华东地区干旱灾害时空演化特征研究

针对国内外现有干旱应用研究往往忽略所采用模型与方法对研究结果存在的影响这一研究缺陷。利用我国中东部地区42个气象监测站点1961-2011年的降水资料,选用SPI指数对比分析了1月、3月、6月、12月四个时间尺度下中东部地区代表站点和月份的时空演化特征。结果表明:(1)不同时间尺度下研究区轻、中、重度干旱出现的时间和概率差异较大,无明显变化规律,但在中度干旱代表站点呈现出总体趋势一致的情况;(2)不同时间尺度下研究区各等级干旱空间分异明显,在中度干旱代表月份呈现出随时间尺度扩大的突变特征,在轻度和重度干旱代表月份,均表现为1月时间尺度下各等级干旱范围变化较大,3月、6月和12月时间尺度下几乎零面积干旱的特征。文中研究在证实区域干旱时空演化特征会随着所选SPI指数时间尺度变化而改变的同时,也肯定了在今后干旱应用研究中开展评估方法本身稳定性和适用性分析的必要性与意义。     

不同时间尺度条件植被温度指数干旱监测方法的适用性分析

以陕西省关中平原为研究区域,选取2003—2013年3—5月的Aqua-MODIS遥感数据、降水量和土壤含水量数据,探究10 d、16 d、32 d和48 d时间尺度条件植被温度指数(VTCI)干旱监测方法的适用性。结果表明:随着时间尺度增大,VTCI与降水量和土壤含水量的相关性均逐渐减小,说明VTCI干旱监测方法的适用性随时间尺度的增大而减小,且48 d时间尺度VTCI不适用于监测某一地区的受旱程度。不同时间尺度VTCI干旱监测结果的对比分析表明,旬尺度VTCI干旱监测的准确性最高。     

南小河沟流域干旱特征

黄土高原地区生态环境脆弱,干旱的发生严重影响该地区农业生产和经济发展。选用1970—2012年南小河沟流域的降雨资料,使用标准化降雨指数(SPI)对干旱进行描述。对该流域内年及季节尺度SPI序列进行Mann-Kendall检验,并对所建立的不同时间尺度的季节性交乘趋势模型进行验证。结果表明:流域内出现干旱的频率为48.84%,年际SPI变化剧烈,整体向干旱化方向发展。春季干旱有明显的分阶段特征;夏季干旱变化趋势不显著;除1975年以外,秋季干旱变化趋势也不显著;冬季的干旱程度变化比较稳定,主要集中在无旱和轻旱等级之间。季节性交乘趋势模型在年干旱以及秋、冬季干旱评估中效果良好,干旱等级预测合格率均达到71.43%,模型在对干旱等级的分析出现错估时,有向中旱水平辐射的强烈趋势。     

基于CEEMD的LSTM和ARIMA模型干旱预测适用性研究 ——以新疆为例

干旱的频繁发生对农业生产和经济发展造成了不可忽视的危害，准确预测干旱的发生具有重要的现实意义。基于1960—2019年新疆气象站点的逐日降水量数据，计算1、3、6、9、12个月及24个月时间尺度的标准化降水指数。建立差分自回归移动平均模型（Autoregressive Integrated Moving Average,ARIMA）、长短期记忆网络（Long Short-Term Memory,LSTM）、互补集合经验模态分解（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD）-ARIMA组合模型和CEEMD-LSTM组合模型。通过4种模型对多时间尺度SPI序列进行预测，确定各模型在干旱预测中的适用性。结果表明：（1）4种模型的预测精度均随时间尺度的增加而逐渐提高，在24个月时间尺度时达到最高；（2）CEEMD能够有效平稳时间序列，各时间尺度下，组合模型均达到了较高的预测精度，相较单一模型更适用于干旱预测；（3）4种模型预测结果精度由低到高分别为：LSTM、ARIMA、CEEMD-LSTM、CEEMD-ARIMA（决定系...     

