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1、美国20世纪干旱指数评述 Richard R.Heim Jr 译者简介：周跃武（1961-），男，甘肃张掖，助研，主要从事人影及灾害性天气的野外观测与研究。E-mail: 2、受科技部公益类项目 20004DIB5J192 中国干旱气象灾害监测预警方法研究经费资助。(NOAA/National Climate Data Center, Asheville, North Carolina,USA) Abstract由于没有对干旱现象的充分定义，干旱监测和分析长期受到影响。在过去两个世纪，干旱指数由基于降水短缺的简单方法逐渐发展到针对具体问题的更复杂的模式。19世纪后期和20世纪初干旱指数研究集中
2、于以下几个方面：某一时段的正常降水百分率，降水小于某一阈值的连续天数，以降水和温度为变量的公式，和以持续降水短缺作为因子的各种模式。1965年Palmer以Thornthwaite蒸散量作为需水量，提出了基于水平衡的干旱指数，它是干旱研究史上的里程碑，至今仍在广泛应用。1960年代以来干旱指数的研究进展主要包括：地表供水指数，它结合了积雪、水库蓄水、流量和高海拔降水，因而弥补了Palmer指数的不足；用于火灾监控的Keetch-Byram干旱指数；标准降水指数(SPI)和采用全球卫星植被观测的植被条件指数。这些模式随着新资料的出现而不断发展。20世纪末研发出干旱监测工具(DM)，它结合Palm
3、er指数和其它几个（后Palmer）指数得出全美国干旱条件的统一评估。本文对干旱指数作了历史性回顾，有助于对Palmer指数复杂性和干旱测量本质的理解。 历史上干旱不断给人类文明造成灾难。从文明的基础农业到运输业、城市供水和现代化工业，干旱影响自然生命、生态系统和许多经济社会部门。由于干旱影响的范围广泛，地域和时间分布多样，以及人们对供水系统的不同需求使干旱的单一定义很难提出。 美国气象学会(AMS 1997)将干旱定义和类型分为四类：气象干旱或气候干旱、农业干旱、水文干旱、和社会经济干旱。长期（几个月或几年）的气象干旱（大气条件导致降水减少或无降水）可迅速开始和突然结束（有些情况下转换几乎可
4、在一夜间完成）。短期（几个星期）农业干旱指地表层（植物根系区）在作物生长关键期发生的干旱，即使深层土壤水份饱和，也可导致严重的作物减产。高温、低湿和干热风常常加重干旱少雨的影响(Condra 1994)。农业干旱的爆发可晚于气象干旱，这取决于前期的地表土壤层水份状况。长期降水短缺影响地表或次地表供水，使河流流量、地表水、水库蓄水和湖水减少，导致水文干旱，它在气象干旱结束后将持续一段较长时间。社会经济干旱将某些经济商品的供需与气象、农业和水文干旱相联系。不同类型干旱之间的关系是复杂的，例如，流量是在描述许多供水活动，如水力发电、休假消费和农业灌溉（那里的作物生长和收成主要依赖河流的浇灌）中分析干
5、旱的关键变量。因此，国际气象界一般将干旱定义为“长时期缺乏降水或降水明显短缺”，“降水短缺导致某方面的活动缺水”，或“由于缺少降水，异常干的天气时段持续到引起水文失衡”。(世界气象组织WMO 1992;AMS 1997)。 为比较不同地区的干旱和干旱事件，需要一些数字标准。然而，由于干旱定义的明显不同，不可能设计统一的干旱指数。另一方面，由于干旱的特点和其对经济部门的广泛影响，干旱效果的定量化非常困难。由于干旱的复杂性，没有哪个单一指标能够充分表述干旱的强度和危害以及对不同用户的潜在影响。 AMS(1997)提出供需的时空过程是两个应该包含在干旱的客观定义和干旱指数定义中的基本过程。WMO定义
6、干旱指数为“与长期累积效果和异常水份短缺相关的指数”。(WMO 1992)。Friedman(1957)明确了任何干旱指数应符合的4个基本标准：（1）时间尺度应与所考虑问题匹配；（2）指数应是大尺度长期持续干旱的定量度量；（3）指数应对所研究的问题有使用价值；（4）指数应具有或能计算出长期精确的历史记录；用于干旱监测业务时应加上第5个标准：（5）指数应能在短期内或实时地计算出。例如，对长期古气候研究有用的指数（如基于冰川和冲积证据的指数，基于海洋和湖泊沉积物，树木年轮和花粉分析，或历史文献和作物年产量这样的间接证据的指数），由于古气候指数的性质和根据实时业务要求收集古气候资料的困难，它可能不能
7、用于干旱业务监测。仅有几个个例（如，埃及尼罗河流量记录），其指数不但在古气候研究中有用，也能用于干旱业务监测。 针对干旱影响的部门和地区、特殊的应用和对其理解的程度之不同，在美国已提出了许多干旱定量的方法，其中W.Palmer在20世纪中叶提出的复杂水平衡模式是干旱指数发展史上的转折点。相对20世纪初的方法而言，Palmer指数是很大的改进，但它仍有自身内在的缺点（这些问题随后进行讨论）。后-Palmer方案包括现代指数，如地表供水指数(SWSI)、标准降水指数(SPI)和干旱监测指数(DM)。表1给出二十世纪美国主要干旱指数的概述。本文通过聚焦美国干旱指数的发展史，给出过去一百年我们对干旱认
