黄土高原植被变化对气象干旱多尺度响应特征与机制

基于黄土高原1983—2015年间的植被状况指数(VCI)与1~48个月尺度的标准化降水蒸散发指数(SPEI)和标准化降水指数(SPI),利用Pearson相关系数法、线性回归法和Mann-Kendall趋势检验法等方法研究了黄土高原地区植被对气象干旱的多时间尺度时空响应特征。结果表明:(1)1983—2015年,黄土高原植被状况整体趋于改善,但黄土高原整体干湿状况变化趋势不大。(2)黄土高原绝大部分区域植被变化与气象干旱指数呈现显著正相关关系,表明植被活动受到水分的限制较强。但是,过去几十年,黄土高原地区植被受到水分限制的影响程度有逐渐减轻的趋势。(3)黄土高原植被对短时间尺度的水分盈亏变化相对敏感,尤其是耕地和草地对1~4个月的SPEI更为敏感,而林地对SPEI的响应时间尺度较为分散。黄土高原VCI与SPEI、SPI的最大相关系数均主要出现在生长季(4—10月),表明水分条件在生长季对植被活动的影响较为显著。     

若干干旱指标在云南大旱年农业干旱监测评估中的适用性分析

基于降水量、平均气温、日照时数等气候数据及土壤湿度资料,用相关分析和典型相关法,针对云南多种气候类型下包含秋-冬-春连旱的一个大旱年,比较分析气候干湿指数(Ⅰ)、相对湿润度(M)、综合气象干旱指数(Ci)、降水距平百分率(Pa)和标准化降水指数(SPI)5个干旱指标在农业干旱监测评估中的适用性.结果表明,5个干旱指标对0-20cm土层相对湿度(SM)时空变化的解释能力排序为:I＞M ＞Ci ＞Pa ＞SPI,其中前3种指数的解释度分别为89.66％、85.47％和82.59％;Pa和SPI主要反映降水波动变化,难以准确表达旱涝气候和农业干湿变化;Ci对降水变化的响应过于敏感,不太适用于部分天气气候下的农业干旱监测/评估.I、M辨识干湿变化能力强,适用范围广,对农业旱涝监测评估的适用性优于其它3个指标,但在较长持续重早期敏感性欠佳,可结合使用低于某临界值的持续时间长度来表达干旱强度和持久性.     

近20年内蒙古干旱时空动态及其对气候、蒸散发变化的响应

为实现对内蒙古旱情的动态连续监测,基于温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI),采用趋势分析、R/S分析方法,探究了内蒙古2001—2020年TVDI时空变化特征及降水、气温、蒸散发对TVDI的影响。结果表明:(1)20 a间内蒙古TVDI以每年0.000 9速率减小,且在2007年、2010年和2013年大范围出现重旱。春、夏、秋、冬季TVDI分别以每年0.000 5,0.001 8,0.001 3,0.000 07速率减小。(2)春、夏、冬季未来一段时间大部分区域TVDI将呈增加趋势,秋季大部分区域将呈减小趋势。(3)春、夏、秋季TVDI与降水和气温均以负相关为主; 冬季TVDI与气温、降水均以正相关为主。春、冬季ET与TVDI为正相关性; 夏季TVDI与ET从西南向东北相关性从正逐渐过渡为负; 秋季TVDI与ET以负相关为主。研究表明近20 a内蒙古干旱程度有所缓解,但未来干旱程度减缓趋势变小或增加。因此,后期研究应进一步分析月尺度干旱、蒸散发的时空动态,对进一步测量和预测季节性蒸散发和干旱如何联合影响内蒙古生态环境和经济发展具有重要意义。     

