基于流域储水量精细化模拟的干旱指数构建及应用

为构建一种客观反映河道槽蓄量、水库蓄水量和土壤含水量联合亏缺的干旱指数,以秦淮河流域为研究区,基于500 m×500 m分辨率的VIC-FLASH模型,通过精细化模拟流域河道、水库和土壤中存储水量的变化过程,构建了标准化流域储水指数(SWSI),并应用SWSI对1980—2019年秦淮河流域历史干旱事件和干旱特征进行分析,验证了其可靠性和应用优势。结果表明:高分辨率VIC-FLASH模型可以较好地模拟流域储水量时空分布,流量过程模拟结果平均相对误差为10.6%,流域内6座水库实测与模拟蓄水量相关系数为0.53~0.86;SWSI可以准确识别干旱事件和反映区域干旱严重程度,干旱烈度与实际受旱面积的相关系数为0.88;1980—2019年逐日SWSI与标准化径流指数和土壤含水量距平指数的相关系数分别为0.89和0.98;SWSI不仅可以定量反映流域储水量的亏缺状态,而且可以更加客观地反映旱情时空演变过程。

基于实际蒸散量修订标准化降水蒸散干旱指数研究

为改进SPEI在农业干旱监测中的效果,从水分平衡的角度提出了一种修订的标准化降水蒸散指数(MSPEI).该指数通过计算降水与实际蒸散量的差值,并基于最长连续干旱时间对差值进行自适应修正,采用目视检查概率拟合曲线与Kolmogorov-Smirnov检验2种方法选择适宜分布函数,最后进行标准化转换生成干旱指数.干旱指数有效性检验表明:MSPEI能够准确反映不同季节间干湿状态的差异,在湿润比例低于20%的春季,MSPEI均低于-0.5;在反映干旱趋势时,MSPEI与SPEI具有高度一致性;MSPEI与植被指数具有稳定且较高的相关性,在0.57~0.78之间;在典型干旱过程监测中,MSPEI对旱灾发生、发展和解除过程的描述更符合实际.MSPEI适应于不同气候背景,无需选择时间尺度,即可较准确地反映农业干旱演化过程.

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。

不同气象干旱指数在北疆绿洲农业区适用性分析

选取北疆绿洲农业区11个气象站1961—2020年的数据,按月尺度计算降水距平百分率(PA)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)、K指数和气象干旱综合指数(MCI)5种干旱指数,通过比较这些指数的相关性、不同等级的干旱发生频率以及在典型干旱年份的识别能力,分析各指数在该区域的适用性。结果表明,PA和SPI对降水亏缺有敏感的反应,但对温度的关联较弱,未充分考虑增温对干旱的影响;MCI与温度和降水的关联均较弱,倾向于低估重旱和特旱;SPEI和K指数与温度和降水均有较好的关联,但K指数过多地报告中度至重度干旱,而SPEI则全面考虑了温度和降水对干旱的综合影响,其结果更符合实际情况。由于SPEI计算蒸散发采用的Thornthwaite方法可能高估了温度对干旱的影响,在降水显著偏少、温度偏差较小的情况下,SPI的监测结果可能比SPEI更为严重,因此,建议结合SPI使用,以弥补这一不足。

干旱指数法综合评价河南烤烟新品种抗旱性

以中烟100、云烟87和NC89为对照品种,采用PEG(聚乙二醇)模拟干旱试验,结合盆栽控水试验研究干旱胁迫对河南省烤烟新品种的影响,采用干旱指数法综合评价新品种的抗旱性。结果表明,河洛1号抗旱性最强;其次是豫浓香201,在中度干旱胁迫条件下抗旱性较强,重度干旱则影响烟叶正常生长;渠首1号抗旱性与对照品种NC89、中烟100和云烟87基本相当。

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。

基于综合干旱指数的中亚干旱区气候干湿时空演变特征

为了更全面地了解中亚干旱区气候的干湿变化,基于Copula函数,建立能反映气象干旱和农业干旱的综合干旱指数(Nonlinear trivariate drought index,NTDI),并用其表征1960—2019年中亚干旱区气候干湿的时空演变特征。结果表明,所建构NTDI指数结合了标准化降水蒸散指数(SPEI)和标准化土壤湿度指数(SSMI)在表征干旱发生及持续方面具备的优势,能更综合地从气象与农业角度刻画干旱特征;1960—2019年中亚干旱区呈微弱的湿润化趋势。从空间上来看,中亚5国大部分区域显著变干,中国新疆大部分区域显著变湿。整个研究区在冬季湿润化趋势最显著。20世纪初90年代发生干旱的频率最低;1960—2019年秋旱和冬旱发生频率最高,春旱最低。中亚干旱区的综合干旱场存在整体一致型、南北反向型和东西反向型3种基本空间模态,分别表现为整体湿润(干旱)、北干(湿)南湿(干)、东干(湿)西湿(干)的空间特征。