8、识的演变历程。早期的干旱指数 所有干旱类型的共同之处在于因缺少降水对某些活动或某些方面造成缺水的事实(Wilhite和Glantz 1985)。两百年前已有可靠的降水观测，因此，所有干旱指数和干旱定义都包括降水这一变量或其与其它气象要素的组合(WMO 1975)。 早期的气象干旱定义均结合某一时段内降水的某种测量值(Tannehill 1974;WMO 1975a;Wilhite和Glantz 1985)。一旦所定义的干旱标准成立干旱即发生，该指数随之成为干旱时段和/或强度的度量。表1、本文讨论的主要干旱指数指数 提出时间 分析的变量；应用Munger指数 1916 24小时无1.27mm以上
9、降水的时段；森林火险可比日度量Kincer指数 1919 24小时降水小于6.35mm的大于等于30天的持续天数；季节分布图Marcovitch指数 1930 气温和降水；豆虫的气候条件Blumenstock指数 1942 干旱持续天数，当48小时降水达2.54mm时干旱结束；短期干旱前期降水指数 1954 降水；其倒数形式用于洪水预报充足水份指数 1957 降水和土壤水份；农业干旱Palmer指数 1965 水平衡模式分析中的降水和温度；(PDSI和PHDI) 气象和水文干旱的时空比较作物水份指数 1968 水平衡模式分析中的降水和温度；农业干旱Keetch-Byrum干旱指数 1968 水
10、平衡模式分析中的降水和土壤水份；用于火灾管控地表供水指数 1981 积雪，水库蓄水，流量和降水；主要为（美国）西部流域计算；统计特性未被充分分析和理解标准降水指数 1993 降水；测量干旱期和湿润期的降水短缺、“正常”百分比、不可超值概率、而且各种时间尺度的SPI具有潜在不同的特性植被条件指数 1995 卫星AVHRR辐射（可见光和近红外）；测量植被“健康”状况干旱监测产品 1999 将各种干旱指数和辅助指标集合为周的干旱监测图；多种用途 水文干旱指数大多基于河流流量，因为这一变量概括为并且就是各分水岭和各流域重要水文气象过程的副产品。在包括河流流速的水文学研究中，有必要区分总流量中的两个分量
11、：直接径流和基流(Linsley等人1985)。直接或地表径流指由地表面流淌掉的雨水。它在降水后出现并流入河流，在水文图中反映为洪峰点。基流是地下水排泄进河流的结果，地下水面与该流域的河道在此相交。基流也称为地下水流和干燥天气水流(Linsley等人1958)，在水文图上表示为退洪点。为抵消直接径流洪峰的影响，干旱研究采用的流量资料依赖基流观测或某时段的平均流量（如，月流量或年流量） (Yevjevich 1967；Dracup等人1980；Frick等人1990)。 在20世纪的头十年，美国天气局(U.S.WB)将干旱定义为任何21天或更长天数期间发生的降水等于或少于此间正常值的30%(He
12、nry 1906；Steila 1987)。干旱度量在那时经常是累积降水短缺，或相对于常值的累积偏差。早期干旱标准的其它例子如下：（1） 连续15天无降水；（2） 21天或更多天数降水少于常值的1/3；（3） 年降水量少于常值的75%；（4） 月降水量少于常值的60%；（5） 任何（天数的）降水量少于常值的85%。 直到1957年，Friedman采用年降水作为他研究德克萨斯州干旱的干旱指数。类似的标准在其它国家也被采用，例如：（1） 英国：连续15天降水少于0.25mm(或1.0mm)；（2） 印度：一周降水量为常值的一半或更少，或者有效季节降水的短缺超过均方差的两倍；（3） 俄罗斯：10天
13、的总降水量不到5mm；（4） 巴厘岛：6天无降水；（5） 利比亚：年降水量少于180mm。 上述大多数定义/指标只在特定地区和对特殊用途有效。某一地区得出的指数在其它地区可能不适用，因为世界各地产生干旱的气象条件变化很大，例如，度量气象干旱强度的指数不能很好地用于农业、水文或其它领域。 很早就有人认识到这些不足之处(Abbe 1894；Henry 1906)，例如，研究农业干旱指数遇到的问题，包括考虑植被、土壤类型（它决定土壤持水量）、前期土壤水份和受风速、气温、湿度影响的蒸散的作用。当时这些气候要素并未普遍观测，或无法被引入干旱指数。例如，Abbe(1894)指出：“从农业角度看，干旱不仅是
14、降水短缺，而是作物生长可利用水的短缺。因此影响农业的干旱是许多因素的复杂结果。所以，无论从农业还是工业的角度，统一的严格的干旱强度定义是不切实际的。”在美国天气局的公报Q：美国气候学一书中，Henry(1906)总结道，“一般而言，仅仅依靠气候统计不能给出（农业）干旱的时段和强度的精确概念，特别需要当地植被条件的补充观测。” 20世纪前半叶，科学家们集中努力，解决这些存在的问题并不断研发与专业应用相关的干旱指数。 Munger(1916)提出一个年际和地区间可比较的森林火险的客观度量指数。在确定透雨的频率是西北太平洋地区火灾的最重要影响因子后，Munger用24小时降水量少于1.27mm的连续天数作为他的干旱指数。他指出干旱对森林植被的烘烤效果并非直接与干旱的时间成正比。他假设干旱的强度与干旱持续时间的平方成正比。Munger设计了表示干旱强度的图示技术(图1和图2；Munger指数与其它指数的对比)。该技术采用直角三角形的面积，它的高和底均与干旱时间成正比，数学表达如下：
