1960～2014年淮河流域极端气温和降水时空变化特征

基于淮河流域33个气象站点1960~2014年逐日气温和降水数据,利用Mann-Kendall检验和克里金插值法分析了极端气温、降水指数的时空变化规律。结果表明:(1)近55 a来,冷极值呈显著下降趋势,暖极值表现为波动上升趋势;日较差(DTR)呈显著下降趋势,这与最低气温的增加幅度比最高气温大有关;(2)总降水量(PRCPTOT)和强降水日数(R10,R20)表现为缓慢下降趋势,1 d最大降水量(RX1day)、连续5 d最大降水(RX5day)以及降水强度(SDII)呈缓慢上升趋势,但变化趋势均不显著;(3)空间变化上来看,霜冻日数(FD0)、冷夜日数(TN10p)、热夜日数(TR20)和暖夜日数(TN90p)在流域大部分地区变化趋势显著,而降水极值在全流域未表现出一致上升或下降趋势,且变化趋势在全流域均不显著;(4)基于流域当前气象站点数据,极端气温、降水指数变化趋势未表现出高程相依性;(5)流域大部分极端气温、降水指数变化趋势介于中国南北方流域之间,表现出一定的南北过渡带特色。

中国中小河流气候和下垫面与产汇流过程关系研究

构建340个中小河流域80个气候和下垫面因子,探讨了水文模型模拟效率对环境因子的敏感性,分析了产汇流因子与环境因子的相互关系。结果如下:①同类型气候和下垫面因子存在显著相关,不同类型环境因子相关系数相对较低;中国中小河流域大致可分为南方地区,北方地区和西北地区;②将环境因子分类进行主成分分析的方差解释率显著增加,气候、植被和土地利用、土壤、地形的流域分类效果较好,地貌和地质、人类活动和流域形态的分类效果不理想;③GR4J模型在中国河流的适用性良好,模型效率显著相关的因子主要集中在气候、植被和土壤,其中影响最大的气候和下垫面因子为干燥度、黏土含量和叶面积指数;④水文模型参数中,产流水库容量影响因素包括气候、地貌、土壤、地形、人类活动和流域形态;地下水交换系数影响因子为地貌和地质、地形、人类活动;汇流水库容量影响因子主要有植被、土壤、地貌和流域形态;单位线汇流时间的影响因素集中在气候、土壤和流域形态。

基于空间贝叶斯层次模型的淮河流域气候极值特征分析

[目的]验证空间贝叶斯层次模型在极端气候事件当中建模的适用性,探明淮河流域极端气候事件的空间分布规律。[方法]基于空间贝叶斯层次模型,将经度、纬度与海拔作为模型协变量捕捉气候极值的空间变化特征。在建模过程中,将广义极值函数(GEV)作为其边际分布,采用马尔可夫链蒙特卡罗算法(MCMC)确定空间极值模型所需的参数值。选用淮河流域1960-2015年日最大降水量(RX1day)、日最高气温(TXx)作为极端气候变量进行建模,将模型结果按站点提取,并与基于GEV的站点结果进行对比。[结果]空间贝叶斯层次模型能够很好地模拟淮河流域气候极值,模型结果的参数及各重现水平与直接基于站点数据的GEV分析相近。RX1day不同重现水平从流域西北向东南增加;TXx不同重现水平具有典型的经向地带性,从流域东部往西部增加。[结论]研究建立的空间极值模型可以获得没有观测台站所在位置的极端气候重现水平,该结果拓展了淮河流域极端气候事件时空规律研究。

基于栅格数据的气象灾害风险评估

全球变化背景下,洪涝、干旱、高温热浪和低温冷冻等气象灾害频发,给农业生产和生态环境带来严重损害.气象灾害风险评估与区划是灾害评估与管理的重要内容,本文利用江苏省气象水文数据、基础地理信息数据、社会经济数据、灾害数据,通过分析气象灾害(洪涝、干旱、高温热浪和低温冷冻)致灾因子、孕灾环境因子、承灾体易损性因子和防灾减灾因子等指标,利用GIS技术,建立了江苏省气象灾害风险评估模型,进而对气象灾害进行风险评价与区划.结果表明:(1)高温灾害苏南地区风险最大,苏北地区风险最小;(2)低温灾害风险在省内从北向南递降,高风险区位于苏北地区,低风险区位于苏南地区;(3)洪涝灾害高风险区主要位于苏北地区,淮安、宿迁、连云港以及盐城北部属洪涝灾害的高风险区,镇江、泰州和南通北部属于中风险区,而低风险区主要分布在徐州西部,无锡、苏州以及南通东南部;(4)旱灾风险从苏南向苏北递增,最大区域为宿迁、连云港西部及徐州东部,旱灾风险低值区位于苏州、无锡、镇江、泰州及南通北部.风险区划结果能直观反映出气象灾害的区域性差异,且与致灾因子危险性分布图一致,因此对气象灾害进行全面精准的预报是进行防灾减灾的主体,同时还应采取措施降低孕灾环境的敏感性,成灾体的易损性以及加强防灾减灾能力建设.

