气候变化对渭河流域自然植被净初级生产力的影响研究(Ⅰ)——地表干湿状况时空演变特征分析

采用1959～2010年23个气象站的逐日气象资料,利用FAO Penman-Monteith公式计算出渭河流域各气象站的潜在蒸散量,由此计算出各站的湿润指数。采用样条曲线插值法(Spline)、气候倾向率、标准化指数、相关分析等方法对流域湿润指数的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行了分析。结果表明:近52a渭河流域地表湿润指数整体下降,由南向北干旱程度逐渐增加。北部黄土高原丘陵沟壑区最干,南部秦岭山地和关中地区最湿。湿润指数年际间波动较大,与潜在蒸散量的变化趋势呈反相位关系,泾河和北洛河流域干湿分布规律与渭河流域整体类似。干旱化速率较大的为华山和宝鸡,关中部分地区微弱变湿。流域整体在春季和秋季变干,夏季除关中和陇东部分地区外也逐渐变干,冬季呈变湿趋势。影响湿润指数的因素主要为降水(正相关)和温度(负相关),风速的增加也会加剧干旱化的趋势。     

甘肃东部气候变化及冬小麦生长发育响应特征

分析发现1971年以来陇东黄土高原变暖特征明显,其中西峰半湿润塬区1971～2005年增温线性趋势0.0525℃/a,环县半干旱川区增温线性趋势0.0367℃/a,平凉半湿润半干旱过渡地区增温线性趋势0.0411℃/a.除了环县川区夏季增温不明显,其余各区域四季增温均比较显著,西峰塬区四季增温幅度最大,增温趋势最明显,平凉次之.增温表现出夏季、秋季、春季、冬季依次增强的趋势.西峰半湿润塬区年降水量呈减少的趋势,环县半干旱川区年降水量呈增加的趋势,处于半湿润和半干旱过渡带的平凉年降水量则没有明显变化,不同区域秋季降水量均呈现出减少的趋势.气候变暖对陇东不同气候区域冬小麦生态影响既有相同之处,也有不同之处,相同之处主要表现在停止生长期和乳熟期均没有明显变化,起身期提前趋势明显.不同之处体现在西峰播种期明显推迟,返青期明显提前,而环县和平凉播种期和返青期均没有明显变化;西峰、平凉分蘖期明显推迟,抽穗期明显提前,而环县分蘖期和抽穗期没有明显变化;西峰、环县成熟期显著提前,全生育期日数显著缩短,而平凉成熟期和全生育期日数则没有明显变化;另外,西峰、平凉冬前及早春分蘖减少,越冬死亡率大幅度下降,产量显著增高,西峰、环县灌浆期显著延长,成熟期显著缩短,环县越冬死亡率较高时段对应秋春季降水偏少时段,产量增幅不大,增产趋势不明显.综合分析认为,西峰半湿润塬区气候变暖特征最明显,气候变暖对冬小麦的生态影响最显著.     

1960-2008年黑河流域地表干湿状况的时空变化分析

利用1960-2008年黑河流域16个气象站的逐日气象资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算最大可能蒸散量,进而计算该流域的湿润指数,对地表干湿状况的时空变化特征及其主要影响因素进行分析。结果表明：黑河流域及其上、中、下游地区的湿润指数总体呈上升趋势,地表湿润状况有所改善,且湿润指数的年际波动性较明显,变异系数分别为14.97%、13.63%、25.47%、37.72%。除下游地区外,夏季的湿润指数变化速率最快,冬季的变化速率最慢;春季,黑河流域地表以变干趋势为主,其他季节均以变湿趋势为主。影响黑河流域地表干湿状况的主要因素是降水量,其他气候因子的变化对地表干湿状况起增强或削弱作用。     

