干旱传播研究进展与展望Ⅰ--干旱传播含义、特征、类型与研究方法.pdf
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1、干旱传播研究进展与展望干旱传播含义、特征、类型与研究方法智协飞1,2,田云涛1,2,陈昌春3,张余庆4(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室,南京210044;2.天气在线气象应用研究所,江苏无锡214000;3.南京信息工程大学地理科学学院,南京210044;4.淮阴师范学院城市与环境学院,江苏淮安223000)摘要:在回顾干旱传播概念和内涵的基础上,明确提出干旱传播全环节的详细定义,阐述干旱传播的累积、衰减、滞后及延长特征,并重点就累积性与滞后性提炼了有关进展。按干旱传播环节、干旱传播时空特征两种方法划分干旱传播的类型,从线性回归、对数函数、小波
2、分析、Copula 函数、因果分析、贝叶斯网络和随机森林 7 个方面、从单一水文模型模拟和多个模型集合模拟两大方面,分别归纳统计方法、水文模拟方法在干旱传播研究领域的应用。关键词:干旱传播;定义;特征;类型;方法;进展中图分类号:P343文献标志码:ADOI:10.13476/ki.nsbdqk.2023.0064干旱,由于世界各地水文气象变量和社会经济因素的差异,以及水需求的随机性,迄今尚无公认且精确的定义1。1992 年,世界气象组织将干旱定义为“长期缺乏或明显缺乏降水”或“一段异常干燥的天气,其持续时间足以导致降水不足,从而导致严重的水文失衡”2。1994 年,联合国防治干旱和荒漠化公约
3、3-4称:“干旱是指当降水量显著低于正常记录水平时出现的自然现象,造成严重的水文失衡,对土地资源生产系统产生不利影响”。干旱一般分为 4 种类型:气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱5。其中:气象干旱主要是长期降水短缺导致的干旱;水文干旱表现为径流减少以及地下水位下降;农业干旱一般指土壤含水量长期不足导致作物减产甚至死亡;社会经济干旱表现为上述 3 种干旱类型对社会与经济造成严重影响(如生活用水、农业用水和工业用水等)。气象干旱的发生与存在会导致水资源缺乏,相应地对生态、农业生产和社会经济发展等造成明显的影响。例如,2022 年 7 月至 11 月上半月,长江流域降水异常偏少、极端高温天
4、气持续,中旱以上日数为 77 天,为有完整实测资料以来最严重的气象水文干旱,极端高温干旱对相关地区农业生产、人畜饮水、电力供应、生态环境等造成严重影响。旱情峰值时,四川、重庆、湖北、湖南、江西等 12 省(自治区、直辖市)3978 万人受灾,701.4 万人因旱情需生活救助,农作物受灾面积 427 万 hm2,直接经济损失 408.5 亿元6。近年来,研究不同类型干旱之间的传递过程及特征的新概念干旱传播,受到了国内外学者的注意,并取得了不少成果。简单来说,干旱传播主要指从气象干旱到农业干旱以及水文干旱间的传播过程。干旱传播已逐渐成为国内外干旱领域的前沿和热点之一7-8。干旱传播研究尚处于一个起
5、步探索阶段,其理论基础与研究方法还有待完善。比如干旱传播概念界定不够全面及特征描述不清、研究思路与框架单一、干旱传播机制与规律仍不清收稿日期:2022-05-10修回日期:2023-05-10网络出版时间:2023-07-10网络出版地址:https:/ 年,美国麻省理工学院的 Eltahir 等14最早将“传播(propagation)”一词及动态的“droughtspropagate”用于表述气象干旱演变为水文干旱的过程,以刻画长期降水短缺造成水循环异常,及其导致土壤含水量降低和地下水位下降的现象15-16。2001 年,Marani 等17提及了“droughtsthatpropagat
