不同时间尺度下气象干旱向水文干旱传播过程

利用黔中地区1970—2016年逐月降水以及径流计算标准化降水指数（SPI）和标准化径流指数（SSI）,分别表征气象、水文干旱,采用游程理论等方法分析了该地区不同时间尺度的气象水文干旱动态变化特征,并以交叉关联函数以及干旱传播阈值等方法探求不同时间尺度上气象干旱向水文干旱传播时间。结果表明：（1）黔中地区气象水文干旱化态势以上升趋势为主,重度和极端干旱发生的频数增加,长时间尺度上,气象与水文干旱特征具有一定的同步性。（2）不同季节上干旱传播时间（PT）不同,春季PTs在1~5个月,夏季PTs在1~3个月,秋季PTs在1~4个月,冬季PTs为1~3个月。（3）在地形地貌影响下,不同时间尺度的PTs不同。3个月时间尺度下,阳长、高车和麦翁的PTs为1.36,2.00,1.58个月;6个月时间尺度下,PTs为2.75,2.55,3.00个月;12个月时间尺度下,PTs为3.33,2.56,7.17个月。     

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。     

中国亚热带干旱多尺度时空格局及演变趋势

为探讨不同时间尺度下中国亚热带区域干旱的时空特征,利用1 km气象数据计算1959—2019年亚热带区域标准化降水蒸散发指数(SPEI),并且结合干旱线性变化趋势、影响范围、强度及频率,分析了不同时间尺度(1月、3月、6月、12月)下中国亚热带区域干旱的时空特征。结果表明:(1)干旱时期主要集中在2004—2014年,干旱化区域空间上呈现明显的东西对比,时间尺度上秋季的干旱化趋势最为显著;(2)各时间尺度的干旱影响范围都处于不断波动上升的趋势,尤其是在1995年之后,干旱影响范围上升趋势尤为明显;(3)季节和干湿季较大干旱强度零星分布在亚热带西南部及湖南、江西等省,年际较大干旱强度则主要集中在亚热带东南部;(4)秋季发生干旱的频率最高,年际发生中度及以上干旱频率最高,春季高频中度及以上干旱频率集中在四川、西藏等地,秋季和年际主要集中在四川、重庆和贵州的交界处,夏季、冬季以及干湿季则零星分布在亚热带各省份。综上,亚热带总体呈现干旱化趋势,季节、干湿季和年际尺度的干旱影响范围时间序列变化趋势较为相似,但干旱强度和干旱发生频率在空间上存在一定差异。     

基于Copula函数的湘江流域气象干旱向水文干旱传播特性

水文干旱的发生往往与气象干旱的发生密切相关，因此揭示两者间的响应关系对干旱预警及水资源管理具有极其重要意义。该研究以湘江流域为研究对象，采用标准化降水指数（standard precipitation index，SPI）和标准化径流指数（standard runoff index，SRI）分别表征气象干旱和水文干旱，采用皮尔逊相关系数确定干旱响应时间，并结合游程理论识别、融合和剔除干旱事件，分析湘江流域上、中、下游不同季节干旱的趋势性及周期性，最后建立基于Copula函数耦合贝叶斯网络模型的气象-水文干旱特征响应概率曲线。结果表明：湘江流域气象干旱到水文干旱的传播时间为2个月，阈值组合[0.5、0、−0.5]相较于组合[0、−0.3、−0.5]识别得到的干旱事件更优；下游发生水文干旱的情况最为严重，中游气象干旱最为严重，整体上水文干旱发生历时和烈度的最大值均大于气象干旱；流域整体有湿润化趋势，但是在夏季和秋季，存在干旱化的趋势；干湿变化存在几个较为明显的震荡周期，分别为3～5、6～10和18～21 a；对于联合分布函数，除了上游和下游气象-水文干旱烈度的最优联合分布为Gumbel Copula函数，其余干旱特征变量的最优联合分布均为Frank Copula函数；水文干旱历时、烈度的响应概率随气象干旱特征变量的增加而增加，但当气象干旱历时超出特定阈值时，水文干旱历时对其响应概率将趋于稳定，即当气象干旱历时超过特定阈值后，将不会进一步延长水文干旱的发生时长。     

基于PDSI和SPI的黑河上游干旱特征对比分析

利用黑河上游祁连站、托勒站、肃南站和野牛沟站1960—2009年月平均气温和降水资料,分别计算不同时间尺度下各站50年的帕默尔干旱指数（PDSI）和标准化降水指数（SPI）。对比分析表明:在年尺度上,黑河上游4个站点的PDSI指数和SPI指数存在显著的正相关,都能较好的描述黑河上游干旱情况;在月尺度上,各站PDSI指数和SPI指数的相关系数存在显著差异,该差异随着月份的不同而不一样。夏季和秋季是黑河上游全年发生严重干旱和极端干旱的高峰期,如果不及时做好防旱工作,会对该地区畜牧业产生很大的影响。     

