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张强, 姚玉璧, 李耀辉, 罗哲贤, 张存杰, 李栋梁, 王润元, 王劲松, 陈添宇, 肖国举, 张书余, 王式功, 郭铌, 白虎志, 谢金南, 杨兴国, 董安祥, 邓振镛, 柯晓新, 徐国昌. 中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望. 30(2): 196-211
Zhang Qiang, Yao Yubi, Li Yaohui, Luo Zexian, Zhang Cunjie, Li Dongliang, Wang Runyuan, Wang Jinsong, Chen Tianyu, Xiao Guoju, Zhang Shuyu, Wang Shigong, Guo Ni, Bai Huzhi, Xie Jinnan, Yang Xingguo, Dong Anxiang, Deng Zhenyong, Ke Xiaoxin, Xu Guochang. Research Progress and Prospect on the Monitoring and Early Warning and Mitigation Technology of Meteorological Drought Disaster in Northwest China. Advances in Earth Science, 30(2): 196-211  
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中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望
张强1,2, 姚玉璧1, 李耀辉1, 罗哲贤3, 张存杰4, 李栋梁3, 王润元1, 王劲松1, 陈添宇5, 肖国举6, 张书余2, 王式功7, 郭铌1, 白虎志2, 谢金南2, 杨兴国8, 董安祥1, 邓振镛1, 柯晓新9, 徐国昌1
1.中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室, 甘肃 兰州 730020
2. 甘肃省气象局, 甘肃 兰州 730020
3. 南京信息工程大学,江苏南京 210044
4. 国家气候中心, 北京 100081
5. 中国气象科学研究院,北京 100081
6. 宁夏大学,宁夏银川 750021
7. 兰州大学大气科学学院,甘肃兰州 730000
8.宁夏回族自治区气象局,宁夏银川 750002
9.上海市气象局,上海 200030

作者简介：张强(1965-),男,甘肃白银人,研究员,主要从事大气边界层、陆面过程、干旱气候与环境研究. E-mail: zhangqiang@cma.gov.cn

基金:国家重点基础研究发展计划项目“气候变暖背景下我国南方旱涝灾害的变化规律和机理及其影响与对策”第六课题“气候变暖背景下我国南方旱涝灾害风险评估与对策研究”（编号： 2013CB430206）; 国家自然科学基金重点项目“黄土高原陆面过程观测试验研究”(编号： 40830957)资助
摘要

干旱灾害是制约中国西北地区社会经济发展、农业生产和生态文明建设的重要自然灾害,而且随着气候变暖西北地区极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势,影响不断加重。 “中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究”成果是在数十个国家级科研项目的支持下,经过过去20年的理论研究和应用技术开发所取得的一系列创新性成果。该成果对西北干旱形成机理及重大干旱事件发生、发展的规律取得了新认识,尤其是发现了形成西北干旱环流模态的4种主要物理途径;研制了西北干旱预测的新指标、干旱监测的新指数及监测农田蒸散的新设备,明显提高了干旱监测准确性和针对性;提出了山地云物理气象学新理论,研发了水源涵养型国家重点生态功能区——祁连山空中云水资源开发利用技术;发现了干旱半干旱区陆面水分输送和循环的新规律,揭示了绿洲自我维持的物理机制;认识了干旱气候变化对农业生态系统影响的新特征,建立了旱作农业对干旱灾害的响应关系;开发了旱区覆膜保墒、集雨补灌、垄沟栽培、适[JP2]宜播期等应对气候变化的减灾技术,为西北实施种植制度、农业布局及结构调整和农业气候资源高效利用提供了科学方案。该成果的完成提升了中国干旱防灾减灾技术水平,培养了中国干旱气象科技队伍,推进了西北地区干旱气象业务服务能力,对西北地区社会经济发展、农业现代化和生态文明建设等方面起到了重要的促进作用。在此基础上,展望了西北地区干旱气象科学研究中迫切需要、有可能突破的主要领域。

关键词: 西北地区; 干旱气象灾害; 形成机理; 监测预警方法; 减灾技术
中图分类号:P467 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)02-0196-16
Research Progress and Prospect on the Monitoring and Early Warning and Mitigation Technology of Meteorological Drought Disaster in Northwest China
Zhang Qiang1,2, Yao Yubi1, Li Yaohui1, Luo Zexian3, Zhang Cunjie4, Li Dongliang3, Wang Runyuan1, Wang Jinsong1, Chen Tianyu5, Xiao Guoju6, Zhang Shuyu2, Wang Shigong7, Guo Ni1, Bai Huzhi2, Xie Jinnan2, Yang Xingguo8, Dong Anxiang1, Deng Zhenyong1, Ke Xiaoxin9, Xu Guochang1
1. Lanzhou Institute of Arid Meteorology, CMA, Gansu Province Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster, China Meteorological Administration Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster, Lanzhou 730020, China
2. Gansu Provincial Meteorological Service, Lanzhou 730020, China
3. Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
4. National Climate Centre, Beijing 100081, China
5. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
6. Ningxia University, Yinchuan 750021, China
7. College of Atmospheric Sciences Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
8. Ningxia (Hui Autonomous Region Meteorological Service, Yinchuan 750002, China
9. Shanghai Municipal Meteorological Service, Shanghai 200030, China
Abstract

Drought disaster is an important natural factor to restrict the socioeconomic development, agricultural production and ecological civilization construction in Northwest China.With the global warming, the frequency and intensity of extreme drought events show a significantly increasing trend and the impact of drought increases continually. The results of “the research on monitoring and early warning and mitigation technology of meteorological drought disaster” have been obtained based on the support from dozens of national research projects in the past two decades. These projects have received a series of innovative achievements by long-term theoretical research and applied technology development through the continuous study around the formation mechanism, monitoring and early warning methods of meteorological drought and its impact on agricultural industry, the drought disaster prevention and mitigation technology and other relative scientific issues as well. The major achievements are as follows: New knowledge on the drought formation mechanism and the law of occurrence and development of severe drought events, especially the discovery of four main physical ways of drought circulation modals were obtained in Northwest China. The new drought prediction and monitor indices, and the new equipment of monitoring field evapotranspiration were developed in Northwest China, and these obviously improved drought monitoring accuracy and pertinence. A new meteorological theory of mountain cloud physics was proposed. The exploitation and utilization technology of air cloud water resources were developed over Qilian Mountain, which is the national key ecological function zone with water conservation. The new laws of land surface moisture transport and recycling in arid and semiarid areas, and the physical mechanism of selfsustaining of oasis were revealed. The new characteristics of impact of arid climate change on agro-ecological system were recognized. The response relationship of rain-fed agriculture to drought disaster was set up. The mitigation disaster technologies to cope with climate change in arid area were developed by using coated soil conservation, rainwater harvesting for supplemental irrigation, furrow cultivation, suitable sowing date and so on. These technologies provided a scientific scheme to the implementation of cropping systems, layout and structural adjustment of agriculture and efficient utilization of agricultural climate resources in Northwest China. The above achievements promote the technological level on drought disaster prevention and mitigation, cultivated research teams working on arid meteorological science and raised the service ability of arid meteorology in Northwest China. These results also play an important role in promoting socio-economic development, agricultural modernization and construction of ecological civilization. In addition, the authors covered the main fields which are in urgent need to be studied and possible breakthrough might be made in arid meteorology research in Northwest China in the future.

