基于EOF的渭河流域干旱时空分布特征研究

【目的】探究渭河流域气象干旱的时空分布特征及演变规律,为该流域社会经济的可持续发展提供支持。【方法】以渭河流域1960-2016年20个气象站逐月降水量和月平均气温数据为基础,基于标准化降水蒸散指数定量描述干旱,并运用经验函数正交分析法(EOF)对渭河流域各站点组成的历史干旱指数矩阵进行分解,分离干旱场的时空分布结构;采用具有一定物理意义的互不相关的典型分布模态代替原干旱场研究流域干旱空间分布规律,采用典型分布模态对应的时间系数研究流域干旱的时间分布规律。【结果】渭河流域气象干旱场干旱指数矩阵分解得到的前5个特征值的累积方差贡献率达到86.44%,但仅前2个特征值通过了North显著性检验,累积方差贡献率接近75%;模态一时间系数的线性趋势斜率小于0,且通过了0.01显著性水平检验;模态一时间系数于1984年、1986年、1989年发生3次突变,到1996年达到0.05显著性水平。【结论】渭河流域气象干旱场存在全流域一致型和东南-西北反位相型两种空间分布模态,两种空间分布模态对应全流域干旱少雨、湿润多雨、东南湿润西北干旱、东南干旱西北湿润4种干旱表现形式;模态一时间系数有显著减小趋势,反映流域干旱化趋势日益显著,而模态二时间系数无显著变化。     

基于NDVI的渭河流域时空演变分析

基于渭河流域2010—2015年MODIS NDVI时序数据集,采用GRC趋势分析法、植被覆盖度估算,分析2010—2015年渭河流域NDVI的变化趋势,并对2010和2015年植被覆盖度的时空格局进行分析。结果表明,2010—2015年,渭河流域NDVI均值呈缓慢增加趋势,仅增加了2.7%。渭河流域植被覆盖度总体呈现由西北向东南逐渐增加的趋势,高覆盖区仍集中分布在渭河谷地及延安南部。2010—2015年中高覆盖和高覆盖区面积分别增加3.2%、9.3%,中低覆盖和中覆盖区面积分别减少6.7%、5.9%。轻微改善区主要分布在天水地区,轻度退化区主要分布在秦岭北麓以及延安南部,明显退化区分布在六盘山南麓以及关中地区。     

基于SPEI的陕北黄土丘陵区干旱特征及影响因素分析

为探讨陕北黄土丘陵区干旱特征及其影响因素,借助绥德2000-2014年逐日的气象数据,基于Hargreaves、Thornthwaite和Penman-Monteith蒸散模型及同一套降水资料计算,获得不同时间尺度(月、半年和年)3种标准化降水蒸散指数(SPEI),对比分析上述3种SPEI的差异并选取适宜于陕北黄土丘陵区的SPEI,而后采用SPEI分析干旱特征,并利用通径法分析气象因子对SPEI敏感性。结果表明:1)基于Penman-Monteith蒸散模型的SPEI(SPEI-PM)能够准确反映陕北黄土丘陵区干旱事件,与SPEI-PM相比,基于Hargreaves和Thornthwaite的SPEI值偏低,计算误差为0.26～0.38;2)干旱变化呈现减弱趋势,短时间尺度上(1和6个月)SPEI-PM值变化频繁,长时间尺度上(12、18和24个月)SPEI-PM值变化幅度小且变化周期长;3)在月、半年和年尺度上对SPEI-PM影响程度最大的气象因素分别为气温和相对湿度。     

渭河流域气象干旱向农业干旱的传播研究

为探究渭河流域不同子流域和土地利用类型的气象、农业干旱传播规律,基于研究区1980—2014年的气象数据,使用标准化降水指数和标准化土壤湿度指数分别表征气象干旱和农业干旱,采用皮尔逊相关系数和de Martonne干燥度指数,评估气象和农业干旱的传播时间和响应关系,并通过游程理论提取气象干旱与农业干旱历时、烈度,同时利用 Copula 函数度量气象干旱到农业干旱的传播阈值和农业干旱风险特征。结果表明:1)渭河干流和泾河流域气象干旱向农业干旱的传播时间为3个月,北洛河流域的干旱传播时间为2个月;2)水热条件变化对干旱传播有一定影响,这种影响沿干燥度梯度呈分段变化;3)不同子流域和土地利用类型的抗旱性不同,其中各子流域的草地及泾河、北洛河流域的林地干旱传播阈值较小,易发农业干旱;4)各分区气象干旱传播到农业干旱后历时延长、烈度增大,泾河、北洛河流域耕地的扩大作用最强。本研究可为评估不同干旱类型之间的响应关系,构建流域干旱预警系统提供新思路。     

