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 C...     

基于图像三维连通性识别方法的长江流域干旱事件特征

全球变化背景下,干旱事件频发给区域水资源管理和社会经济可持续发展带来了巨大挑战,科学合理地辨识干旱发生发展过程一直是干旱研究领域的前沿与难点。该研究将图像三维连通性识别方法应用于气象干旱事件的识别和提取。在长江流域的应用表明此方法识别出的干旱事件与历史记录的吻合度较高,能有效识别气象干旱事件。基于1960—2015年标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI),长江流域共发生281场气象干旱事件,其中长历时干旱事件(历时大于4个月)64场。长历时干旱事件在流域中部发生次数多于东部和西部,2000年之后的发生频次、干旱面积和干旱强度大于2000年之前,单场事件发展方向以西北和东南为主。整体上,干旱事件发生频次和干旱强度在长江流域中部呈增加趋势,在流域东部和西部呈减小趋势。该研究有助于探索长江流域干旱事件发展演变规律。     

基于SPI指数的白洋淀流域干旱演变特征分析

为探究白洋淀流域在气候变化背景下的干旱时空演变特征,基于1979—2018年0.1°分辨率降水格点数据,采用年尺度和季节尺度的标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI),结合Mann-Kendall趋势检验法研究了白洋淀流域干旱频次、干旱面积的时空演变特征。结果表明:(1)研究区发生轻旱的频次最高,中旱、重旱、特旱发生的频次依序减少,春季和夏季是干旱频次发生较高的季节,但特旱主要分布在秋季和冬季。(2)研究区年尺度下干旱程度呈不显著减缓趋势,干旱面积略有减少; 春季和夏季干旱程度呈不显著增加趋势,干旱面积略有增加; 秋季和冬季干旱程度呈显著减缓趋势,秋季干旱面积显著减少。(3)轻旱和中旱在整个流域内分布广泛,下游平原区的发生频率高于上游山区,大清河山区的北部和西部以及流域的东南边缘是重旱和特旱的高发地带。综上,白洋淀流域整体呈干旱缓和趋势,但春夏季干旱情况在未来可能会加重。     

黄土高原清水河流域降水-径流的响应关系

宁夏清水河流域地处黄土高原干旱、半干旱地区,选取清水河流域出口泉眼山水文站及气象站1989—2019年逐日径流和降水数据,并通过Chapman-Maxwell法对清水河流域径流时间序列进行基流分割,并将基流分割的结果应用于径流事件的分离,来探究径流事件对降水的响应特征。结果表明：(1)宁夏清水河流域降水量、径流量和基流量整体上均呈现上升趋势,经Mann—Kendall检验未发现突变显著的时间点,日降雨量10 mm以下的降水呈现增加趋势,年内降水主要分布在5—9月,占比达81.72%。(2)基于日径流时间序列,在清水河流域近30年间共分离出58次径流事件。在旱季降水总量与降雨强度显著相关,在土壤湿度和流域内水量存储条件的影响下,干旱时期的径流过程对事件前期降水响应较为敏感;在雨季,降水总量和降水强度是径流量的主要影响因素。(3)土壤水分对径流事件特征的影响具有阈值的变化,当前10天降水量未达5 mm时,峰值流量对其响应敏感。     

抚河流域干旱时空分布特征及其与ENSO的相关性

为了分析干旱时空分布特征,并结合ENSO事件探究其相关性,基于抚河流域9个气象站点1960—2005年的逐月降水资料,根据计算出的SPI指数,利用M-K趋势检验、相关性分析等方法分析了1960—2005年抚河流域月、四季、年干旱及空间变化特征,并研究了ENSO事件与该区域的关系。结果表明:流域春季有干旱化趋势,冬季有变湿态势,20世纪60,70年代干旱次数多,强度大,在1990—2005年,流域整体上的干旱次数程度和次数有增加的趋势。空间变化上,各季节干旱高频分别集中在流域东北部:春季在崇仁地区,夏季在南丰和黎川地区,秋季在抚州和金溪地区,冬季在东乡地区。抚河流域春季SSTA指数与SPI指数的相关性最明显,秋、夏季随之减弱。ENSO事件发生强度与抚河流域SPI影响因子的多项式拟合关系表明,ENSO事件暖事件年份的降水下降非常明显,其发生干旱的可能性大于冷事件年份,即ENSO暖事件强度越大,研究区越有可能发生严重的干旱事件。干旱对El Ni1o事件和La Ni1a事件的响应分别在滞后1～2个月、3～4个月的响应最为显著。     

