三种长期定量降水产品在淮河流域干旱监测中的潜力

融合地面实测、卫星遥感等信息的定量降水产品能为干旱监测提供时空分布式降水数据源。为评估定量降水产品在淮河流域的干旱监测潜力,该研究利用淮河流域27个气象站点实测降水数据,检验多源集成降水(Multi-Source Weighted-EnsemblePrecipitation,MSWEP)产品、气候灾害组融合站点的红外降水(ClimateHazardsGroupInfrared Precipitation with Station, CHIRPS)产品、基于人工神经网络的遥感降水估计-气候数据记录(Precipitation Estimation from RemotelySensedInformationusingArtificialNeuralNetworks-ClimateDataRecord,PERSIANN-CDR)产品共3种长期(30 a)定量降水产品精度。并采用标准化降水指数(StandardizedPrecipitationIndex,SPI)作为干旱指标,相关系数(Correlation Coefficient,r)、均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、临界成功指数(Critical Success Index,CSI)、干旱等级监测准确率(Accuracy,ACC)作为评价指标,评估各定量降水产品在淮河流域的精度及干旱监测潜力。结果表明:1)3种产品降水数据均在整体上对实测降水量有所低估;MSWEP精度优于其他2种定量降水产品,该产品的月、季、年尺度累计降水估算精度指标r分别为0.96、0.97、0.92,RMSE分别为26.38、50.01、124.73mm;CHIRPS与PERSIANN-CDR精度表现接近;2)MSWEP估算的极端短缺降水量精度最高,RMSE不足其他2种产品的50%;在降水极端短缺月,3种产品估算降水量相对实际降水量整体呈高估状态;3)MSWEP在干旱监测上的整体表现优于其他产品,基于MSWEP计算的月SPI、季SPI、年SPI指数的精度更高(r≥0.92,RMSE≤0.39),历史干旱月份识别(CSI≥0.89)及干旱等级监测(ACC≥80.3%)均更为准确;4)MSWEP对各级别旱情判定更为准确,并且对极端旱情的识别能力最强,各旱情等级下的ACC较CHIRPS和PERSIANN高;5)3种产品在淮河流域2000年典型干旱事件中均表现出了优秀的监测潜力,MSWEP产品更为准确地识别了2000年2—6月的典型干旱事件的时空发展过程。总体而言,相比于CHIRPS与PERSIANN-CDR,MSWEP降水数据在淮河流域精度更高,干旱监测潜力更大。3种定量降水产品的精度及干旱监测潜力对比评估结果,可为应用上述降水数据进行气象、农业干旱监测提供依据。     

豫北冬小麦、夏玉米多年需灌水次数及典型 生育期需灌水分析

研究气候变化情景下豫北地区农业需灌水次数的变化情况,可为当地灌溉以及保证农业可持续发展提供参考。本文分析处理近63 a(1951—2013年)气象数据和新乡七里营站点土壤数据,结合作物生长参数,利用降水、灌溉、作物蒸散发与土壤水分之间变化关系,建立干旱灌水指数模型。此模型中干旱灌水指数(DII)分布在[-1,1]之间,小于0时即干旱需灌水。在现有冬小麦-夏玉米种植制度下,利用干旱灌水指数模型计算多年需干旱灌水指数,并进一步得到灌水次数。选择冬小麦生长季分别为湿润(1985—1986年)、正常(2004—2005年)、干旱(1983—1984年)的3个典型实际代表年度,夏玉米生长季分别为湿润(2003年)、正常(1993年)、干旱(2009年)的3个典型实际代表年,计算了不同代表年冬小麦、夏玉米作物需水情况。进一步计算得到了冬小麦、夏玉米在典型湿润、正常、干旱3个不同代表年的干旱灌水指数,并进行了有无灌水的干旱情况分析。结果表明:近63 a冬小麦-夏玉米系统每年需灌水2~7次不等,平均需灌水5.1次。冬小麦和夏玉米湿润、正常、干旱3个代表年蒸散发量(ETC)分别为489.4 mm、551.4 mm、481.7 mm和466.1 mm、477.8 mm、529.3 mm。在无灌水条件下典型代表年内,冬小麦、夏玉米都会遭遇不同程度干旱,典型湿润、正常、干旱代表年冬小麦分别灌水2次、3次、4次,夏玉米分别需灌水1次、2次、3次后,基本可以消除干旱对其正常生长影响。综上,通过干旱灌水指数来量化需灌溉次数是可行的。气候变化情景下,近10年(2003—2013年)需灌水频次变化大,年际间干旱事件频发,更好的科学灌溉管理可减少干旱对作物的影响。     

