基于SWAT模型的开都河流域径流模拟

在遥感和GIS技术支持下,应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式模型对开都河流域1988-2009年逐月径流进行模拟。结果表明:模拟结果与实测径流较吻合,校准期(1990-2000年)效率系数为0.58,平均相对误差为-5.7%,线性拟合度为0.8,验证期(2000-2009年)的结果与校准期接近,均达到了模型的评价标准,结果具有一定的可信度,SWAT模型适用于开都河流域的径流模拟;季节性融雪是研究区径流形成的重要组成,结合研究区的特性,确定了研究区的各项积雪/融雪参数,提高了冬春季节径流模拟的准确性。     

基于SPEI的新疆干旱时空变化特征

基于新疆地区54个气象站1963—2012年的逐月气象资料,计算得到近50 a来新疆12个月时间尺度的标准化降雨蒸散指数(SPEI)序列,并利用线性趋势、经验模态分解(EMD)及经验正交函数(EOF)等方法,对新疆近50 a干旱时间和空间变化特征进行了分析。结果表明:新疆地区以1987年为界,由普遍干旱期转型为相对湿润期,但近10 a又出现显著的变干趋势,预示着新疆有可能会重新进入干旱期。新疆干旱变化存在2、6、24 a左右的主要振荡周期以及3~4 a的次振荡周期,其中6 a振荡周期最为突出。EOF展开的第一模态反应的是西风系统控制下,新疆全区干旱变化的平均状态。EOF展开的第二模态则反映出由于天山山脉阻隔及地形差异,导致的南北疆干旱呈现反相位变化的空间分布特征。新疆近50 a干旱时空变化整体上存在一致性,局域上又具有异质性。     

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。     

CFSR降水数据在干旱山区水文模型中的应用——以新疆开都河流域为例

西北干旱山区雨量站稀少且分布不均,降水资料难以满足水文模拟的需求。CFSR(climate forecast system reanalysis)再分析数据覆盖范围广、时空分辨率高,是很有潜力的降水数据替代品,但其在干旱山区水文模型中的适用性还有待深入探究。本文以开都河流域为研究区,采用LOCI法、Gamma分布映射法以及以上两种方法相耦合(gam LOCI法)对CFSR降水数据进行偏差校正,分别用校正前和校正后的降水数据驱动已根据观测数据率定好的水文模型,比较流域日径流模拟结果差异。结果表明:由于CFSR原始数据与观测数据偏差较大,导致模拟的径流量与实测径流相对偏差大于40%,并且春季洪峰提前、洪峰峰值提高;与雨量站实测数据相比,gam LOCI法兼具了LOCI法和Gamma分布映射法的优点,既能校正湿日频率和湿日降水强度,又能校正反映离散程度的标准差和分位数,在高海拔山区校正效果更优,但在平原区,3种校正方法无显著差别;与水文站实测数据相比,LOCI、Gam和gam LOCI法校正后的降水数据驱动水文模型得到的径流模拟结果有很大提升,3种校正方法虽各有特点,但径流模拟结果差别不大,都能获得较为满意的校正效果。     

基于SPEI和时空立方体的中国近40年干旱时空模式挖掘

利用1980—2019年中国612个气象站点逐月降水量和温度数据计算多尺度标准化降水蒸散指数(SPEI),根据中国气温条件划分7大地理分区并结合时空立方体、时空热点分析、时空聚类和时空异常值来探究中国近40年多尺度标准化降水蒸散指数SPEI的时空分布特征.结果表明:(1)通过干旱频率的计算,发现轻度干旱和极端干旱最为严...     

开都河流域中下游气候变化特征及其对径流的影响

采用开都河流域大山口、焉耆水文气象站1960—2010年的观测资料,利用趋势分析、距平分析、多元回归以及线性拟合方法,分析了开都河中游、下游气温和降水变化特征,以及径流对气候变化的响应。结果表明:近50 a来,开都河流域气温总体呈上升趋势,其中大山口上升1.08℃,焉耆上升1.71℃。气温季节变化分析表明:焉耆冬季气温上升比夏季明显,大山口各季节气温变化差异不明显,总体呈上升趋势。降水年际波动较大,大山口站降水增加趋势显著,1998年降水达到50 a最大值。气温和降水对径流均有一定的影响,大山口以上相关性表现得比较明显,焉耆段相关性不强,总体上气温和降水与径流的变化均呈正相关关系。     