近56年巢湖流域降水特征及其对旱涝灾害的影响

通过1957—2012年巢湖流域56a间的9个气象站的降水数据,基于趋势分析、Mann-Kendall突变检验、小波分析和标准化降水指数分析等方法,对巢湖流域降水特征和降水趋势进行了研究。结果表明:56a间巢湖流域年降水量呈显著增加的趋势,线性增加率为28.09mm/10a。春季和秋季的降水略有递增,夏季和冬季降水量呈递减的趋势。年降水量在1963年、1969年、1976年、1978年存在4个降水突变点,并且在1990—1993年降水量趋势显著增加。56a间年降水量主要存在3~5,6~10,12~18,22~28a的周期变化规律。通过对巢湖流域年降水量标准化降水指数进行旱涝等级划分,并对其突变前后的变化分析可知巢湖流域在降水灾变后,洪涝灾害发生更加频繁,巢湖流域降水趋势逐渐向洪涝状态变化。     

洱海流域近59年水资源的多时间尺度分析

以分析洱海流域地区水资源的时序变化特征为研究目标,利用国家气象局整编的大理气象站气象资料(1951-2009年),用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量,分析了近59a来洱海流域地区降水和蒸散量的变化特征,并分析计算了相应的降蒸差及其演变特征。结果表明:(1)各年代降水量呈现了一个先减少后增加的变化规律,春季降水量有显著上升趋势,线性倾向值为13.6mm/10a,夏季各年代降水量呈现了一个先减后增加的变化规律,秋季降水量大体经历了"少-多-少"的变化过程,年降水量发生的两次突变都是由少雨期到多雨期,春季、夏季和冬季降水发生了明显的突变,春季和冬季突变后进入多雨期,而夏季进入少雨期;(2)年蒸散量在波动中有减少的趋势,达到7.8mm/10a,春季、夏季和冬季的蒸散量呈现波动变化特点,最近10a呈现显著减少的趋势,秋季的蒸散量呈现显著的减少趋势,达3.0mm/10a。年蒸散量和春季蒸散量存在明显的突变现象,但不是在同一时期发生,目前都处于低蒸散期;(3)年内降水量和降蒸差的逐月变化趋势基本相同,但月间分布不均衡,蒸散量逐月变化趋势呈现5月为最大值的近似单峰抛物线的线型分布;(4)未来本地区冬、春、秋季节干旱依然存在,影响作物尤其是坡耕地玉米和冬季大蒜的正常生长和发育。     

基于CASA模型探究泾河流域植被NPP时空动态及其对气候变化的响应

植被NPP是判定生态系统碳源/碳汇及调节生态过程的主要因子,基于CASA模型估算NPP,探究时空尺度NPP的变化及其对气候变化的响应状况,可了解泾河流域植被恢复状况并为流域生态环境改善提供科学参考及建议。以泾河流域为研究区域,基于2000年、2009年、2018年MODIS NDVI数据、气象数据与植被分布数据等,运用CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford approach,CASA)对2000年、2009年及2018年流域NPP进行了估算,探究流域内NPP时空动态及其对气候变化的响应,并分析了各植被类型下NPP分布规律。结果表明:(1)时间尺度上,2000年、2009年及2018年泾河流域NPP均值分别为521.81 gC/(m²·a),664.77 gC/(m²·a),719.78 gC/(m²·a),年际变化呈增长趋势; 月际变化曲线呈单峰型,4—8月呈较强上升趋势,8月后逐渐下降; 各季节的NPP均值由高到低依次为夏季>秋季>春季>冬季。(2)空间尺度上,NPP分布存在一定的地域差异性,水平方向呈“南高北低”的特点; 垂直方向上,NPP值随海拔高度的升高呈先下降后上升的趋势。(3)不同植被类型下NPP均值存在明显差异,其中常绿阔叶林年均NPP值最高,为1 544.50 gC/(m²·a)。(4)气候变化背景下,NPP主要受气温与降水的影响,且降水为主导因素。研究结果表明泾河流域NPP呈增加趋势,即植被覆盖情况在逐步改善; 流域北部植被覆盖状况仍有待改善,建议加大退耕还林政策实施力度,加大果树、茶树等防护型林地的种植; 且该流域NPP对降水的响应强于气温,故可加大植树造林恢复植被的力度,也可修建水库和水利工程,退田还湖,并加大湿地保护,从而保证空气湿度,增加降水,改善植被覆盖,实现人与自然和谐共生。     

