1、 1 干旱监测指标方法及等级标准干旱监测从不同层面具有多种监测方法和指标，本附件主要介绍 8 种干旱监测指标及其计算方法，其中最后两种方法为气象卫星遥感干旱监测处理方法和指标。目前在卫星遥感干旱监测业务中，使用的数据源为 NOAA-16 卫星 AVHRR 数据，生成卫星遥感干旱监测产品的空间分辨率为 1.1 公里，监测周期为每旬一次。1、 降水量（ ）和降水量距平百分率( )PPa1.1 原理和计算方法降水量距平百分率（ ）是指某时段的降水量与常年同期降Pa水量相比的百分率： (1)%10Pa其中 为某时段降水量， 为多年平均同期降水量，本标准P中取 19712000 年 30 年气候平均值。
2、 (2)niP1其中 为时段 的降水量， 为样本数， 。iin30n1.2 等级划分由于我国各地各季节的降水量变率差异较大，故利用降水量距平百分率划分干旱等级对不同地区和不同时间尺度也有较 2 大差别，表 1 为适合我国半干旱、半湿润地区的干旱等级标准。表 1 单站降水量距平百分率划分的干旱等级降水量距平百分率(Pa)（%）等级 类型（月尺度） （季尺度） （年尺度）1 无旱 -50Pa -25Pa -15Pa2 轻旱 -70Pa -50 -50Pa-25 -30Pa-153 中旱 -85Pa -70 -70 Pa-50 -40Pa-304 重旱 -95Pa -85 -80 Pa-70 -45
3、Pa-405 特旱 Pa-95 Pa-80 Pa-452、标准化降水指数（SPI 或 Z）2.1原理和计算方法标准化降水指数（简称 SPI）是先求出降水量 分布概率，然后进行正态标准化而得，其计算步骤为：1）假设某时段降水量为随机变量 x，则其 分布的概率密度函数为：， (3)/1)()(xexf 0 (4)01dx其中： ， 分 别为尺度和形状参数， 和 可用极大似 然估计方法求得： (5)A43/1 3 (6)/x其中 (7)niixA1lgl式中 为降水量资料样本， 为降水量多年平均值。ixx确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量 ，可0x求出随机变量 小于 事件的概率为：x0
4、(8)0)()(dfP利用数值积分可以计算用（3）式代入（8）式后的事件概率近似估计值。2）降水量为 0 时的事件概率由下式估计： (9)nmxP/)(式中 m 为降水量为 0 的样本数，n 为总样本数。3）对 分布概率进行正态标准化处理，即将（8）、 （9）式求得的概率值代入标准化正态分布函数，即： (10)02/01)( dxexPZ对（10）式进行近似求解可得： (11)0.1)(231tdttdccSZ其中 ， 为（8）式或（9）式求得的概率，并当2lnPt时， ， ;当 时， 。5.0P0.11S5.01S， ， ，57.2c823.c0328.2c 4 ， ， 。43278.1d1
5、8926.02d0138.3d由（11）式求得的 值也就是此标准化降水指数 SPI。Z2.2等级划分由于标准化降水指标就是根据降水累积频率分布来划分干旱等级的，它反映了不同时间和地区的降水气候特点。其干旱等级划分标准具有气候意义，不同时段不同地区都适宜。表 2 标准化降水指数 SPI 的干旱等级等级 类型 SPI 值 出现频率1 无旱 -0.5SPI 68%2 轻旱 -1.0SPI-0.5 15%3 中旱 -1.5SPI-1.0 10%4 重旱 -2.0SPI-1.5 5%5 特旱 SPI-2.0 2%3、 相对湿润度指数( )iM3.1 原理和计算方法相对湿润度指数是某时段降水量与同一时段长
6、有植被地段的最大可能蒸发量相比的百分率，其计算公式： (12)EPMi式中： 为某时段的降水量， 为某时段的可能蒸散量，用EFAO Penman-Monteith 或 Thornthwaite 方法计算，计算方法见参考文献Allen Richard G., Luis S. Pereira, Dirk Raes and Martin 5 Smith,1998. Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements - FAO Irrigation and drainage paper 56, FAO
7、,Rome.和 马 柱国，符淙斌， 2001. 中国北方地表湿 润 状况的年 际变化 趋势 ，气象学 报 ，59(6)，737-746. 。3.2 等级划分相对湿润度指数反映了实际降水供给的水量与最大水分需要量的平衡，故利用相对湿润度指数划分干旱等级不同地区和不同时间尺度也有较大差别，表 3 为适合我国半干旱、半湿润地区月尺度的干旱等级标准。表 3 相对湿润度指数 Mi的干旱等级等级 类型 相对湿润度指数 Mi1 无旱 -0.50 Mi2 轻旱 -0.70 Mi -0.503 中旱 -0.85 Mi -0.704 重旱 -0.95 Mi -0.855 特旱 Mi -0.954、综合干旱指数 C
8、i 4.原理和计算方法气象干旱综合指数 是以标准化降水指数、相对湿润指数和i降水量为基础建立的一种综合指数： (13)339iCZMZ当 ，并 时（干旱缓和），则 ；0i10PEiiC5.0 6 当 毫米（常年干旱气候区，不做干旱监测）， 。20yP 0iC通常 ，当 5 毫米时，则 =5 毫米。5E0E式中： 、 为近 30 和 90 天标准化降水指数 SPI，由(11)式3Z9求得； 为近 30 天相对湿润度指数，由（12）式得； 为近 5 天的M5E可能蒸散量，用桑斯维特方法（Thornthwaite Method）计算，计算方法见参考文献 马 柱国，符淙斌， 2001. 中国北方地表湿
