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(guó)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(dòng)的各個(gè)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(guò)了其他氣象災(zāi)害[1]。在我國(guó)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(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，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(guó)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(guó)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(zhǎng)及其帶來(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)用水量的成倍增長(zhǎng)等，加劇了對(duì)地表水資源的爭(zhēng)奪。另外，水質(zhì)污染、地下水的過(guò)量開采都將加重干旱帶來(lái)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(cè)和評(píng)估干旱給生產(chǎn)帶來(lái)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(zhǎng)期地、持續(xù)地缺乏降水[6]；聯(lián)合國(guó)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(duì)干旱的定義側(cè)重降水的缺少，但它沒(méi)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(píng)價(jià)不同區(qū)域(比如沙漠和濕潤(rùn)區(qū))干旱程度時(shí)可能引起曲解。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織從影響的后果定義干旱，引入了作物不缺水時(shí)的產(chǎn)量這一無(wú)法直接測(cè)量的變量，所以很難準(zhǔn)確測(cè)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(gè)區(qū)域水文條件明顯偏離常態(tài)”[8]。Palmer這個(gè)思想后來(lái)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(lái)越多的行業(yè)指標(biāo)所接納。問(wèn)題是對(duì)于干旱開始的標(biāo)志、持續(xù)的時(shí)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(shí)間。通常的解決方法是設(shè)定一個(gè)固定的閾值[11]，但這個(gè)閾值會(huì)隨著區(qū)域的不同或者季節(jié)的不同而變化，很難用一個(gè)統(tǒng)一固定的數(shù)值準(zhǔn)確界定干旱的開始和持續(xù)時(shí)間。并且干旱帶來(lái)的損失難以用一個(gè)干旱指數(shù)來(lái)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(shí)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(gè)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(duì)象是農(nóng)作物，農(nóng)作物生產(chǎn)深受人類活動(dòng)和環(huán)境條件的影響，最終產(chǎn)量波動(dòng)(災(zāi)損)是生產(chǎn)者主動(dòng)活動(dòng)和自然環(huán)境客觀波動(dòng)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(dòng)，決定了產(chǎn)量對(duì)天氣環(huán)境波動(dòng)的敏感性，使產(chǎn)量面對(duì)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(cè)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(zhǎng)發(fā)育、管理措施等均存在一定程度的時(shí)空差異，表征干旱的參數(shù)或指數(shù)只能通過(guò)抽樣或代表站統(tǒng)計(jì)間接而來(lái)。若將農(nóng)田尺度建立的模型簡(jiǎn)單移植到區(qū)域尺度的干旱監(jiān)測(cè)或評(píng)估，會(huì)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(lái)源比較復(fù)雜。農(nóng)田耗散水的來(lái)源有自然降水、江河水庫(kù)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(huì)滲漏一部分，而滲漏量比例會(huì)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(zhēng)奪時(shí)，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(cè)分析的失真。第四，在評(píng)估農(nóng)業(yè)減產(chǎn)損失時(shí)難以區(qū)分干旱和其他災(zāi)害影響損失。作物生長(zhǎng)受多種環(huán)境因素制約，當(dāng)生長(zhǎng)季內(nèi)遭受兩種以上災(zāi)害時(shí)，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(shí)可能出現(xiàn)熱害或者干熱風(fēng)災(zāi)害，此時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單有效的指數(shù)來(lái)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(lái)一段時(shí)間可支配水資源對(duì)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(duì)總體產(chǎn)量的影響程度。為此國(guó)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(lái)量化干旱。更加準(zhǔn)確合理的干旱指數(shù)對(duì)表征當(dāng)前干旱程度和影響程度，對(duì)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(duì)此展開了深入的研究，設(shè)計(jì)了一系列干旱指數(shù)來(lái)量化干旱。從應(yīng)用行業(yè)來(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)干旱指數(shù)。本文僅針對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)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(guò)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(shí)間較短，難以獲取其他地區(qū)氣象資料，這時(shí)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(gè)時(shí)期的干旱指數(shù)以連續(xù)無(wú)雨日數(shù)[12]、不同時(shí)間尺度降水距平或累計(jì)降水距平、氣候干燥度等簡(jiǎn)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(gè)方面的問(wèn)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(guó)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(duì)地表水分收支平衡沒(méi)有反映[12]。這兩個(gè)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(duì)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(gè)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(guò)動(dòng)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(cè)區(qū)域干旱程度[16]，并且對(duì)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(guò)程中需要確定土壤的持水量、時(shí)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(guó)這種幅員遼闊、臺(tái)站稀少、地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大范圍干旱監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)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(shí)間尺度的降水來(lái)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(shí)段的降水量服從Person Ⅲ型分布,后對(duì)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(shí)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(duì)當(dāng)?shù)亟邓L(zhǎng)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(lái)看，溫度和降水共同影響干旱，PDSI中兩者對(duì)干旱指數(shù)波動(dòng)具有相近的貢獻(xiàn)率[16]。SPI未考慮溫度對(duì)干旱的強(qiáng)化作用，在評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)，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(wèn)題[21]。SPEI集合了以上兩個(gè)指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既融合了降水和溫度對(duì)于區(qū)域干旱的影響，同時(shí)具有多時(shí)間和多空間尺度的特性，因此可以對(duì)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(shí)也考慮了溫度波動(dòng)對(duì)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(duì)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(guò)程中構(gòu)建了簡(jiǎn)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(duì)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(shì)的監(jiān)測(cè)。不論是SPI還是SPEI，都存在一個(gè)時(shí)間分辨率不夠精細(xì)的問(wèn)題，通常只能適用于月以上的監(jiān)測(cè)尺度。這一方面是由于短時(shí)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(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)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(wèn)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(guó)家氣候中心用于全國(guó)干旱監(jiān)測(cè)的綜合氣象干旱監(jiān)測(cè)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(duì)濕潤(rùn)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(cè)時(shí)的不合理跳躍，并利用作物系數(shù)Kc來(lái)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(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)項(xiàng)，又含有反映不同時(shí)間內(nèi)降水偏離常態(tài)的項(xiàng)；但在空間干旱監(jiān)測(cè)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(shí)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(guò)災(zāi)損來(lái)評(píng)價(jià)災(zāi)害嚴(yán)重程度，但這種結(jié)果評(píng)價(jià)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(shí)監(jiān)測(cè)或評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)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(lái)，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(duì)濕度、有效水分儲(chǔ)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(shí)即認(rèn)定為沒(méi)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(guò)程，進(jìn)而影響產(chǎn)量時(shí)為干旱開始。作物對(duì)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(duì)干旱認(rèn)識(shí)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(dòng)態(tài)模擬土壤水分模型[33]?？傊?，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(shì)影響，在空間上變異較大，觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)代表范圍往往較小，僅依靠幾個(gè)測(cè)點(diǎn)反映區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱往往帶來(lái)較大偏差。