甘肃河东地区气象干旱时空变化及干旱危险性分析

基于标准化降水蒸散指数(SPEI),利用甘肃河东地区1988-2017年60个气象站月值气候数据,通过线性倾向估计、Mann-Kendall突变检测、小波功率谱、Hurst指数等方法对河东地区干旱事件发生次数、干旱烈度和持续时间3种干旱指标的时空变化、突变、变化周期和趋势延续性进行分析,并对气象干旱危险性进行评估。结果表明:年际变化上,1988-2017年河东地区干旱事件发生次数、干旱烈度和持续时间均呈显著增加趋势(P0.05),变化倾向率分别为0.31次·10a~(-1)、0.61级·10a~(-1)和0.48个月·10a~(-1),陇中高原为增加趋势最显著的分区。空间上,干旱事件发生次数、干旱烈度和持续时间呈显著增加的站点占站点总数的比例分别为18.0%、31.1%和26.2%,区域内仅存在少数变化率为负值的站点,但这些站点变化趋势均不显著(P0.05)。Hovmoller图显示,干旱事件发生次数、干旱烈度和持续时间在时空上具有集聚性,反映河东地区相邻近站点具有类似的干旱时空特征。Hurst指数显示,在未来河东地区的干旱事件发生次数、干旱烈度和持续时间仍会主要呈现增加趋势,但强持续性(Hurst值接近1)的区域范围较小。研究区干旱指标突变年份为1994年,突变后干旱事件发生次数、干旱烈度和持续时间分别增加0.76次、2.29级、1.70个月,体现出近年来干旱化的态势。小波功率谱显示河东地区干旱指标震荡周期均在6a内,反映干旱具有短期波动特征。30a内研究区总体干旱危险性较大的区域为陇中高原,但研究区每10a的干旱危险性分布存在显著差异,1988-1997年河东地区面临的干旱危险性最大,2008-2017年干旱危险性较小。     

渭河流域极端降水特性指标分析

为研究渭河流域极端降水特性指标及极端降水事件发生频率,基于渭河流域1961—2016年41个气象台站的逐日降水数据和流域历史洪水资料,选定极端降水量(R95P)、极端降水频数(RD95)、极端降水强度(RI95)和极端降水贡献率(RC95)4个极端降水特性指标,采用线性趋势法、相关分析法、Mann-Kendall突变检验法、普通克里金插值等方法,对各指标时空变化特征以及不同子流域极端降水事件的发生频率进行了分析。结果表明:(1)渭河流域极端降水阈值介于16.40～26.29 mm,流域中17%以上的气象台站极端降水阈值超过25 mm。(2)空间分布上,R95P介于127.81～201.41 mm,随纬度升高而减少; RD95干流和泾河流域较高。RI95介于24.37～39.81 mm/d,与R95P空间分布相关性较好,干流东部和下游较高,综上,渭河流域极端降水量越大的区域极端降水强度越高,未来应考虑多区域极端降水对干流及下游河道的叠加作用,降低灾害风险。(3)年际变化上,R95P和RD95变化不显著,RI95和RC95呈轻微增加趋势,2000年后增加显著。(4)渭河流域几次大洪灾均伴随着极端降水,渭河下游极端降水事件发生频率最高,主要发生于20世纪80年代初期和21世纪初期。     