基于逐日SPEI的陇东黄土高原干旱特征分析

利用陇东地区8个国家级气象站1969—2020年逐日气象资料,采用计算逐日SPEI干旱指数,统计干旱频率和干旱烈度,基于Copula函数等方法,分析了陇东黄土高原干旱气候特征。结果表明,陇东地区出现干旱次数较多的是正宁、宁县、庆城;特旱较多的是华池、镇原,重旱较多的是合水、宁县,中旱较多的是环县、庆城,轻旱较多的是庆城和正宁。极端干旱过程旱段期间各站降水量差异较大,表明干旱空间分布和时间变化有局地性特征。各站SPEI干旱指数的年月际变化基本为同位相波动特征,即大部分年份都是同时干旱或湿润,但是干旱和湿润的程度有一定时空差异。各站各年干旱出现次数差异较大,20世纪90年代和2004—2013年干旱多发。Copula模拟结果表明,正宁站的BB1模型拟合效果最好,Fischer-Hinzmann和Roch-Alegre模型次之,其次为镇原站Marshal-Olkin和庆城站的t模型,西峰站和合水站的模拟效果最差。分析发现,SPEI干旱指数使得干旱在空间和时间上具有可比性,但也有其局限性,难以反映不同气候背景条件下的干旱差异,区域内气候湿润度最大地区与最小地区的干旱指数无明显差异,导致对易发生...     

基于SPEI干旱指数的西北地区干旱时空分布

基于中国西北地区145个国家基本气象站1960—2017年逐月降水量数据和逐月平均气温数据,通过计算不同时间尺度下的逐月标准化降水蒸散发指数(SPEI),分析了不同时间尺度下的西北地区的不同季节、年际以及年代际下的干旱时空分布,并采用Mann-Kendall检验、小波分析以及样条函数空间插值等方法对西北地区57a的干旱...     

基于SPEI的东北地区农作物生长季干旱特征分析

利用1968—2017年东北地区89个站点的月值数据,采用Penman-Monteith模型计算了潜在蒸散,进而计算出标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI).分析多尺度SPEI与作物因旱受灾面积的相关关系,结果表明,8月份的4个月尺度SPEI与受旱面积的关系最为密切,故以此代表东北地区农作物生长季干旱.对东北地区生长季SPEI进行突变和趋势分析,发现以1983年为突变点由干转湿,且总体上呈现出湿润化的趋势.月时间尺度的SPEI表明,除9月份出现干旱化趋势且不显著外,其他月份均呈现变湿趋势,其中4和10月份湿润化显著.空间上,大部分区域表现为SPEI增加的趋势,其中SPEI显著增加区域主要分布在东北中西部地区,SPEI减小的站点主要分布在南部区域,但均未通过0.05的显著性检验.生长季不同月份干旱的高发区各不相同.     