6、e”。2001 年,Stahl18绘制了“水文循环中干旱的传播(propagationofdrought)流程图”。2003 年,Peters等19-20使用“干旱的传播”研究了干旱从地下水补给到排泄的传播以及含水层特征对干旱的影响、干旱在半干旱和亚湿润气候条件下的地下水传播。2003年底,Peters21首次明确提出“droughtpropagation(干旱传播)”这一表述,并对英国 Pang 流域与西班牙Upper-Guadiana 流域的地下水干旱传播做了系统的研究22。她一并指出,已有地下水干旱传播研究中“Eltahir 等的 1999 年论文是最有价值的”。2006 年,VanLa
7、nen23采用“干旱传播”作为标题,探讨水循环过程中的干旱传播,研究了不同气候区(西班牙和荷兰)的地下水补给对干旱传播的影响。1.2干旱传播的含义干旱传播,大体可以理解为异常气象、水文特征等,渐次传播导致不同类型干旱传递或传播的过程。与“传播”字面上比较直白与容易理解有关,不少研究中直接使用,一般未显性地强调明确的“干旱传播”定义。然而,其实际且主要的含义从产生到后来基本上是稳定的,即 Eltahir 等的 1999 年文章中所指的气象干旱演变为农业干旱(一般以土壤水分表征)及水文干旱的传递过程14,24或简化形式“气象干旱到水文干旱”25。Peters 针对“干旱”缺少确切而普遍的定义1,2
8、003 年在其博士论文中特别用了一个小节“4.2Definitionofdroughtevents”进行界定21,但未提及“干旱传播”的定义问题。总之,上述早期研究中缺乏“干旱传播”的专门与明确的定义。后来一些近似定义的显性概括或表述,包括2010 年 Tallaksen 等26用括号备注的“气象干旱到水文干旱”、2012 年 VanLoon 等27使用“所谓的干旱传播(气象干旱到水文干旱)”、2017 年 Apurv 等28的转述性概括“气象干旱到水文干旱的转化”等。可视为接近明确定义的表述,是 2013 年 VanLoon16归纳已有研究并指出的“干旱传播表示干旱信号在水文循环的陆地部分转
9、移时的变化”以及他自己对干旱传播一语的严格限定“异常气象条件向水文干旱的转换”。Li 等29把 VanLoon 的观点转述为“干旱传播是指在整个水文循环的陆地部分,干旱信号从异常气象条件向水文干旱的变化。”2018年,Wu 等30基于“气象干旱至水文干旱”对干旱传播所涉及的历时、量级和峰值强度等具体指标进行了定义。2020 年,Bhardwaj 等31称“干旱传播是指干旱期(水分)缺乏的加强及期末的恢复”。2022年,有综述文章32称“通过相互关联的陆地水文循环(即土壤、地表水和地下水系统),异常水文气候变量得以发展(如降水不足、大气蒸发需求(AED)增强或蒸散增加)的概念通常被称为干旱传播”
10、,并指出干旱传播也表示干旱信号在水和能量循环的多个过程中的转换。2022 年,Fuentes33粗略地称“干旱传播可以定义为不同子系统中干旱反应的延迟”。鉴于“干旱传播”迄今比较缺少明确且面向全环节的直接“定义”,为便于国内外学术交流,本文作者建议在“干旱传播是指在整个水文循环的陆地部分中,干旱信号从异常气象条件向水文干旱的变化”等的基础上,将干旱传播定义为“干旱传播是指在整个水文循环的陆地部分,干旱信号从异常气象条件向农业干旱(含土壤水分干旱)、水文干旱、生态干旱、社会经济干旱等的转移与传播。”干旱传播在中文文献中也被译作“干旱传递”34-37,含义与“干旱传播”相同,只是“干旱传播”当前更
