IMERG卫星降水产品在中国的干旱监测效用评估

GPM（Global Precipitation Measurement）时代,高时空分辨率的IMERG（Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM）是最主流的卫星遥感反演降水产品。该研究以地面网格CPAP（China Gauge-based Monthly Precipitation Analysis Product）数据为基准资料,选用标准化降水指数（Standardized Precipitation Index,SPI）、标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）和综合气象干旱指数（Composite Index of Meteorological Drought,CI）,评价了最新版回顾性IMERG降水产品在干旱监测方面的应用能力及比较了其计算的干旱指数间的差异性。结果表明：1）IMERG能较好地捕捉中国月均降水量的空间格局;其与CPAP数据具有较高的一致性,相关系数高于0.9的区域占大陆面积的73.7%。2）基于IMERG的干旱指数具有良好的可靠性,它与CPAP计算结果的区域平均相关系数在大部分地区超过0.8。总体上,SPEI较SPI和CI的适用性更好。3）在西南地区,IMERG可准确再现干旱随时间的变化过程并捕获典型干旱事件的空间特征,同样SPEI表现优于SPI和CI。总之,回顾性IMERG降水产品在中国干旱监测中表现出很好的应用潜力,但不同干旱指数会影响它的精度。在全球变暖条件下,基于IMERG的SPEI指数应用于干旱监测与评估整体上优于仅考虑降水因子的SPI指数,以及考虑降水和气温因子的CI指数。     

TRMM卫星降水数据在区域干旱监测中的适用性分析

为了评估高时空分辨率的卫星遥感降水产品在干旱监测中的适用性,该文基于热带降雨卫星(tropical rainfall measurement mission,TRMM)产品和气象站点的观测数据,利用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)分别计算了2种数据源的不同时间尺度(1、3、6和12个月)的河南省1998-2016年干旱事件发生的年际和空间变化。结果表明:TRMM 3B43月尺度降水数据与气象站点的观测数据具有显著的相关性,相关系数均高于0.9,除少数情况下,TRMM 3B43对降水存在略微高估现象;两种数据源计算的各时间尺度(1、3、6和12个月)存在着很高的一致性,波动幅度随着时间尺度的增大而减小;1998年以来河南省春季发生干旱事件的年份是2000、2001年,夏季发生干旱事件的年份是1999、2014年,秋季发生干旱事件的年份1998、2001、2007年,冬季发生干旱事件的年份1999、2012年,另外,基于SPI-12得出发生干旱的年份是1999、2001、2012和2013年;根据站点的不同时间尺度的两种数据源的SPI时间序列进行相关性分析,其相关系数都高于0.7,两者间的一致性很高,说明TRMM数据能够替代站点观测数据进行干旱的监测与评估。     

CHIRPS和GLEAM卫星产品在中国的干旱监测效用评估

为评估具有分辨率高、覆盖范围广、数据序列动态连续优点的卫星降水和潜在蒸散发产品在中国干旱监测中的应用能力,以CGDPA(China gauge-based precipitation daily analysis dataset)和PM-Ep(potential evapotranspiration calculated by penman-monteith)为基准数据,以标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI)为干旱监测指标,利用6个精度统计指标和分类度量指标评估CHIRPS(climate hazards group infrared precipitation with station data)、GLEAM-Ep(global land-surface evaporation:the Amsterdam methodology, potential evapotranspiration)在中国的干旱监测效用。结果表明:1)CHIRPS和GLEAM-Ep在中国东部和西南地区表现良好。由于气象站格网的稀疏,它们在中国西部大部分地区的表现存在较大不确定性。2)SPEIs(基于CHIRPS和GLAEM-Ep计算的SPEI)在中国东部和西南地区对干旱模拟效果较好,其与SPEIm(基于CGDPA和PM-Ep计算的SPEI)的相关系数(CC)在东南、西南、长江中下游地区、华北均大于0.6,尤其是相对湿润地区的CC值在0.70以上且均方根误差低于0.8。3)SPEIs3(3个月的SPEIs)在东南、西南、长江中下游地区、华北对干旱面积比的演变过程模拟效果较好,持续干旱模拟成功率分别为0.93、0.57、0.71、0.81及干旱空间分布模拟精度较高。总体而言,基于长序列CHIRPS和GLEAM-Ep计算的SPEI可适用于中国东部和西南地区的干旱监测与评价,可为该地区的干旱事件监测与预警、水资源管理提供可靠的参考依据。     

多源卫星数据在甘蔗干旱遥感监测中的应用

目前80%以上的糖料甘蔗分布在缺少灌溉条件的旱坡地上,旱害已成为影响甘蔗生产最频繁、范围最广、损失最严重的自然灾害之一。本文选取了广西来宾市兴宾区凤凰镇这个具有代表性的大面积连片、连年种植的甘蔗区,利用高时间分辨率的MODIS卫星数据,采用植被状态指数(VCI)和温度条件指数(TCI)构建干旱指数(DI)遥感监测模型,并融合具有高空间分辨率的ETM卫星数据,进行甘蔗干旱遥感监测方法研究。应用该模型进行2004年和2005年秋季甘蔗旱情监测,制作了旱情时空变化的遥感图像,通过与旱情实况数据对比分析,证明该模型适用于甘蔗旱情监测。     

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-Ensemble Precipitation,MSWEP)产品、气候灾害组融合站点的红外...     

