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。     

基于CMIP6的珠江流域未来干旱时空变化

干旱是一种严重且长期持续性的自然灾害,对人们的生产和生活具有显著影响。目前的大部分干旱研究将干旱的时间和空间特征进行单独分析,往往忽略了干旱的时空耦合关系。同时,南方湿润区的干旱灾害近年呈现上升趋势,探究气候变化背景下的干旱演变规律成为亟需解决的问题。因此,该研究首先利用CMIP6计算了珠江流域2015-2100年的标准化降水指数 （Standardized Precipitation Index,SPI）,应用游程理论提取干旱特征,并利用旋转经验正交函数（Rotational Empirical Orthogonal Functions,REOF）对珠江流域干湿区进行划分,再分别利用Sen's斜率、Hurst指数方法和完备总体经验模态分解 （Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN）方法对气象干旱指数和干旱特征进行时空耦合特征分析。结果表明：1）根据SPI未来变化趋势,珠江流域未来将呈现更为湿润的状态,不同干湿分区的变化具有一致性且沿海分区的湿润状态更为明显。2）分析不同气候模式下CEEMDAN结果,辐射强迫的增加导致未来珠江流域干旱更为严重,未来珠江流域车旱历时处千0.5～1.8个月,干旱频率处于5.6%～13.9%之间。3）结合干旱特征的CEEMDAN分析结果,珠江流域干旱历时和干旱频率以1.04～1.31 a为主要周期,沿海分区的短周期特征更显著。该研究通过对干旱指数和干旱特征的时空耦合分析,探寻干旱的未来发展规律,为干旱研究提供了一个新的时空耦合分析视角,对干旱监测、预测预报和管理具有重要的现实意义。     

东北地区干旱特征与春玉米生长季干旱主导气象因子

在全球气候变化背景下,东北地区干旱及其主导气象因子呈现出新的态势,并可能对当地农业生产带来不可预见的灾害风险。因此,开展干旱时空规律研究,揭示春玉米生长季干旱发生的气象驱动因子,对于指导当地开展农业防旱减灾工作尤为重要。该研究利用东北地区及其周边105个气象站点数据以及30 m分辨率的DEM,在考虑海拔影响的前提下将逐月气象因子数据空间插值并计算了1989－2018年1、3、6、12、24个月尺度的潜在蒸散量和标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evaporation Index,SPEI）,分析了干旱的多尺度特征和春玉米生长季各气象因子的变化规律,明确了干旱的高发月份、区域及主导气象因子。结果表明：1）1989－2018年干旱呈现出10 a周期的偏轻-偏重-偏轻规律,其中2000－2010年干旱较为严重。2）干旱高发月份为5月,且在吉林西部、内蒙古东部和黑龙江西南部等地区干旱发生概率较高。3）气象因子变化主要以气温增加为主,且伴随气压下降和风力减弱,平均气温、最高气温、最低气温、气压、风速分别以0.41 ℃/(10 a)、0.42 ℃/(10 a)、0.39 ℃/(10 a),−0.05 kPa/(10 a)、−0.08 m/(s•10 a)的速度变化。4）各月干旱主导气象因子不尽相同,5月为降水、相对湿度、最高温度和日照时数,6月为降水、相对湿度、日照时数和最低气温,7月为降水、相对湿度和日照时数,8月为降水、最高气温和平均气温,9月为降水、相对湿度和最高气温,生长季平均条件下为降水、最高气温、日照时数和相对湿度,降水对干旱的直接作用远大于其他气象因子。该研究可为全面了解东北地区春玉米生长季干旱特点、以及制定合理的干旱应对措施提供一定的参考和依据。     

基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析

近几十年来随着全球变暖的不断加剧,中国多地频繁发生干旱灾害,经济损失也越来越大,因而研究干旱的时空演变对社会经济发展具有重要的现实意义。论文基于改进帕默尔干旱指数(sc PDSI)分析了1961—2009年间年和四季干湿变化,并利用旋转经验正交函数(rotated empirical orthogonal function,REOF)探讨了中国气象干旱的时空演变特征。结果表明:1)近49 a来,整体上中国年和四季均呈显著变湿趋势,且均在20世纪70年代初期发生了由干变湿的突变;2)年及四季均存在2~8 a的振荡周期,其中夏季主周期为4.4 a,其余主周期均为6.2 a;3)根据REOF时空分解的前8个空间模态,将中国划分成8个干湿特征区域,其中大兴安岭地区、东南地区、西北地区和青藏高原南部地区有变湿趋势,后两个区域变湿趋势显著;东北—内蒙古高原区、青藏高原北部地区、中部地区和黄淮海平原地区呈变干趋势,前3个区变干趋势显著,黄淮海平原分区干湿变化不明显;各分区普遍具有2~9 a的振荡周期;4)极涡指数、印度洋偶极子和太平洋涛动与部分地区气象干旱有较好的相关关系。研究结果可为研究区防旱、抗旱与干旱预测提供参考依据。     

