甘肃省河东地区气象-水文干旱时空演变特征

干旱半干旱区是气候变化和人类活动的敏感和脆弱区,研究地区干旱时空演变特征有助于成灾机理分析。甘肃省河东地区是我国典型干旱半干旱区,主要依靠自然降水维持农业生产,旱灾尤为突出。基于标准化降水指数和标准化径流指数探讨河东地区气象-水文干旱的时空演变特征,结果表明:(1)气象干旱多发生于春夏两季及陇东地区,较少发生季节型以上气象干旱;(2)水文干旱较气象干旱历时更长,多年尺度干旱时有发生;(3)不同季节气象-水文干旱滞时不同,春夏两季几乎无滞后,秋季约滞后1个月,冬季约滞后4个月;(4)陇中和陇东地区历史受灾/成灾面积较大。本研究可为干旱半干旱区的旱灾预警评估和旱灾防控工作提供参考。

长江流域干旱评估指标、时空特征及成因研究进展

在梳理长江流域干旱相关研究成果的基础上,从气象干旱、水文干旱、农业干旱3个角度评述了当前长江流域干旱评估指标的研究现状,阐述了长江流域干旱的时空特征及成因。指出当前研究在区域干旱的精准识别和多因素交互作用方面仍面临严峻挑战,未来长江流域干旱的主要研究方向包括提高多源数据综合利用水平,增强干旱监测的时效性与准确性;完善干旱监测及预报体系,提高干旱预测的科学性与可靠性;深化人类活动对干旱的响应研究,揭示人类活动与自然因素在干旱事件中的相互作用机制。

滇中高原地区干旱特性及风险分析

滇中高原地区是云南省社会经济发展的核心区,也是遭受干旱灾害最为严重的区域,研究该区域干旱特性及其风险对干旱灾害防御具有重要意义。采用多元Copula函数构建综合干旱指数MDI,识别出同时涵盖气象、水文、农业3类干旱特性的综合干旱事件,据此分析区域干旱特性,进而基于自然灾害风险理论提出干旱灾害风险评价方法,根据危险度、种植率、受灾率、缺水率4个因子划分干旱风险等级,评估滇中引水工程供水前后对区域干旱情势的影响。研究结果表明:①滇中高原地区的总体干旱特征为干旱历时1.90~5.10月、烈度2.80~4.50,二者的联合重现期为2.45~3.14 a;干旱历时、烈度、联合重现期的地区分布规律均为中部楚雄、昆明、玉溪以及南部红河等州市较长(强),西部大理、东部曲靖等州市较短(弱);滇中引水工程建成通水后区域干旱呈现历时变短、烈度减弱而联合重现期增长的发展态势。②滇中引水工程通水前滇中高原区干旱风险等级为4~7级,工程建成通水后干旱风险等级较现状普遍下降1~4级,干旱风险明显降低,这表明通过实施滇中引水工程构建滇中高原水网可提高区域防御干旱灾害的能力,有利于区域国民经济的持续稳定发展。