Keyword: Northwest China; Drought disaster; Formation mechanism; Monitoring and early-warning methods; Mitigation disaster technology.
1 引言

干旱是全球最常见、最广泛的自然灾害, 其发生频率高、持续时间长、影响范围广及对农业生产、生态环境和社会经济发展影响深远。世界气象组织的统计数据表明, 气象灾害约占自然灾害的70%, 而干旱灾害又占气象灾害的50%左右[1]。每年因干旱造成的全球经济损失平均高达80多亿美元以上, 远远超过了其他气象灾害[2, 3]。尤其在气候变暖背景下, 全球干旱灾害发生逐渐呈常态化趋势, 特大干旱事件发生的频率和强度不断增加, 干旱灾害的异常性更加突出, 破坏性更加明显[4]。

中国是大陆性气候, 气候波动性大, 社会经济、农业生产和生态环境对气候条件的依赖性强[5], 是世界上干旱灾害发生最为频繁和严重的国家之一。同时, 中国处于东亚季风的2类子系统— — “ 东亚热带季风（南海季风）” 和“ 东亚副热带季风” 重叠影响区, 而且在全球变暖影响下这2类季风系统正在产生着深刻变化, 严重影响着中国干旱灾害的发展趋势和分布格局。20世纪70年代以来, 东亚大气环流系统从对流层到平流层都发生了明显的年代际转折[6], 中国气候格局呈现出北方易遭旱灾、南方旱涝并发的特征, 大范围的干旱灾害连年频发, 平均每年有667~2 667万hm2农田因旱受灾, 最高年份达4 000万hm2, 每年造成的粮食减产从数百万吨到3 000多万吨[7]。干旱灾害正严重威胁着中国粮食和生态安全, 已成为制约中国社会经济可持续发展的重要因素之一。

中国西北地区位于北半球中纬度地带, 地处欧亚大陆腹地, 深居内陆, 远离海洋, 属于不受亚洲夏季风影响或影响边缘区, 海洋上空水汽能够达到的很少。而且, 该地区绝大部分面积处在干旱和半干旱气候区, 地表干燥, 植被稀少, 局地蒸发提供的水汽也十分有限。所以, 西北地区空中云水资源相对稀缺, 水分内外循环均不太活跃, 不仅年平均降水少, 而且降水的气候波动还很大, 是中国最容易发生干旱灾害的区域, 每年干旱造成的经济损失高达GDP的4%~6%左右, 远远高于中国其他地区, 靠天吃饭的特征非常突出。不仅如此, 西北地区还是全球生态环境脆弱区和气候变化敏感区, 气候变暖引起的降水时空不均匀性更加明显, 极端干旱事件的频率和强度均显著增加。由此, 造成该地区水资源短缺、植被退化、土地荒漠化和空气环境质量恶化等一系列影响区域可持续发展的突出问题[8]。施雅风[9]等提出了西北气候（主要指西北西部）由暖干向暖湿转型的假说, 新疆的南、北疆湿润指数都是冬季相对较高, 而其他季节相对较低[10]。但西北东部仍在暖干化, 陕西南部的半干旱分界线向南扩展十分明显, 向南扩展最大可达32.6° N[11], 西北东部气温为线性增加趋势, 降水和地表湿润指数为线性减少趋势, 总体趋势为增暖、降水少且干旱化。特别是20 世纪90 年代以后, 西北东部区域极端干旱发生的次数急剧增加, 且增加幅度在1倍以上[12, 13]。1961— 2009年中国夏季极端干旱发生率北方大于南方, 夏季干旱发生概率在最后一次年代际转折后都呈增加趋势, 西北地区增加明显[14]。

干旱气象灾害的形成和发展过程不仅包含着复杂的动力学过程及多尺度的水分和能量循环机制, 而且还涉及气象、农业、水文、生态和社会经济等多个领域, 长期以来一直是国际科学界的重大疑难问题, 研究进展比较缓慢, 其关键科学问题没有得到很好解决。西北地区因其地处青藏高原边缘的特殊地理条件, 又受西风环流、高原季风和东亚季风环流的共同影响, 加之脆弱敏感的生态系统以及过度的人类活动影响等因素, 其干旱气象灾害具有十分明显的区域性和复杂性, 不仅国际上对干旱灾害的一般科学认识难以完全解释其表现特征, 而且还对干旱气象灾害研究提出了诸多新的科学问题。因此, 不仅对西北地区干旱气象灾害形成和发展机理的认识还很不成熟, 而且对其监测预警预测的技术方法也未得到很好解决。

然而, 随着西北地区社会经济的发展和生态文明建设对干旱防灾减灾能力的依赖性不断增加, 如何及时、有效地监测和预测干旱的发生和发展规律, 如何客观、准确地评估干旱影响的程度和范围, 如何科学、有力地应对干旱灾害的危害等问题已成为摆在我们面前刻不容缓的重要科学课题[15, 16]。

2 西北干旱气象灾害监测预警理论研究进展
2.1 西北地区干旱预测理论

中国气候灾害的发生主要是由于东亚气候系统变化所引起的[17], 西北干旱气象灾害亦不例外地主要受东亚气候系统变化影响。这个系统成员包括：①在大气圈中有东亚季风（包括冬、夏季风）、西太平洋副热带高压、中纬度扰动; ②在海洋圈中有热带太平洋的厄尔尼诺和南方涛动循环(NESO循环)、热带西太平洋暖池热力状态和印度洋的热力状态; ③在陆面与岩石圈有青藏高原的动力和热力作用、北冰洋海冰、欧亚积雪以及陆面过程, 特别是干旱和半干旱区的陆面过程[18]。

图1 青藏高原加热场强度与西北干旱关系示意图Fig.1 The schematic of relationship between the heating field strength over Tibet Plateau and the drought in Northwest

