甘肃白银农作物生长期降水量时空变化及干旱风险评估

为更好地分析甘肃白银农作物生长期降水量时空变化特征,利用白银市4个国家气象站1961-2022年和37个区域气象站点1994-2022年降水日资料,并采用经验正交函数分解(EOF)、小波分析、Mann-KendaⅡ法及目估适配线法等方法,着重对农作物生长期降水量的空间异常特征、周期性、突变性及干旱风险进行讨论和评估。结果表明:农作物生长期降水量从南向北递减。受地形影响,高值区位于南部地区最南端,低值区位于北部地区呈“钳形状”干舌当中,空间异常形态主要表现为3种形式:一致型、南北相反型、地形型;年际变化北部地区有增加趋势且不显著,南部地区有减少趋势且显著,存在30 a、10~15 a的年代际周期变化,目前均处于相对偏少期;用pearson-Ⅲ分布较好地拟合白银市农作物生长期不同保证率下的降水值,并以此为依据,将研究区按农作物生长期的降水量划分为4个区:可用区、短缺区、紧缺区、稀有区,其干旱风险分别为20%、35%、65%、90%。

基于干旱风险评估与管理方法探析

干旱是影响和危害人类的最主要的灾害之一,每年在世界各地,干旱都时有发生,在中国的北方地区和南方的部分地区,由干旱导致的灾害也是频繁发生,由此可见,干旱所造成的水资源短缺给社会经济的影响非常之大。文章以辽北地区的抚顺和铁岭地区为例,采用历年的降水系列观测资料,对月、季度及年度降水对干旱特征进行了评估,结果表明:辽北地区冬春季易发生极端干旱,极端干旱的频率明显高于其他正常季节,同时提出了面临干旱发生时的应对措施。

我国农业干旱灾害风险评估及分布特征分析

基于水资源量分析干旱灾害危险性空间分布情况,通过分析不同干旱频率下现状年供水与历史典型年供水能力的差异,计算不同干旱频率下的农业干旱灾害影响,揭示全国农业干旱灾害风险分布特征。结果表明,我国干旱灾害危险性较高的地区大多分布在粮食主产区;在5年一遇、10年一遇、20年一遇的情况下,农业干旱灾害高风险区主要分布在黄淮海地区、东北地区、西北地区等北方地区;在50年一遇和100年一遇的情况下,西南地区和长江中下游地区等水资源相对丰沛的地区农业干旱灾害风险剧增,区域粮食安全、供水安全甚至生态安全将面临严峻挑战。

基于标准化帕尔默干旱指数的西江流域干旱评估

采用西江流域武宣站集水区68个气象站点1961—2014年的逐日气象观测资料和12个水文站点1961—1989年日径流资料以及植被、土壤数据,驱动VIC水文模型计算水文要素的时空分布,构建网格尺度的标准化帕尔默干旱指数(SPDI),结合游程理论识别历史干旱事件,分析了SPDI在西江流域干旱评估的适用性以及历史干旱事件的时空变化特征。结果表明:SPDI在西江流域干旱评估中具有良好的适用性;1961—2014年西江流域干旱频次、历时总体呈增加的趋势;1960、1980和2000年代属旱情较严重年代,21世纪以来西江流域干旱化趋势更为明显。

基于主成分分析和Copula函数的干旱影响评估研究

干旱是关中平原主要的农业灾害之一,准确地评估干旱的影响,对抗旱减灾及作物稳产具有重要意义。基于关中平原2008—2013年冬小麦主要生育期旬尺度的条件植被温度指数(VTCI)干旱监测结果,将Copula函数用于评估冬小麦主要生育时期干旱对其产量的影响。针对多元变量导致Copula函数参数求解困难的问题,采用主成分分析法(PCA)提取主要生育时期的VTCI的主成分因子,形成新的相互独立的指标,进而结合Copula函数建立PCACopula法,确定关中平原主要生育时期的综合VTCI,并构建其与冬小麦单产间的线性回归模型,评估干旱对产量的影响。结果表明,应用PCA-Copula法得到的综合VTCI与单产间的相关性达到极显著水平(P<0.001),所建回归模型的拟合度与熵值法的结果相比有所提高,决定系数由0.39提高到0.49,且对应模型的估测单产与实测单产间的均方根误差较熵值法的结果降低了30.2 kg/hm2,平均相对误差降低了0.66%,表明PCA-Copula法能较好地应用于评估冬小麦主要生育时期干旱对其产量的影响。

