干旱形成机制与预测理论方法及其灾害风险特征研究进展与展望

在全球变暖背景下,干旱事件发生的频率和强度不断增大、影响不断加重,干旱发生规律的异常性和机制的复杂性也更为突出,对干旱形成机制、预测理论方法及灾害风险变化规律等方面都提出了新的挑战,也制约了当前干旱预测、预警及其灾害防控能力的提高。近年来,在国家重点基础研究发展计划(973计划)课题等多个国家级项目支持下,已在干旱灾害形成机制与预测理论方法及其风险特征方面取得了一系列新成果。通过动力诊断、数值模拟和田间试验等方法,开展了干旱形成的多因子协同作用和多尺度叠加机制、干旱致灾过程的逐阶递进特征,以及干旱灾害风险分布演化的主控因素等方面的研究。对如下几方面的新进展进行了系统总结归纳:(1)厘清了全球变暖背景下青藏高原热力、海温、夏季风、遥相关等多因子对干旱形成的作用机制。(2)发现了降水亏缺时间尺度和农作物不同生长阶段的干旱敏感性规律。(3)揭示了变暖背景下典型区域干旱灾害风险分布及其变异的新特征;构建了干旱灾害风险新概念模型。(4)研发了东亚季风区的季节和次季节干旱集成预测系统。在总结归纳已取得研究成果的基础上,对未来干旱形成机制及其灾害风险科学研究进行了展望,提出了5个重点研究方向:(1)多因子联动及其多尺度叠加效应对干旱形成的影响;(2)系统整合人类活动和决策以及相关反馈的气候模式研究;(3)揭示陆-气耦合和大气环流协同作用对干旱的影响;(4)认识干旱灾害对粮食安全和生态安全影响的关键过程;(5)提高不同气候情景下干旱预估的准确度。

小麦干旱监测技术研究进展与展望

发展小麦干旱监测技术是客观监测小麦干旱程度、准确反映干旱波及范围和持续时间的基础,从而能够对小麦干旱灾害做出预警并有效地评估其影响。本文系统梳理了国内外小麦干旱监测方法,包括基于地面常规观测、基于水分控制试验、基于作物模型模拟和基于遥感手段的4个方面的研究进展。分析表明,基于地面常规观测资料构建的小麦干旱监测指数,更多地考虑到业务和服务的应用需求,具有计算过程简单、资料获取方便、物理意义明确的特点;但其以气象观测要素为主,监测结果与农业旱情存在一定的偏差。基于人工水分控制试验的监测手段,直接与小麦生长状态联系,能反映实际的旱情;但仅靠部分站点的试验监测结果难以反映大范围的小麦干旱状况。作物模型可细致描述作物生长发育的全过程以及作物生长同降水量和土壤水分之间的动态关系;但其监测所需参数较多,模型本地化释用程度不高。遥感技术能够及时、客观地获取大范围地表综合信息,但受到天气状况、地表粗糙度、地形和植被等因素的影响,反演结果具有一定的偏差。因此,对于小麦干旱监测应该针对特定地区和特定生长阶段赋予不同干旱监测指数影响权重,应用综合监测指数以更准确地反映作物干旱状况。

中国西北地区太阳辐射时空分异特征

应用近60 a中国西北169个国家基本气象站气象观测资料,对中国西北总辐射的时域变化、空间分布和次区域时空演变特征进行了研究。结果表明:(1)青海西北部的柴达木盆地和甘肃西部为太阳能资源最丰富区,陕西南部和甘肃东南部的较小区域为资源丰富区,其余大面积区域均为资源很丰富区。(2)1961—2020年除新疆西南部、甘肃和新疆接壤区、甘肃北部和陕西北部的小范围区域总辐射呈上升趋势外,西北大部分区域总辐射呈下降趋势。(3)EOF第一模态特征向量场表明,总辐射振荡强度由西向东加强,各分量高载荷区主要集中于中东部,该区域是总辐射易出现异常、振荡强且敏感的地区。(4)EOF第二模态特征向量场自西向东呈双偶极子型;青海全境和甘肃大部为正值区域,也是总辐射异常振荡最强的区域。(5)依据REOF特征向量不同模态空间分异结构类型,可将研究区域划分为主要受东亚季风影响的“西北东部异常型”、主要受东亚季风影响边缘区的“西北中部异常型”和主要受西风带影响的“西北西部异常型”等3个次区域。3个次区域总辐射减少的突变点分别出现在1973年、2017年和2008年。

