基于EMD的洪涝灾害成灾面积波动的多时间尺度分析——以湖南省为例

应用经验模态分解(EMD)方法分析了湖南省1949~2002年洪涝灾害成灾面积波动情况。结果表明:湖南省洪涝灾害成灾面积存在着准3年、准8年和准22年左右特征时间尺度的周期性波动;分析各时间尺度周期性振荡的贡献率,其中以准3年时间尺度成灾面积振荡的贡献最大,即湖南省洪涝灾害成灾面积波动以准3年时间尺度为主;从各时间尺度的振荡看,自20世纪80年代中期以来,洪涝灾害成灾面积的波动频率增加,洪涝灾害成灾面积仍处在增加阶段,同时近年来洪涝灾害成灾面积振荡幅度增大,即某些年份可能会出现大灾,说明湖南省洪涝灾害强度加剧,频度增加。并进一步分析了洪涝灾害加剧的成因,提出相应减灾对策。     

中国近50年洪涝灾害灾情分析

结合中国近50年的洪涝灾害统计资料，对洪涝灾害发生发展的特点进行了分析：20世纪后50年各年代全国受涝面积和成灾面积呈上升趋势，其中洪涝灾害比较严重的年份有10年；占全国39％播种面积的多涝区受灾和成灾面积均占全国的47％，多涝区河南以及少涝区北方各省受灾和成灾面积在减少，其他各省受灾和成灾面积多呈增加趋势。分析了形成90年代几次大的洪涝灾害的自然和人为原因，在此基础上提出了防洪减灾的对策。     

安徽省洪涝灾害风险区划及成灾面积变化趋势分析

从成因分析角度选取洪涝灾害风险评估因子,用基于熵权的层次分析法赋予各因子相应的权重,建立洪涝灾害风险度评价模型,以县域为单位对安徽省进行洪涝灾害风险区划。利用安徽境内78个县(市)1998-2007年洪涝成灾面积资料,分析了全省和各风险区洪涝成灾面积的变化规律;利用R/S分析方法计算其相应的Hurst指数,预测未来的可能演变趋势。结果表明:安徽省洪涝灾害风险度较高的县(市)分布于淮北平原、江淮丘陵西部和沿江西部平原,风险度较低的县(市)位于皖南山区和皖西大别山区。1998-2007年,洪涝灾害高风险区、次高风险区和全省的洪涝成灾面积均呈增加趋势,而中风险区、次低风险区及低风险区均呈减少趋势;但R/S分析所得Hurst指数均属于(0,0.5),说明此种趋势不可延续,未来情况可能会向相反方向变化。     

用编程的WEPP软件预测水蚀

以土壤侵蚀预测技术为基础开发的预测水蚀软件WEPP于1997年底出台，Windows图表使用界面，并经过了检验修订。1998年出台的该软件，不仅用于水蚀预测，还可广泛的应用于陆地、农田、森林、草原、建筑场所和城市等的侵蚀量和沉积量预测。通过（1）万维网（WorldWideWeb）；（2）文件传送文本（ftp）得到；（3）可购买只读存储器（CD－ROM）；（4）发送电子函件（E－mail）获得该软件。总之，该软件将在预测土壤侵蚀和沉积物输送技术方面完成它的引导作用。     

