沂河径流非线性变化特征对气候变化的响应

[目的]研究沂河水文和气候因子在不同时间尺度上的非线性变化特征,为进一步了解径流对气候变化的复杂响应过程提供理论依据。[方法]采用集合经验模态分解(EEMD)、Mann-Kendall检验、相关分析和线性回归等分析方法。[结果]1951—2013年沂河径流呈显著下降态势(p0.01),下降速率为3.33×108 m3/10a,但在1976年前后径流则呈相反变化趋势。同时,径流可分解为4个经验模态分量(IMF),其中在年际尺度上(周期为3和6a)的变化对径流总体变化的贡献率较大,为58%,其次是在数年代际(周期为31a)尺度上的变化,贡献率为11%,而在年代际(周期为13a)尺度上的变化对径流总体变化的贡献较小,仅为6%。故径流变化的非线性变化趋势对径流变化的贡献率为25%。[结论]气候因子在不同时间尺度上对径流的作用方式和影响机理具有明显差异,其中在年代际和数年代际尺度上气候因素与径流关系更为密切。     

基于标准化降水指数的北疆地区近52年旱涝变化特征

21世纪以来极端气候事件频发,其中旱涝灾害对人类影响最为明显。该研究以北疆为例,选用标准化降水指数SPI（Standard Precipitation Index）为干旱指标,基于北疆地区23个气象站的1961—2012年逐月降水数据,运用趋势分析法、EOF法、REOF法和ArcGIS中的Kring插值工具,对其旱涝时空变化特征进行了研究。结果表明:过去52 a北疆地区气候呈湿润化趋势,年代和年际尺度上,干旱逐渐减少,雨涝则逐渐增多。年际尺度上,北疆地区不同时间尺度的SPI都呈增加趋势,表明其湿润化的趋势加强。年代尺度上,1960s和1970s干旱频次大于雨涝频次,而在1980s—2000s雨涝频次大于干旱频次。且北疆地区的旱涝在区域空间分布上呈现四种差异型,并以此划分为四个旱涝区域:北部地区（降水适宜区）、东部地区（极度干旱区）、西部地区（干旱区）和中部地区（雨涝区）。季节尺度上,中部的石河子、托里、克拉玛依和北部的福海地区都是相对湿润区域,东部的青河、北塔山和奇台地区则是相对干旱的区域。     

艾比湖流域径流水文特征及其对降水变化响应——以博尔塔拉河为例

在干旱区研究分析流域径流量的变化特征,是流域管理的重要科学问题。利用1964—2012年艾比湖流域博尔塔拉河径流、降水数据,采用变异系数、集中度和集中期等指标,对艾比湖流域博尔塔拉河的径流量、降水量在多时间尺度上进行分析,并用集中期来反映径流对降水变化的响应。结果显示,博尔塔拉河径流年际变化较平稳,增长趋势不明显;流域径流主要集中在6—8月,季节上主要集中在夏季。径流集中期主要集中在6月下旬至7月中旬之间。降水集中期主要集中在5—7月;年降雨和年径流间存在较高的相关关系,(r=0.23720.23292=R0.1,49,回归显著水平超过0.1),径流对降水具有滞后效应,多年平均滞后时间为21d左右,且滞后天数随着时间推移呈缩小趋势。     

江苏省植被覆盖动态变化及其与气候因子的关系

[目的]研究2000—2013年江苏省植被覆盖状况的时空分布特征,并从年际和季节尺度上分析植被覆盖的空间变化特征以及NDVI与气温、降水量的相关关系和滞后性,以期为区域生态环境监测、生态环境保护和植被可持续发展提供参考。[方法]运用美国国家航空航天局(NASA)发布的2000—2013年MODIS 13Q1级产品(归一化植被指数)和江苏省1999—2013年各气象站点气象资料,采用最大值合成法、趋势线分析法、Person相关分析法和偏相关分析法。[结果](1)14a来,江苏省植被NDVI整体上呈下降趋势,且在时间和空间尺度上有所差异;(2)由于气温、降水量、厄尔尼诺和拉尼娜等事件的影响,NDVI在年际和季节间呈波动性变化;(3)NDVI对降水变化响应的滞后期为1个月,NDVI基本同步于相应气温的变化,仅夏季滞后期为1月。[结论]从时间尺度上看,年际、秋季,NDVI呈下降趋势,而春夏季,NDVI呈上升趋势;从空间尺度上看,江苏省西部的植被覆盖程度明显优于东部沿海和长江中下游平原。NDVI在年际和季节尺度上与气候因子的相关性显著,且与气温的相关性最好。     