黔中地区气象水文干旱演变特征及其响应关系

黔中因其地形地貌特殊,干旱情势复杂,研究其干旱特征以及传播过程,能有效预防干旱延续,为该区域干旱监测和预警提供科学依据。基于黔中地区1970—2016年的降水以及径流数据,计算标准化降水指数(SPI)与标准化径流指数(SSI),采用相关分析方法,分析该地区气象水文干旱的演变特征以及两者之间的响应关系。结果表明:(1)不同时间尺度的SPI与SSI具有不同的时间振荡频率。在较短的时间尺度上干湿交替频繁,而较长的时间尺度可以检测连续的干旱与潮湿时期。(2)近47年来,黔中地区干旱化态势增强,干旱发生的频率上升,重度干旱以及极端干旱频率增加明显。(3)该地区气象与水文干旱在不同年代际呈现不同的空间分布特征,气象干旱主要发生在黔中南部、中部和西部等地区。20世纪水文干旱化态势最明显的地区主要在黔中中部,而21世纪最明显的干旱化地区则在黔中西北部。(4)SSI—SPI相关性显著,不同时间相关系数的变化趋势不一致,并且它们的响应关系呈季节变化,其相关系数为夏季>秋季>冬季>春季,这与黔中地区降水的时空分布不均以及地貌特征有关。综上,黔中地区气象水文干旱日趋严重,极端干旱频发,气象干旱加剧了水文干旱旱情,两者关系密切。     

考虑CO2浓度影响的中国未来干旱趋势变化

CO_2浓度增加会降低潜在蒸散发量(PotentialEvapotranspiration,PET),进而影响依据PET计算的干旱指数结果。为了准确预测未来中国干旱变化情势,该研究以Penman-Monteith(PM)公式计算PET,以标准化降水蒸散发指数(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)表征干旱,利用贝叶斯模型平均(Bayesian Model Averaging,BMA)整合了5个降尺度的CMIP6气候模式数据,分别计算分析了中等强迫(SSP2-4.5)和高强迫(SSP5-8.5)气候情景下考虑CO_2影响和未考虑CO_2影响的中国未来干旱趋势。结果表明:未考虑CO_2影响的SPEI呈明显的下降趋势,其中西北地区下降趋势最为显著,干旱面积亦呈最强烈的增加趋势,尤其2070年之后,SSP5-8.5情景下的干旱面积急剧增加,至21世纪末,干旱面积比例超过了80%。青藏高原、东北地区、华中地区和华南地区干旱面积变化趋势较为一致,SSP5-8.5情景下,干旱面积比例呈增加趋势,SSP2-4.5情景下SPEI计算的干旱面积变化无明显趋势;考虑CO_2影响的SPEI计算的干旱面积则呈轻微的缩减趋势,其中华北地区的干旱面积缩减最为显著。SSP5-8.5情景下整个中国地区的干旱面积总体呈增加趋势,至21世纪末,SPEI干旱面积比达40%。但在SSP2-4.5情景下,考虑CO_2影响的SPEI计算的干旱面积则呈缓慢的缩减趋势。在相同情景下,未考虑CO_2影响的干旱指数高估了未来干旱发生状况,CO_2浓度增加缓解了未来干旱,在未来干旱研究中应考虑CO_2对干旱趋势的影响,可得出更为合理的研究结论,为水资源管理提供科学依据。     

基于2种标准化干旱指数分析秦皇岛近50年干旱状况

为了分析SPEI是否相对于SPI更适合于气候变暖背景下秦皇岛的干旱监测与评估,为更精确地诊断该区干旱发生状况提供依据,以河北秦皇岛1964—2014年逐日降水及温度资料为基础,分析比较标准化降水指标(SPI)和标准化降水蒸散指标(SPEI)对秦皇岛干旱监测的差异及秦皇岛地区近50年干旱变化趋势。结果表明:50年来秦皇岛干旱发生的频次逐渐增多,且干旱程度也较过去有所加重,春季、夏季、冬季呈干旱化趋势,秋季呈增湿趋势;两个指数在同一季节指示的干湿状况演变趋势是一样的;1989年以前,秦皇岛市气温距平值基本为负值,在这期间SPI与SPEI数值变动趋势较为一致且在发生干旱的年份SPI与SPEI数值之间差异不大,但在1989年以后,随着秦皇岛市气温距平值由负转为连续多年正值,两个指数差异增大,SPEI在监测到干旱发生时,干旱程度较SPI监测的结果更重也更接近实际情况,所以得出SPEI更能有效地反映出全球变暖背景下秦皇岛干旱发生发展情况。     

