基于作物水分亏缺指数的黄淮海平原夏玉米全生育期干旱分布特征

黄淮海地区是夏玉米主产区,又是受旱最严重的地区之一,明确该区域干旱发生规律,采取相应防灾减灾措施对粮食保产具有重要意义。利用黄淮海地区1981−2015年76个气象站点数据,以作物水分亏缺指数（CWDI）作为干旱指标,根据《北方夏玉米干旱等级》标准对各区域进行干旱等级划分,并计算干旱发生频率和影响范围,通过ArcGIS实现站点数据的空间插值,分析该区域夏玉米干旱时空演变规律。结果表明：（1）1981−2015年夏玉米各生育期内CWDI总体表现为先下降后上升的趋势,播种−出苗期和抽雄−乳熟期干旱发生频率最高,2011−2015年夏玉米干旱有加重趋势,其中河北南部、河南北部及山东夏玉米生育期内CWDI值最高;（2）黄淮海地区夏玉米生长季以轻旱为主,其次是中旱,重旱和特旱发生频率较低,研究区域干旱发生频率北部高于南部,西部高于东部,河南、河北、山东大部、安徽和江苏受干旱影响较大。（3）播种−出苗期特旱站次比最高,其余生育阶段均为轻旱站次比最高。     

气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征(Ⅱ):西北主要粮食作物干旱

基于中国西北地区1961-2010年149个气象站点逐日气象资料及春小麦、春玉米和夏玉米生育期资料,采用作物水分亏缺指数(CWDI)为作物干旱指标,明确了研究区域内3种作物干旱的空间分布特征和时间演变规律。研究结果表明:(1)3种作物生长季内及各生育阶段,干旱发生频繁,尤以特旱和重旱发生范围广、频率高,轻旱和中旱多发生在研究区域东部,甘肃南部和陕西南部等个别地区干旱发生频率相对较小。(2)春小麦生长季内干旱发生站次比为79.1%,春玉米生长季内干旱发生站次比为84.5%,夏玉米干旱发生站次比为77.4%;夏玉米生长季内站次比波动较小,春小麦和春玉米波动较大。总体而言,研究时段内春小麦生长期干旱发生站次比呈减小趋势,降幅为每10a减少0.55个百分点,春玉米和夏玉米干旱站次比呈增加趋势,增幅分别为每10a增加0.24个百分点和0.20个百分点。(3)研究区域东部春小麦和春玉米各生育阶段干旱强度呈增加趋势,西部呈下降趋势;夏玉米干旱强度在陕西北部、宁夏和河西走廊呈增加趋势,其它地区多为降低趋势。     

气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征(Ⅲ):华北地区夏玉米干旱

基于1961-2010年华北地区36个气象站点气象观测资料和1981-2010年23个农业气象观测站夏玉米生育期资料,以作物水分亏缺指数(CWDI)为农业干旱指标,分析华北地区夏玉米各生育阶段干旱的空间分布特征及其年代际演变趋势。结果表明:华北地区夏玉米不同生育阶段以轻旱最明显,播种-拔节阶段,大部分地区轻旱发生频率为5a一遇(20%)至3a一遇(33%);拔节-抽雄阶段,干旱空间分布特征表现为:轻旱主要集中在河北、河南、山东三省交界区域,发生频率在5a一遇至3a一遇;抽雄-成熟阶段,轻旱集中在河北中部,发生频率在3a一遇以上。全生育期轻旱主要集中在河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部,干旱频率在3a一遇以上。1961-2010年,华北夏玉米生长季以播种-拔节阶段和抽雄-成熟阶段发生干旱的年份最多,以20世纪90年代干旱站次比最高;比较过去50a干旱演变趋势,以抽雄-成熟阶段山东东南部和河北东部区域干旱强度增加明显。研究结果说明夏玉米各等级干旱频率以轻旱最为明显,各生育阶段以播种-拔节、抽雄-成熟阶段发生干旱的频率较高;全生育期以轻旱的发生频率较高,干旱中心为河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部,发生频率为3a一遇(33.3%)以上。夏玉米生长季全区域干旱主要发生在播种-拔节和抽雄-成熟阶段,该阶段发生干旱的范围最广。此外,不同生育阶段的干旱强度变化表现为河北北部干旱强度增加,河南南部干旱强度减小。     

