基于SPEI和NDVI的中国流域尺度气象干旱及植被分布时空演变

近些年中国干旱灾害频频发生且其影响不断加剧,因此探讨干旱对植被生长的影响对农业生产具有重要的意义。该文基于标准化降雨蒸散指数(standard precipitation evapotranspiration index,SPEI),应用Mann-Kendall(MK)趋势分析方法研究了流域尺度的气象干旱格局;利用新一代归一化植被指数(normalized different vegetation index,NDVI)分析了植被的生长状况;并探讨了SPEI和NDVI的相关性,结果表明:1)1982-2012年间,SPEI值在各时间尺度上都呈现为微弱下降趋势,即为微弱的干旱化;在空间上,干旱化趋势主要分布于东北、黄土高原和西南地区,而西北地区则呈现出明显的湿润化趋势;2)全国年及各季(冬季除外)NDVI序列均呈现上升趋势,空间上其下降趋势主要出现在西北内陆和东北地区部分流域,上升趋势则因季节而异;3)在年时间尺度上,SPEI与NDVI的相关分析表明,209个流域中有56个通过正相关检验(P0.05),主要分布在新疆北部、华北以及东北地区,负相关主要分布在秦岭淮河以南地区,气象干旱对植被生长的影响在干旱半干旱地区表现得更加明显。研究结果可为中国流域尺度干旱影响评估提供参考依据。     

中国亚热带干旱多尺度时空格局及演变趋势

为探讨不同时间尺度下中国亚热带区域干旱的时空特征,利用1 km气象数据计算1959—2019年亚热带区域标准化降水蒸散发指数(SPEI),并且结合干旱线性变化趋势、影响范围、强度及频率,分析了不同时间尺度(1月、3月、6月、12月)下中国亚热带区域干旱的时空特征。结果表明:(1)干旱时期主要集中在2004—2014年,干旱化区域空间上呈现明显的东西对比,时间尺度上秋季的干旱化趋势最为显著;(2)各时间尺度的干旱影响范围都处于不断波动上升的趋势,尤其是在1995年之后,干旱影响范围上升趋势尤为明显;(3)季节和干湿季较大干旱强度零星分布在亚热带西南部及湖南、江西等省,年际较大干旱强度则主要集中在亚热带东南部;(4)秋季发生干旱的频率最高,年际发生中度及以上干旱频率最高,春季高频中度及以上干旱频率集中在四川、西藏等地,秋季和年际主要集中在四川、重庆和贵州的交界处,夏季、冬季以及干湿季则零星分布在亚热带各省份。综上,亚热带总体呈现干旱化趋势,季节、干湿季和年际尺度的干旱影响范围时间序列变化趋势较为相似,但干旱强度和干旱发生频率在空间上存在一定差异。     

西南地区植被NPP对多尺度气象干旱的响应

[目的] 为研究植被对不同时间尺度干旱的响应机理,明确西南地区极端干旱事件频发对植被生长产生严重的负面影响。[方法] 基于西南地区2001—2019年的NPP数据和1~24个月连续尺度的SPEI数据,采用相关分析法、最大值合成法及显著性检验等方法探究西南地区不同地貌类型植被NPP对多尺度SPEI的响应特征,并分析不同植被类型NPP对多尺度SPEI响应的差异性。[结果] (1)在年际、季节及生长季尺度,植被NPP与1~24个月尺度SPEI的响应均以1－3月尺度占主导,表明植被NPP对短期干旱变化具有较好的响应,不同地貌分区响应时间表现出差异性。(2)空间上,植被NPP与1~24个月尺度SPEI的最大相关系数呈明显的异质性和季节性差异。年际相关性表现出从东南—西北呈显著正相关—显著负相关的变化趋势,季节相关性表现为夏季均以显著负相关占主导,春季、秋季和冬季均以显著正相关占主导,表明西南地区的夏季温度高且湿润,使植被生长受限,生长季正、负相关关系的区域面积比例相差不大,且呈显著正相关面积最大的地区为广西丘陵,呈显著负相关面积最大的地区为若尔盖高原。(3)不同植被类型NPP对1~24个月尺度SPEI的响应具有一定差异,尽管草地、灌丛、林地对SPEI的响应特征基本相似,但所有植被类型NPP在夏季随SPEI尺度的缩短呈负相关趋势越强烈。表明在夏季高温干旱条件下,各种植被类型都更易受到干旱的影响。[结论] 研究结果为西南地区生态系统的保护和修复提供有效的科学支撑,同时,为防灾减灾及应对气候变化提供重要的理论依据,有助于制定更具针对性的政策和措施,推动西南地区的可持续发展。     

