有关干旱指标一些问题的探讨

过去我们讲干旱指标，经典的指标是降水量和蒸发量的比较，严格讲是年蒸发能力和降水量的比值R，当比值小于一的时候该地区被视为具有降水积蓄为湿润气候，当比值大于一的时候视为没有降水蓄积，蒸发能力超过降水量所以是干旱气候。在笔者做学生时，学过的指标是，当R值在1.0—1.5时是轻度干旱，在1.5—2.0时是中度干旱，在2.0—4.0时是重度干旱，在4.0以上的时候是极度干旱。但是在实践中，我们发现了更多的干旱问题，这些干旱问题是这个较为简单的指标不能够解释和解决的。

这个指标的优点在于：它强调了降雨量和蒸发量的关系，而忽略了降雨量的绝对值。也就是说象青藏高原，虽然它的降雨量很小，但是由于气温很低，年蒸发能力能力也很低，甚至有时候低于年降水量，因此也可以视为湿润地区。从现实中看到，在青藏高原上的确有许多湖泊，这些湖泊都是降水剩余的积淀。尤其是近三十年，据观测近三十年西藏的降雨量和渭河流域所在的西北地区东部的情况恰好相反，降雨量一直在增加，增加速率为1.5～66.5毫米/10年《西藏降水量每10年增10.9毫米》（http://news.sohu.com/20090429/n263696777.shtml）。又例如，东北地区年降水量甚至比中原地区低，但是有些地区却可以视为湿润地区。相反在中原地区，虽然年降雨量甚至可能超过700毫米，但是依然可以视为干旱地区。但是这个指标也有许多缺点，第一个缺点就是蒸发能力并不是蒸发量，也不是一个观测值，而是一个观测后的估算值。由于蒸发受到了许许多多条件的限制，所以在同样一个地区，阳坡和阴坡的蒸发观测值不同，有风和无风的观测值不同，阴天和晴天的观测值不同，纬度不同观测值不同，距离地面远近不同观测值不同，海拔不同观测值不同，一年四季的观测日不同观测值不同，365天抽取的观测样本大小不同观测值不同，观测地区空气的相对湿度不同观测的蒸发量不同。所以年蒸发量实际上是一个估算值。尤其是当降水量全部蒸发后已经没有液态水可以用来蒸发，所以到底蒸发了多少是由人的观测和估算确定的，所以干旱指数有人为估算的成分在其中，当然不可否认在极端干旱地区多个气象站观测数据的平均值应该是比较科学的。第二个缺点是降水指标本身只能观测垂直降雨，不能说明和观测水平降雨。在实际当中我们观察到，在西北东部地区和中原地区的山上，只要有森林就会有持续的常年径流从山上下来，但是在荒山地区基本没有常年径流。以秦岭为例，秦岭北坡坡度很陡，高山的海拔基本在1200米以上，森林覆盖率和郁闭度都很高，秦岭上下来小河的径流量大，常年不停，包括我们观察的七八个小河，包括清姜河、瓦峪河、清水河、马尾河、茵香河、石坝河、晁峪河、塔稍河等，就算是最干旱的今年七月份也有河水。而相距只有三十公里以外的千山地区的河流许多已经干枯，差别非常明显。又例如，延安地区过去荒山光秃秃的，一直没有径流，这几年森林覆盖率大幅度提高，许多山谷重新有了径流。我在解释这种现象的时候找到的唯一的理由就是山区由于海拔高，森林覆盖率高，所以有利于形成水平降雨。但是一般来水气象站观测不到水平降雨。水平降雨的特点是不能形成降雨，但是能够形成径流，形成的径流水清，水量不大，但是持续时间长。科学家现在还没有很好的方法来观测到水平降雨这是一个天大的遗憾。第三个缺点就是这个指标无法确定缺水的绝对量和蓄积水的绝对量。绝对值在生物生长、人类社会、气候调节中非常重要，但是不能确切地知道其需求量和提供量的差值很遗憾。缺水的绝对量应该从总水量中减去径流量，然后把农业、工业、生活、森林和野生动植物的需求，地下水的补充都计算进去。第四个缺点就是无法精确地反映出一年中每个月每个节气的降雨的分布情况。有时候年降雨量很大，但是并不表示某个月的降雨量很大，所以一年中是湿润的，但是某个月是干旱的现象比较多。例如在南方，2010年春季长江都没有水，2008年长江142年来水最枯，守着长江没水喝。而在北方的大部分地区春旱是一个长期性问题。第五，干旱指数不能有效地反映出每次降雨的降雨量和降雨强度，因此不能用来预测洪涝灾害和旱灾。例如2013年8月4日陕西榆林一天的降雨量达到了63毫米，造成了严重的洪涝灾害，但是地下水的增加并不多，许多水变成了径流流走，8月下半旬重新出现干旱迹象。在关中地区每年都出现出现这种情况：一次强降雨不能有效解决干旱问题，洪灾和旱灾同时发生。这种突然的强降雨有一个指标来表示：降水变率。但是现在看来降水变率其实也是一个干旱指标，降水变率越大表示干旱程度越大，因为降水变率越大意味着一年的降雨可能在一天内下完，然后其他时间变为干旱时节，而强降雨产生的水变为径流流走，对于地下水的增加，对于湖泊的数量没有多少好处。对付降水变率大的地区的干旱的最为有效的方法就是修建水库、淤地坝，扩大湖泊，扩大湿地。第六，干旱指数不能有效地反映出生物的需水量和缺水量。生物的缺水主要在生长季节，北方即就是四月到十月，也不能反映出田间持水量的变化，所以这个指标实际上对农业生产的指导意义不大。这个问题也说明了一个问题：应该针对不同的生物，针对不同的生长季，提出具有生物针对性的干旱指标，已达到精准农业的目的。