松嫩平原不同气候区植被NDVI对气候变化的响应

采用Thornthwaite湿润指数对松嫩平原进行气候分区,并利用2000-2009年SPOT/VGT逐旬最大合成值NDVI数据和研究区内17个气象站点数据,分析研究区不同气候区植被NDVI与气象因子的相关关系,以探讨NDVI对气候变化响应滞后性的时空特征。结果表明,(1)NDVI与同期旬平均气温、旬平均最高气温、旬平均最低气温呈极显著正相关(P<0.01),相关系数大小依次为湿润区>半湿润区>半干旱区;NDVI与同期旬降水量、旬平均相对湿度呈显著正相关(P<0.05),相关系数依次为半干旱区>半湿润区>湿润区。(2)NDVI与各气象因子逐步回归结果表明,最低气温是NDVI变化的限制性因子,且在3个气候区中,最低气温对NDVI的贡献最大;降水是湿润区和半湿润区影响植被生长的最重要因素,而在半干旱区,相对湿度对NDVI的贡献大于降水。(3)NDVI对温度响应的滞后期在湿润区为20d,半湿润区为20～30d,半干旱区为30d;对降水响应的滞后期在湿润区为30d,半湿润区为20d,半干旱区为10d,且NDVI对相对湿度响应的滞后期比降水短;空间上NDVI对温度响应的滞后期从东到西逐渐变长,而降水则相反。     

中国草地NDVI时空动态对多尺度干旱的响应

草地对干旱的响应较其他植被类型更为敏感,且不同草地类型在不同气候区干旱的响应具有较大差异,因此分气候区探究不同草地类型对干旱的响应机制对草地资源保护具有重大意义。基于植被Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)、草地覆被及标准化蒸散指数(SPEI)数据,分析1982—2015年中国不同气候区不同草地类型植被NDVI的时空动态及其与SPEI的关系,并确定NDVI与SPEI指标最大相关系数所对应的干旱时间尺度,结合气象数据探究气温、降水及水平衡因素对草地干旱响应的影响状况。结果表明:中国草地NDVI呈现出极显著增加趋势(0.004/a)。草地NDVI呈显著增加的比例为15.62%,集中在华北平原地区、四川、云南、广西及西藏的东南部地区。草地SPEI值呈不显著增加趋势(0.05/10 a),其中显著变干的区域集中在内蒙古中部和宁夏地区。草地NDVI与SPEI指数呈显著正相关的区域集中在内蒙古、青海省南部及新疆北部地带。内蒙古、新疆、青海省北部及西藏南部地区的草地NDVI对干旱响应的时间尺度较短,而青海东南部及西藏中部草地NDVI对干旱响应的时间尺度较长。高山亚高山草甸和草甸区域植被NDVI与SPEI的相关性最强,且对干旱的响应时间尺度较长,而荒漠草地对干旱的响应时间尺度较短; 与湿润区域相比,干旱区域草地NDVI与SPEI的相关性更强,且对干旱响应的时间尺度更短。降水是草地响应干旱的最主要因素,水平衡次之,而气温的影响较小。     

秦岭牛背梁植被覆盖变化及其对气温的时空响应

[目的]揭示牛背梁保护区植被覆盖变化特征及其对区域气温的响应机理,为牛背梁地区的生态建设和管理提供依据。[方法]基于秦岭1975—2013年气温数据和2000—2013年NDVI数据,运用GIS空间分析技术以及相关检验和回归分析方法。[结果](1)近40a来牛背梁地区年均温增加速率为0.30℃/10a,1999年增温趋势达到显著水平。(2)2000—2013年研究区植被变化呈不显著的减少趋势,且季节和区域差异较大。(3)年尺度上,植被NDVI与气温整体呈正相关关系。季尺度上,春季植被NDVI与气温均呈显著正相关;夏季NDVI与气温呈不显著正相关;而秋季主要呈负相关。月尺度上,随植被生长阶段的变化,不同月份植被NDVI对气温的响应程度也有差异。[结论]牛背梁地区NDVI与气温关系密切,一年之中,5月植被对气温反应最敏感,且中高海拔地区的植被对气温的响应比低海拔植被更加敏感。     