基于标准化降水蒸散指数研究干旱对北京地区作物产量的影响

利用华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植典型区域北京地区1962—2011年逐月降水、温度资料计算多尺度标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI),分析干旱对作物产量的影响。结果显示:1)在过去50年内,SPI与SPEI所评判的干旱演变有巨大的不同,SPEI对气候变暖的响应是造成上述现象的主要原因。2)1990—2011年干旱指数与作物产量的关系显著(P<0.05),短时间尺度的SPI₃-8和SPEI₃-8与玉米气候产量呈曲线关系,所建立的回归方程可以解释60.0%和60.1%的玉米产量变异,适宜的干湿状态在-0.8到3.2(SPI)和-0.9到2.1(SPEI)之间。3)长时间尺度的SPI₂₄-5和SPEI₂₄-5与冬小麦气候产量呈线性相关,可以解释其51.8%和51.2%的产量变异。研究结果符合北京地区玉米以雨养为主、冬小麦以地下水补灌为主的实际情况。4)利用12或24个月尺度的干旱指数判断区域水分状况,可以帮助决断冬小麦返青后的灌水次数和灌水量,在防范产量风险的同时,提高水资源的利用效率。本研究表明,选择适合的时间尺度和月份的SPI和SPEI可以用来评价华北平原旱涝状况对农业生产的影响。降水量缺乏仍然是导致北京地区作物减产的主要因素。但华北平原由于气温升高导致干旱化的趋势明显,未来研究华北平原干旱对作物产量的影响,需更加注重运用综合了降水和蒸散因素的干旱指数,以提高评价干旱对产量影响的准确性。     

基于SPEI的新疆干旱变化特征分析

以新疆55个国家气象站1961—2015年逐日气温和降水数据,采用季尺度下的标准化降水蒸散指数(SPEI),以国家划分的气象干旱等级为判别标准,分析新疆干旱过程。结果表明,近55年新疆轻旱次数呈西北多东南少的趋势分布;中旱次数呈西北和东北多、南部偏少的趋势;重旱次数呈准噶尔盆地、吐鲁番盆地和塔里木盆地东部干旱次数偏高,其余地区较低的分布趋势;特旱次数呈南多北少的分布趋势。近55年新疆干旱影响范围及干旱强度极差较大,且两者呈正相关。农作物平均受灾率与影响范围年际变化具有较高的一致性。通过REOF时空分布将新疆分成3个模态：第一模态呈北疆与南疆相反格局的特征;第二模态高值区位于北疆北部,负值区位于新疆西南部;第三模态表现为新疆东西部呈相反格局的状态。各模态干旱强度随时间变化趋势也不同。     

基于3种干旱指标的天水地区干旱演变特征分析

利用1971—2011年天水地区河谷、渭北、关山区3个代表点的气象站资料,以湿润度指数(Mi)、标准化降水指数(SPI)、降水距平百分率(Pa)3种干旱监测指标及等级划分为基础,对天水各气候区的春、夏、秋3个主要作物生长时段干旱气候演变特征进行分析。结果表明,天水春季(3—5月)出现干旱灾害的气候风险最大,各气候区10年中有6~8年出现干旱,中旱以上干旱河谷区10年中有4~5年、渭北区有5~6年、关山区有2~4年出现;夏季(6—8月)干旱风险次之,各气候区10年中有6~7年出现干旱,中旱以上干旱河谷区10年中有2~4年、渭北区有2~3年、关山区有2~4年出现;秋季(9—10月)各等级干旱气候风险出现均较小。各季干旱风险主要出现在20世纪90年代初以后。     

陕西渭河流域一次区域性暴雨天气过程分析

利用陕西省自动站降水资料和NECP/NCAR再分析资料,对2016年8月24—25日渭河流域暴雨天气进行分析。结果表明：本次暴雨天气是在副高异常强大的情况下发生的,对流层中层冷空气的扩散,低层切变线及地面冷锋时本次暴雨的主要天气系统;流域西部暴雨主要受能量锋及高能区系统影响,以雷电、暴雨为主,中东部受能量锋过境影响,以大风及暴雨天气为主;对流层低层的东北急流为本次暴雨天气提供了水汽主要来源,东北急流与偏南风的交馁造成渭河流域辐合加强,使得短时强降水的产生成为可能;暴雨区散度场从低到高呈现明显的辐合-辐散双重结构,有利于中尺度对流系统的形成和维持;暴雨区垂直速度场出现上升—下沉—上升—下沉分布,当最大值高度值依次降低,有利于对流的发展和维持,最大值高度值呈同一高度分布时对流逐渐减弱。     