森林生态系统涡度相关法碳通量长时间连续性缺失数据插补方法的比较

针对森林通量观测站涡度相关法碳通量观测普遍存在的长时间连续性数据缺失情景，为探究不同数据插补方法的有效性，以华北低丘山地栓皮栎人工混交林生态系统为例，以经EddyPro处理和质量控制的2017年3月1日-11月30日0.5h尺度净生态系统碳交换（NEE）数据为基准数据集，随机生成含有连续1、3、7、15和31d数据缺失的5类数据缺失集，重复10次，使用固定窗口平均昼夜变化法（MDV）、可变窗口平均昼夜变化法（MDC）、查表法（LUT）、非线性回归法（NLR）、边际分布采样法（MDS）、人工神经网络法（ANN）对缺失数据集进行插补，并将插补数据与实际观测数据进行对比，通过分析统计参数来评估不同方法的插补精度和稳定性，以评估不同方法的适用范围。结果表明：日间，当连续缺失少于15d时，ANN方法插补数据与实测数据间的R2（决定系数）相对较高，NLR方法的R2较低；LUT方法插补数据与实测数据间的相对均方根误差（RRMSE）较低，NLR方法的RRMSE较高。当缺失达到连续15d时，除NLR方法的R2显著较低（P＜0.05）外，其它方法间R2差异不显著；LUT方法的RRMSE显著（P＜0.05）较低，其它方法间RRMSE差异不显著。当缺失达到连续31d时，除NLR方法R2显著较低（P＜0.05）外，各方法间R2和RRMSE无显著差异；MDV方法的平均绝对误差（MAE）出现较多异常值，各方法间的MAE开始出现分化的趋势。随着缺失片段长度的增加，除MDV方法外，各方法的R2呈下降趋势，连续1d缺失与连续31d缺失情景下插补所得NEE与实测NEE的R2差异显著（P＜0.05）；MDV和MDS方法的RRMSE呈增大趋势，连续1d缺失与连续31d缺失情景下的RRMSE差异显著（P＜0.05），其它方法的RRMSE差异相对不显著。夜间，在各缺失情景下，ANN方法的R2较高，LUT方法的R2较低，二者之间差异显著（P＜0.05）；LUT方法的RRMSE最高，与其它方法存在显著差异（P＜0.05）。在连续缺失大于31d的情景下，各方法的RRMSE差异均不显著。除LUT方法MAE显著（P＜0.05）较高外，其它方法的MAE无明显差异。随着缺失片段长度的增加，MDC、MDS和ANN方法插补数据的R2呈下降趋势，MDV和LUT的R2始终无显著差异；各方法的RRMSE差异无显著变化。在对典型晴天0.5h尺度上NEE日变化趋势的还原方面，MDC方法性能相对较优。综上，NLR方法适用于气象数据完备、NEE数据连续缺失少于7d的情景；MDV或MDC方法适用于气象数据不可用或缺失严重、NEE数据连续缺失少于15d的情景；LUT和MDS方法则适用于气象数据缺失较少、NEE数据连续缺失少于15d的情景；ANN方法适用性相对较广，可用于气象数据缺失较少、NEE数据连续缺失长达31d的情景。     

退耕还林（草）对农牧交错区小流域景观格局的影响——以神木县六道沟小流域为例

为了解退耕还林（草）工程对黄土高原农牧交错区小流域土地利用及景观格局的影响,利用RS、GIS技术和景观生态学方法,选择景观格局指数,对研究区退耕还林（草）前（1995--2002年）后（2002--2010年）的土地利用和景观格局时空变化特征进行分析研究。结果表明：1）退耕还林（草）前,景观格局变化幅度较小,具体表现为研究区面积比例、聚集度指数以及各景观类型的变化幅度比较小,退耕还林（草）后,小流域景观格局发生了剧烈演变,具体表现为耕地面积比例急剧减小,林草地面积比例迅速增加以及斑块边界复杂性下降;2）1995--2010年,研究区景观蔓延度指数从46．26升高到47．54,多样性指数从1．67下降到1．65,从以耕地、草地和林地为主的景观生态系统转变为以草地和林地景观为主的景观异质程度较低的景观生态系统;3）退耕还林（草）工程是研究区景观格局良性演化的主要驱动力。     