西北干旱区气候变化对灌溉春玉米生产的影响

基于河西走廊中部1984-2022年灌溉春玉米定位观测试验,结合同期气象资料,采用线性回归、相关分析和M-K突变检验等方法,分析气候变化对西北干旱区灌溉春玉米生育期和产量的影响。结果表明:春玉米全生育期平均气温以0.76℃·10a^(-1)的速率呈极显著上升趋势(P<0.01)。≥10℃活动积温呈显著增加趋势,平均每10a增加135.80℃·d。全生育期降水量增加趋势不显著,但乳熟-成熟期以4.50mm·10a^(-1)的速率显著增加(P<0.05)。1984-2004年日照时数以126.88h·10a^(-1)的速率显著增多,近19a以109.38h·10a^(-1)的速率显著减少。1984-2004年春玉米生长期长度以9.86d·10a^(-1)的速率显著延长,近19a以7.39d·10a^(-1)的速率显著缩短。播种-出苗期和七叶-拔节期长度与气温呈显著负相关;播种-出苗期、三叶-七叶期和吐丝-乳熟期长度与降水量呈显著正相关;各生育期长度均与日照时数呈显著正相关。研究期内春玉米产量呈波动变化,气候产量与全生育期内降水量呈显著负相关。综上所述,西北干旱区气候变化对当前灌溉方式下的春玉米生产不利。

近50年来西北半干旱区气候变化特征

选用西北半干旱区33个气象站1951-2004年温度、降水、相对湿度、风速、蒸发量等气象观测资料,分析主要气候要素变化规律,揭示了近50年来西北半干旱区气候变化的一些新特征。结果表明,西北半干旱区降水量近50年来年际变化趋势除个别地方外绝大多数地区呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率在-59.168～-1.143 mm/10 a之间,秋季降水量减少最多,春季次之,而夏季部分地区和冬季大部分地区降水量呈略增趋势。降水量存在3年、6～8年的周期振荡特征,3年周期振荡在1962-1966年为中心的局部时段内最强,之后逐渐减弱。6～8年振荡在1980-1985年为中心的局部时段内最强。气温距平呈上升趋势,气温距平变化曲线线性拟合倾向率在0.074～0.507℃/10 a之间,大部分地区呈先降后升型,转型时间为20世纪60年代后期至70年代前期。冬季气温增高最多,秋季、春季次之,夏季陕、甘、宁交界区及陇中地区气温增高而其余地区气温距平略呈下降趋势。相对湿度近50年来年呈波动变化。平均风速近50年来年际变化趋势除个别地方略增外,其余各地均呈下降趋势。蒸发量近50年来年际变化趋势除个别地方呈上升趋势外,其余各地蒸发量呈下降趋势。

黄河上游主要产流区气候变化及其对水资源的影响——以甘南高原为例

利用黄河上游主要产流区甘南高原地面气象观测资料和水资源定位观测资料,分析气候、水资源变化特征,及其二者的关系,建立水资源气候模式。分析表明:黄河上游主要产流区甘南高原大部分区域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化线性拟合倾向率在-22.6^-9.6mm/10a之间,降水量递减以秋季降水量递减为主,降水量减少突变点在1980—1990年之间,年际变化主要存在6~7a短周期振荡和15a的长周期振荡特征。气温年际变化趋势呈显著上升趋势,增温速度均大于全国增温速度,增温率以冬季最大,气温增高突变点在20世纪70年代。草地年干燥指数变化呈显著上升趋势,近50a来甘南高原气候趋于暖干化。水资源呈显著下降趋势,水资源存在2~3a、7~8a、20~23a的年际周期变化。水资源与降水量呈显著正相关,与干燥指数呈显著负相关,降水量减少,草地干燥指数上升,导致水资源减少。

