基于三维视角的农业干旱对气象干旱的时空响应关系

气象干旱是农业干旱的驱动因素,研究农业干旱对气象干旱的响应特征对理解干旱演变机制具有重要作用,而以往研究大多忽略了干旱的时空连续特征。该研究以SPEI和aSPI分别表征气象干旱和农业干旱,基于三维干旱识别方法提取2类干旱的历时、面积、烈度、强度、中心以及迁移距离6个干旱特征,分析黑河流域1961-2014年干旱时空连续动态演变特征;提出时空尺度干旱事件匹配准则,确定存在时空联系的气象-农业干旱事件,探讨气象、农业干旱时空响应特征并建立干旱特征响应模型。结果表明:1)从三维视角可准确全面地认识干旱事件时空动态演变过程及区域干旱发展规律,研究区秋冬春连旱一般起源于中游中部,沿东南方向逐渐向上游迁移并消亡,且干旱迁移速率在上游相对较快;2)基于时空尺度的干旱事件对匹配结果能够保证时空尺度上气象、农业干旱的复杂关系更接近实际,为准确分析气象-农业干旱时空响应特征提供保障;3)研究区气象-农业干旱历时、干旱面积和干旱烈度的最优响应模型分别为二次多项式、指数函数和指数函数。该研究为准确评估干旱时空动态演变规律及干旱响应关系提供了新思路。     

四川盆地水稻不同生育期干旱频率的空间分布特征

将四川盆地按地理地貌类型及水稻种植区划分为5个区域即盆南、盆中、盆西、盆周和盆东,基于区内102个县(市)气象台站1980-2014年的逐日气象资料及32个农业气象观测站的水稻生育期资料,利用干旱评估指标分析四川盆地水稻各生育期干旱发生频率的空间分布特征。结果表明：水稻移栽-分蘖期干旱频率在盆中及盆南部分区域高达90%以上;分蘖-拔节期及拔节-孕穗期干旱频率也相对较高,大部地区集中在50%～90%;水稻孕穗-抽穗期和抽穗-成熟期的干旱发生频率与其它生育期相比较低,孕穗-抽穗期干旱发生频率除盆西部分区域、盆中及盆东北局部在70%～84%以外,其余大部在50%左右;抽穗-成熟期干旱发生频率大部分在50%～70%。     

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。     

基于不同时间尺度的喀斯特农业干旱时空演变特征及驱动探测——以贵州省为例

为提高喀斯特农业干旱监测的准确性和进一步揭示其驱动机制,基于MODIS-NDVI/LST数据,利用地理加权回归模型对GLDAS土壤水分进行降尺度研究;并基于SSI对农业干旱进行识别,分析不同时间尺度农业干旱时空演变及联合概率特征;最后运用地理探测器揭示喀斯特农业干旱驱动机制。结果表明：(1)20年间,贵州省不同时间尺度的干旱强度整体上呈减弱趋势,干旱面积也呈减少趋势;干旱强度和干旱频率在空间上呈西高东低分布格局。(2)干旱联合特征值呈秋季>冬季>生长季>夏季>全年>春季规律,说明贵州省秋冬容易发生较高强度和较多面积的农业干旱。(3)岩溶发育强度、降雨和海拔是喀斯特农业干旱主导驱动因子,与其空间分布有较强的耦合关系;不同因子交互作用对SSI均呈双因子增强和非线性增强,且各因子之间无显著性差异的组合较少,说明农业干旱是因子之间协同的结果。研究结果可为喀斯特农业干旱监测和防旱抗旱措施的制定提供参考依据。     

基于SPEI的黄河流域多时间尺度干湿变化分析

黄河流域是我国重要的经济地带和生态屏障,水资源匮乏,研究流域的干湿变化对于水资源的合理管理和利用、促进流域的可持续发展具有十分重要的现实意义。运用1966—2015年3个时间尺度(年、半年、季节尺度)的SPEI数据,基于EOF,Mann-Kendall方法研究了全球变暖背景下黄河流域的干湿变化特征,并进行归因探讨。结果表明:在过去的50年中,黄河流域的SPEI有显著的年际波动,但大部分区域的SPEI未有显著的增加或降低的趋势,区域之间的干湿变化具有非同步特征; 黄河流域气温与SPEI相关性弱,SPEI与降水有更好的同步性; 黄河流域夏、秋季节的干旱较冬、春季节严重,中部黄土高原区的干旱事件频率高于黄河流域西部高原和东部平原区。研究表明黄河流域干湿状况存在区域差异,降水是决定SPEI大小的关键因子,异常气候事件—厄尔尼诺在一定程度上会影响流域的干湿状况。     

