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基于Reconnaissance干旱指数（RDI）的区域干旱评估

摘要：区域干旱评估通常是根据干旱指数来确定干旱强度、持续时间和区域范围的。本研究提出一种新的指标，即Reconnaissance干旱指数（RDI），相比于已知的标准化降水指数（SPI）和十位数法，新指标显示出独特的优势，因为它除了降水之外，还包括一个额外的气象参数-潜在蒸散量。利用上述指数对希腊的Mornos和Nestos两个流域进行干旱评估，结论是，虽然RDI呈现出与SPI相似的结果（在较小程度上与十分位数相似），但它对于环境变化更敏感、更适合。

关键词：气象干旱 干旱指数 Reconnaissance干旱指数（RDI） 十分位数 SPI Nestos河流域 Mornos河流域

1 介绍

干旱是一种反复出现的现象，影响着很多领域，很难对干旱作出单一的定义。根据水资源导向的定义，考虑到与一个地区的生物、经济和社会特征有关的用水需求，干旱是指供水可用性（相对于正常值）严重减少的一中随机情况，并沿显著周期延长。有人指出，确定严重减少、显著期（期间）和大面积的标准受到主观性的影响，因为它们即来自需要水平，也来自对水短缺的消极影响的认识。

人们普遍认为干旱是一种区域性现象，然而，资料是由选定的气象站收集的，这些气象站可被视为代表属于它们的地区（例如，泰森多边形），区域干旱的程度是通过这些影响区域的空间整合得到的。然后将干旱地区与一个称为“临界区域”的区域阈值进行比较（Tsakiris et al.2006）。

然而，这种方法忽视了以水文盆地为基础的水文过程，特别是对小盆地来说。更明显的是，干旱估计应以流域为单位，而不是以任何其他单位面积为单位。

干旱指数是干旱监测和评估的重要组成部分，因为它们简化了许多气候和气候相关参数之间的复杂相互关系，指数使得向不同的用户受众传达有关气候异常的信息变得更加容易，并允许科学家根据气候异常的强度、持续时间、频率和空间范围对其进行定量评估（Wilhite et al.2000）。这样就可以分析干旱的历史发生情况和估计复发的可能性。这些资料对于规划和设计与各种用途和环境有关的水资源发展计划的应用是很有用的。

2 干旱鉴定指标

标准化降水指数（SPI）是应用最广泛的干旱指数之一，由科罗拉多州立大学的McKee及其同事设计（McKee et al.1993）.它是建立在水资源系统每个部分在不同时间尺度上对降水不足做出反应。

SPI具有以下有利的特点:（a）它与概率有独特的关系；（b）SPI中使用的降水可以用来计算当期的降水赤字和当前的i月的平均降水（c）SPI是正态分布，因此它可以用于监控湿期和旱期。

另一个广泛使用的气象指数是吉布斯和马特（1967）提出的降雨量十分位数。该指数将长期降水记录的降水布列划分为该分布的十分之一，每一类都被称为都被称为十分位数。如果总和落在三个月总量历史分布的最低十分之一以内，则认为该地区处于干旱状态，当（a）过去一个月的降水量已经将3个月的总降水量置于或高于第四个十分位，或（b）过去3个月的总降水量位于或高于低8个十分位时，干旱结束。

除了这些指数之外，还建议使用run分析作为确定干旱期和评价干旱统计特性的一种客观方法。根据这种方法，干旱期与“负运行”重合，“负运行”是指一个选定的水文变量保持在选定的截断水位或阈值以下的连续间隔数。

这种阈值可以使非周期（例如，年度）平稳时间序列的固定值，也可以是平稳周期序列的季节性变化截断水平。通常假设每个时间间隔内的截断电平等于所涉变数的长期平均数（或中位数），而其他可能的选择包括平均数的一部分（Clausen and Pearson 1995），即与给定的非超过概率相对应的值（Zelenhasic and Salvai 1987; Correia et al. 1987）或定义为低于均值一个标准差的水平（Ben-Zvi 1987）。在任何情况下，阈值的选择都应被认为是水需求水平的代表（Yevjevich et al. 1983; Rossi et al. 1992）

3侦察干旱指数(RDI)

在系统地研究了用于确定和评估气象干旱严重程度的各种指标后，得出结论认为，虽然所有这些指标都是有用的，但确没有一项指标具有普遍适用性。然而，在过去的十年中，SPI变得很受欢迎由于其较少的数据需求。

