干旱驱动机制与模拟评估

本书系统探讨了气象干旱、水文干旱和农业干旱的形成机理和驱动机制，构建了干旱评估指标与方法，提出了气候变化和人类活动影响下流域和区域尺度分布式干旱模拟与评估方法，并以海河流域北系、渭河流域、澜沧江-湄公河流域和全国尺度为典型研究案例，模拟和评估了流域和区域尺度气象干旱、水文干旱和农业干旱演变规律，提出了我国干旱综合应对战略。

前言
第1章 干旱问题及其研究进展 1
1.1 干旱问题与发展形势 1
1.2 干旱驱动与评估研究进展 6
1.3 干旱研究亟待解决的问题 16
第2章 干旱形成机理与驱动机制 18
2.1 干旱基本概念及形成机理 18
2.2 气象干旱驱动机制 22
2.3 水文干旱驱动机制 25
2.4 农业干旱驱动机制 29
2.5 气象、水文和农业干旱关联关系 31
第3章 区域干旱评估指标与方法 34
3.1 区域干旱评估框架 34
3.2 干旱指标 36
3.3 区域干旱识别 41
3.4 区域干旱特征指标计算 43
3.5 区域干旱特征统计分析 47
3.6 干旱驱动因子定量辨识方法 50
第4章 流域尺度分布式干旱模拟与评估 58
4.1 流域尺度分布式干旱模拟与评估框架 58
4.2 流域水循环主要物理过程 59
4.3 流域水循环单元离散方法 66
4.4 流域水循环过程基本原理 72
4.5 流域分布式水循环模拟模型——WACM模型 101
第5章 区域大尺度干旱模拟与评估 121
5.1 区域大尺度干旱模拟与评估框架 121
5.2 区域大尺度水量平衡模型构建与优化 124
5.3 区域大尺度干旱评估模型构建 129
第6章 区域气候模式与干旱评估 137
6.1 气候模式 137
6.2 区域气候模式RegCM3 138
6.3 区域气候模式与干旱模拟 147
第7章 人类活动影响下流域干旱模拟与评估 152
7.1 海河流域北系干旱模拟与评估 152
7.2 渭河流域干旱模拟与评估 221
第8章 气候变化影响下流域干旱模拟与评估 235
8.1 研究区概况 235
8.2 流域水文气象要素变化趋势 237
8.3 区域气候模拟与预估 250
8.4 基于区域气候模式的流域农业干旱模拟与预估 257
8.5 变化环境下流域水文干旱定量评估 264
第9章 中国干旱时空变化特征与综合应对 291
9.1 全国尺度干旱评估模型构建 291
9.2 中国干旱时空变化特征 304
9.3 中国农业干旱灾害时空特征 325
9.4 中国干旱综合应对 344
参考文献 362

    靠前章 干旱问题及其研究进展
    1.1 干旱问题与发展形势
    干旱问题古来有之，是人类历目前分布很为广泛的自然灾害之一，优选超过一半的陆地表面遭受干旱的严重威胁，干旱不仅是导致生态系统与环境恶化的重要因素，也是饮水安全、粮食安全、经济社会发展的重要障碍。近年来，气候变化影响不断加剧，干旱频率、强度和持续时间呈显著增大态势(Mishra and Singh，2010)，1968~1972年，从非洲萨赫勒和苏丹开始，发生了一场几乎蔓延全世界的大干旱，涵盖西非大陆、东亚、东南亚、苏联欧洲部分、美洲中南部、大洋洲等地区，给多个领域造成严重后果，特别是粮食、饮水和能源领域(WMO，2016)。未来几十年，干旱形势依然严峻，研究预测认为，未来优选大部分地区因蒸发量增加和土壤水分减少，干旱化趋势明显，持续干旱将对非洲、东南亚、南欧等地区，以及澳大利亚、巴西、智利和美国等国家造成严重影响(IPCC，2012)。与此同时，在人口持续增长、城市不断扩张、经济规模不断加大，以及优选气候变化和人类活动交织影响下，预计未来温室气体排放量仍将持续增加，干旱面积仍将显著扩大(Yi et al.，2014)，尤其是干旱半干旱区面积将会加速扩张，且主要发生在发展中国家，使其面临土地进一步退化、加剧贫穷的风险(Huang et al.，2015)。干旱影响具有显著的累积效应，已然成为制约未来经济社会可持续发展的重要因素之一，如何科学应对和管理成为当前面临的迫切问题。