云贵高原区干旱遥感监测中各干旱指数的应用对比

为从年和月尺度上监测云贵地区2000—2014年的干湿变化情况以及蒸散发在干旱中的作用,该文利用MODIS MOD16遥感观测和GLDAS数据模拟逐月实际蒸散发(ETa)与潜在蒸散发(ETp)数据,结合气象站观测降水数据计算3种干旱指数(标准化降水指数SPI,侦测干旱指数RDIst及蒸散发胁迫指数ESI),通过Mann-Kendall趋势检验方法分析了云贵地区近15 a的干湿变化特征,并以2009—2010年西南干旱为例来分析干旱期间蒸散发的作用。结果表明:1)2000—2014年云南中部存在明显的干旱化现象;2)云贵地区2009—2010年干旱期间,ETa和ETp在干旱发展前期的作用较小,但在干旱的演变过程中,逐渐对干旱有加剧作用,其中ETa比ETp对干旱的影响时间更长;3)干旱指数SPI和RDIst受控于降水量的变化,一致反映云贵地区2009—2010年严重干旱的准确发生时间为2009-09—2010-02,而基于ETa和ETp的干旱指数ESI则显示云贵地区干旱发生在2009-11—2010-06,更符合实际干旱演变情况,说明同时考虑ETa和ETp的干旱指数比考虑单一蒸散发因素的干旱指数在监测干旱方面更有效。该研究为提高气象干旱监测可靠性提供了参考。     

遥感降水数据空间降尺度及干旱时空监测

在全球气候变暖的背景下,干旱灾害日趋频发。为全面精细研究华中地区降水的时空变化,结合水汽(PWV)、增强型植被指数(EVI)等数据,基于地理加权回归模型,结合克里金插值分别对2010—2019年的GPM IMERG和TRMM 3B43数据进行空间降尺度,并利用区域内53个气象站数据进行精度评价。对优选的降尺度数据采用变异系数法、Theil-Sen Median趋势分析耦合Mann-Kendall显著性检验方法及Hurst指数法,分析了华中地区的降水时空变化特征及其可持续性特征,并对未来降水趋势进行预测,最后构建归一化降水距平百分率(NPA)、标准化降水蒸散指数(SPEI₁₂)来实现研究区的干旱时空监测。结果表明:降尺度处理后降水细节增强,能有效改善原始数据的高估现象,GPM数据降尺度数据比TRMM降尺度数据更接近实测数据;近10年华中地区降水时空分布差异较大,降水较高波动变化和高波动变化共占全区69.21%;10年间降水变化以非显著变化为主,其中,轻微增加地区占全区54.88%,轻微减小地区占全区40.41%;10年间降水变化趋势以弱(27.33%)、中(34.9...     

