渭河流域多尺度干旱时空特征分析

基于渭河流域23个气象站1959—2014年的实测资料,对比分析了标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)在渭河流域的适用性,得出SPEI的稳定性更佳。继而采用标准化降水蒸散指数(SPEI)研究该流域干旱发生频率与干旱强度,分析了近55年渭河流域不同时间尺度干旱的时空变化特征。结果表明:尺度越大,SPEI波动的幅度越小。渭河流域SPEI在1991年发生突变,1991年后干旱加剧,干旱的发生存在14 a和7 a左右周期变化。年尺度干旱的发生频率呈东高西低的分布,中度以上干旱频率最高的地区为西吉、武功和天水周边,频率分别为14.28%、14.28%、12.5%;季尺度上整体的秋旱相比其它季节的干旱发生频率高,中度以上春、秋、冬三季干旱发生的频率天水盆地均最高,频率分别为21.4%、19.6%和8.9%,中度以上夏季干旱发生频率最高的是平凉,其频率为16.1%;月尺度上干旱强度的分布总体上是由东向西减小,其中干旱强度最大的是南部佛坪地区,干旱强度为30%,天水和海源地区近55年发生连续干旱过程的次数最多,可达22 a,该过程中连续干旱的月数大多为3~4个月,而吴旗站存在一次长达9个月的持续干旱过程。     

基于SPI的陕西关中地区气象干旱时空特征分析

采用标准化降水指数(SPI)作为研究干旱的指标,根据陕西关中地区30个气象站41 a的气象资料,在计算年、季和月不同时间尺度SPI的基础上,采用克里金插值法获取SPI空间栅格数据,分析关中地区气象干旱的时空特征.结果表明,总体上年均SPI呈下降趋势,气象干旱程度加剧.关中地区年内呈夏季气象干旱减少、秋季增加趋势,除6月...     

ARIMA-SVR组合模型在基于标准化降水指数干旱预测中的应用

开展干旱预测是有效应对干旱风险的前提基础,本研究利用1951—2017年河南省郑州气象站点逐日降水量数据计算多尺度标准化降水指数(SPI),并建立了SPI序列自回归移动平均模型(ARIMA)和自回归移动平均与支持向量机回归组合模型(ARIMA-SVR),对模型参数进行率定和验证后,利用所建立的模型对河南省郑州气象站点多尺度SPI值进行预测。借助均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)对回归预测模型的有效性进行判定。结果表明:ARIMA-SVR组合模型在SPI1(1个月)和SPI12(12个月)的RMSE值分别为80.05和0.74,均低于ARIMA模型的92.25和1.24,说明ARIMA-SVR组合模型与单一的ARIMA模型对SPI的预测精度都与该指数的时间尺度长短有关,都随时间尺度的增加而逐渐提高;SPI12的两种模型预测精度均高于SPI1、SPI3(3个月)和SPI6(6个月)的预测精度。用实测数据与模型的预测数据相比较说明ARIMA-SVR组合模型相比于单一ARIMA模型预测精度更高,且能够很好拟合不同时间尺度的标准化降水指数。     

基于SPI的近51a晋北地区旱涝变化及干旱事件时空特征研究

利用晋北地区1965-2015年逐月降水数据,计算不同尺度标准化降水指数(SPI),并结合游程理论,分析了晋北地区旱涝变化及不同时间尺度干旱事件时空演变特征。结果表明:晋北地区呈湿润化演变趋势,年SPI以0.0507/10a的速率递增,春、秋、冬季变湿,对年湿润化过程的贡献明显。就干旱事件而言,干旱持续时间、干旱程度和干旱强度均呈递减趋势,晋北地区干旱事件缺水状况有所缓解;1965年气象和农业干旱最严重,1999-2000年水文干旱最严重;河曲是农业和水文干旱的高发区,干旱化趋势也最为明显,五寨呈明显的湿润化趋势,其气象干旱最严重。     