基于日光诱导叶绿素荧光探测植被光合对气象干旱的响应

干旱是世界范围内最常见、最复杂的气象灾害,一定程度上会削弱陆地生态系统的碳汇功能。开展植被对干旱响应的研究并选择敏感的干旱探测因子,有助于掌握干旱对植被的影响规律、理解植被对干旱胁迫的响应过程和机理。本研究以日光诱导叶绿素荧光（SIF）数据和标准化降水蒸散发指数（SPEI）为基础,利用最大相关系数法分析中国区域内2000-2018年生长季植被光合对气象干旱的响应,比较不同干旱梯度、不同植被对干旱响应的敏感性以及SPEI响应时间尺度的变化特征。结果表明：（1）SIF与SPEI具有很好的相关性,显著正相关的面积达到75.05%,主要分布在东北、西南和青藏高原地区,且大部分地区对SPEI的响应时间尺度以中短期为主。（2）SIF在春季对SPEI显著相关的区域占比最少,夏季达到最高,秋季又略有下降。对干旱响应的时间尺度在春季以短期为主,而夏季响应时间尺度长的区域较春季有所增加。（3）半干旱区对干旱的敏感性最强,干旱区最弱,不同气候区对干旱的响应时间尺度均以短期为主。（4）研究所选植被类型均能较早地对干旱做出响应,其中,草地对干旱最敏感,林地和农田相对较弱,阔叶林比针叶林对干旱更敏感。研究结果表明...     

青藏高原植被生长季NDVI时空变化及对气候因子的响应分析

为了探究青藏高原植被覆盖时空演变特征及其驱动因子,对青藏高原的生态环境保护提供科学依据,基于1982—2015年青藏高原内部及其周边139个气象站点的气象数据和同期的GIMMS NDVI数据,研究了青藏高原生长季植被NDVI的时空变化特征及其与气候因子的响应关系。结果表明：(1)在研究期内,青藏高原生长季NDVI总体呈上升趋势,不同干湿地区生长季NDVI变化趋势有所差异,湿润地区植被退化面积占比相对较大,干旱地区植被改善面积占比相对较大。(2)研究区植被未来总体向改善方向发展,植被未来趋向改善面积占62.25%,趋向退化面积占37.58%。(3)研究区植被对各气候因子的响应存在一定的滞后性,草原、草甸、高山植被和灌丛4种主要植被对气温和相对湿度主要当月响应,对降水主要当月或滞后1个月响应,对日照时数主要滞后3个月响应。(4)气温、降水、相对湿度及日照时数4个气候因子对青藏高原植被NDVI变化的相对贡献率分别为37.19%,27.53%,20.30%和14.97%,其中,气温和降水是湿润/半湿润地区、半湿润地区、大部分半干旱地区及干旱地区植被NDVI变化的主要气候驱动因子,日照时数和相对...     

遥感分析天山北部植被覆盖对气候变化的多时间尺度响应

为分析植被-气候关系在时间上的多尺度特征,该研究首次以1981-2009年29 a归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和同期降水、温度数据为基础,采用小波互相关分析研究了中国新疆天山北部额尔齐斯河流域、天山北坡、准噶尔西部山地、博尔塔拉谷地和伊犁河谷区5个分区、29 a植被覆盖变化特征及其对区域降水、温度变化在不同时间尺度和时滞下的响应关系。结果表明:各分区降水和温度变化对NDVI变化存在明显的多时间尺度响应关系和时滞效应。对于降水,除准噶尔西部山地,其他各区域最能反映响应关系的时间尺度为15旬,时滞为5旬(准噶尔西部山地时滞为2旬);对于气温,各区域最能反映响应关系的时间尺度为15旬(准噶尔西部山地时间尺度为10旬),时滞为2旬。各区域NDVI变化与前期温度变化的相关性(0.587)高于与前期降水变化的相关性(0.456)。该研究对于监测植被覆盖变化、研究地气相互作用具有重要意义。     

