基于SPEI和时空立方体的中国近40年干旱时空模式挖掘

利用1980—2019年中国612个气象站点逐月降水量和温度数据计算多尺度标准化降水蒸散指数(SPEI),根据中国气温条件划分7大地理分区并结合时空立方体、时空热点分析、时空聚类和时空异常值来探究中国近40年多尺度标准化降水蒸散指数SPEI的时空分布特征。结果表明:(1)通过干旱频率的计算,发现轻度干旱和极端干旱最为严重的地区为内蒙古草原地区,严重干旱和中度干旱在西北荒漠地区最为严重。(2)通过时空立方体展示出中国旱情在时空分布上差距较为显著,西北地区最为严重,其次是西南的西部地区和华北的北部地区;(3)对我国近40年SPEI 12的时空热点进行分析可得我国旱情的时空趋势,其中冷点地区和热点地区各有2个,热点主要分布在华中和东北地区的西部,冷点主要分布在华中的中部地区;4)对多尺度SPEI进行局部异常值分析得到,年尺度的华南西部和华中、华南湿润亚热带地区的中部呈低-低聚类,说明该地全年旱情相对更严重。     

基于标准降水指数的多尺度叠加干旱监测指标及其等级划分

针对中国不同地区的区域气候及其变化特征,使用信息熵方法从降水观测资料中提取出区域降水的两个（均态和变化）本征尺度,提出一种基于区域气候系统层次性内在特征的气象干旱指数MSPI。使用各站1981-2010年的逐日MSPI序列,基于互信息算法,确定各站气象干旱指数MSPI的干旱等级划分规则,即按某一临界点集合对MSPI序列进行划分,得到的等级序列和MSPI序列之间的互信息最大时,此临界点集合是最优的,该临界点集合也就是干旱和湿润等级的合理划分。使用互信息方法对全国2 211站1981-2010年逐日MSPI序列进行等级划分,分为“特别干、严重干、中等干、轻微干、正常、轻微湿、中等湿、严重湿、特别湿”9个等级;进一步分析了全国1981-2010年各月不同等级干旱日数和站数百分比、各季节中等干、严重干、特别干事件日数比率的空间分布及不同等级干事件发展所缺降水量的距平百分率及缓解所需降水量。最后以2011年长江中下游春季严重气象干旱的发生、发展、持续、缓解过程及山西省1981-2010年逐月干旱事件为例,对MSPI指数及其等级划分规则的干旱监测能力进行检验,发现两者对不同程度的干旱都有较好的表征能力,并且对于干旱过程也有较好的识别能力。     

近25 a来甘肃省耕地资源时空变化及其影响因子

研究耕地资源时空变化及驱动因子,对于提高区域粮食安全,严守耕地保护红线,制定耕地保护政策和措施具有重要的实践意义。以甘肃省1995年、2005年、2015年和2020年4期土地利用数据为基础,在ArcGIS和GeoDa等技术的支持下,从栅格、格网和县域尺度全面分析了甘肃省近25 a耕地时空变化特征,并利用地理探测器对引起耕地变化的主要驱动因子进行了探测。结果表明：（1）甘肃省1995—2020年间耕地减少幅度达1.6%,1995—2005年耕地面积增加,2005—2020年耕地面积递减,且耕地主要流向草地、林地和建设用地,而未利用地主要向耕地和草地转移。（2）耕地空间分布呈“东南多、西北少”的典型特征。耕地空间分布受自然因素和社会经济因素的共同作用,其中,人口和土地开发强度的交互作用是1995年、2005年和2015年甘肃省耕地空间分布差异性的主要原因,而2020年温度和降水的交互作用成为影响耕地的主导因素。研究结果可为甘肃省耕地保护管理提供科学依据。     

基于标准化前期降水蒸散指数的新疆干旱时空演变特征

标准化前期降水蒸散指数(Standardized antecedent precipitation evapotranspiration index,SAPEI)是一种新的日尺度干旱指数,相对标准化降水蒸散指数(SPEI)而言,它不仅考虑当日的降水和蒸散情况,还考虑了早期水分平衡对当天干湿条件的影响,在描述和监测干旱方面更为稳健。本文根据新疆地区42个气象站2000—2019年气象要素数据计算SAPEI,利用线性趋势、M-K检验和反距离插值等方法,研究了21世纪以来新疆地区SAPEI时空变化特征,并基于SAPEI的分区和分代际比较分析了新疆地区干旱强度的时空变化,进而对新疆干旱发生的区域性和广泛程度的四季变化以及不同干旱等级发生频率的空间分布格局进行了探讨。结果表明：新疆气候整体呈湿润化,近年来干湿差异扩大,空间上存在部分相对湿润地区显著变干的现象;新疆春季变干,夏、秋、冬季变湿,夏冬两季在时间和空间上的干湿变化差异截然相反;20年来全疆和分区的干旱强度均显著降低,空间上东北部高、中部和西南部低;新疆干旱范围呈缩减趋势,近年来存在干旱等级提升风险,春季干旱范围扩大;新疆不同干旱等级的发...     