TOPSIS客观赋权法在干旱综合评估中的应用研究

以西安地区为例,选取连续无雨日数、降水距平百分比、标准化降水指数和相对湿润度指数4个干旱指标进行了干旱单指标评估研究,针对单指标评估的局限性,引进了TOPSIS客观赋权法构建了一个干旱综合指数,将单指标评估结果加权,并结合遗传算法求取权重进行干旱综合评估。结果表明,综合评估结果与实际干旱状况基本一致,具有一定的可信度。

基于分布式水文模拟的干旱评估预报模型研究

本文从流域水文循环角度,以长江上游为例,利用数字高程、气象水文、土壤植被和土地利用等地理信息数据,采用分布式水文模型模拟水文过程各环节,获取各项气象水文要素。继而依循PDSI干旱模式原理,建立了干旱评估预报模型GBHM-PDSI。对2006年重庆地区严重干旱事件的模拟应用表明,该模型不仅能综合评估旱情等级,而且可以定量地描述干旱的发生、发展直至结束过程,在表现旱情的地区差异和随时间的演变过程等方面具有优势,且能够结合气象信息对旱情发展进行推演预报。

长江上游干旱评估方法初步研究

干旱条件下的水资源配置和危机管理是流域水资源综合管理的一项重要任务,这需要可靠的干旱评估信息。以长江上游为例,利用GBHM分布式水文模型对各水文要素的模拟结果,依循PDSI干旱指标的思路,构建了基于网格的月尺度的GBHM-PDSI干旱评估指标模式,开展了初步应用研究。初步研究结果表明,该评估模式机理明确,综合了水分亏缺和持续时间因子对干旱程度的影响,能够定量表现旱情的空间分布特征和随时间的演变态势,可以为干旱的应急处理提供较为准确的评估信息。

基于条件植被温度指数的冬小麦主要生育时期干旱监测效果评价Ⅲ——干旱对冬小麦产量的影响评估

选取关中平原2002—2009年冬小麦越冬后每年3—5月9旬的条件植被温度指数(CVTI)遥感干旱监测结果,基于归一组合赋权法确定的冬小麦越冬后四个主要生育时期干旱对产量影响的最优权重,建立关中平原4市(不包括铜川)冬小麦每年的加权CVTI与单产间的一元线性回归模型,并对冬小麦的单产进行了估算。结果表明,2002—2009年关中平原冬小麦单产在波动中呈上升趋势,中部单产较高,西部次之,东部最低。基于关中平原4市的整体产量估算模型预测西安市部分区县2010年的单产,取得较好的结果,验证了关中平原4市的整体产量估算模型具有较好的精度,能够较准确地反映关中平原干旱对冬小麦产量的影响。

基于作物水分生产函数的冬小麦干旱评估模型

干旱是影响华北冬小麦生产的主要灾害之一。为定量评估干旱对冬小麦产量的影响,利用作物水分生产函数,建立了河北省冬小麦干旱评估模型。本研究选择河北省冬麦区南宫、河间、霸州等农业气象观测站,基于3站1991—2007年冬小麦观测数据及气象资料,采用Penman-Monteith公式计算冬小麦各生育阶段的相对蒸散,以联合国粮农组织(FAO)"农作物生产潜势"方法估算的光温生产潜力作为最大产量,应用统计方法求解Jensen模型参数,并以该模型为基础建立干旱评估模型。结果表明,各站冬小麦水分敏感系数与冬小麦全生育期灌溉次数关系密切。对于灌溉3次的南宫、河间二站,利用大田种植条件下的数据,得到的冬小麦水分敏感阶段与试验的结论相似,呈前期小、中期大、后期又变小的变化趋势;全生育期干旱评估模型的模拟和预测结果与实际产量相关较好,相关系数通过了0.01的显著性统计检验。应用干旱评估模型对冬小麦播种—拔节、播种—抽穗、播种—灌浆、播种—成熟各阶段的干旱评估结果与实际相符。霸州一般灌溉5次,干旱胁迫不明显,仅抽穗—灌浆期水分敏感系数为正值,其他生育阶段均为负值,对水分亏缺表现不敏感。