1965—2015年海河流域干旱时空变化特征分析

基于海河流域1965-2015年月降水和气温数据,利用标准化降水蒸发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)、Mann-Kendall检验和经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, EOF)分析等方法,分析海河流域干旱时空特征。结果表明:1)就时间变化来看,年、春、夏季SPEI序列呈干旱化趋势,秋季呈湿润化趋势,仅夏季干旱变化通过了0.05显著性检验。年、季干旱发生频率表明春旱显著,各年代干旱站次比表明近51年来干旱范围有所增加。2)就空间变化来看,中等干旱在年、夏季集中于永定河系的东部、大清河系及北三河系,春、秋季集中于滦河河系、大清河系及漳卫河系的西部;轻度干旱在年、春、夏季集中于滦河河系、北三河系、大清河系,秋季集中于永定河系、子牙河系及漳卫河系。年、春、夏季在流域范围内呈干旱化趋势,秋季在永定河系、大清河系、北三河系及滦河河系呈湿润化趋势。3)就空间模态来看,近51年来海河流域第一模态的年、季主要时空分布型为全流域一致型,第二模态的年、夏、秋季主要时空分布型为南部-北部反向分布型,春季呈西北部-东南部反向分布型。     

基于不同旱情指数的石羊河流域春旱监测研究

【目的】 对石羊河流域的旱情进行监测,找出更能体现区域旱情变化趋势和适宜石羊河流域的监测指数,为业务化干旱监测打好基础,提供科学手段,也为该区农业生产和防灾减灾提供决策依据。【方法】 文章基于HJ-1A/B的CCD和IRS数据,针对2018年石羊河流域出现的一次较为严重的春旱,采用3种遥感旱情监测指数（TVDI、VSWI、VHI）进行监测,并结合实测土壤湿度进行相关性分析并建立模型。【结果】 3种指数均能反映出研究区域旱情的发生发展及变化过程。其中,3—4月VSWI指数与土壤湿度的相关性最高,相关系数分别为-0.85（P<0.001）和-0.89（P<0.001）;5月旱情缓解后,TVDI指数与土壤湿度的相关性高于VSWI和VHI指数,相关系数为-0.76（P<0.001）。将监测点划分为水浇地和旱地两种类型,TVDI指数适用于反演水浇地的土壤墒情;对于旱地类型,3种指数均可以用来反映旱地土壤墒情。建立土壤湿度与3种遥感指数的关系模型,3—4月VSWI指数建立的模型调整后的R²最高,分别为0.72和0.79,模型的平均绝对误差和均方根误差均低于10%。5月旱情得到缓解后,TVDI指数建立的模型调整后的R²在0.58以上,高于VSWI和VHI指数。【结论】 TVID指数更适用于墒情较好的区域进行土壤湿度的反演,VSWI指数则适合在干旱时期进行干旱监测和反演土壤湿度。     

渭河流域长时间序列NPP估算及时空变化特征分析

植被净初级生产力（net primary production,NPP）是生态系统碳循环及能量流动的关键参数,也是生态系统可持续发展的重要生态指标,分析植被NPP的时空变化特征对于区域碳循环研究具有重要意义。利用MODIS反射率数据（MOD09A1）、MODIS NDVI数据（MOD13A3）,基于CASA模型估算2001-2018年渭河流域植被NPP,分析植被NPP的时空变化特征,并探讨不同植被类型间NPP的差异性以及高程变化对植被NPP的影响。研究表明:1）2001-2018年,渭河流域植被NPP总体呈波动式增加趋势,年均NPP处于292.59~444.90 gC·m²,年际增加速率为6.23 gC·m²;流域植被NPP具有明显的空间异质性,表现为中东部的六盘山、子午岭和南部秦岭等地区较高,西部和北部的黄土高原地区较低。2）18 a来,除常绿针叶林外,其余植被类型NPP均呈增加趋势。不同植被类型的年均NPP的差异表现为落叶阔叶林（625.70 gC·m²）>常绿针叶林（390.16 gC·m²）>草地（368.49 gC·m²）>农田（344.65 gC·m²）>灌丛（340.17 gC·m²）。3）不同地形条件下植被NPP具有一定差异性,在900~1 300 m（农田、山地落叶小叶林）,植被NPP最高;1 700~1 900 m及3 500 m以上区域（稀树灌木草原、灌木）,植被NPP最低。     