近40 a内蒙古冬旱时空演变特征

冬季干旱是制约内蒙古冬季畜牧业生产的主要干扰因子之一,定量表征其时空变化特征和发展规律对防灾减灾、保障农牧业健康发展具有重要意义。利用1980—2021年冬季（10月—翌年3月）ERA5-Land再分析气象数据,计算1个月和6个月时间尺度的标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）,采用趋势分析、时空热点分析等方法,分析内蒙古全区和五种主要植被类型区冬季干旱演变特征。结果表明：（1）近40 a内蒙古冬季整体SPEI呈现下降趋势,干旱化现象在不同植被和月份中表现不一,也有少数植被和月份趋于湿润化。（2）内蒙古地区冬季干旱的时空热点变化模式主要表现为：振荡的热点、振荡的冷点和未检测到模式。具体从季节和月时间尺度来看,冬旱热点主要集中在内蒙古中部和西部的大部分地区,以及东部的兴安盟和通辽市,即这些区域冬旱现象呈现加剧的趋势。（3）在干旱频率与频数统计方面,轻度冬旱事件发生频率最高,而荒漠草原和隔壁荒漠地区是发生冬旱事件最为频繁和严重的区域。     

黄河流域农业干旱时空演变规律及其自然恢复期特征

以黄河流域为例,基于1970—2014年气候数据,构建了修正的帕默尔干旱指数(sc_PDSI),探究了不同气候区农业干旱的时空演变规律;其次,以0.25°×0.25°栅格为响应单元,耦合农业干旱诊断和陆地水储量数据精准识别了农业干旱自然恢复期,并利用全局和局部Moran's I指数,探明了农业干旱自然恢复期的空间分布格...     

贵州省干旱历时和干旱烈度的时空特征分析

全球气候的变化,导致局部地区干旱问题的加剧,我国贵州地区干旱也频繁发生。文中基于贵州省1951-2012年的19个典型站点的气象资料,以SPEI指标识别了贵州气象干旱历时和干旱烈度,确定了贵州气象干旱历时和烈度的Gamma适线频率分布曲线以及时空变化特征。结果表明:干旱历时和干旱烈度的Gamma适线频率曲线和经验频率点能够很好的吻合;干旱历时和烈度在时间上的变化趋势基本一致,而在空间分布上存在较大差异。遵义、毕节、铜仁、黔南州地区干旱频次、干旱历时和年均干旱烈度等均处于较高水平,为贵州省干旱易发地区,研究结果对旱情的识别及干旱区划的研究具有一定的指导意义。     

冬小麦综合干旱评估指标建立及应用

为提高冬小麦干旱监测和定量灾损评估的准确性,以半干旱黄土高原陇东地区为例,利用15个冬小麦种植县1965—2020年逐日降水资料、MCI指数,1978—2020年冬小麦产量资料、干旱灾情资料,以及1981—2014年生育期观测资料,探索建立冬小麦干旱灾损评估新指标WDI,以因旱减产率和干旱指标之间的关系参考历史灾情确定等级阈值,基于WDI分析陇东地区冬小麦干旱时空分布特征。结果表明：WDI在评估干旱对冬小麦产量影响方面优于气象干旱指数;从3个代表站WDI年际变化看,环县波动幅度最大且数值最小,其次是西峰,处于阴湿地区的华亭波动幅度最小且数值最大。20世纪90年代初至21世纪初波动最剧烈。从年代变化看,20世纪90年代全生育期、拔节~开花期WDI平均值分别为-10.6、-5.4,为各年代最低,处于干旱期;21世纪10年代WDI平均值则分别为4.4、2.6,为各年代最高,处于相对湿润期。在空间分布上,干旱频率由东南向西北增大,重度以上干旱主要发生在陇东西部和中北部。冬小麦全生育期、拔节~开花期轻中旱发生频率分别为34%~52%、41%~57%,重度以上干旱频率均为4%~18%,评估结果与历史实况基本一致。WDI兼顾气象学与生物学意义,能较好表征冬小麦产量损失、干旱时空特征分析,可用于冬小麦干旱监测和评估业务。     