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。

气候变化背景下山西省气象干旱时空演变特征

干旱频发对生态资源、农业发展造成了严重影响,为揭示山西省干旱时空演变特征,基于1971—2020年山西省24个气象站点的逐月气象资料,利用改进的Mann-Kendall方法检验各气象因子的年变化趋势,采用FAO56 Penman-Monteith公式计算参考作物腾发量(ET0),分析单个气象因子变化情况下ET0的变化特征和对气象因子的敏感性,比较各时间尺度(月、季、年尺度)不同干旱指数(降水距平百分率(Pa)、标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI))对山西省干旱灾害监测能力。结果表明:ET0与相对湿度呈负相关,气象因子对ET0的敏感性由大到小依次为相对湿度、日最高气温、2 m处风速、日最低气温、日平均气温,ET0呈波动下降趋势。SPEI能够在多时间尺度上有效反映山西省干旱状况,是该地区干旱监测的有效工具。在月、季、年尺度下,比较3个干旱指数,Pa检测效果较差,SPI和SPEI在某些地理区域存在较大差异,整体而言,SPEI在多数地区检测干旱的性能更好;SPEI-1尺度下,各干旱等级发生频率由大到小依次为轻旱(14.8%)、中旱(10.6%)、重旱(5.6%)、特旱(1.9%),3月干旱发生率最高(34%),12月发生率最低(31.8%),吕梁市、晋中市、大同市干旱情况较为严重;SPEI-3尺度下,季节发生干旱频率由大到小依次为秋季(33.5%)、夏季(32.5%)、春季(31.9%)、冬季(31.4%),大同市、长治市特旱发生频率最高,旱情最为严重,忻州市轻旱频率、朔州市中旱频率、吕梁市重旱频率最高;SPEI-12尺度下,轻、中、重、特旱频率分别为14.8%、10.5%、5.4%、2.3%,SPEI-12相较SPEI-1和SPEI-3识别重旱、特旱的站点更多,并基于游程理论得出,山西省南部干旱频次更多,东部干旱历时更长、干旱严重程度更大,干旱峰值主要出现在山西省南北部,由于年均降水呈波动性下降,年均气温整体上升,山西省的气候趋于暖干化,南北部旱情将有所加重,中部地区旱情有所减缓,全域性干旱仍有很大发生可能。

安徽省干旱危险性评价及等级划分

区域干旱危险性评价是实现旱灾风险管理的基础,可为防旱减灾工作提供科学有效的决策依据。选取安徽省104个县级行政区的水资源量和降水量数据,采用指标综合评估法构建了基于危险性指数的干旱危险性定量评价方法,对安徽省各县区的干旱危险性进行了评价,得到了安徽省干旱危险性等级分布图。结果表明:基于水资源量和降水量数据的计算结果绘制的县域干旱危险性区划图中,除个别县区的危险性等级分布有所差异外,安徽省干旱危险性等级分布由北到南逐渐降低;安徽省干旱危险性程度的总体变化趋势与其自然地理分布紧密相关,并且受到社会发展的影响。研究结果可为安徽省旱灾风险区划提供支撑。

西南地区气象干旱向水文干旱传播的特征

为了解西南地区气象干旱向水文干旱传播的特征,采用西南地区1968—2017年101个气象站观测资料和8个水文站月径流资料,计算了标准化降雨蒸散发指数(SPEI)和标椎化径流指数(SRI),基于皮尔逊相关系数(PCC)确定了干旱响应时间并结合游程理论识别、融合和剔除干旱事件,构建了线性干旱传播模型并确定了西南地区部分流域气象干旱向水文干旱传播的触发阈值。结果表明:西南地区干旱响应时间为2~7月;水文干旱敏感度分布与气象干旱传播率分布较为一致;干旱烈度传播阈值较小的流域,水文干旱事件历时更长。

中国典型大范围持续干旱事件对大气环流的响应

在全球气候变化和人类活动强度增加的双重驱动下,频繁、广发的大范围极端干旱事件给中国经济社会发展和生态环境造成了严重影响。为分析中国干旱的时空动态演变特征,该研究采用标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)结合干旱历时、干旱面积以及干旱烈度,构建了一种基于持续干旱栅格概念的大范围持续干旱事件识别方法,研究1961—2020年中国历史大范围持续干旱事件的时空动态演变特征及其对大气环流的响应机制。研究发现:过去60年中国共发生了47场大范围持续干旱事件,平均持续干旱历时为7.14个月,平均持续干旱面积为28.66%,平均持续干旱烈度为-2.86;1980—2010年间每10 a发生的干旱事件平均持续干旱面积出现连续扩大趋势,在1970—2020年间每10 a发生的干旱事件平均持续干旱历时集中在4~8个月之间;海洋尼诺指数(Oceanic Ni?o Index,ONI)与中国大范围持续干旱事件的发生表现出较强的相关性,ONI与SPEI3之间主要存在16~48月的共振周期,当强拉尼娜事件发生时会导致中国春季降水的减少,增加中国发生春旱的频次。研究结果有助于进一步理解中国干旱的成因和规律,提升防旱抗旱政策的科学性和精准性。