黄河中游地区年径流对土地利用变化时空响应分析

以黄河中游河龙区间为研究区,以水土流失综合治理及生态环境建设导致的土地利用/覆被变化为背景,采用非参数统计法,基于区内38个水文站20世纪50年代至2000年水文数据,分析流域年径流对土地利用/覆被变化响应的时空变异特征,估算影响因素贡献率。结果表明：其中29条流域年径流量呈显著减少趋势,变率为0.17～2.61 mm/a;28条流域年径流量具有显著跃变时间,无定河流域各水文站跃变时间多在1970—1973年间,其余则多为1978—1985年,最晚为1994年;在5%、50%和95%的发生频率上,跃变前后时段年径流量减少幅度以30%～60%普遍,最大分别为73.2%、63.5%和69.7%;河龙区间整体呈显著减少趋势,变率为0.79 mm/a,跃变时间发生在1979年,3个频率上的减少幅度分别为46.5%、42.4%和24.1%。估算的11条流域中有9条土地利用/覆被变化等人类活动对流域径流减少影响程度超过50%。水土保持措施面积的增加,尤其淤地坝等水利水保工程措施的持续修建,对区域地表径流变化具有明显影响。     

Flow and Sediment Connectivity in Semi‐arid Landscapes in SE Spain: Patterns and Controls

Much of the water and sediment fluxes in semi‐arid catchments are found to be highly concentrated in localized pathways. Identifying the location of these pathways in the landscape is important for management and restoration. Measures can then be targeted so as to minimize the potential for erosion and sediment flux along these pathways. A method of repeat field mapping of flow and sediment pathways suitable for Mediterranean catchments is presented. Several small catchments in Cárcavo basin, SE Spain, differing in topographic and land use characteristics, were monitored under several events. Morphometric properties of pathways were analysed and compared with rainfall characteristics. Number and length of pathways varied with rainfall characteristics and also antecedent conditions. In low rainfall events, runoff sources and main pathways were disconnected, but in a larger event, the network of pathways became fully connected. The pathway patterns showed that man‐made lines such as terrace embankments and tracks have a major influence on sediment connectivity. Micro‐topographic factors, soil moisture and the presence of vegetation are highly influential on pathways and the frequency of water and sediment fluxes. Runoff and erosion hotpots for the development of pathways were identified, which should be targeted for mitigation and restoration measures using vegetation. The relevance of local scale factors emphasizes the importance of repeat field observations to understand connectivity and pathways development in the landscape. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于SPEI和NDVI的中国流域尺度气象干旱及植被分布时空演变

近些年中国干旱灾害频频发生且其影响不断加剧,因此探讨干旱对植被生长的影响对农业生产具有重要的意义。该文基于标准化降雨蒸散指数(standard precipitation evapotranspiration index,SPEI),应用Mann-Kendall(MK)趋势分析方法研究了流域尺度的气象干旱格局;利用新一代归一化植被指数(normalized different vegetation index,NDVI)分析了植被的生长状况;并探讨了SPEI和NDVI的相关性,结果表明:1)1982-2012年间,SPEI值在各时间尺度上都呈现为微弱下降趋势,即为微弱的干旱化;在空间上,干旱化趋势主要分布于东北、黄土高原和西南地区,而西北地区则呈现出明显的湿润化趋势;2)全国年及各季(冬季除外)NDVI序列均呈现上升趋势,空间上其下降趋势主要出现在西北内陆和东北地区部分流域,上升趋势则因季节而异;3)在年时间尺度上,SPEI与NDVI的相关分析表明,209个流域中有56个通过正相关检验(P0.05),主要分布在新疆北部、华北以及东北地区,负相关主要分布在秦岭淮河以南地区,气象干旱对植被生长的影响在干旱半干旱地区表现得更加明显。研究结果可为中国流域尺度干旱影响评估提供参考依据。     