西北地区农业干旱脆弱性评估及时空分布特征

西北地区是重要农牧交错区,生态环境脆弱,农业生产对气候变化极为敏感,研究其农业干旱脆弱性时空分布特征是有效应对干旱气候的关键。基于IPCC评估框架,考虑蒸散对土壤含水量的影响,将多时间尺度干旱指数纳入指标体系,研究西北地区农业干旱脆弱性及其时空分布特征。结果表明:2010—2020年该地区农业干旱脆弱性呈现下降态势,其中2010—2015年下降幅度最大,但区域均衡性减弱,出现“两极”现象;2015—2020年脆弱重心逐渐向南部地区转移,形成“辐射”效应。该地区农业干旱脆弱性冷热点区域变化显著,2010年热点区域集中在新疆西南部,冷点区域分布在新疆北部和宁夏;2020年热点区域转移至甘肃和青海南部,且呈现向外辐射现象,冷点区域主要集中在新疆北部地区。     

基于SPI的山西省1972—2012年春夏干旱特征及对玉米产量的影响分析

利用山西省50个气象站1972—2012年春季和夏季降水量资料,基于标准化降水指数SPI,从山西省整体干旱趋势、干旱面积变化趋势、干旱强度变化趋势、干旱持续时间特征和干旱空间变化等方面,研究了山西省近40年的春季夏季干旱特征,同时结合玉米产量资料,揭示了SPI指数表征干旱特征的优势。结果表明,春季SPI呈增大趋势,气候倾向率为0.15·10a^-1,有湿润的倾向,干旱强度和干旱面积均呈下降趋势,1972—1981年山西省春季平均干旱面积为42%,而近10年为26%,表明山西省春季干旱程度有减轻趋向,但区域性或持续性极端干旱事件频发,因此,春季的干旱并未得到有效缓解。夏季SPI呈减少趋势,气候倾向率为-0.14·10a^-1,有干旱的倾向,但干旱强度呈下降趋势,气候倾向率为-0.055·10a^-1;1972—1981年夏季平均干旱面积为11%,而近10年上升到14%,但较少出现区域性或持续性干旱事件。夏季干旱特别是中等以上强度的干旱显著影响玉米产量,而春季干旱对产量影响较小。SPI值与玉米产量的相关系数要高于降水量,表明基于标准化降水指标的干旱分析在农业生产方面更具指导意义。     

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。     

黑龙江省玉米苗期低温冷害与干旱混发特征及其对产量的影响

利用1981—2016年黑龙江省玉米农业气象观测站的资料,引入中华人民共和国气象行业标准中≥10℃积温距平、水分亏缺指数(K_(CWDI))等指标,分别对玉米出苗～七叶期冷害、干旱进行判识,规定同一站点同一年份内冷害、干旱均有发生为两种灾害混合发生,并分析其时空分布特征,以数理统计方法构建积温距平、K_(CWDI)与玉米单产的关系,同时应用相对产量方法探讨两种灾害混发逆境对玉米产量的影响。结果表明:1981—2016年间,研究区玉米出苗～七叶期≥10℃积温距平呈增加趋势(P0.01),空间上具有北低南高的纬向特征,K_(CWDI)随时间呈波动式变化,空间上表现为西多东少的经向规律,两种灾害指标的变化对气候变暖趋势及研究区资源分布配置具有明显响应;研究期间,各站玉米出苗～七叶期冷害、干旱混合发生年数为0～10 a,研究区累计发生59 a。时间上,两种灾害混合发生呈减少趋势,1990年代中期以前为高发期,之后发生频率下降。空间分布上,两种灾害混合发生表现为由西至东减少趋势,频发区处于松嫩平原西部;玉米出苗～七叶期≥10℃积温距平、K_(CWDI)与玉米单产存在显著或极显著的相关关系(P0.05或P0.01),前者为正效应影响,后者为负效应影响,表征≥10℃积温距平升高、K_(CWDI)减小,玉米产量呈升高趋势,反之呈下降趋势;玉米出苗～七叶期冷害与干旱混发逆境对玉米产量影响总体以负效应为主。     