气候及下垫面变化对嘉陵江流域径流与输沙的影响

为定量评价气候、下垫面2种驱动因子的变化对嘉陵江流域产流输沙变化的贡献率,采用SWAT模型,对嘉陵江流域1975年以来的径流和输沙过程进行模拟,通过模型控制变量的方法,分析嘉陵江流域径流和泥沙变化的驱动因子.结果表明:1988-2010年的23年间,由于下垫面变化,导致嘉陵江流域径流总量比1956-2010年的平均径流总量减少了1718.54亿m3,输沙总量减少了14.62亿t,下垫面变化对径流量减少的贡献率为76.19％,对输沙量减少的贡献率高达91.8％;因此,说明下垫面变化是造成嘉陵江流域径流量和输沙量变化的主要原因.     

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。     

基于Copula函数的汉江流域水文干旱风险研究

研究汉江流域水文干旱风险及驱动因素,为区域干旱预警和水资源管理提供参考。选用1964—2016年汉江流域白河、黄家港和沙洋3个水文站逐月实测径流资料,采用标准化径流指数SRI进行水文干旱分析,基于游程理论进行干旱特征变量识别,运用Copula函数计算干旱特征变量之间的联合累积概率,分析了联合重现期和同现重现期。结果表明:(1)在1964—2016年,白河站共发生水文干旱事件54次,干旱发生频繁但旱情较轻; 黄家港和沙洋站分别发生干旱事件34,32次,发生频次相对较少但旱情较重,旱情总体呈现从上游向下游加重的趋势;(2)随着干旱特征变量值增大,联合累积概率值也增大,但增大趋势变缓;(3)两变量重现期随着单变量取值增大而增大,但在相同增幅情况下,同现重现期的增幅要明显高于联合重现期;(4)当白河站干旱历时和烈度达到最大时,水文干旱事件的联合重现期为50 a左右,同现重现期为1 600 a左右,黄家港与沙洋站呈现出与白河站大致相同的趋势;(5)人类活动是1991年以来汉江流域径流减少的主要原因,对白河和沙洋站径流变化的贡献率分别为59.6%和69.2%,是汉江流域水文干旱加重的主导因素。研究显示汉江流域下游旱情较上游重,且持续受人类活动影响,应增强变化环境下区域干旱风险应对能力。     

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.     

1901-2017年黄土高原地区气候干旱的时空变化

[目的] 分析1901-2017年和1981-2010年两个时间尺度黄土高原地区气候干旱的趋势变化和发生频率，为该区气候干旱应对策略的制定提供科学依据。[方法] 基于高空间分辨率长时间序列的气候数据，计算了黄土高原地区1901-2017年的标准化降水蒸散指数（SPEI），依次分析了该区气候干旱的趋势变化和发生频率。[结果] 1901-2017年，整个黄土高原的气候经历了"湿润-干旱-湿润-干旱"的交替过程，年SPEI变化趋势未达到显著性水平，且无显著突变年份。1981-2010年干旱呈显著加剧趋势的区域分布在黄土高原腹地以及中西部，面积比例为3.43%。1901-2017年干旱呈显著减轻趋势的区域主要分布在东、西部边缘区域，面积比例为1.05%；呈显著加剧趋势的区域分布在西北部，面积比例为4.16%。近30 a，黄土高原中部轻旱、重旱发生频率较高。在历史时期的两个时间段内，黄土高原西北部大部分地区重旱发生频率较低，未有极端干旱发生。[结论] 在黄土高原地区，随着干旱程度的不断加重，干旱频率的空间变异程度逐渐降低；不同等级干旱发生频率具有明显的空间变化特征。     

冬小麦干旱的下垫面孕灾环境研究——以淮河流域为例

基于1961—2019年淮河流域140个气象站点的日尺度降水数据和2000—2016年的月尺度的地表温度(LST)、归一化植被指数(NDVI)数据,利用表征气象干旱的标准化降水指数(SPI)挑选确定冬小麦不同生长期的典型干旱年份;利用表征农业干旱温度植被干旱指数(TVDI),借助Landsat-8数据提取淮河流域冬小麦种植面积,进一步深入分析格网化后的高程、坡度、水系、土壤类型、土壤相对湿度和浅层地下水埋藏深度等下垫面孕灾环境条件与冬小麦干旱之间的相互关系及其影响,为冬小麦干旱防灾减灾研究提供理论依据和技术支持。结果表明:(1)1961—2019年,冬小麦不同生育期的降水变化趋势不明显,冬前生长期和灌浆成熟期降水呈现略微上升趋势,各气象站点上升下降趋势均不显著。根据SPI确定典型干旱年份,冬前生长期的典型干旱年份为2010年,越冬期为2011年,返青抽穗期为2006年,灌浆成熟期为2001年。(2)淮河流域农业干旱程度总体大于气象干旱,空间分布总体一致,但存在部分地区不一致的现象,即冬小麦干旱还受到下垫面孕灾环境的较大影响。(3)冬小麦干旱与水系、表层土壤相对湿度和浅层地下水埋深相关性较高,与高程、坡度、土壤类型相关性较小。淮河流域冬小麦干旱易发生在海拔相对较高、坡度较陡、土壤类型为半水成土、远离河流、表层土壤相对湿度较低和浅层地下水埋藏深度为1 m的区域,干旱程度主要呈现沿海至内陆递增、南高北低的特征,有必要加强此类地区防灾抗旱能力,增加人工灌溉设施。     

