中国干旱最频发^［1］，而且干旱发生区域差异特征十分突出，黄河流域是受干旱影响最严重的区域^［2］。黄河流域大部分地区处于干旱半干旱区，对气候变化极其敏感，近年来气候变暖使黄河流域气候发生了显著的变化^［3］。随着社会经济的快速发展，黄河流域已成为中国水资源极其短缺的地区。黄河流域以占全国2.2%的径流量，承担着占全国15%的耕地和12%人口的供水任务，并在未来10—30年仍将继续面临水资源严重短缺的严峻挑战^{［2，4-6］}。黄河流域是中国主要的粮食基地和经济带，人口密集，农业用水的比重占整个流域供水量的60%以上^［5］。据统计，截至2018年底黄河流经的9个省区总人口达4.2亿，占全国人口的30.3%，地区生产总值23.9万亿元，占全国的26.5%^［4-6］。在气候变化和人类活动的双重影响下，黄河流域水资源的供需矛盾更加突出。

随着气候变化，黄河流域干旱化程度加剧且对气候变暖趋势响应明显，该流域面临着严重的干旱灾害风险形势^［4-6］。目前黄河流域高质量发展已经上升到了国家战略高度，在气候变化背景下，黄河流域气候类型复杂多样，降水分布呈不均匀性特征^［7］。近年来，随着气候变化和人口数量的不断增加，黄河流域水资源利用急剧增加，尤其是下游水量减少，干旱灾害范围扩大、频次升高、持续时间增长，干旱灾害对流域生态环境和社会经济造成的影响日趋严峻^［8］。干旱灾害已经成为制约黄河流域高质量发展的主要制约因素^［9-12］。所以，深入认识黄河流域干旱灾害风险特征及其影响机制对中国社会经济发展和生态文明建设都具有十分重要的意义。

目前对于黄河流域干旱的研究成果较多，但集中在流域沿线省市或者流域部分区域的干旱指数适用性和干旱的时空演变特征分析方面的研究居多^［13-15］，而对于整个黄河流域干旱灾害风险评估及其对气候变化的响应机制方面的研究较薄弱，尤其是从灾害风险理论出发，集成多元数据，综合考虑干旱灾害风险致灾因子、孕灾环境脆弱性、承灾体易损性和防灾减灾能力可靠性等多影响因子角度来建立一套干旱灾害风险评估指标和模型，精确评估灾害风险空间分布特征与规律显得有些不足^{［2-4，8］}。对客观认识气候变化背景下黄河流域干旱灾害风险及其对气候变化的响应规律也需要深入开展^［12-15］。目前也没有形成以干旱灾害风险空间特征与规律研究为基础的干旱灾害预防措施^［13-14］。因此，研究气候变化背景下黄河流域干旱灾害风险特征，有利于政府和减灾部门及时掌握干旱损失，科学制定防灾减灾的应对措施，是关系黄河流域社会经济、粮食安全、生态安全乃至国家安全的重大战略问题^［8-10］。

本文以黄河流域为研究区域，以流域主要的气象灾害——干旱灾害风险为研究对象，基于IPCC最新的灾害风险评估方法，首先建立风险评估因子指标，分析各风险因子的变化特征。在此基础上，采用灾害风险理论，构建综合的灾害风险评估模型，系统评估流域干旱灾害风险格局，揭示流域干旱灾害风险变化规律及其对气候变化的响应机制，研究可为黄河流域高质量发展和生态保护提供科技支撑。

