基于SPI-RRV指数中国气象干旱及其风险时空演变特征研究

为全面揭示变化环境下我国多维气象干旱特征,耦合气象干旱指数(SPI)和可靠性-回弹性-脆弱性(RRV)指数,提出了一种基于SPI-RRV指数的干旱风险评价方法,定量评价了中国气象干旱及其风险的时空演变特征。结果表明:SPI-RRV指数具有特征稳定和时空可比性强的特点,能够较为准确地评估气象干旱风险时空演变特征;南方平均干旱栅格比、干旱月占比和频次大于北方,湿润区和半湿润区干旱历时短、烈度大,半干旱区和干旱区干旱历时长、烈度相对较小;干旱高风险区转移具有显著年代际变化规律,空间上从西北向西南地区转移。

气候变化背景下赣江流域复合高温干旱事件时空演变特征

【目的】在气候变化背景下,全球多区域复合高温干旱事件频率与强度呈现增加趋势。系统揭示赣江流域复合高温干旱事件的时空演变特征,为灾害风险防范提供参考。【方法】采用1961—2021年的日最高温度和表层土壤含水量数据,评估赣江流域热浪、农业干旱和复合高温干旱事件的时空变化趋势,对比分析复合高温干旱事件与单独极端事件的特征差异。【结果】结果表明:赣江流域农业干旱事件频次呈下降趋势(-0.027场/10 a),热浪事件及复合高温干旱事件的频次呈上升趋势(0.084场/10 a、0.013场/10 a)。与1961—2000年相比,2001—2021年赣江流域农业干旱的发生频率在北部大部分区域有所下降,南部地区大部分区域有所增加;热浪事件的发生频率在全流域均呈增加趋势;复合高温干旱的发生频率在东北部有所下降,南部显著上升。与单独热浪事件和单独农业干旱事件相比,复合高温干旱下的热浪事件历时和烈度分别增加16.87%和26.25%,农业干旱事件历时和烈度分别增加10.65%和26.86%。【结论】赣江流域南部地区复合高温干旱事件发生频率显著增加;相比于单独的极端事件,复合高温干旱事件的危险性有所增强,未来应加强该区域的复合高温干旱风险防范能力。

1980—2020年全球重大洪灾时空特征探析

为充分理解全球洪涝灾害的时空演变规律,基于长时间序列全球历史洪灾数据,运用数理统计和GIS空间分析方法,在不同空间尺度和年代际、年际的时间尺度上,全面分析了1980—2020年重大洪涝灾害的时空特征。结果表明:①全球洪灾次数在21世纪前10 a达到峰值,死亡和影响人口在1990s达到峰值,累计经济损失在2010s达到峰值,次均经济损失在1990s和2010s最高;②洪灾发生次数及造成的经济损失在1980—2020年期间呈显著上升趋势,每次洪灾造成的人口损失呈现下降趋势;③亚洲洪涝灾害严重,洪灾的发生次数、死亡人数、影响人口及经济损失的累计值分别占全球总数的41%、68%、95%和63%,然而包括中国在内的亚洲诸多国家的洪灾人口损失呈下降趋势;④全球重大洪灾呈东西向分布,灾害重心有南移趋势,洪灾由集中趋于分散,影响区域逐渐变广。

基于水循环全过程的旱涝级联效应研究框架

气候变化与人类活动影响加剧背景下,亟须实现旱涝灾害风险精准防控。从孕育机理、传播机制、事件评价、风险评估、影响效应等方面回顾了旱涝事件研究现状,明晰了当前在旱涝事件演变机理和评价指标构建方面存在的不足。从水循环全过程视角,分析了干旱和洪涝事件在坡面、河道、流域和区域4个尺度与水量和效应2个层面的本质内涵、影响效应及评价方式。基于地表-土壤-地下、坡面-河道、支流-干流及水网工程间的水力联系,分别从水量和效应层面分析了不同空间尺度上干旱和洪涝的内在联系,明确了干旱、洪涝及旱涝级联过程本质上受流域调蓄作用的影响。从旱涝级联效应的内涵、类型、表现形式和关键技术等方面,提出了旱涝级联效应的研究框架。未来应从流域调蓄作用的视角量化不同空间尺度各要素调蓄能力变化,分层调蓄防范化解旱涝风险。