近55年来河西地区干旱时空演变特征及其与ENSO事件的关系

根据河西地区14个气象站点1961-2015年的逐月气象观测资料，基于SPEI指数采用Mann-Kendall趋势检验法、反距离加权插值(IDW)等方法分析了近55年来河西地区年代际、四季干旱及空间变化特征，并探讨了ENSO 事件与该区干旱的关系。结果表明：在年代际变化上，自20世纪90年代以来河西地区干旱次数增多、干旱程度加重。季节时间变化上，河西地区春、夏、秋季均呈干旱化趋势，春季干旱化趋势最为突出，夏季次之，冬季略呈变湿趋势。空间变化上，整个河西地区春季均呈干旱化趋势，而且大部分地区的春旱趋势极为显著，其中春旱趋势最显著的地方是金塔；冬季整个研究区趋于湿润化。各季节干旱高频区分别集中在：春季在金塔、民勤地区，夏季在河西西北部，秋季在河西中东部及西部的安西—玉门一线，冬季在101°E以西的河西地区。河西地区秋季SPEI与SSTA指数的相关性最为显著，春季次之，夏季最弱。ENSO事件发生强度与河西地区SPEI影响因子的多项式拟合关系表明，ENSO事件强度对温度的影响高于降水；其中在ENSO暖事件(厄尔尼诺事件)发生年份，气温有明显的上升趋势；在ENSO冷事件(拉尼娜事件)发生年份，少数年份降水有所增加，对气温的影响较弱。     

1964—2012年石河子地区干湿变化特征

基于石河子地区1964—2012年逐日气温和降水量的观测资料,运用趋势分析法、M-K突变检验法、小波分析法和R/S分析法,研究了石河子地区相对湿润指数的年际、季节变化特征,并对其未来变化趋势进行了预测。结果表明:1过去49 a,石河子地区气温和降水都呈增加趋势,且逐渐趋于暖湿化;2石河子地区年、夏季相对湿润指数和4个气象站的相对湿润指数都呈增加趋势,而春季和秋季的相对湿润指数则呈减少趋势;3石河子地区全年、春季、夏季和秋季以及石河子市、莫索湾和炮台地区的相对湿润指数都发生了突变,并存在10~12 a的周期,而乌兰乌苏地区年相对湿润指数没有突变,仅存在10~12 a的周期;4石河子地区全年的相对湿润指数以及莫索湾、石河子市、乌兰乌苏、炮台和石河子地区夏季的相对湿润指数将从增加趋势转变为减少趋势,而春季和秋季的相对湿润指数将从减少趋势转化为增加趋势。     

中天山北坡近30年相对湿润指数变化趋势分析

利用中天山北坡乌昌地区1981-2010年的逐月降水、气温资料,通过Thornthwaite方法计算潜在蒸数量确定气候相对湿润指数,并分析其时空变化特征；同时应用小波分析及Mann-Kendall法,对相对湿润指数进行突变和周期分析,结果表明:降水量呈波动的增加过程,空间分布不均,气温增暖趋势明显；在气候变暖的背景下,潜在蒸散量呈波动上升趋势,空间上分布差异显著(P＜0.01),各区变化趋势较一致,基本上保持同增同减的过程；相对湿润指数在-0.88 ～ 1.10间,由南至北递减,在时间序列上均呈弱的负趋势。进入21世纪,气候干旱化态势显著,秋季气候干旱化速率快于其它季节,但未出现明显的突变时间区域；各区振荡周期存在差异,但3 a和6 a的周期振荡一致性较好,同时不同时段内7～8a的低频振荡周期表现得也较为显著。     

基于湿润指数的新疆甘家湖地表干湿状况变化趋势

利用1953—2013年甘家湖梭梭林自然保护区内精河和乌苏气象站的逐月气象资料,采用伊凡诺夫公式计算出了逐月潜在蒸散量和湿润指数,分析了地表干湿状况的年际变化、季节变化及其主要影响因素。结果表明:1冬半年、夏半年和全年的多年平均潜在蒸散量分别为298、1 107 mm和1 407 mm,潜在蒸散量在冬半年随时间呈下降趋势,在夏半年和全年潜在蒸散量呈明显上升趋势。2春、夏季湿润指数的年际变化呈减小趋势,秋、冬季和全年湿润指数的年际变化呈增加趋势。根据湿润指数相对应的气候区划标准,春季甘家湖自然保护区为半干旱地区,夏季和秋季为极干旱区-干旱区,冬季为干旱区的亚湿润区-湿润区。3湿润指数与降水量、水汽压和相对湿度呈正相关,与风速、气温和日照时数呈负相关;相对湿度变化对湿润指数变化影响最大,其次是日照时数、气温、水汽压和降水量,影响最小的是风速。     