气象、农业干旱指标综述

介绍了以降水量统计特征作为指标和以降水量、气温统计特征作为指标的气象干旱指标,以土壤含水量、作物旱情、作物需水量、供需水比例、作物水分综合统计特征为指标的农业干旱指标。列出气象、农业干旱指标计算公式,介绍计算方法和干旱指标的详细等级标准,并对各指标计算所需统计资料观测、收集的难易程度,各指标的优缺点、适用性及其适用区域范围评述,为干旱的监测、评估、预警和研究提供依据。

气候变化对黄河首曲地区草地生态退化的影响

黄河在甘肃玛曲县境内形成了一个长433km“U”字形的第一弯,这里拥有大面积亚高山草甸类草场和沼泽湿地,被誉为亚洲最好的牧场之一,但是,近50年来黄河首曲草地生态逆向演替,草场退化、沙化,水土流失,生物多样性减少,生态功能弱化。利用黄河首曲玛曲县草地与湿地气候资料和生态观测资料及统计资料,分析研究表明:造成生态环境退化的主要原因是气候变化和环境蠕变。玛曲县降水量年际变化呈下降趋势,气温年际变化趋势呈上升趋势,增温速度均大于全国增温速度。草地年干燥指数呈显著上升趋势,20世纪80年代末至2004年明显趋于干旱化,气候变化是草地生态退化的自然诱发因素,而超载过牧,滥采乱挖,人为破坏,生物链失衡等环境蠕变是造成生态退化的人为因素,二者共同作用导致黄河首曲草地生态环境退化。为此,提出了适应高原草地生态环境演替规律的生态环境保护对策。

黄河首曲流域草原气候变化特征及其对牲畜生存的影响

利用黄河首曲流域草原牧场气候资料和牧业生态定位观测资料及统计资料，分析黄河首曲流域草原牧场气候变化特征。及其对牲畜生存的影响。结果表明，黄河首曲流域牧场大部分区域降水量年际变化呈下降趋势，降水量年际变化存在2～4年、6～7年、10～11年的周期性振荡特征。气温年际变化趋势呈上升趋势，增温速度均大于全国增温速度。1983年之前气温以偏冷为主，1984年之后持续偏暖。草地年干燥指数呈显著上升趋势，近20年明显趋于干旱化。牧区草场产草数量和质量下降，劣等牧草、杂草和毒草的数量上升，草场生产力进一步下降。由于冬、春季气温升高。降雪减少，牧区雪灾趋于减少，牲畜死损率呈明显下降趋势。1984年后幼畜成活率持续在80％以上的较高水平。

甘肃黄土高原不同海拔气候变化对马铃薯生育脆弱性的影响

利用黄土高原不同海拔高度马铃薯生长发育定位观测资料和对应平行气象观测资料,分析气候变化对马铃薯生长发育敏感性的影响,以及马铃薯生育脆弱性变化特征。结果表明,研究区域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率在马铃薯生长季5—10月绝对值最大,表现为高海拔区大于低海拔区的特征。气温年际变化呈上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率表现为高海拔区小于低海拔区的特征。作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,干燥指数变化曲线线性拟合倾向率也表现为高海拔区小于低海拔区的特征,20世纪90年代后干燥指数明显上升,气候趋于暖干化。影响马铃薯生长发育的主导气象因子是气温,气候变暖,气温增高,导致马铃薯生育前期的营养生长阶段缩短,而生殖生长阶段延长,全生育期延长。块茎膨大期气温增高导致马铃薯生育脆弱性增加,马铃薯对气温变化的敏感性和气温增高导致马铃薯生育脆弱性均随海拔增高而降低。开花期降水减少导致马铃薯生长发育及产量形成的脆弱性增加,此时段以干旱为主的气象灾害频率的增加使马铃薯生育脆弱性增加,马铃薯对降水量变化的敏感性和降水量减少导致马铃薯生育脆弱性却随海拔增高而降低。

