生态学杂志ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｍａｌｏｆＥｃｏｌｏｇｙ２００７，２６（６）：８９２—８９７
干旱监测指数研究木
侯英雨ｋ２弘４
何延波１
柳钦火２
田国良２
（１国家气象中心，北京１０００８１；２中国科学院遥感应用研究所，北京１００１０１；３中国科学院研究生院，北京１０００３９）
摘
要日益严重的全球化干旱问题已经成为各国科学家和政府部门共同关注的热点，它
直接威胁着人类的生存环境。而干旱监测，尤其是遥感干旱监测，一直是科学界公认的难题。本文对传统的干旱监测指数如帕尔默干旱指数、作物湿度指数、标准降水指数、地表水分供应指数的优缺点进行评述；将遥感干旱监测指数分成２类，一类是基于地表反射率和发射率的干旱监测指数；另一类是基于地表水和能量平衡模型的干旱监测指数，详细介绍了这２类干旱遥感监测指数的原理、方法以及适用范围．对各种干旱监测指数存在的问题以及干旱监测的发展趋势进行了探讨。
关键词
干旱指数；干旱监测方法；遥感
中图分类号Ｓ４２３。ＴＰ７９文献标识码Ａ文章编号１０００—４８９０（２００７）０６—０８９２一０６
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—８９７．
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积的１／２左右。开展干旱的监测、预测与评估研究，引言
具有重大现实意义。由于干旱成因及其影响的复杂进入２０世纪以来，严重、频繁的干旱已经成为性，要定义一个广泛接受的干旱概念是非常困难的（Ｌｉ＆ｘｉａｏ，１９９２）。李克让（１９９９）根据干旱的成因了社会经济可持续发展。中国是一个受干旱灾害影把干旱归纳为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。
十国家自然科学基金资助项目（４０２７５０３５）。基于干旱标准，干旱的强度和持续时间可以用｝￥通讯作者Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｙｈｏｕ＠ｃｍａ．９０ｖ．ｃｎ
接受日期：２００７旬２旬７
一个干旱指数来表达，干旱指数是综合表征了地表
１
世界范围内最为严重的气候灾害之一，它直接阻碍响比较严重的国家，干旱半干旱面积占整个国土面
收稿日期：２００６＿０７－１５
侯英雨等：干旱监测指数研究
干湿状况的一个简单数值（Ｎ锄蓟ｍｈａｎ＆Ｓｒｉｎｉｖａ—
ｓａｎ，２００５）。目前应用广泛的干旱监测指数主要有２类：一类是基于地面气候数据的干旱指数，即传统干旱监测指数，这些指数都是基于单点观测，很难反映大面积的干旱状况；另一类是基于卫星遥感信息的干旱监测指数，主要是应用多时相、多光谱、多角度遥感数据从不同侧面定性或半定量地评价土壤水分分布状况，具有范围广、空间分辨率高等优点。因
此，利用卫星遥感技术进行大范围的干旱监测对国
家有关部门宏观决策、指导农业生产及区域的可持续发展具有重要意义。
２传统干旱监测指数
２．１
帕尔默干旱指数（Ｐａｌｍｅｒｄｒｏｕｇｈｔ
ｓｅｖｅｒｉｔｙ
ｉｎ—
ｄｅｘ，ＰＤＳＩ）
ＰＤＳＩ是最重要的气象干旱指数之一，主要用来评价异常湿润和异常干燥天气的持续时间。该指数能反映干旱的成因、程度、持续时间，具有物理意义明确、资料获取容易、参数计算简便等特点，因此被
大家广泛接受（Ｐａｌｍｅｒ，１９６５；Ａ１１ｅｙ，１９８４；Ａｋｉｎｒｅｍｉ，
１９９６）。ＰＤＳＩ模型输入参数包括降水、温度、平均土壤水分含量。计算过程如下：１）通过输入的参数，利用一个简单的水分平衡模型可以计算得到水分平衡各种组分，包括蒸发、土壤补充水分、径流和表层
失水量；２）根据近３０年历史天气数据计算的各气
候常量，可以针对当前存在的天气条件计算一个气候适宜降水量；３）利用实际降水量与气候适宜降水量的差值来计算降水亏缺；４）基于经验统计关系，利用降水亏缺计算ＰＤｓＩ。
ＰＤＳＩ不但可以评价实时干旱分布状况，还可以
分析过去１００多年以来全球干旱演变规律（Ｄａｉ甜ａｆ．，１９９８）。Ｄａｉ等（２００４）利用１８７０—２００２年的全球月ＰＤｓＩ数据集分析了ＰＤｓＩ与土壤湿度及全球变
暖的关系。
２．２作物湿度指数（ｃｍｐ
ｍｏｉｓｔｕｒｅ
ｉｎｄｅｘ，ＣＭＩ）
由降水亏缺计算得到ＰＤｓＩ对监测长期干旱状况是一个非常有用的指标。然而，农作物在关键生长季节对短期的水分亏缺是高度受影响的，并且降水亏缺的发生与土壤水分引起的农业干旱之间有一个滞后时间。为此，Ｐａｌｍｅｒ在ＰＤＳＩ的基础上开发了ｃＭＩ作为监测短期农业干旱的指标（Ｐａｌｍｅｒ，１９６８），
ＣＭＩ主要是基于区域内每周或旬的平均温度和总降
水来计算，能快速反映农作物的土壤水分状况。
ＣＭＩ已被美国农业部（ｕｓＤＡ）采用并在其《天气和作物周报》上作为短期作物水分需求指标发布（ｗｉｌ—
ｈｉｔｅ＆Ｇｌａｎｔｚ，１９８５）。
２．３
标准降水指数（ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
ｉｎ．
ｄｅｘ，ＳＰＩ）