為開展氣象為農(nóng)服務(wù)，中國(guó)氣象局從2009年開始了土壤水分自動(dòng)化觀測(cè)站點(diǎn)建設(shè)，截至2017年底，已有2038個(gè)站點(diǎn)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。全國(guó)土壤水分自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)的建成，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)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(cè)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(duì)作物生理生態(tài)的影響，如作物形態(tài)指標(biāo)、葉片水勢(shì)、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(dòng)的基礎(chǔ)，一旦缺水將迅速影響植物生理、生化、生態(tài)活動(dòng)。植物生理活動(dòng)的變化會(huì)通過(guò)植株形態(tài)反映出來(lái)，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(shí)主觀性強(qiáng)，難以比較，而且形態(tài)上出現(xiàn)干旱時(shí)，作物生長(zhǎng)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(dòng)的指標(biāo)如葉片水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度、傷流量等被用來(lái)反映作物受旱程度。這些指標(biāo)往往依靠?jī)x器設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室測(cè)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?，這類指標(biāo)指數(shù)非常直觀，符合人類認(rèn)識(shí)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(shí)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(cè)站點(diǎn)的代表性，難以進(jìn)行時(shí)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(cè)的對(duì)象又可以分為4種：一是通過(guò)微波(SAR)或者熱慣量來(lái)估測(cè)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(guò)監(jiān)測(cè)植被指數(shù)的偏差來(lái)表征作物形態(tài)或長(zhǎng)勢(shì)[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(duì)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(guò)監(jiān)測(cè)冠層溫度的變化來(lái)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(shí)間和一定空間上的連續(xù)性監(jiān)測(cè)；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(wèn)題，時(shí)間分辨率精度不高[5,42]。GRACE衛(wèi)星通過(guò)測(cè)量全球重力場(chǎng)時(shí)間變化信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地水儲(chǔ)量變化的監(jiān)測(cè)，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(gè)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(chǔ)量、蒸散量和土壤濕度等參量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性，很好地補(bǔ)充了地面觀測(cè)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(shí)間監(jiān)測(cè)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(lái)說(shuō)，一般會(huì)有時(shí)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(zhǎng)，作物對(duì)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(shí)間分辨率。

其次，在氣象干旱指數(shù)中，蒸散的計(jì)算方式對(duì)干旱指數(shù)的波動(dòng)貢獻(xiàn)較小[45]，但在農(nóng)業(yè)干旱中蒸散估算的偏差會(huì)導(dǎo)致對(duì)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(huì)對(duì)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(guó)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(zhǎng)，降水卻成為制約作物生長(zhǎng)的限制因子，所以我國(guó)很多地方有十年九旱之說(shuō)。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(duì)降水或降水蒸散差進(jìn)行擬合，取不同重現(xiàn)期對(duì)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(cè)量工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且觀測(cè)站在表征區(qū)域干旱狀況時(shí)的代表性差，所以決策者和科學(xué)家們希望尋求一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)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(shí)段和強(qiáng)度概念，但在監(jiān)測(cè)與評(píng)估區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱時(shí)，修訂的氣象干旱指數(shù)仍然是當(dāng)前最簡(jiǎn)便且有效的手段。用來(lái)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(gè)特點(diǎn)。

一是應(yīng)具備良好的時(shí)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(zhǎng)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(shí)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(shí)，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(guó)大約有一半的農(nóng)田屬于灌溉農(nóng)田，灌溉水的來(lái)源有地下水、地表蓄水等。在干旱指數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮不同空間或者時(shí)間尺度上灌溉水分對(duì)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(duì)穩(wěn)定的閾值來(lái)識(shí)別干旱，從而測(cè)定干旱持續(xù)時(shí)間、極端強(qiáng)度、累積強(qiáng)度，這3項(xiàng)特征是準(zhǔn)確評(píng)估生產(chǎn)損失的關(guān)鍵。

為滿足農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)時(shí)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(duì)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(cè)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(duì)不同對(duì)象、不同時(shí)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>