西北温凉半湿润区气候变化对马铃薯生长发育的影响——以甘肃岷县为例

利用西北温凉半湿润区马铃薯生长发育定位观测资料、加密观测和对应平行气象观测资料,分析气候变化对马铃薯生长发育的影响,以及马铃薯块茎生长与气象条件的关系。结果表明,研究区域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率为-8.329 mm/10 a。降水量存在3 a的年际周期变化。气温年际变化呈上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率为0.144℃/10 a。作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,干燥指数变化曲线线性拟合倾向率为0.042/10 a,20世纪90年代初至2007年明显趋于干旱化。马铃薯播种到采收约需150-168d,需≥0℃积温2000-2300℃,降水量400-500mm,日照时数900-1100h。马铃薯在播种后105d开始,块茎由缓慢生长转为迅速生长阶段;在播种后127d,块茎生长速度最大;播种后149d开始,块茎生长从迅速生长又转为缓慢生长。对马铃薯生长发育全生育期而言,受气候变暖的影响,马铃薯花序形成期每10 a提前8-9d,开花期每10 a提前4-5d。气温对马铃薯产量形成除采收期外,其余为负效应,块茎膨大期对气温变化十分敏感;而降水量的影响函数同热量的影响函数呈反相位分布,除出苗期和采收期降水量为负效应外,其余时段降水量对马铃薯产量形成均为正效应,马铃薯分枝期到开花期对降水量变化十分敏感。

黄土高原半干旱区气候变化对春小麦生长发育的影响——以甘肃定西为例

利用黄土高原半干旱区春小麦生长发育定位观测资料、加密观测和对应平行气象观测资料,分析气候变化对春小麦生长发育的影响,以及春小麦穗干重生长与气象条件的关系。结果表明,研究区域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率为-15.796 mm/10a。降水量存在3 a、6 a的年际周期变化。气温年际变化呈上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率为0.362℃/10a。作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,干燥指数变化曲线线性拟合倾向率为0.12/10a,20世纪90年代初至2009年明显趋于干旱化。春小麦播种到成熟约需110—130 d,期间≥0℃积温为1500—2000℃,降水量为150—200mm,日照时数为800—1300 h。春小麦在播种后38 d开始,穗干重由缓慢生长转为迅速生长阶段;在播种后50 d,穗干重生长速度最大;播种后63 d开始,穗干重生长从迅速生长又转为缓慢生长。对春小麦生长发育全生育期而言,受气候变暖的影响,乳熟—成熟期每10 a缩短2—3 d、全生育期每10 a缩短4—5 d。气温对春小麦产量形成除出苗期和成熟期外,其余为负效应,孕穗期对气温变化十分敏感;降水量的影响函数同热量的影响函数呈反相位分布,除出苗期和成熟期降水量为负效应外,其余时段降水量对春小麦产量形成均为正效应,春小麦拔节—抽穗期对降水量变化十分敏感。

中国西南干旱对气候变暖的响应特征

基于相对湿润度的干旱等级分析方法,应用中国西南1958-2012 年气候资料,研究了中国西南干旱时域变化、空间分布、各季节的时空演变及其对全球气候变暖的响应特征,为应对气候变化提供科学依据.采用ArcGIS 系统中反距离权重方法进行空间插值分析绘图.结果表明：中国西南年干旱发生区主要分布于云南高原北部、川西高原和川西南山地,发生干旱区域占总面积的30%左右;其中,中旱区分布于云南高原北部、川西高原部分区域,占研究区总面积的11%左右;重旱区分布于云南高原北部、川西高原局部地区,占研究区总面积的5%左右;历年干旱出现频率平均31.7%.研究区干旱以冬、春季干旱为主.历年逐季冬、春季干旱出现站次平均分别为76.1%和46.2%.1958-2012 年云贵高原大部、四川盆地中部相对湿润度指数负绝对值增大,干旱等级提高,年干旱强度呈增强的趋势;其中,云贵高原大部分区域夏、秋和冬季相对湿润度指数负绝对值呈增大趋势,干旱显著增强;川西高原和川西南山地区冬季干旱呈增强趋势;四川盆地和川北区域秋季干旱呈增强趋势;川东盆地、贵州高原春季干旱也呈增强趋势.年干旱指数时间序列存在显著的3-4 a 和7-8 a 周期振荡;2009年为干旱强度显著加强的突变点,在全球气候变暖的背景下,预计未来数年中国西南干旱仍处在面积扩大、强度增强过程中.