不同干旱指数集对1961-2009年东北地区干旱描述的比较

利用标准化降水蒸散指数（SPEI_TH,SPEI_PM）和自适应帕尔默干旱指数（scPDSI_PM）数据集,辅以气候倾向率、M-K统计检验方法,对比分析了1961—2009年东北地区干旱时空变化特征,并对各指数集描述的东北地区典型干旱年与实况进行了比较。结果表明:1961—2009年东北地区总体表现出变干的趋势,其中SPEI_TH显示的主要干旱时段在2000年以后,而SPEI_PM和scPDSI_PM都检测到1980年前后东北地区也处于一个较为明显的干期。SPEI_TH和SPEI_PM显示东北地区大部多年平均的干旱发生频率介于28%～38%之间,而scPDSI_PM给出的东北大部地区干旱频率在11%～58%之间。研究显示,2000年以后重旱和特旱频次的增加较快,这也导致重旱和特旱在各类干旱中所占的比重显著提高。1961—2009年东北地区四季干旱强度均有不同程度的加强,其中SPEI_TH的四季干旱强度变化均通过了0.05水平的显著性检验,而SPEI_PM描述的各季干旱加强趋势均不显著,scPDSI_PM只检测到秋旱强度变化是显著的。研究表明,SPEI_TH和scPDSI_PM指数集对东北地区典型干旱年的描述能力要好于SPEI_PM。     

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。     

基于作物水分亏缺指数的春玉米季节性干旱时空特征分析

季节性干旱是影响湖南春玉米生产最突出的气象灾害,分析其时空分布特征和发生的规律,可为湖南春玉米生产的发展和合理布局提供技术支持。该文基于湖南省96个气象站点1961－2007年地面气象观测资料,采用FAO于1998年推荐的Penman-Monteith 方法计算了参考作物蒸散量、玉米的作物需水量。考虑盈余降水对水分亏缺指数的影响,修正了的水分亏缺指数计算方法,并依据玉米的水分亏缺指数,分析了季节性干旱发生频率的时空特征。并选取不同区域典型站点分析了水分亏缺指数年代际变化特征。结果表明,湖南春玉米生长季节内干旱呈现明显的季节性和空间区域分布特征：干旱频率较高的时段主要在玉米抽雄－吐丝阶段及其后的生育阶段,且随生育期后移干旱频率明显增加,以轻旱程度为主。空间分布特征是以湘中南的衡阳及周边一带干旱频率最高,其次为湘东、湘北一带次高,湘西等地春玉米干旱频率低。各年代之间比较,以20世纪80年代干旱较严重,90年代干旱相对较轻。     

基于SPEI的锡林河流域气象干旱风险分析

为研究气候因子变化下的锡林河流域干旱风险,并为当地水资源与生态管理提供有效依据。通过计算锡林浩特、东乌珠穆沁旗等11个气象站点1982—2018年不同时间尺度(1,3,6,12个月)的标准化降水蒸散指数(SPEI),分析了锡林河流域年、季、月尺度上的干旱发生的频率和干旱强度,揭示了锡林河流域多年来的干旱时空演变特征。结果表明:近37 a来锡林河流域SPEI整体呈现增长趋势,特、重旱的发生频率在逐年减小,轻、中旱的发生频率有波动起伏的不确定性,且存在发生季节性集中干旱的可能。从空间分析来看,锡林河流域在年、季、月尺度上均有干旱发生,在季节变化方面,干旱出现既有冬季的大范围干旱,也有春季的局部干旱,总体分布特征是西多北少;干旱呈现出夏季最为严重,秋季次之的特点,总体分布从西北到东南表现为弱—严重—弱的特点。     