TRMM在海河流域南系的降水估算精度评价及其对SWAT模型的适用性

准确估算区域降水对水文过程评价和水资源管理意义重大。为评估TRMM 3B42V7降水产品在海河流域南系的估算精度及其在土壤和水评估模型(Soil and Water Assessment Tool,SWAT)中的适用性,利用28个气象站降水观测数据(2007-2016年)和101个雨量站观测数据(2010-2016年)开展研究。研究表明:站点尺度上,3B42V7降水产品对月降水估算的均方根误差小于15 mm,平均误差小于8.5 mm;在湿润季节的估算精度更好。流域尺度上,日降水估算精度较差,相关系数小于0.6。分区尺度上,3B42V7能够很好地捕捉到不同等级降水强度,但对微量降雨有所低估;山区和平原的年降水量均出现高估现象,平原区较为突出;此外,3B42V7能够较好地捕捉到研究区内极端降水的时间和空间分布。分2种情景进行水文模拟,利用月平均流量对模型进行校准和验证,在情景Ⅰ中,验证期模拟结果较好,决定系数在0.56~0.96之间,纳什效率系数在-11.09~0.94之间。TRMM 3B42V7可为海河流域及其类似区域的水资源管理提供参考。     

TRMM卫星降水数据在怒江流域的适用性分析

利用怒江流域12个气象站点1998—2012年的实测降水数据,采用散点斜率法和相关系数法,在不同的时空尺度上分析了TRMM 3B43V7卫星降水数据在怒江流域的适用性。研究表明:月尺度上,TRMM降水数据与站点实测降水数据的相关系数R值为0.81,两者之间相关性显著;季节尺度上,夏季降水的相关性(R=0.74)高于其余3个季节,冬季降水的相关性最差(R=0.63);站点尺度上,上游和下游站点的相关系数均大于0.9,相对误差较大的站点主要分布在流域中游。总体上来看,TRMM 3B43V7月降水数据与怒江流域站点实测数据间的一致性,呈现出上、下游地势相对开阔平坦处相关性较好,而中游地形变化剧烈,坡度较大的峡谷区相关性较差的特点。     

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。     

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...     

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。     

基于标准化降水蒸散指数的中国干旱趋势研究

标准化降水蒸散指数(SPEI)通过标准化潜在蒸散与降水的差值表征一个地区干湿状况偏离常年的程度,是分析干旱演变趋势的新理想指标,目前已经广泛应用于干旱评估、水资源管理等领域。用SPEI和1951—2009年中国区域160个站的月降水量及月平均气温资料,对中国59年来干旱化的空间分布、四季干旱趋势变化和全国极端干旱事件发生频次进行了分析,并定性分析了干旱发生的原因。结果表明,我国普遍存在干旱化的事实,西部、华北和东北地区干旱化最为显著。我国四季均呈现干旱化趋势,其中春、秋季干旱化趋势明显,夏季最近15年都处于干旱状态,但干旱化趋势未通过0.05显著性检验;另外全国极端干旱事件发生频率明显增多。东北和华北地区的降水呈现轻微减少趋势,而温度升高趋势明显,降水和温度的共同作用导致了明显的干旱化。四川盆地温度升高趋势不显著,但降水减少显著,降水较少是导致四川盆地干旱化的主要原因。降水频率的减少和集中也导致近几年极端干旱事件明显增多。我国普遍的干旱化趋势和明显增多的极端干旱事件可能对我国经济发展产生阻碍。     