黄河发源于青藏高原北部，自西向东流经青海、甘肃、宁夏、四川、内蒙古、山西、陕西、河南和山东等9个省区，黄河流域位于中国中北部31°10′—41° 50′N、95°53′—119°05′E，流域东西长为1 900 km，南北宽1 100 km，干流全长5 464 km（图1）。流域总面积为79.5万km²，占国土面积的8%。黄河流域属于温带季风气候，年降水量为144—843 mm，大部分地方降水量为200—600 mm，降水呈东南多、西北少的格局分布，由西南向东北逐渐减少，中游南部和下游水量属于水量丰沛区，而流域的宁夏、内蒙古区域降水量最少，为200—300 mm^［6］。黄河流域大部分地区处于干旱半干旱区，属于气候变化极其敏感的区域。近年来气候变化导致黄河流域径流量明显减少，生态环境脆弱性增加^［3］。近60多年，黄河流域气候整体呈暖干化，但具有明显的区域差异性，流域整体增温1.39 ℃，降水减少10 mm。在气候变暖和人类活动的共同影响下，自然灾害频发，干旱灾害是黄河流域的主要气象灾害，黄河流域水资源供需矛盾日益突出，农业用水占流域供水量的60%以上，干旱灾害给当地社会经济、人民生活带来了巨大损失^［4］。 1368—1949年平均5.4年一遇干旱^［16］，“有人相食，饿殍盈野、死者枕籍”的大旱灾61年，19世纪大旱频次和程度均有所增加^［9］。

所用资料主要为黄河流域及其周边122个气象站1961年以来日降水量和气温，数据来源于中国气象数据共享服务网（http：// cdc.cma.gov.cn/），该资料所有资料经过了严格的质量控制和标准化处理剔除了缺测站点数据。遥感资料来源于http：//www.nsof.class.noaa.gov/和http：//reverb.echo.nasa.gov/，免费下载。植被类型、水系、世界土壤数据库、DEM和土地利用类型等GIS数据来源于西部数据中心（http：//westdc.westgis.ac.cn/）。干旱灾情统计资料来源于《中国统计年鉴》和《灾害大典》。所有地理信息和遥感数据都利用ENVI4.5和ArcMAP9.2软件裁切出黄河流域，转化成Albers投影，重采样成1 km统一空间尺度^［17］，与其他数据空间运算匹配。

基于前人干旱致灾研究成果^［17-21］，采用气象综合干旱监测指数（MCI）作为干旱致灾因子表征指标（式1）。MCI是由国家气候中心经多年干旱监测指数研发和多次修订完善得到、正在广泛使用的干旱监测指标。该指标既能反映日时间尺度的实时干旱监测，也能反映月、季和年等长时间尺度降水量偏少等气候异常情况，还能反映气象干旱对农业和水资源在短时间尺度水分亏缺情况，对气象干旱监测和历史同期农业和水资源的干旱影响评估具有比较好的指示作用^［22］。

式中：SPIW₆₀为近60天标准化权重降水指数，SPIW₆₀=SPI（WAP），WAP=∑n=0600.95nPn；MI₃₀为最近30天湿润度指数，MI=R-ET0ET0，详细计算方法请参见GB/T 20481—2006；SPI₉₀和SPI₁₅₀为近90天和150天SPI，计算方法参见GB/T 20481—2006^［23］；a、b、c、d为随地区和时间变化而调整的权重系数。

Mann-Kendall检验是由Mann^［24］和Kendall^［25］研发的一种非参数统计方法，它在独立随机时间序列的假设下定义了一个统计序列，揭示了时间序列的趋势变化。它被广泛应用在气象变化趋势的显著性检验分析中，它不要求数据服从特定的分布，而且相对不受异常值的影响，能够客观地表征样本序列的总体变化趋势，MK检验统计量的相关公式如下：

式中：n为数据点个数；xi和xj分别为年份和j>1时间序列的数据序列值；i和j为符号函数；sgnxj-xi为pth值的绑定数；tp为绑定值的数量。在时间序列中，Z_MK上升趋势为正值，Z_MK下降趋势为负值。零假设被拒绝，当时间序列中|Z_MK|>Z1-α/2时存在显著趋势。Z1-α/2为Z在标准表中的临界值，Z1-α/2的5%显著性水平时为1.96。

由于干旱灾害风险影响因素复杂，所以干旱灾害风险评估流程复杂，需要的数据种类较多。首先通过GIS技术将数据重采样成统一空间尺度，并归一化处理，建立干旱灾害风险评估空间数据库。通过历史灾害实况数据统计分析，筛选出影响干旱灾害风险大小的主要因子、指标，利用层次分析法确定其对干旱损失贡献度大的最优指标和模型。基于多源数据融合，借助GIS空间分析功能，建立干旱灾害致灾因子危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体易损性和防灾减灾能力可靠性评估指标体系，再加权建立干旱灾害风险模型，综合分析干旱灾害风险空间分布特征和规律，模型详细研究见文献^{［17，26-29］}。