渭河流域径流年内分配变化规律分析

在气候变化以及人类活动的影响下,河川径流的年内分配特征发生着相应的变化,直接影响水资源的开发利用以及生态系统的健康。以渭河流域上游北道站、中游咸阳站和下游华县站40多年的实测月径流资料为基础,研究了渭河流域径流年内分配的变化规律。通过计算径流年内分配不均匀性、集中程度、变化幅度等指标发现,渭河流域径流量具有显著的洪枯季节变化;20世纪90年代的径流年内分配特征出现了较大的变化,突出表现在汛期径流量的减少;径流年内分配的多项指标显示,渭河下游华县站的不均匀性、集中度及变化幅度均高于上中游的北道站和咸阳站。     

渭河流域水污染现状分析与治理对策

根据国家环保部门公布的数据,对渭河流域陕西段2005～2009年5年的水体分析,结果表明,水体的COD含量优于国家I类地表水标准,但是,氨氮指标和溶解氧的指标超标,最根本的原因是水体氨氮含量过大,进而耗费水中的氧,使溶解氧的指标下降。提出了对已建的污水处理工厂,应用生物脱氮技术和物理化学处理技术对氨氮进行深度处理,并将氨氮作为考核出水的主要指标,同时,应该对生活污水进行集中处理。     

渭河水体磷素富营养化状况研究

对渭河(杨凌段)水体的营养水平(主要是以磷为主)进行了调查研究。结果表明,渭河水体TP浓度为0.18￣1.47 mg.kg-1;平均为0.63 mg.kg-1,说明渭河水体TP已经开始富集了。在TP中,PP和DOP占TP的百分数明显比MRP所占的分值高。渭河水体的PP含量为0.056￣1.28 mg.kg-1,平均0.37 mg.kg-1,占TP的10.92%￣87.34%;DOP含量为0.033￣0.33 mg.kg-1,平均为0.15 mg.kg-1,占TP的2.25%￣62.64%;MRP含量为0.017￣0.39 mg.kg-1,平均为0.12 mg.kg-1,占总磷的3.17%￣60.75%。     

陕西省渭河流域综合用水水平分析与评价

［目的］探讨了陕西省渭河流域的生活用水、工业用水、农业用水及综合用水水平,以期加强陕西省渭河流域水资源管理和实现水资源的可持续利用。［方法］运用多目标、多层次决策方法,建立模糊综合评判模型,评价了综合用水水平。［结果］陕西省渭河流域综合用水水平整体不高,制约了渭河流域社会经济可持续发展。［结论］要实现渭河流域水资源的可持续利用,需要科学合理地开发利用水资源,合理配置有限的水资源。     

渭河平原2 205年旱涝灾害发生规律及演变特征分析

【目的】分析渭河平原旱涝灾害的演变特征及趋势,为区域防灾减灾措施的制定提供依据。【方法】基于旱涝灾害史料,重建渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱涝灾害等级序列,通过绘制旱涝灾害等级图谱,统计不同时间段灾害的分布及持续性规律,并利用累积距平法、滑动T检验法结合小波分析法探究旱涝灾害的阶段性和周期性特征。【结果】2 205年内渭河平原共有796年发生了各类洪涝灾害,旱灾发生总频次为480年,高于涝灾的316年,且旱涝交替现象明显,但近200年旱灾的发生频率有所下降,涝灾则呈上升趋势;2 205年中连旱灾害发生总频率高于连涝灾害,但连涝灾害的发生频率在近300年有增强趋势;旱涝灾害序列可划分为2个干旱期和2个洪涝期,且干旱期的最长持续时间为997年,远高于洪涝期的484年;旱涝灾害在全时间尺度上,存在24年、67～76年、92年和178～198年的显著周期。【结论】渭河平原2 205年的历史中,旱涝灾害发生频繁,且旱涝灾害序列具有明显的阶段性和周期性。     

渭河距今70年以来洪水演变研究

根据咸阳渭河河漫滩剖面上48个样品的激光粒度分析,研究了咸阳渭河距今70年以来的洪水深度、洪水变化阶段和气候变化。资料表明,距今70年以来,咸阳渭河河漫滩沉积物厚度为91cm左右,成分主要为粗粉砂和极细砂,共包括9个明显的沉积层。这9个沉积层清楚地反映了9个大洪水阶段,而且渭河流域的降水量呈逐渐减少趋势,气候趋于干旱。