秦岭南北气候干湿变化与降水非均匀性的关系

选取1960—2014年秦岭南北27个气象站点的逐月气象资料,基于Hurst指数、Mann-Kendall检验、小波分析等方法,分析了秦岭南北干湿变化、降水非均匀性及两者相关性。结果表明:1近55 a来秦岭南北趋于干旱化,1994年气候突变后干旱化趋势尤为显著,Hurst指数表明此干旱化趋势将进一步持续。地域上,以秦岭主山脉为界,秦岭南北呈"南湿北干"的空间格局。2秦岭以南降水集中度(PCD)高于秦岭以北,全区PCD呈显著上升趋势,且有自西向东扩展的演变趋势。3标准化降水蒸散指数(SPEI)与PCD呈显著(P0.02)正相关,秦岭以南普遍高于秦岭以北;而SPEI与降水集中期(PCP)的相关性则较差。4秦岭南北大部地区降水越分散,气候越趋于干旱。     

基于CWSI的汾河流域干旱时空变化特征

基于MOD16数据,计算作物缺水指数(Crop Water Stress Index, CWSI),结合汾河流域气象站点数据、植被指数数据和土地利用数据,采用差值法、线性趋势法和相关分析法,分析汾河流域2000—2021年干旱时空变化特征。结果表明：（1）CWSI能有效监测汾河流域旱情,其与10 cm土壤相对湿度呈显著负相关。（2）汾河流域CWSI空间分布差异明显,呈现出南湿北旱的特点。（3）汾河流域CWSI年际变化较为平稳,而月变化波动较大,5月CWSI达到年内峰值。（4）汾河流域不同生长期内干旱情况差异显著,生长季前期（4—5月）特旱区占汾河流域总面积的48.55%;生长季中期（6—8月)基本全域无旱;生长季后期（9—10月）,仅11.17%的地区发生干旱。（5）不同土地利用类型干旱程度不同,CWSI从小到大依次为：林地（0.686）<草地（0.749）<耕地（0.751）<未利用地（0.758）<城镇（0.765）。本研究结果可为汾河流域旱情监测和抗旱决策的制定提供科学数据支撑。     

干旱对太行山山前平原雨养农田产量影响的模拟研究

以多时间尺度标准化降水蒸散指数（SPEI）作为干旱指标,利用APSIM模型（农业生产系统模拟模型）模拟太行山山前平原雨养旱作农田冬小麦-夏玉米近30 a产量变化,分析干旱对作物产量的影响。结果显示：APSIM模型对模拟雨养条件下作物产量具有良好的适用性,玉米产量年际波动较大、变异系数为51.2%,易受降雨因素影响;小麦产量波动相对较为稳定,变异系数为26.4%。干旱指数与作物产量极显著相关（P<0.01）,其中小麦产量与SPEI-3-Apr相关系数达0.79,玉米产量与SPEI-3-Sep相关系数达0.88,适宜干湿状态在0～2之间;所建立的回归方程分别可以解释61.8%的小麦产量变异和87.7%的玉米产量变异。研究表明,SPEI-3-Apr、SPEI-3-Sep可分别作为该地区雨养农田小麦、玉米产量的估计指标。     

新疆开都河流域近50a径流量年际年内变化及其对气候变化的响应分析

应用新疆开都河流域巴音布鲁克气象站和开都河大山口水文站近50a的逐月数据资料,通过Mann-Whitney阶段转换检验,不均匀系数等不同的方法,对开都河径流量年际年内变化及其对气候变化的响应进行了分析,结果表明:(1)近50a来,开都河径流量年际变化呈现出增长趋势,经历了三次显著的跳跃式波动,但变差系数很小,所以流量多年变化相对稳定;年径流量主要集中在汛期;四季中以冬季增长最为显著,该流域雨水和积雪融水对流量的补给在相对减少。(2)降水量是影响开都河流量的最主要的因子;夏季降水量与夏季流量的正相关性十分显著。夏季流量的增加最终决定了年流量的增加。(3)开都河流域气温的升高会使冰雪融水增加,导致非汛期流量增加,尤其秋季表现出显著的增长。     