4种干旱指标在华北地区气象干旱监测中的适用性分析

采用华北地区1961—2016年69个气象站点常规观测资料，通过选取特殊气象代表站点，选用CI、SPEI、SPI及Z指数分别计算了1、3、12个月时间尺度气象干旱，并与气象干旱发生实况进行对比分析。结果表明：（1）CI计算的华北地区不同区域各时间尺度气象干旱发生频率均较实际明显偏高7%~14%，Z指数计算的发生频率均较实际明显偏低6%~12%，SPI计算的部分区域季时间尺度气象干旱发生频率也明显偏低6%左右；（2）根据华北地区9个代表气象站点计算出的4种干旱指标对比干旱发生实况统计数据，结果显示在4个研究分区中，SPEI指数表征的干旱发生状况与实际吻合率最高，分别为57.41%、60.78%、57.06%和66.99%，与实际干旱发生状况吻合程度最低的是Z指数，4个研究分区的吻合率分别为40.85%、34.94%、41.56%和38.24%。研究表明，SPEI表征各种时间尺度气象干旱发生效果最好，Z指数效果最差。因此，选用SPEI能较准确地表征华北地区气象干旱年际变化及突变检测、时间分布、空间分布、干旱发生强度、不同等级干旱分布等特征。     

基于SPI指数与R/S分析的曲靖市干旱特征研究

利用云南省曲靖市典型水文站1960—2009年的月平均降水量数据资料,计算多时间尺度标准化降水指数(SPI)值,分析了曲靖市近50 a的干旱分布和干旱等级的时空变化特点。在此基础上,利用重标极差分析法(R/S分析法)计算Hurst指数,对曲靖市发生干旱灾害的规律进行研究。研究表明,曲靖市是干旱频发地区,全年平均至少有1/3的月份会发生不同程度的干旱灾害,不同时间尺度SPI指数的H值均大于0.5,说明曲靖市干旱灾害具有长期记忆性,且时间尺度越大,这种长期记忆性越强。因此,曲靖市干旱未来的总体趋势将与过去特征相关,具有自相似性并且发生干旱灾害的周期在15~17 a之间,这与曲靖市的实际情况基本一致。     

柴达木盆地干旱时空变化特征

利用柴达木盆地气象站收集的降水和气温数据,计算了SPI和SPEI两种干旱指数,并用于评价研究区不同时间尺度的干旱特征。然而,由于测站分布稀疏,两种指数在区域干旱评价方面存在不足。在此基础上基于全球范围内的scPDSIpm数据集,并用PDSI指数分析了干旱演变特征及时空分布规律,研究发现：①温度在年际尺度对研究区的干旱情况影响较大,而在月尺度和半年尺度上对研究区干旱情况影响不明显;②PDSI指数与SPEI和SPI干旱指数的相关系数较高（0.7以上）,与两者具有较好的一致性,PDSI更适宜于无资料地区的干旱评价;③研究区中部干旱状况最为严重,东部边缘和西北部干旱频次相对较少,但2000年以来这种趋势得到改善。本研究对评价不同干旱指数的适用性及资料缺乏地区的干旱评价具有重要的指导意义。     

渭河流域气象及水文旱涝演变规律分析

降水是径流的基本来源,分析极端旱涝条件下降水与径流之间演变规律的异步性,可有效表征径流丰枯变化对人类活动的响应。基于渭河流域降水、径流资料,采用泰森多边形法计算渭河流域面降水量及12个月标准化降水指数(SPI12),对比典型频率下SPI12的空间分布特征及其对径流系数的影响;采用经验正交函数和时间序列分析法挖掘SPI12和年径流量的演变规律,对比演变规律的同步及异步变化特征。结果表明:在25%、50%、75%频率下,流域面降水量分别为582.5 mm、518.6 mm、467.5 mm。SPI12第一主成分减少趋势显著,自1991年7月开始突变,于1962-09(1962年9月,下同)—1969-07—1983-02—1985-08—1991-07—1999-12呈现湿润~正常~湿润~正常~干旱状态。渭河年径流量呈显著减少趋势,自1989年开始突变,且分别于1950—1968和1982—1993年经历湿润和正常阶段,于1970—1974、1976—1980、1994—2007年经历干旱阶段。以流域内大规模水利、水土保持措施及城市化等为代表的人类活动使流域年径流量较SPI12第一主成分突变年份提前,使二者于1970—1996年间旱涝类型不匹配,年径流量相对SPI12第一主成分呈现旱化趋势。     