    1.1.1 中国历史干旱问题回顾
    中国特殊的地理气候条件，决定了降水年内时空分布不均、年际变化大，且历来是一个旱灾频发的国家。据中国水旱灾害公报不接近统计结果，自公元前206年至1949年的2155年间，干旱灾害有1056次，其中造成10万人以上死亡的水旱灾害时有发生(国家防汛抗旱总指挥部和中华人民共和国水利部，2007)。其中，北方干旱发生较多，受旱和成灾面积大，且发生连续多年干旱，灾情比较严重。1489~1948年的479年间，全国重大旱灾年共有51年，其中10个以上的省(自治区、直辖市)范围内遭受旱灾的年数有35年，1528~1529年、1637~1642年、1874~1879年、1899~1900年、1928~1930年、1941~1943年为持续特大干旱年段。在此期间还有1785年、1835年、1920年、1943年等重旱年。
    从历朝历代灾害发生情况来看，据史料记载，早在夏代末年(公元前1809年前后)，伊洛河流域遭遇大旱，造成“伊洛竭而夏亡”，旱灾成为夏衰落的重要原因(邓拓和冯天瑜，2012；光明网，2010)。商朝成汤十八年至二十四年(公元前1766~前1760年)，连续七年大旱，导致河流干涸、井水枯竭，造成“赤地千里，民无死所，白骨遍野”的凄惨景象；商末再次出现大旱饥荒，以至于当时的文王所在之周原，不得不将都城迁徙至程邑，三年后才从程邑迁回封邑；西周末期、春秋末期至战国初期，也是旱灾较为集中的时期，其中周朝末年(公元前803~前780年)，连续旱灾与大地震交织，直接加速了西周的衰亡(刘继刚和袁祖亮，2008)。秦汉时期，旱灾记录全部出现在两汉，共123次，其中西汉46次、东汉77次(焦培民等，2009)，汉武帝时期是旱灾较多的一段时期(公元前141~前87年)，发生大旱14次，其中元封元年至元封六年(公元前110~前105年)，6年间5年发生大旱，随后发生连续4年蝗灾(公元前105~前102年)，农业荒废，百姓困顿，人口大减(张文华，2003)；至王莽建平四年(公元前3年)，“连年久旱，亡有平岁，北边及青徐地，人相食？？？？饥民死者十七八”。魏晋南北朝时期(张美莉，2009)，200年间发生旱灾112次，3年及3年以上的连旱出现9次，晋怀帝永嘉三年(公元309年)，遭遇大旱，长江、汉水、黄河、洛水皆干，可轻易涉水而过，直接诱发“永嘉之乱”。隋唐五代时期(闵祥鹏和袁祖亮，2008)，旱灾发生186次，尤其是唐朝后期，开始进入季风异常的干旱少雨期，其中大和三年到开成五年(829~840年)出现连续12年的旱灾记录，此外该时期区域政治经济的变迁也对旱灾的出现产生了明显影响，突出表现为唐朝中后期淮南、江南人口、税赋比重大幅提升，该地区旱灾记录也显著增加。宋代由于气候进入干冷期，其旱灾频度与广度较唐代时期更胜，320年间发生旱灾259次，其中宋太宗瑞拱二年至淳化三年(989~992年)，河南、山东、河北多地连续大旱，北宋明道二年(1033年)，南方大旱，百姓流离失所，饥荒成灾(邱云飞和袁祖亮，2008)。