基于非线性特征的干旱影响评估研究

客观地认识干旱的非线性特征是干旱影响评估的关键,对制定抗旱减灾策略具有重要指导意义。以陕西省关中平原为研究区域,以核函数方法为非线性算法,基于核主成分分析方法(KPCA),将遥感反演的条件植被温度指数(VTCI)映射到高维特征空间下对其进行特征提取,并结合Copula函数构建主成分间的联合分布模型,确定2008—2013年冬小麦主要生育期的综合VTCI;构建综合VTCI与冬小麦单产间的线性回归模型,评估干旱对冬小麦产量的影响。结果表明,相比于传统的主成分分析方法(PCA),KPCA能有效地提取干旱的非线性特征,且降维效果更好。与PCA-Copula方法构建的回归模型相比,应用KPCA-Copula方法所建综合VTCI与单产间的回归模型的拟合度明显提高,决定系数达到0.608(p<0.001),对应模型的估测单产与实测单产之间的均方根误差(RMSE)为298.1 kg/hm2,相比于PCA-Copula的结果降低了60.1 kg/hm2,且KPCA-Copula获取的综合VTCI更符合关中平原实际的干旱特征。这表明KPCA-Copula方法能够较好地体现干旱的非线性特征,更加适用于干旱影响评估研究。

河南省冬小麦干旱评估业务服务系统研究

根据冬小麦干旱风险评估最新研究成果,对其中的风险评估、灾损评估等模型进行集成,开发了河南省冬小麦干旱评估业务服务系统。该系统主要由基本参数、数据导入、风险分析、动态评估、后期评估和作图等部分组成,能够提供河南全省的冬小麦干旱评估结果,为农业生产提供决策依据。

基于土壤墒情模拟的农业干旱动态评估

已有的农业干旱研究中,土壤墒情的模拟与干旱程度的动态评估常常是独立进行的,二者并没有统一起来。基于此,建立了田间土壤水分平衡模型,通过作物生育期内的土壤水分模拟农业干旱过程。为了将土壤墒情模拟与农业干旱的动态评估统一起来,引入了阶段性的作物水分生产函数,通过干旱缺水对农业产量影响的定量分析,反推得出作物不同生育阶段土壤水分状况对应的干旱程度和缺水权重,从而将土壤墒情模拟与农业干旱评估结合起来,达到农业干旱动态模拟与评估的目的,为从土壤墒情状况实时动态评估农业干旱程度提供了一种便捷可行的方法。最后将提出的模型方法结合某灌区进行了应用,效果较好。

基于水文-作物耦合模型和CWAPI指数的农业干旱评估

基于模拟土壤含水量构建的干旱指数可反映农业干旱的时空发展过程,已被广泛用于大范围农业干旱评估中。当前模拟用于干旱评估的土壤含水量时,常采用水文模型进行模拟。然而,水文模型常过于简化作物模块甚至缺少作物模拟方案,无法模拟作物需水量,因此仅基于土壤含水量构建的土壤干旱指数因忽略作物需水而难以准确评估实际的农业干旱情况。研究构建了考虑灌溉过程影响的水文-作物耦合模型VIC-EPIC(Variable Infiltration Capacity-Environmental Policy Integrated Climate),提出了基于VIC-EPIC模拟作物需耗水过程的作物缺水距平指数CWAPI(Crop Water Anomaly Percentage Index),在青口河流域开展了区域农业干旱评估方法研究。验证分析表明,构建的CWAPI因考虑作物需水影响可直接反映作物的缺水状态和缺水对作物生长的累积影响;由于在干旱评估中引入了作物种植比例、轮作类型和灌溉的影响,CWAPI能够较SMAPI(Soil Moisture Anomaly Percentage Index)更客观地反映区域作物旱情。因此评估农业干旱时,需要考虑作物种植比例、轮作和灌溉过程的影响。

干旱评估和灌溉效益计算方法研究

以徐州市为研究区域,对自然干旱的评估问题进行了研究,包括单指标评估、多指标综合评估,以县为基本计算单元的点干旱评估、由点到整个研究区域的干旱综合评估;同时,对采取灌溉措施后的综合旱情评估问题也进行了研究,并对灌溉效益的评价方法进行了探讨。