华东地区干旱灾害时空演化特征研究

针对国内外现有干旱应用研究往往忽略所采用模型与方法对研究结果存在的影响这一研究缺陷。利用我国中东部地区42个气象监测站点1961-2011年的降水资料,选用SPI指数对比分析了1月、3月、6月、12月四个时间尺度下中东部地区代表站点和月份的时空演化特征。结果表明:(1)不同时间尺度下研究区轻、中、重度干旱出现的时间和概率差异较大,无明显变化规律,但在中度干旱代表站点呈现出总体趋势一致的情况;(2)不同时间尺度下研究区各等级干旱空间分异明显,在中度干旱代表月份呈现出随时间尺度扩大的突变特征,在轻度和重度干旱代表月份,均表现为1月时间尺度下各等级干旱范围变化较大,3月、6月和12月时间尺度下几乎零面积干旱的特征。文中研究在证实区域干旱时空演化特征会随着所选SPI指数时间尺度变化而改变的同时,也肯定了在今后干旱应用研究中开展评估方法本身稳定性和适用性分析的必要性与意义。     

典型干旱指数在滦河流域的适用性评价

利用1957-2010年滦河流域9个代表气象站逐月降水量资料及滦河三道河子、韩家营、承德、下板城和滦县站的1956-2000年逐月天然径流量资料,分别应用降水距平百分率、标准化降水指数（SPI）、降水Z指数及径流距平百分率,评价滦河流域干旱情况,并比较4种干旱指数的评价效果。结果表明：降水距平百分率反映干旱程度较轻;与降水Z指数相比,SPI指数能较客观地反映滦河流域干旱程度,3种气象干旱指数在滦河流域的适用性评价结果SPI]指数优于降水Z指数和降水距平百分率;而径流距平百分率的水文干旱指数评价结果与实际旱情更为吻合。但是,这4种干旱指标缺乏综合性和机理性,尚需加强降水、气温、蒸发、径流量等因素的综合考虑,提出反映干旱内在机理的指标。     

Drought monitoring and reliability evaluation of the latest TMPA precipitation data in the Weihe River Basin,Northwest China

The high resolution satellite precipitation products bear great potential for large-scale drought monitoring, especially for those regions with sparsely or even without gauge coverage. This study focuses on utilizing the latest Version-7 TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis(TMPA 3B42V7) data for drought condition monitoring in the Weihe River Basin(0.135×106 km2). The accuracy of the monthly TMPA 3B42V7 satellite precipitation data was firstly evaluated against the ground rain gauge observations. The statistical characteristics between a short period data series(1998–2013) and a long period data series(1961–2013) were then compared. The TMPA 3B42V7-based SPI(Standardized Precipitation Index) sequences were finally validated and analyzed at various temporal scales for assessing the drought conditions. The results indicate that the monthly TMPA 3B42V7 precipitation is in a high agreement with the rain gauge observations and can accurately capture the temporal and spatial characteristics of rainfall within the Weihe River Basin. The short period data can present the characteristics of long period record, and it is thus acceptable to use the short period data series to estimate the cumulative probability function in the SPI calculation. The TMPA 3B42V7-based SPI matches well with that based on the rain gauge observations at multiple time scales(i.e., 1-, 3-, 6-, 9-, and 12-month) and can give an acceptable temporal distribution of drought conditions. It suggests that the TMPA 3B42V7 precipitation data can be used for monitoring the occurrence of drought in the Weihe River Basin.     

Performance of different drought indices for agriculture drought in the North China Plain

The Palmer drought severity index(PDSI), standardized precipitation index(SPI), and standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI) are used worldwide for drought assessment and monitoring. However, substantial differences exist in the performance for agricultural drought among these indices and among regions. Here, we performed statistical assessments to compare the strengths of different drought indices for agricultural drought in the North China Plain. Small differences were detected in the comparative performances of SPI and SPEI that were smaller at the long-term scale than those at the short-term scale. The correlation between SPI/SPEI and PDSI considerably increased from 1-to 12-month lags, and a slight decreasing trend was exhibited during 12-and 24-month lags, indicating a 12-month scale in the PDSI, whereas the SPI was strongly correlated with the SPEI at 1-to 24-month lags. Interestingly, the correlation between the trend of temperature and the mean absolute error and its correlation coefficient both suggested stronger relationships between SPI and the SPEI in areas of rapid climate warming. In addition, the yield–drought correlations tended to be higher for the SPI and SPEI than that for the PDSI at the station scale, whereas small differences were detected between the SPI and SPEI in the performance on agricultural systems. However, large differences in the influence of drought conditions on the yields of winter wheat and summer maize were evident among various indices during the crop-growing season. Our findings suggested that multi-indices in drought monitoring are needed in order to acquire robust conclusions.     