基于SPEI的广西甘蔗生育期干旱时空演变特征分析

干旱是影响甘蔗生产最严重的农业气象灾害之一,在气候变化背景下,甘蔗生育期干旱时空演变特征对于蔗糖生产的防灾减灾具有重要意义。该文以中国甘蔗主产区广西为研究区,利用1971-2017年气温和降水量数据,采用标准化降水蒸散指数SPEI(standardized precipitation evapotranspiration index)作为干旱指标,在充分验证其对干旱监测适用性的基础上,以甘蔗不同生育期为时间尺度,同时考虑研究区甘蔗播种期差异,分析广西甘蔗不同种植区各等级干旱时空演变特征及规律,结果发现:1)利用SPEI可以较客观的反映甘蔗生育期干旱。SPEI与甘蔗种植区典型干旱事件的时间、强度吻合度较高,甘蔗各生育期及全生育期SPEI与不同深度的土壤湿度多呈显著相关,多数通过了0.01水平的显著性水平检验。2)1971-2017年,甘蔗各个生育期多呈干旱化趋势。其中,分蘖期干旱化趋势最强,苗期次之,茎伸长期干旱化趋势最弱,工艺成熟期呈湿润化的变化趋势。3)甘蔗不同生育期干旱周期变化明显。在10～15 a时间尺度上,多有4～6个干-湿循环,5 a时间尺度下则有更多的干-湿循环交替,相较于分蘖期和工艺成熟期,茎伸长期、苗期周期变化更明显。4)甘蔗各个生育期干旱空间分布特征差异较大。甘蔗工艺成熟期干旱发生频率最高,分蘖期干旱最低,茎伸长期和苗期相当。甘蔗各个生育期均以轻旱为主,重旱和特旱发生频率较低,其中茎伸长期和工艺成熟期中旱频率明显高于其他生育期。对于甘蔗苗期和茎伸长期,桂北地区干旱发生频率高于其他地区,而对于分蘖期和工艺成熟期,桂中地区干旱发生频率较高。     

基于SPEI指数分析河西走廊气象干旱时空变化特征

利用河西走廊1965-2017年21个气象站点逐日气象数据,基于Penman-Monteith蒸散模型计算不同时间尺度的SPEI,分析河西走廊气象干旱的变化趋势、发生频率和持续时间等时空变化特征。结果表明：（1）近53a来河西走廊月、季、年尺度SPEI均呈显著上升趋势,即干旱有显著减弱趋势,但个别站点干旱持续时间较长,其中武威站在2013年持续时长达到11个月;（2）河西走廊四季均存在变湿趋势,且冬季变湿显著,其中春、夏、秋季干旱呈不稳定变化,而冬季在1989年前后发生突变,由干旱向湿润突变;（3）河西走廊干旱的空间分布具有明显的区域特征,干旱区域主要集中在西北部,湿润区域主要集中在南部;（4）不同时间尺度各等级干旱发生频率的变化规律具有一致性,轻中旱发生频率远高于重特旱,且年、季尺度重特旱发生相对高频区空间分布特征与轻中旱正好相反。总之,近53a来河西走廊干旱呈减弱趋势,有利于当地的农业生产开展和生态环境改善,但该区域气候变化较复杂,需要注意局部干旱情况。     

华北地区干旱时空变化及其对植被NDVI的影响

采用2000-2020年华北地区90个气象站点气象观测数据构建标准化降水蒸散指数（SPEI）,选取30m空间分辨率的归一化植被指数栅格数据提取归一化植被指数（NDVI）,量化植被覆盖情况,采用Sen’s斜率估计、Mann-Kandall检验、相关性分析、Copula-Bayesian条件概率公式等对华北地区植被干旱敏感性进行分析。结果表明：（1）华北大部分地区SPEI值呈极显著增长,华北北部部分地区SPEI值呈极显著下降;华北西部及北部地区NDVI值呈极显著增长,其余地区呈极显著下降;（2）华北地区干旱与植被以不显著空间集聚为主,小部分地区出现干旱与植被呈高值集聚和低值集聚;（3）华北地区总体上年尺度SPEI与NDVI相关性较好,植被对干旱的响应速度较慢,敏感程度较低,河南部分地区月尺度SPEI与NDVI相关性较好,植被对干旱敏感程度较高,NDVI与SPEI的联合分布函数最符合Clayton Copula函数;（4）华北地区植被低覆盖度出现的可能性随着干旱程度减轻而不断减少,较低覆盖度出现的可能性在极旱至中旱时不断增加,从中旱至轻旱时不断减少,植被中覆盖度、较高覆盖度和高覆盖度的可能性...     