MEDROPLAN的协调会议(Tsakiris 2004)首次提出了一种新的侦察干旱识别和评估指标，而其他出版物则提出了更为全面的描述(Tsakiris和Vangelis 2005;Tsakiris et al. 2006)。

该指数称为侦察干旱指数(RDI)，可由下列表达式计算:为说明起见，先提出年度表达式。第一个表达式称为RDI (ao)的初值。按月时间步长以汇总形式显示，可按水文年的每个月或全年计算。ao通常按年计算第i年，计算方法如下:

其中Pij 和PETij是第i年第j个月的降水量和潜在蒸散发量，根据地中海国家的习惯，通常从10月开始，N是可获得数据的总年数。

第二个表达式，归一化RDI（RDIn）使用以下等式计算每年，其中显然参数ao是针对N年数据计算的ao值的算术平均值。

第三个表达式是标准化RDI (RDIst)，其计算过程与SPI计算过程类似；标准化RDI的表达式为:

yk是算术平均值，b syk是标准差。

值得注意的是，上面的表达式是基于ao值遵循对数正态分布的假设。标准化RDI的做法类似于SPI，对结果的解释也是一样的。因此，RDIst可以与SPI相同的阈值进行比较。

对数正态分布的条件不受约束，但它有助于来设计一个独特的过程，而不是仅依赖于概率分布的各种过程函数，因此它最适合数据处理。然而，RDIn数据遵循对数正态分布的假设却是最合适的。在RDI建立过程中分析的所有实例中，拟合优度检验均证实对数正态分布与数据吻合良好。

应该强调的是，RDI是基于降水量和潜在蒸散发的。平均初始指数ao代表该地区的正常气候条件，并且等于粮农组织提出的干旱度指数。

其中，RDI的一些优点如下:

1. 就物理而言，它计算了降水和大气蒸发需求之间的累积赤字。

2. 可以计算任意一段时间(如1个月、2个月等)。

3.计算总是得到一个有意义的数字。

4. 它可以有效地与农业干旱联系起来。

5. 它与该区域的气候条件直接有关，每年的数值可以与粮农组织的干旱指数直接进行比较。

6. 它可以用于“气候不稳定”条件下，考察与水资源短缺有关的气候因素的各种变化的意义。

从上述优点可以得出结论，RDI是一个理想的指数，可用于一般的干旱严重程度侦察评估，在地中海等一个大的地理区域内提供可比较的结果。

应该指出的是，地中海的干旱通常伴有高温，这会导致较高的蒸发蒸腾速率。这方面的证据来自希腊许多流域每月的降水量和蒸散发数据。从分析的案例来看，大约90%的案例符合这个特点(Tsakiris and Vangelis 2005)。因此，RDI预期较仅与降水有关的指标，如SPI，更为敏感。

RDI可以计算从1个月到全年的任何时间段，甚至可以从不同于地中海习惯的10月份开始计算。如果分析期间与研究地区主要作物的生长季节相吻合，或者与作物生长的敏感阶段有关的其他时期相吻合，就可以得出非常显著的结果。然后，RDI可以成功地与雨养作物生产的预期损失相关联，而雨养作物生产的预期损失又与由于干旱发生而在农业部门出现的预期危险相关联。

从以往的研究中可以看出，降水量(以及SPI)与农业生产没有显著的相关性(Tsakiris and Vangelis 2005)。然而，将潜在蒸散发(PET)纳入RDI的计算中，增强了其在干旱发生导致的农业风险评估研究中的有效性。

同样，PET可能是除农业以外的各个部门消耗的代表性量值。如果气温升高，水的需求量一般会增加。因此，可以对RDI进行修改，以便在今后作为与用水的各个部门有关的干旱风险评估的指标。

4案例研究1: 摩诺斯盆地

摩诺斯河流域位于希腊中部。整个流域面积1025平方公里，研究区域面积571平方公里。研究区域是一个水坝所在地的河流分水岭，水坝建于70年代末，为雅典及周围地区地区提供饮用水。

研究区域多山，平均海拔1020米。母岩为复理石和石灰岩，土壤为粘壤土和壤土。

流域年平均降水量为1140毫米，降水量范围从863毫米(Lidoriki站，海拔537米)到1360毫米(Pyra站，海拔1140米)。本研究使用的数据来自1962-2001年。由Doorenbos和Pruitt(1977)修正的Penman方法计算的年平均PET在1229 mm (Pyra站)和1348 mm (Lidoriki站)之间变化。