基于SPEI的黄河流域多时间尺度干湿变化分析

黄河流域是我国重要的经济地带和生态屏障,水资源匮乏,研究流域的干湿变化对于水资源的合理管理和利用、促进流域的可持续发展具有十分重要的现实意义。运用1966—2015年3个时间尺度(年、半年、季节尺度)的SPEI数据,基于EOF,Mann-Kendall方法研究了全球变暖背景下黄河流域的干湿变化特征,并进行归因探讨。结果表明:在过去的50年中,黄河流域的SPEI有显著的年际波动,但大部分区域的SPEI未有显著的增加或降低的趋势,区域之间的干湿变化具有非同步特征; 黄河流域气温与SPEI相关性弱,SPEI与降水有更好的同步性; 黄河流域夏、秋季节的干旱较冬、春季节严重,中部黄土高原区的干旱事件频率高于黄河流域西部高原和东部平原区。研究表明黄河流域干湿状况存在区域差异,降水是决定SPEI大小的关键因子,异常气候事件—厄尔尼诺在一定程度上会影响流域的干湿状况。     

黄土高原植被变化对气象干旱多尺度响应特征与机制

基于黄土高原1983—2015年间的植被状况指数(VCI)与1~48个月尺度的标准化降水蒸散发指数(SPEI)和标准化降水指数(SPI),利用Pearson相关系数法、线性回归法和Mann-Kendall趋势检验法等方法研究了黄土高原地区植被对气象干旱的多时间尺度时空响应特征。结果表明:(1)1983—2015年,黄土高原植被状况整体趋于改善,但黄土高原整体干湿状况变化趋势不大。(2)黄土高原绝大部分区域植被变化与气象干旱指数呈现显著正相关关系,表明植被活动受到水分的限制较强。但是,过去几十年,黄土高原地区植被受到水分限制的影响程度有逐渐减轻的趋势。(3)黄土高原植被对短时间尺度的水分盈亏变化相对敏感,尤其是耕地和草地对1~4个月的SPEI更为敏感,而林地对SPEI的响应时间尺度较为分散。黄土高原VCI与SPEI、SPI的最大相关系数均主要出现在生长季(4—10月),表明水分条件在生长季对植被活动的影响较为显著。     

多尺度蒸散发估测与时空尺度拓展方法研究进展

蒸散发时空尺度信息是作物高效用水调控与节水灌溉管理的基础,某一尺度下获得的蒸散发理论或参数具有高度的尺度依赖性,蒸散发多时空尺度耦合关系的缺乏常导致人们对农业用水效率与效益评价的片面性,因而多尺度蒸散发估测与时空尺度拓展方法研究对优化区域灌溉制度、实现区域农业水资源可持续利用有着非常重要的理论和实际意义。本文系统评述了多尺度蒸散发监测方法和估算模型,指出了其适用的尺度、适宜的应用条件及其优缺点,评述了现有蒸散发多时空尺度拓展方法,表明量化作物对多因子的协同耦合响应机制,研究多方法、多时空尺度下多源蒸散发监测数据融合技术,构建不同时空尺度间的蒸散发拓展模式,建立将时空尺度二维耦合、水-热-碳耦合纳入统一系统的蒸散发转换体系将成为未来的研究热点。     