式（6）为灾害风险评估模型。R表示干旱风险程度，其值越大，则灾害风险越大；H、S、V和C分别为致灾因子危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体易损性和防灾减灾能力可靠性指数；H_j、S_j、V_j和C_j为第j区干旱灾害致灾危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体易损性和防灾减灾能力可靠性指数；h_i、θ_i、y_i和a_i为第i种因子的危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体易损性和防灾能力可靠性指数；Q_i为第i种因子的危险性权重；n为因子个数。

干旱灾害风险受致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力等综合因子控制和主导^{［17，21］}。干旱灾害致灾因子是指造成干旱灾害的主要气象因子程度、持续的时间和发生的概率等变化特征和异常程度^［21］。目前一般选择干旱指数作为致灾危险性的指标，根据能综合反映干旱实况和发展演变规律的干旱指数监测分析其干旱强度、发生频率和持续时间，进而表征干旱灾害致灾危险性大小。致灾因子危险性是灾害风险的主导因子，例如温度升高、降水减少和蒸散加大等气候系统异常造成干旱发生程度加重、频次升高和持续时间增长^［17］。本文基于MCI分析黄河流域干旱灾害致灾危险性（表1）。干旱致灾因子危险性是灾害风险中主导因素和最活跃的因子，有时直接控制着灾害风险的分布格局和发展趋势^{［21，26］}。

孕灾环境脆弱性表示灾害发生的地理环境对干旱的适应和响应能力大小，是地形、土壤等自然环境和社会经济系统对干旱灾害影响的敏感度和恢复能力的综合反映^{［24，26］}。根据自然环境对干旱灾害的缓冲和加速能力选择指示性指标来评价孕灾环境脆弱性，包括地形、坡度和坡向、植被覆盖度、河网密度和土壤类型。承灾体易损性指的是干旱灾害风险发生时受影响的主体和承灾对象^［26］。承灾体易损性一般又包括承灾体暴露度和敏感度两个方面，易损性与暴露在灾害风险中的受灾对象的面积和数量（暴露度）有关，还与承灾体本身对灾害的敏感程度有关，即敏感度。同一等级灾害风险发生在不同区域，尤其是作用于不同的承灾对象（包括作物的品种、结构和种植制度、土地利用类型、人口分布等承灾体的密集程度等）。由于承灾体易损性的差异，造成的影响不同，那么灾害面临的风险也就完全不一样^［21］。在特定的致灾因子和孕灾环境下，承灾体是影响旱灾风险大小的重要因素。防灾减灾能力指风险发生地综合考虑社会经济发展水平等政府和人们对灾害的抵御及恢复程度，是为应对干旱灾害所造成的损害而进行一些政府对策和人为干预措施^［27-29］。干旱防灾减灾能力相对于干旱承灾体和孕灾环境，属于干旱灾害风险中主动的、可以受人为干预的因子，它与加强公众对灾害和风险防范意识的宣传与重视程度有关，也可以通过不断投入资金兴修水利设施等工程或者非工程措施进行主动干预灾害风险^［24-29］。某种程度上防灾减灾能力可靠性直接或间接依赖于社会经济发展水平和人们对灾害的防范意识及重视程度等因素。

层次分析法是多指标通过指标两两比较进行相对重要程度的排序，通过比较获得判断矩阵得出各指标权重。利用历史灾害灾情数据库，采用层次分析法构建干旱风险各因子和指标判断矩阵，通过信度检验得出有效权重，得出干旱程度、持续时间和频次各因子对危险性的贡献程度，给予相应的权重（表2）。

利用极差标准化对各项评估指标归一化处理，消除各分项指标量纲影响。将各项指标与其权重相乘，得出4因子干旱灾害风险评估模型。利用GIS技术的空间内插技术和自然断点法，将致灾因子危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体易损性、防灾减灾能力可靠性和干旱灾害风险指数按阈值分为极低、低、中度、高和极高5个等级（表3）。