泾河上游流域实际蒸散发变化趋势及成因分析

利用泾河上游流域1973—2012年的径流和蒸发皿观测资料,验证了该区域蒸散发量存在互补关系;在此基础上,利用区域内1966—2012年的气象资料,采用蒸散发互补关系模型估算区域实际蒸散发量,并进一步分析实际蒸散发的变化趋势及成因。结果表明,泾河上游流域蒸散发互补关系显著,平流—干旱模型计算该区域1966—2012年多年平均实际蒸散发量为529.4mm,总体呈减少趋势,变化率为-4.64mm/(10a)。季节变化上,春、夏、秋季的实际蒸散发量均呈下降趋势,其中夏季实际蒸散发量下降趋势显著,冬季蒸散发略有上升。通过分析实际蒸散发与气象因子的相关关系以及各气象因子变化趋势可知,研究区实际蒸散发的变化与降水、相对湿度和日照时数呈正相关关系,而与风速的变化呈负相关,该区域年实际蒸散发减少的主要原因可能是由于日照时数减少导致太阳辐射能量下降及降水量减少使可供蒸发的水量减少。     

基于TRMM数据的山东省干旱监测及其可靠性检验

为了兼顾卫星遥感干旱监测的高时空覆盖性和气象站点干旱监测的普遍适应性,使用热带降水测量卫星(TRMM)3B43的逐月降水量资料和单站干旱监测Z指数方法,对区域干旱过程进行监测。研究以黄淮海平原冬小麦主产区的山东省为例,使用该方法对1998年1月-2010年12月间的逐月干旱情况进行了监测,并利用同期气象数据计算出来的标准化降水指数(SPI)对TRMM-Z指数进行了验证。结果表明TRMM-Z指数监测出的干旱发生、发展过程与实际相符,其监测结果与站点SPI相关系数为0.83,达极显著水平。该干旱监测方法在区域干旱监测与评估中具有很好的适用性和精度,为有效获取气象与农业旱情提供了一种新的思路。     

基于深度学习算法的京津冀地区综合干旱评估模型构建

及时准确的干旱评估对社会经济发展和农业生产具有重要的指导意义,当前的干旱评估指标通常仅考虑植被或降水等单方面影响因素,在实际干旱评估中存在一定的局限性。本研究综合考虑降水、温度、地形等多个干旱致灾因子,以主要产粮基地京津冀地区为例,基于2007-2017年地表温度（Land Surface Temperature,LST）、归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）以及降水等多源数据,利用深度学习框架Tensorflow构建以标准化降水蒸散发指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）为目标值的综合干旱评估模型。利用决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）对模型进行测试;利用站点标准化降水指数（Standardized Precipitation Index,SPI）、土壤相对湿度数据以及2016年京津冀地区的气象灾害数据,从时间和空间上对模型的可靠性进行验证。结果表明：模型的训练集和测试集在不同月份上均表现较好（R2均大于0.5而RMSE均小于0.55）。模型输出的综合干旱指数（Comprehensive Drought Index,CDI）在密云站上与SPI和SPEI接近,变化趋势基本一致,并且与站点SPI和土壤相对湿度的相关系数分别大于0.7和0.4,均通过了0.01水平的显著性检验。空间上,相较于SPEI,CDI计算的2016年3-7月京津冀地区干旱事件结果与实际情况符合度更高,表明该模型适用于京津冀地区干旱评估。     