基于NDVI和scPDSI研究1982－2015年中国植被对干旱的响应

随着气候变化与人类活动的加剧,中国干旱频繁发生且影响不断加剧,探索干旱对植被生长的影响对研究生态系统如何应对干旱具有重要意义。基于中国1982-2015年改进帕尔默干旱指数（scPDSI）与归一化植被指数（NDVI）数据,分析植被对干旱的响应规律及敏感性。结果表明：1）在中国西北地区、内蒙古地区、东部地区及青藏高原南部地区,短滞时（1-3月）scPDSI与NDVI的相关性较大（Rmax>0.4）,南方湿润地区降水充沛,植被对干旱的响应不敏感（Rmax<0.3）,其生长主要受能量因素控制;2）年均水分盈亏量、降水量、日照时数和气温对植被与干旱的关系影响较大,其中年均水分盈亏量是主要控制因子;3）不同植被类型对干旱的敏感性有较大差异,敏感排序为草地>林地>耕地。研究结果可为中国不同区域干旱对植被生长影响评估提供科学依据。     

潮白河流域径流对降雨的多尺度响应

为揭示不同空间尺度上,径流对降雨的响应以及降雨对不同时期径流变化的影响程度,采用泰森多边形法,计算潮白河流域及其各个子流域的平均年降水量,并应用Mann-Kendall趋势检验,计算潮白河流域1957-2001年的径流突变点和变化趋势,使用回归分析来计算降水-径流之间影响关系的强弱.结果表明:在于不同尺度的子流域年径流变化在波动的幅度和平稳程度上具有差异,但差异并不明显.从整体趋势上看,径流在1960-1970年之间,呈现显著下降趋势,而在1990年之后,则有所回升;而在1970-1980年期间,呈现一定的波动性,变化趋势不明显.径流对降雨的多尺度回归结果显示,随着流域尺度的增大,降雨-径流的关系逐渐减弱.在较小尺度的流域,降雨与径流的联系更加紧密,气候因素在小尺度流域对径流的影响更为突出;而在大尺度的流域中,影响径流的因素则更为复杂,降雨量变化并不能很好的解释径流量的改变.此外,在不同时期降雨-径流关系仍然存在一定的差异性.径流变化处于平稳期与上升期时,对降雨响应更强,径流的下降,则受雨量变化影响较小,受其他气候因素与土地利用因素影响更多.一般认为,人类活动和气候变化是影响径流的两个因素,综合本文分析,在较大尺度流域和径流下降的时期,人类活动对径流的影响更加显著.因此,为保证潮白河流域及其子流域的产流量,对人类活动的有效管理,如优化土地利用,合理水资源配置等是必不可少的.     

潜在蒸散量估算方法对干旱侦测指数计算的影响

基于漳州、齐齐哈尔、洛川、乌鲁木齐和拉萨5个代表不同气候和地貌类型的气象站1963-2012年实测资料,选用Hargreaves法、Thornthwaite法、Mc-cloud法和P-M法(参考方法)进行潜在蒸散量(PET)的估算,通过PET估算值计算不同时间尺度的干旱侦测指数(RDI),并对计算结果进行差异性分析,旨在探讨该指数在中国不同气候区域的适用性。研究表明,Thornthwaite法整体上估算的PET值较高,Hargreaves法估算的较低,Thornthwaite法与P-M法的计算结果最接近。P-M法和Thornthwaite法、Hargreaves法和Mc-cloud法分别遵循相同的年度模式,但各站点呈现的波动情况不一致;4种方法计算的5个站点RDI年尺度值结果接近,差异性分析效果也较好。各种PET方法计算的6个月和3个月时间尺度的RDI值,仅漳州站中的Hargreaves法与其它3种方法计算结果存在较大差异,变化趋势也不一致,其它各站计算结果总体上差异较小,说明各种PET估算方法均适合在国内计算长时间和中短时间尺度的RDI,但各站的最佳PET估算方法则不同。     