东北地区作物生长季干旱时空分布特征及其环流背景

依据东北地区71个气象台站1961-2009年5-9月气温、降水资料,对帕默尔干旱指数(PDSI)评价实际干旱的能力进行验证,并对PDSI距平场展开经验正交函数(EOF)分析,同时利用NCEP/NCAR再分析资料对干旱年的环流背景做了初步探讨.结果表明,(1) PDSI对东北地区农作物生长季的实际干旱具有较高评估能力,但在个别年份容易高估干旱程度;(2)EOF前3个特征向量的累积方差贡献率达74.9％.其中,第1特征向量是主要的分布格局,为全区一致型,第2特征向量为南北相反型,第3特征向量为东西相反型;(3)近49a东北地区农作物生长季干旱以9a和23a的变化周期为主,未来几年内干旱趋势仍将持续增强;(4)在干旱年(PDSI≤-1),500hPa高度场上副高偏弱,东北地区处于槽后脊前,同时该地区为位势高度距平的正中心,受高压控制降水偏少.850hPa水汽通量场上,输送到东北地区的西南及东南暖气流的水汽明显较少,同时该地区不仅存在反气旋环流,而且其水汽通量散度大于0,不利于降水.     

浙江省干湿状态的时空分布特征

应用帕默尔干旱指数（PDSI）及作物湿度指数（CMI）对浙江干旱过程进行诊断,认为PDSI指数不能准确监测浙江具体干旱过程但能反映浙江长期干旱或湿润的气候状态,而CMI指数则能准确监测跟踪具体的干旱发生发展过程。在此基础上选取浙江41个气象站,计算1961-2006年各站逐月PDSI指数值,对PDSI指数值应用经验正交函数（EOF）分解后发现,浙江中部干湿变化比较剧烈,而南部和北部变化相对较弱,有南旱北湿或南湿北旱特点,西部与东部也有干湿反向变化特征;近50a来,浙江有两个阶段处于明显的气候干燥期,20世纪60年代初-70年代初和2003年至今,目前仍处于干燥期内。     

气候变化背景下淮河流域干旱演变特征

[目的]淮河流域是我国主要的粮食生产基地,明晰流域内干旱演变特征及其极端性对科学开展旱灾防御治理具有重要作用。[方法]基于淮河流域1971—2015年降水数据,计算3个月时间尺度的标准化降水指数(SPI),结合反距离权重空间插值法、气候倾向率、游程理论对干旱时空演变特征及其特征变量进行了分析。[结果](1)四季中,春、秋季呈干旱化发展趋势,且秋季速率明显大于春季,夏、冬季呈湿润化趋势,夏季速率大于冬季。(2)全区各季平均干旱频率均在30%左右。空间上,春季流域北部湿润化,南部干旱化;夏季流域北部干旱化,南部湿润化;秋季大部分地区气候倾向率为负值,正值区仅在江苏北部出现;冬季大部分地区呈湿润化趋势。(3)干旱特征变量中,干旱历时与干旱次数的空间分布特征相反;烈度峰值高值区与干旱历时、干旱烈度在流域东北部空间分布较为一致;流域东南部烈度峰值高值区较干旱历时和干旱烈度向东南部略有偏移。[结论]流域内秋季干旱化趋势明显,冬季呈湿润化发展,春夏季干旱演变存在地区差异,区域内干旱呈现极端化发展趋势。     

长江上游不同降雨带水蚀特征空间分析

利用长江上游135个国家基准气象站1960-2009年的日降雨量统计得到的多年平均降水量,并对这些气象站的多年平均降雨量和该地区225个县多年平均降雨量数据进行空间分析处理,结合USLE模型计算得到长江上游土壤水蚀分布图,利用GIS技术手段对不同降雨带下的土壤水蚀状况进行了分析。研究表明：该区域水蚀量占土壤侵蚀总量的78%;水蚀程度分布与降雨带分布均呈自西向东递增趋势,局部存在差异。江源区及川西北部,多年平均降雨量小于900 mm,水蚀以微度为主;川中部地区降雨分布不均,水蚀区域差异较大;四川盆地与陕、甘交界地段,降雨等级在4-5之间、重庆北部降雨等级在7-8之间的地区,水蚀均较为严重,以强度以上为主;云南西北金沙江下游地区、重庆西南以及湖北秭归、宜昌等地降雨等级在7-8之间,水蚀以中、强度为主;当降雨等级为8时,土壤侵蚀指数达最大（160.5）。该结果与2000年长江上游土壤侵蚀遥感调查结果基本一致,为进一步揭示长江上游水土流失的空间分布及成因提供参考。     