9、 润 状况的年 际变 化 趋势 ，气象学 报 ，59(6)，737-746.。 为近 10 天降水量，10P为常年年降水量； 、为权重系数，分别取 0.4、0.8、0.4。yP通过（13）式，利用逐日平均气温、降水量滚动计算每天综合干旱指数 进行逐日实时干旱监测。iC4. 等级划分气象干旱综合指数 主要是用于实时干旱监测、评估，它能iC较好地反映短时间尺度的农业干旱情况。表 4 综合干旱指数 的干旱等级i等级 类型 值iC干旱对生态环境影响程度1 无旱 -0.6 i降水正常或较常年偏多，地表湿润，无旱象。2 轻旱 -1.2 -0.6i降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分不足，对农作物有轻
10、微影响。3 中旱 -1.8 -1.2iC降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分较严重不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对农作物和生态环境造成一定影响。 7 4 重旱 -2.4 -1.8iC土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落；对农作物和生态环境造成较严重影响，工业生产、人畜饮水产生一定影响。5 特旱 -2.4iC土壤出现水分长时间持续严重不足，地表植物干枯、死亡；对农作物和生态环境造成严重影响、工业生产、人畜饮水产生较大影响。5、 土壤墒情干旱指数.1 原理和计算方法（1）土壤重量含水率计算公式为： (14)%10dwmW式中 W 为土壤重量
11、含水量，m w为湿土重量，m d为干土重量。（2）土壤田间持水量测定和计算方法多采用田间小区灌水法：选择 4 平方米的小区（2m2m），除草平整后，做土埂围好；对小区进行灌水，灌水量的计算公式如下： (15)10)(2hswaQ式中 Q 为灌水量（m 3）；为假设所测土层中的平均田间持水量（%），一般沙土取 20%，壤土 25%，粘土取 27%；为灌水前的土壤湿度（%）； 为所测深度的土壤容重（m 3/m3），一般取 1.5；s 为小区面积（m 2）；h 为测定的深度（m ）；2 为小区需水量的保证系数。在土壤排除重力水后，测定土壤湿度，即田间持水量。土壤排除重力水的时间因土质而异，一般沙性土
12、需 12 天，壤性土需 23 天，粘性土需 34 天。在测定土壤湿度时，每天取样一次，每次取 4 个重复的平均值，当同一层次前后两次测定的土壤 8 湿度差值2.0%时，则第 2 次的测定值即为该层的田间持水量。（3）土壤相对湿度计算方法： (16)%10cfwR为土壤重量含水率（%）， 田间持水量(用重量含水率表示) 。cf5.2 等级划分表 5 土壤相对湿度的干旱等级等级 类型 20 厘米深度土壤相对湿度 对农作物影响程度1 无旱正常 R60% 地表湿润，无旱象2 轻旱 60%R50% 地表蒸发量较小，近地表空气干燥3 中旱 50%R40% 土壤表面干燥，地表植物叶片白天有萎蔫现象4 重旱
13、40%R30% 土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落5 特旱 R30% 基本无土壤蒸发，地表植物干枯、死亡6Palmer 干旱指数6.1 Palmer 干旱指数计算方法Palmer 干旱指数可以简称为 PDSI(Palmer Drought Severity Index)。它的 计算可分 为以下七个步骤： 9 一是统计水文帐，由长期气象资料序列计算出月水分平衡各分量的实际值、可能值及平均值，包括蒸散量、潜在蒸散量、径流量、潜在径流量、补水量、潜在补水量、失水量和潜在失水量； 二是计算各气候常数和系数，包括蒸散系数、补水系数、径流系数、失水系数和气候特征值；三是计算出水分平衡各
14、分量的气候适宜值，包括气候适宜蒸散量、气候适宜补水量、气候适宜径流量、气候适宜失水量和气候适宜降水量；四是计算水分盈亏值 d 和水分异常指数 Z ；五是计算 Palmer 干旱指数；六是干期（或湿期）结束的度的计算，确立当前期的 Palmer指数值。6.2 Palmer 干旱指数的计算公式PDSI 的原理是水分平衡方程，即在“当前情况下达到气候上适宜” （Climatically Appropriate For Existing Conditions）的情况下，降水量等于蒸散量与径流量之和再加上（或减去）土壤水分的交换量，表示如下： (17)LROETP为蒸散量， 为可能蒸散量， 为土壤水分供
15、给量， 为土 RPR壤可能水分供给量， 为径流， 为可能径流， 为土壤水分POL损失量， 为土壤可能水分损失量。其中PL 10 (18)PET (19)R (20)O (21)PL、 、 、 分别为蒸散系数、土壤水供给系数、径流系数和土壤水损失系数，每地每月分别有四个相应的常系数值，计算如下： (22)(PET (23)(R (24)(PO (25)(L各量上面的横线代表其多年平均值。Palmer 指数假定土壤为上下两层模式，除非上层土壤中的水分全部丧失，下层土壤才开始失去水分，且下层土壤的水分不可能全部失去。可能蒸散量PET 用 Thornthwaite 方法计算（计算 PET 的方法在 PDSI 程序中是一个独立的部分，可以用其他方法代替）。在计算蒸散量、径流量、土壤水分交换量的可能值与实际值时，需要遵循一系列的规则和假定。另外，土壤有效持水量 AWC（Available Water Holding Capacity）也作 为初始 输入量。在计算 PDSI 过程中，实际值与正常值相比的水分距平 d 表示为实际降水量与气候适宜下降水量