基于SPEI的宁夏沿黄城市带干旱特征及驱动性分析

宁夏沿黄城市带气候变化敏感,生态环境脆弱,探究区域干旱驱动机制,对进一步研究黄河流域高质量发展,优化区域农业水资源管理具有重要意义。利用研究区1995—2015年的气象资料,采用彭曼蒙特斯模型(P-M模型)和标准降雨蒸散指数(SPEI)获得区域潜在蒸散发量和干旱指数,通过Mann-Kendall突变检测法、滑动t检验和Pettitt突变检验,分析了研究区干旱时间变化周期,利用冗余分析法定量分析宁夏沿黄城市带干旱驱动因素。结果表明:(1)研究区在季节尺度上,单季旱发生频繁,以春季和秋季发生为主,自北向南整体呈现由高到底的趋势,且主要发生在北部地区,整体以0.013/10 a速率呈湿润化趋势;(2)在年尺度上干旱的下降趋势具有全域性,自北向南呈现由高到底的趋势;(3)宁夏沿黄城市带SPEI-12值在研究时段呈现逐年下降的趋势,通过3种突变检测函数,确定2008年出现异常值,这与降水分布一致;(4)各环境因子对SPEI指数的解释率均在75%以上,降水量、温度、地表净辐射是驱动SPEI值主要环境因子。其中,降水量对SPEI的贡献率最高,呈显著正相关关系。     

我国五大粮食主产区农业干旱态势综合研究

受气候变化影响,我国干旱灾害加剧,威胁国家粮食安全。对农业干旱态势进行综合评价分析,有助于清楚地掌握我国农业受旱程度的空间分布及区域差异。为评价我国五大粮食主产区农业干旱综合态势,本文提出了"作物干旱综合指数"概念及其计算方法。根据全国1982—2011年的日值气象数据及主要农作物分布数据,首先计算了不同作物水分敏感期的作物干燥度,进而采用面积加权综合法计算作物干旱综合指数,分别分析了各粮食主产区的作物受旱情况和综合农业干旱态势。结果表明:三江平原和松嫩平原农业干旱综合态势较为严峻,且三江平原的春小麦以及松嫩平原春小麦、玉米、水稻的受旱程度均不容忽视。黄淮海平原农业干旱态势为5区中最严重,特别是冬小麦旱情最重,一季稻及玉米以轻度和中度旱情为主。长江中游及江淮地区农业干旱综合态势以轻度干旱为主,冬小麦、早稻和晚稻种植区均呈现不同程度旱情,以中度及其以下为主,晚稻受旱较为明显。四川盆地农业综合旱情为5区中最轻,各作物中一季稻和玉米旱情较轻,而冬小麦种植区旱情相对比较严重。     

基于MODIS的沿黄粮食主产区耕地利用水分盈亏特征分析

明确中国核心粮食主产区耕地水分盈亏状况，有利于区域灌溉策略制定及保障国家粮食安全。为探讨沿黄粮食主产区耕地利用下水分盈亏规律，该研究基于土地利用现状数据、MODIS遥感数据和常规气象数据，在Priestley-Taylor公式、区域遥感蒸散模型支持下构建水分盈亏评价模型，揭示2000-2020年原阳县、封丘县、延津县、长垣市、滑县和濮阳县沿黄6县的气候水分平衡状况及耕地利用下水分盈亏效应。结果表明：1)2000-2020年沿黄6县耕地及其子类型面积均缓慢下降，垦殖率由2000年81.46%降至2020年的79.34%，耕地变化过程类型以稳定型、前后期萎缩型以及前期新增型为主；2）研究区常年水分盈亏指数为-0.60，整体气候水分亏缺，以原阳县西南部、滑县、濮阳等地最为突出，同时在各研究时点呈现趋势性变化规律；3）研究区耕地多处于较为严峻的气候干旱状态，缺水类型主要为中度、重度和严重干旱，无正常和轻度干旱区，且在变化状态效应上，稳定型耕地处于严重干旱状态，前期和后期萎缩型耕地重度干旱，前期新增型耕地为严重干旱。当地需通过“以水定产，量水而行”并在保障粮食安全生产前提下，积极谋划和推行面向水...     