近２０年，另一种气象干旱指数，即标准降水指数（ＳＰＩ），被广泛接受。ｓＰＩ是基于过去３、６、９、１２、２４或４８个月的降水总量的气象干旱指数。在计算ＳＰＩ的过程中，将实测的３、６、９、１２、２４或４８个月的降水总量首先拟合成１概率分布，然后用高斯函数将１概率分布转换为标准正态分布，并给出每个时间刻度上的ｓＰＩ值，并根据ｓＰＩ值来定义其干旱等级程度（ＭｃＫｅｅ钟口ｆ．，１９９３）。ＳＰＩ的最大优点能够
在不同时间尺度上计算，可以提供干旱早期预警。自１９９４年来，ｓＰＩ被美国科罗多拉州作为干旱状况
的常规业务监测手段之一（ＭｃＫｅｅｅ￡ｏｆ．，１９９５）。
２．４地表水分供应指数（ｓｕｒｆａｃｅ
ｗａｔｅｒ
ｓｕｐｐｌｙｉｎｄｅＸ，
ＳＷＳｌｌ
ｓｗｓＩ是对ＰＤｓＩ的一个补充，由ｓｈ如ｒ和Ｄｅｚ．
ｍａｎ在１９８２年设计开发，用来监测美国科罗多拉州地表湿度状况。ＰＤＳＩ模型是主要基于地形相对均一地区的地表湿度算法，它不考虑地形差异，也不考虑地表积雪及其产生的径流。ｓｗｓＩ的目的是把水文和气候特征耦合成一个综合的指数值。计算ｓｗ—ｓＩ的主要输入参数有积雪当量、流量及流速、降雨量、水库存储量。ｓｗｓＩ的最大优点是计算简单，能够反映流域内的地表水分供应状况。由于ＳｗｓＩ在每个地区或流域的计算都不一样，因此流域之间或
地区之间的ＳＷＳＩ缺乏可比性（Ｇａｒｅｎ，１９９３）。３基于卫星遥感的干旱监测指数
３．１基于地表反射率和发射率的干旱指数
在过去２０年，人们常常利用卫星数据通过建立不同的遥感模型来监测区域尺度的干旱状况，如植被指数干旱监测模型（Ｇｕｔｍａｎ，１９９０；陈维英等，
１９９４；Ｅｋｌｕｎｄｈ，１９９６；Ｇｏｓｈ，１９９７）、地表温度干旱监
测模型（Ｍｅｖｉｃａｒ＆Ｊｕｐｐ，１９９８）、地表温度和植被指数组合干旱监测模型（Ｋｏｇａｎ＆ｓｕｌｌｉｖａｎ，１９９３；Ｋｏｇａｎ，１９９５，１９９７，１９９８；Ｌｉｕ＆Ｋｏｇａｎ，１９９６）等。这些干旱遥感监测模型的主要因子是地表在可见光和近红外波段的反射率以及从热红外波段反演的地表
温度。
这些干旱指数的前提假设是：一个地区的植被
干旱监测指数研究
作者：作者单位：
侯英雨， 何延波， 柳钦火， 田国良， HOU Ying-yu， HE Yan-bo， LIU Qin-huo，TIAN Guo-liang
侯英雨,HOU Ying-yu(国家气象中心,北京100081;国家气象中心,北京100081)， 何延波,HEYan-bo(国家气象中心,北京100081)， 柳钦火,田国良,LIU Qin-huo,TIAN Guo-liang(中国科学院遥感应用研究所,北京100101)生态学杂志
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刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
参考文献(48条)
1. 刘安麟;李星敏;何延波 作物缺水指数法的简化及在干旱遥感监测中的应用[期刊论文]-应用生态学报 2004(02)2. 李克让 中国干旱灾害研究及减灾对策 1999
3. Wan Z;Wang P;Li X Using MODIS land surface temperature and Normal Difference Vegetation Indexproducts for monitoring drought in the southern Great Plains,USA[外文期刊] 2004(1)
4. Su ZB;Yacob A;Wen J Assessing relative soil moisture with remote sensing data:Theory,experimentalvalidation and application to drought monitoring over the Northern China Plain[外文期刊] 2003(1/3)5. Shafer BA;Dezman LE Development of a Surface Water Supply Index (SWSI) to assess the severity ofdrought conditions in snowpack runoff areas 1982
6. Rosema A;Bijleveld JH;Reiniger P A combined surface temperature,soil moisture and evaporationmapping approach 1978
7. Ramesh PS;Sudipa R;Kogan FN Vegetation and temperature condition indices from NOAA AVHRR data fordrought monitoring over India[外文期刊] 2003(22)
8. Price JC The potential of remotely sensed thermal infrared data to infer surface soil moisture andevaporation 1980(04)