东北地区湿润指数及其干湿界线的变化特征

利用1961～2007年东北地区124个气象站的温度、降水、风、水汽压、日照等气候资料,采用Penman-Monteith-模型计算参考蒸散量,进一步计算了湿润指数,分析了参考蒸散量和湿润指数的变化趋势及干湿界线的变化情况.结果表明:湿润指数总体呈下降的趋势,变干趋势发生在半干旱半湿润气候区及湿润气候区的大部分地区,湿...     

基于SPEI的中国东北地区干旱分区及其气候特征分析

由于全球气候变暖引起蒸散的增加,并伴随着降水格局的变化,导致某些地区干旱的加剧。而东北地区位于北半球的中高纬,是受全球气候变暖影响最显著的地区之一。文中利用多时间尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI)对东北地区的干旱特征和潜在的干旱风险进行了评估。结果表明:1)东北大部分地区年降水量呈非显著减少趋势,平均减少速率为4.51mm/10a。东北地区年均温在过去的52年平均增温速率为0.31℃/10a,达到了α=0.001显著水平。降水和温度的共同作用导致了东北地区明显的干旱化趋势;2)根据REOF时空分解的前5个空间模态,可以将东北地区划分为5个干旱亚区:东北南部、内蒙古东部、黑龙江省东部、东北北部和长白山地区;3)除长白山地区,其它4个分区都表现出明显的干旱化趋势,突变点大都发生在20世纪90年代。依据旱情进行区域的详细划分是进行干旱监测的一项重要的工作,因此,文中得到的结果对于东北地区气候均质的亚区减灾,水资源管理和预测潜在的干旱灾害气候上有指导意义。     

青海高原东部边坡地带降水变化特征及突变分析

利用青海高原东部边坡地带9个地面气象站1961-2000年的降水资料,分析了区域内近40a来降水变化的时空分布特征、变化趋势及突变,结果表明近40a来,区域内东南部和西北部降水存在相反的相位变化,在降水趋势上存在西北部略增加,东南部明显减少的现象;夏季和冬季区域内大部分地方的降水量是增加的,春季和秋季表现为明显的减少趋势;秋季降水在70年代末到80年代初发生突变,80年代后秋季降水量表现为明显的减少趋势,年降水量减少的主要原因是秋季降水量的减少。     

干旱区农田蒸散量的日间变化分析

塔里木灌区位于中国新疆的塔克拉玛干沙漠北缘 ,本区开垦前是沙漠起伏、灌木丛生的原始荒漠 ,原始胡杨林点片连绵生长于荒漠之中。 1 95 2年 3月开垦至 1 996年 ,全灌区总灌溉面积已达到 660 0 0 ha。形成了稳定的农业生态环境 ,成为塔里木盆地最大的新绿洲。绿洲内部农田蒸散的日变化规律 ,极具干旱区特点。本文通过中国科学院阿克苏水平衡试验站的观测试验和一些干旱、半干旱及湿润地区的蒸发日变化过程进行了对比分析 ,论述了干旱区蒸发日变化的某些特征。     