基于以上对于干旱指标的认知，我个人认为可以把以下指标也确定为干旱指标：

1，月降雨频次和年降雨总次数。我们发现，同样的年降雨量，年降雨总次数越多，则干旱程度越低，对于工农业的好处越多，田间持水量越大，地下水渗透越多，径流越稳定，每次的降雨强度越小，造成洪水灾害的可能性越小。相反，则反之。

2，降水变率。降水变率越大，表示一次降雨成灾的可能性越大，其它时间持续干旱的可能性越大，地下水得到补充的可能性越小。

3，年降雨量的分布。年降雨量的分布情况对于是否干旱有重要意义，如果降雨集中在789三月，即中国北方的大多数情况，那么出现春旱和初夏旱情的可能性越大，即就是3—6月往往干旱。而9——12月不干旱的原因是仲夏降雨的持续利用；而一般12月有一定的冬雪补充，而且不是生长季，也不干旱。

4，降水距平或距平百分率

距平指计算期内降雨量与多年同期平均降雨量的差值，距平百分率指距平值与多年平均值的百分比值。降水距平大表示降水比往年减少，表示旱情开始。

5，径流系数

径流系数α（runoff coefficient）是一定汇水面积内总径流量（毫米）与降水量（毫米）的比值，是任意时段内的径流深度Y与造成该时段径流所对应的降水深度X的比值。径流系数说明在降水量中有多少水变成了径流，它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响。径流系数越大，说明地下水位越高，田间持水量越大，江河湖泊的水位越高，不需要补充水分，所以越是湿润。径流系数越小，说明地下水位越低，降水补充到地下越多，田间持水量越小，田间前期缺水越严重，江河湖泊的水位越低，补充水分越多，所以越是干旱。

6，连续无雨日数和连续降雨日数。连续无雨日数越多越干旱。

7，空气相对湿度。这是一个极容易观察，又容易判断的指标。一般40%就可以视为干旱。小于20%往往会引起静电放电。

所以，要综合地全面地认识干旱问题实际上不是一个指标能够解决所有问题的，需要多个指标权衡。这些东西都应该作为国家抗旱防洪指挥部的重要参考。

当然，有些行业和专家也制定了本行业行之有效的干旱指标，非常具有使用价值和参考价值，本人搜集了一篇文章附于后面作为参考。

附件：

干旱指标确定与等级划分

（声明：由于影响干旱的因素很多，造成干旱的原因不同，各地气候、地理条件差异很大，目前难以采用全国统一的干旱评判标准。本附录推出的指标、公式供在编制《抗旱预案》时作参考之用，各地也可选用本地区的研究成果。