元代1260~1360年，104年中有89年发生旱灾，且大旱灾、长时间旱灾很多，如元中期(1326~1330年)连续五年大旱，范围遍及河北、河南、山西、陕西等地，导致流民达200多万，疫病大作，死亡众多(和付强和袁祖亮，2009)。明代时期旱灾无论是频次还是强度、广度皆胜以往，202年间发生旱灾728次，很长连旱达34年，超过9年的连旱发生了6次，很有名的就是明末“崇祯大旱”，直接加快了明朝的覆亡(邱云飞等，2009)。清代时期，有242年发生旱灾，大小旱灾共计625次，山东、浙江、湖北、河北四省旱灾很为频繁，康熙时期旱灾很为集中，影响上则以光绪时期的“丁戊奇荒”(1876~1878年)和乾隆五十年(1785年)很为突出，其中“丁戊奇荒”受旱范围涉及山西、河南、直隶①、山东等地的285县，受影响人口多达2亿人，2000万人逃荒外地，1000万人死于饥荒和疫病(朱凤祥和袁祖亮，2009)。
    近现代以来，民国时期干旱广发、频发，加之国家动乱，经济贫弱，每遇旱情多成大灾，如1920年，山东、河南、山西、陕西、河北等省遭受40多年未遇的大旱，灾民2000万，死亡近50万人；1928~1929年，华北、西北、西南等13省区535县大旱，陕西全境受灾人口达940万人，死亡近250万人；1942年，中原大旱，仅河南一省饿死、病死者即达300万人。
    1.1.2 中国干旱发展现状与形势
    (1) 中国旱灾发展现状
    受优选气候变化的影响，近半个世纪以来中国大部分地区增温明显，北方地区尤为明显，我国的降水时空分布格局明显变化，尤其是在1980年前后，主要雨带由我国华北地区逐渐向长江流域和华南地区南移，北方地区尤其是黄淮海地区进入少雨阶段，干旱问题日益凸显，加上人类活动不断增强，干旱的影响范围和领域不断扩大，已从农业、农村发展到生态、城市，成为困扰区域经济社会发展的重大问题(国家防汛抗旱总指挥部办公室，2010)。
    据统计，1949年中华人民共和国成立以来，旱灾依然频发，几乎是无年不旱，其中1959~1961年、1978~1983年两次大范围高强度的干旱给国民经济发展及社会稳定造成重大影响。近60年来全国年平均受旱面积2087万hm2，其中成灾面积937万hm2，全国平均因旱损失粮食163亿kg/a，其中有13年发生严重干旱灾害，平均受旱面积达3466万hm2，成灾面积1760万hm2，干旱受灾率和成灾率分别以每10年1.7%和1.4%的速度在递增，特别是1990年以来，干旱影响范围明显扩张，其中，2000年和2001年是受旱成灾很为严重的年份，受灾率达36%以上，成灾率达22%以上，是1990年以来受旱成灾率优选年份，如图1-1所示(国家防汛抗旱总指挥部和中华人民共和国水利部，2012~2016；邱海军等，2013)。到2015年，全国供用水量已达到6103.2亿m3，干旱进一步加剧了我国水资源短缺矛盾，直接影响我国经济社会发展和公共安全。
    图1-1 我国1950~2015年干旱受灾与成灾面积
    (2) 中国干旱类型与时空分布
    中国干旱季节分布主要为春夏旱、春旱、夏秋旱和夏旱四个种类型，这四类干旱易发县数占全国县区总数的92.5%。其中，北方的易旱季节主要以春夏旱和春旱为主，共有1244个县易发生这两类干旱，占北方县区总数的83.5%，占全国县区总数的43.5%；南方则以夏秋旱和夏旱为主，共有706个县易发生这两类干旱，占南方县区总数的51.4%，占全国县区总数的24.7%。具体空间分布如下：
