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。     

基于EEMD-LSTM模型的天山北坡经济带年降水量预测

降水量预测是现代气候预测业务的核心和难点.耦合模型在新疆降水量预测的研究应用屈指可数,因此,通过尝试建立集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)和长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory Network,LSTM)的耦合模型对天山北...     

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指数的宁夏中部干旱带1960—2012年干旱特征研究

研究宁夏中部干旱带的干旱特征可为区域农牧业发展和防灾减灾提供科学决策依据.利用1960-2012年的各站点气象观测资料,计算标准化降水指数(SPI),并借助集合经验模态分解、功率谱分析和重新标度极差分析等方法,对近50年来的干旱特征和变化趋势进行了研究.研究结果表明,宁夏中部干旱带在1960-2012年间发生中旱以上的干旱事件达到了总干旱次数的30％以上;干旱波动周期的多尺度分解显示,该区域存在着0.5a尺度的轻旱,1 a尺度的中旱,3a尺度的重旱和10 a尺度的特旱;平均干旱强度的年际波动周期特征中,有平均超过65％的贡献来自于3.25-4 a左右的干旱周期波动,而平均超过14％的贡献来自于5.78-6.5 a左右的干旱周期波动;总体来看,宁夏中部干旱带的干旱趋势处于增强态势,且具有长程依赖性,即未来还将持续干旱,但不同季节的干旱趋势特征又表现出一定的差异.     

基于加权马尔可夫模型的标准化降水指数干旱预测研究

基于不同时间尺度标准化降水指数的干旱监测结果,以规范化的各阶白相关系数为权重,采用加权马尔可夫链方法对未来干旱状态进行预测和分析.以关中平原和渭北旱塬36个气泉站39年逐月降水量为分析数据.系统地分析了该方法在不同时间尺度(从1个月到1年)上的预测能力及存在的问题.结果表明:对所选的5个时间尺度该方法都有一定的预测能力,并且随着时间尺度的增加,预测正确率也相应提高.同时,该方法对无旱的预测比较准确.对干旱的发生也有一定预测能力,可以作为早期干旱预警的参考.但是,该方法对干旱状态突变的预测能力较弱;随着干旱程度的加重其预测能力也逐渐降低.     

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。     

基于微波遥感技术的干旱监测指数及其应用研究——以三江源区为例

以三江源区为研究区,基于AMSR-E的亮度温度数据获得了微波极化差异指数(MPDI)、比值干旱指数(DI)和多时相微波干旱指数(PI),并分别对这3种指数进行了干旱监测有效性检验。为了获得研究区全区监测效果更好的干旱指数,对MPDI、DI和PI指数进行融合,最终获得的综合微波干旱指数(SDI)与土壤湿度数据和降水数据都存在很好的相关性,对比单个指数时监测干旱的有效性也得到了提高。最后,应用SDI指数对三江源区21世纪以来的干旱情况进行了监测研究。结果表明:基于AMSR-E的综合微波干旱指数(SDI)能有效的对干旱进行监测,充分发挥了被动微波遥感数据的优势,具有一定的应用价值,为后续利用多源的多传感器的微波遥感数据监测干旱的相关研究奠定了基础。     

Meteorological drought in semi-arid regions: A case study of Iran

Drought occurs in almost all climate zones and is characterized by prolonged water deficiency due to unbalanced demand and supply of water, persistent insufficient precipitation, lack of moisture, and high evapotranspiration. Drought caused by insufficient precipitation is a temporary and recurring meteorological event. Precipitation in semi-arid regions is different from that in other regions, ranging from 50 to 750 mm. In general, the semi-arid regions in the west and north of Iran received more precipitation than those in the east and south. The Terrestrial Climate (TerraClimate) data, including monthly precipitation, minimum temperature, maximum temperature, potential evapotranspiration, and the Palmer Drought Severity Index (PDSI) developed by the University of Idaho, were used in this study. The PDSI data was directly obtained from the Google Earth Engine platform. The Standardized Precipitation Index (SPI) and the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) on two different scales were calculated in time series and also both SPI and SPEI were shown in spatial distribution maps. The result showed that normal conditions were a common occurrence in the semi-arid regions of Iran over the majority of years from 2000 to 2020, according to a spatiotemporal study of the SPI at 3-month and 12-month time scales as well as the SPEI at 3-month and 12-month time scales. Moreover, the PDSI detected extreme dry years during 2000-2003 and in 2007, 2014, and 2018. In many semi-arid regions of Iran, the SPI at 3-month time scale is higher than the SPEI at 3-month time scale in 2000, 2008, 2014, 2015, and 2018. In general, this study concluded that the semi-arid regions underwent normal weather conditions from 2000 to 2020. In a way, moderate, severe, and extreme dry occurred with a lesser percentage, gradually decreasing. According to the PDSI, during 2000-2003 and 2007-2014, extreme dry struck practically all hot semi-arid regions of Iran. Several parts of the cold semi-arid regions, on the other hand, only experienced moderate to severe dry from 2000 to 2003, except for the eastern areas and wetter regions. The significance of this study is the determination of the spatiotemporal distribution of meteorological drought in semi-arid regions of Iran using strongly validated data from TerraClimate.     

基于MCI的新疆近60 a干旱时空特征分析

利用新疆99个气象站点1961-2020年逐日气象数据,根据最新修订的《气象干旱等级》国标,计算各站点1961-2020年逐日气象干旱综合指数序列(MCI).利用相关分析、线性趋势、突变检验、EOF等方法,分析了近60a新疆干旱强度的时空变化特征.结果 表明:(1)新疆MCI监测结果与降水距平百分率、干旱灾情记录具有较...     