西南地区1902—2018年干旱时空演变特征分析

鉴于西南地区干旱的危害程度及其严峻形势,定量刻画干旱时空特征、揭示干旱发展规律,已成为抗旱防灾、保障农业健康发展的迫切要求。基于1902—2018年标准化降水蒸散指数(SPEI)数据,统计了西南地区不同等级干旱发生频率及干旱强度,并采用Sen趋势分析、Mann-Kendall检验法和经验正交函数(EOF)分析方法研究了西南地区干旱的时空演变特征,以期为西南地区干旱变化及生态维护提供科学依据。结果表明:(1)1902—2018年西南地区SPEI12整体呈下降趋势,下降速率为0.025/10 a,其中1954—1974年呈干旱—湿润的频繁交替,发生多次不显著突变;(2)西南地区干旱强度均呈增强趋势,其中中旱和重旱强度增强趋势显著;(3)西南地区干旱发生频率存在空间分布差异,其中轻旱发生频率最高,极端干旱最低;(4)西南地区干旱变化趋势以不显著下降为主,占研究区面积的68.22%,表明西南地区百年来呈干旱化趋势;(5)干旱时空模态分析中,3种模态分别反映了研究区干旱全区相同、南北相反、东西相反的分布特征。综上所述,揭示了西南地区干旱的时空变化基本特征。     

基于Copula函数的汉江流域水文干旱风险研究

研究汉江流域水文干旱风险及驱动因素,为区域干旱预警和水资源管理提供参考。选用1964—2016年汉江流域白河、黄家港和沙洋3个水文站逐月实测径流资料,采用标准化径流指数SRI进行水文干旱分析,基于游程理论进行干旱特征变量识别,运用Copula函数计算干旱特征变量之间的联合累积概率,分析了联合重现期和同现重现期。结果表明:(1)在1964—2016年,白河站共发生水文干旱事件54次,干旱发生频繁但旱情较轻; 黄家港和沙洋站分别发生干旱事件34,32次,发生频次相对较少但旱情较重,旱情总体呈现从上游向下游加重的趋势;(2)随着干旱特征变量值增大,联合累积概率值也增大,但增大趋势变缓;(3)两变量重现期随着单变量取值增大而增大,但在相同增幅情况下,同现重现期的增幅要明显高于联合重现期;(4)当白河站干旱历时和烈度达到最大时,水文干旱事件的联合重现期为50 a左右,同现重现期为1 600 a左右,黄家港与沙洋站呈现出与白河站大致相同的趋势;(5)人类活动是1991年以来汉江流域径流减少的主要原因,对白河和沙洋站径流变化的贡献率分别为59.6%和69.2%,是汉江流域水文干旱加重的主导因素。研究显示汉江流域下游旱情较上游重,且持续受人类活动影响,应增强变化环境下区域干旱风险应对能力。     

基于EEMD-SVM模型的北洛河上游径流预测

[目的]提高北洛河上游径流预报精度,为流域管理及水资源合理配置提供依据。[方法]以1971—2014年北洛河上游吴旗水文站实测径流资料为基础,采用EEMD-SVM耦合模型对吴旗站月径流序列进行了模拟预测,并与EEMD-ARIMA和EEMD-NAR两种耦合模型的预测结果进行对比。[结果]EEMD-SVM模型的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)最低,决定系数(R²)和纳什系数(NSE)最高。其中,相比于EEMD-ARIMA和EEMD-NAR模型,EEMD-SVM模型的决定系数(R²)分别提高了186.63%,49.49%。[结论]EEMD-SVM模型具有更高的预测精度和更强的非线性拟合能力,可以成功地应用于北洛河上游的月径流预报。同时,研究表明EEMD-NAR模型的预测性能高于EEMD-ARIMA性能。     

