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...     

气候和土地利用变化下黄河流域农业干旱时空演变及驱动机制

为全面剖析气候和土地利用变化下黄河流域农业干旱时空演变特征及驱动机制,该研究首先构建黄河流域SWAT分布式水文模型,模拟黄河流域水循环过程,基于标准化土壤湿度指数(Standard Soil Moisture Index,SSMI),识别不同干旱等级下的农业干旱历时、强度及干旱事件,分析黄河流域不同分区农业干旱特征值以及干旱事件频率在年季尺度上的演变特征;在此基础上,通过SWAT模型驱动农业干旱模拟方案集,厘定和量化气候和土地利用变化对黄河流域农业干旱的影响贡献率。结果表明:累积时间尺度越大,农业干旱发生的次数越少,但历时越长,农业干旱开始和结束时间多集中于春季和夏季;黄河流域90年代农业干旱最为严峻,尤其上游C区最容易遭受重旱和特旱,农业干旱频率高达70%～90%;气候变化是驱动黄河流域农业干旱发生的主要诱因,贡献率约为50%～90%,而土地利用变化对农业干旱的影响相对较弱,贡献率约为10%～50%。研究结果可为黄河流域制定合理的农业抗灾措施提供参考。     

贵州省农业与气象干旱特征及其响应关系

利用贵州省1980-2020年逐月降水与土壤水分计算标准化降水指数(SPI)和标准化土壤水分指数(SSI),基于游程理论、传播响应率(Rr)、状态转移概率矩阵等方法探究气象与农业干旱特征变化,以及两者之间的响应关系。结果表明：(1)贵州省农业干旱较气象干旱持续时间长、烈度大,干旱历时空间变化较气象干旱显著,干旱烈度则较单一。(2)季尺度上,春季农业干旱对气象干旱响应最为敏感,夏、秋季次之,冬季较弱;不同地貌类型下,春、冬季在半喀斯特低中山响应程度较高,夏季在峰丛谷地,秋季在非喀斯特地区;不同切割深度下,地表切割,越深春季Rr越高,夏、秋和冬季Rr则越低。(3)在20世纪80s转至21世纪10s状态间,不同地貌类型下均发生不同程度的概率转移,其中春、冬季节转移活跃、概率较低,夏、秋季主要呈“低转高”现象,夏季转移概率偏低,秋季转移概率普遍偏高;在不同切割深度下,各季节浅切割与最深切割深度转移活跃度低,概率高,其他切割深度下转移活跃,但概率低。     

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GAMLSS模型的青海省非平稳NSPEI干旱时空特征分析

[目的]识别气象变量在气候变化影响下出现的非平稳特征，揭示青海省气象干旱特征的时空演变规律，进而为青海省抗旱减灾提供一定的技术支持。[方法]基于GAMLSS模型构建以气候因子为解释变量的非平稳NSPEI,通过与传统SPEI对比遴选一种更适合青海省的气象干旱指数，并利用游程理论与Copula方法分析了不同情景下干旱重现期的分布特征。[结果]NSPEI较SPEI能更准确地识别青海省不同干旱程度，尤其对于较严重干旱事件。1961—2020年青海省干旱频率呈下降趋势且主要发生中度干旱和轻度干旱，干旱频率高发区为柴达木盆地西北部，青南牧区西南部为干旱低频区；干旱历时、干旱烈度分别以0.018 9/a, 0.016 6/a的速率减小，两干旱特征时空变化较同步，均由西北向东北部递减。在中旱情景下，Tor平均为2.79 a一遇，Tand平均为7.52 a一遇；重旱Tor平均为4.11 a一遇，Tand平均为16.22 a一遇，青海省西南部是中、重旱高风险集中区，而东部农业区为重、中旱低风险集中区。[结论]青海省降水、气温序列的平稳性不复存在，考虑以气候因子为协变量NSPEI在揭示青海省时空变化趋势方面...     