1单一干旱指标

1．1气象干旱指标

1．1．1 连续无雨日数

指作物在正常生长期间，连续无有效降雨的天数。本指标主要指作物在水分临界期（关键生长期）的连续无有效降雨日数。

表1   作物生长需水关键期连续无有效降雨日数与干旱等级关系参考值

（单位：天）

注：无有效降水指日降水量<5毫米。

水分临界期指作物对水分最敏感的时期，即水分亏缺或过多对作物产量影响最大的生育期。

表2     不同作物的水分临界期

1．1．2 降水距平或距平百分率

距平指计算期内降雨量与多年同期平均降雨量的差值,距平百分率指距平值与多年平均值的百分比值。

中国中央气象台：单站连续三个月以上降水量比多年平均值偏少25%～50%为一般干旱，偏少50%～80%为重旱；连续两个月降水偏少50%～80%为一般干旱，偏少80%以上为重旱。

多站降水距平百分率干旱指标可参照下表确定。

表3     区域降水距平百分率（％）与相应的干旱等级

1．1．3 干燥程度

用大气单个要素或其要素组合反映空气干燥程度和干旱状况。如温度与湿度的组合，高温、低湿与强风的组合等，可用湿润系数反映。

湿润系数计算公式如下：

公式1：K1 = r / 0.10ΣT

式中：ΣT—为计算时段0℃以上活动积温（℃·日），

r—为同期降水量（毫米）。

公式2：K2 = 2r / E

式中：E—为小型蒸发皿的水面蒸发量（毫米）；

   r—为同期降水量（毫米）。

计算时，请参考当地的有关数据。

表4   干燥程度与干旱等级的划分

1．2水文干旱指标

1．2．1 水库蓄水量距平百分率

公式：Ik=(S-S0)/S0×100%

式中：S—为当前水库蓄水量（万立方米）;