1961-2015年黄淮海平原夏玉米干旱识别及时空特征分析

利用黄淮海平原内气象数据、农业气象数据、夏玉米实际灾情资料,参考标准化降水指数SPI的计算公式,结合实际干旱灾情数据构建夏玉米干旱指数SPI10和SPI30,并分析黄淮海平原夏玉米生长季干旱的时空分布特征。结果表明：播种-抽雄期、抽雄-成熟期的旬尺度SPI10干旱阈值分别为-0.10和-0.35、月尺度SPI30干旱阈值分别为-0.60和-0.65,灾情验证结果显示时间尺度更小的SPI10在反映黄淮海平原夏玉米干旱特征方面效果更好。基于SPI10分析了黄淮海平原夏玉米干旱的时空分布特征,发现播种-抽雄期的平均干旱频率和干旱强度均明显高于抽雄-成熟期,并且干旱强度的时空分布特征均与干旱频率较为一致,一般表现为干旱频率越高的地区,累计干旱强度也越强;同时,75%的年份中播种-抽雄期的干旱范围大于抽雄-成熟期。综合以上结果,黄淮海平原夏玉米在营养生长阶段更容易受到水分缺失的影响,更易发生干旱胁迫。     

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。     

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。     

基于SPEI的广西甘蔗生育期干旱时空演变特征分析

干旱是影响甘蔗生产最严重的农业气象灾害之一,在气候变化背景下,甘蔗生育期干旱时空演变特征对于蔗糖生产的防灾减灾具有重要意义。该文以中国甘蔗主产区广西为研究区,利用1971-2017年气温和降水量数据,采用标准化降水蒸散指数SPEI(standardized precipitation evapotranspiration index)作为干旱指标,在充分验证其对干旱监测适用性的基础上,以甘蔗不同生育期为时间尺度,同时考虑研究区甘蔗播种期差异,分析广西甘蔗不同种植区各等级干旱时空演变特征及规律,结果发现:1)利用SPEI可以较客观的反映甘蔗生育期干旱。SPEI与甘蔗种植区典型干旱事件的时间、强度吻合度较高,甘蔗各生育期及全生育期SPEI与不同深度的土壤湿度多呈显著相关,多数通过了0.01水平的显著性水平检验。2)1971-2017年,甘蔗各个生育期多呈干旱化趋势。其中,分蘖期干旱化趋势最强,苗期次之,茎伸长期干旱化趋势最弱,工艺成熟期呈湿润化的变化趋势。3)甘蔗不同生育期干旱周期变化明显。在10～15 a时间尺度上,多有4～6个干-湿循环,5 a时间尺度下则有更多的干-湿循环交替,相较于分蘖期和工艺成熟期,茎伸长期、苗期周期变化更明显。4)甘蔗各个生育期干旱空间分布特征差异较大。甘蔗工艺成熟期干旱发生频率最高,分蘖期干旱最低,茎伸长期和苗期相当。甘蔗各个生育期均以轻旱为主,重旱和特旱发生频率较低,其中茎伸长期和工艺成熟期中旱频率明显高于其他生育期。对于甘蔗苗期和茎伸长期,桂北地区干旱发生频率高于其他地区,而对于分蘖期和工艺成熟期,桂中地区干旱发生频率较高。     

区域植被对不同时间尺度气象干旱的响应——以贵州省为例

为探究贵州省植被生长变化趋势对多时间尺度气象干旱的响应,基于2001—2020年的逐月MODIS-NDVI、EVI影像和气象数据,利用皮尔森相关系数、slope趋势性分析等方法,对贵州省20 a的植被生长状况及气象干旱时空变化特征进行了分析。结果表明:(1)贵州省不同时间尺度下的SPEI在整体上呈现出缓慢增加趋势,表明干旱程度有所降低; 空间分布上干旱化趋势表现在北部的遵义、铜仁及黔西南地区。(2)贵州省植被生长状况整体呈现出增加趋势,空间分布上的黔东南地区以降低趋势为主,毕节西部地区以增长趋势为主;(3)贵州省植被生长状况与不同时间尺度的气象干旱呈现出不同程度的正相关性,以贵州省植被在黔西南和北部地区对干旱的响应最强,其次为贵阳和毕节东部; 不同的土地利用类型中,草地对SPEI₃的响应最强,其次为耕地和林地; 生长季内的不同植被类型对SPEI₃和SPEI₁₂的响应较强。综上,贵州省植被和气象干旱时空分布特征存在一定的差异性,且不同植被类型对不同时间尺度气象干旱的响应情况也有所差别。     

气象干旱-水文干旱传播过程特征及其影响因素——以贵州黔中水利工程区为例

为探究喀斯特区域气象干旱向水文干旱传播过程特征,使用SPI与SRI标准化指数识别区域干旱,采用交叉小波、小波相干、状态转移概率等方法探讨传播强度、响应率等干旱传播特征.结果 表明:(1)上世纪60 s和70 s气象干旱、水文干旱的干旱持续时间较短,而80 s与21世纪初期区域干旱持续时间较长;SPI与SRI间呈显著的正...     