1982-2019年中国北方干旱事件特征及其对植被的影响

[目的]探究中国北方干旱事件及其对植被的影响,对干旱风险评估及降低干旱对生态系统的影响具有重要意义。[方法]基于标准化降水蒸散指数(SPEI)分析了1982—2019年中国北方干旱的时空分布特征,并运用游程理论对中国北方干旱响应敏感区的典型干旱事件进行识别和表征,在时空尺度上进一步探讨了不同干旱事件对归一化植被指数(NDVI)标准化异常(SA_NDVI)的影响。[结果]38年来,中国北方的气候干旱持续加重(斜率_SPEI=-0.001 2/月,p<0.01),主要集中在新疆中东部、青海北部以及内蒙古东部。高频次、短历时、中低强度的干旱事件主要发生在中国北方的南部地区,北部地区则以低频次、长历时、高强度的干旱事件为主。中国北方干旱响应敏感区共发生10次典型干旱事件,不同干旱事件的干旱特征间存在较大差异。在干旱事件对植被生长态势的影响方面可以初步判定,对于一次干旱事件,当干旱持续时间不超过3个月时,干旱强度对植被生长过程起主要影响作用;当干旱持续时间超过3个月后,干旱烈度开始发挥主要影响作用。[结论]只有当干旱持续时间超过一定范围后,前期干旱的...     

综合气象干旱指数改进及其适用性分析

为准确开展区域干旱监测,该研究对综合气象干旱指数(ComprehensiveMeteorologicalDroughtIndex,CI)进行了改进,使其更适用于干旱的长期监测。研究以湖北省区域为典型研究对象,利用高精度气象格网数据以及历史灾情数据,运用游程理论、相关性分析和M-K趋势检验等方法,对几种常用干旱指数的灾害识别能力、干旱演变趋势等进行了分析和比较。结果表明:改进后的综合干旱指数(The Improved Comprehensive Drought Index,CIn)能够识别湖北省的多数历史重大旱灾;CIn与实际的旱灾受灾面积和旱灾成灾面积的相关系数分别达到0.69和0.67,均优于CI指数和SPEI指数;由CIn得到的干旱历时、干旱烈度的空间分布也与文献资料相符合。在湖北省区域内取得的干旱时空演变趋势分析中发现,CIn和SPEI6的M-K测试结果中干旱趋势发生显著变化的面积比例为40.19%和53.99%(P0.05),明显高于CI和SPEI1指数的26.40%和18.93%,表明CIn和SPEI6对长期的气候变化更为敏感,由此说明,在旱灾趋势分析中应选择合适的干旱监测指标。该研究可为区域气象干旱监测的指标选取提供指导和参考。     

宁夏干旱的时空特征与大气环流响应关系

[目的]探究宁夏地区干旱时空变化特征及其原因,对于干旱预防与应对决策具有重要意义。[方法]基于宁夏自治区24个气象站点逐日资料,利用标准化降水蒸散指数(SPEI)。运用MK非参数检验与反距离权重插值分析了不同尺度下的干旱时空变化,通过Person相关系数分析定量分析了宁夏干旱指数对于大气环流的响应,[结果](1)1982—2020年各尺度SPEI干旱指数经历了增大—减小—增大的过程,并在1990—2010年旱频发。(2)季尺度干旱指数空间分布差异明显,春季干旱频率较大,主要分布在北部的引黄灌区,且中旱、重旱较多,春季、夏季的干旱呈明显加重趋势,秋、冬季则呈湿润趋势,但秋、冬季干旱烈度相对春、夏季更为强烈。(3)ENSO暖事件期间宁夏SPEI值有减小趋势,ENSO冷事件期间SPEI指数有增加趋势,ENSO暖事件期间相对于ENSO冷事件期间更为干旱。(4)宁夏全境受到NAO与AO指数影响明显,无滞后关系,SOI指数滞后4个月与宁夏SPEI值相关性最大,主要影响宁夏的北部地区,PDO指数滞后6个月相关性最为显著,MEI指数滞与ENSO指数分别滞后3个月与5个月相关性最好,但与宁夏地区干旱相关性较弱。[结论]干旱是宁夏的主要气象灾害,分析宁夏地区的干旱的时空变化与大气环流的响应关系,可为宁夏地区的干旱事件预防和气候变化区域适应对策提供参考。     

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。     

基于土壤含水率的骤发干旱和缓慢干旱时空特征分析

骤发干旱是近年来全球不同地区频繁发生的极端事件,与缓慢干旱相比,其爆发异常迅速,严重威胁粮食农业安全和生态环境健康.为探究骤发与缓慢干旱的时空特征,该研究基于再分析产品土壤含水率数据,提取中国1979-2018年干旱事件及旱情开始阶段历时,分析骤发干旱与缓慢干旱在发生频次、影响范围上的差异,并以典型干旱事件为例,探讨二...     