    春夏旱：主要分布在河北北部和东南部、山西全部、内蒙古大部分地区、辽宁和吉林的西部、黑龙江西南部和东北部、江苏北部、安徽北部和中东部、河南北部、湖北中东部、四川大部分地区、贵州中部、西藏东部和西部、陕西中部和北部、甘肃大部分地区、青海东部，以及宁夏和新疆的大部分地区。
    春旱：主要发生在北京和天津全部、河北东北部和西南部、内蒙古东北部、辽宁中部和东部、黑龙江中部和西北部、山东大部分地区、湖北中南部、湖南北部、广西西部和南部、贵州西部、云南西部和东南部、西藏中部和北部、青海中部和西部、宁夏北部，以及新疆中部。
    夏秋旱：主要发生在江苏东南部和西南部、浙江全部、安徽南部和中北部、江西中部和南部、河南南部、湖北北部、湖南中部和南部、广东北部、广西东部、重庆西部，以及四川东部。
    夏旱：主要分布在吉林中部和东部、江苏中南部、安徽西部和中南部、福建大部分地区、江西局部地区、山东东南部、湖北东南部和西南部、湖南西北部和东北部、重庆大部分秋、贵州东部、陕西南部、甘肃西北部，以及新疆北部。
    1.1.3 中国干旱灾害管理现状
    干旱灾害管理是指按照经济、社会可持续发展的原则，协调人与干旱之间的关系，理性地规范和调控干旱灾害的发生和发展过程，并增强自适应能力等一系列活动的总称(吕娟，2013)。早期的干旱管理都具有强烈的“临时”和“应急”色彩，主要是针对已经发生的干旱问题采取一些缓解性措施，随着社会的发展进步及其对干旱风险管理的需求，目前的干旱灾害已经逐步从“应急”走向“常态”，有关干旱的政策法规制定、干旱规划及预案编制，干旱监测系统建设、抗旱队伍建设及抗旱物资储备体系等相继展开，促进了我国干旱灾害管理的不断发展进步。
    (1) 干旱灾害管理机构设置
    在干旱灾害管理的政府机构设置方面，我国早期的干旱灾害的重灾区集中在农村和农业生产，因此抗旱的管理主要集中在这些方面。历朝历代在旱灾的预防和应对方面，通过仓储制度、荒政制度等积累了丰富的经验，早在汉代，仓储制度已经具有相当规模，除了设置国家大粮库太仓，各郡国、地方也都设置了地方粮库，在应对灾荒、战争等社会性饥荒发挥了重要作用。因而该制度历经千年，不断发展完善，到清朝康乾盛世成为历目前仓储制度发展的高峰。此外，政府还通过修建各种水利工程以减轻和预防洪旱灾害，如都江堰、郑国渠、白渠等。民国时期，设置了全国性的专职机构——赈灾委员会为代表的政府灾害应对体系，负责洪灾、旱灾等事宜，并制定了相应的法律法规，但受国情财力，区域之间、部门之间都难以协调，实际收效甚微。1949年，中华人民共和国成立后，逐步建立了门类齐全、按灾种划分的灾害分类管理系统，到20世纪60年代，我国抗旱管理的职能机构为农田水利局，先后由农业部、水利部、水利电力部主管。1971年，设置中央防汛抗旱指挥部，由总参谋部、国家计划委员会、商业部、交通部、农林部、财政部、水利电力部等组成，办事机构设在水利电力部。1977年，设置抗旱领导小组，由当时的农林部主管，办事机构也设在农林部。1979年，抗旱领导小组办事机构设置在水利电力部，由国家计划委员会副主任任组长，水利部部长任副组长，之后各省、市、县也相继成立了抗旱机构。1988年，设立国家防汛总指挥部，防汛抗旱办公室设置在水利部。1992年，设立国家防汛抗旱总指挥部，办事机构设在水利部，国务院其他部门为成员单位，此后基本延续这一应对体系。
    (2) 干旱灾害管理应对措施
    在干旱灾害管理的应对措施方面，主要分为工程措施和非工程措施两大类：
    1) 工程措施主要是通过建设以蓄水、引水、提水、扬水、跨流域调水工程等为主，闸坝、泵站、塘坝、窖池、机井等小工程为辅的抗旱减灾工