气候暖干化对甘肃马铃薯生产的影响

以1981～2000年甘肃全省71站点马铃薯产量和生长期气象资料为基础数据。用EOF、多元回归、积分回归等统计分析方法分析该省马铃薯产量年际及地域变化特征，以及不同气象因子对马铃薯产量的影响。结果表明：陇中和陇南山区产量序列与该空间型的时间系数序列的相关不显著，产量年际变幅小；其余地方产量序列与该空间型相关显著，产量年际变幅大。在降水量变化一定的条件下，马铃薯产量随温度的升高而降低，在温度变化一定的条件下，马铃薯产量随降水的增加而增加。

基于GIS的石羊河流域干旱灾害风险评估与区划

利用石羊河流域区1960-2011年气候要素资料，分析了石羊河流域干旱灾害空间分布、年际和年代际变化特征；结合致灾因子的危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体的暴露度和防灾减灾能力评价等指标进行基于 GIS的石羊河流域干旱灾害风险评估与区划。结果表明：1960-2011年，石羊河流域春旱发生频率在21．2％～67．3％之间。春季特旱发生频率下游区域大于中上游区域。初夏干旱发生频率在13．5％～61．5％之间。初夏特旱发生频率下游区域也大于中上游区域。伏旱发生频率在21．2％～86．5％之间。伏期特旱发生频率下游区域亦大于中上游区域。石羊河流域干旱综合风险高风险区为民勤县和金川区大部、凉州区中北部、永昌县东部，位于石羊河流域的中下游区域。就各县区而言，干旱灾害综合风险最大的区域为石羊河下游的民勤县，金川区次之，天祝县风险低。

黄土高原半湿润区气候变化对冬小麦生长发育及产量的影响

利用黄土高原半湿润区西峰农业气象试验站冬小麦生长发育定位观测资料、加密观测和对应平行气象观测资料,分析气候变化对冬小麦生长发育的影响,以及冬小麦穗干重生长与气象条件的关系。结果表明,研究区域降水量年际变化呈波动变化,20世纪90年代降水量最少。降水量存在3、8a的年际周期变化。气温年际变化呈上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率为0.325℃/10a。作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,干燥指数变化曲线线性拟合倾向率为0.069/10a,20世纪90年代至2010年明显趋于暖干化。受气候变暖的影响,冬小麦播种期每10 a推后2—3d,返青期每10a提前4—5 d,开花期和成熟期每10a提前5—6 d。冬小麦越冬期每10a缩短5—6 d、全生育期每10a缩短7—8 d。冬小麦返青后第83天开始,穗干重的生长由缓慢转为迅速生长阶段,从返青后第101天开始,其生长从迅速生长又转为缓慢生长,在返青后的第87天,穗的干物质积累速度最大。由于气候变暖,冬小麦生育期大部分时段热量充足。播种—越冬前和拔节—开花期产量对气温变化的响应十分敏感;降水量的影响函数同温度的影响函数呈反相位分布,除成熟期降水量对产量形成为负效应外,其余时段降水量对产量影响均为正效应,而在冬小麦播种期和返青—拔节期产量对降水量变化的响应也十分敏感。

黄土高原气候与气候生产力对全球气候变化的响应

应用黄土高原7省51个代表性气象站1961～2000年主要气象要素观测资料,采用EOF和其他数理统计方法研究了黄土高原气候与气候生产力对全球气候变化的响应,结果表明:中国黄土高原年和各季节的平均气温均呈明显的上升趋势,增温速度大于全国同期增温速度;年降水量和作物生长季节降水量均呈下降的趋势;气候生产力呈递减趋势;未来"暖湿型"气候对作物生产最有利,平均增产幅度为5.9%,而"冷湿型"气候对作物生产最不利,平均减产幅度为6.3%。