基于混合型线性双源遥感蒸散模型的南疆绿洲地区干旱研究

利用MOD16蒸散产品数据以及2001—2014年新疆气象站点数据,基于混合型线性双源遥感蒸散模型估算南疆绿洲地区地表蒸散,并对比验证MOD16蒸散产品、反演蒸散量与研究区气象站蒸发皿实测蒸发量之间的关系。定义了蒸散干旱指数EDI,计算EDI距平,分析绿洲地区干旱分布特点,同时对比降水距平来检验干旱监测的准确程度。结果表明:MOD16蒸散产品蒸散量、模型估算蒸散量与蒸发皿实测蒸发量数据的相关性较好,说明利用MOD16蒸散产品数据估算蒸散量可行,也说明估算的蒸散量可信度高;由于绿洲地区北部水分供应更充足,EDI值空间上由南至北呈减小趋势,EDI值年际变化明显且均大于0.6;EDI距平与EDI同向变化,与降水距平反向变化;南疆绿洲地区在2001、2007、2008、2009、2014年的EDI值大于0.66。因此,EDI距平定义了干旱轻重程度界限:EDI临界值为0.66;EDI值越大,EDI距平越大,降水距平越小,干旱程度越严重。     

开都河流域降水与径流年内分配特征及其变化的同步性分析

基于开都河流域巴音布鲁克气象站和大山口水文站1960-2007年的逐月降水和径流数据,文中通过采用集中度与集中期为量化指标,对开都河流域降水和径流的年内分配变化以及两者变化的同步性进行了研究。结果表明:(1)不同年代降水与径流年内分配各自具有明显的差异,80年代夏季降水量与夏季径流量显著偏小,而2000-2007年却显著偏大,同时这时期年径流量显著增多、最大径流量出现时间较其他年代有所推迟;(2)近48年来,降水量和径流量的集中度都有缓慢的下降趋势,两者的年际变化有很好的同步性。降水量和径流量的集中期有微弱的上升趋势,但它们的同步性较差;(3)不同年代冬季降水量与同期径流量变化是不同步的,而年内其他季节,径流量分配过程主要依赖于降水量变化,降水和径流峰值表现出了很强的同步性。     

基于SPEI的中国东北地区干旱分区及其气候特征分析

由于全球气候变暖引起蒸散的增加,并伴随着降水格局的变化,导致某些地区干旱的加剧。而东北地区位于北半球的中高纬,是受全球气候变暖影响最显著的地区之一。文中利用多时间尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI)对东北地区的干旱特征和潜在的干旱风险进行了评估。结果表明:1)东北大部分地区年降水量呈非显著减少趋势,平均减少速率为4.51mm/10a。东北地区年均温在过去的52年平均增温速率为0.31℃/10a,达到了α=0.001显著水平。降水和温度的共同作用导致了东北地区明显的干旱化趋势;2)根据REOF时空分解的前5个空间模态,可以将东北地区划分为5个干旱亚区:东北南部、内蒙古东部、黑龙江省东部、东北北部和长白山地区;3)除长白山地区,其它4个分区都表现出明显的干旱化趋势,突变点大都发生在20世纪90年代。依据旱情进行区域的详细划分是进行干旱监测的一项重要的工作,因此,文中得到的结果对于东北地区气候均质的亚区减灾,水资源管理和预测潜在的干旱灾害气候上有指导意义。     

石羊河流域干旱变化特征及对牧草生产的影响

利用1951-2010年的降水和温度,通过降水温度均一化指数变化趋势、干旱站次比和连旱频次,分析了干旱的时间变化特征和空间变化特征,结合牧草产量资料,分析了干旱对牧草生产的影响。结果表明:石羊河流域整体上趋于干旱化,干旱区域有扩大趋势。近30年下游干旱化明显高于中、上游地区。石羊河流域干旱导致牧草减产,降水温度均一化指数每减少一个点,牧草产量每公顷减产149.24kg。不同月份的干旱对牧草产量的影响程度各不相同,4月份的干旱对牧草生长抑制作用最大。     

基于标准化前期降水蒸散指数的新疆干旱时空演变特征

标准化前期降水蒸散指数(Standardized antecedent precipitation evapotranspiration index,SAPEI)是一种新的日尺度干旱指数,相对标准化降水蒸散指数(SPEI)而言,它不仅考虑当日的降水和蒸散情况,还考虑了早期水分平衡对当天干湿条件的影响,在描述和监测干旱方面更为稳健。本文根据新疆地区42个气象站2000—2019年气象要素数据计算SAPEI,利用线性趋势、M-K检验和反距离插值等方法,研究了21世纪以来新疆地区SAPEI时空变化特征,并基于SAPEI的分区和分代际比较分析了新疆地区干旱强度的时空变化,进而对新疆干旱发生的区域性和广泛程度的四季变化以及不同干旱等级发生频率的空间分布格局进行了探讨。结果表明：新疆气候整体呈湿润化,近年来干湿差异扩大,空间上存在部分相对湿润地区显著变干的现象;新疆春季变干,夏、秋、冬季变湿,夏冬两季在时间和空间上的干湿变化差异截然相反;20年来全疆和分区的干旱强度均显著降低,空间上东北部高、中部和西南部低;新疆干旱范围呈缩减趋势,近年来存在干旱等级提升风险,春季干旱范围扩大;新疆不同干旱等级的发...     