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。     

黄淮海平原气象干旱的演化特征与时空规律

干旱事件广泛地影响着作物的生长和发育,黄淮海平原是中国主要的粮食产区之一,全面了解该地区干旱变化特征对保障中国粮食安全至关重要。该研究基于标准化降水指数（standardized precipitation index,SPI）、标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI）、自校正帕默尔干旱指数（self-calibrating palmer drought index,scPDSI）、干燥度指数（aridity index,AI）4种干旱指数,对黄淮海平原干旱强度、干旱频率、干旱面积占比、干旱持续时间进行对比分析。结果表明,4种干旱指数均指示出1970—2020年黄淮海平原干旱强度逐渐减弱,干旱面积占比先增加后减少、再增加再减少、再增加的波动变化趋势,且在空间上均呈现出平原中部变湿、东西部变干的趋势。但不同指数在表征干旱空间特征上还存在一定的空间分异。对于干旱频率,SPI和AI指数显示出北部地区干旱频率高达60%,而南部地区低于20%;SPEI和scPDSI指数则显示出的南北差异较小,分别介于25%～40%和30%～50%。对于干旱持续时间,SPI指数监测的南北差异最为明显,而SPEI和scPDSI指数监测的区域差异较小。SPI和SPEI两种干旱指数监测的干旱持续时间较短,scPDSI指数监测的干旱持续时间较长。综合来看,北部区域干旱强度更为严重,且干旱发生频率高、持续时间长,而南部地区则相反。研究可为制定应对干旱的农业政策提供科学的参考依据。     

松辽平原中部地区应对气候干旱变化的土壤耕作技术

近30a松辽平原中部地区气候变化显著,该地区玉米生产干旱风险增加。论文利用四平、长春等7个站点的逐日气候数据,分析了近30a松辽平原中部地区玉米季(5-9月)气候变化情况,研究发现该地区玉米季降雨量呈现减少趋势,平均温度、最高温度和最低温度均呈增加趋势;整体上玉米季干旱风险加剧,近10a发生频率为60%,增加幅度尤为明显。在此基础上,该文从土壤耕作技术应对角度分析了免耕(NT)、旋耕(RT)、翻耕(CT)和宽窄行(DL)等技术对土壤蓄水能力、透水性和紧实度的影响,探讨了不同耕作措施对土壤耕层结构的影响,比较了不同耕作技术下玉米产量差异,分析了土壤耕作措施对气候干旱变化的适应性。结果表明:以免耕和宽窄行技术为核心的保护性耕作技术是松辽平原中部地区应对干旱气候最为合理的土壤耕作技术,对于减小该地区玉米季干旱风险,提高玉米产量具有重要意义。     

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。     

Responses of Vegetation Activity to Drought in Northern China

With the third‐generation normalized difference vegetation index and a multiple‐timescale drought index [standardized precipitation and evapotranspiration index (SPEI)], the relationships between vegetation activity in the growing season and drought occurrences during various seasons and at different timescales were investigated in northern China. Although poorly understood previously, knowledge of these relationships is crucial for climate, vegetation and hydrological studies. Our results show that over the past three decades, vegetation activity during the growing season was significantly correlated (p  < 0⋅05) with drought occurrences over 78⋅5% of northern China and highly significantly correlated (p  < 0⋅001) in semi‐arid regions. In addition, there were spatially variable responses of vegetation activity to the seasonality of drought events across northern China. When drought events occurred in pre‐season in the northern part of Inner Mongolia and Heilongjiang, parts of Shaanxi and Shanxi, and the western part of Xinjiang, they appear to have impacted vegetation activity, as indicated by the short and medium timescales of the drought indices (SPEI‐3 and SPEI‐6, with 3 and 6 months of accumulation, respectively). In the eastern part of Inner Mongolia, eastern part of Gansu and Qinghai, and southern parts of Ningxia, droughts during the growing season played a key role in vegetation growth, as recorded by the drought indices at all four timescales (SPEI‐3, SPEI‐6, SPEI‐12 and SPEI‐24). In addition, we also observed spatial variations in the responses of vegetation activity to droughts in northern China. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