基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法

为了科学评估自然-社会系统影响下非平稳水文干旱,考虑气候变化(降水、气温)和人类活动(取用水、水库)四元要素的影响,通过基于四元驱动的GAMLSS模型构建非平稳标准化径流指数(NSRI),提出了基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法。黄河流域非平稳水文干旱实例评估结果表明:黄河流域花园口站径流序列呈现出明显的非平稳特征,径流量1961—2020年发生显著下降,并在1990年发生突变;基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法能够更好地对径流数据进行非平稳概率分布拟合;对于历史干旱事件的识别,NSRI识别的干旱过程与实际更加接近,NSRI比标准化径流指数(SRI)识别效果更好,可以更好地反映变化环境下的水文干旱演变趋势。

黄河流域近40年土地利用/覆被时空变化特征

[目的]研究土地利用/覆被时空变化特征对于黄河流域土地资源保护与合理开发具有重要意义,可为黄河流域生态保护与高质量发展战略实施提供重要参考。[方法]基于黄河流域1980-2021逐年土地利用/覆被数据,采用Mann-Kendall和滑动t检验、地学信息图谱、标准差椭圆和重心迁移模型等方法,探究近40年黄河流域土地利用/覆被变化特征。[结果](1)1980-2021年林地、灌丛、水域、建设用地显著增加,耕地、草地、湿地显著减少。(2)流域土地利用/覆被变化时段可划分为1980-1992年,1993-2001年,2002-2012年,2013-2021年,数量结构逐渐呈现快速变化特点,建设用地、湿地和水域变化敏感。土地利用结构均衡度逐渐增强,呈现的阶段性变化与实施的重大战略措施关联性高,并与划分的阶段较符合。(3)流域中上游以2012-2021年和间歇变化型、耕地和草地的相互转换为主,下游以2001-2012年和2012-2021年变化型、耕地转为建设用地和草地为主。流域内宁夏北部、内蒙古东部及部分沿黄河水系分布的地区变化频繁。(4)湿地、水域和建设用地的重心向西迁移,分别呈现向西南集中分布、向东分散、向西北集中分布态势。[结论]土地利用结构在政策导向下总体趋势变好,未来应重点关注湿地以及土地利用变化频繁的地区。

1966—2015年长江流域水文干旱时空演变归因

气候变化和人类活动叠加影响下长江流域干旱情势日益严重且复杂多变,严重威胁着流域经济社会可持续发展,亟需探究自然变率和人类活动对长江流域水文干旱时空演变的作用机制,量化人类活动对水文干旱事件发生频次、破坏深度以及恢复速度的影响。本研究运用可细化人类活动影响的PCR-GLOBWB 2.0模型,耦合标准化径流指数(ISR)和可靠性-回弹性-脆弱性(RRV)框架,构建长江流域水文干旱状态的时空演变特征评估指标(I_(SRI-RRV)),揭示长江流域1966—2015年水文干旱状态的时空变化规律,定量评估水库调度和人类取用水等人类活动对长江流域极端水文干旱事件发生频率、持续时间和破坏深度的影响程度。结果表明:PCR-GLOBWB 2.0模型和I_(SRI-RRV)可准确表征长江流域水文干旱情势,量化人类活动对长江流域水文干旱状态时空演变特征的影响;1966—2015年长江流域水文干旱状态整体呈现恶化的趋势,但人类活动减少了1992年以来长江流域水文干旱面积占比;2006—2015年人类活动情景下长江流域的I_(SRI-RRV)明显高于自然情景,以水库调节为主的人类活动对长江流域整体I_(SRI-RRV)的提高贡献率较大。

基于CMIP6的全球及干旱带干旱时空演变

针对全球范围内极端气候事件频繁发生的问题,采用等距离分位数方法,构建CMIP6模式高精度降水、气温数据库,耦合帕默尔干旱指数(PDSI)预估未来情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5)下全球及干旱带干旱特征时空演变趋势。结果表明:经过偏差校正的CMIP6模拟精度明显提高;基准期(1979—2014年)全球干旱频次变化较小,干旱历时较长,干旱烈度较强,干旱带的干旱烈度较弱;预测期(2025—2060年)全球干旱特征在时空分布上差异性显著,干旱频次较高,平均干旱历时增加,平均干旱烈度增强;预测期干旱带干旱频次、干旱历时和干旱烈度均呈现增加趋势,热带/亚热带干旱带和温带干旱带变旱趋势较显著。