由图2可以看出，黄河流域干旱致灾因子的危险性分布具有明显地域分布特点，从西向东干旱致灾因子的危险性加重，干旱灾害高危险性主要位于上游东部和中下游地区，而上游西部危险性较低。黄河流域上游属于干旱半干旱区，位于上游黄河兰州段至河口的地区多年平均降水量一般为200—300 mm，而且蒸发量大，春夏连旱的频次较大，重度以上干旱频次达90%，即使是丰水年，自然降水一般也不能满足作物正常的需水量^［30-32］。但由于该区域发展引黄灌溉技术，主要利用过境水实现农业灌溉，干旱程度和频次较少，所以干旱灾害致灾因子的危险性较低。黄土高原核心区年降水量在500 mm以下，气候干燥少雨，且极端强降水居多，加之土壤类型和下垫面状况，强降水过程的雨量下渗到土壤中的比例较低，大部分降水都会流失掉，实际上真正被作物可利用的降水非常少^［33-36］，发生中度和重度干旱频次达80%左右，属于干旱灾害危险性较高的区域。在伊、洛、沁河流域中主要是春季和夏季发生干旱，但是夏季这里雨量充沛，年降水量的60%—70%集中在夏季^［37］，中度以上干旱发生频次较少，所以该区域属于干旱致灾危险性较低的区域。而位于太原、晋南和关中盆地的泾、洛、渭、汾河流域，虽然降水量较大，但是年蒸发量1 000—1 500 mm，发生伏旱的频次也比较大，属于干旱致灾危险性中度区域。根据相关研究发现，关中平原几乎每年都有干旱发生，20世纪50—90年代，基本上3年就有一次干旱发生，个别年份干旱非常严重，20世纪80年代，关中平原干旱事件长达200天，造成的干旱损失为50年罕见^［31-38］。

由图3可以看出，黄河流域孕灾环境脆弱性比较集中，高脆弱地区主要分布在上游北部沙漠戈壁带，也就是宁夏平原、河套平原、黄土高原主体区，以及中游南部三门峡至小浪底沿黄区域。上游北部区域毗邻腾格里沙漠和毛乌素沙地，主要土地利用类型为沙漠和戈壁，地表植被盖度低，土壤类型为沙地，土壤含水量和持水能力弱，加之气候干燥少雨，蒸发强，生态环境比较脆弱。而上游南部和中游中部地区，气候属于半干旱区域，自然降水量大于北部干旱区，土壤类型为黏土和壤土，因有部分森林草地分布，植被覆盖度高，土壤有机质含量高且储水能力强，生态环境较好，孕灾环境脆弱性较低。旧孟津至山东境内沿黄一线由于大范围沙滩地，较高孕灾环境脆弱性零星分布。而上游的青藏高原东南部、刘家峡至黄土高原南部脆弱性较低。

由图4可以看出，黄河流域承灾体易损性空间分布总体上是中下游高于上游。中下游人口密集，暴露度高，水资源开发利用程度高，且是黄河流域主要作物种植区和种植密度较大的地区。黄河流域作为生态系统的敏感区，尤其是近年来实施的“退耕还林还草”政策，黄河流域大部分地区植被覆盖在 2000 年以后明显变好，且黄河中下游植被覆盖增加最为显著。承灾体暴露度高，承灾体暴露在灾害中的面积大，暴露在干旱危险区的概率较高。在一定降水条件下，承灾体自身适应性较差和恢复能力较弱区域的易损性大小往往与旱灾风险空间一致。所以，黄河流域承灾体易损性最高主要分布在中下游，除了中下游南部森林区外，大部分区域易损性较高。黄河上游沙漠戈壁带和中下游北部为中-高易损性，该区域土地利用主要为草地，植物主要是一年生草本，这种植被对降水和温度等气候因子敏感性较高；在南部河谷地带也有零碎的高易损性分布。在森林分布的大多区域为低-次低易损性，多年生乔木或灌木的森林，对短期的水分亏缺不敏感，而且木本植物根系较深，土壤水分存储较好，承灾体的易损性较低，这里即便开发成耕地种植农作物，由于土壤有效含水量比较高，作物的易损性也较低。虽然黄河流域暴露性增加，但是黄河流域作物产量呈增加趋势，承灾体敏感性降低。