农业干旱灾害风险模糊评价体系及其应用

为评价农业干旱灾害的风险,以河北省承德市为研究对象,提出了以层次分析法和模糊评判为基础的区域农业旱灾风险评价计算方法,包括农业旱灾风险指标的识别、指标权重的确定以及旱灾风险综合评价指标的计算。基于地区气象、水文、社会经济等数据,从干旱的危险性、地区的暴露性、环境的脆弱性以及抗旱能力方面选取指标,得到承德市各县农业旱灾综合风险。结果表明,承德市上游各县的农业旱灾风险普遍高于下游各县,并且下游各县的抗旱能力普遍强于上游,各县之间旱灾的主要致灾因素差异很大。通过此方法,可为气候和社会经济条件相近区域的农业旱灾风险提供比较依据,并且能够识别出导致高旱灾风险的主要致灾因素,为有效地开展抗旱活动提供定量化依据。     

黔中地区气象水文干旱演变特征及其响应关系

黔中因其地形地貌特殊,干旱情势复杂,研究其干旱特征以及传播过程,能有效预防干旱延续,为该区域干旱监测和预警提供科学依据。基于黔中地区1970—2016年的降水以及径流数据,计算标准化降水指数(SPI)与标准化径流指数(SSI),采用相关分析方法,分析该地区气象水文干旱的演变特征以及两者之间的响应关系。结果表明:(1)不同时间尺度的SPI与SSI具有不同的时间振荡频率。在较短的时间尺度上干湿交替频繁,而较长的时间尺度可以检测连续的干旱与潮湿时期。(2)近47年来,黔中地区干旱化态势增强,干旱发生的频率上升,重度干旱以及极端干旱频率增加明显。(3)该地区气象与水文干旱在不同年代际呈现不同的空间分布特征,气象干旱主要发生在黔中南部、中部和西部等地区。20世纪水文干旱化态势最明显的地区主要在黔中中部,而21世纪最明显的干旱化地区则在黔中西北部。(4)SSI—SPI相关性显著,不同时间相关系数的变化趋势不一致,并且它们的响应关系呈季节变化,其相关系数为夏季>秋季>冬季>春季,这与黔中地区降水的时空分布不均以及地貌特征有关。综上,黔中地区气象水文干旱日趋严重,极端干旱频发,气象干旱加剧了水文干旱旱情,两者关系密切。     

TMPA卫星遥感降水数据产品在中国大陆的干旱效用评估

为评估基于卫星遥感的高时空分辨率降水数据产品在干旱研究中的应用能力,该研究以标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)为例,以站点实测降水数据产品作为参考,评估了热带降水测量计划——多卫星降水分析(tropical rainfall measurement mission(TRMM)multi-satellite precipitation analysis,TMPA)3B42V7产品在中国大陆范围内1998-2015年间的干旱效用.结果表明:1)基于3B42V7计算的干旱指数总体上具有较高的精度,在中国东部大部分地区与基于降水实测数据的干旱指数相关系数均在0.8以上;2)基于西南和华北2个典型干旱发生地区的干旱时空变异评估结果表明,3B42V7能较为准确地反映干旱事件的发展过程和强度并能较好地捕捉干旱事件的空间模式,并且在大多数情况下单纯基于3B42V7数据计算的SPI指数即可满足干旱监测的要求;3)干旱事件识别能力评估结果表明,3B42V7产品能够较准确地识别和定位1998年以来的大范围干旱.TMPA产品能从时间和空间上刻画出中国大陆干旱的演变规律,适用于大尺度气象干旱的监测与评估.     