根据FAO干旱指数，我们研究的地区可被描述为潮湿地区。

采用Run方法，以降水为基础，计算研究时段和研究区域的水分亏缺。run方法的结果如图1所示，其中还显示了所选气象站和相应的泰森多边形。

在1987-1995年期间，Pentagi站的赤字最高(3 449毫米)。这也是最严重的干旱期，持续了8年。然而，2000-2001年(557.5毫米/年)同一站的年平均干旱强度最强，而1987-1995年平均干旱强度为431.1毫米/年。

图2通过水文时间序列展示了多边形对整个流域的影响。显而易见，自1987年以来的大部分年间，莫诺斯盆地都遭受干旱。

图1 Mornos盆地各站水文序列确定的干旱及其特征

图2 Mornos盆地的干旱识别特征

认为临界区突变量为盆地的25%。根据径流理论，整个流域的水亏缺情况如图3所示。

根据研究需要，按标准程序计算干旱指数SPI、十分位数和RDI。利用泰森多边形计算了整个流域的干旱指数，如图4所示。从这些图中，我们可以假设所有的指数的特征或多或少都是相似的。

图3 Mornos盆地干旱期间的亏缺情况

图4 Mornos盆地年度干旱识别

a十分位数、b SPI、c RDI平均化、d标准化RDI

RDI与其他两个指标之间的相关性令人满意。RDI与十分位数的线性相关系数为0.90， RDI与SPI的系数相同，为0.98。这可能是由于在本文早期报道的年度PET变化很小。但是，如果比较图4b和d，可以在RDI和SPI的值之间可以观察到细微的差异。

5案例研究2:Nestos盆地

Mesta-Nestos是保加利亚和希腊之间的一个跨界盆地。整个Mesta-Nestos盆地面积为5.751平方公里，其中2.314平方公里位于希腊，其余部分位于保加利亚。我们研究的是盆地的希腊部分。

除内斯托斯三角洲平原外，内斯托斯集水区的主要地形为交替的山谷和山脊序列。就集水区的地质而言，内斯特斯盆地的山区由变质岩(弹珠岩、片麻岩、片岩)、火成岩和第四纪至近代的矿床组成。

研究区域1962-1996年平均年降水量为864毫米，范围为544毫米(Chryssoupoli站)至969毫米(Sidironero站)。月降水量和气温数据可在流域内10个站点获得。根据Penman方法计算的年平均PET从660 mm (Sidironero站)到820 mm (Chryssoupoli站)不等。

根据FAO干旱指数，该盆地可分为北部湿润区和南部半湿润区。

图5 Nestos流域各站水文序列确定的干旱及其特征

图6 Nestos流域的区域干旱识别

按照同样的方法，图5、图6和图7显示了run方法的结果、1964-1998年期间研究区域的干旱面积百分比和干旱发生期间的赤字。

在图5中，盆地被划分为泰森多边形，给出了所有测站的运行方法的结果。

在1988-1994年期间，格里索波利站的赤字最高(1137毫米)。更严重的干旱持续了8年，1986-1994年和1988-1996年分别影响了Achladia站和Ptelea站。然而,

图7 Nestos流域干旱期间的赤字。

图8 Nestos盆地年度干旱识别

a十分位数、b SPI、c RDI正常化、d标准化RDI

图9 确定了Mornos盆地ao的干旱程度

在1984-1985年(261.5毫米/年)的水文年内，在波塔米站观测到最大干旱强度。

干旱指数(十分位数，SPI, RDI)是根据流域的平均海拔(760毫米)以及流域的每个站点，使用泰森多边形计算的。图8显示1994 - 1965年至1994-1995年期间该盆地干旱指数的演变情况。

各种干旱指数之间一致性的统计测量表明，虽然它们得出的数字不尽相同，但它们的表现或多或少是相同的的方式。SPI与标准RDI之间的差异可能是由于计算RDI时使用了额外的气象参数(PET)。

与Mornos盆地的情况一样，标准化的RDI与Nestos盆地的十分位和SPI有令人满意的相关性。RDI与十分位数的相关系数为0.87,RDI与SPI的相关系数为0.90。

图10 确定了Nestos盆地ao的干旱程度

6讨论和结束语

“大气需求”参数由Penman (Allen et al. 1997)提出的参考作物的PET来表示，或者仅仅是参考作物的蒸散发(Monteith 1981)来表示。PET也可以用其他经验方法计算，以尽量减少所需的数据。常用的索恩韦特法或布兰尼-克里德尔法适用于地中海地区。根据Thornthwaite方法

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