由图5可以看出，黄河流域防灾减灾能力总体是中下游高于上游，尤其是中游南部和下游东部干旱灾害防灾减灾能力最强，而上游干旱灾害防御能力最弱，中游中南部除部分区域外，防灾抗灾能力也较弱。从防灾抗灾能力可靠性空间分布也可以看出，在一定的致灾因子、孕灾环境和承灾体下，社会经济发展好的地区，一般防范和抵御自然灾害的能力就强。经济条件较好的地区，大部分耕地为水浇地，有效灌溉量大，保灌率高、干旱防御能力就强。而上游青海和甘肃甘南州等部分区域为高海拔地区，主要是牧业，社会经济发展相对比较落后，防灾设施差，人们对灾害的防御意识也比较淡薄，地方防灾能力可靠性最低。即便有部分农作物种植，也通常是耕地位于山区，主要是坡耕地或者山地，农业设施相对落后，水利设施不齐备，作物蓄水和草场发展主要是靠自然降水维持，一旦有干旱发生，作物及时得不到充沛的蓄水补给，即便有大的降水出现，也没有好的储水设施和环境，所以干旱灾害防灾能力较弱。所以防灾减灾能力对黄河流域干旱灾害风险防御具有举足轻重的作用。

由图6可以看出，黄河流域高风险区主要位于中下游，而且不同的致灾因子、承灾体、孕灾环境和防灾减灾能力等差异导致干旱灾害风险格局模式全区并不一致，分布格局和影响因素非常复杂，部分区域集中成片，部分区域高、低风险零散交错。通过各评估因子与干旱灾害风险总的特征贡献程度分析，可以看出黄河流域干旱灾害风险总体趋势与干旱致灾因子危险性分布特征最相似，其次是孕灾环境脆弱性和防灾减灾能力可靠性，而与承灾体暴露性和易损性相关性相对最低。选取黄河流域典型干旱年，将本文模型计算得出的黄河流域干旱综合风险指数与干旱灾情数据对比，发现模型计算的结果与历史灾情实况基本一致，同时也将该结果与其他前人的研究结果对比，发现总体趋势跟本研究风险分布一致^［39-40］。

黄河流域主要属于季风气候区，黄河源青藏高原东段属于高原山地气候，中部内陆地区为温带大陆性气候，东部流域为温带季风气候^［38］。各区域地貌类型差异很大，受大气环流和季风影响复杂。复杂的气候差异是黄河流域干旱灾害风险分布格局复杂的主要因素之一。

随着全球气候变化，黄河流域气温存在明显的上升趋势，1961年以来整个流域升温1.39 ℃。但流域升温具有明显的区域差异性，增温最明显的是上游北部河套平原，其次是中下游地区，增温最慢的是上游^［38］。流域年降水量减少了10 mm，分区域而言，上游年降水量具有明显的增加趋势，而中下游存在明显的减少趋势，而极端降水趋于增加^［38-40］。气候突变M-K检验发现，黄河流域气温突变发生在20世纪80年代末，突变之后，气温上升速率和降水减少明显^［34］。所以，整体上黄河流域趋于暖干化，暖干化的气候条件必然导致干旱灾害危险性趋大，进而促使孕灾环境脆弱性升高、承灾体的暴露度和易损性加大，从而使干旱灾害风险加剧。气候变化使得流域水资源年际变化差异大，径流减少趋势明显，干旱致灾因子的危险性趋大趋强。这些都是黄河流域干旱灾害高发频发、高风险分布比较集中的主要诱导因素。