2.1.1 青藏高原热状况影响西北干旱的特征和物理机制

青藏高原是夏季大气运动的重要负涡度源。由于青藏高原及伊朗高原位于欧亚副热带大陆的中东部, 其加热所激发的水平环流和垂直运动与大陆尺度加热所激发的水平环流和垂直运动同相叠加, 从而大大地增强了东亚夏季风和中亚的沙漠和干旱[19]。高原北侧干旱化加剧可能与青藏高原主体、 特别是高原北部的隆升关系更为密切[20]。西北异常干旱前期最强信号是青藏高原下垫面的热状况[21, 22], 并且高原温度距平指数、高原地面加热强度距平指标、高原地面感热通量、高原出射长波辐射（OLR）指数[23]、高原积雪和积雪冷却强度指数等六个物理指标可用来定量表征青藏高原下垫面的热状况[24, 25]。而且, 8月青藏高原地面加热场指数与次年6月的西北地区降水有很好的正相关; 当冬季加热场强度偏强时, 春夏经向环流较弱, 西风较强, 副热带高压面积较小, 春夏会干旱少雨。同时, 青藏高原地面加热场强度具有很好的一致性, 其异常变化是西北干旱气候预测的重要指标[26, 27]。高原东部凝结潜热具有1个月的持续影响力, 当高原东部凝结潜热增强时, 可引起北半球同纬度带的位势高度场偏低, 西太平洋副高偏弱, 位置偏南, 中国长江流域汛期降水偏多, 西北区东部、华北、东北区南部及华南降水偏少。青藏高原天气尺度系统和下垫面热力状况的变化与中国干旱区域的分布和强度变化均有关联[28]。

就物理机制而言, 如图1所示, 高原加热场异常增强, 高原上升气流加强, 高原东北侧下沉气流加强, 新疆脊增强, 东亚槽加深, 会形成“ 西正东负” 的典型干旱流型。青藏高原热力作用与西北区干旱的这种物理联系, 为西北地区干旱预测提供了重要理论支撑。

图2 强迫涡源(a)和强迫热源(b)的空间分布Fig.2 The spatial distribution of the forced vortex source (a) and the forced heat source (b)

2.1.2 形成西北典型干旱流型的途径

西北地区东部夏季干旱的典型流型是高度距平场为“ 西正东负” 型, 即在500 hPa高度距平场上西北地区为正距平, 东部及沿海附近为负距平, 从而造成西北地区东部偏北气流加强。这种典型干旱环流型的形成机理及主要物理途径有如下4种：①基流对上游反气旋涡度的平流输送。青藏高原北侧边界层（以700 hpa为代表）全年均盛行偏西风, 高原北侧的侧边界摩擦作用使高原北侧形成一条东西向负涡度带, 为基流对上游反气旋涡度平流输送提供了动力条件。当高原地形强迫绕流等动力作用加强时, 有利高原北侧低层负涡度加强, 盛行高压活动, 也有利于低层辐散运动的发展[29, 30], 从而在西北地区东部形成“ 西正东负” 的干旱环流型。②南侧气旋性涡旋的能量频散作用。青藏高原南部负相对涡度区是低压涡旋能量频散生成的高值系统。在北部小高压随西风向东输送过程中, 南部频散生成的负相对涡度区与其结伴而行, 并且这个南部的负涡度区先于北部小高压抵达高原东北部。随后, 在青藏高原东北侧区域, 负相对涡度占据面积会越来越大, 逐渐在高原东北侧区域形成一片负相对涡度区[31]。③高原热力强迫引起的频散效应[32]。青藏高原加热引起的环流扰动能够通过Rossby波传递频散到下游地区, 在青藏高原东北侧形成负涡度区, 从而有利于西北地区形成“ 西正东负” 的干旱环流型。④偶极子型热源激发作用[33]。如图2所示, 一个局域冷源和一个局域热汇构成的偶极子型热源强迫可以激发出带有闭合中心的局域流型[34]。位于青藏高原区域的热源与位于西太平洋区域的冷源就构成了一个典型的偶极子型热源, 它能够激发出空间尺度3 000 km左右的局域流型, 并可以持续1个月以上[35], 在这个东西向的偶极子型热力强迫下, 可以在西北地区东部夏季形成一个显著的正距平区。

2.1.3 东亚夏季风及热带西太平洋热状态与西北干旱

东亚夏季风和印度夏季风强弱、进退和停留与中国各地发生的干旱有密切联系[36]; 南海夏季风爆发迟, 将引起黄河流域夏季降水偏少, 发生干旱。西太平洋副热带高压的季节变化、东西振荡以及南退北进是影响中国干旱的原因之一; 西太平洋副高偏弱, 位置偏南, 中国西北区东部降水偏少, 易干旱发生。热带太平洋海温异常是造成全球相关地区持续性干旱的重要原因, 当赤道中、东太平洋海温处于上升阶段时, 中国黄河流域和华北地区易发生干旱[37, 28]。

2.1.4 厄尔尼诺事件与西北干旱之间的物理关系

ENSO当年西北地区北部降水量偏少明显, 达到-10%~-30％; ENSO次年夏季降水异常分布几乎完全相反, 只不过异常强度偏弱[38]。在典型的ENSO暖状态, 中国大部分地区都偏干; 中国气候干湿变率年际和年代际变化都对应着强El Niñ o 事件[39]。当ENSO事件处于发展阶段, 即当赤道东太平洋海温处于上升阶段时, 该年夏季中国黄河流域的降水往往偏少, 易发生干旱[18]。西北地区春季降水与上一年度秋季赤道中东太平洋海温异常之间有着比较清晰的遥相关性[40, 41]。当秋季海温异常偏高/（低）即出现El Nino/La Nina 现象时, 次年春季西北地区大部分地方降水会异常偏多/（偏少）, 其中高原东部边缘区偏多/（偏少）最为明显。而且, 在厄尔尼诺事件当年, 降水距平分布除甘肃河西走廊西部、青海北部和西南部、陕西省汉中地区为正值区外, 其余地方均为负值区, 最大负值区在陕北、宁夏南部、甘肃中东部, 平均降水比历年同期偏少50%以上; 而在厄尔尼诺事件次年, 降水距平分布除青海省部分地方和甘肃省敦煌以外, 其余地方均为正值区, 正值中心区分布在甘肃中部和陕、甘、宁三省（区）交界带, 平均降水比历年同期偏多50%以上[42]。