基于干旱综合指数的模糊信息分配法的农业干旱风险评估研究

影响农业干旱的因素复杂，而因素之间存在较大的随机性和模糊性。本研究采用模糊线性信息分配方法，以干燥度指数和有效降水指数相结合的综合干旱指标数据系列寻找概率估计分布函数，以广西田东县为例对农业干旱风险进行评估，并与采用连续无雨日数指标的常规概率统计分析法评估进行了对比。研究结果表明：田东县的春、秋季节农业干旱几乎年年发生，中、重度干旱3～5年可能会发生1次。干旱风险概率分别为冬季69．79％，春季72．78％，夏季5．79％，秋季80．50％。基于干旱综合指数的模糊信息分配法比连续无雨日数采用概率统计分析法进行农业干旱风险评估更有效可靠，更能反映干旱实际情况，是一种行之有效、简单实用的方法。

基于GIS的干旱评估和效益分析系统设计

为了便于开展干旱研究,客观有效地进行干旱评估、损失估算和抗旱效益分析,需要开发满足抗旱减灾业务需要的干旱评估分析系统。在干旱研究的基础上,运用GIS数据平台及其强大功能开发了一套集干旱评估、干旱灾害专题图自动绘制、灌溉效益计算等于一体的软件系统。江苏省徐州市的应用表明:该系统的干旱评估结果与实际旱情比较吻合,能够为抗旱决策提供科学的技术支撑。

基于水分盈亏指数的四川省小麦生育期干旱风险评估

利用四川省135个气象台站1961~2014年逐日气象资料和29个农业气象观测站的小麦观测资料,选取水分盈亏指数作为干旱评估指标,分析了54年来四川小麦7大种植区不同生育期的各级干旱时空变化特征及其风险分布情况。结果表明:小麦各生育期发生干旱站均次数以川西南山地最多,其多年平均值达0.9以上,可谓十年九旱。各区干旱站均次数的时间变化趋势不明显。生育阶段以孕穗-抽穗期发生干旱频率较高,其次是拔节-孕穗期,最低的是抽穗-乳熟期。从干旱频率空间分布特征来看,川西南山地是发生轻旱频率最高的地区,川西高原中旱和重旱的发生频率要高于其它各区,盆地各区域中只有盆中和盆西部分区域发生干旱频率相对较高。小麦干旱风险分布情况为川西南山地以及川西高原的南部区域是干旱高风险区,大部分区域可达极重风险,盆地以盆中为干旱风险高发区。

冬小麦生长模式及其在干旱影响评估中的应用

在前人理论研究和田间试验的基础上，考虑水分胁迫影响的后效性及作物不同发育阶段对水分胁迫的敏感性，研制出实际水分条件下的冬小麦生长模拟模式．经与不同水分处理的实测资料对比，模拟效果基本令人满意，平均误差为１０％左右．利用生长模式得到实际水分条件下的干物重减少率，进行了干旱影响实时评估的尝试．并分别在返青后、拔节后和成熟前展望了干旱对最终生物量的可能影响．

基于用水效益函数的城市干旱损失评估方法

为定量评价干旱对城镇地区缺水和产业损失的影响,选取以地表径流为供水水源的湘江干流株洲段为研究区,基于水量平衡原理构建城市干旱指标(CWSI),以月为尺度,计算不同来水频率下区域可供水量、不同产业类型需水量。分别从水量短缺、水位取水困难两种角度,计算湘江株洲段1960—2018年历史来水情景下月尺度区域缺水量和干旱指数(CWSI)。采用经济学领域HARA函数反映经济效益随用水量的变化关系,进而得到缺水量-干旱损失响应关系。在此基础上,构建基于效益最优的缺水量配置动态优化模型,计算不同干旱程度下不同类型产业缺水配置规模,并采用抗旱定额法对配置成果进行验证,进而计算缺水量对应的干旱损失。依据CWSI指数变化,计算不同干旱等级下不同类型产业缺水损失;在多年平均缺水损失曲线基础上,依据当前月来水变化和前期来水亏缺,绘制典型年干旱动态损失变化曲线。研究结果表明:城市干旱具有边际损失高、发生频率低的特点,符合基于HARA用水效益函数构建的缺水损失变化规律,研究成果可为城市干旱风险评价、预警及抗旱定额管理提供理论依据。