基于Max-stable模型的淮河流域气候极值空间建模分析

气象数据时空建模过程中需要充分考虑数据的非正态性和站点之间的空间相关性对气候极值演变规律的影响。文章基于淮河流域极端气候事件的空间相关性,以广义极值分布(GEV)为边际分布,海拔、经度、纬度、国内生产总值(GDP)和气候指标(东亚夏季风指数(EASM))为协变量构建Max-stable模型,分析年最高气温(TXx)和1日最大降水量(RX1day)的空间分布特征。结果表明:所建立的Max-stable模型能够很好地模拟TXx和RX1day的空间变化;经度、纬度和海拔为协变量(TXx包括GDP)可以提高气候极值的空间模拟精度;2年、10年、50年和100年重现期的RX1day重现水平从流域西北向东南递减,TXx呈经向分布,由流域西部向东部逐步增大。

基于Max-Stable模型的海河流域气候极值变化特征

为了解在全球变暖的背景下海河流域对气候极端事件的响应,基于海河流域1961-2016年气温与降水数据,使用RClimDex模型、MK趋势检验、Max-Stable模型对海河流域气候极值进行建模分析,研究海河流域气温极值、降水极值不同重现期的时空分布、变化特征。结果表明:海河流域温度极值TXx在空间上表现出从北向南递减趋势,值域为30~40℃,其中36~40℃占大部分地区。TXx在南方呈降低趋势,北方呈上升趋势。降水极值RX1day空间上表现出从东南向西北方向递减的趋势,值域为50~100mm,其中60~90mm占据绝大部分区域。RX1day整体呈下降趋势,其中渤海地区RX1day下降趋势最大。海河流域GEV模型拟合结果表明,海河流域气温极值主要受纬度、海拔影响,随纬度、海拔增加而降低,其变化波动为北方强于南方。降水极值RX1day受海拔和经度影响较大,主要表现为随海拔增大而下降的空间分布,其次表现为随经度变化由西向东递增的空间分布,其变化波动随海拔升高而降低。通过Q-Q百分位图、非参数极值系数θ、GEV与Max-Stable参数和重现期强度散点图判定系数R2,确定Max-Stable模型可以很好地模拟海河流域气候极值,达到GEV模型同等效果。气候极值TXx与RX1day主要受到纬度、经度和海拔的影响,但距海岸距离的加入仅可以优化TXx模型的建立。2年、10年、50年、100年一遇气温极值TXx的空间分布均表现为自东北向西南递增的分布模式,高值区均分布于西南大部一带,最高温度达40~44℃。2年、10年、50年、100年一遇降水极值TX1day的空间分布主要受纬度影响,其次受经度和海拔的影响,均表现为从西南偏中向北方递减,高值区分布在西南偏中一带,最大降水量达80~200mm。

中国主要农业气象灾害时空分布特征研究

农业对气候变化十分敏感,灾害性天气直接影响农业生产,进而影响我国的经济发展。本文利用中国种植业信息网自然灾害数据库1978~2013年的统计数据,分析了我国近40多年来农业气象灾害的时间变化趋势和空间分布特征,探讨了农业气象灾害对我国农业生产的影响。结果表明:1) 1978~2013年以来,我国农业气象灾害的灾情日趋严峻,灾害面积有增加趋势;在干旱、洪涝、风雹、低温四种灾害中,旱灾和风雹受灾面积和受灾比率呈下降趋势,低温灾害成灾面积和成灾比率呈增加趋势,洪涝灾害成灾面积和成灾比率基本变化不大;2) 旱灾是对我国影响最大的农业气象灾害,洪涝第二,风雹次之,低温成灾面积最小;3) 从空间分布来看,旱灾灾情华北地区最为严重,其次是东北地区,再之为西南地区。洪涝灾害则主要位于华中地区,其次是华东、华南、西南,华北、西北。东北地区是我国风雹灾害较严重的地区。低温灾害各地区间差异不大,主要分布在西北和华中等地。本研究对我国农业生产具有一定的指导作用,能够降低农业气象灾害所造成的损失。