2.1.5 台风和梅雨活动对西北干旱的影响

研究发现[43, 44], 多（少）台风活动年与西北地区东部多（少）雨年的环流特征基本一致, 台风活动与西北区东部旱涝的正相关关系比较明显, 但台风活动的影响范围一般不会超过河西走廊中部[45, 46], 这与中国夏季风的西北边界是基本一致的。正相关中心在定西、天水一带。因此, 台风活动的多少, 是西北地区东部是否干旱的一个重要信号。同时, 多梅雨年份西北地区东部多出现干旱, 反相关中心位于甘肃省中部的天水附近; 而少梅雨年份西北地区东部降水偏多, 反相关中心位置从天水向西北方向移东。其直接原因是多梅雨年份的合成流型正好是西北干旱的典型流型; 少梅雨年份的合成流型正好是西北东部多雨的典型流型[47]。

2.2 西北地区干旱气象灾害监测

提高干旱气象灾害监测能力是国际干旱气象研究的重要内容。干旱气象灾害监测研究, 主要借助于干旱指数和实施干旱的观测试验研究展开。

2.2.1 干旱监测指数

在干旱指数研究方面, 通常利用气象、水文、土壤资料, 或卫星遥感资料来建立不同的干旱指数, 从而进行干旱监测。据世界气象组织统计, 常用的干旱指数达55种之多, 例如降水距平百分率、Palmer干早指数（PDSI）、标准化降水指数(SPI)、相对湿润度指数、综合气象干旱指数(CI)、Z指数、连续无雨日数等。

PDSI被认为是干旱监测指数发展史上的里程碑。根据具体的应用需求和实际情况, 中国对PDSI进行了修正和改进。安顺清等[48]利用中国区域的气候资料对PDSI计算方案的参数进行了订正, 以使模式更适用于中国北方地区; 杨小利等[49]从建模资料长度、站点密度、可能蒸散的计算、土壤田间持水量和径流计算、土壤失水模式等几个方面对原有模式进行了修正, 使其更适合在甘肃中东部的黄土高原使用; 王劲松等[50, 51], 通过将河西内陆河径流量转化为降水量, 又将潜在蒸散量的计算法由利用桑斯威特公式改为利用彭曼公式来改进对PDSI的计算, 使得该指数对河西灌溉区干旱情况的监测有所改善。在对Z指数旱涝等级划分标准进行修正的基础上提出了西北地区干旱分级标准[52]。另外, 建立了适合于西北地区旱作农业区干旱监测的K指数[53], 该指数基于降水和蒸发的相对变率, 消除了由于各地降水和蒸发量级差异过大而产生的影响。

2.2.2 遥感干旱监测方法

遥感手段监测干旱具有分辨率高、传感器覆盖面广、数据易获取的特点。常用的方法有热惯量法, 以及利用可见光和反射红外遥感资料监测干旱和反演土壤水分。利用可见光遥感数据（Landsat, SPOT, NOAA, MODIS和FY系列, 环境减灾小卫星）及微波遥感资料[54]（被动微波AMSR-E、主动微波SAR）, 在干旱监测领域取得了一系列的成果。

根据西北干旱监测研究, 建立了叶水势遥感估算模型[55, 56], 该模型不仅能够反映气候干旱, 还能较好地反映作物生理干旱, 对监测农业干旱具有独特的效果, 比较适合半干旱雨养农业区的干旱监测。同时, 在对植被状况指数VCI分析应用的基础上, 发展出了修正的植被状况指数RVCI[57], 该指数在归一化差值植被指数基础上, 考虑了植被指数NDVI的直接贡献, 既保持了其对植被状况的敏感性, 又克服了低植被指数时的虚假高值问题, 能够更加真实地反映干旱对生态植被的影响, 尤其在植被比较稀少的干旱荒漠区应用效果非常好。另外, 还利用微波对云层有较强的穿透力的特点, 开发出了针对土壤水分的微波遥感监测技术[58], 该技术可以克服可见光、近红外和热红外遥感监测土壤水分时受云层覆盖的影响, 对监测西北地区祁连山和天山等主要山区干旱具有很好的优势。

2.2.3 大型称重式蒸渗计干旱监测

通过创新大型蒸渗计的称重技术原理, 研制了中国第一台大型称重式蒸渗计[59], 该大型蒸渗计采用强力弹簧作为平衡力, 平衡了不变的死负载, 测量变化的活负载, 缩小了量程, 显著提高了观测蒸散量和露水量的灵敏度和精度, 其测试灵敏度和精度分别为0.01和0.1 mm水柱, 达到了德国等国际同类设备的先进水平。该设备实现了对农田蒸散量和露水量等主要干旱指标量的自动连续观测和数据处理, 并且用该仪器观测资料很好地揭示了黄土高原地表蒸散量的气候变化特征[60]。目前, 已在国内7省区推广应用。

2.2.4 西北地区干旱监测预警综合系统

基于综合气象观测资料、土壤墒情监测资料和地理信息及NOAA/AVHRR, MODIS, FY-2C/和FY-3/MERSI等多种遥感资料在内的多源数据, 并集成已经建立和开发的干旱监测和预测方法, 自主研发了网络结构的“ 西北干旱监测预警综合系统” [61], 该系统包括了干旱信息收集存储、监测诊断、预警、评估和决策服务等5个子系统。该系统的技术核心在于能够根据不同监测预测方法对西北地区不同区域或不同季节的适用性及所针对的时间尺度和干旱发展的不同阶段, 进行了科学综合和集成, 形成了能够对干旱气象灾害进行全区域、全时段和全过程监测预警的综合系统。该系统可依托区域内综合气象观测网和试验基地及遥感平台, 对区域内气象干旱进行实时信息收集、准确监测、客观预测、快速处理、及时发布和灾后评估, 正在西北地区抗旱减灾中发挥着重要作用。

2.3 西北地区陆面水分输送和循环规律

2.3.1 干旱区近地层水分输送机制

临近绿洲的荒漠近地层大气有2种逆湿型[62, 63]：第一种逆湿型为出现在夜间的下游荒漠触地逆湿; 第二种逆湿型为出现在白天的绿洲上、下游荒漠的离地逆湿。前者是背景流场对绿洲湿润空气平流输送造成的, 而出现在绿洲上游荒漠的离地逆湿完全是局地热力环流输送的结果, 而出现在绿洲下游荒漠的离地逆湿则是由背景流场与局地热力环流迭加输送的结果。并且, 临近绿洲的荒漠近地层大气经常会出现负水汽通量即近地层水汽由上向下输送。但大气逆湿和负水汽通量出现频率并不完全一致, 因此临近绿洲荒漠近地面层具有特殊的负梯度水汽输送特征。如图3所示, 负梯度水汽输送概率在25%~70%之间, 并且随近地层大气热力稳定变化而变化[64, 65]。同时, 在近地层大气出现逆湿时, 一般容易形成浅层土壤逆湿, 在地表温度小于20℃和4 m风速大约小于2 m/s时浅层土壤逆湿出现频率最高[66]。这对荒漠化治理具有重要科学指导意义。