吐鲁番地区气候变化对参考作物蒸散量的影响

新疆吐鲁番盆地是中国气候最干旱、水资源最紧缺的地区之一,农业用水完全依赖于山区径流和地下水的灌溉。研究在气候变化背景下的参考作物蒸散量的变化,对制定科学合理的水资源管理技术方案具有重要意义。根据吐鲁番地区4个气象台站1959-2007年的历史气候资料以及联合国粮农组织（FAO）推荐的Pen-man-Monteith公式计算各地逐年参考作物蒸散量,采用线性回归、Morlet小波和Mann-Kendall突变检测等方法,分析近49a各站年平均气温、降水量、日照时数、年平均风速和空气相对湿度等气候要素以及年参考作物蒸散量的变化趋势和变化特征,据此分析参考作物蒸散量变化的气候成因。结果表明：①近49a吐鲁番地区年平均气温和空气相对湿度呈升高趋势,日照时数和年平均风速呈减小的趋势,降水量变化不明显;②年参考作物蒸散量与上述各气候要素均具有较好的相关关系（p〈0.1）,其中与年平均风速、空气相对湿度、降水量和平均气温的相关性最为密切（p〈0.01）。受上述各气候要素变化的综合影响,近49a吐鲁番地区的参考作物蒸散量总体呈明显的减小趋势（P〈0.01）,这对降低农作物需水量和农田灌溉量具有重要影响;③突变检测表明,吐鲁番地区年平均气温在1970年发生了突变性升高,年平均风速在1965年发生了突变性减小,参考作物蒸散量在1968年发生了突变性减小,其它气候要素未发生突变;④各气候要素和参考作物蒸散量分别存在准2～8a的年际尺度和16～24a的年代际尺度的周期性变化。     

干旱河谷区草坡防火工程对坡面径流侵蚀的影响

为探究干旱河谷区草坡防火工程对坡面径流侵蚀的影响，以四川省凉山州的3个27.5°的草地坡面为研究对象，进行流量分别为6,9,12 L/min的模拟冲刷试验。3个坡面的处理为：(1)移除植被地上地下部分，平整坡面代表草坡防火通道；(2)移除植被地上部分代表草坡防火隔离带；(3)未进行处理作为对照。通过收集坡面出口的产流量和产沙量，研究不同的防火工程在不同的放水冲刷流量下分别对坡面径流侵蚀的影响。结果表明：(1)草坡由于修建防火通道导致坡面土质松散，水分入渗量增加，初始产流时间表现为草坡防火通道(20.33 min)>对照坡面(7.62 min)>草坡防火隔离带(5.22 min);(2)3个流量下的累计产流量和累计产沙量均表现为草坡防火通道>草坡防火隔离带>对照坡面，并且随着放水流量的增加3个坡面之间的差异显著增加，表明草坡防火工程的修建加剧陡坡水蚀；(3)对照坡面的产流量和产沙量之间呈线性关系，而草坡防火通道坡面的产流量与产沙量之间的关系呈指数、对数或线性关系，草坡防火隔离带坡面的产流量和产沙量之间呈对数或线性关系，表明草坡防火工程的修建改变水沙之间原有的线性关...     

Negative and positive effects of topsoil biological crusts on water availability along a rainfall gradient in a sandy arid area

Drylands are regarded as highly sensitive to climatic changes. A positive relationship between rainfall and environmental factors (water availability for plants, productivity, species diversity, etc.) is often assumed for areas with an annual rainfall of 100–300 mm. This assumption disregards the fact that a climatic change in arid and semi-arid areas is not limited to climatic factors. This change is often accompanied by a parallel change in surface properties. The alteration of surface properties may have opposite effects on the water regime and ecosystem characteristics. Data on rainfall, runoff, soil moisture regime, and vegetation cover were collected at five monitoring sites in a sandy area along the Israeli–Egyptian border, where average annual rainfall varies from 86 to 160 mm. Data obtained show a decrease in water availability for perennial plants with increasing annual rainfall, clearly expressed by a lower survival of perennial plants in the wetter area. Results obtained cast doubt of the prevailing idea regarding the positive relationship between average annual rainfall and ecosystem characteristics. The findings are attributed to the decisive role played by the non-uniform properties of the topsoil biological crusts along the rainfall gradient considered. Under wetter conditions a thick topsoil biological crust develops. This crust is able to absorb large rain amounts, limiting thus the depth of rainwater infiltration and water availability for the perennial vegetation. A better water regime was found in the drier area, where a thin crust allows deeper water infiltration and water concentration by surface runoff. The process described may be regarded as a desertification process with increasing annual rainfall.     