近60 a来淮河流域干旱变化特征

[目的]研究淮河流域近60年来干旱的变化特征,为以后防旱抗灾提供一定的参考。[方法]利用WAP(weight average of precipitation)指数法、空间Kriging法、小波分析等方法对淮河流域干旱变化时空特征进行分析。[结果]春季WAP指数在21世纪初下降幅度较大,易发生春旱,冬季WAP指数在1980年以后明显增加,冬旱有所减轻;年均WAP指数表征的干旱存在2~3a的主周期和6~7a的次主周期;在空间上,WAP指数大致由东南向西北递减,干旱程度由东南向西北逐渐增大。[结论]WAP指数能够很好地表征淮河流域干旱发生的时间和空间特征。     

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。     

Y干旱指数在冀东春旱监测中的应用

利用唐山地区3个国家基准站1971—2000年的春季逐日降水、日最高气温资料,从干旱实时监测气象服务的需要出发,考虑了近期降水、土壤底墒（前期降水）和气温三种要素,计算Y干旱指数,并制定了干旱等级标准。对Y干旱指数与土壤湿度干旱指数、降水百分率干旱指数进行了同期对比分析;利用没有参加干旱指标划分的2006、2007年春季的土壤湿度资料对制定的干旱指标进行检验。结果表明,Y干旱指数对冀东春旱具有很好的监测能力,Y干旱指数能够客观的反映唐山地区春季各月的干旱状况,并填补了土壤湿度监测的盲区,能较好的划分唐山地区春季干旱趋势和等级;在一段时间内降水时空分布均匀的情况下,用降水距平百分率干旱指数进行监测,效果较好。在2006—2007年的检验中,Y干旱指数与土壤干旱指数表现一致,在没有土壤测墒的地区和时段,利用Y干旱指数可代替土壤湿度监测,实现干旱无缝隙监测。     

宁夏干旱的时空特征与大气环流响应关系

[目的]探究宁夏地区干旱时空变化特征及其原因,对于干旱预防与应对决策具有重要意义。[方法]基于宁夏自治区24个气象站点逐日资料,利用标准化降水蒸散指数(SPEI)。运用MK非参数检验与反距离权重插值分析了不同尺度下的干旱时空变化,通过Person相关系数分析定量分析了宁夏干旱指数对于大气环流的响应,[结果](1)1982—2020年各尺度SPEI干旱指数经历了增大—减小—增大的过程,并在1990—2010年旱频发。(2)季尺度干旱指数空间分布差异明显,春季干旱频率较大,主要分布在北部的引黄灌区,且中旱、重旱较多,春季、夏季的干旱呈明显加重趋势,秋、冬季则呈湿润趋势,但秋、冬季干旱烈度相对春、夏季更为强烈。(3)ENSO暖事件期间宁夏SPEI值有减小趋势,ENSO冷事件期间SPEI指数有增加趋势,ENSO暖事件期间相对于ENSO冷事件期间更为干旱。(4)宁夏全境受到NAO与AO指数影响明显,无滞后关系,SOI指数滞后4个月与宁夏SPEI值相关性最大,主要影响宁夏的北部地区,PDO指数滞后6个月相关性最为显著,MEI指数滞与ENSO指数分别滞后3个月与5个月相关性最好,但与宁夏地区干旱相关性较弱。[结论]干旱是宁夏的主要气象灾害,分析宁夏地区的干旱的时空变化与大气环流的响应关系,可为宁夏地区的干旱事件预防和气候变化区域适应对策提供参考。     

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。     

淮河流域农田旱涝逐日监测指标优化及适用性分析

淮河流域是中国农业旱涝灾害发生最为频繁的地区之一。研究该区农田旱涝时空格局特征,建立主要粮食作物农田旱涝动态监测方法,并提升其时效性与精细化水平,能为区域农田水资源合理调配提供参考。该研究选取1971-2020年淮河流域173个气象站点逐日气象观测数据和土壤水分数据,针对区域土壤及主要种植作物相关特性,优化了农田水分收支项,并计算了站点日尺度标准化前期降水蒸散指数（Standardized Antecedent Precipitation Evapotranspiration Index,SAPEI）。对SAPEI在淮河流域农田旱涝监测中的适用性进行评价,同时基于SAPEI分析了淮河流域50 a农田旱涝时空特征。结果表明：基于三参数log-Logistic概率分布拟合方法适用于淮河流域SAPEI的计算。SAPEI能较真实地反映面上逐日农田旱涝变化,有93%样本计算的Kappa系数超过0.6,与实际田间土壤墒情旱涝等级一致性程度达到高度一致或者几乎完全一致。基于SAPEI的旱涝时空分布特征显示年平均SAPEI呈上升趋势,总体表现出干旱趋于缓和;冬小麦生育期呈下降趋势,在1992年发生突变,由正常逐渐转变为偏旱;一季稻生育期正负波动明显;夏玉米生育期呈上升趋势,其中2001-2010年指数持续大于0,处于明显偏湿时段。从空间分布来看,流域大部分站点干旱呈现缓和趋势。SAPEI在淮河流域农田旱涝监测中具有较好的适用性,基于该指数开展旱涝监测和评估,能有效预防并减轻农田旱涝对作物影响,并为防灾减灾措施的制定提供决策依据。     