岷江流域降水特征与旱涝灾害趋势分析

基于岷江流域14个气象站点1961—2012年逐月降水资料,采用数理统计方法结合GIS空间分析技术,对流域降水量时空演变特征进行了分析,利用不同尺度的标准化降水指数（SPI）对流域旱涝特征进行了研究。结果表明:（1）近52 a来,岷江流域年平均降水量呈显著减少趋势,减少倾向率为20.18 mm/10 a;流域年均降水量在1993年发生突变,降水量显著减少。（2）该流域降水量由东南向西北呈递减趋势,以松潘—小金—康定为界,该线以西地区年降水量为616～1 000 mm;该界线以东地区年降水量为1 000～1 732 mm。（3）以松潘—小金—康定为界,该界线以西降水量呈增加趋势,增加倾向率为0～27.11 mm/10 a的范围内;该界线以东降水量呈减少趋势,减少倾向率在0～80 mm/10 a的范围内。（4）岷江流域旱涝灾害阶段性变化趋势明显,1961—1967年涝灾频繁,1968—1972年干旱频率高,旱灾严重;1973—1993年涝灾频繁;1994—2012年旱灾程度与频次均呈增加趋势,旱灾严峻。（5）岷江流域旱涝灾害总体以1990年为转折点,1990年以前该区多涝灾,1990年后多旱灾,岷江流域由涝灾向旱灾转化的趋势明显,在未来一段时间应做好防旱抗旱工作。     

GIS支持下的长江上游降雨侵蚀力时空分布特征分析

降雨侵蚀力是土壤侵蚀评估模型中的一个基本因子,利用长江上游361个测站1961-2004年日雨量资料估算降雨侵蚀力R值,利用GIS空间分析功能,获得长江上游降雨侵蚀力分布图、降雨侵蚀力年际变化趋势图、各区域R值平均年内分配曲线,在此基础上分析长江上游降雨侵蚀力时空分布特征。研究表明长江上游降雨侵蚀力的地域差异十分显著,与降雨量空间分布近似,由东向西减少,且降雨侵蚀力大的区域与多雨中心和暴雨中心分布基本一致。降雨侵蚀力年际变化存在明显的空间差异性,在一些地区年降雨侵蚀力的变化与年降雨量的变化趋势不一致。各区域降雨侵蚀力年内分配曲线为尖峰状分布,降雨侵蚀力十分集中。     

黑河上游天涝池流域生长季降雨和气温对河川径流的影响

西北干旱区的水资源短缺问题日益突出,但黑河上游高寒山区河川径流相关的精确水文资料稀缺,开展观测和研究其变化规律尤为必要。选择黑河上游天涝池流域为研究区,通过逐日观测2016年、2017年、2019年生长季河川径流量、降雨量和气温数据,采用相关分析和多元线性回归方法,分析了降雨和气温要素对河川径流的影响。结果表明:生长季内月均径流量明显滞后月均降雨量和月均温,三者均呈现出单峰变化趋势; 河川径流对降雨的平均滞后时间约为7.5 d。生长季内月均降雨量、月均温与月均径流量的Pearson相关系数分别为0.69,0.87(p<0.01),拟合多元线性回归模型的R²为0.772。研究显示该流域内降雨和气温较好地解释河川径流量的变化,结果可为黑河上游山区的河川径流响应过程提供参考依据。     

长江上游流域径流变化

分析长江上游流域5个主要控制站：金沙江屏山、岷江高场、嘉陵江北碚、长江上游干流寸滩及乌江武隆的月流量变化。结果表明,高场和北碚站的径流显著减少,寸滩站径流则稍微减少。从年内分配上看,9-11月份减少较多。寸滩站径流减少主要受岷江和嘉陵江流域降水量减少和人类活动的影响。     

长江上游森林水源涵养功能及空间分布特征

以长江上游森林生态系统为研究对象,按照植被类型将研究区域划分成11个评估单元。根据研究区各森林类型林冠层、枯枝落叶层和土壤层的指标数据和2001年NOAA影像,结合野外调查,应用GIS技术对整个长江上游森林水源涵养功能及其在空间上的分布特征进行了探讨。结果表明:(1)长江上游森林水源涵养功能平均值为79.33 mm。林冠层、枯落物层、土壤层水源涵养功能平均值分别为1.29,2.81和75.21 mm。长江上游森林水源涵养总量为1.667 5×1010t。林冠层、枯落物层和土壤层分别占涵养总量的1.63%,3.54%和94.81%。土壤层是森林系统水源涵养总量的主体。(2)长江上游森林水源涵养功能由南向北呈现先增加后减少的抛物线趋势,由西向东表现出近似幂函数曲线的逐渐减少趋势。这与林冠层的变化趋势相反,与土壤层的变化趋势具有一致性。(3)在水平方向上,长江上游森林水源涵养功能以岷山—茶坪山—夹金山—锦屏山—玉龙山一线为界,表现出西强东弱的空间分布格局;在垂直方向上,森林水源涵养功能随着海拔的升高逐渐增加,至海拔4 200 m左右,出现减少的趋势。