9. Kogan FN Global drought watch from space 1997
10. Kogan FN Application of vegetation index and brightness temperature for drought detection[外文期刊] 1995
11. Garen DC Revised Surface Water Supply Index (SWSI)for western United States[外文期刊] 1993(04)12. Eklundh L Estimating relations between AVHRR NDVI and rainfall in East Africa at 10-day andmonthly time scales[外文期刊] 1998(03)
13. Dai A;Trenberth KE;Qian T A global data Set of Palmer Drought Severity Index for 1870-2002:Relationship with soil moisture and effects of surface warming[外文期刊] 2004(6)14. Dai A;Trenberth KE;Karl T Global variations in droughts and wet spells:1900-1995[外文期刊]1998(17)
15. 田国良;郑柯;李付琴 用NOAA-AVHRR数字图像和地面气象站资料估算麦田的蒸散和土壤水分 199016. 田国良;杨希华;郑柯 冬小麦旱情遥感监测模型研究 1992(02)
17. 隋洪智;田国良;李会琴 农田蒸散双层模型及其在干旱遥感监测中的应用[期刊论文]-遥感学报 1997(03)18. 刘绍民;刘志辉 作物农田蒸散计算模型的研究 1998(04)
19. 刘绿柳;肖风劲 黄河流域植被NDVI与温度、降水关系的时空变化[期刊论文]-生态学杂志 2006(05)
20. Wilhite DA;Glantz MH Understanding the drought phenomenon:The role of definitions 1985(03)21. Watson K;Rowen LC;Offield TW Application of thermal modeling in the geologic interpretation of IRimages 1971
22. Wang PX;Li XW;Gong JY Vegetation temperature condition index and its application for droughtmonitoring [外文会议] 2001
23. Akinremi OO;McGinn SM Evaluation of the Palmer drouIght index on the Canadian Prairies[外文期刊]1996(05)
24. Alley WM The Palmer Drought Severity Index:Limitations and assumptions 1984(07)
25. Pinty B;Verstraete MM GEMI:A non-linear index to monitor global vegetation from satellites 199226. Palmer WC Keeping track of crop moisture conditions,nationwide:The new crop moisture index1968(04)
27. Palmer WC Meteorological drought[Research Paper 45.U.S.Washington.DC:Weather Bureau] 196528. Niemeyer S;Vogt JV Towards monitoring drought conditions in Sicily using an energy balanceapproach 1998
29. Moran MS;Clarke TR;Inoue U Estimating crop water deficit using the relation of between surface-air temperature and spectral vegetation index[外文期刊] 1994
30. McVicar TR;Jupp DLB The current and potential operational uses of remote sensing to aid decisionon drought exceptional circumstance in Australia:A review[外文期刊] 1998(3)31. McKee TB;Doeskin NJ;Kleist J Drought monitoring with multiple time scales 1995