典型喀斯特聚集区不同地貌类型干旱时空特征

为探究西南典型喀斯特聚集区不同地貌类型干旱时空特征,研究选取贵州省作为研究区,基于贵州19个气象站点1951—2020年的气象数据,利用SPI指数、M-K突变检验等方法研究贵州近70 a降水与气温在不同时间尺度变化规律,探讨不同地貌分区干旱的年、季时空尺度耦合特征。结果表明：(1)贵州近70 a的年均降水量整体呈缓慢下降趋势、气温呈现上升的趋势。(2)不同地貌分区干旱情况差异较显著,其中非喀斯特和峰丛洼地地貌背景下干旱呈现微弱上升趋势,其他分区干旱均呈下降趋势。(3)各分区在夏、秋季干旱指数均呈减少态势,冬季干旱指数呈增加态势。除岩溶高原和岩溶断陷盆地外,春季其他地貌分区旱情均呈加剧趋势。旱情加剧程度最大出现在岩溶槽谷春秋季和岩溶断陷盆地夏冬季,旱情加剧程度最小出现在非喀斯特地区的夏秋季和岩溶高原地区冬春季。(4)岩溶槽谷和非喀斯特的SPI12均值无明显突变点,岩溶峡谷的SPI12值在1987发生突变,岩溶高原和峰丛洼地分别在2002年和2019年前后发生显著性跳跃,岩溶断陷盆地在置信范围内发生三次突变。综上,研究结果可以为同类型干旱防灾减灾提供一定的参考依据。     

基于GRACE重力卫星数据的珠江流域干旱监测

为探究重力恢复和气候试验任务（Gravity Recovery and Climate Experiment mission，GRACE）卫星数据在干旱研究中的应用潜力，该研究采用基于GRACE重力卫星数据的无量纲的标准化水储量赤字干旱指数（Water Storage Deficit Index，WSDI）对珠江流域2002-2017年进行干旱监测，通过将其和常用干旱指数与实际干旱质心轨迹进行对比，评估其在珠江流域的干旱监测效用。研究结果表明：1）2002-2017年期间，WSDI监测到的旱情与实际发生的旱情基本一致，GRACE重力卫星数据能捕捉到干旱事件的发生、发展和消亡以及其干旱特征；2）WSDI的时间变化及其对气候异常的响应与常用干旱指数吻合良好，具有有着较强的相关性，且能反映研究区长期的综合水分变化。除了SPI-3与SPEI-3外，其他常用干旱指数与WSDI的相关系数都在0.665以上，其中scPDSI相关指数最高，为0.803；3）WSDI与常用干旱指数在空间上描述的干旱事件的干旱质心轨迹基本一致，都能大致反映出了大范围干旱事件的干旱质心从东往西移动的现象。WSDI能从时间和空间上刻画出研究区水文干旱的演变规律，适用于大尺度水文干旱的监测与评估，具有明显的优势和应用潜力。     

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。     

澜沧江流域干旱变化的时空特征

干旱是澜沧江流域的突出自然灾害,研究气候变化背景下的流域干旱变化特征具有重要科学意义与应用价值。该文基于澜沧江流域及其周边35个气象站点1960－2005年的日降水数据,利用多时间尺度下的标准化降水指数（SPI）分析了流域干旱变化的时空特征。研究发现,主成份分析与K-means聚类的多元统计方法可分别将流域在空间上分为4个具有不同干旱演化特征的区域,2种分区方案具有很高的空间一致性。对划分的4个区域典型站点的小波分析表明,流域干旱变化的周期一般在3～6 a。研究结论可为相关部门的决策提供参考。     

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。     

基于多源遥感数据的综合干旱监测模型构建

在全球气候变化越来越复杂的大背景下,准确监测华北粮食主产区的旱情对区域农业生产有重要的指导意义。以往的遥感干旱监测方法多侧重于监测土壤或植被等单一干旱响应因子,反映综合信息的能力较差,为此该研究使用中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)、热带降水测量计划(tropical rainfall measuring mission,TRMM)卫星等多源遥感数据,在综合考虑干旱发生发展过程中的土壤水分胁迫、植被生长状态和气象降水盈亏等因素的基础上,利用空间数据挖掘技术,构建综合干旱监测模型,并以山东省为例进行了试验验证。结果表明,模型监测出山东省近年来所经历的重大干旱过程与实际旱情一致,模型输出的旱情指标-综合干旱指数(synthesized drought index,SDI)与小麦的标准化作物单产变量的相关系数均大于0.7(P0.05);在小麦和玉米的生长期,综合干旱指数与作物受灾面积的相关系数在-0.67～-0.85之间,与标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)的相关系数在0.44～0.67之间,且通过了P0.01的极显著检验(3月份除外)。研究结果为综合评估区域干旱提供了一种新的方法。