近50年北京春季物候的变化及其对气候变化的响应

分析了北京近50年春季物候的变化规律及其对气候变化的响应，结果显示：（1）北京各种春季物候的多年变化具有相关性、同步性、顺序性；（2）各种春季物候现象出现的早晚与春季月份的气温波动有高度相关，与生长季的积温和年平均气温的相关系数也较高，这说明用物候做农时预报是有科学根据的；（3）用积分回归法作了气温对春季物候影响的统计分析，结果说明不同时期的气温波动对物候的影响系数是变化的；春温波动的影响系数是正的，而且愈近该物候出现期，其影响系数愈大，可以说该时期是这种物候现象的温度敏感期；冬温的影响系数是负的，说明较冷的冬温有利于打破冬季休眠，其值虽然不大，但它的生态意义不可忽略；（4）近50年来，北京春季物候经历了3个周期的早晚振荡，近十几年来北京春季物候持续偏早，特别是近10年，其偏早天数创历史记录，这与北京近年持续的暖冬相一致。现阶段正处于北京春季物候偏早期的峰区，估计未来10多年春季物候仍持续偏早。     

气候变化背景下中国农业干旱时空变化特征分析

基于1951−2018年各省（自治区）农作物播种面积、干旱受灾面积、干旱成灾面积等数据,构建了干旱影响强度和干旱成灾强度特征指标,并分析近70a各省（自治区）空间尺度的农业干旱灾害的分布、发生次数、变化趋势和气候变暖背景下的阶段性变化特点。研究表明：（1）内蒙古自治区、山西省和河北省等省（自治区）的干旱受灾面积、干旱成灾面积、干旱影响强度和干旱成灾强度的多年平均值均位于前列;（2）中度及以上干旱等级发生次数最多的前10位均为北方省份（自治区）,总次数均≥25次,其中内蒙古自治区、山西省和陕西省位居农业干旱发生次数最多前三位;（3）16省（自治区）的干旱受灾面积和干旱影响强度存在减小趋势,但大部分地区即23个省（自治区）的干旱成灾面积和27个省（自治区）的干旱成灾强度存在增加趋势;（4）受气候变化影响,各省（自治区）在气候较冷的I阶段（1951−1984年）农业干旱较轻,在气候增暖明显的II阶段（1985−1997年）农业干旱大幅加重,在气候增暖趋缓的III阶段（1998−2018年）农业干旱受灾面积、成灾面积和干旱影响强度普遍减小,但其成灾强度在加重。总之,农业干旱具有明显的南轻北重特征,且北方农业干旱更加频繁,因此北方地区仍需加强防御,减轻重大干旱对农业的影响。     

作物缺水指数新方法的验证

尝试用胶水涂抹叶片制成模拟叶片，在冬小麦主产区之一的河北栾城进行了6种水分处理的冬小麦田间试验，以进一步验证模拟叶片温度法估算CWSI的可行性。结果表明：Tcu（最高冠层温度）与Tp（模拟叶片温度）具有极显著相关性（r=0．977（n=31））；由Tp确定的CWSI与由Jackson模式确定的CWSI拟合程度很高（r=0．999（n=123））；由Tp确定的CWSI与土壤含水量、叶片水势间也存在相关关系，这些都说明CWSI可用来指示土壤和作物的水分状态。     

基于集合经验模态分解的河南省夏玉米产量波动对大气环流的响应

[目的]探究河南省夏玉米产量波动对大气环流的响应,为区域粮食安全保障提供理论支撑。[方法]依托河南省17个市1988—2017年夏玉米产量数据及15种大尺度大气环流指数资料,评估研究区夏玉米产量的时空演变格局。[结果](1)基于主成分分析结果,河南省可以划分为4个呈现不同产量演变特征的子区域,分别为北部、东南部、西部、中部;(2)基于集合经验模态分解,研究区产量序列存在着准2.5～3.3,5～6,7.5～10 a的周期性振荡,且各分区2004年后产量的短期波动趋于缓和;(3)各分区产量的周期性振荡均与环流指数存在着显著的相关性;(4)基于前期环流指数与年份的线性模型对产量预报的平均相对误差为4.6%～9.3%;(5)河南省东南部和中部的产量波动对环流指数更为敏感,其中10,11月份较高的太平洋年代际振荡(PDO)是来年产量减少的关键前兆性信号。[结论]前期环流异常对研究区夏玉米产量波动有着重要的指示作用,它可以有效用于产量预报。     