基于CWDI蒙冀半干旱区近60a谷子干旱时空变化特征

谷子是半干旱区的特色作物,具有耐旱稳产的特点。蒙冀半干旱区是谷子的优势产区,种植面积及总产量均居全国前列,但干旱严重威胁着该区谷子生产。为揭示干旱对谷子生长过程的影响,提高谷子生产应对干旱风险的能力,选取研究区内27个气象站点1961-2019年谷子生长季(5-9月)逐日气象数据,采用作物水分亏缺指数(CWDI)作为干旱指标,结合干旱强度、干旱频率、干旱站次比分析谷子干旱的时空变化特征。结果表明:(1)近60a,蒙冀半干旱区谷子干旱强度呈下降趋势。干旱的发生频率和站次比均随干旱等级的升高而降低。(2)在谷子各生育阶段,干旱强度和干旱频率表现为拔节期>苗期>成熟期>灌浆期>抽穗期。(3)空间分布上,研究区内谷子干旱强度和干旱频率均表现为由西北向东南逐渐降低,其中中旱、重旱和特旱的发生范围均减小。干旱强度和频率的降低有利于蒙冀半干旱区的谷子生产。

基于有效干旱指数的锡林郭勒干旱时空分布特征

[目的]识别锡林郭勒草原干旱事件、干旱频率和干旱强度,明确锡林郭勒气象干旱场,进而为锡林郭勒减轻干旱引发的环境和经济问题。[方法]选取1969—2018年锡林郭勒地区9个气象站点逐月观测数据,计算有效干旱指数(effective drought index,EDI),结合Mann-Kendall检验、经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解、干旱定量表征等方法,分析了60年来锡林郭勒干旱时空格局特征。[结果]锡林郭勒地区的年平均EDI指数以0.029/10 a的速度下降,干旱趋势明显增强,平均每年发生0.5次干旱事件。锡林郭勒正常发生的频率为67.17%~72.65%,发生重旱的频率为0.02%~0.99%,发生不同干旱的频率差异性较大,西南部、中部是干旱强度较高的区域。锡林郭勒前2个主要特征向量的方差贡献率分别达52.75%和14.38%,空间模态表现为一致型和东南—西北反位相型。[结论]考虑有效降水的EDI指数在揭示草原干旱时空变化趋势方面更有优势,可以用来识别气象干旱时空模态的变化情况。

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。

基于温度植被干旱指数(TVDI)的甘肃省农业干旱监测方法研究

改进温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)并明确TVDI的农业干旱等级阈值,对提高TVDI指数监测农业干旱能力有重要意义。利用近19 a的MODIS(Moderate Resolu⁃tion Imaging Spectro-radiometer,MODIS)遥感数据,基于单时次和多时次方法构建NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)-LST(Land Surface Temperature,LST)、EVI(Enhanced Vegetation In⁃dex,EVI)-LST、RVI(Ratio Vegetation Index,RVI)-LST、SAVI(Soil-Adjusted Vegetation Index,SAVI)-LST等几种特征空间,讨论TVDI计算方法,分析TVDI在甘肃省农业干旱监测中的适用性,并明确甘肃省夏季TVDI农业干旱分级标准。结果表明:(1)基于多时次方法构建的SAVI-LST特征空间TVDI更适合甘肃省农业干旱监测,其对土壤相对湿度(Relative Soil Moisture,RSM)拟合的均方根误差(Root Mean Squared Error,RMSE)和平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)比NDVI-LST特征空间TVDI对RSM拟合的RMSE和MAE下降1%~5%;(2)TVDI适用于夏季甘肃省半干旱区、半湿润区、湿润区等非干旱区浅层10、20 cm土壤深度的农业干旱监测,RMSE和MAE约15.6%和12.6%,拟合误差湿润区<半湿润区<半干旱区;(3)利用TVDI与RSM线性关系确定的TVDI农业干旱等级更有利于提高TVDI监测农业干旱的准确性。