11、为通用。有文章38将“droughttransmission”作为“干旱传播”的同义语使用,或使用“transmission”(此词在英文中有“传输、传递”之意)表示“(干旱)传播”39-40。“干旱传播”与水文学研究中常用的“水文响应”在含义上有同有异。“水文响应”一般指地理环境变化引起的水文变化或水文响应41-43,不局限于以气象干旱作为自变量。其中研究气象干旱的水文响应的著述,多与干旱传播有关。关于“droughtpropagation”当前并存的两种汉译“干旱传播”与“干旱传递”,结合全球变化第21卷第4期南水北调与水利科技(中英文)2023年 8 月626背景下多尺度干旱过程及预测研
12、究进展等文44-45作者的表述及相关文献等,笔者征求了干旱传播研究者王文、黄生志、吴杰峰等的意见,共同认为“干旱传递”比“干旱传播”更适合表达不同类型干旱在时间上前后环节的转移与传递过程。相比之下,“干旱传播”更适合用于表达同一干旱类型在空间上的迁移与扩散过程,比如气象干旱、水文干旱各自在空间的传播。为保持行文风格的一致,本文主要使用“干旱传播”对中外干旱传播、干旱传递研究成果一并进行回顾与展望。1.3干旱传播的特征从现有文献及研究9,12,27看,干旱传播主要包括以下 4 个特征:累积。多次气象干旱累积发展成持续时间更长的农业、水文干旱。衰减。在气象干旱初期,流域水储量较大时会对农业、水文干
13、旱的发展有一定的抑制作用。滞后。不同类型干旱之间的传播存在时间上的滞后。延长。气象干旱传播为持续时间更长的农业、水文干旱。累积和延长往往受到气候因素和地表因素的共同控制;滞后和衰减主要受地表及流域因素,如水文调节作用等的控制。下面就累积性与滞后性两项的研究情况举一些例子。关于累积性,Sattar 等46用干旱传播响应率来衡量水文干旱对气象干旱的响应程度,用一定时间内水文干旱事件数量与气象干旱数量的比值来表示。Guo 等47考虑到多个气象干旱传播为一个水文干旱的可能,提出了一种“修正干旱传播率”(触发水文干旱的气象干旱次数与气象干旱总次数的比值),认为比值越大,证明农业、水文干旱对于气象干旱的响
14、应越强。关于滞后性,主要集中于对滞后时间的研究,包括气象干旱和农业、水文干旱之间不同时段或者不同阶段(如发生、发展、持续、峰值和结束)之间的滞后时间32,48-49。滞后时间可以通过不同类型不同时间尺度干旱表征量(如气象、农业和水文变量序列或相关的干旱指数)的相关性得出50-51,或是借助游程理论识别不同类型的干旱事件,将所识别的不同类型干旱事件进行对应和匹配,得出相应的滞后时间52。滞后时间越短,表明干旱传播的响应速度越快。对于特定干旱传播类型(如气象干旱传播至水文干旱)可以通过相应干旱类型的频次、持续时间和严重程度等进行综合表征53。1.4干旱传播的类型干旱传播的类型可以根据不同指标进行分
15、类,比如按传播环节和按传播时空特征等分类。1.4.1按干旱传播环节分类干旱传播的环节,现有研究文章多为“气象干旱到农业干旱的传播”与“气象干旱到水文干旱的传播”。气候变化下的干旱传播综述研究:特征、方法、过程、控制因素32分为“至农业干旱的传播、至水文干旱的传播、至环境干旱的传播”。张强等45指出,在大气降水累计亏缺的前提下就必然会出现气象干旱,然后会经历气象干旱农业干旱水文干旱生态干旱社会经济干旱这样一个链条式传递过程,农业干旱、水文干旱、生态干旱和社会经济干旱的内部发展进程中也存在明显的传递过程。本文试按全环节归纳为以下 4 类:至农业干旱(土壤干旱)的传播。此项指气象干旱传播至农业干旱(