S0—为同期多年平均蓄水量（万立方米）。

表5  水库蓄水量距平百分率（%）与干旱等级

1.2.2 河道来水量（指本区域内较大河流）的距平百分率

公式：Ir =(RW-R0)/R0×100%

式中：RW—当前江河流量（立方米每秒）；

R0—多年同期平均流量（立方米每秒）。

表6  河道来水量距平百分率与干旱等级

1．2．3 地下水埋深下降值

公式：Dr=Dw-D0，

式中：Dw—当前地下水埋深均值（米）；

D0—上年同期地下水埋深均值或有观测记录以来累积下降值，（米）。

表7   地下水埋深下降程度

1．3农业干旱指标

1．3．1 土壤相对湿度

公式：RW＝Wc/W0×100%

式中：RW—土壤相对湿度（%）；

Wc—当前的土壤重量或体积含水量（%）；

W0—与Wc相同单位的田间持水量（%）。

（播种期土层厚度按0～20厘米考虑；生长关键期按0～60厘米考虑。）

表8  土壤相对湿度与农业干旱等级

1．3． 2 作物受旱（水田缺水）面积百分比：

公式：SI＝A1/A0×100%

式中：A1—区域内作物受旱（水田缺水）面积（万亩）；

A0—区域内作物种植（水田）总面积（万亩）。

表9   作物受旱面积占总作物面积的百分比率与干旱等级

1．3．3 成灾面积百分比：指成灾面积与受旱面积的比值。

公式：Sz=Ac/A1×100%

式中：Ac—因旱农作物产量减少3成以上面积，（万亩）；

     A1—区域内作物受旱面积，（万亩）。

表10   成灾面积百分比与干旱等级

1．3．4 水田缺水率：

公式：WI =（Q0-Q1）/Q0×100%

式中：Q1—区域内各类水利工程能提供水稻灌溉的可用水量（万立方米）；

     Q0—区域内水稻灌溉需水量（万立方米）。

表11  水田缺水率与干旱等级

1．3．5 水浇地失灌率

公式：RI＝In／Ia ×100%

式中：In—区域内不能正常灌溉的面积，

Ia—区域正常有效灌溉面积。

表12    水浇地失灌率与干旱等级

1．4 牧区干旱指标

1．4．1 冬季干旱（北方牧区黑灾）：无积雪日数持续时间占冬季日数百分比。

公式：Cd =(Ds/Dw)×100%

式中：Ds—冬季无积雪持续日数；

Dw—冬季日数。

表13  无积雪日数与牧区冬季干旱（黑灾）程度

还可参考冬季无效降雪持续时间划分牧区冬旱等级。

表14    无效降雪日数与牧区冬旱等级

1．4．2 春旱：返青期牧草返青面积占常年全部草地面积的百分比。

公式：Rn=(Gn/G)×100%

式中：Gn—返青草地面积（亩）；

G—全部草地面积（亩）。

表15   牧草返青面积比与牧区春旱等级

1．4．3 夏秋旱：牧草产量与常年同期比较的相对值。

公式：Rg =(Wg/W0)×100%

式中：Wg—当年牧草产量（公斤/亩）；

W0—常年同期牧草产量（公斤/亩）。

表16   牧草相对产量与牧区夏秋旱等级

1． 5 饮水困难指标

农村人畜饮水困难率指标定义如下：

公式：Y=Rk/Rz×100%

式中：RK—因旱造成农村临时饮水困难人（畜）数，（万人、万头）；

 Rz—农村受旱地区人（畜）总数，（万人、万头）。

农村人畜饮水困难标准：指居民点到取水点的水平距离大于1公里或垂直高差超过100米，正常年份连续缺水70～-100天；人均日生活供水量正常年份为20～-35升，干旱年份为12～-20升；水质达到国家规定的生活饮用水标准。

1．6 生态干旱

因目前干旱对生态环境造成的影响研究较少，涉及植被、水文、土壤等各个方面，各地情况差异很大，建议用文字进行描述。

1．7 城市干旱指标

可用缺水率来表示

公式：P=[(Cx-Cg)/Cx] ×100%

式中：Cx—城市正常日供水量（万立方米）；

Cg—干旱时期城市实际日供水量（万立方米）。

表17  城市干旱缺水程度

2  综合干旱指数

利用综合指数对干旱进行评判，目前多在探讨阶段，推荐几个指标体系供交流或试用。

2．1 雨养农业区的多重降水距平率的计算方法

该方法可用于很少灌溉的山区和雨养农业区的当前干旱程度评估，如内蒙古及长城沿线旱作区、黄土高原旱作区、以及南方的丘陵山区。各区域还须根据各地情况确定具体的算法和权重以得出等级指标。它可以很好地反映气候干旱对农业生产和社会生活的影响，不足之处是不能反映一次降水量过大时的径流损失和上游的补给，以及用水量增加引起的旱情变化。

公式：RDRI＝f1×DRI1＋f2×DRI2＋f3×DRI3＋f4×DRI4＋f5×DRI5＋f6×DRI6＋f7×DRI7

其中Σfi＝1，DRI1为短期干旱指数，DRI2为中期干旱指数，DRI3为长期干旱指数，DRI4为年度干旱指数，DRI5为跨年度干旱指数，DRI6为连年干旱指数，DRI7为未来干旱指数。建议值：f1为0.3，f2为0.2，f3~～f7余均为0.1。

（1）短期干旱指数  DRI1 = [(Rf1－Rm1) / Rm1＋（kl－1）] /2

式中Rf1、Rm1和k1分别为评估前一个月的实际降水量、历年该月平均降水量和当前该月湿润指数，后者可用降水量与热量的比值表示。

为方便使用，热量条件可采用多年平均值：k1 = b×Rf1 / (T1m＋a)

