氣象干旱會導(dǎo)致江河徑流、湖泊、水庫以及地下水位下降，從而引發(fā)水文干旱。水文干旱是各種干旱類型的過渡表現(xiàn)形式，是氣象和農(nóng)業(yè)干旱的延續(xù)，水文干旱的發(fā)生意味著水分虧缺已經(jīng)十分嚴(yán)重。當(dāng)水分短缺影響到人類生活或經(jīng)濟生產(chǎn)需水時，就發(fā)生了社會經(jīng)濟干旱。并且一旦發(fā)生了嚴(yán)重的水文干旱，必然引發(fā)社會經(jīng)濟干旱或生態(tài)干旱。水文干旱的壓力累進到一定程度必然轉(zhuǎn)移干旱的風(fēng)險，作用于社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)承災(zāi)體。而且地表水與地下水系統(tǒng)水資源供應(yīng)量受其管理方式的影響，使得降水不足與主要干旱類型的直接聯(lián)系降低。同樣，滯后若干時間后水文干旱的發(fā)生也存在一定發(fā)不確定性;農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生時氣象干旱和水文干旱未必一定發(fā)生，但是發(fā)生了農(nóng)業(yè)干旱則一定發(fā)生社會經(jīng)濟干旱，生態(tài)干旱在一定程度也會誘發(fā)。由于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是人工化的生態(tài)系統(tǒng)，因此農(nóng)業(yè)干旱在一定程度上也屬于生態(tài)干旱的范疇。自然植被的干旱抵抗能力強于農(nóng)業(yè)植被，但是發(fā)生嚴(yán)重干旱時，通過人類活動取水灌溉將有限的水資源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，會使自然植被生長受到影響，從而引發(fā)生態(tài)干旱(尤其在有灌溉條件的區(qū)域)。發(fā)生嚴(yán)重水文干旱時，社會經(jīng)濟和生態(tài)干旱發(fā)生的風(fēng)險增高。水文干旱是聯(lián)系氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、社會經(jīng)濟和生態(tài)干旱的紐帶。因此社會經(jīng)濟、生態(tài)干旱與農(nóng)業(yè)干旱存在著包含關(guān)系，而社會經(jīng)濟干旱與氣象、水文干旱并不存在包含關(guān)系。例如，在發(fā)生氣象干旱后，假如能及時為農(nóng)作物提供灌溉，或采取其他農(nóng)業(yè)措施保持土壤水分，滿足作物需要，就不會形成農(nóng)業(yè)干旱。但在灌溉設(shè)施不完備的地方，氣象干旱是引發(fā)農(nóng)業(yè)干旱的最重要因素。氣象、農(nóng)業(yè)、水文及社會經(jīng)濟干旱都有可能直接引發(fā)生態(tài)干旱，造成草地枯黃、森林死亡。然而，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類需水量日益增加，高強度的取水可能會引發(fā)水文干旱。而且，在社會經(jīng)濟用水優(yōu)先的管理模式下，當(dāng)人類生活生產(chǎn)用水嚴(yán)重擠占生態(tài)用水時，會直接引發(fā)生態(tài)干旱。社會經(jīng)濟干旱發(fā)生時，不一定發(fā)生氣象、水文干旱，在工業(yè)用水優(yōu)先的前提下必然發(fā)生農(nóng)業(yè)和生態(tài)干旱。生態(tài)干旱發(fā)生時，說明農(nóng)業(yè)、水文和社會經(jīng)濟干旱必然發(fā)生，氣象干旱有可能發(fā)生，也有可能不發(fā)生。各干旱類型之間的相互關(guān)系見圖2.1。綜上所述，不同類型干旱之間密切關(guān)聯(lián)，其各自的發(fā)生時間、持續(xù)時間和發(fā)生強度等干旱特征在隨著干旱持續(xù)發(fā)展的過程中都遵循一定的規(guī)律，因此，開展不同時段的干旱發(fā)展特征科學(xué)監(jiān)測有利于及時掌握干旱發(fā)展態(tài)勢，對于區(qū)域干旱綜合管理具有重要意義。