ARIMA-SVR组合模型在基于标准化降水指数干旱预测中的应用

开展干旱预测是有效应对干旱风险的前提基础,本研究利用1951—2017年河南省郑州气象站点逐日降水量数据计算多尺度标准化降水指数(SPI),并建立了SPI序列自回归移动平均模型(ARIMA)和自回归移动平均与支持向量机回归组合模型(ARIMA-SVR),对模型参数进行率定和验证后,利用所建立的模型对河南省郑州气象站点多尺度SPI值进行预测。借助均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)对回归预测模型的有效性进行判定。结果表明:ARIMA-SVR组合模型在SPI1(1个月)和SPI12(12个月)的RMSE值分别为80.05和0.74,均低于ARIMA模型的92.25和1.24,说明ARIMA-SVR组合模型与单一的ARIMA模型对SPI的预测精度都与该指数的时间尺度长短有关,都随时间尺度的增加而逐渐提高;SPI12的两种模型预测精度均高于SPI1、SPI3(3个月)和SPI6(6个月)的预测精度。用实测数据与模型的预测数据相比较说明ARIMA-SVR组合模型相比于单一ARIMA模型预测精度更高,且能够很好拟合不同时间尺度的标准化降水指数。     

渭河流域干旱指标空间分布研究

基于月降水数据,运用干旱指标研究渭河流域的干旱特征。以西安站为例,详细对比了Z指数与SPI计算结果的一致性和差异;分别采用1、3、6、9、12个月和24个月时间尺度SPI分析了该站历史旱涝状况及持续时间,并探讨了其季节旱涝特征。计算了渭河流域1995年11月不同时间尺度的SPI值,并绘制了相应的空间分布图。结果表明：多时间尺度SPI[WTBZ]能够反映出降水的分散情况,并给出降水量区间与干旱指标的对应关系,是进行旱涝监测和预报的一种有效手段;发生于1995年的渭河全流域干旱具有季节性和多年特征,干旱程度总体上由东南部向西北部递减。     

基于EMD的我国受旱面积波动的多时间尺度的分析

我国是一个干旱及旱灾频繁发生的国家,近年来干旱已成为影响我国社会经济可持续发展的重要制约因素。文中应用经验模态分解(EMD)方法分析了1950-2006年全国干旱灾害受灾面积波动情况。结果表明:(1)干旱灾害受灾面积存在准3年、准8.5年、准14年左右特征时间尺度的周期性波动;(2)各时间尺度的周期性振荡的贡献率中以准3年时间尺度的受灾面积振荡的贡献最大,说明干旱灾害受灾面积波动以准3年时间尺度为主;(3)从各时间尺度的振荡来看,大致分三个阶段,80年代中期以前,干旱灾害受灾面积的波动频率较慢,周期长,振幅大;80年代中期以后,波动频率变快,周期缩短,振幅减小;而90年代中期之后,振幅又有所增加。从各时间尺度振荡的趋势看,干旱灾害受灾面积仍处在增加阶段;而且近年来干旱灾害受灾面积振荡的幅度增大,说明干旱灾害强度加剧,频度增加。因此,应认识和了解旱灾发生和发展规律,并进行有效的防治,尽可能减小旱灾对社会经济发展造成的损失。     