植被恢复对青海省北川河流域水循环演变趋势的影响

[目的] 研究植被恢复对流域水循环的影响,明确植被恢复条件下流域水资源的演变趋势,为指导干旱半干旱地区开展科学的植被恢复工作提供数据支撑。[方法] 结合青海省北川河流域植被覆盖变化及长序列气象、水文数据,分析流域尺度水循环要素的演变趋势,分析植被恢复对关键水循环要素演变的影响作用。[结果] 20世纪80年代以来,北川河流域丘陵山区植被覆盖快速增加,仅2000—2019年期间平均增幅14.98%,最大增幅52.2%。1956—2019年,流域年降水量相对平稳,但年径流量呈不显著衰减趋势,平均降幅1.60×10⁷ m³/10 a,流域生态用水量增加是造成径流衰减的主要原因;植被恢复改变了流域大气降水的时空分配,在空间上更多降水用于流域内部生态消耗,减小了对下游的水源供给量,在时间上更多降水参与土壤水—地下水循环,延长了向流域外的排泄周期;地表风速、水面蒸发量、干旱指数等气象要素显著降低。[结论] 植被恢复影响下,北川河流域生态用水量增大,径流量衰减,降水—土壤水—地下水循环过程的水量比例增加,流域水源涵养能力不断提高,半干旱的气候条件有所改善。     

Urbanization Development under Climate Change: Hydrological Responses in a Peri‐Urban Mediterranean Catchment

Relatively few studies have so far investigated the hydrological impacts of urbanization in Mediterranean catchments, and particularly in peri‐urban catchments experiencing relatively rapid and large changes in their land‐use mosaic. This study uses data‐based model simulations to investigate such impacts, with the Ribeira dos Covões catchment in Portugal as a concrete Mediterranean peri‐urban catchment example. We distinguish the impacts of urbanization from those of climatic change on the water flux partitioning and connectivity in the catchment over the period 1958–2013. Decrease in precipitation over this period has primarily driven decreases in annual runoff and actual evapotranspiration, while the urbanization development has primarily changed the relative flux partitioning and connectivity pattern in the catchment. The relative contribution of overland flow to annual and seasonal runoff has increased, keeping the absolute overland flow more or less intact, while the baseflow contribution to the stream network has decreased. Methodologically, the present simulation approach provides a relevant means for distinguishing main drivers of change in hydrological flux partitioning and connectivity under concurrent urbanization and climatic changes. © 2017 The Authors. Land Degradation & Development Published by John Wiley & Sons Ltd.     

基于SCS模型的新疆博尔塔拉河流域径流模拟

为探索SCS(soil conservation service)模型在干旱区地表径流模拟中的适用性,以新疆博尔塔拉河上游温泉流域为例,利用2013年融雪期18场次降雨量、日径流量及卫星同步观测基础数据,基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表温度-植被指数特征空间反演土壤水分等方法,探索适用于流域尺度耦合降雨、积雪融水混合补给径流的SCS模型参数改进算法,采用国产"高分一号"16m分辨率遥感影像和landsat8 OLI 30m多光谱遥影像为模型提供面状数据。分别利用参数算法改进后SCS模型与原SCS模型进行径流模拟,前者模拟值较后者更接近实测值,二者模型验证期Nash效率系数分别为0.66和0.38,相对误差系数分别17%,27%;研究结果表明,利用遥感反演地表参数,结合土壤饱和含水量计算SCS模型参数的方法在面积大且数据缺乏的温泉流域具有可行性和实用性。