鄱阳湖流域气象干旱的区域性特征及干旱过程演变

基于1960—2020年鄱阳湖流域及周边29个国家气象站的连续观测资料,通过计算标准化降水蒸发指数(SPEI)并结合游程理论,研究分析了气象干旱的区域性特征及干旱过程演变。结果表明:①鄱阳湖流域月尺度气象干旱的发生频率为31.7%~34.8%,不同等级干旱发生频率的空间格局差异明显;②春、秋季节流域尺度SPEI呈现微弱下降趋势,干旱影响范围呈不显著的增加趋势,夏、冬季节情况与此相反;③就干旱区域性特征而言,鄱阳湖流域季节性气象干旱以全流域性干旱和局域性干旱为主(发生频率分别为29.5%和23.4%),区域性干旱和部分区域性干旱的发生频率(分别为10.7%和5.7%)相对较低;④游程理论揭示在过去的61 a间共发生50次流域尺度气象干旱事件,干旱事件的发生频次随干旱历时的增加显著减少,其中干旱历时最长的可达49个月;⑤流域尺度气象干旱事件的历时、峰值烈度以及总烈度的演变呈现较强的年代际波动特征;⑥干旱历时与总烈度之间存在显著的线性关系,与峰值烈度之间存在显著的幂函数关系,与平均烈度之间的相关关系不明显。这些研究结果明晰了鄱阳湖流域气象干旱的区域性特征与干旱过程演变,为合理开展流域气象干旱影响评估和制定防范策略提供科学依据。

鄱阳湖流域气象干旱向水文干旱传递的时间特征研究

认识气象干旱向水文干旱动态传播过程,对制定水文干旱预警具有重要意义。针对水文干旱传播的物理过程复杂和时空传播方面的认识不足,采用周尺度标准化降水指数、标准化降水蒸散指数和标准化径流指数,结合游程理论和贝叶斯网络分析干旱指数的特征和时间变化,探索不同等级干旱事件特征,揭示气象干旱向水文干旱传播的时间规律。结果表明:(1)鄱阳湖流域水文干旱对气象干旱的响应一般在11~15周以内,且气象干旱与水文干旱的相关性在夏秋季高于春冬季。(2)气象干旱之后发生水文干旱所占比例高达80%以上;某一等级的气象干旱发生条件下,最大可能会紧接着发生与气象干旱同等级的水文干旱事件,其次是轻于该气象干旱一个等级的水文干旱事件。(3)气象干旱发展至越高等级的水文干旱,其时间间隔越长;很难发生轻等级气象干旱演变成严重水文干旱;春冬两季干旱传播时间间隔长于夏秋两季。

吉林省气象干旱指标适用性及干旱时空演变特征研究

【目的】吉林省是我国主要的粮食主产区,明确该地区干旱时空特征对于保障粮食生产安全具有重要意义,而适宜的气象干旱指标是准确识别旱情发展的前提。【方法】研究基于吉林省55个气象站点1960—2020年逐月降水和气温数据,计算标准化降水指数(SPI)、降水距平百分率(PA)、标准化蒸散指数(SPEI)和相对湿润度指数(MI)3和12个月结果。构建指标适用性识别方法,实现4种气象干旱指数季节尺度监测结果与旱灾记录定量化精准识别分析,并基于最适宜指数分析研究全省年代际、年际和季节的干旱演变特征。【结果】研究结果表明:(1)4种指数监测准确率由高到低分别为SPI(71.15%)、PA(66.67%)、SPEI(66.03%)和MI(55.77%)。(2)年代际尺度,1980 s前吉林省易旱地区主要集中在东部地区吉林市和延边州,干旱频率均高于40%;1980 s后,高值区域转移到吉林省西部白城和松原市,干旱频率均高于20%。(3)年尺度、春、秋和冬季均呈显著湿润化趋势,干旱强度倾向率分别为-1.761%/10 a、-0.124%/10 a、-0.068%/10 a和-0.054%/10 a。【结论】SPI指数是4种指标中最适用于吉林省的指数,全省易旱地区从东南地区转移到西北地区,且中西部地区是干旱高发区。研究结果可为全省旱情监测、农业生产及旱灾防御指挥决策等工作提供参考借鉴。