多时间尺度下中国区域土壤湿度记忆性时空特征及趋势分析

土壤湿度是大气陆面异常的最敏感指示要素,在土壤和植被作用下土壤湿度变化具有一定持续性,能够不同程度地保留前期土壤湿度的状态,对干旱、洪水等极端事件具有显著的影响和调节作用,开展土壤湿度记忆性研究对农业、水利部门具有重要意义。为探究多个时间尺度下土壤湿度记忆性时空特征及演变趋势,该研究基于欧洲中心再分析产品(ERA5-Land)中国区域1979—2018年的土壤湿度数据,结合滞后自相关分析,计算中国区域1979—2018年土壤湿度记忆性(soil moisture memory,SMM),探究不同时间尺度(季节、年、年际)及干湿条件下SMM的时空分布特征及演变趋势。结果表明:(1)从多年平均状态来看,土壤湿度在滞后时间超过300 d后无显著相关;空间上北方地区SMM远高于南方地区,其中西南地区记忆时长不足20 d,南方地区小于40 d,北方大部分地区则超过80 d。(2)季节上,大部分区域表现为冬季长、夏季短、秋春季次之的规律,其中华北地区季节性差异较大,冬季记忆时长超过70 d,夏季则低于20 d;同时在不同干湿条件下,土壤湿度在干燥期的记忆性明显强于湿润期,干燥期青藏高原、华北和东北地区记忆时长超过90 d,湿润期则比干燥期少60~80 d。(3)从演变趋势来看,北方地区土壤湿度记忆时长呈下降趋势,其中华北和青藏高原地区较为显著,南方地区则呈增长趋势;此外,大部分地区记忆时长的变化趋势与滞后30 d记忆性的变化趋势较为一致。研究可为气候预测和农业干旱监测提供参考。

渭河流域热浪事件影响下的骤旱评估

骤发干旱(简称骤旱)是一种以速度快、强度高为特征的极端事件。然而,对热浪影响下的骤旱过程研究相对有限。文章选取渭河流域作为研究区,根据日最高气温和表层土壤含水量识别热浪和骤旱事件;将骤旱事件分为与热浪相遇和未与热浪相遇的骤旱两种类型,通过比较两类骤旱的历时和发展速度等特征,揭示热浪如何影响骤旱过程。分析结果表明,1981—2020年渭河流域的骤旱和热浪事件发生频次显著增加(p<0.1),在与(未与)热浪相遇的骤旱事件的历时和发展速度平均值分别为8.03(9.66)个候(5 d为1候)和25.44(23.78)个分位变化/候,表明在热浪影响下骤旱事件通常会历时缩短,发展速度加快。研究结果可为热浪影响下的骤旱评估和监测提供理论依据。

基于时变参数和阈值的非平稳水文干旱评估方法构建

变化环境下,气候变化和人类活动的双重影响导致径流过程出现非平稳特征,需构建非平稳水文干旱评估方法。选取渭河流域为研究区,基于平稳性、突变性和趋势性分析方法,分析径流过程非平稳特征;分别采用基于位置、尺度和形状参数的广义可加模型和完全自适应噪声集合经验模态分解法,构建考虑径流过程非平稳变化的时变参数标准化径流指数和时变阈值法,开展非平稳水文干旱事件评估;结合标准化降水指数和历史记载干旱事件验证两种非平稳干旱评估方法的合理性。结果表明:渭河流域年径流序列突变点出现在1990年前后,且径流序列在突变点后(1991—2020年)呈显著(α<0.05)上升趋势;不同设计方案间的对比结果表明,时变参数标准化径流指数和时变阈值法具备更强的稳健性,可合理刻画出径流过程的旱涝动态变化;构建的两类非平稳评估方法与标准化降水指数及历史记载干旱事件表征的旱涝过程有较高的一致性,更适应于变化环境下的水文干旱评估。

基于图论的抚河流域水资源多目标空间优化配置研究

水资源空间优化配置研究对于保障区域水资源可持续与合理高效利用具有重要意义。针对江西省抚河流域降雨时空不均和开发利用过度所造成的水资源短缺现状,利用多目标空间优化的建模思想研究该流域水资源优化配置问题。通过对抚河流域系统进行概化,构建流域网络模型,考虑经济、社会和环境影响从而设置三个相应的目标函数,并根据流域特点及节点设置列出模型的约束条件,建立基于图论的抚河流域水资源多目标空间优化配置模型。在流域现状年和规划年供需平衡分析的基础上,确定以流域较为缺水的95%来水频率下的供需水量作为优化配置基准,进行折衷规划算法(CP模型)求解,得到抚河流域各县(区)水资源优化配置结果,基本满足各县(区)需水条件,验证了模型的可行性与实用性。