基于GRACE和GLDAS的西北干旱区地下水资源量可持续性评价

中国西北干旱区是典型的地下水依赖型生态系统，地下水资源是西北干旱区发展的战略性支撑，实时掌握地下水的动态变化对揭示地下水的变化特征以及区域经济发展具有重要意义。以往基于人工的传统地下水监测研究耗费巨大，难以实现大尺度长时间序列的分析，重力卫星的运用为解决这一问题提供了途径，过往研究尚未对西北干旱区地下水资源量可持续性进行量化评价，为探究近年来西北干旱区地下水资源量可持续性情况，基于GRACE重力卫星和GLDAS数据反演中国西北干旱地区2002—04—2020—09共计200个月的地下水储量变化情况，判断其趋势变化，再计算基于GRACE的地下水干旱指数获取西北干旱区地下水干旱情况，最后进一步将GGDI与可持续性指数相结合，量化地下水可靠性、回弹性、脆弱性，以此评价近年来中国西北干旱区地下水资源量可持续性。结果显示：2002—2020年，西北干旱区地下水储量大幅度减少，地下水干旱程度加深，地下水平均可靠性为0.495，回弹性0.470，脆弱性为0.404，区域的地下水资源量可持续性指数SI为0.28，属于较低的地下水资源量可持续性水平。研究揭示了西北干旱区的地下水资源量可持续性时空分布规律...     

基于SPEI的黄河流域多尺度干湿特征分析

基于1960—2020年黄河流域70个气象站点逐日观测资料,利用降水量和潜在蒸散发计算标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）,研究了1960—2020年黄河流域干湿演变及持续性特征,分析了气象因子对流域干湿变化的影响。结果表明：（1）不同时间尺度上,SPEI反映的干湿等级及频率有一定的差异性,干湿等级以正常和轻度为主;年际变化上,1960—2020年黄河流域夏季呈不显著变湿趋势,流域年、春季、秋季和冬季均呈不显著的变干趋势。空间尺度上,夏季以变湿为主,SPEI呈上升趋势的站点占总站点的比例为64.29%;流域年、春季、秋季和冬季以变干为主,SPEI呈下降趋势的站点占总站点的比例分别为51.43%、62.86%、64.29%和51.43%。（2）从干湿事件的不同时间尺度看,1970—1979年为典型的偏干时段,而1960—1969年为典型的偏湿时段,干湿事件发生频率为：秋季>夏季>春季>冬季。（3）从干湿事件的持续性特征看,持续性干旱事件强度变大,主要发生在秋季和冬季;持续性...     

农牧交错区三生空间时空演变特征与影响因素——以内蒙古呼和浩特市为例

农牧交错区是我国北方重要生态安全屏障及粮食产地,探索其“三生”空间演变规律与影响因素对生态脆弱区国土空间优化及可持续发展具有重要意义。本文运用土地利用动态度、用地转移矩阵、地理探测器等方法研究2000—2020年内蒙古典型农牧交错区呼和浩特市“三生”空间演变特征及影响因素。结果表明：（1）研究期内呼和浩特市“三生”空间整体动态变化平缓（0.02%～0.04%）,生态、农业生产、牧业生产空间趋减,生活、其他生产空间增加。（2）2000—2020年呼和浩特市“三生”空间格局变化显著,主要表现为城区外围生活空间侵占农牧业生产空间,土默川平原及北部、东南部丘陵地区农业生产、牧业生产、生态空间相互转换;（3）研究区生态、农业生产、牧业生产空间在前10 a相互转化剧烈,2010—2020年有所减缓;生活、其他生产空间呈净转入状态并在后10 a突增。（4）平均坡度是影响农牧业生产空间布局的主导因素（0.24～0.4）,产业发展、人类活动和农业生产规模对当地空间格局影响较大,精细化治理背景下,政策引导的作用日益突出。     

干旱对中国北方草原总初级生产力影响的时滞和累积效应

近年来随着全球变暖，干旱事件的增加对植被的光合作用产生更加重要的影响，同时也严重影响了陆地生态系统的平衡。本文基于标准化降水蒸散指数(SPEI base v.2.7)和总初级生产力数据集（GOSIF GPP）研究了干旱对中国北方草原GPP的累积和时滞效应，利用Sen’s斜率、Mann-Kendall(MK)趋势检验、Mann-Kendall突变检验研究了GPP和SPEI在研究期内的时空变化，利用Pearson相关分析方法探究了干旱对北方草原GPP的累积和时滞效应。结果表明：（1）2001—2020年期间北方草原多年平均GPP呈现东北地区高、西南地区低的空间分布格局，多年平均SPEI呈现东北地区低、西南地区高的空间分布格局，且SPEI和GPP的年平均值都随时间变化呈现上升趋势。（2）干旱对北方草原84.99%的区域有累积效应，最长累积时间尺度主要集中在3～4个月，覆盖北方草原的39.82%；干旱对北方草原63.11%的区域有滞后效应，且主要发生在7个月，覆盖北方草原的19.73%。（3）通过对比不同水分条件下二者的变化趋势，发现干旱对草原GPP的累积效应强于时滞效应。     