4种干旱指标在华北地区气象干旱监测中的适用性分析

采用华北地区1961—2016年69个气象站点常规观测资料,通过选取特殊气象代表站点,选用CI、SPEI、SPI及Z指数分别计算了1、3、12个月时间尺度气象干旱,并与气象干旱发生实况进行对比分析。结果表明：（1）CI计算的华北地区不同区域各时间尺度气象干旱发生频率均较实际明显偏高7%~14%,Z指数计算的发生频率均较实际明显偏低6%~12%,SPI计算的部分区域季时间尺度气象干旱发生频率也明显偏低6%左右;（2）根据华北地区9个代表气象站点计算出的4种干旱指标对比干旱发生实况统计数据,结果显示在4个研究分区中,SPEI指数表征的干旱发生状况与实际吻合率最高,分别为57.41%、60.78%、57.06%和66.99%,与实际干旱发生状况吻合程度最低的是Z指数,4个研究分区的吻合率分别为40.85%、34.94%、41.56%和38.24%。研究表明,SPEI表征各种时间尺度气象干旱发生效果最好,Z指数效果最差。因此,选用SPEI能较准确地表征华北地区气象干旱年际变化及突变检测、时间分布、空间分布、干旱发生强度、不同等级干旱分布等特征。     

新乡市近60年降水序列变化规律及干旱预测

新乡市属严重缺水地域,近年来干旱的加剧使水资源短缺问题更加突出,严重制约了区域社会经济的发展。因此,对该地区进行降水序列的分析以及干旱的预测显得尤为重要。利用新乡市1953-2010年的年降水量资料,采用一元线性回归法和Mann-Kendall法分析新乡市降水的时间变化规律,结果表明：该地区近60年来年降水量呈减少的趋势,干旱发生频率有增加的趋势。以1953-2000年的年降水量资料为建模数据,2001-2010年的年降水量资料为检验数据,运用灰色系统的灰色预测方法,建立新乡市的灰色预测GM（1,1）模型,对该地区未来一定时期内干旱发生的时间进行预测,经检验该预测模型精度高,检验结果与实际相符,故可用该模型对新乡市未来的干旱年进行预测。预测结果显示,新乡市将在2012-2013、2020-2021、2028-2029年期间发生干旱。     

秃尾河流域降水量权马尔可夫链模型预测研究

针对降水过程存在着大量不确定性、不精确性的特点,采用均值-标准差分级法将降水量分为雨涝、偏涝、正常、偏旱和干旱5个状态;针对降水量为相依随机变量的特点,采取规范化的各阶自相关系数为权重,用加权马尔可夫链模型预测未来降水的变化状况;最后以黄河中游秃尾河流域为例对该方法进行了检验,分析了其未来情况下降水的可能变化趋势.结果表明,2002年秃尾河流域降水量预测状态与实际相吻合.     

Drought monitoring and reliability evaluation of the latest TMPA precipitation data in the Weihe River Basin,Northwest China

The high resolution satellite precipitation products bear great potential for large-scale drought monitoring, especially for those regions with sparsely or even without gauge coverage. This study focuses on utilizing the latest Version-7 TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis(TMPA 3B42V7) data for drought condition monitoring in the Weihe River Basin(0.135×106 km2). The accuracy of the monthly TMPA 3B42V7 satellite precipitation data was firstly evaluated against the ground rain gauge observations. The statistical characteristics between a short period data series(1998–2013) and a long period data series(1961–2013) were then compared. The TMPA 3B42V7-based SPI(Standardized Precipitation Index) sequences were finally validated and analyzed at various temporal scales for assessing the drought conditions. The results indicate that the monthly TMPA 3B42V7 precipitation is in a high agreement with the rain gauge observations and can accurately capture the temporal and spatial characteristics of rainfall within the Weihe River Basin. The short period data can present the characteristics of long period record, and it is thus acceptable to use the short period data series to estimate the cumulative probability function in the SPI calculation. The TMPA 3B42V7-based SPI matches well with that based on the rain gauge observations at multiple time scales(i.e., 1-, 3-, 6-, 9-, and 12-month) and can give an acceptable temporal distribution of drought conditions. It suggests that the TMPA 3B42V7 precipitation data can be used for monitoring the occurrence of drought in the Weihe River Basin.     