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。     

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。     

陇南春旱指数与冬小麦产量关系及预测研究

干旱是影响陇南冬小麦产量最主要的灾害性因素。从冬小麦生长关键时段所对应的农业气象条件入手，制定出陇南春旱指数，并分析其年际变化及对冬小麦产量影响的规律，最后由均生函数预测模型预测春旱指数，相应预测出冬小麦的产量，经1999、2000年两年试报，趋势准确。     

基于SPEI指数泾河流域近50年干旱时空演变特征

基于泾河流域内外14个国家气象站1971-2019年逐日气象资料,使用降水和潜在蒸散数据得到不同时间尺度标准化降水蒸散指标(SPEI),并结合反距离权重插值(IDW)、Mann-Kendall趋势检验、Morlet小波分析等方法,分析了泾河流域干旱时空演变特征。结果表明:近50年来泾河流域总体较干旱,但年际及春夏干旱趋势有所减轻,干旱事件易发生的季节次序为秋季>春季>夏季>冬季;年干旱在2011年发生突变,春、秋、冬干旱分别在1994年、2010年、1996年发生显著突变(P<0.05);跨越夏秋季的持续性干旱事件发生次数最多,其中秋季持续性干旱事件发生概率最大。研究结果对泾河流域抗旱预警工作以及社会经济发展具有重要意义。     

日尺度标准化前期降水蒸散指数及其在安徽省的适用性分析

旱涝灾害是影响农业丰产增效的主要灾害之一。目前广泛应用的旱涝指数,多以旬、月、季尺度的旱涝指数为主,其时效性与精准性水平与农业旱涝灾害绿色应对和防控服务需求还有差距。本文选取位于南北气候过渡带的安徽省,应用78个地面气象观测站数据,通过对日尺度前期降水蒸散差值指数（antecedent precipitation evapotranspiration index,APEI）序列值进行三参数log-Logistic概率分布拟合,构建日尺度的标准化前期降水蒸散指数（standardized antecedent precipitation evapotranspiration index,SAPEI）,并在沿淮淮北、江淮之间、沿江江南不同干湿性区域选取代表站,对SAPEI在安徽省旱涝监测评估中的适用性进行分析。结果显示：不同区域代表站APEI序列的经验概率分布曲线与log-Logistic理论概率分布曲线高度拟合,有无降水时逐日SAPEI曲线能反映农田水分收支状况;2011年6月8日、6月28日旱涝急转应用案例中,SAPEI旱涝等级与变化趋势,与同期土壤水分监测的旱涝等级与演变趋势具有很好一致性。基于SAPEI的小麦全生育期累年平均旱涝积空间分布,符合安徽省实际旱涝分布型;全生育期SAPEI累年平均值（I_SAPEI）的0值线以北、以西为负值、偏干区域,与安徽省小麦主产区一致。研究表明,日尺度的SAPEI及其旱涝积指数,可以反映降水时间分布及日雨量大小对旱涝的影响,精准刻画安徽省不同区域日尺度的旱涝变化及旱涝过程累积效应,可在安徽省旱涝逐日动态监测与农业旱涝影响评估服务中应用。     

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。