CHIRPS和GLEAM卫星产品在中国的干旱监测效用评估

为评估具有分辨率高、覆盖范围广、数据序列动态连续优点的卫星降水和潜在蒸散发产品在中国干旱监测中的应用能力,以CGDPA(China gauge-based precipitation daily analysis dataset)和PM-Ep(potential evapotranspiration calculated by penman-monteith)为基准数据,以标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI)为干旱监测指标,利用6个精度统计指标和分类度量指标评估CHIRPS(climate hazards group infrared precipitation with station data)、GLEAM-Ep(global land-surface evaporation:the Amsterdam methodology, potential evapotranspiration)在中国的干旱监测效用。结果表明:1)CHIRPS和GLEAM-Ep在中国东部和西南地区表现良好。由于气象站格网的稀疏,它们在中国西部大部分地区的表现存在较大不确定性。2)SPEIs(基于CHIRPS和GLAEM-Ep计算的SPEI)在中国东部和西南地区对干旱模拟效果较好,其与SPEIm(基于CGDPA和PM-Ep计算的SPEI)的相关系数(CC)在东南、西南、长江中下游地区、华北均大于0.6,尤其是相对湿润地区的CC值在0.70以上且均方根误差低于0.8。3)SPEIs3(3个月的SPEIs)在东南、西南、长江中下游地区、华北对干旱面积比的演变过程模拟效果较好,持续干旱模拟成功率分别为0.93、0.57、0.71、0.81及干旱空间分布模拟精度较高。总体而言,基于长序列CHIRPS和GLEAM-Ep计算的SPEI可适用于中国东部和西南地区的干旱监测与评价,可为该地区的干旱事件监测与预警、水资源管理提供可靠的参考依据。     

TMPA卫星遥感降水数据产品在中国大陆的干旱效用评估

为评估基于卫星遥感的高时空分辨率降水数据产品在干旱研究中的应用能力,该研究以标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)为例,以站点实测降水数据产品作为参考,评估了热带降水测量计划——多卫星降水分析(tropical rainfall measurement mission(TRMM)multi-satellite precipitation analysis,TMPA)3B42V7产品在中国大陆范围内1998-2015年间的干旱效用.结果表明:1)基于3B42V7计算的干旱指数总体上具有较高的精度,在中国东部大部分地区与基于降水实测数据的干旱指数相关系数均在0.8以上;2)基于西南和华北2个典型干旱发生地区的干旱时空变异评估结果表明,3B42V7能较为准确地反映干旱事件的发展过程和强度并能较好地捕捉干旱事件的空间模式,并且在大多数情况下单纯基于3B42V7数据计算的SPI指数即可满足干旱监测的要求;3)干旱事件识别能力评估结果表明,3B42V7产品能够较准确地识别和定位1998年以来的大范围干旱.TMPA产品能从时间和空间上刻画出中国大陆干旱的演变规律,适用于大尺度气象干旱的监测与评估.     

基于标准化降水蒸散指数的中国干旱趋势研究

标准化降水蒸散指数(SPEI)通过标准化潜在蒸散与降水的差值表征一个地区干湿状况偏离常年的程度,是分析干旱演变趋势的新理想指标,目前已经广泛应用于干旱评估、水资源管理等领域。用SPEI和1951—2009年中国区域160个站的月降水量及月平均气温资料,对中国59年来干旱化的空间分布、四季干旱趋势变化和全国极端干旱事件发生频次进行了分析,并定性分析了干旱发生的原因。结果表明,我国普遍存在干旱化的事实,西部、华北和东北地区干旱化最为显著。我国四季均呈现干旱化趋势,其中春、秋季干旱化趋势明显,夏季最近15年都处于干旱状态,但干旱化趋势未通过0.05显著性检验;另外全国极端干旱事件发生频率明显增多。东北和华北地区的降水呈现轻微减少趋势,而温度升高趋势明显,降水和温度的共同作用导致了明显的干旱化。四川盆地温度升高趋势不显著,但降水减少显著,降水较少是导致四川盆地干旱化的主要原因。降水频率的减少和集中也导致近几年极端干旱事件明显增多。我国普遍的干旱化趋势和明显增多的极端干旱事件可能对我国经济发展产生阻碍。     