渭河流域多尺度干旱时空特征分析

基于渭河流域23个气象站1959—2014年的实测资料,对比分析了标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)在渭河流域的适用性,得出SPEI的稳定性更佳。继而采用标准化降水蒸散指数(SPEI)研究该流域干旱发生频率与干旱强度,分析了近55年渭河流域不同时间尺度干旱的时空变化特征。结果表明:尺度越大,SPEI波动的幅度越小。渭河流域SPEI在1991年发生突变,1991年后干旱加剧,干旱的发生存在14 a和7 a左右周期变化。年尺度干旱的发生频率呈东高西低的分布,中度以上干旱频率最高的地区为西吉、武功和天水周边,频率分别为14.28%、14.28%、12.5%;季尺度上整体的秋旱相比其它季节的干旱发生频率高,中度以上春、秋、冬三季干旱发生的频率天水盆地均最高,频率分别为21.4%、19.6%和8.9%,中度以上夏季干旱发生频率最高的是平凉,其频率为16.1%;月尺度上干旱强度的分布总体上是由东向西减小,其中干旱强度最大的是南部佛坪地区,干旱强度为30%,天水和海源地区近55年发生连续干旱过程的次数最多,可达22 a,该过程中连续干旱的月数大多为3~4个月,而吴旗站存在一次长达9个月的持续干旱过程。     

多尺度标准化降水指数的ARIMA模型干旱预测研究

采用关中地区39 a的月平均降水量数据,计算了该地区不同时间尺度的标准化降水指数(SPI)值,运用ARIMA模型对SPI序列进行分析建模,并进行12步预测。结果表明,ARIMA模型对所有时间尺度的SPI 3、6、9序列可进行精度在10%以下的1步预测,对SPI 12、24序列可进行平均精度在10%以下的9步预测,说明ARI-MA模型较适合SPI 3、6、9序列的短期预测,适合SPI 12、24序列的长期预测。     

近50年陇东黄土高原干旱特征及未来变化趋势分析

基于陇东黄土高原近50 a平均逐月降水和气温数据,以标准化降水蒸散发指数(SPEI)作为干旱评价指标,采用线性趋势方法、Mann-kendall突变分析法,小波分析法、R/S分析法,马尔科夫预测模型分析了陇东黄土高原近50 a来干旱变化周期特征及变化趋势,预测了未来干旱趋势和发生的概率。研究显示:近50 a陇东黄土高原SPEI线性倾向率小于0,整体呈干旱化趋势,陇东黄土高原干旱变化的突变点在1993年左右;通过小波分析,年际尺度的SPEI存在19、11、7、4、2 a的主周期,月尺度的SPEI存在17、25、35、10、6个月主周期;SPEI12的Hurst值0.640.5,自相关系数Rt0,在未来一段时间内干旱化趋势将会持续;通过Markov预测分析,干旱状态演变过程中干旱极端化现象的概率会增多,严重干旱状态的持续性将增强。     

山西南部季节性干旱特征及综合防御技术

采用标准化降水指数(SPI)为干旱指标,计算了山西省运城市49年(1958—2007年)各月干旱指数,并在此基础上分析了山西南部地区季节性干旱特征。研究表明,干旱强度与干旱频率在不同年代际表现特征不同。与运城地区49年同期均值相比,进入20世纪90年代后,春旱发生频率、干旱强度分别提高了29.0%、5.1%;夏旱发生频率提高41.9%,干旱强度下降了7.4%;秋旱发生频率下降了23.8%,干旱强度提高了7.7%;冬旱发生频率下降了26.6%,干旱强度下降了37.5%。干旱的季节性特征为春旱和夏旱有加重趋势,秋旱和冬旱有减弱趋势。春旱(3—5月)和伏旱(7—8月)作为可预见性干旱,可采用土壤墒情监测、干旱预警、制定系统性抗旱措施等综合防御技术。对于不可预见类型干旱,可采用建立抗旱水源、储备抗旱机械等策略。     

Estimation of spatial and temporal changes in net primary production based on Carnegie Ames Stanford Approach (CASA) model in semi-arid rangelands of SemiromCounty,Iran