基于Copula函数的长春市106年来的干旱特征分析

干旱是主要的自然灾害之一,它对环境和经济有着显著的影响。文中根据长春气象站106年的气象数据,基于标准化降水蒸散指数(SPEI)定义了干旱的两个主要特征:干旱历时和干旱程度,并利用Clayton Copula函数构造了干旱历时和干旱程度的联合分布函数,进而计算了干旱历时和干旱程度在不同组合条件下的联合超越概率、联合重现期、同现重现期及条件重现期。结果表明:(1)干旱历时和干旱程度的联合超越概率值随干旱历时和程度的值增大而呈现减小趋势,且递减速度逐渐变小;(2)单变量边缘分布的重现期介于联合重现期和同现重现期之间;(3)干旱历时(干旱程度)的条件重现期与干旱程度(干旱历时)的值成正比。研究结果可以为吉林省干旱风险的评估、水资源规划和管理提供有用的信息。     

基于SWAT模型的山区日径流模拟在玛纳斯河流域的应用

针对玛纳斯河流域山区水资源对径流的显著影响,建立适合于该流域的SWAT分布式流域水文模型。结果表明,采用1980-1995年数据模拟,验证了玛纳斯河流域控制性站(肯斯瓦特水文站)的日径流的模拟过程基本上反映了实际情况。模拟相对误差RE为17%、Nash Sutcliffe效率系数Ens为0.73,为新疆山区河流建立分布式流域水文模型提供了参考。     

基于标准化降水蒸散指数的甘肃省干旱时空特征分析

为明确气候变化条件下甘肃省不同时间尺度的干旱特征,选用1951-2015年甘肃省33个气象站点逐日气象数据,计算了不同时间尺度的标准化降水蒸散指数SPEI,同时结合Mann-Kendall突变检验、复小波分析、经验正交函数分解、旋转经验正交函数分解等方法,对甘肃省65 a来干旱时空格局特征进行了分析。结果表明：在年际变化趋势方面,甘肃省干旱情势为由干变湿再变干,近年干旱趋势逐渐加重;四季均呈现由干变湿然后变干的趋势,近年春季变干趋势显著;干旱强度在全省范围内主要为轻旱和中旱等级,并表现为局域性轻旱和全域性中旱。在周期性变化方面,甘肃省的干旱时间周期性强弱依次为39、13、7、22 a尺度,但不同时间尺度表现出了不同的干湿震荡规律。在空间格局方面,甘肃省整体上呈西北部干旱缓解、东南部干旱加剧的趋势;春季干旱加剧最明显,冬季次之,夏季和秋季干湿状况基本相似。按照干旱区域敏感性强弱可将甘肃省分为东南地区东部（Ⅰ区）、西北地区（Ⅱ区）、中部地区（Ⅲ区）和东南地区西部（Ⅳ区）,其中Ⅲ区呈干旱缓解趋势,其他地区基本呈干旱加剧的趋势。     

基于EMD-GWO-LSTM模型的新疆标准化降水蒸散指数预测方法研究

干旱预测一直是干旱研究领域的重大挑战,提高干旱预测的准确性是解决干旱问题的关键。基于1961—2019年新疆34个气象站点月降水和月平均气温数据,计算得到标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）,对新疆气象干湿变化进行分析,提出一种经验模态分解方法（empirical mode decomposition, EMD）-灰狼优化算法（grey wolf optimizer,GWO）-长短期神经网络（long short-term memory network,LSTM）的数据分解型干旱组合预测模型进行预测,并进行模型性能评价。结果表明：（1）干旱周期性变化整体呈现平稳且周期长的特点;（2）EMD能够有效优化数据的平稳性,GWO优化预测模型参数,组合模型的预测精度相较于单一预测模型有明显提高;（3）4个预测模型结果精度由高到低的排序为：EMD-GWO-LSTM、GWO-LSTM、GWO-支持向量回归（Support Vactor Regression,SVR）、LSTM,拟合优度分别为0.972、...     

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。