16、土壤干旱)。农业干旱往往用土壤水分亏损或干旱表征,可视作狭义的农业干旱。土壤水分之外表征农业干旱的叶片特征与作物长势、产量等的农业干旱表现,可视作广义的农业干旱,或可归入“生态干旱”范畴,比如,安雪丽等54就“土壤相对湿度(RSM)与标准化植被指数(SVI)、站点农气灾情数据及产量数据的关系,探究了土壤相对湿度对东北地区农业干旱的监测能力”,其中的有关指标均可视作农业干旱的范畴。至水文干旱的传播。此项指气象干旱传播至水文干旱。它可细分为:至地表径流的传播;至地下水的传播。至生态干旱的传播。此项指气象干旱经农业干旱或水文干旱传播到生态干旱。生态干旱,亦有学者称为“环境干旱”。Crausbay等5
17、5-56认为,为了应对 21 世纪的干旱风险,需要定义新的干旱类型,将生态干旱定义为“一种间歇性的供水不足,并导致生态系统超过其脆弱性阈值,影响生态系统服务,并在自然和/或人类系统中触发反馈”。至社会经济干旱的传播。此项指气象干旱经农业干旱或水文干旱及生态干旱传播至社会经济干旱。相比而言,经济干旱比较容易度量,社会干旱有时不易度量,细分“经济干旱、社会干旱”并进行相应的干旱传播研究是有益的,即:至经济干旱的传播;至社会干旱的传播。智协飞,等干旱传播研究进展与展望干旱传播含义、特征、类型与研究方法6271.4.2依时空特性分类干旱传播可以根据时间维与空间维区分为时序干旱传播、空间干旱传播。此种分
18、类比较简略,意在强调不同类型干旱转换的时空特征。时序干旱传播。时序干旱传播主要是基于时间轴探讨不同干旱传播类型间的转移与传播,近年来出现了大量研究成果。这也是干旱传播研究的主流领域。比如,Ho 等57把“最大水文干旱区对最大气象干旱区的响应时间”作为“(干旱)时间迁移(传播时间)值,并认为次月尺度的估计值适用于对骤发干旱的详细分析。空间干旱传播。空间干旱传播是基于空间角度(如传播方向、距离和范围等参数)由一地向另一地的传播。以空间干旱传播作为明确研究内容的成果目前较少,但在逐步增加之中24,57-59。值得指出的是,与时序干旱传播相比,空间干旱传播侧重表示同一类型干旱在空间的移动与传播,但也可
19、以用于研究不同干旱类型之间的时空传递关系。现有的空间干旱传播,主要指同类型干旱在空间上的传播,尤以气象干旱传播的研究居多。地表水干旱传播到地下水干旱,尽管同是水文干旱,但仍存在两小类(即地表水干旱、地下水干旱)在时间与空间的传播。气象干旱或水文干旱的单旱种空间传播,虽然此前不少文献并未显性地使用“干旱传播”表述,但可视作空间干旱传播的研究成果。有多篇文章使用“droughtmigration”表达与探讨空间范围的干旱迁移60。如,1999 年马宗晋等61探讨了亚非地区地震和干旱向东定向迁移的机制,英文标题中使用了“migrationofearthquakesanddroughts”。2001
20、年,Hu 等62在英文文章中采用“干旱迁移(droughtmigration)”研究了我国东部和美国西部百年尺度旱涝变化的南移。2干旱传播的研究方法干旱传播的研究方法涉及诸多研究内容,包括干旱的识别、干旱指数的选取等。限于篇幅,本文对干旱指数的详情不多作介绍。关于干旱传播研究方法的分类,Zhang 等32分为统计方法、水文模型,并将统计方法再分为相关性分析、游程理论、响应函数。Wu 等63从传播阈值计算的角度分为游程理论法、相关性分析法、非线性响应法。本文结合现有分类方法,采用统计方法和水文模拟方法两大类,将统计方法分为相关性分析、游程理论、统计模型、将水文模拟方法分为单一水文模型模拟、多个模