河南省1960—2018年旱涝演变及其极端与持续性分析

为探究河南省旱涝变化规律及其气候驱动因子,利用河南省17个国家基准气象台站1960—2018年逐日降水、气温资料,采用降水和潜在蒸发均一化旱涝指标,对河南省旱涝时空演变特征进行了多尺度、系统性分析。结果表明:(1)近59年河南省旱涝呈振荡性波动且具显著干旱化趋势,1980s偏涝程度最强,1990s中期之后趋于偏旱,而且干旱化趋势在未来将持续增强。季节间旱涝存在明显差异,尤其春季、秋季干旱化趋势最显著,夏季、冬季无显著干旱化趋势。全年、季节旱涝演变普遍存在3～5 a的年际周期变化,秋季还存在7～8 a的周期变化,全年与春、夏、冬季还存在13～14 a的周期性。(2)河南省全年与秋季呈全域性干旱化趋势,尤其以开封、郑州和新乡等黄河沿岸连片区干旱化趋势最为显著,夏季全省无明显旱涝变化趋势,冬春季干旱化趋势呈不同局域性。(3)1990s中期之后河南省极端干旱发生频次快速增多,连片、区域性干旱化趋势显著增强,极端雨涝则显著减少,冬季极端旱涝较少,夏季发生频次最高,全年与季节极端旱涝在空间变化上呈规律性差异分布。(4)1990s中期以来河南省持续性干旱事件的增多增强已成为必然趋势,发生次数、强度、持续时间均远超以往,而持续性雨涝事件则在1990s中期之后显著减少,两者的发生演化基本呈反相同步呼应、此消彼长的特点。河南省旱涝演变呈显著干旱化趋势,且呈全域性干旱化趋势分布特点,极端干旱、持续性干旱事件增多增强已成为必然趋势。     

1960—2020年珠江流域跨季节尺度干旱时空变化

全球气候变化背景下,珠江流域干旱事件尤其是跨季节干旱事件频发,研究珠江流域不同时间尺度下的干旱时空特征对于流域水资源配置和农业结构调整至关重要。为了了解珠江流域跨季节干旱时间时空变化特征,研究基于1960—2020年珠江流域44个气象站逐日气象观测数据,计算不同时间尺度下的标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI）,结合线性倾向估计法、Mann-Kendall突变检验以及Morlet小波分析,分析了近60 a来珠江流域跨季节干旱时空变化特征。结果表明：1）1960—2020年间珠江流域跨季节干旱事件中,秋冬及秋冬春连旱化趋势显著,呈弱干旱化趋势,且干旱化频率有所上升,连旱强度以中旱和轻旱为主,连旱影响范围以局域性为主,其次为全域性,秋冬春季节连旱在1962年和1997年分布出现由干转湿和由湿转干的突变。2）珠江流域秋冬及秋冬春季节连旱普遍存在9～14 a变化周期,相关分析表明珠江流域干湿变化与同期厄尔尼诺现象显著相关。3）珠江流域秋冬及秋冬春季节连旱尺度下大致呈东西干而中间湿的空间分布格局,红水河至左江及郁江流域连旱化趋势减弱,但连旱化频率仍较高,东江流域秋冬季节连旱化频率高且呈弱连旱化趋势,湿润化速率自西南向东北递减,未来发生季节连旱风险高。研究结果可为珠江流域干旱监测与防灾减灾措施提供指导和建议。     

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。     

基于综合气象干旱指数的干旱状况分析——以锡林河流域为例

降水量与气温是引起干旱的主要气象因子,利用1981—2016年的降水量与气温的逐月数据,绘制最值曲线并对其相关性进行了分析,利用数据计算得到综合气象干旱指数（CI）且用其对锡林河流域干旱状况进行了分析。结果表明:研究区内在1981—2016年中,逐月平均气温最值曲线的变化趋势比较微弱,最高温度与最低温度分别为24.94,-23.53℃。最大降水量的变化趋势呈现出减小的状态,而最小降水量基本无变化,降水量的最大值与最小值分别为178.1,0 mm。36年中,CI指数只有在春季、夏季和秋季3个季节中不为0,在月尺度上只发生轻旱事件共121次,其中春季发生的干旱事件最为频繁;秋季次之;夏季发生干旱事件的频次最少。干旱发生频次呈现出微弱的降低趋势。     