我国五大粮食主产区农业干旱态势综合研究

受气候变化影响,我国干旱灾害加剧,威胁国家粮食安全。对农业干旱态势进行综合评价分析,有助于清楚地掌握我国农业受旱程度的空间分布及区域差异。为评价我国五大粮食主产区农业干旱综合态势,本文提出了"作物干旱综合指数"概念及其计算方法。根据全国1982—2011年的日值气象数据及主要农作物分布数据,首先计算了不同作物水分敏感期的作物干燥度,进而采用面积加权综合法计算作物干旱综合指数,分别分析了各粮食主产区的作物受旱情况和综合农业干旱态势。结果表明:三江平原和松嫩平原农业干旱综合态势较为严峻,且三江平原的春小麦以及松嫩平原春小麦、玉米、水稻的受旱程度均不容忽视。黄淮海平原农业干旱态势为5区中最严重,特别是冬小麦旱情最重,一季稻及玉米以轻度和中度旱情为主。长江中游及江淮地区农业干旱综合态势以轻度干旱为主,冬小麦、早稻和晚稻种植区均呈现不同程度旱情,以中度及其以下为主,晚稻受旱较为明显。四川盆地农业综合旱情为5区中最轻,各作物中一季稻和玉米旱情较轻,而冬小麦种植区旱情相对比较严重。     

基于多源遥感数据的综合干旱监测模型构建

在全球气候变化越来越复杂的大背景下,准确监测华北粮食主产区的旱情对区域农业生产有重要的指导意义。以往的遥感干旱监测方法多侧重于监测土壤或植被等单一干旱响应因子,反映综合信息的能力较差,为此该研究使用中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)、热带降水测量计划(tropical rainfall measuring mission,TRMM)卫星等多源遥感数据,在综合考虑干旱发生发展过程中的土壤水分胁迫、植被生长状态和气象降水盈亏等因素的基础上,利用空间数据挖掘技术,构建综合干旱监测模型,并以山东省为例进行了试验验证。结果表明,模型监测出山东省近年来所经历的重大干旱过程与实际旱情一致,模型输出的旱情指标-综合干旱指数(synthesized drought index,SDI)与小麦的标准化作物单产变量的相关系数均大于0.7(P0.05);在小麦和玉米的生长期,综合干旱指数与作物受灾面积的相关系数在-0.67～-0.85之间,与标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)的相关系数在0.44～0.67之间,且通过了P0.01的极显著检验(3月份除外)。研究结果为综合评估区域干旱提供了一种新的方法。     

四川省伏旱及驱动因子多尺度分析

为研究四川这一复杂地形地貌背景区伏旱的多尺度特性,该文在已完成的2000—2015年7—8月四川省月尺度伏旱的遥感监测研究的基础之上,应用二维离散小波变换的方法,不仅分析伏旱多年平均状况及其演变趋势的多尺度特征,更对导致旱情发生发展的驱动因子进行多尺度的分解分析。结果表明:1)旱情多年平均状况在四川省各地貌类型背景区都以垂直方向(南北方向)的小波方差最大,体现出旱情沿区域垂直方向显著的空间分异特征。2)各地貌类型背景区多年平均伏旱状况的主导尺度的数量和范围不同。川东盆地主要存在5个主导尺度,且以中旱的5040.75km~2的宏观尺度最为突出,严重干旱和特大干旱等级区则以中观尺度(187.34、560.08 km~2)为主,集中体现在成都平原一带。高原与盆地过渡区主要存在3个主导尺度,亦以中旱的2 194.5 km~2的宏观尺度为主,严重或特大干旱等级则集中在160.51和418km~2的中观尺度的城市和建成区。川西高原则存在2个主导尺度,以9 487.5 km~2的宏观尺度无旱的常绿针叶林和混交林交错分布区为主。3)旱情演变趋势则表现为:川东盆地和高原与盆地过度区呈旱情加重趋势区都以中观尺度为主,而呈旱情减缓趋势区则都以宏观尺度为主,只存在尺度数量和具体值上的差异;川西高原则相反,加重趋势区以宏观尺度为主,减缓趋势区以中观尺度为主。4)三大地形地貌类型区在旱情演变趋势的主导因素方面表现出一致性,旱情加重趋势区的主导尺度以植被的衰退变化趋势为主,而旱情减缓趋势区的主导尺度则都以降水的增加趋势主导。