柴达木盆地荒漠植物功能性状及其对环境因子的响应

植物功能性状是植物适应环境的外在表达,反映了植物在不同环境中的生存策略,探究干旱区荒漠植物功能性状及其与环境之间的关系,有助于理解植物适应极端干旱环境的生态对策,为保护荒漠地区生态系统提供理论依据。以柴达木盆地为研究区,选取8个植物功能性状指标,包含4种植物生活型,10种荒漠植物,探究荒漠植物功能性状的基本特征及其对环境因子的响应。研究表明:柴达木盆地植物叶片碳含量(LCC)、叶片氮含量(LNC)、叶片磷含量(LPC)、叶片C∶N、叶片N∶P、叶片稳定碳同位素(Leafδ^(13)C)、叶片干物质含量(LDMC)和植株高度(Height)的变化范围分别为272.07-466.00mg/g、12.40-44.50mg/g、0.51-2.07mg/g、8.62-29.74、11.37-39.29、-27.38‰--14.80‰、100-480mg/g、3.00-264.22cm。不同生活型间LNC、LPC、叶片N∶P和LDMC差异不显著,LCC、叶片C∶N、叶片δ^(13)C和植株高度存在显著差异。LNC、LPC和叶片N∶P与全球、中国和青藏高原相比不存在显著差异,但与中国其他植被类型相比差异显著。冗余分析结果显示,气候因素中年均温对柴达木盆地荒漠植物功能性状的影响较大,植株高度、LDMC、LCC和叶片δ^(13)C随着年均温的升高而增加,土壤因子中砂粒含量和砾石含量对荒漠植物功能性状影响较大。研究结果揭示了气候和土壤物理性质对荒漠植物生存的重要性,表明柴达木盆地荒漠植物采取的生存适应策略为缓慢投资⁃收益型,不同生活型之间存在生态位分化,以适应不同干旱程度的生存环境。

气候变暖背景下淮河生态经济带水环境演变特征

本文基于1960~2014年气象数据以及1998~2014年淮河流域水资源公报数据,对淮河生态经济带水文情势和水质演变特征进行了分析。主要结论如下:1)气温表现为显著上升趋势,降水量变化不显著。冷极值呈显著下降,暖极值呈波动上升趋势,降水极值表现为不显著变化;年与季节旱涝指数无显著变化趋势;2)水资源总量随降水变化呈波动变化。废水排放量呈显著增长趋势,化学需氧量(COD)排放量减少。I、II、III类水的比重增加,IV和V类水的比重减少,水质总体向好,但污染仍然较为严重。

高山嵩草气孔导度对环境因子的响应模拟

以青藏高原地区高寒草甸常见建群种高山嵩草(Kobresia pygmaea)为研究对象,利用光合测定仪于2018年7—9月测定高山嵩草气体交换参数与环境因子的日变化值,利用土壤水分测量仪及环刀法、透膜法测得0—10 cm土壤水分数据作为模型变量。首先,采用3种气孔导度模型对高山嵩草气孔导度进行拟合和检验,其次,用Jarvis模型、Leuning模型和Gao模型对高山嵩草气孔导度在不同月份(7,8,9月)日变化的模拟结果进行分析,最后,总结并讨论了气孔导度对3个主要环境因子(光合有效辐射(Photosynthetically active radiation, PAR)、气温(Tair)、饱和水汽压差(Vapor pressure deficit, VPD))的响应特征。主要研究结果:(1)3个气孔导度模型都可以较好地模拟高山嵩草的气孔导度变化,Leuning模型表现最好(R2=0.726),Jarvis模型次之(R2=0.659),Gao模型准确度最低(R2=0.624)。(2)高山嵩草叶片气孔导度对3个环境因子的响应敏感度为PAR>VPD>Tair。在5—35℃气温范围内气孔导度呈现"钟形"响应,在Tair为24.83℃时达到最高值;气孔导度随着光合有效辐射强度PAR的增加(300—2100μmol m^(-2) s^(-1))而增加,在高PAR时Gs增速变慢,随后出现下降趋势;气孔导度随着VPD增加(0.12—3.48 kPa)而降低。(3)三个模型均可以较好地模拟高山嵩草气孔导度对环境因子的响应特征,其中最敏感的环境因子均是VPD。Leuning模型对Tair和VPD最敏感,而Gao模型对PAR最敏感,对Tair不敏感。以上结果以期为气候变化背景下青藏高原地区植物叶片气孔导度的响应变化以及更大尺度的陆面模式中气孔导度模型的应用提供参考。