基于TVDI的攀西地区干旱时空变化特征研究

利用MODIS地表温度数据（LST）和归一化植被指数（NDVI）构建Ts-NDVI特征空间，通过计算温度植被干旱指数（TVDI）详细分析了攀西地区2001—2020年干旱时空变化规律。结果表明：（1）从时间角度来看，20年间攀西地区TVDI年均值介于0.5481~0.5820，以-0.0001·a^-1速率缓慢减小，且在2001年和2009年出现大范围中旱。季节性干旱特点表现为冬干春旱，各季TVDI均值分别为冬季0.5618、春季0.6058、夏季0.5590、秋季0.5365，表明冬、春两季较夏、秋两季更容易形成干旱。TVDI月均最大值出现在5月份，为0.6089；最小值出现在9月份，为0.5204；每年2—6月以中旱为主；7月起旱情减轻，转为轻旱；10月起旱情逐渐加重。（2）从空间角度来看，攀西地区旱情变化趋势南北差异明显，南部干旱发生的频率和范围大于北部地区，呈现出中部、南部及西南部高，北部、西北部及东北部低的空间分布特征。（3）从典型干旱年份来看，攀西地区2001年、2006年和2011年春旱耕地在空间分布上具有一定的相似性。其中，受中旱的耕地主要分布在攀西北部和中部；而受重旱的耕地主要集中分布在攀西西南部。研究结果表明，2001—2020年攀西地区旱情稍有缓解，不同季节间干旱差异性较大，干旱范围以攀西中部和南部为主。     

基于MODIS TVDI和模糊数学方法的藏北地区旱情等级遥感监测

为了实现对藏北区域范围内春夏旱情的动态连续监测,基于温度植被干旱指数(TVDI)和模糊数学方法建立了遥感干旱的划分标准,研究时段为1980-2017年。首先利用MODIS产品数据计算TVDI,然后根据气象干旱等级监测结果,采用模糊数学法建立基于MODIS TVDI的干旱等级划分标准,并对监测结果进行精度验证,最后分析了近年来藏北地区旱情的时空变化特征。得到的主要结论:①基于归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI)计算得到的温度植被干旱指数TVDIN和TVDIE,均与20 cm实测土壤水分含量在0.05的水平达到显著相关,TVDIE的决定系数更高;②基于TVDIE将旱情划分为无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱5个等级,其中,据此标准获得的藏北地区旱情等级与气象干旱等级监测结果大体一致;③近年来藏北地区旱情整体不太严重,且总体趋缓,其中,2009年最严重,发生中旱及以上旱情的区域面积达24%,年内旱情在6月最严重。就旱情的空间分布特征而言,研究区西南部和中部干旱比较严重,北部和东南部相对较轻。研究成果可为藏北地区干旱监测提供数据支撑,遥感干旱等级的划分方法可为其他地区的干旱研究提供参考。     

基于MODIS TVDI和模糊数学方法的藏北地区旱情等级遥感监测

为了实现对藏北区域范围内春夏旱情的动态连续监测,基于温度植被干旱指数（TVDI）和模糊数学方法建立了遥感干旱的划分标准,研究时段为1980—2017年。首先利用MODIS产品数据计算TVDI,然后根据气象干旱等级监测结果,采用模糊数学法建立基于MODIS TVDI的干旱等级划分标准,并对监测结果进行精度验证,最后分析了近年来藏北地区旱情的时空变化特征。得到的主要结论：①基于归一化植被指数（NDVI）和增强植被指数（EVI）计算得到的温度植被干旱指数TVDIN和TVDIE,均与20 cm实测土壤水分含量在0.05的水平达到显著相关,TVDIE的决定系数更高;②基于TVDIE将旱情划分为无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱5个等级,其中,据此标准获得的藏北地区旱情等级与气象干旱等级监测结果大体一致;③近年来藏北地区旱情整体不太严重,且总体趋缓,其中,2009年最严重,发生中旱及以上旱情的区域面积达24%,年内旱情在6月最严重。就旱情的空间分布特征而言,研究区西南部和中部干旱比较严重,北部和东南部相对较轻。研究成果可为藏北地区干旱监测提供数据支撑,遥感干旱等级的划分方法可为其他地区的干旱研究提供参考。     