新疆天山极端干湿事件时空演变特征

基于新疆天山26个气象站1960—2017年的气象资料,采用FAO Penman-Monteith模型计算了各气象站月地表湿润指数,标准化后统计极端干湿事件频率。运用线性趋势分析法、反距离加权法探究了极端干湿事件频率的时空演变特征,并采用相关分析、偏相关分析及交叉小波分析分别探讨了气象因子和大气环流对极端干湿事件变化的影响。结果表明:(1)新疆天山极端干、湿事件分别呈减少、增加趋势,年际倾向率分别为-0.40次·(10a)^-1、0.37次·(10a)^-1。夏季为天山极端干、湿事件的共同高发季节,也是极端干旱下降趋势最大的季节,而秋季是极端湿润上升趋势最大的季节。(2)天山北坡是极端干旱事件和极端湿润事件的共同高发区域,极端干、湿事件发生频率高达4.44次·a^-1、2.76次·a^-1,也是极端干旱下降、极端湿润上升速率最快的区域,平均年际倾向率分别为-0.75次·(10a)^-1、0.58次·(10a)^-1。(3)平均相对湿度是导致该区域极端干湿事件变化的主要气象因子,厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation)是主要大气环流因素。     

相对冷暖背景下两次干旱事件的比较——以陕西为例

利用陕西省气象观测站气温和降水资料、干旱灾害记述资料,根据年旱涝等级、降水距平百分率以及CI干旱指数的分布与变化,分析比较了冷期1965—1966年干旱和暖期1994—1995年干旱的范围、程度以及干旱过程演变的异同。结果表明,冷暖背景下均会出现连续的干旱,当暖期与降水减少相遇时,出现的干旱更为严重;处于干旱半干旱区的陕北,干旱过程往往持续时间较长,处于半湿润区和湿润区的关中、陕南,干旱时段内往往会出现多个干旱过程。陕北1994—1995年的干旱天数少于1965—1966年,而关中、陕南1994—1995年的干旱天数多于1965—1966年,同一干旱事件在各地会呈现出不同的特点。     

区域人口经济压力的空间格局演变分析——以甘肃省为例

文中根据影响人口经济压力的内在矛盾和外在因素,确定了反映区域人口经济压力的评价指标体系,并采用主成分分析法计算其压力指数,最后通过聚类分析法等方法定量分析了甘肃省人口经济压力的空间格局演变特征。结果表明:1990~2005年间,甘肃省人口经济压力空间格局具有明显的地域特征,其特征表现为经济较发达、自然资源条件较好、人口增长较慢、人口素质较高的地区,其人口经济压力变化小;反之,人口经济压力变化就大,除人口自身带来压力外,经济发展缓慢是不可忽视的重要因素。     

黄河流域传统村落与非物质文化遗产空间相关性及其影响因素

黄河流域传统村落与非物质文化遗产都是传承中华优秀文化的重要载体,识别二者空间相关性及其影响因素实现协同发展是增强黄河文化软实力和影响力的重要保障。以黄河流域传统村落与非物质文化遗产为研究对象,基于数量空间关系模型、双变量空间自相关分析方法,对二者空间相关性进行分析,运用多项Logit回归模型对其空间相关性影响因素进行探讨。结果显示：1)传统村落与非遗数量分布不均,各省区差异较大。2)传统村落与非遗数量空间关联关系显著,整体形成显著的“高—高”类与“低—低”类各自集聚且分布范围较广、“低—高”与“高—低”各自分散且分布范围较窄的特征。3)传统村落和非遗分布空间相关性格局的形成是受社会经济与自然环境多种因素共同作用的结果。社会经济维度主要包括经济发展、城镇化率、交通通达性、政府主导,自然环境因素主要有地形、气温、降水量。不同因素对传统村落、非遗空间聚类的高—高类,低—高类,高—低类区域分布影响异质性显著。