地下水埋深对胡杨(Populus euphratica)叶片形态结构和水力导度的影响

植物光合器官形态解剖结构对叶片水力导度(Kleaf)有一定指示作用。对塔里木河下游4个地下水埋深下胡杨(Populus euphratica)叶片形态解剖结构和叶片最大水力导度(Kleaf-max)分析结果显示:(1)胡杨叶片具有明显的旱生结构特点。叶片较厚,等叶面,复表皮,栅栏组织发达,排列紧密,叶肉细胞中含有两种结晶体——棱晶和簇晶,叶脉密集,气孔下陷。(2)随着地下水埋深的增大,胡杨叶片厚度(LT)、表层厚度(ET)、栅栏组织厚度(PT)、栅海比(栅栏组织厚度/海绵组织厚度,PT/ST)、叶脉密度(LVD)、主脉导管直径(MVD)、气孔密度(SD)、Kleaf-max都出现显著增加趋势,气孔面积(SA)则呈显著减小趋势,表明胡杨叶片在受到水分胁迫下通过改变形态解剖结构和水分传输效率来适应干旱。(3)胡杨叶片Kleaf-max值与LT、ET、PT、PT/ST、LVD、MVD、SD有着极显著的正相关关系(P<0.01),与SA存在极显著的负相关关系(P<0.01),这表明胡杨叶片具有的形态解剖结构特征,是其叶片水力传导能力变化的基础。

胡杨(Populus euphratica)叶片结构与功能关系

叶片形态特征与功能性状可以反映植物采取的协同或权衡策略。测定了塔里木河下游不同地下水埋深下荒漠河岸林建群种胡杨(Populus euphratica)的叶片解剖结构、叶片水力导度、叶片δ13 C值,探讨了胡杨结构性状指标和功能指标对地下水埋深的响应,叶片水力传输能力与叶片解剖结构变化趋势,以及叶片水力参数、解剖结构与水分利用效率的相关关系。结果表明:(1)胡杨叶片结构指标(叶片厚度、表皮厚度、栅栏组织厚度、气孔参数、叶脉密度、主脉导管直径)、功能指标(叶片最大水力导度、水分利用效率、比叶质量)在地下水埋深最深处与地下水埋深最浅处差异显著;(2)不同地下水埋深下胡杨水分传输能力变化有解剖结构基础,叶片水分传输能力与水分散失能力存在协同关系;(3)胡杨叶片水分利用效率与叶片解剖结构指标(叶片厚度、栅栏组织厚度、表皮厚度、气孔长度、气孔宽度、气孔密度)具有相关关系;(4)胡杨叶片水分传输与叶片碳投资具有协同关系。

叶片水力性状研究进展

叶片水力性状表征了叶片为适应外在环境而形成的水分传输方面的生存策略。叶片水力性状会限制整个植株的水分传输,并影响植物的气体交换及其对干旱的响应,因此关于叶片水力性状的研究已成为植物水分关系领域的研究热点之一。本文概括了叶片水力性状的基本指标(包括叶片整体水力导度(Kleaf)、叶片木质部水力导度(Kxylem)、叶片木质部外水力导度(Kout-xylem)等)和叶片水力导度的5种主要测量方法;总结了叶脉网络结构和环境因素对叶片水力性状的影响、叶片水力性状与叶片功能指标(气孔导度、叶片水势、叶片最大光合速率)的匹配与权衡关系,以及叶片水力性状与植物抗旱性关系的最新研究进展;对今后叶片水力性状的研究提出了两点建议:1)将叶片水力性状与气体交换和叶解剖结构等相结合,构建叶片碳-水耦合模型,揭示叶片应对外界环境变化而采取的生态策略,以及植物的水-碳投资机理;2)开展植株各部分(根-茎-叶)间水分传输的交互作用研究,筛选出水力系统高效安全的物种。

海拔对青海湖流域群落水平植物功能性状的影响

海拔变化会引起气压、温度、降水、土壤湿度和风速等环境因子发生急剧变化,植物功能性状-海拔的相互关系对于预测全球变化背景下山地植物的适应方式具有重要意义。该研究在青海湖流域海拔3400-4200 m范围内布设了5个样地(海拔间隔约200m),通过植物群落调查,测定植物功能性状和土壤理化性质,结合气象数据,探讨了海拔对青海湖流域群落水平植物功能性状的影响。结果如下:(1)群落加权平均植株高度(H)、叶片干物质含量(LDMC)、叶片碳氮比(C:N)和叶片氮磷比(N:P)随海拔升高显著降低,比根表面积(SRA)随海拔升高波动下降,比叶面积(SLA)、叶片氮含量(LNC)和叶片磷含量(LPC)随海拔升高显著升高,叶片碳含量(LCC)、比根长(SRL)和根组织密度(RTD)随海拔未发生显著变化。(2)所有性状的变异来源以物种组成变化为主,N:P和LPC的种内性状变异与物种组成变化呈现正的协变效应,其余性状为负的协变效应。(3)降水和0-10 cm土层土壤养分含量对SLA变化的解释率较高,温度和10-20 cm土层土壤养分含量对其余性状随海拔变化的解释率较高。以上结果表明青海湖流域植物群落主要通过物种更替来适应随海拔升高而剧烈变化的环境,且各群落中的非优势种倾向于占据与优势种相反的性状空间来提高资源利用率,随海拔变化的热量和深层土壤养分含量是群落水平植物功能性状变化的主要影响因子。