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。     

基于条件植被温度指数的干旱监测研究

以黑龙江军川农场为研究区域,应用Landsat TM卫星遥感数据计算和反演归一化植被指数和地表温度,采用条件植被温度指数(VTCI)的方法对该区域进行土壤表层水分监测.通过与同一时期的LST和NDVI模型的反演结果进行对比,结果表明:VTCI与该模型的纹理特征相似,干旱的分布规律几乎一致.应用土壤表层含水量数据对干旱监测结果进行验证,验证结果表明VTCI与土壤表层含水量有较好的线性相关性,进一步证实了VTCI是一种实时的干旱监测方法.     

黄土高原地区干旱长期变化趋势及预测

根据黄土高原地区21个分布较为均匀的气象站1957~2001年的降水资料,应用Mann-Kendall趋势检验方法对其年、季气象旱涝指标的变化趋势进行分析,同时分析该区水文干旱和农业干旱变化趋势,结果表明:黄土高原地区年、夏、秋和冬季有向干旱化发展趋势,春季有向湿润化发展趋势;夏、秋季的干旱化趋势造成了年干旱化趋势。以渭河流域为例,黄土高原地区地表水资源呈显著性减少趋势,气象干旱可能是造成水文干旱的主要原因。黄土高原各省份旱情呈逐年代加重态势,尤其是进入20世纪90年代后趋势更加明显。用灰色-Markov链模型对该区旱涝指标进行预测,模型平均精度为88.26%。     

Evaluating agricultural water-use efficiency based on water footprint of crop values: a case study in Xinjiang of China

Efficient agricultural water use is crucial for food safety and water conservation on a global scale. To quantitatively investigate the agricultural water-use efficiency in regions exhibiting the complex agricultural structure, this study developed an indicator named water footprint of crop values (WFV) that is based on the water footprint of crop production. Defined as the water volume used to produce a unit price of crop (m³/CNY), the new indicator makes it feasible to directly compare the water footprint of different crops from an economic perspective, so as to comprehensively evaluate the water-use efficiency under the complex planting structure. On the basis of WFV, the study further proposed an indicator of structural water-use coefficient (SWUC), which is represented by the ratio of water-use efficiency for a given planting structure to the water efficiency for a reference crop and can quantitatively describe the impact of planting structure on agricultural water efficiency. Then, a case study was implemented in Xinjiang Uygur Autonomous Region of China. The temporal and spatial variations of WFV were assessed for the planting industries in 14 prefectures and cities of Xinjiang between 1991 and 2015. In addition, contribution rate analysis of WFV for different prefectures and cities was conducted to evaluate the variations of WFV caused by different influencing factors: agricultural input, climatic factors, and planting structure. Results from these analyses indicated first that the average WFV of planting industries in Xinjiang significantly decreased from 0.293 m³/CNY in 1991 to 0.153 m³/CNY in 2015, corresponding to an average annual change rate of -3.532%. WFV in 13 prefectures and cities (with the exception of Karamay) has declined significantly during the period of 1991-2015, indicating that agricultural water-use efficient has effectively improved. Second, the average SWUC in Xinjiang decreased from 1.17 to 1.08 m³/CNY in the 1990s, and then declined to 1.00 m³/CNY in 2011-2015. The value of SWUC was highly consistent with the relative value of WFV in most prefectures and cities, showing that planting structure is one of the primary factors affecting regional agricultural water-use efficiency. Third, the contribution rate of WFV variations from human factors including agricultural input and planting structure was much more significant than that from climatic factors. However, the distribution of agricultural input and the adjustment of planting structure significantly differed among prefectures and cities, suggesting regional imbalances of agricultural development. This study indicated the feasibility and effectiveness of controlling agricultural water use through increasing technical input and rational selection of crops in the face of impending climate change. Specifically, we concluded that, the rational application of chemical fertilizers, the development of the fruit industry, and the strict restriction of the cotton industry should be implemented to improve the agricultural water-use efficiency in Xinjiang.     

基于空间计量经济模型的区域经济差异成因分析——以兰新铁路辐射带为例

利用空间分析法确定兰新铁路辐射带的辐射范围,以县级行政单元为基本研究单元,综合运用SPSS、GeoDA和ARCGIS分析区域经济差异后发现:在兰新铁路辐射带内,兰州市市辖区、乌鲁木齐市市辖区、嘉峪关市、哈密市、阿拉善左旗的经济发展水平明显比其它地区高,甘肃段内区域经济差异较大,新疆段内区域经济差异较小;区域经济空间集聚特征明显;利用空间计量经济模型分析区域经济差异成因可知,财政收入对经济发展具有明显的负面影响,市场规模、经济结构、工业化、虚拟变量对经济发展具有明显的促进作用,其中虚拟变量与经济发展水平的回归系数最大,说明农村城市化对经济发展的促进作用最大。区域投资水平对经济发展影响不明显。     

基于农业水足迹的水资源安全时空变化分析——以新疆和田地区为例

和田地区是典型的内陆干旱区,研究区域水资源安全对指导水资源开发利用,促进社会经济与水资源可持续发展具有重要意义.本文基于水足迹理论,研究和田地区1989—2018年农作物生产和动物产品生产的农业生产水足迹的组成及时空变化,通过水足迹强度和水资源压力指标从水资源消耗和污染两个角度分析和评价水资源安全状态的时空变化.结果表...     

新疆夏季行星边界层参数化方案模拟特征研究

行星边界层参数化方案(PBL)对天气气候和大气环境的模拟与预报具有重要影响.通过基于单柱模式(SCM)的乌鲁木齐单点理想实验,以及新疆2019年8月15—18日的一次降水天气过程的模拟检验及诊断分析,研究了YSU、ACM2、BOULAC、GBM、MYJ和QNSE 6种常用的PBL参数化方案模拟的大气比湿、位温等气象要素...