图3 临近绿洲的荒漠近地层大气逆湿(a)和负水汽通量(b)变化Fig.3 The changes of desert surface atmospheric humidity inversion (a) and negative water vapor flux (b)near the oasis

2.3.2 西北干旱和半干旱区露水形成及干旱陆面水分“ 呼吸” 过程

西北地区干旱和半干旱区的露水形成是湿度因子、热力因子和动力因子综合影响的结果[67, 68], 与风速、大气相对湿度、气温、地— 气温差等大气环境因素密切相关。温度和湿度均是露水形成的内在因素和必要条件, 而风速只是露水形成的外在因素和辅助条件。定量而言, 如图4所示, 在黄土高原半干旱区, 近地面层风速为1.5 m/s、相对湿度大于80%、逆温强度为0.25℃及温度— 露点差在-3~6 ℃范围时降露概率最大。并且, 在秋季、雨后晴天和凌晨时降露量最大[69, 70, 71]。秋季每天降露持续时间可长达14 h, 日最大凝结量可达到0. 33 mm, 日平均凝结量约为0. 23 mm。西北地区黄土高原露水对陆面水分的贡献能达到降水量的20%左右, 对农业生产和生态维持具有重要意义。

图4 降露过程与气象因子的关系Fig.4 The relationship between the dew process and meteorological factors

从陆面水分循环特征来看, 在剔除降水影响后, 西北干旱区陆面夜间通过降露过程获得水分, 白天通过蒸散过程消耗水分, 而且夜间获得的水分与白天消耗的水分基本相当, 陆面水分循环表现为一个完整的“ 呼吸” 过程[72]（图5）。

2.3.3 绿洲自我维持机制及其对周围荒漠的影响

绿洲内部结构和外部气候环境要素对绿洲系统陆面水分和能量交换具有重要影响, 因此绿洲自我稳维持依赖特殊的外部条件和内部结构, 一般空间尺度在10~20 km范围及环境风速在2.5 m/s以下时更有利于绿洲自我维持[73]。并且, 图6给出的绿洲系统与外界相互作用示意表明, 从非线性热力学系统的熵变过程来看, 绿洲系统的演化主要受来自山区径流水、周围荒漠环境、太阳辐射强迫和干燥大气背景等外部因素作用[74]。绿洲对其上游荒漠影响较小, 但对绿洲下游荒漠陆面过程影响比较明显, 对许多陆面过程能量的影响范围大致与绿洲空间尺度相当, 影响程度大约为空间平均状态的1/4左右[75]。

图5 非降水性陆面水分平衡的日变化特征Fig.5 Diurnal variations the land surface water balance of non precipitation

图6 绿洲系统与外界相互作用示意图Fig.6 The Schematic of interaction of oasis system with the outside world

2.4 祁连山空中云水资源开发研究

2.4.1 祁连山区地形云形成的物理模型及山区云水资源开发利用概念模型

研究表明[76], 祁连山区地形云的生成和移动有其独特的规律。图7给出的祁连山区地形云形成物理模型表明：在祁连山区, 中高层西南和东南气流将水汽由南向北输送, 西北气流将冷空气由北向南输送, 二者在祁连山北侧形成一个水汽辐合和冷热气团交汇区。而后, 在山谷风作用下, 由北向南爬坡运动的升气流使水汽逐渐抬升凝结, 并不断形成地形云。同时, 祁连山区潜热通量是感热通量的两倍, 局地水分循环对空中水汽贡献较大, 有利于地形云形成。在此物理模型基础上, 建立了基于天气形势和云物理特征为分级判据的山区云水资源开发利用概念模型[77, 78]。

2.4.2 祁连山区云物理和云气候特征

祁连山区的云光学厚度、云粒子有效半径、云液态含水量及大气水汽密度等均相对为高值区[79], 尤其云液态含水量高达0.15 g/m3。而且, 近年来云总光学厚度和总云水路径还呈上升趋势, 云水资源有所增加。同时, 祁连山大气水汽、降水和降水转化率与海拔高度和坡向以及环流影响区的关系均十分密切[80, 81]。一般, 在迎风坡上大气水汽含量在3 500~4 500 m 海拔高度区域会出现一个峰值, 而在背风坡上大气水汽含量则随海拔高度单调递减。背风坡大气水汽含量总体上要远比迎风坡的少, 最多要少4. 49 kg/ m2左右。无论是大气水汽含量、地面降水还是降水转化率均在东亚季风影响区最大。这对于祁连山区人工增雨（雪）作业布局具有很强的技术指导意义。

图7 祁连山区地形云形成的物理模型示意图Fig.7 The schematic of physical model of terrain cloud formation in Qilian Mountains

2.5 气候变化对旱作农业系统的影响特征及机理

近50年来, 西北地区气温呈增加趋势, 降水变化空间差异突出。其中, 新疆北部、祁连山区和柴达木盆地等地区降水增加, 甘肃河东地区、青海东部、陕西、宁夏等地区明显减少。西北地区降水日数也发生了明显的变化, 夏、秋季10 mm以下降水日数明显减少, 25 mm以上降水日数尤其是暴雨日数明显增加, 表明强降水出现的概率增大。西北地区整体暖干化趋势明显, 局部出现暖湿现象。近50年来西北地区干燥指数（蒸散量与降水量之比）的变化表明, 西北中西部尽管降水是增加的, 但干燥指数变化不显著, 而东部地区干燥度指数增加很显著, 说明西北中西部地区变湿不明显, 而东部暖干化趋势明显[70]。

2.5.1 气候变暖对西北干旱作物生长发育的影响规律

研究表明[82~84], 近50年来, 由于气候变暖, 西北秋播作物播种期推迟了4~13 d, 其中小麦推迟4~8 d, 油菜推迟7~13 d; 春播作物播种期提前3~25 d, 其中小麦提前2~7 d, 玉米提前1~3 d, 棉花提前5~8 d, 马铃薯提前7~10 d, 胡麻提前15~25 d。同时, 由于增温虽然可以加快作物生长速度, 但也会抑制部分作物生殖生长, 所以气候变暖使小麦、玉米、油菜等有限生长习性作物生长期缩短了6~9 d, 但使棉花、马铃薯、胡麻等无限生长习性作物生长期延长了4~10 d[85, 86]。而且, 虽然秋季增温明显推迟了无限生长习性作物的停止生长期, 但始终会加快作物的生长速度, 因此气候变暖虽然使无限生长习性的生殖生长期和全生长期延长, 但营养生长期仍然是缩短的[87, 88]。