黄淮海平原气象干旱的演化特征与时空规律

干旱事件广泛地影响着作物的生长和发育,黄淮海平原是中国主要的粮食产区之一,全面了解该地区干旱变化特征对保障中国粮食安全至关重要。该研究基于标准化降水指数（standardized precipitation index,SPI）、标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI）、自校正帕默尔干旱指数（self-calibrating palmer drought index,scPDSI）、干燥度指数（aridity index,AI）4种干旱指数,对黄淮海平原干旱强度、干旱频率、干旱面积占比、干旱持续时间进行对比分析。结果表明,4种干旱指数均指示出1970—2020年黄淮海平原干旱强度逐渐减弱,干旱面积占比先增加后减少、再增加再减少、再增加的波动变化趋势,且在空间上均呈现出平原中部变湿、东西部变干的趋势。但不同指数在表征干旱空间特征上还存在一定的空间分异。对于干旱频率,SPI和AI指数显示出北部地区干旱频率高达60%,而南部地区低于20%;SPEI和scPDSI指数则显示出的南北差异较小,分别介于25%～40%和30%～50%。对于干旱持续时间,SPI指数监测的南北差异最为明显,而SPEI和scPDSI指数监测的区域差异较小。SPI和SPEI两种干旱指数监测的干旱持续时间较短,scPDSI指数监测的干旱持续时间较长。综合来看,北部区域干旱强度更为严重,且干旱发生频率高、持续时间长,而南部地区则相反。研究可为制定应对干旱的农业政策提供科学的参考依据。     

西南地区综合干旱监测模型构建与验证

在全球极端天气事件越来越多的大背景下,准确监测西南干旱对区域农业可持续发展具有重要的现实意义。该文选取降水距平百分率(percentage of precipitation anomaly index,Pa)、标准化降水指数(standard precipitation index,SPI)、相对湿润指数(relative moisture index,MI)等3种气象类干旱监测模型以及植被供水指数(vegetation water supply index,VWSI)与归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)等2种遥感类干旱监测模型,并分别与实测土壤湿度作相关分析,在此基础上选取相关系数最高的相对湿润指数与归一化植被指数为自变量建立综合干旱监测指数(comprehensive drought monitoring index,DI)。结果表明,综合干旱指数与土壤水分实测值有较好的相关性,监测精度可达88.38%;在不同海拔高度内,综合干旱指数的拟合效果比单一指数效果更好,精度更高;在分析2009-2010年西南特大干旱旱情发展的时空演变过程中,综合干旱监测结果与实际干旱情况有较好的空间一致性,监测效果佳。研究成果为西南丘陵山区干旱监测提供了一种新的方法。     

IMERG卫星降水产品在中国的干旱监测效用评估

GPM(Global Precipitation Measurement)时代,高时空分辨率的IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)是最主流的卫星遥感反演降水产品。该研究以地面网格CPAP(China Gauge-based Monthly Precipitation Analysis Product)数据为基准资料,选用标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)、标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)和综合气象干旱指数(Composite Index of Meteorological Drought,CI),评价了最新版回顾性IMERG降水产品在干旱监测方面的应用能力及比较了其计算的干旱指数间的差异性。结果表明:1)IMERG能较好地捕捉中国月均降水量的空间格局;其与CPAP数据具有较高的一致性,相关系数高于0.9的区域占大陆面积的73.7%。2)基于IMERG的干旱指数具有良好的可靠性,它与CPAP计算结果的区域平均相关系数在大部分地区超过0.8。总体上,SPEI较SPI和CI的适用性更好。3)在西南地区,IMERG可准确再现干旱随时间的变化过程并捕获典型干旱事件的空间特征,同样SPEI表现优于SPI和CI。总之,回顾性IMERG降水产品在中国干旱监测中表现出很好的应用潜力,但不同干旱指数会影响它的精度。在全球变暖条件下,基于IMERG的SPEI指数应用于干旱监测与评估整体上优于仅考虑降水因子的SPI指数,以及考虑降水和气温因子的CI指数。     