Spatiotemporal analysis of drought variability based on the standardized precipitation evapotranspiration index in the Koshi River Basin,Nepal

Drought is an inevitable condition with negative impacts in the agricultural and climatic sectors, especially in developing countries. This study attempts to examine the spatial and temporal characteristics of drought and its trends in the Koshi River Basin(KRB) in Nepal, using the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI) over the period from 1987 to 2017. The Mann-Kendall test was used to explore the trends of the SPEI values. The study illustrated the increasing annual and seasonal drought trends in the KRB over the study period. Spatially, the hill region of the KRB showed substantial increasing drought trends at the annual and seasonal scales, especially in summer and winter. The mountain region also showed a significant increasing drought trend in winter. The drought characteristic analysis indicated that the maximum duration, intensity, and severity of drought events were observed in the KRB after 2000. The Terai region presented the highest drought frequency and intensity, while the hill region presented the longest maximum drought duration. Moreover, the spatial extent of drought showed a significant increasing trend in the hill region at the monthly(drought station proportion of 7.6%/10 a in August), seasonal(drought station proportion of 7.2%/10 a in summer), and annual(drought station proportion of 6.7%/10 a) scales. The findings of this study can assist local governments, planners, and project implementers in understanding drought and developing appropriate mitigation strategies to cope with its impacts.     

山西南部季节性干旱特征及综合防御技术

采用标准化降水指数(SPI)为干旱指标,计算了山西省运城市49年(1958—2007年)各月干旱指数,并在此基础上分析了山西南部地区季节性干旱特征。研究表明,干旱强度与干旱频率在不同年代际表现特征不同。与运城地区49年同期均值相比,进入20世纪90年代后,春旱发生频率、干旱强度分别提高了29.0%、5.1%;夏旱发生频率提高41.9%,干旱强度下降了7.4%;秋旱发生频率下降了23.8%,干旱强度提高了7.7%;冬旱发生频率下降了26.6%,干旱强度下降了37.5%。干旱的季节性特征为春旱和夏旱有加重趋势,秋旱和冬旱有减弱趋势。春旱(3—5月)和伏旱(7—8月)作为可预见性干旱,可采用土壤墒情监测、干旱预警、制定系统性抗旱措施等综合防御技术。对于不可预见类型干旱,可采用建立抗旱水源、储备抗旱机械等策略。     

基于作物缺水指数法的渭河流域干旱特征

选取作物缺水指数（CSWI）对渭河流域进行干旱监测,并利用监测数据对模拟结果进行验证,在此基础上分析渭河流域干旱状况。结果表明:① 模拟值和实测值的相关系数达到0.80,在一定程度上验证了模型的有效性。② 渭河流域2006、2007年和2009年均属于轻度干旱,2008年属于中度干旱;3-7月作物缺水指数逐渐减小;8-12月逐渐增大,1-3月又逐渐减小。③ 对于不同植被类型,林地的作物缺水指数最高,草地和农田的作物缺水指数相当,属于轻度干旱。      

多尺度标准化降水指数的ARIMA模型干旱预测研究

采用关中地区39 a的月平均降水量数据,计算了该地区不同时间尺度的标准化降水指数(SPI)值,运用ARIMA模型对SPI序列进行分析建模,并进行12步预测。结果表明,ARIMA模型对所有时间尺度的SPI 3、6、9序列可进行精度在10%以下的1步预测,对SPI 12、24序列可进行平均精度在10%以下的9步预测,说明ARI-MA模型较适合SPI 3、6、9序列的短期预测,适合SPI 12、24序列的长期预测。     

汾河流域降水及旱涝时空结构特征

利用汾河流域39个测站1956-2000年各月降水资料,采用经验正交函数(EOF)分解技术分析年降水的空间结构特征与变化.结果表明:汾河流域年降水主要有3种典型分布类型,即"全体一致型"、"南北反相型"、"上下游与中游反相型".其中,第1种分布型占主导作用,其相应的时间序列和年均降水序列形状基本相似,趋势皆减少.此外,采用Z指数旱涝指标划分了汛期旱涝状况和等级,结果显示,汛期异常旱涝主要发生在8月和6月.