21、型集合模拟,对干旱传播研究中所用方法进行归纳与介绍。2.1统计方法统计方法中,包括相关性分析、游程理论、回归模型、Copula 函数、小波分析、因果分析、神经网络和随机森林及其他机器学习算法、智能算法等,在干旱传播研究中逐渐得到了比较多的应用。本小节按相关性分析、游程理论、统计模型分别归纳与介绍干旱传播研究中的主要统计方法。2.1.1相关性分析相关性分析在干旱传播滞后性及传播时间上有广泛的应用。此外,相关性分析也是回归模型、小波分析等其他统计模型分析的前期工作。气象干旱至农业、水文干旱的传播及相关性分析,在当前研究中比较集中。以下就相关性分析在干旱传播领域的应用情况进行阐述:Lorenzo-l
22、acruz等64利用皮尔逊相关系数确定与标准化河川径流指数(SSI)相关性最好的标准化降水指数(SPI)的时间尺度,作为水文干旱对累积降水亏缺的响应时间。韩会明等65在赣江流域气象干旱至水文干旱的传播研究中,分别计算 124 个月尺度的 SPEI(标准化降水蒸散指数)、SPI与标准化径流指数(SRI)之间的 Pearson相关系数,将 SPEI-i、SPI-i 与 SRI-1 之间相关性最强时刻作为对应的传播时间尺度 i。Zhao 等66发现,我国南方湘江流域的 SPEI 和 SRI 之间有很强的相关性,2 个月尺度的Pearson 相关性最强,旱季的相关性比雨季更强。相恺政等50以海河流域为
23、例发现气象干旱向农业干旱的传播时间存在季节性差异,夏季和秋季较短,春季和冬季较长。Zhou 等67发现在珠江流域的 5个子区域气象干旱向水文干旱传播时间为 26 个月。Zhang 等68通过研究长江、黄河流域气象、农业、水文干旱之间的相关性,发现气象干旱与农业干旱相关性更强,夏季和秋季的气象干旱向农业干旱传播时间短于冬季和春季,长江流域的传播时间比黄河流域更长。2.1.2游程理论在干旱传播研究中,干旱事件的识别往往需要先行。游程理论(runtheory)及相关的阈值分析,在干旱的识别、判别方面具有重要作用。根据游程理论,如果某一周期干旱事件的干旱指数值低于阈值第21卷第4期南水北调与水利科技(
24、中英文)2023年 8 月628水平,则认为游程为负游程,干旱事件发生69-70。具体来说,假设给定值来截取一个随时间变化的离散系列 Xt,当 Xt在一个或多个时段内连续大于 X 时出现正游程;而当 Xt连续小于 X 时则出现负游程。在干旱研究中,把负游程的长度称作干旱历时即干旱开始至结束时间的长度;负游程的总量称为干旱烈度,也称干旱的严重程度,即干旱历时内所有小于截断水平值的累积之和71。阈值分析是旱涝灾害研究中的重要手段,也是游程理论识别干旱的关键指标。阈值法可分绝对阈值(固定阈值、恒定阈值)与相对阈值(可变阈值)。绝对阈值是指选取某一固定值作为极端事件中极值的阈值。相对阈值,当前国际上使
25、用比较广泛的方法有两类:一是分位数法(注:多用百分位)72;二是基于极值理论的参数估计算法,包括广义极值分布(GEV)、广义帕累托分布(GPD)等方法73。Heudorfer等74按恒定阈值与变量阈值两种分类法对德国不同阈值水平的干旱传播分析方法进行了比较,认为其在不同情形下各有其优缺点,需要仔细权衡。确定阈值后,通过游程理论可以提取不同类型干旱事件的发生时间、结束时间、持续时间和强度等特征,可以确定不同类型干旱事件之间的时间差即滞后时间57,75。下面按绝对阈值法与相对阈值法分别归纳其在干旱传播领域中的应用:绝对阈值法。绝对阈值是固定不变的,由于其计算简便,在干旱传播中的应用广泛。恒定阈值法
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