淮河流域冬小麦主要生育期旱涝时空特征及对产量的影响

旱涝灾害在淮河流域发生频繁,对农作物产量影响较大。该文基于淮河流域1961-2014年140个气象站逐日降水、气温数据,利用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)定量分析冬小麦各生育期气候特征,结合1961-2012年20个站点冬小麦单产数据计算标准化产量残差(standardized yield residuals,SYR),探讨冬小麦主要生育期旱涝灾害对其产量的影响。结果表明:1)冬小麦各生育期气温均呈显著上升趋势(P0.05),气温呈南高北低、西高东低的格局,东部趋势高于西部且返青抽穗期大部分站点趋势值最高,而降水量沿纬度变化与气温一致,其变化趋势在冬小麦各生育期差异明显。2)冬小麦返青抽穗期干旱增加趋势最大(P0.05),旱涝灾害在全生育期、返青抽穗期和灌浆成熟期主要受气温影响,在冬前生长期和越冬期主要受降水量影响,同时冬小麦各生育期SPEI干旱化趋势大于SPI。3)除冬前生长期外,SYR与SPI和SPEI均呈负相关关系,以返青抽穗期相关性最高,在返青抽穗期达到中度干旱或中度湿润时产量减少。该研究尝试明晰淮河流域发生在冬小麦生育期的旱涝灾害对其产量的影响,为冬小麦生育期防灾减灾提供基础支撑。     

基于游程理论和Copula函数的干旱特征分析及应用

干旱是一种复杂的自然灾害现象,理解和掌握干旱事件的发生发展状况对防治其危害具有重要意义。选用1960—2015年间陕北黄土高原9个地面气象观测站的月降水数据集,基于游程理论从标准化降水指数中提取出干旱事件的历时和强度,采用拟合优度最高的Copula函数对干旱特征变量进行拟合,分析干旱特征变量的联合累计概率和干旱事件的联合重现期,并基于30 a时间间隔的滑动窗口分析联合重现期变化曲线,最后将研究结果运用到陕北地区1995—2010年间干旱实际受灾面积中,进一步分析干旱事件联合重现期与农作物旱灾损失之间的联系。结果表明:1)1960—2015年间陕北黄土高原出现的最低干旱事件频次为94次,最高103次,榆林东部和延安的北部是主要的干旱灾害频发区,延安的东南部和铜川干旱事件发生频次相对较小;2)干旱历时和干旱强度具有较强的相关性,随着干旱历时和干旱强度的不断增大,二者的联合累计概率和联合重现期也不断增大;3)研究区内不同站点的相同历时不同强度和相同强度不同历时的联合重现期变化曲线变化趋势不尽相同;4)陕北地区农作物实际受旱灾面积与干旱历时和强度密切相关,不同类型干旱事件联合重现期的拟合能够反映该区域实际干旱受灾情况,根据游程理论提取出干旱事件的干旱特征与实际干旱特征较为接近的情况下,理论重现期与实际重现期的误差范围仅在0.1~0.3 a之间。研究可为旱作农业生态管理提供依据。     

TRMM卫星降水数据在区域干旱监测中的适用性分析

为了评估高时空分辨率的卫星遥感降水产品在干旱监测中的适用性,该文基于热带降雨卫星(tropical rainfall measurement mission,TRMM)产品和气象站点的观测数据,利用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)分别计算了2种数据源的不同时间尺度(1、3、6和12个月)的河南省1998-2016年干旱事件发生的年际和空间变化。结果表明:TRMM 3B43月尺度降水数据与气象站点的观测数据具有显著的相关性,相关系数均高于0.9,除少数情况下,TRMM 3B43对降水存在略微高估现象;两种数据源计算的各时间尺度(1、3、6和12个月)存在着很高的一致性,波动幅度随着时间尺度的增大而减小;1998年以来河南省春季发生干旱事件的年份是2000、2001年,夏季发生干旱事件的年份是1999、2014年,秋季发生干旱事件的年份1998、2001、2007年,冬季发生干旱事件的年份1999、2012年,另外,基于SPI-12得出发生干旱的年份是1999、2001、2012和2013年;根据站点的不同时间尺度的两种数据源的SPI时间序列进行相关性分析,其相关系数都高于0.7,两者间的一致性很高,说明TRMM数据能够替代站点观测数据进行干旱的监测与评估。