基于综合干旱指数的伊犁河流域干旱多变量概率特征研究

基于D-Vine-Copula函数,联合降水和VIC模型模拟的蒸散发、径流和土壤水等要素,构建了一种能表征气象-水文-农业干旱特征的新型综合干旱指数SWCI,以伊犁河流域为研究区,分析干旱多属性概率特征及其空间分布规律,以期为干旱区划及旱灾风险评估提供科学依据。结果表明:(1)构建的SWCI指数能很好地捕捉到不同类型干旱特征,具有较好的适用性;(2)1960—2010年,伊犁河谷东部共经历了43次干旱事件,干旱发生频率较高但程度较轻;河谷西部和南部山区分别发生干旱事件38、39次,干旱频率较河谷东部低但旱情偏重;(3)各区域多维干旱联合概率与干旱历时、烈度、峰值呈负相关关系,表明干旱历时、烈度和峰值越大,综合干旱发生的概率越小;(4)从二元条件概率可知,干旱历时(干旱烈度)的条件概率随干旱烈度(干旱历时)的增加而增大,但当干旱烈度(干旱历时)为某一固定值时,随着干旱历时(干旱烈度)逐渐增加,干旱烈度(干旱历时)的条件概率逐渐减小。(5)研究区的干旱高风险区主要集中在河谷西部和南部山区,其他区域为低风险区。

基于Copula函数的千米尺度综合干旱指数构建与应用——以重庆市为例

干旱是影响农业生产最大的自然灾害之一,开发综合干旱指数对于评估干旱具有现实意义。该文耦合XGBoost算法降尺度后的土壤水分和降水Z指数数据,在空间上以重庆市行政区县边界分区,时间上以旬为单位分段,基于Copula函数构建千米尺度网格化的综合干旱指数(meteorology-agriculture composite standardized dranght index,CSDI M-A),评估干旱的时空特征。结果表明,降尺度提高了遥感产品的空间连续性,为后续构建千米尺度的CSDI M-A提供支持;广义极值分布和t位置尺度分布分别适用于拟合重庆市大多数区县土壤水分和降水变量数据分布,Frank-copula函数适用于拟合旬尺度下二元变量的联合分布;基于土壤墒情数据验证构建的CSDI M-A比降水Z指数能更好地反映干旱信息,基于各区县得到CSDI M-A的空间分布与实际旱情资料相符,说明所构建的CSDI M-A可为干旱评估提供参考。

基于温度植被干旱指数的关中地区旱情监测

及时准确地进行区域尺度的干旱监测对于保障农业生产和保护粮食安全具有重要指导意义。该研究基于2001—2020年的MOD11A2地表温度8 d合成产品与MOD13A1植被指数16 d合成产品,通过地表温度(land surface temperature,LST)和归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据构建NDVI-LST特征空间,获取关中地区2001—2020年20 a时间序列的温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI),分析关中地区干旱时空分布演变特征和干旱影响成因,探索其未来演变趋势。结果表明:1)关中地区近20 a来TVDI平均值为0.57,干旱类型整体上属于正常的干旱状态,82.00%的地区干旱变化状况为稳定不变,渭河冲积平原干旱程度较为严重,其次是渭北旱塬地区,南部秦岭地区较为湿润;2)关中地区未来干旱情况有所缓解,7.71%的研究区将持续变湿,36.24%的地区由干变湿;3)关中地区的TVDI值与海拔、坡度、降水量呈现负相关,与气温呈现正相关关系,林地、草地覆盖对缓解干旱具有积极意义。温度植被干旱指数从区域尺度上实现了干旱状况的定量化表征,在关中地区具有较好的适用性,遥感干旱监测结果可为关中地区抗旱对策的制定提供理论基础和科学依据。

基于干旱指数的贵州省辣椒保险产品设计

【目的】为了向地方开展政策性农业保险提供理论依据,减弱气象灾害对地方经济的影响。【方法】该文利用2011—2018年贵州省88个县逐年辣椒生育期、产量资料,1980—2020年贵州省84个地面常规气象站逐日气象资料、贵州干旱标准,采用克里金插值、回归分析等方法,分析贵州省干旱时空分布特征,设计辣椒干旱指数保险产品。【结果】(1)轻旱和中旱主要发生在贵州西南部,高值区主要集中在盘州、普安等地区;特旱主要发生在贵州东北部,发生地区较少,但最高频率达到78%;重旱在贵州大部分地区均有发生,低值区主要包括西南地区的盘州、北部地区的汇川等地区。(2)以绥阳县为例,计算了辣椒保险费率为6.45%,并确定辣椒干旱气象理赔的标准。【结论】完成贵州省辣椒干旱指数保险产品设计,为保险公司合理客观地制定保险相关条款、支付经济补偿提供技术参考。