黄河流域不同区域气候差异显著，中下游主要为温带季风气候，黄河流域南高北低，自西南向东北海拔逐渐降低^［33-36］。温差悬殊是黄河流域的主要气候特征之一，随地形三级阶梯自西向东由冷变暖，气温的东西向梯度明显大于南北向梯度^［34］。气温的年较差和日较差大，加上降水集中、分布不均和年际变化大^［39］，干旱灾害风险性较高。在深居内陆的西北宁夏、内蒙古部分地区，年降水量不足150 mm，而受地形影响较大的南界秦岭山脉北坡，降水量可达700—1 000 mm，南北降水之比大于5，流域一般冬干夏旱，夏秋多雨，全年降水量的70%左右集中在6—9月，年降水的最大与最小值之比约为1.7—7.5^［36-41］，降水量的时空差异也是干旱灾害风险面临的又一潜在诱因。黄河流域蒸发能力很强，年蒸发量达1 100 mm，尤其是上游甘肃、宁夏和内蒙古西部可达2 500 mm，属于中国年蒸发最大的区域^{［39，42］}，强烈的蒸发是该区域干旱灾害风险的主要因素。由长期的自然气候条件形成的孕灾环境和承灾体也是区域干旱灾害风险性较高不可忽视的因素。

在全球变暖和人类活动的共同影响下，中下游气候暖干化、极端气候事件增多、流域径流量大幅减少，植被改善，但土壤水分减小和土壤干层不断加厚。全流域人类用水占地表总径流量比例从20世纪50年代的不足20%上升到最近的85%以上，地表水资源的利用比远超过40%河流健康的警戒线^［41］。黄河流域的气候及区域生态环境孕灾过程发生了显著的变化^{［6，42-43］}，干旱灾害风险不断加剧已成为黄河流域生态保护和高质量发展面临的主要问题。

干旱灾害风险影响因素复杂，且黄河流域干旱灾害风险具有明显的地带性和复杂性，不同区域起主导作用的风险因子不同，这与前人的研究结果一致^{［9-10，43］}。本文利用了多元数据，综合模拟了全流域干旱灾害风险现状，对全流域的干旱灾害风险分布格局及其影响的主要因子有了进一步的认识，在一定程度上克服了常规分析定性和评估精度较低的不足。但今后需要进一步加强模式数据应用，例如通过高分辨率遥感数据反演参数和陆面模式提高风险评估时空精度。而且由于干旱灾害风险受干旱致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力等影响因子共同控制和决定，且影响机制非常复杂^［44-48］，流域不同区域气候、地貌、土壤类型、持水性和含水量等不同，这些客观和非客观因素的差异性和评估数据贡献程度，使得灾害风险评估需要分区域更加深入地研究。

黄河流域干旱灾害风险分布格局总体是中下游高于上游。不同的致灾因子、承灾体、孕灾环境和防灾减灾能力差异性导致干旱综合风险模式非常复杂。干旱致灾危险性空间上总体呈东高西低的特征。黄河流域上游东部、中游南部和下游干旱灾害危险性较高，而上游西部和中游北部干旱致灾危险性程度相对较低。孕灾环境高脆弱区主要位于上游北部宁夏平原、河套平原和黄土高原主体区，这里毗邻腾格里沙漠和毛乌素沙地，气候干燥少雨，植被稀疏，土壤持水力低，属于生态环境脆弱带。承灾体易损性比较高的地区则集中在人口密度高、经济发达的上游东南部和中下游区域。防灾减灾能力则与易损性恰好相反，社会经济发达的区域恰好属于防灾能力比较强的区域，而上游农牧交错区防灾能力较低。

黄河流域受多样气候带和复杂地形的影响，随着气候变化，黄河流域干旱灾害风险致灾因子危险性程度日趋增高，气候变化使得黄河干旱灾害风险呈加大趋势，而且越是干旱的地区，增加程度越明显，干旱灾害综合风险分布具有明显的地带性和区域差异性。黄河流域干旱灾害风险的主导因子是致灾因子危险性，其次是孕灾环境脆弱性和防灾减灾能力可靠性，而承灾体易损性贡献量相对最小。不同区域干旱灾害风险因子的贡献度不同，上游主要是孕灾环境脆弱性和防灾减灾能力起主导作用，而中游是致灾因子危险性、承灾体易损性和防灾减灾能力可靠性贡献大，下游则是致灾因子危险性和承灾体易损性控制了干旱灾害风险的分布格局。