Net primary production (NPP) is an indicator of rangeland ecosystem function. This research assessed the potential of the Carnegie Ames Stanford Approach (CASA) model for estimating NPP and its spatial and temporal changes in semi-arid rangelands of Semirom County, Iran. Using CASA model, we estimated the NPP values based on monthly climate data and the normalized difference vegetation index (NDVI) obtained from the MODIS sensor. Regression analysis was then applied to compare the estimated production data with observed production data. The spatial and temporal changes in NPP and light utilization efficiency (LUE) were investigated in different rangeland vegetation types. The standardized precipitation index (SPI) was also calculated at different time scales and the correlation of SPI with NPP changes was determined. The results indicated that the estimated NPP values varied from 0.00 to 74.48 g C/(m²?a). The observed and estimated NPP values had different correlations, depending on rangeland conditions and vegetation types. The highest and lowest correlations were respectively observed in Astragalus spp.-Agropyronspp. rangeland (R²=0.75) with good condition and Gundeliaspp.-Cousiniaspp. rangeland (R²=0.36) with poor and very poor conditions. The maximum and minimum LUE values were found in Astragalus spp.-Agropyronspp. rangeland (0.117 g C/MJ) with good condition and annual grasses-annual forbs rangeland (0.010 g C/MJ), respectively. According to the correlations between SPI and NPP changes, the effects of drought periods on NPP depended on vegetation types and rangeland conditions. Annual plants had the highest drought sensitivity while shrubs exhibited the lowest drought sensitivity. The positive effects of wet periods on NPP were less evident in degraded areas where the destructive effects of drought were more prominent. Therefore, determining vegetation types and rangeland conditions is essential in NPP estimation. The findings of this study confirmed the potential of the CASA for estimating rangeland production. Therefore, the model output maps can be used to evaluate, monitor and optimize rangeland management in semi-arid rangelands of Iran where MODIS NPP products are not available.     

Response of hydrological drought to meteorological drought in the eastern Mediterranean Basin of Turkey

The hydrographic eastern Mediterranean Basin of Turkey is a drought sensitive area. The basin is an important agricultural area and it is necessary to determine the extent of extreme regional climatic changes as they occur in this basin. Pearson's correlation coefficient was used to show the correlation between standardized precipitation index(SPI) and standardized streamflow index(SSI) values on different time scales. Data from five meteorological stations and seven stream gauging stations in four sub-basins of the eastern Mediterranean Basin were analyzed over the period from 1967 to 2017. The correlation between SSI and SPI indicated that in response to meteorological drought, hydrological drought experiences a one-year delay then occurs in the following year. This is more evident at all stations from the mid-1990 s. The main factor causing hydrological drought is prolonged low precipitation or the presence of a particularly dry year. Results showed that over a long period(12 months), hydrological drought is longer and more severe in the upper part than the lower part of the sub-basins. According to SPI-12 values, an uninterrupted drought period is observed from 2002–2003 to 2008–2009. Results indicated that among the drought events, moderate drought is the most common on all timescales in all sub-basins during the past 51 years. Long-term dry periods with moderate and severe droughts are observed for up to 10 years or more since the late 1990 s, especially in the upper part of the sub-basins. As precipitation increases in late autumn and early winter, the stream flow also increases and thus the highest and most positive correlation values(0.26–0.54) are found in January. Correlation values(ranging between –0.11 and –0.01) are weaker and negative in summer and autumn due to low rainfall. This is more evident at all stations in September. The relation between hydrological and meteorological droughts is more evident, with the correlation values above 0.50 on longer timescales(12-and 24-months). The results presented in this study allow an understanding of the characteristics of drought events and are instructive for overcoming drought. This will facilitate the development of strategies for the appropriate management of water resources in the eastern Mediterranean Basin, which has a high agricultural potential.