其中a，b为经验系数，T1m为月平均气温，经调整使k1在月水分供求平衡为1，或采用1.1.3的计算方法。

（2）中期干旱指数  DRI2 = [(Rf3－Rm3) / Rm3＋（k3－1）]/2

式中Rf3、Rm3和k3分别为评估前三个月实际降水量、历年该三个月平均降水量和当前三个月的湿润指数。后者计算方法与当月类似，气温取三个月的平均温度之和。

（3）长期干旱指数  DRI3 = (Rf6－Rm6) / Rm6    

式中Rf6和Rm6分别为评估前6个月实际降水量和历年该6个月的平均降水量。

（4）年度干旱指数  DRI4 = (Rf12－Rm12) / Rm12

式中Rf12和Rm12分别为前1年(12个月)实际降水量和历年平均降水量。

（5）跨年度干旱指数  DRI5 = (Rf24/2－Rm24) / Rm24  

式中Rf24和Rm24分别为前2年(24个月)实际降水量和历年平均降水量。

（6）连年干旱指数  DRI6 = (Rf36/3－Rm36) / Rm36    

式中Rf36和Rm36分别为前3年(36个月)实际降水量和历年平均降水量。

（7）未来干旱指数  DRI7 = [(Rfn－Rmn)/Rmn＋（kn－1）]/2  

式中Rfn、Rmn和kn分别为今后一个月的预测降水量、历年该月平均降水量和预测该月的湿润指数。

各区域须根据各地的情况确定具体的算法、权重和等级指标。

（8）干旱指数的简化计算

如果一个地区常年降水条件下不出现干旱，即假设农业生产和其他用水已适应当地的气候条件，可采用最简便的方法计算干旱指数：

DRI＝(R3i－R3m)/R3m    

其中R3i为当年当时前三个月的降水量，R3m为同期30年以上的平均降水量。

表18   以综合干旱指数表示的干旱等级划分

2．2 补充灌溉区的干旱指标—四水距平率的计算方法

降水、土壤水、地表水和地下水的四水平衡体系可应用于以农业生产为主，生产中又需要用到地表水或地下水灌溉的区域，如东北平原南部、黄淮海平原和南方的水田。

公式：DRIr＝f1×DRI1＋f2×DRI2＋f3×DRI3＋f4×DRI4＋f5×DRI5＋f6×DRI6＋f7×DRI7

式中Σfi＝１，各分项的计算方法如下：

（1） 年度气候干旱指数  

DRI1= (Rf12－Rm12) / Rm12  

式中Rf12和Rm12分别为前1年(12个月)实际降水量和历年平均降水量。

（2） 土壤干旱指数      

DRI2 = (WC－WS)/(0.8×W0－WS)－1  

式中WC为平均土壤含水量，WS为凋萎湿度，W0为田间持水量，均以体积含水率表示。

（3） 地表水供水短缺指数  

DRI3 =[(Ti－W0)/(Tm－W0)]－1  

式中Ti为当前区域地表水资源总量，包括河流和水库、塘坝等；Ｗ0为不可利用水量，包括维持河道不断流和冲淤的必要流出量、湖库死水位量、生态系统保留量、已污染水量等。Tm为多年平均地表水量。

（4）地下水变动指数

   DRI4 = f×(DLm -DLi)    

DRI4为地下水埋深变化对干旱程度的影响指数，DLi为最近一次测定的平均地下水埋深，DLm为同期前五年平均值或其他参照值。F为调节系数,根据各地地下水影响程度而异,其确定原则为地下水埋深变化达到最大时使DRI4在-1和1之间.

（5）前期干旱指数

    DRI5 = [(Rf3－Rm3) / Rm3＋（k3－1）]/2  

式中Rf3、Rm3和k3分别为前三个月实际降水量、历年该三个月平均降水量和当前该三个月湿润指数，k3计算方法参照2.1和1.1.3选择区域内代表点采用三个月的温度和降水量计算。

（6）未来干旱指数

     DRI6 = [(Rfn－Rmn) / Rmn＋（kn－1）]/2

式中Rfn、Rmn和kn分别为后一个月预测降水量、历年该月平均降水量和预测该月湿润指数。选择区域内的代表点计算，kn计算方法参照2.1和1.1.3计算进行。

表19   补充灌溉区的干旱指标以综合干旱指数表示的干旱等级划分

3  干旱等级划分

为方便各地评判某一时段旱情的干旱程度（等级），我们将各个干旱单项指标汇集于下列综合表中，供各地参考。

建议各地视具体情况采用上述指标进行综合分析，以增加评判的准确性。

综合表1   雨养农业区

综合表2   灌溉农业区

综合表3    人畜饮水困难

综合表4    牧区干旱指标

综合表5   水田干旱指标