基于随机森林的山洪灾害风险评估——以江西省为例

依据流域灾害系统理论,以江西省山洪灾害的特点为基础,从触发因子、下垫面孕灾环境和承灾体3个角度确定影响山洪灾害的9个评价指标。将历史发生山洪灾害点的正样本集和5组随机采样点的负样本集组成不同的总样本集,并进行训练样本和测试样本的随机分组。通过训练样本构建了基于随机森林的模型,并通过测试样本对模型进行检验,平均精度为86.26%,表明构建的随机森林模型具有较好的拟合效果。对山洪灾害风险图在行政分区上进行了风险高值区面积绝对值和面积占比的定量统计分析,结果发现景德镇和上饶市山洪灾害风险度较高和很高的区域不仅面积占比大,所占面积绝对值也很大,属于山洪灾害高发区域。

骤发干旱前期气象驱动条件及可模拟性分析

骤发干旱(简称骤旱)是一种以短历时、高强度、快速度为特征的极端事件,其形成速度已超出现有干旱监测工具的能力范围,监测模拟难度大。基于欧洲中心再分析产品(ERA)土壤含水量数据,构建考虑旱情开始速度的骤旱识别方法,提取中国1979—2018年骤旱事件,剖析旱情初期气象要素异常值的变化规律,探讨利用气象条件模拟骤旱的可行性。结果表明:①开始速度在空间上呈现显著的南北差异,长江以南地区较快,西北地区较慢;②骤旱比缓慢干旱具有更强的气象驱动力,骤旱各气象要素异常值的均值、峰值及变化幅度比缓慢干旱变化更为显著,尤其是峰值,约超过缓慢干旱0.5个标准差;③综合考虑骤旱爆发前后不同时段多个气象要素异常,能够较好地模拟开始速度,可用于监测与模拟骤旱。

基于云关联的河系相关水文站径流预报精度预测

径流预报往往具有"事后检验"效应,即一次预报的优劣只能通过事后的洪水进行检验。为了实现河系预报作业时下游预报结果的"事前检验",即在提供下游预报结果的同时提供预报精度(优劣)的定性估算,基于云模型,将2003～2006年期间15场"历史"洪水模拟精度划分为不同等级的概念,实现定量数据到定性概念的转换,通过Apriori算法建立"历史"洪水上下游控制站模拟精度的关联规则。2000～2002年间7场"检验"洪水的验证结果表明所提取的关联规则是可靠的,因而根据河系上下游串联特点,利用上游预报结果定性估算下游预报精度是可行的。

黄河流域气象干旱与水文干旱时空特征及其传递关系

基于标准化降水蒸散指数(SPEI)和标准化径流指数(SRI),比较了黄河流域气象干旱和水文干旱的时空分布差异,分析了二者时间尺度上的关联性,并选取典型干旱事件进一步探讨了两种干旱类型的传递关系。结果表明:两种干旱类型空间上有相似的趋势和频次,但在黄河源区和黄河中南部(渭河流域)差异显著,其干旱历时均有随年代延长的趋势,水文干旱历时增长尤为明显;在时间尺度上,SPEI与SRI在大部分区域基本一致,但在黄河源区和渭河流域差异较大,尤其是短时间尺度上差异更显著;气象干旱与水文干旱并非一一对应,多场短历时间断气象干旱受时滞效应、异常气象波动等影响,可能引发一场长历时连续水文干旱或多场短历时间断水文干旱,一场长历时连续气象干旱强度衰减可能引发多场短历时间断水文干旱。