2.5.2 气候变暖对西北干旱作物生理和品质的影响

研究发现[89], 叶片蒸腾速率和气孔导度是旱作春小麦生长受气候变暖制约最为显著的生理指标。春小麦灌浆和乳熟期叶片的净光合速率、气孔导度随气温的升高而减小, 随空气湿度升高而增加; 而蒸腾速率则随气温的升高而增加, 随空气湿度的升高而减小。并且, 大多数作物的水分利用效率随温度升高而逐渐降低。不过, 光合作用对气候变暖的响应不如对蒸腾速率和气孔导度敏感。同时, 气候暖干化对春小麦的光合作用和干物质积累过程均具有明显抑制作用。气候变暖使春小麦淀粉含量下降、蛋白质含量上升, 痕量元素增加[90, 91]; 降水量增加, 使冬小麦千粒重、穗粒数增加, 不孕小穗率下降, 产量提高[92]; 而CO2浓度增加, 使春小麦千粒重、穗粒数和产量均增加, 不孕小穗率显著降低[93, 94]。另外, 从对不同生长阶段的影响来看, 气温升高对冬小麦越冬期和成熟期产量的影响为正效应, 而对拔节— 开花期产量的影响为负效应。豌豆— 春小麦— 马铃薯轮作系统的水分利用效率一般随温度增加呈指数减小, 但若进行补灌其水分利用效率则会变为随温度增加直线减小[95]。

2.5.3 气候变暖对西北作物种植结构的改变

近50年来的气候变暖使西北喜热和越冬农作物种植区域向北推进了100~200 km, 向高海拔区推进了100~300 m; 使种植模式逐渐由“ 一年一熟” 向“ 一年两熟” 甚至“ 一年多熟” 转变; 使复种指数增加, 复种面积扩大了4~5倍, 多熟制区域明显北扩, 多熟制区的海拔高度提升了200~300 m[87]。相反, 气候变暖使得西北旱作春小麦种植面积明显减少, 种植格局由以春小麦为主在干旱气候区逐渐转变为以玉米、棉花和冬小麦为主, 在半干旱气候区逐渐转变为以冬小麦、马铃薯和冬油菜为主[87]。

2.5.4 气候变暖对干旱土壤环境的独特影响

气候变暖使西北农田耕作层的土壤酶活性明显下降, 土壤养分分解加速, 土壤盐碱化程度明显加重。如果冬季增温0.5~2.5 ℃, 将会导致土壤有效氮、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性分别下降2.45~4.66 g/kg、0.08~1.20 mL/g、0.004~0.019 mg/g和0.10~0.25 mg/kg; 而壤pH值、有机质和有效磷分别增加0.14~0.39、0.01~0.62 和2.92~5.74 g/kg（图8）; 土壤速效钾没有明显的变化。同时, 冬季增温还导致土壤水分蒸发加大, 带动土壤盐分向上移动, 土壤全盐含量和土壤总碱度分别增加了0.39~0.50 g/kg和0.01~0.03 cmol/kg, 土壤盐渍化加重（图9）[96]。如果仅在宁夏引黄灌区对每年由气候变暖引起的土壤盐分增加进行淋洗恢复, 所需灌水量高达1.29~1.40亿m3 [97]。

图8 冬季增温与土壤pH值增加的关系Fig.8 The relationship between the winter warming and the increased pH of soil

3 西北干旱气象灾害减灾技术研究进展
3.1 集雨抗旱理论与技术

通过揭示西北地区集雨补灌的农业生态气象机理, 确定了适于西北地区集雨的气候指标及不同材料集雨面的径流系数与降水强度的关系, 为高效集雨提供了理论依据。研究表明[87, 98], 在西北地区年平均降水量为300~600 mm的气候区的集雨补灌效益最为显著; 三合土、夯实土和自然土等集水面径流系数与降雨强度均遵循指数变化规律, 平均径流系数仅为5%~18%; 而塑料、水泥集水面径流系数与降雨强度遵循对数变化规律, 平均径流系数高达72%~77%, 能够显著提高雨水集流效果。这为雨水资源的有效利用及集雨抗旱提供了可靠的技术指标。

图9 冬季增温与土壤全盐增加的关系Fig.9 The relationship between the winter warming and the increased total salt of soil

3.2 综合抗旱理论与技术

通过大量田间试验[99, 87], 给出了不同气候条件下西北地区作物垄沟覆膜种植方式的集雨区与种植区的最佳面积比及垄沟深度和宽度的最佳结构比等指标, 开发了田间垄沟集雨、地膜覆盖、抗旱品种和集雨补灌之间的最佳组合技术, 为应对农业干旱提供了实用技术。试验表明[99], 如果应用“ 覆膜垄上穴播” 或“ 覆膜垄间种植” 技术, 并在春小麦全生育期补充灌溉40~59 mm, 产量可提高15%~20%; 如果组合不同垄作和补充灌溉技术, 春小麦产量可提高17.7%~30.0%。同时, 还通过对覆膜垄沟集雨、控灌节水、集雨补灌、压砂补灌、秋季覆膜、早春覆膜、一膜两季、留膜留茬越冬及露水收集利用等抗旱技术进行系统的技术试验, 揭示了这些抗旱技术对水分循环的影响机理, 并评估了其抗旱增墒的实际效果。

3.3 农业应对气候暖干化理论与技术

气候变暖干旱直接影响种植业生产、生态系统稳定性和病原菌传播途经, 对农业生产、食品和生态安全提出新的挑战。气候变暖加快作物生长, 要求田间管理科学应对。春夏干旱趋势加重, 作物种植实施“ 压夏扩秋” 。冬季增温趋势明显, 推进“ 冬小麦北移” 种植。田间能量输入增加, 积极推行“ 多熟种植” 。适应暖干化气候环境, 选育高耐旱新品种。深耕整地、改进施肥方式、测土灌溉、测水补灌, 保持灌溉农田的水盐平衡, 维持农田生态系统平衡。开发利用云水资源, 发展“ 旱作节水农业” 。

4 西北地区干旱气象研究展望

尽管《中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究》成果已经在西北地区干旱气象灾害形成机理、监测预警方法、对农业生产的影响特征及减灾防灾技术等方面取得了较大进展, 但由于干旱问题的复杂性及社会经济发展对干旱防灾减灾要求的不断提高, 西北地区干旱气象科学的许多问题仍未得到很好解决。而且, 随着数值模拟技术、信息技术、探测技术、纳米技术和生物技术等新技术的应运而生和不断发展, 为干旱气象科学问题的进一步解决提供了新的机遇。目前, 在干旱气象科学研究中, 迫切需要、也较有可能在如下几个方面取得新的突破：