1901-2017年黄土高原地区气候干旱的时空变化

[目的] 分析1901-2017年和1981-2010年两个时间尺度黄土高原地区气候干旱的趋势变化和发生频率，为该区气候干旱应对策略的制定提供科学依据。[方法] 基于高空间分辨率长时间序列的气候数据，计算了黄土高原地区1901-2017年的标准化降水蒸散指数（SPEI），依次分析了该区气候干旱的趋势变化和发生频率。[结果] 1901-2017年，整个黄土高原的气候经历了"湿润-干旱-湿润-干旱"的交替过程，年SPEI变化趋势未达到显著性水平，且无显著突变年份。1981-2010年干旱呈显著加剧趋势的区域分布在黄土高原腹地以及中西部，面积比例为3.43%。1901-2017年干旱呈显著减轻趋势的区域主要分布在东、西部边缘区域，面积比例为1.05%；呈显著加剧趋势的区域分布在西北部，面积比例为4.16%。近30 a，黄土高原中部轻旱、重旱发生频率较高。在历史时期的两个时间段内，黄土高原西北部大部分地区重旱发生频率较低，未有极端干旱发生。[结论] 在黄土高原地区，随着干旱程度的不断加重，干旱频率的空间变异程度逐渐降低；不同等级干旱发生频率具有明显的空间变化特征。     

Responses of Vegetation Activity to Drought in Northern China

With the third‐generation normalized difference vegetation index and a multiple‐timescale drought index [standardized precipitation and evapotranspiration index (SPEI)], the relationships between vegetation activity in the growing season and drought occurrences during various seasons and at different timescales were investigated in northern China. Although poorly understood previously, knowledge of these relationships is crucial for climate, vegetation and hydrological studies. Our results show that over the past three decades, vegetation activity during the growing season was significantly correlated (p  < 0⋅05) with drought occurrences over 78⋅5% of northern China and highly significantly correlated (p  < 0⋅001) in semi‐arid regions. In addition, there were spatially variable responses of vegetation activity to the seasonality of drought events across northern China. When drought events occurred in pre‐season in the northern part of Inner Mongolia and Heilongjiang, parts of Shaanxi and Shanxi, and the western part of Xinjiang, they appear to have impacted vegetation activity, as indicated by the short and medium timescales of the drought indices (SPEI‐3 and SPEI‐6, with 3 and 6 months of accumulation, respectively). In the eastern part of Inner Mongolia, eastern part of Gansu and Qinghai, and southern parts of Ningxia, droughts during the growing season played a key role in vegetation growth, as recorded by the drought indices at all four timescales (SPEI‐3, SPEI‐6, SPEI‐12 and SPEI‐24). In addition, we also observed spatial variations in the responses of vegetation activity to droughts in northern China. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于日光诱导叶绿素荧光探测植被光合对气象干旱的响应

干旱是世界范围内最常见、最复杂的气象灾害,一定程度上会削弱陆地生态系统的碳汇功能。开展植被对干旱响应的研究并选择敏感的干旱探测因子,有助于掌握干旱对植被的影响规律、理解植被对干旱胁迫的响应过程和机理。本研究以日光诱导叶绿素荧光（SIF）数据和标准化降水蒸散发指数（SPEI）为基础,利用最大相关系数法分析中国区域内2000-2018年生长季植被光合对气象干旱的响应,比较不同干旱梯度、不同植被对干旱响应的敏感性以及SPEI响应时间尺度的变化特征。结果表明：（1）SIF与SPEI具有很好的相关性,显著正相关的面积达到75.05%,主要分布在东北、西南和青藏高原地区,且大部分地区对SPEI的响应时间尺度以中短期为主。（2）SIF在春季对SPEI显著相关的区域占比最少,夏季达到最高,秋季又略有下降。对干旱响应的时间尺度在春季以短期为主,而夏季响应时间尺度长的区域较春季有所增加。（3）半干旱区对干旱的敏感性最强,干旱区最弱,不同气候区对干旱的响应时间尺度均以短期为主。（4）研究所选植被类型均能较早地对干旱做出响应,其中,草地对干旱最敏感,林地和农田相对较弱,阔叶林比针叶林对干旱更敏感。研究结果表明...     