基于视觉注意机制的洪涝淹没区遥感识别方法

依据视觉注意机制,结合洪涝淹没区以色彩可视化表达的时空过程变化特性,构建凸显淹没区视觉显著性的专题信息增强图像,对此应用NBS色差距离系数,使得同质像元在空间上集聚形成显著区域,然后采用基于视觉色差检测的图像聚类技术,开展大范围洪涝淹没区的遥感识别及信息提取,并利用能够同时兼顾遥感错分和漏分信息的复合分类精度系数(composite classification accuracy,CCA)进行识别精度评价。应用上述方法对长江中游2016年夏季洪灾进行了遥感监测试验,并采用误差混淆矩阵法对同一识别对象(洪水淹没区)不同遥感分类方法的可信度进行了评价,结果显示该次试验的Kappa系数和CCA系数各为93.4%和88.5%,较传统的洪水淹没区遥感识别技术都高出5%左右。在2016年长江中游夏季洪灾中,渍水农田面积约19 143.35 hm~2,淹没区面积则高达142 157.5 hm~2,其中被淹水稻占16.6%(约23 579 hm~2),并且绝大部分位于长江沿岸以及府河和汉江等长江支流沿线地势低洼的滨河滨湖地带;武汉市受灾最为严重,该市以34 492 hm~2的洪涝淹没区面积居于各受灾县市之首,占研究区域全部受灾面积的24.26%。基于选择性视觉注意机制的洪涝淹没区遥感识别方法,能够有效提高大范围洪涝淹没区的遥感信息提取精度,较好地解决了淹没区与水域之间的错分现象;基于洪灾前后遥感信息融合的洪涝过程可视化表达,不仅能够实现淹没区不同于水体的时空变化特性的数据化,从而便于开展淹没区的计算机视觉检测,而且还在凸显淹没区视觉显著性的同时,较好地抑制背景冗余信息,尤其能降低将淹没区视同水域进行遥感分类检测时的不确定性。     

海岛地区小流域暴雨洪涝灾害模拟研究

[目的] 对海岛地区小流域暴雨洪涝灾害进行模拟研究，为该类地区后续开发建设以及防洪排涝治理工作的顺利开展提供技术支撑。[方法] 选取浙江省舟山市朱家尖岛为研究对象，根据设计暴雨及设计和校核潮位资料，运用MIKE构建了一维河网模型、二维水动力模型以及MIKE FLOOD耦合计算模型，对比分析两种方案的淹没面积和水深、典型河道断面水位以及重点区域洪水演进过程。[结果] 相对于设计暴雨及设计潮位条件下的方案1（94降雨+实测潮位），设计暴雨及校核潮位条件下的方案2（94降雨+极限潮位）在相对高水位时刻淹没面积更大，最大淹没深度更深。[结论] 朱家尖流域内河流比降大，汇流时间短，流域调蓄能力差，抵抗暴雨产生的洪涝灾害的能力较弱。特别是暴雨遭受天文大潮时，研究区域受灾程度更重。     

北方农牧交错带气候变化与旱涝响应特征

依据北方农牧交错带1961-2012年46个气象站气温、降水数据,采用气候倾向率、Mann-Kendall检测及Kring插值法,对该区气候变化及旱涝时空特征进行了分析。结果表明:(1)近52 a,北方农牧交错带气候呈现暖干化趋势,1986年后暖干化趋势有所加强。(2)不同区域不同时段,气温、降水表现出不同的变化特征。(3)全区及3个子区旱涝等级均呈上升趋势,不同区域旱涝等级变化趋势差异显著。(4)北方农牧交错带大涝呈"片状"分布,大旱呈"斑点状"分布。全区整体相对较易发生大旱,东北段相对更易发生大涝,华北段更易发生大旱。     