4.1 干旱传递过程监测

干旱事件不会立即形成, 而是一个蠕变渐进的过程, 从干旱发生到产生灾害会经历一系列关键环节的转换。一般, 气象干旱发生后会向农业干旱、生态干旱和水文干旱传递, 当农业干旱、生态干旱和水文干旱发展到一定程度后又会向社会经济干旱传递。而且, 农业干旱、生态干旱和水文干旱的内部过程也存在明显的传递过程。比如。农业干旱内部是最先由土壤干旱传递到作物生理干旱, 再由作物生理干旱传递到作物生态干旱, 最后由作物生态干旱传递到粮食减产。如果干旱在传递到作物生理干旱之前就缓解, 基本上对作物机体没有实质破坏, 不会有实际性的灾害影响。但如果已经到由作物生理干旱再下传递阶段, 灾害影响就是必然的了, 也难以逆转, 而且越往后传递, 灾害的影响越严重。目前, 干旱监测技术虽然有了很大发展[100, 101, 102], 但所有干旱监测方法都只针对了某个阶段的干旱状态, 而不是干旱发展的整个过程, 所以不同部门或不同干旱监测产品往往会给出很不一样的干旱监测结论。因此, 需要树立对干旱发展进行全过程监测的新理念, 通过集成运用不同监测技术, 对干旱发展过程的每个关键环节进行针对性监测, 准确、及时地了解干旱发展的进程, 实现对干旱发展的全程监测。并可通过对干旱发展前期状态监测来对其后续发展阶段进行提前预警。

随着现代卫星遥感技术的快速发展, 卫星遥感对干旱的监测能力进一步增强。利用可见光遥感数据及微波遥感资料构建高分辨率的遥感干旱监测指数。利用最新的数据挖掘技术方法, 在卫星遥感监测资料的基础上, 应用气候数据、地形地貌、下垫面状况、植被类型、土壤属性、土地利用和生物生理数据等资料, 多学科结合集成, 开展定量化的遥感干旱监测研究。

4.2 多时间尺度干旱预测

干旱的形成主要由水分循环过程所控制。由于降水和大气水分循环具有短期异常、年循环、年际波动、年代际异常和长期气候变化等不同时间尺度, 干旱也会表现出短期干旱、季节性干旱、干旱年、年代性干旱和长期干旱化等不同时间尺度特征。而且, 不同时间尺度干旱往往具有不同的物理机制和不同控制因子, 甚至大多数时间尺度是由多个因子主导。同时, 不同时间尺度干旱之间也许还存在某种程度的相互作用。一般, 季节性干旱是周期性发生的, 短期干旱是经常发生的, 干旱年会时而出现, 年代性干旱偶然出现。但往往时间尺度越长的干旱影响越严重, 而且灾害性最强和破坏性最大的干旱事件往往是多时间尺度干旱迭加的结果, 这种情况往往会发生重（特）大干旱事件, 会引起社会动乱甚至朝代更迭, 是需要引起我们特别关注的一种干旱类型。所以, 干旱实际上是一个多时间尺度问题, 而且制约干旱预测的主要障碍就是多尺度问题。目前, 虽然逐步建立了一些干旱预测方法, 但大都是针对某个特定时间尺度的干旱问题, 而忽视了多时间尺度干旱的迭加效应和耦合作用。事实上, 如果不同时间尺度的干旱信号相互作用比较强时, 即使对某个时间尺度的干旱预测是准确的, 但由于忽视了其它尺度的作用, 预测结果与实际的干旱状态会相差甚远, 尤其往往比较容易疏漏对特大干旱事件的预测。因此, 应该在对不同时间尺度干旱物理机制和主导因子深入认识的基础上, 建立多因子协同、多时间尺度集成的干旱预测系统, 提高重大干旱事件的可预测性, 实现对全时间尺度干旱的综合预测能力。

4.3 气候变暖对干旱的影响

全球气候变化不仅使大部分地区气温升高, 也使降水的时空分布发生了巨大变化。同时, 还改变着地表蒸发、径流、积雪、冰川、冻土以及土壤湿度等气候系统的关键要素。这些方面都与干旱的形成和发展密切相关, 这额外增加了干旱问题的复杂性。比如, 气候变暖使气候平均状态发生调整, 从而会改变发生干旱的降水量阈值; 气候变暖会改变干旱发生的频率, 从而使极端干旱事件有所增加; 气候变暖使干旱孕灾环境的敏感性发生改变, 从而使干旱的传递进程加快; 气候变暖使干旱分布格局发生调整, 从而引起干旱灾害分布规律的改变。可见, 气候变暖已经成为干旱形成和发展过程的重要参与者, 无论在干旱监测、预测还是在干旱影响评估中都不得不考虑气候变暖的影响。当前, 虽然针对气候变暖影响下特定气候状态的干旱监测、预测和影响评估模型进行了一定技术修正, 但气候变暖是一个动态的过程, 它会不断改变干旱形成的特征和规律, 干旱监测、预测和评估模型会随着气候变暖逐渐失去其适应性。所以, 必须发展和建立包含气候变暖因子的干旱监测、预测和影响评估模型, 使其可以满足气候变暖的动态影响。

4.4 干旱气象综合科学试验

目前, 对干旱问题突破仍然主要受制于对机理和基本规律的认识不足。由于我们对干旱发展过程中各个环节陆面水分循环机理及传递规律的了解不足, 影响了干旱发展过程全程监测技术的现实; 并且, 由于我们对影响干旱形成的大气环流机制及影响规律的认识不足, 限制了干旱的可预测性提高。如果仅仅利用现有的常规资料很难对干旱形成机理和发展规律取得认识上的重大突破。而干旱气象综合科学试验研究是揭示陆-气相互作用特征、大气能量和水分循环机理、大气环流机制及动力学和热力学规律的必要手段, 更是认识干旱形成和发展规律的重要方式。可以通过持续开展干旱气象综合科学试验研究, 深入揭示大气内部及大气— 土壤— 植被之间的水分、能量循环过程及其与大气环流的关系。并在此基础上, 结合科学试验、遥感反演、数值模拟和理论分析等方法, 系统分析陆面过程、边界层过程及边界层与自由大气相互作用的主要物理特征, 研究从地表到对流层甚至平流大气的能量和水分输送及动能传递过程对干旱形成的影响, 揭示陆-气相互作用对大气环流特征和季风变化的响应规律及其对干旱的影响机理, 改进陆面过程和边界层过程参数化关系, 为改进干旱监测和预测技术及发展区域干旱气候模式提供新的试验数据和理论依据。