PSO-SVR模型在吉林省干旱指数预测中的应用

随着气候变暖程度愈加严重,干旱问题成为我国农业生产的一大威胁,严重妨碍我国农业生产的发展,因此掌握科学预测干旱指数的技术,可以为未来旱情提供预防建议,防止旱情进一步扩大,进而保障粮食安全。基于吉林省40个地区的气压、气温、降水量和相对湿度等多个气象因子及SPEI指数,对其未来干旱指数进行预测,比较BP模型、RF模型、SVR模型及经过优化的PSO-SVR模型的4个误差指标,发现PSO-SVR模型表现最为优异,R2达到0.964,MSE达到0.021,优于其他3个模型,拟合效果更为显著。结果显示,PSO-SVR模型在吉林省SPEI指数的预测中表现出极高的可行性和准确性,其出色的性能为吉林省的防旱减灾研究提供强有力的理论支持。

基于植被遥感干旱指数的河南省干旱监测研究

目前,基于遥感的植被干旱监测指数繁多,但是,这些指数具有空间异质性,需要考虑其在不同区域的适用性。本文基于2000―2018年河南省中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据,计算了4种基于植被指数的干旱监测模型,并分别与自校准帕默尔干旱指数(sc-PDSI)进行相关性研究,以评价其在河南省的适用性,为中原粮仓的高效干旱监测提供依据。研究结果表明,4种模型均表现出整体增加的干旱化趋势,作物水分指数(CWSI)和植被供水指数(VSWI)表现更为突出;在空间上,河南省易旱区重心呈现整体向西迁移的趋势。

基于温度植被干旱指数的衡邵干旱走廊监测分析

衡邵(衡阳-邵阳)干旱走廊是湖南省旱灾发生最频繁、最广泛、最严重的地区,干旱给衡邵地区人们的生活产生了巨大影响,对衡邵地区进行相关监测,这不仅与该地区社会经济和生态环境发展有关,也对保护我国南方地区生态环境起到了至关重要的作用。利用2016-2020年1月、4月、7月和11月的MODIS地表温度产品提取地表温度(LST)、植被指数产品提取归一化植被指数(NDVI),通过构建特征空间,得到温度植被干旱指数(TVDI)等级分布图。结果表明:(1)在空间分布上,衡邵干旱走廊地区东南部每年都会发生旱灾,南部受旱情影响大于北部;(2)在时间分布上,7月份旱情以重旱和中旱为主,其中重旱区域面积占18.56%,中旱区域面积高达50.28%。同时,用降水距平和温度插值进行验证,发现TVDI能较好地反映干旱情况。

祁连山国家公园干旱指数变化分析

基于祁连山森林生态站门口的地面气象站1995—2022年的降水量和蒸发量观测数据,采用线性回归法和5a滑动平均法对其降水量和蒸发能力及干旱指数进行了趋势分析,结合M-K检验法、滑动t检验、Pettitt检验法和累积距平等4种方法对年干旱指数的突变年份进行了分析。结果表明,祁连山森林生态站的降水量年均值为380.7mm,整体呈现增加的变化趋势;蒸发能力年均值为918.2mm,整体呈现减小的变化趋势;降水量年变化率为6.107mm·10a^(-1),蒸发能力年变化率为85.373mm·10a^(-1),使得干旱指数的年变化率整体呈减小的变化趋势,干旱指数年均值为2.49,其年变化率为0.279·10a^(-1)。年干旱指数突变分析表明,2006年干旱指数发生了突变,突变后的年干旱指数值由突变前的2.83减小到突变后的2.25,变异系数由21.4变为19.5,突变后年干旱指数年际间变化较为缓和。这些研究结果对祁连山生态系统的经营和管理具有重要意义。