基于概率统计方法的承德市农业旱灾风险评估

根据旱灾风险的统计特征,提出2种基于概率统计方法的旱灾风险评价方法：1）旱灾损失的概率分布曲线,2）旱灾损失与干旱概率的关系曲线。以滦河上游承德市辖区的农业旱灾风险为例进行应用研究。根据1990－2007年历年农业旱灾损失数据计算粮食因旱减产率,拟合其概率分布。利用分布式水文模型模拟得到该区域1956－2005年0～50 cm的月平均土壤含水率,识别农业干旱事件,计算农业干旱烈度概率,选用对数函数拟合因旱粮食减产率和农业干旱烈度概率关系曲线。采用因旱粮食减产率期望值表征区域旱灾风险,2种方法结果一致性较好,研究区域农业旱灾风险上游大于下游,各个县的多年平均因旱粮食减产率为7%～15%。     

2000-2020年锡林郭勒草原土地利用/土地覆被时空演变特征及驱动力分析

科学揭示土地利用/土地覆被的时空演变特征及其驱动机制,对推进草原生态文明建设和高质量发展具有重要意义。以位于中国北疆的锡林郭勒草原为研究区,基于2000-2020年遥感、气象等多源数据资料,运用土地利用变化指数、频次统计、桑基图可视化模型、网格单元等方法探讨了近20年锡林郭勒草原土地利用/土地覆被的时空变化特征,并利用地理探测器分析自然地理条件和社会经济发展对草原土地利用/土地覆被变化的影响机制。结果表明：1）2000-2020年间锡林郭勒草原的土地利用/土地覆被类型以草地和沙地为主（面积占比约98%）,区域土地覆被变化主要发生在中东部的沙-草交错区。2）2005年后区域沙地面积持续减少,而沙地转入率在近10年间仍接近5%,说明草原生态环境总体向好,但生态脆弱性水平仍较高。3）社会经济的快速发展是驱动锡林郭勒草原土地利用/土地覆被变化的主要因素,气候因素的驱动作用次之,地形因素影响相对较小。研究结果可为锡林郭勒草原的生态保护和可持续发展提供科学依据。     

湄公河流域农业干旱主要影响因素分析和预估

以湄公河流域作为模拟试验区域,采用区域气候模式RegCM3为模拟工具,单向嵌套全球海气耦合模式ECHAM5/MPI-OM当代(1980-2009年)和SRES A1B情景下未来(2010-2039年)的输出结果,以根系层土壤含水量为代表性指标,对试验区月尺度农业干旱进行了预估。基于地表能量平衡,系统分析了降水、蒸发、地表温度等农业干旱主要影响因素与区域气候模式模拟的大气环流、地表感热通量、地表潜热通量、地表净通量之间的联系和变化规律,从气陆间能量和水汽通量平衡角度,对农业干旱发生机理进行了初步识别。预估结果表明:未来春末(6月)和秋末(10月)湄公河流域温度增加、土壤含水量减少较为明显;同时,在这个时段试验区蒸发旺盛和降水减少的趋势,有可能导致湄公河流域局部地区农业干旱的发生。     

2000-2019年黄河流域陕西段植被NDVI时空变化及其驱动因素分析

植被是陆地生态系统的重要构成,研究植被变化规律及影响因素有助于加强区域植被生态保护和可持续发展。基于SPOT NDVI和气象数据,采用趋势分析、偏相关分析和残差分析等方法对2000—2019年黄河流域陕西段植被NDVI时空变化特征及其驱动因素进行了分析。结果表明：(1) 2000—2019年黄河流域陕西段植被NDVI总体以0.008 6/a的速率呈极显著增加趋势,不同地域NDVI增速为陕北(0.010 9/a)>关中(0.005 3/a),不同土地利用类型NDVI增速为草地(0.011/a)>耕地(0.008 1/a)>林地(0.007 8/a)。(2)植被NDVI呈增加趋势的面积占比为86.19%,其中显著增加的面积比例为81.90%,陕北(91.87%)>关中(66.91%),林地(97.48%)>草地(90.38%)>耕地(69.78%)。(3)偏相关分析发现90.24%的区域植被NDVI与年降水量以正相关关系为主,66.3%的区域植被NDVI与年均温呈正相关关系。(4)研究区植被NDVI变化受到气候变化、人类活动以及二者共同作用的影响,占比分...