基于SPEI的中国西北地区气象干旱变化趋势分析

中国西北地区深居欧亚大陆腹地,是同纬度最干旱的地区之一,如果持续干旱,将对该地区社会经济发展产生严重的影响。因此,深入研究西北地区的干旱特征,为制定改善生态环境,促进西北经济发展有着重要的意义。标准化降水蒸散指数(SPEI)将温度对蒸散的影响融合在内,是全球气候变暖背景下研究干旱的新理想指标。采用1959-2011年西北地区149个具有代表性的气象站点的资料,对西北地区近53 a干旱时空变化进行分析。结果表明,西北地区普遍存在干旱现象。从年际变化来看,该区呈变干趋势,1996年发生突变。从季节的变化来看,春、夏、秋明显变干,冬季有变湿趋势,变湿趋势不明显。春、夏、秋季发生突变,冬季突变不明显。从空间变化来看,春、夏秋大部分地区呈变干趋势,冬季大部分呈变湿趋势。与年鉴资料对比的结果进一步证明SPEI指数在西北地区具有较好的适用性。     

赣江流域1966-2015年降水量多尺度时空变化特征分析

为研究全球气候变化影响下的赣江流域降水量时空分布特征,基于赣江流域及其周边的27个气象站1966-2015年逐日降水量数据,采用Mann-kendall、累积距平法及Morlet小波分析等方法研究了不同时间尺度降水量变化特征。结果表明:赣江流域年、汛期、夏季和秋季降水量呈不显著的增加趋势(p>0.05),而春季和冬季呈不显著的减少趋势(p>0.05);不同时间尺度降水量均具有明显的阶段性特征,且进入21世纪00年代后降水量多为枯水阶段;赣江流域降水量变化主周期多在8~10 a,20~22 a,26~30 a。赣江流域全年和春季降水量呈南少北多的分布格局,汛期和夏季降水量空间分布较均匀,无明显的空间差异,秋季降水量呈南北两端少、中部相对较多的分布格局,而冬季降水量呈由北向南递减的变化趋势。     

嘉陵江流域近50年降水量演变规律分析

利用嘉陵江流域12个气象站点的1960—2009年降雨实测资料,采用地统计学和时间序列等方法,分析了嘉陵江流域近50a降水量时空变化特征,为旱涝、泥石流等自然灾害的防治提供依据。结果表明:流域内年平均降水量910.5mm,降水量由东南到西北逐渐递减;近50a来降水量总体上呈减少趋势,流域整体处于一个丰—平—枯的降水阶段;降水量的周期性比较明显,存在35a、21a尺度的周期;年内降水量具有季节性变化,降水量主要集中在5—9月,占全年降水量的80%左右,春、秋季降水量有减少趋势,流域夏季降水量除渠江有增加趋势外都有减少趋势,冬季变化趋势不明显;近50a来降水量以正常年份居多,降水偏多年份多于偏少年份。通过分析虽年降水量有减少的趋势,但年内降水量却相对集中于夏秋季,因此仍要做好汛期的洪涝、水土流失等灾害的防治,以及春冬季的抗旱工作。     

近50年黄河流域气温和降水量变化特征分析

利用黄河流域54个气象站点1961-2010年气象数据,探讨近50a黄河流域气温和降水量的变化趋势特征。结果表明:(1)黄河流域年降水量变化具有明显的空间差异,总体表现为上游地区增多、中游地区减少的特点。春季上游降水量呈显著增加趋势,秋季中游显著减少,冬季全流域降水量均呈显著增加趋势,其中下游增幅最大。年内降水量显著增加的时段主要集中在1-3月和12月;(2)黄河流域气温变化呈显著升高趋势,平均最高气温和最低气温变化具有明显的不对称性,平均最低气温变化对平均气温升高的贡献率大于平均最高气温。平均最高气温、平均气温和平均最低气温全流域均表现为冬季增幅最大,夏季和秋季则为流域上游增幅最大。月平均气温显著增加的站点比例最高,月最高气温显著增加的站点比例最小,且均集中在2月。(3)全流域冬季出现暖湿化趋势,春季上游出现暖湿化趋势,而秋季中游出现暖干化趋势。     

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。