2001—2018年雅砻江流域植被NDVI时空动态及其对气候变化的响应

为了了解雅砻江流域植被覆盖变化及其对气候的响应,基于MOD13Q1和气象数据,采用趋势分析和偏相关分析等方法,分析了2001—2018年雅砻江流域生长季NDVI的时空变化特征,探讨了NDVI变化对气候因子的响应。结果表明:(1)2001—2018年雅砻江流域NDVI均值为0.66,呈东南向西北逐渐下降趋势,并随海拔的升高呈先增后减趋势;(2)2001—2018年雅砻江流域NDVI整体以0.003/10 a的速率波动上升,NDVI增加面积(63.97%)大于减少面积(36.03%); 2001—2018年雅砻江流域生长季的气温上升趋势显著,降水上升趋势不明显,流域上、中游气候向暖湿方向发展;(3)整体上NDVI受气温影响大于降水,与气温呈正相关关系,与降水呈负相关关系; 空间差异明显,上游受气温和降水共同影响,中、下游大部分地区受降水影响。整体而言,雅砻江流域被的生长受地形、气候和人类活动等因素影响,近18年植被NDVI改善面积持续增加。     

基于不同时间尺度的贵州省近50年气象干旱时空演化特征

[目的]基于气候因子分区条件下,分析贵州省不同区域在不同时间尺度下气象干旱的时空演变特征,可为干旱监测和预测、抗洪救灾提供理论依据。[方法]基于贵州省31个气象站点1970—2019年的逐月降水和气温数据,利用主成分分析讨论贵州省降水及气温变化特征,结合SPEI指数研究贵州近50年气象干旱时空演化规律。[结果](1)贵州近50年气温变化由东向西逐渐递增,即西部为气温极端变化和重度变化区、中部和东部为中度变化区、南部和北部边缘为轻度变化区; 贵州省降水变化由西向东逐渐递减,其中西部为极端变化和重度变化区、中部为重度变化区、东部为轻度变化及正常区;(2)贵州省近50年气象干旱强度中度变化区最大、其次是轻度变化区,重度变化区最小; 随着年代的递增及时间尺度增大,气象干旱逐渐增强,并呈现“峰—谷”交替现象,其中1970—1985年及1990—2000年为干旱“低谷”期、1985—1990年及2000—2019年为干旱“峰值”期;(3)贵州近50年逐月干旱频率以中低频为主,主要发生在贵州东部、南部及北部; 轻度变化与中度变化区70s干旱频率最小、变幅最大,10s干旱频率最大、变幅次之,其余年代干旱频率变化相对较小。[结论]气象干旱具有显著的时间尺度特征,干旱的时空演化是气候变化、流域地表及人类活动时空耦合的结果。     

东北地区自然植被火动态特征及其对干旱的响应

[目的]研究2002—2017年东北地区自然植被火的发生发展及其对干旱的响应规律,从而为区域火管理、火险等级预报和森林资源保护提供科学依据。[方法]基于MODIS公开的数据产品和改进帕默尔干旱指数(scPDSI),采用统计学方法,分别季节和年际尺度,分析东北地区自然植被火动态特征,探寻其对干湿状况的响应规律。[结果]①在季节尺度上,春季和秋季是森林和草地火的多发期,草地火次数在春季和秋季呈显著增加趋势;②在年际尺度上,森林火次数以18次/a的速度呈显著下降趋势,平均过火面积呈弱上升趋势,草地火次数以36次/a的速度呈极显著上升趋势,平均过火面积呈弱下降趋势;③火次数和过火面积分别与scPDSI呈线性负相关与指数负相关;④随着干旱程度的加深,森林和草地火的平均次数和平均单次过火面积都有增加的趋势。[结论]干旱可能会增加东北地区自然植被的起火次数和单次过火面积。