基于日干旱指数的青藏高原1979-2020年干湿变化特征分析

青藏高原是对全球气候变化响应最为敏感的地区之一,在区域水循环中扮演着重要角色。尽管目前关于青藏高原气候干湿变化已有大量研究,但大多是基于月干旱指数,对月以下时间尺度干湿变化的研究还相对较少,不利于对更短时间尺度干湿变化的认识。本文使用日干旱指数,即日蒸散发差指数DEDI(Daily Evapotranspiration Deficit Index),基于ERA5再分析数据分析了1979-2020年青藏高原的干湿变化,尤其是不同强度干湿类型(特旱、重旱、中旱、轻旱、特湿、重湿、中湿和轻湿)发生日数的季节差异。结果表明:(1)青藏高原1979-2020年的干湿变化具有较为明显的年代际转换特征,大部分地区呈现出干旱-湿润-干旱-湿润的年代际变化特征。(2)过去40多年间,春季和冬季发生的4种强度干旱类型呈增加趋势,夏季4种强度干旱类型呈减小趋势,秋季特旱、重旱和中旱呈增加趋势,轻旱呈减小趋势。与干旱发生日数的变化趋势基本相反,春、秋和冬季特湿呈增加趋势,重湿、中湿和轻湿呈减小趋势,夏季4种强度湿润类型呈增加趋势。相比其他季节,夏(冬)季4种强度的湿润(干旱)发生日数增加趋势最为显著,即夏季和冬季分别具有最强的湿润和干旱化趋势。此外,对于任何季节,极端情况的干旱和湿润类型发生日数都远少于其他强度的干湿类型,中等和轻度情况的干旱和湿润最为频繁发生且发生日数比较接近。

表征生态状况的综合干旱指数构建及干旱风险分析

联合标准化降水指数、标准化土壤湿度指数、标准化地下水指数和标准化生态缺水指数,基于熵权法和相关系数赋权法分别构建了西北地区综合干旱指数CDI_E和CDI_C,分析了CDI_E、CDI_C与标准化叶绿素荧光指数(SSIF)、自适应帕尔默干旱指数(scPDSI)间的相关性,评估了CDI_E、CDI_C对植被状况的表征以及综合干旱的监测能力,并选取典型干旱事件进行验证。利用游程理论分析了1986—2015年西北地区的综合干旱特征及暴露度、脆弱性、恢复力3个风险因子,采用等权法计算综合干旱风险,依据10 a滑动窗口分析干旱风险的变化趋势。结果表明:CDI_C考虑了干旱与植被的响应关系,且与scPDSI的相关性较强,能较好地反映西北地区的综合干旱情况;CDI_C可以同时监测到气象、农业、地下水和生态干旱,且反映的干旱与实际情况一致;CDI_C显示研究时段内西北大部分地区呈变湿趋势;综合干旱在新疆、青海等干旱半干旱区的发生频率较高且干旱风险较大,各区干旱风险呈先增后减的趋势。

遥感干旱指数在金沙江流域干旱监测中的适用性研究

利用2015—2020年金沙江流域MODIS数据和流域内29个气象站1991—2020年月降水、气温资料,研究不同遥感干旱指数在金沙江流域的适用性,这些指数包括温度状态指数(temperature condition index,TCI)、温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI)、植被状态指数(vegetation condition index,VCI)、植被供水指数(vegetation supply water index,VSWI)和标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)。结果表明:TCI与TVDI、VSWI与TCI、VSWI与TVDI、VSWI与VCI各月的相关性均较为显著。TVDI与SPEI和TCI与SPEI全年相关性较好。SPEI与VSWI相关性在1月、10月较低,其余月份均相关性较好。SPEI与VCI在1—3月相关性较低,其余月份均相关性较好。根据4种遥感干旱指数与SPEI的相关性分析,建议金沙江上游地区选用TVDI进行干旱监测;金沙江流域中游地区选用VSWI进行干旱监测;若使用VCI进行干旱监测,区域应集中于金沙江中游地区,且相关月份应集中于4—12月。金沙江流域下游地区选用TCI进行干旱监测。

基于优选遥感干旱指数的华北平原干旱时空变化特征分析

基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)产品和气象资料,对比分析了作物缺水指数(CWSI)、干旱严重度指数(DSI)、归一化植被供水指数(NVSWI)和温度植被干旱指数(TVDI)表征华北平原干旱状况的适用性,并基于优选后的指数研究了2000—2018年干旱的时空变化特征。结果表明:(1)CWSI在反映干旱的效果上明显优于另外三种干旱指数。(2)时间上,2000—2018年春季干旱最严重,其次是秋季和冬季,夏季干旱最轻,但春季干旱强度有所下降,速率为-0.03/10a,而其他三季均呈增加趋势,速率为(0.01—0.08)/10a。(3)空间上,华北平原东部和东南部发生轻旱频率高,西部和北部中旱及以上干旱频率较高。山东省西北部及河南省东部、安徽省北部等地春旱呈显著减弱趋势(P<0.05);夏季华北平原东南部干旱增加趋势显著(P<0.05),而北部减弱趋势显著(P<0.05);秋季华北平原西南一带干旱上升趋势较大;冬季西部、中部及南部干旱增加趋势显著(P<0.05)。