基于不同时间尺度的贵州省近50年气象干旱时空演化特征

[目的]基于气候因子分区条件下,分析贵州省不同区域在不同时间尺度下气象干旱的时空演变特征,可为干旱监测和预测、抗洪救灾提供理论依据。[方法]基于贵州省31个气象站点1970—2019年的逐月降水和气温数据,利用主成分分析讨论贵州省降水及气温变化特征,结合SPEI指数研究贵州近50年气象干旱时空演化规律。[结果](1)贵州近50年气温变化由东向西逐渐递增,即西部为气温极端变化和重度变化区、中部和东部为中度变化区、南部和北部边缘为轻度变化区; 贵州省降水变化由西向东逐渐递减,其中西部为极端变化和重度变化区、中部为重度变化区、东部为轻度变化及正常区;(2)贵州省近50年气象干旱强度中度变化区最大、其次是轻度变化区,重度变化区最小; 随着年代的递增及时间尺度增大,气象干旱逐渐增强,并呈现“峰—谷”交替现象,其中1970—1985年及1990—2000年为干旱“低谷”期、1985—1990年及2000—2019年为干旱“峰值”期;(3)贵州近50年逐月干旱频率以中低频为主,主要发生在贵州东部、南部及北部; 轻度变化与中度变化区70s干旱频率最小、变幅最大,10s干旱频率最大、变幅次之,其余年代干旱频率变化相对较小。[结论]气象干旱具有显著的时间尺度特征,干旱的时空演化是气候变化、流域地表及人类活动时空耦合的结果。     

关中地区降水特征及其对旱涝灾害的影响

为了减少关中地区降水引发的旱涝灾害带来的损失,基于关中地区各市站30~60a的降水量数据,运用数理统计并结合Mann-Kendall突变检验法对该地区降水量的Z指数进行了分析,就关中地区降水对旱涝灾害的影响做了研究。结果表明:(1)关中地区降水量相对比较丰富,但极差较大,易出现旱涝灾害,旱涝发生的总年份占研究序列的41.33%。其年内旱涝程度的分布与年际基本一致,但各地区分布又不尽相同。(2)关中地区冬春季Z指数朝着干旱化的趋势发展,且春旱更严重;夏秋季旱涝灾害均易发生且频繁,为主要的防灾期。(3)关中地区的旱涝变化交替出现,但总体趋势正在向着偏旱的趋势发展。该研究为关中地区旱涝灾害的防治提供了一定的科学依据。     

兰州地区500余年来旱涝变化规律分析

旱涝是影响兰州及其周边地区的频发性自然灾害。利用兰州地区1470—2008年间旱涝等级序列,借助累积距平法、滑动T检验和小波分析等方法,研究了500余年来兰州地区旱涝变化分布特征与发展规律。结果表明:兰州地区旱涝演变存在1580—1721年、1757—1789年、1891—1930年的3个显著干旱阶段和1533—1580、1721—1757年、1789—1891、1953—1961年的4个显著洪涝阶段,且旱多于涝;兰州地区旱涝序列存在年代际尺度和百年尺度的突变;不同时间尺度上正负相位交替出现,波动明显,兰州地区旱涝变化的第一、二、三主周期分别为108 a、39 a和13 a;1951—2008年,由于气温升高、降水减少,兰州地区旱涝气候变化表现为干旱化趋势。     