北疆绿洲农业区气象干旱指数的确定及干旱特征分析

气象干旱指数是衡量农业干旱程度的指标之一。选取降水距平百分率PA、标准化降水指数SPI、标准化降水蒸散指数SPEI,通过SPI和SPEI构建的新标准化降水蒸散指数nSPEI 4种气象干旱指数,利用北疆绿洲农业区1961—2020年的气象数据,进行相关性、回归拟合、不同等级干旱频率分布分析,选出符合实际的干旱指数,进而分析研究区的气象干旱变化特征。结果表明:(1)PA的干旱标准低估了干旱程度,SPI对温度上升引起的干旱加剧不敏感,SPEI计算蒸散发选用的Thornthwaite方法会高估温度对干旱的影响,nSPEI克服了SPI和SPEI的不足,对研究区的适用性最优。(2)近60年,研究区气象干旱随时间呈波动性变化特征。进入21世纪以来,春、夏季表现为湿—干变化,秋季表现为弱的干—湿变化;春、夏季干旱由弱增强、秋季略减弱;以全局性干旱为主,春季局域性干旱增多,夏、秋季局域性干旱减少;春季特旱多,夏季重旱多。

基于叶绿素荧光遥感的中国西南耕地干旱响应研究

在全球变暖的背景下,干旱对农业生产造成了严重影响,研究农作物产量对干旱的响应对维护粮食安全至关重要。中国西南地区地貌复杂,受降水、水汽水平和垂直输送等因素影响,干旱频发。采用太阳诱导叶绿素荧光(SIF)卫星遥感数据和自校准的帕尔默干旱严重程度指数(sc_PDSI)对2001~2022年中国西南耕地区域的干旱进行了识别,并分析了粮食产量对干旱的响应,结果显示:中国西南耕地在2003年、2006年、2007年及2009~2014年间遭受了干旱,其中2011年8月和9月干旱最为严重,sc_PDSI值分别为-2.61和-2.52;2001~2022年中国西南作物GOSIF呈显著增加趋势(+0.0026 W/m2μm·sr·yr,p<0.05);粮食产量与GOSIF、scPDSI均显著相关,但GOSIF的相关系数高于sc_PDSI,说明GOSIF能更准确地反映作物产量动态。本研究成果对于区域干旱的空间特征、演化趋势以及因干旱产生的粮食产量损失估计具有重要参考价值。

基于SPI的1961—2020年昌吉地区作物生长季气象干旱时空特征研究

基于昌吉地区1961—2020年的气象资料分析作物生长季标准化降水指数(SPI-7)的年际和年代际变化特征,揭示作物生长季干旱发生频率和强度。结果表明:1961—2020年昌吉地区作物生长季水分呈增加趋势,标准化降水指数以0.08/10 a的速率增加。气象干旱呈干—湿—干的年代际变化趋势,其中在1981年发生突变。干旱强度呈增加趋势,干旱发生面积呈弱减少趋势。东部地区是干旱高发区,但以轻旱为主;西部地区则是中旱、重旱和特旱高发区。昌吉地区的气象干旱存在6、9、16 a的周期震荡,与历史灾情具有很好的吻合性。

2022年长江流域不同类型干旱时空响应关系

为研究2022年长江流域不同类型干旱的时空响应关系,基于三维时空聚类识别方法在月尺度下提取2022年长江流域气象、农业和水文干旱事件,在候尺度(5 d)下利用三类型干旱事件对匹配规则识别2022年长江流域存在时空联系的气象农业水文干旱事件对,定量揭示各类型干旱之间的时空响应关系。结果表明:三维时空聚类识别方法在月尺度下识别出历时大于2月的气象、农业和水文干旱事件分别为3、2和2场,能够清晰地刻画出各类型干旱在时空上的发生、发展、消亡过程;利用三类型干旱事件对匹配规则在候尺度下识别出2022年长江流域1场气象农业水文干旱事件对,即由气象和农业干旱事件共同引发的水文干旱事件,该场干旱事件对中各类型干旱事件迁移路径均为长江上游至中下游迁移,最终分别在湖北,重庆和湖北结束。

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。