基于连续无有效降水日数指标的中国南方作物干旱时空特征

利用中国南方15个省(市、区)气象台站1959-2009年逐日降水资料,以连续无有效降水日数(Dnp)为干旱指标,完善了指标中有效降水临界值和干旱分级标准,利用改进后的连续无有效降水日数干旱指标计算了南方地区春播夏收作物、春播秋收作物、夏播秋收作物、越冬作物近50a的干旱指数,得到干旱频率和干旱持续天数的空间分布特征,并分析其年际变化;同时引入逐日干旱频率,研究作物生育期内逐日干旱动态变化。研究结果表明:春播夏收作物在西南地区西部和淮北地区常发生春旱;春播秋收作物在长江中下游地区多发夏秋旱,在华南东北部多发秋旱,在西南地区东部伏旱明显;夏播秋收作物在长江中下游地区秋旱多发、华南东部秋旱高发;越冬作物在西南地区西部秋冬春旱高发且持续时间长,江北和华南地区也多秋旱和春旱。从年际变化趋势看,春播秋收作物干旱范围略有增大,夏播秋收作物干旱范围显著增大、强度略有增强,越冬作物干旱范围呈较明显增大;其他各作物干旱范围和强度呈不同程度减少、减弱的趋势。     

基于标准化降水指数的中国南方季节性干旱近58 a演变特征

近年来南方地区季节性干旱频繁发生,对农业生产造成了严重影响。分析其演变特征和发生规律,能为应对全球气候变化背景下制订抗旱减灾对策提供理论依据。该研究利用中国南方15个省（市、区）的气象台站降水资料,选择采用标准化降水指数（SPI）为干旱指标,计算了南方地区最近58 a（1951－2008年）各月干旱指数,在此基础上分析了全年及各季季节性干旱的站次比（发生干旱站数与总站数之比）和干旱强度的年际变化。研究结果表明：干旱程度在时间尺度上呈不同程度增加趋势;干旱的季节性特征为春旱和秋旱有加重的趋势,而夏旱和冬旱有减轻的趋势。季节性干旱空间演变特征表现为：长江中下游地区、西南地区、华南地区等各区域季节性干旱变化与整个南方总体干旱变化表现基本一致。在当前气候变化背景下,我国南方干旱整体上呈现对农业生产的不利影响加重的趋势。研究和验证表明标准化降水指数（SPI）能很好地体现季节性干旱的年际变化特征。     

地表温度-植被指数特征空间干旱监测方法的改进

Ts-NDVI特征空间干旱监测方法易受地表及卫星观测状态的影响,干、湿边不稳定,该文提出了用多年同期卫星观测数据改进的方法,首先,针对某观测期,分别构建每年的仅基于当年卫星数据的单一时段特征空间,然后,分别用最大、最小值合成法,在已构建的各年单一时段特征空间的干、湿边中提取不同植被指数应对的最大、最小地表温度,合成各年通用的Ts-NDVI特征空间的干、湿边。用TERRA-MODIS数据、降水量及SPI进行试验和验证,表明该改进方法不改变像素的实际观测值,不依赖地面辅助数据,增强了Ts-NDVI特征空间的稳定性,比改进前特征空间能更准确的反映地表干湿状态,与监测同期及前期总体降水都密切相关。     

基于SPEI_Kc的华北平原小麦玉米周年干旱特征分析

华北平原是中国重要的冬小麦和夏玉米（麦玉）生产基地,同时也是水资源紧缺的区域,农业生产极易受到干旱的影响。该研究在标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）的基础上,引进作物系数（KC）改进SPEI指数,并基于改进后的SPEI_KC指数从作物生长季尺度、关键生育期尺度以及麦玉周年尺度分析1961—2017年华北平原冬小麦-夏玉米周年干旱的时空分布和变化特征。结果表明：1）SPEI_KC指数在华北平原麦玉周年干旱评估中的适用性优于SPEI_TW指数（采用Thornthwaite公式计算的SPEI指数）和SPEI_PM指数（采用Penma-Monteith公式计算的SPEI指数）：在（实际）有旱（指数）评估为有旱情况下,SPEI_KC指数在代表气象站点的平均准确率为76.13%,较SPEI_TW指数、SPEI_PM指数均有提高;在无旱评估为无旱情况下,SPEI_KC指数准确率为85.67%,较SPEI_TW指数、SPEI_PM指数分别均有提高。2）小麦关键生育期和小麦生长季的空间分布均呈轻旱在河北北部较高,重旱在研究区中部较高分布,玉米关键生育期和玉米生长季干旱频率的空间分布均呈中旱在河北北部较高,重旱在山东西部较高分布。总体来说,研究区的东南部干旱频率小于西北部,山东半岛地区和河北中部旱情较轻,河南省干旱严重。3）年代际干旱程度总体呈略微减小的趋势,具体表现为大部分研究尺度的轻旱发生频率增加,所有研究尺度的中旱和重旱发生频率减小;小麦关键生育期、小麦生长季以及玉米生长季的干旱频率减小,玉米关键生育期和麦玉周年尺度干旱频率增加。研究结果能够为正确认识气候变化背景下该地区干旱分布和变化,进而采取合理措施应对气候变化提供理论依据。