4.5 干旱灾害风险管理

干旱灾害风险管理是降低和控制干旱灾害影响的重要手段, 也是现代干旱防灾减灾体系的重要组成部分, 是干旱防灾减灾过程实现从被动向主动、从救灾向防灾、从临时应急向全程防御的重大转变。干旱灾害风险管理强调对干旱灾害风险采取评估、缓解、转移、分担和应急准备等一系列积极主动的措施, 体现了在干旱灾害发生前就对干旱灾害进行预警、准备和防控的管理理念, 可以减少人类社会对干旱灾害的脆弱性, 提高人类社会对干旱灾害的适应能力, 可以达到有效控制干旱灾害风险的目的[103, 104, 105]。干旱灾害风险管理主要包括：通过干旱灾害风险评估, 对干旱灾害风险进行科学预警和预防; 通过影响致灾因子、调整承灾体、改善孕灾环境、提高防灾能力, 对干旱灾害风险进行有效控制和管理。目前, 对干旱灾害基本以危机管理为主, 从干旱灾害危机管理转向干旱灾害风险管理将会面临较大的技术挑战。不仅需要具备对干旱灾害风险客观评估的技术能力, 而且还需要建立一套干旱灾害风险管理的政策体系及配套的干旱灾害风险预防和控制的技术措施。其技术复杂性不仅在于干旱灾害风险管理需要同时遵循自然规律和经济规律及政治需求和社会环境的约束, 并且还在于干旱灾害风险评估同时受干旱致灾因子、承载体、孕灾环境和干旱防御能力等多因素综合控制及其相互作用的影响, 具有突出的动态性和非线性。所以, 应该深入系统地研究干旱灾害风险管理有关的科学问题, 逐步建立其技术、机制和政策相互匹配的科学有效的干旱灾害风险管理体系。

4.6 抗旱减灾新技术开发

发展抗旱减灾新技术是提升干旱防御能力的根本要求。抗旱减灾技术主要包括水资源开发技术、水资源高效利用技术及低需水生存技术。随着纳米、生物、基因、信息、航空和材料等新技术在水资源开发、水资源高效利用及低需水生存等方面的应用, 抗旱减灾技术也在不断发展。在水资源开发方面, 既可以通过利用航空新技术和新型撒播剂等提高人工增雨的效果, 也可以通过利用纳米尼龙纤维制成的无纺布网等新材料提高露水和雾水的收集效果。在水资源高效利用方面, 既可以在灌溉区通过利用智能灌溉技术提高水分利用效率, 在雨养农业区通过利用双垄膜覆等新农业种植技术提高雨水资源利用效益; 也可以通过应用高分子材料（HANK）, 有效地阻止水分子散失, 减少作物耗水; 还可通过应用有机高分子吸水树脂, 在耕作区形成凝胶层, 减少水分蒸腾和渗漏, 提高根部区域水分含量。在低需水生存方面, 既可以通过应用脱落酸受体激动剂（AM1）促进叶片气孔关闭, 减少水分蒸散, 从而帮助植物有效应对干旱威胁; 也可以通过种植缓慢枯萎性新品种, 延长作物在缺水条件下维持生命的时间, 提高作物的耐旱性; 还可以通过应用新型生根粉促进根系生长发育, 增加作物根系吸收深层水分能力, 增强其抗旱性。不过, 以往对抗旱减灾技术的开发缺乏系统性, 也没有对各种技术进行配套组合。目前, 把国际上最新发现的纳米、生物、基因、信息、航空和材料等技术及时用于水资源开发、水资源高效利用及低需水生存等方面是抗旱减灾新技术的发展方向。为此, 不仅需要不断利用新技术的发展成果开发新的抗旱减灾技术, 还要对开发的抗旱减灾新技术的适用条件和效益成本及各种抗旱减灾技术的配套组合方案进行充分的试验和示范, 建立抗旱减灾技术体系, 实现科学抗旱减灾的目的。

5 结语

“ 中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究” 成果围绕西北干旱气象灾害形成机理、监测和预警方法及农业干旱减灾技术开展了比较系统的研究, 创新了西北干旱气象学理论和干旱地区陆面水分循环理论, 发展了山地云物理气象学理论和旱作农业气象学理论, 提高了干旱灾害监测、预警和应对技术水平, 为干旱防灾减灾技术发展提供了理论基础和技术支撑, 推动了中国干旱气象科技的发展。该成果不仅使西北地区干旱预测准确率提高了约10％, 近10年西北地区重大干旱事件得到了准确预测; 祁连山区人工增雨（雪）效果达到了25%~52%, 石羊河流量增加到了1亿m3左右, 干涸了51年的民勤青土湖出现了季节性水面, 全流域生态环境得到有效改善; 该成果的覆膜保墒节水、集雨补灌、冬小麦北移、多熟种植等干旱减灾技术在西北地区推广应用, 增产粮食近20亿kg, 直接经济效益达30多亿元。成果通过 “ 干旱气候变化与可持续发展国际学术研讨会（ISACS）” 等大型国际会议连续介绍和交流, 产生了良好的国际反响, 显著提升了中国干旱气象科技影响力。培养了多名国家级和省部级优秀人才, 大大促进了中国干旱气象科技队伍的发展。

当前, 广泛的社会需求和迅速的科技进步, 必将推动干旱气象科技快速发展。一方面, 社会经济发展对干旱防灾减灾的依赖性增强, 全球气候变化对干旱的影响日益显著, 为干旱气象科学研究提出了许多新的科学问题和更加严峻的挑战。另一方面, 社会经济发展带来的科技投入增加, 中国综合气象观测体系的不断完善, 卫星遥感技术和大气数值模拟技术的不断发展, 又为干旱气象科学研究提供了更加良好的基础条件和更加难得的发展机遇[106, 107]。突破和解决干旱气象领域一些关键科学问题的迫切性和可能性都正在不断增加。

但是, 干旱是一个极其复杂的科学问题。应该说, “ 中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究” 成果所解决的问题只是干旱气象科学研究的冰山一角。而且, 随着数学和物理等基础科学及计算机和传感器等应用技术的不断发展, “ 中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究” 成果取得的许多技术成果还需要不断发展。中国干旱气象科学研究当前迫切需要及时利用各学科科技进步的最新成果, 在日益完善的国家级干旱气象观测试验网支撑下, 以《中国干旱气象科学试验研究计划》为目标, 紧紧围绕干旱传递过程监测、多尺度干旱预测和干旱灾害风险管理等重大科学问题, 集中优势力量进行科技攻关, 逐个取得突破, 切实满足中国干旱气象业务发展需要。

致谢：杨启国、冯建英、任余龙、尚军林、王鹤龄、岳平、王胜、赵鸿、阳伏林、李文举和周文婷等为该文提供了资料等方面的帮助,在此一并致谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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