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干旱是人类面临的最严重的自然灾害之一，我国尤其是一个干旱灾害频发的国家。因此，干旱的监测和评估就显得特别重要。为比较不同地区的干旱，准确度量其影响，需要一些数字标准。然而干旱是一个极其复杂的自然现象，至今仍没有一个干旱的统一而充分的定义，这就给干旱的监测和评估带来困难。在科研和业务工作者设计的众多干旱定量方法中，Palmer(1965年)设计的干旱模型是其中最著名和应用最广泛的一个方法。虽然，Palmer提出的基于复杂水平衡模式的干旱模型，是干旱指数发展史上的里程碑，但它仍有许多自身内在的缺点，比如水平衡模式中水分收支各分量的计算仍不够完善，干旱强度的分类有点尚欠客观，这就需要对这个应用广泛的干旱度量进行改进。本研究针对Palmer干旱模型中存在的两个不足——水平衡模式各分量计算精度和湿度偏差的计算——进行一定程度的改进。
Palmer干旱模型中需要计算某个时段湿度相对于正常状态的盈亏程度，将其定义为湿度偏差d。原模型中d的计算等于实际降水和“气候适宜降水”的偏差。论文分析证明降水偏差虽然是湿度偏差的主要部分，但不完全等于湿度偏差，文中给出湿度偏差d的计算公式。论文进一步分析了降水偏差和湿度偏差对最终计算的PDSI的影响，在大部分时间两者计算的PDSI值十分接近，但在降水突然由大值进入低值时，两者计算的PDSI值差异较大，用湿度偏差d计算的PDSI对干旱状况的度量要更为准确和灵敏。
针对Palmer干旱模型中原土壤水平衡模式存在的问题，结合Palmer干旱模型的自身特点，论文设计了一个新的土壤湿度模式以替换Palmer干旱模型中原有的水平衡方程。新的土壤湿度模式是一个单层土壤水文模型，包括一个简单的雪融和雪累积度日模型以区分液态和固态降水。模型中提供三种潜在蒸散发计算公式，即Thomthwaite、Mintz-Thomthwaite公式和FAO Penman-Monteith公式，可根据能够获得的多样化观测资料选择相对精度高的潜在蒸散发计算公式，以提高蒸发的计算。新模型中还包括了一种考虑植被对蒸发的影响以及截留降水的参数化方案，以便研究植被对干旱的作用。论文利用中国区1981-1999年实测的40个站点的土壤湿度观测资料验证了对比了新旧水平衡模式对土壤湿度的模拟。结果表明，新模式能够更好地抓住土壤湿度的年际变化以及年循环，但模式在模拟土壤湿度的绝对值大小和异地区的观测资料获得的。
在验证模式对土壤湿度模拟的改进基础上，论文又利用中国气象局国家气候中心整编的中国历史干旱数据集资料，分析对比了新旧PDSI对中国区域几次历史特大干旱事件的刻画能力。结果显示，新旧PDSI都能够较准确地抓住中国这几次特大干旱事件的主要特征。但新PDSI无论是对干旱强度和持续时间的度量，还是影响范围的确定都显示出更好的刻画能力。
在改进的Palmer干旱模型基础上，利用CRU TS2.1全球月降水和温度数据(分辨率为0.5°×0.5°)作为模型输入场，获得了20世纪全球PDSI数据(1901-2002年)，该数据具有和CRU TS2.1相同的时空分辨率。我们以该数据作为20世纪全球干旱的观测数据，评估了IPCC AR4海气耦合气候模式对二十世纪干旱的模拟能力。结果表明，总体上看，IPCC耦合模式仅能够在一定程度上模拟出20世纪全球的干旱变化趋势，尤其是对非洲的干旱趋势，模拟结果与观测较一致，同时模式对亚洲和欧洲的干旱也有一定的模拟能力。但模式在美洲和澳大利亚等地区的模拟能力较差，分析表明，这可能是耦合模式中未能体现出海温对气候变化的年代际作用所致。耦合模式对变湿区域的模拟没有对变干区域的模拟效果好。研究进一步表明，多模式集合平均可以避免单模式模拟的随机性，可以提高总的模拟性能。最后，作为Palmer干旱模型在中国气候变化研究中的应用，利用Palmer干旱模型和新疆地区的气象观测资料，分析了新疆地区近40年来的干旱变化特征，并利用IPCC全球耦合模式的Seires A2情景模拟，对未来(本世纪中叶)全球持续变暖背景下新疆地区气候干湿状况作了预估。