32. McKee TB;Doesken NJ;Kleist J Thc relationship of drought frequency and duration to time scales1993
33. Liu WT;Kogan FN Monitoring regional drought using the vegetation condition index 199634. Li SX;Xiao L Distribution and management of dryland in the people republic of China 199235. Leprieur C;Verstraete MN;Pinty B Evaluation of the performance of various vegetation indices toretrieve vegetation cover from AVHRR data 1994
36. Kogan FN A typical pattern of vegetation conditions in southern Africa during El Nino yearsdetected from AVHRR data using three-channel numerical index[外文期刊] 199837. 侯英雨;张佳华;何延波 利用EOS-MODIS卫星遥感数据监测西藏干旱 2005(zk)
38. Kogan FN;Sullivan J Development of a global droughtwatch system using NOAA/AVHRR data[外文期刊]1993
39. Kogan FN Remote sensing of weather impacts on vegetation in non-homogeneous areas 1990
40. Kahle AB A simple thermal model of the earth surface for geologic mapping by remote sensing 197741. Jackson RD;Idso SB Canopy temperature as a crop water stress indicator 1981
42. Gutman CG Vegetation indices from AVHRR:An update and future prospects[外文期刊] 199143. Gutman CG Towards drought monitoring from space[外文期刊] 1990
44. Gosh TK Investigation of drought through digital analysis of satellite data and geographicinformation systems[外文期刊] 1997
46. 王鹏新;龚健雅;李小文 条件植被温度指数及其在干旱监测中的应用[期刊论文]-武汉大学学报(信息科学版)2001(5)
47. 申广荣;田国良 作物缺水指数监测旱情方法研究 1998(01)
48. 陈维英;肖乾广;盛永伟 距平植被指数在1992年特大干旱监测中的应用 1994(03)
引证文献(10条)
1. 李晶. 吕志红. 林蓉. 刘晓梅 辽宁省近48年气象干旱变化特征分析[期刊论文]-安徽农业科学 2010(7)
2. 王君华. 莫伟华. 钟仕全. 丁美花. 孙涵 基于MODIS数据的蔗区旱情监测与评价——以广西崇左市为例[期刊论文]-安徽农业科学 2010(17)
3. 俞飞. 靳立亚. 张肖剑. 王志远 基于小波分析的西北地区PDSI序列周期分析[期刊论文]-甘肃农业 2010(10)4. 马媛. 塔西甫拉提·特依拜. 刘新春. 吕光辉 多时相卫星影像在2008年新疆特大干旱监测中的应用[期刊论文]-新疆农业科学 2009(5)
5. 胡荣辰. 朱宝. 孙佳丽 干旱遥感监测中不同指数方法的比较研究[期刊论文]-安徽农业科学 2009(17)6. 陇东地区植被指数NDVI与降水的关系研究[期刊论文]-干旱地区农业研究 2009(6)
7. 乔丽. 江志红. 李青 Palmer干旱指数与降水距平在陕西对比应用[期刊论文]-陕西气象 2008(2)8. 闫娜. 杜继稳. 李登科. 延军平 干旱遥感监测方法研究应用进展[期刊论文]-灾害学 2008(4)9. 张倩. 赵艳霞. 王春乙 我国主要农业气象灾害指标研究进展[期刊论文]-自然灾害学报 2010(6)
10. 俞飞. 靳立亚. 张肖剑. 王志远 基于小波分析的西北地区PDSI序列周期分析[期刊论文]-甘肃农业 2010(10)
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