基于生态流量阈值的河流水文健康演变定量归因

环境变化改变了河流水文情势,影响了河流的生态系统健康,亟需开展变化环境下河流水文健康演变定量归因方法研究。选取北方半干旱地区老哈河流域为研究区,依据流域内3个水文站、17个雨量站和6个气象站1964—2016年数据,基于可变下渗容量模型还原河流的天然流量序列;采用概率密度法计算河流生态流量,基于生态流量阈值推求河流水文健康等级;基于“观测-模拟”对比分析法,定量分离气候变化和人类活动对河流水文健康情势的影响。结果表明:人类活动是甸子和太平庄子流域自1980年以来河流水文健康情势退化的主要原因,其贡献率分别为86.9%和87.9%;大面积农业灌溉用水引起地表径流下降以及水利工程改变天然水文情势,影响了河流水文健康情势;90年代降水量较为充沛,研究流域受人类活动影响程度较小,河流水文健康等级维持在较高的水平。综合生态流量阈值和“观测-模拟”对比分析方法可定量识别河流水文健康情势演变原因,为适应环境变化的河流健康管理提供科学依据。

CHIRPS和GLEAM卫星产品在中国的干旱监测效用评估

为评估具有分辨率高、覆盖范围广、数据序列动态连续优点的卫星降水和潜在蒸散发产品在中国干旱监测中的应用能力,以CGDPA(China gauge-based precipitation daily analysis dataset)和PM-Ep(potential evapotranspiration calculated by penman-monteith)为基准数据,以标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)为干旱监测指标,利用6个精度统计指标和分类度量指标评估CHIRPS(climate hazards group infrared precipitation with station data)、GLEAM-Ep(global land-surface evaporation:the Amsterdam methodology,potential evapotranspiration)在中国的干旱监测效用。结果表明:1)CHIRPS和GLEAM-Ep在中国东部和西南地区表现良好。由于气象站格网的稀疏,它们在中国西部大部分地区的表现存在较大不确定性。2)SPEIs(基于CHIRPS和GLAEM-Ep计算的SPEI)在中国东部和西南地区对干旱模拟效果较好,其与SPEIm(基于CGDPA和PM-Ep计算的SPEI)的相关系数(CC)在东南、西南、长江中下游地区、华北均大于0.6,尤其是相对湿润地区的CC值在0.70以上且均方根误差低于0.8。3)SPEIs3(3个月的SPEIs)在东南、西南、长江中下游地区、华北对干旱面积比的演变过程模拟效果较好,持续干旱模拟成功率分别为0.93、0.57、0.71、0.81及干旱空间分布模拟精度较高。总体而言,基于长序列CHIRPS和GLEAM-Ep计算的SPEI可适用于中国东部和西南地区的干旱监测与评价,可为该地区的干旱事件监测与预警、水资源管理提供可靠的参考依据。

1982～2015年渭河流域植被变化特征及气候因素影响

基于GIMMS NDVI3g(the third generation of Global Inventory Modeling and Mapping Studies Normalized Difference Vegetation Index)数据,结合趋势分析、Mann-Kendall检验和Pearson相关分析等方法,识别了渭河流域1982~2015年不同时间尺度(年、月及季节)植被NDVI的动态变化特征及气候因素影响。结果表明,近34年渭河流域NDVI呈现增长趋势,且2000~2015年NDVI较1982~1999年显著增长,趋势线斜率分别为0.003和0.001,退耕还林后植被覆盖状况明显改善;年均NDVI与气温呈显著正相关,与降水的正相关性较弱;月均NDVI与气温和降水都表现为显著正相关,相关系数分别为0.926,0.743;春秋季NDVI与气温呈现显著正相关,夏季NDVI与气温、降水的相关性不明显,冬季NDVI与前期气温存在滞后相关。

基于联合干旱指数的黄河流域干旱时空特征

依据黄河流域100个气象站1961—2013年的降水数据,采用高斯Copula函数并联合5个时间尺度的标准降水指数(SPI),构建了联合干旱指数(JDI),进而剖析流域干旱时空演变特性和评估历史时期干旱特征(历时、烈度)及联合特征分布规律。结果表明:JDI具备短时间尺度SPI对干旱事件开始时刻的快速捕捉能力,同时考虑到长时间尺度SPI的时间滞后性,在捕捉干旱传播及演变过程方面体现出较大优势;从时空分布特征来看,黄河流域中南部地区在20世纪90年代存在明显的干旱高频区,渭河、泾河、洛河流域存在以年代为周期的旱涝交替现象;黄河流域西北部地区、北部河套平原和大黑河子流域及中南部少数地区比其他地区更易发生长历时、大烈度干旱事件;变动阈值水平能引起历时和烈度较大的变化幅度,而联合特征对阈值水平变化的响应不敏感。