2.1.2　旱情監(jiān)測指標(biāo)內(nèi)涵

旱情指標(biāo)是刻畫干旱程度、持續(xù)時間、空間范圍的數(shù)值度量，表征某一地區(qū)干旱嚴(yán)重程度的變量或標(biāo)準(zhǔn)，用于對干旱造成的影響進行定量化評估，是開展干旱監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)警、評估和進一步開展旱災(zāi)研究的基礎(chǔ)[12]。干旱等級就是將不同旱情指標(biāo)轉(zhuǎn)化為可以公度的用以衡量早情嚴(yán)重程度的定量分級，是不可以公度的干旱指標(biāo)的歸一化表征，具有量度、對比和綜合分析旱情的作用，具體描述見表2.1[13]。

目前，由于干旱自身的復(fù)雜特性和對社會影響的廣泛性，多數(shù)旱情指標(biāo)建立在特定的地域和時間范圍內(nèi)，不同區(qū)域干旱指標(biāo)差異很大，而且具有特定的時空尺度。干旱評估指標(biāo)決定了旱情指標(biāo)用來反映干旱的時空特性，但由于不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差別很大，受旱的原因和造成的危害也各不相同，且受氣候、地形地質(zhì)、水資源條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況等多種因素影響。為了更加深刻地認(rèn)識和準(zhǔn)確評估干旱的發(fā)展動態(tài)及其影響，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對干旱的強度等級等指標(biāo)進行了廣泛而又深入的研究。雖然各種定義的表述不盡相同，但是這些定義中都包含有干旱的核心內(nèi)容即水分缺乏[5]。一般而言，合理的干旱指標(biāo)首先應(yīng)該能夠精確地描述干旱的強度、范圍和起止時間;其次，指標(biāo)應(yīng)該包含明確的物理機制，充分考慮降水、蒸散發(fā)、徑流、滲透以及土壤特性等因素對水分狀況的影響;最后，指標(biāo)的實用性也是關(guān)系到它能否被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。在全球、區(qū)域尺度等普遍應(yīng)用的旱情指數(shù)有帕爾默干旱指數(shù)(palmer drought severity index，PDSI)、地表供水指數(shù)(surface water supply index， SWSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)等。

由于干旱具有隨機性、不確定性、動態(tài)性等多維特征，干旱的度量是比較困難的，其發(fā)生發(fā)展乃至結(jié)束時間是模糊不清的。由于干旱的復(fù)雜性與差異性，客觀判斷和評估干旱事件的時空分布特征至關(guān)重要。通常，干旱采用嚴(yán)重(缺水)程度、持續(xù)時間和影響面積三維特征進行衡量。因此，一次干旱事件可采用干旱嚴(yán)重程度、持續(xù)時間和影響面積等特征變量進行量化表征。一般，通過構(gòu)建某一干旱指數(shù)進行干旱識別，再依據(jù)干旱指數(shù)的閾值水平劃分確定干旱事件的起止時間、持續(xù)時間、干旱強度、干旱面積等特征變量(圖2.2)[14-16]。以SPI干旱指數(shù)為例，一個干旱事件可以從以下特征進行描述:①干旱開始時間(t b):表示水資源短缺時期的開始，即干旱的開始。②干旱終止時間(t e):表示水資源短缺達(dá)到最嚴(yán)重的時候，并得到較大程度的緩解，干旱狀況不再持續(xù)發(fā)展。③干旱持續(xù)時間(Duration，D d):以年、月、周、日等不同時間尺度表達(dá)持續(xù)時間(干旱起始和終止之間的時間間隔)，在此期間干旱特征參數(shù)連續(xù)低于臨界水平，也是反映旱情的一個重要指標(biāo)。④干旱嚴(yán)重程度(S d:陰影面積):它表示累計水分虧缺程度(低于臨界水平)的干旱參數(shù)，是反映干旱導(dǎo)致某地區(qū)的缺水程度，是用于描述一場干旱的主要旱情指標(biāo)之一。⑤干旱強度(I d):它是低于臨界水平的平均值，它是干旱嚴(yán)重程度與干旱持續(xù)時間的比值。干旱過程內(nèi)所有持續(xù)時間的SPI指數(shù)為輕旱以上的干旱等級之和，其值越小干旱過程越強。⑥影響面積(Area:A1、A2、A3):通常將干旱涉及(影響)的最大范圍(面積)，干旱面積是反映旱情重要指標(biāo)之一。依據(jù)高精度格點的水文氣象與遙感資料建立全球或區(qū)域的海-陸-氣格點空間分布數(shù)據(jù)集，識別干旱發(fā)生空間范圍。設(shè)置面積閾值，提取包含干旱發(fā)生范圍的干旱事件。