基于核熵成分分析的综合干旱指数的构建与应用

针对传统单变量干旱指数难以全面表征干旱及部分综合干旱指数难以反映多变量之间的非线性关系等问题，采用标准化降水蒸散发指数（SPEI）、标准化径流指数（SRI）及标准化土壤湿度指数（SSMI）3个单变量指数分别表征气象干旱、水文干旱和农业干旱，利用核熵成分分析法（KECA）构造综合干旱指数（SMDI），采用M-K趋势检验、小波分析及典型历史旱情验证等方法分析干旱的时空变化特征以及干旱指数的适用性。以黑河流域中上游为例，结果表明：研究区全年77.6%的区域表现为干旱不显著加重的趋势；在流域尺度上，干旱存在43 a的长周期，15~23 a的中周期，3~8 a的短周期；20世纪90年代夏、秋两季及21世纪以来春、冬两季干旱发生频率较高，且整体夏旱发生频率最高；1969年春、1997年秋和2009年冬的典型历史旱情验证表明SMDI优于其他3种单变量干旱指数。说明基于KECA构建的SMDI是一种有效的干旱监测指数，在黑河流域中上游干旱监测中有好的适用性。     

近50年内蒙古中东部地区春夏季干旱特征分析

选取内蒙古地区累年平均降水量>200mm的75个气象站点1961～2010年逐日平均气温、逐日降水量资料,基于综合气象干旱指数(CI指数)计算方法,建立了各站历年春季和夏季CI指数序列。利用EOF方法,分析了内蒙古中东部地区春季和夏季干旱的时空分布特征,得出:1)内蒙古中东部地区春旱和夏旱均分为三种类型,且均具有全区一致干旱或不旱型、东西反相干旱型和南北反相干旱型的分布规律。但春季和夏季干旱或反向干旱的中心分布区域略有不同。2)内蒙古中东部地区春季干旱均出现在1980a以前,1980a后全区性的春季重旱减少,但局部重旱有所增加。夏旱在1980a以后呈两年或以上持续发展的态势,且近年来全区性夏旱发生频率增高、强度增加。3)内蒙古地区气候变暖出现在20世纪80年代中期之后。气候变暖后内蒙古地区降水分配格局发生了变化,使内蒙古中东部地区春季干旱减轻,而夏旱加重,应引起相关部门的重视。     

西北地区秋季干旱指数的变化特征

利用甘肃、宁夏、青海、新疆4省(区)的137个气象站30年的降水、蒸发资料,确定适合西北地区的干旱指数计算方法,分析中国西北地区秋季降水、蒸发、干旱指数的空间分布、时间演变等特征.结果表明:西北地区秋季平均自然降水从东南到西北依次减少,在甘肃西部、青海西北部、新疆南部有一条东西向的少雨带,是干旱最严重的地方.新疆南部、甘肃西部、青海西部重旱频率最高,平均2年一遇;新疆北部、甘肃南部、青海南部、中旱频率为30%左右,平均3年一遇,轻旱频率30%左右,平均3年一遇.表明西北地区的干旱有明显的地域特征,即新疆中南部、甘肃西部、青海西部为干旱区,新疆北部、甘肃中东部、青海东部和南部为半干旱区.     

干旱指标在典型草原的适用性分析

从天气、土壤、植被等角度筛选出5个在内蒙古典型草原区使用较多的干旱指标,按照其计算方法和干旱等级标准,计算了多个站点1981-2010年间生长季(4-9月)旬尺度的干旱情况,依据干旱资料验证各指标的准确性,最终确定指标适用的时空尺度。基于单站点指标的适用性分析结果,对应用较好的指标进一步做区域干旱评价的一致性分析。结果表明:在单站点的春秋季,土壤相对湿度指标最好用,降水距平百分率指标可以作为补充,但该指标在呼盟境内的鄂温克春季不可用;夏季以降水距平百分率和草地旱情指数两个指标对干旱的评价最好,但是由于草地旱情指数计算所需因子较多且复杂,在实际业务应用中应首选降水距平百分率。对降水距平百分率和相对蒸降差指标在典型草原干旱评价的一致性进一步做了分析,发现对干旱的评价存在明显的区域性。通过分区研究,在呼伦贝尔温凉半干旱牧业区降水距平百分率在夏秋季优用于相对蒸降差指标,锡林郭勒温凉半干旱牧业区对春夏季的干旱评价应优先使用降水距平百分率指标。