中国黄土高原气候暖干化及其对生态环境的影响

应用中国黄土高原7省51个代表性气象站1961年～2000年主要气象要素观测资料和1956年～2000年黄土高原中部主要河流的年径流量,采用EOF和其他数理统计方法研究了黄土高原气候和径流量变化特征及其对生态环境的影响,结果表明:中国黄土高原年平均气温呈明显的上升趋势,年平均气温以每年0.026℃/年的速度上升,增温速度大于全国同期增温速度;年降水量和植物生长季降水量均呈递减的趋势,年降水量递减率为-2.095mm/年,递减率高于全国同期值;年平均气温和夏季平均气温变率呈增大趋势;黄土高原中部7条主要河流径流量呈明显的下降趋势,年河流径流量以每年0.4851×108m3/年的速度下降.气候暖干化导致土壤含水量下降,风沙加大,植物存活率降低,植被覆盖率下降,地表土质更趋疏松,是黄土高原区域生态环境趋于恶化的重要原因.

黄土高原半湿润区气候变化对冬小麦生育及水分利用效率的影响

利用黄土高原半湿润区1981～2010冬小麦生长发育定位观测资料和对应平行气象观测资料,分析气候变化对冬小麦生长发育的影响,以及冬小麦水分利用效率与气象条件的关系。结果表明:(1)研究区域降水量年际变化呈波动变化,20世纪90年代降水量最少,并存在3年、8年的年际周期变化;气温年际变化呈上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率为0.325℃/10年;作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,干燥指数变化曲线线性拟合倾向率为0.069/10年,20世纪90年代至2010年明显趋于暖干化;研究区域冬小麦播种至成熟期间≥0℃积温为2 000℃～2 200℃,降水量为300～350mm,日照时数为1 900～2 100h。(2)受气候变暖的影响,研究区域冬小麦播种期每10年推后2～3d,返青期每10年提前4～5d,开花期和成熟期每10年提前5～6d;冬小麦越冬期每10年缩短5～6d、全生育期每10年缩短7～8d。(3)由于研究区冬春季气温显著升高,越冬死亡率下降,冬小麦水分利用率呈上升趋势;冬小麦播种～出苗期和起身～拔节期气温对冬小麦水分利用效率的影响为负效应,其余时段气温对水分利用效率的影响为正效应,其中的乳熟期～成熟期水分利用效率对气温变化十分敏感;播种～出苗期、分蘖～冬前停止生长期和乳熟～成熟期降水量对冬小麦水分利用效率影响为负效应,且乳熟期～成熟期水分利用效率对降水量变化十分敏感;越冬期和返青～拔节期降水量对冬小麦水分利用效率影响为正效应,并在冬小麦越冬后期和返青期前后水分利用效率对降水量变化十分敏感。

黄土高原陆地表层最大可能蒸散量的变化特征

基于黄土高原1961—2008年月平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、降水量、风速和日照百分率等气候要素资料,应用修订的Penman-Monteith（P-M）模型计算了最大可能蒸散量,分析其时空分布、异常分布特征和次区域时间演变特征。结果表明：1961—2008年间,黄土高原最大可能蒸散量多年平均在400~800 mm之间,大部分区域650~750 mm之间。一致性异常分布是黄土高原最大可能蒸散量的最主要空间模态。黄土高原最大可能蒸散量的异常空间分布可分为以下3个关键区：高原西北部区、高原东北部区和高原东南部区。高原西北部区域最大可能蒸散量呈显著增加趋势,且发生了突变现象;高原东北部区域最大可能蒸散量呈显著下降的趋势,也发生了突变;而高原东南部区域下降趋势不显著,未发生突变。黄土高原最大可能蒸散量的3个空间分区中,3 a的周期振荡表现得比较显著。