气候变化背景下华北平原夏玉米花期高温热害特征及适宜播期分析

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1981−2017年逐日地面观测资料,以日最高气温≥35℃持续3、4、5d,且相对湿度≤70%为一次轻、中、重度高温热害,从年代际尺度、年尺度、旬尺度分析37a来华北平原不同播期下夏玉米花期高温热害的时空变化特征;以开花期避开中度高温热害为标准,推算夏玉米花期规避高温的适宜播期。结果表明:6月上旬播种,夏玉米花期遭遇高温热害的频率最大,河南省南部的信阳、固始等地区遭遇高温热害频率超过20%;6月中旬播种,夏玉米花期遭受高温热害频率为9%~12%。2011年以来华北平原夏玉米花期高温热害加重,发生频率高于P1−P3时段(1981−2010年)。华北平原早熟玉米平均适宜播种期在6月15日−7月5日,中熟玉米平均适宜播种期在6月15−27日,晚熟玉米平均适宜播种期在6月15−20日。在各适宜播种期范围内,华北平原南部应适当晚播,北部则应适当早播。     

华北平原夏玉米干旱灾害的时空变化特征及危险性评估

气候变化背景下,农业气象灾害呈面积逐年扩大、发生频率增加的趋势,且旱灾较其他灾害对农业的影响范围更广、历时更长,为了科学应对夏玉米干旱,保障夏玉米高产稳产,利用1980—2019年华北平原43个站点的气象数据,基于水分亏缺指数作为干旱指标,采用频次和站次比阐明了夏玉米主要生育阶段干旱灾害变化规律;利用信息扩散理论和层次分析法评估了夏玉米干旱危险性。结果表明：(1)华北平原夏玉米干旱以轻旱为主,阶段性差异明显,抽雄—乳熟阶段受旱严重,40年间平均各站点发生28次干旱,干旱站次比平均值为69.5%。(2) 2010—2019年是夏玉米受旱影响加重阶段,呈现干旱连年发生、范围明显扩大的特征。(3)夏玉米干旱的危险性整体呈西高东低趋势,河南大部及河北南部是干旱危险性高值区和次高值区,面积占比分别为12.1%,23.4%。综上,华北平原夏玉米干旱有加重和扩散趋势,抽雄—乳熟阶段受旱可能性较大,河南大部及河北南部干旱危险性较高,需加强对干旱的预报、监测及风险防控工作。     

1961-2015年华北平原夏玉米生长季气候年型及其影响分析

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1961-2015年逐日地面观测资料,依据夏玉米生长季平均气温、太阳总辐射和降水量的异常度划分10个气候年型,分析气候年型及其潜在产量的空间分布和变化特征,定量研究气候变化对不同气候年型的影响。结果表明：近55a来华北平原夏玉米生长季少雨年型发生频次最多,平均为15.8次;多雨年型和寡照年型次之,暖湿年型和高温年型最少。河北中部和山东的中部地区容易出现少雨年型和多雨年型,暖干年型主要出现在华北平原北部地区,寡照年型空间差异性较小。20世纪90年代以来研究区正常年型和多雨年型发生的频率显著减少,暖年（暖干年型、暖湿年型和高温年型）和寡照年型显著增加（P<0.05）。降水和光照是限制华北平原夏玉米气候潜在产量的主要因子,与正常年型相比,降水偏少的年型（少雨年型、暖干年型和冷干年型）气候潜在产量减少超过15%,其中暖干年型对潜在产量影响最大;寡照年型下潜在产量减少了12.5%,且地区间存在显著差异。