基于经验模态分解的中国粮食单产波动特征及影响因素

探索中国粮食单产的多尺度波动特征及其影响因素,进而有针对性地采取措施来稳定和提高粮食单产对保障中国粮食安全有重要意义。该文对1978-2012年中国粮食及其主要构成作物稻谷、小麦和玉米的单位面积产量,利用经验模态分解方法进行了多尺度波动分解,并分析了改革开放以来中国粮食单产波动的多尺度特征及其主要影响因素。结果表明:1)应用经验模态分解方法可以将1978年以来中国的粮食和三大作物的单产分解为1个趋势项和2个波动项,分别反应了科技、政策和气候对于中国粮食单产波动的影响。其中技术趋势为主导,2个尺度的波动都较小。2)粮食趋势单产年增长率从1997年前的2.28%下降到之后的0.69%,明显放缓。稻谷的趋势单产与粮食走势最为接近,但1997年以后几乎走平。玉米和小麦的趋势单产增速1997年后虽有所下降,但目前上升依然明显。3)中期波动项包括了3个完整的周期和1个进行中的周期,且与中国粮食政策的重大调整及其所产生的后效在时段上具有很好的一致性。总体看粮食生产领域政策的影响大于气候的影响,但不同作物对各种政策的响应也有所不同,土地、税收、补贴、奖励和保险政策的普惠性和同步性较价格政策更强。小麦的中期波动率明显大于其他作物,显示其对政策更加敏感。4)粮食单产的短期波动率为1.80%,其中玉米为3.38%,高于小麦(2.55%)和稻谷(1.06%),显示中国的粮食生产系统有较强的抵御气象灾害的能力,但玉米防灾能力不及稻谷和小麦。5)综合长期趋势和中短期波动来看,3大作物中稻谷最为稳产。稻谷的主要问题是1998年以后单产的趋势产量上升乏力,玉米的主要问题是短期波动较大,受气象灾害的影响大,而小麦的政策波动大于玉米和稻谷。当前中国的农业已经进入了新的发展阶段,农业政策的调整势在必行,该研究结果可为新阶段农业宏观调控政策的制定提供决策依据。     

1976-2015年中国主要农业气象灾害的变化特征

根据1976-2015年受灾、成灾和绝收面积等统计数据,计算中国主要农业气象灾害包括洪涝、干旱、风雹和低温灾害的受灾率、成灾率、绝收率和损失率,并对其变化趋势、灾害损失和灾害等级的变化特征进行分析.结果表明:(1)总体上,1976-2015年中国主要农业气象灾害的受灾率呈显著减小的趋势,而成灾率和绝收率变化趋势则不显著.干旱与农业气象灾害总体变化趋势相一致;洪涝受灾率、成灾率和绝收率存在阶段性的变化特征,1986-2005年各项均值最大;风雹灾害下降趋势显著,受灾率、成灾率均显著减小;而低温灾害各项指标的年代均值逐渐增加.(2)研究期内四大灾害总体损失率的上下限呈先增加后减小的趋势,平均灾害损失率为7.1％～15.7％.洪涝和干旱灾害损失率的上下限变化趋势与农业气象灾害总体一致,其平均损失率分别为2.0％～4.2％、3.8％～8.6％;而风雹灾害损失率的上下限呈减小的趋势,平均损失率为0.8％～1.7％;低温灾害损失率的上下限呈增加趋势,平均损失率为0.5％～1.1％.(3)研究期间洪涝重灾发生次数最多,为突发性灾害;干旱、风雹中灾和重灾发生次数之和最多,为常态性灾害.     

1951－2015年洞庭湖区旱涝演变及典型年份旱涝急转特征分析

旱涝灾害是制约洞庭湖区经济发展的重要因素,为预测湖区旱涝灾害变化趋势,该文选取1951-2015年洞庭湖区及其周边地区35个气象站点的逐月降水量数据,利用标准化降水指数和夏季长周期旱涝急转指数,辅以小波分析方法,分析近65 a来研究区域的旱涝演变及典型年份旱涝急转特征.结果表明:该区旱涝事件发生的频率高,不同时间尺度旱涝事件发生的平均频率为42.62%.在季节尺度上,夏季洪涝事件发生的频率最高,为33.33%,冬季干旱事件发生的频率最高,为41.54%;在年代际尺度上,20世纪70年代干旱事件发生的频率最高,为25.83%,其次是2001-2015年,频率为22.99%,90年代洪涝事件发生的频率最高,为30%.该区域旱涝变化有4个特征时间尺度,分别为4、10、25和31 a,预测湖区在未来几年降水偏多.洞庭湖区3个区域的旱涝变化大抵一致,但在不同时期仍存在一定的差异.湖区近65 a来有15 a的LDFAI绝对值大于1,旱涝急转现象较频繁,不管是旱涝变化还是旱涝急转变化,东、西洞庭湖区的变化趋于一致,南洞庭湖区与东洞庭湖区旱涝急转变化差异较大.