湖北省极端干湿事件时空变化规律及对水稻长势的影响

气候变暖背景下,极端干旱、极端湿润事件频发对作物生长带来极大威胁,研究极端干湿事件(干旱/湿润)对农业生产的影响对于地区粮食安全和水资源管理有重要意义。以湖北省水稻种植区为研究区,利用归一化植被指数(NDVI)刻画水稻生长状况,基于1990—2020年32个气象站的气象资料和标准化降水蒸散发指数(SPEI),分析极端干湿事件时空变化规律,基于2000—2020年NDVI分析水稻长势变化及其对极端干湿事件的响应。结果表明:1990—1999年极端干旱事件7次,2000—2009年4次,2010—2020年后2次,频次有所减少;极端湿润事件1990—1999年5次,2000—2009年2次,2010—2020年5次,频次无明显变化但面积有所增加;重要生长期(6—8月份)总NDVI呈现出显著增加趋势(p=0.012),增速为0.0078/a,生长情况变化呈良好态势;整体上极端干旱、极端湿润事件对水稻长势都有负效应,NDVI与SPEI相关系数最高分别达0.418、-0.358。为应对极端干湿事件,相关部门应加强水稻重要生长期内的气象监测,提高抗旱涝能力,确保农业高产稳产。

宁夏地表湿润状况及极端干湿事件演变规律

利用宁夏1961—2004年月平均气温、月降水量资料,计算了地表湿润指数,以此为基础对宁夏地表湿润状况及极端干湿事件的分布特征进行了较为深入的研究。结果表明:近40多年来,宁夏大致经历了冷湿期、冷干期、暖干期;自20世纪60年代以来,宁夏年极端干旱频率有增加的趋势,极端湿年高频区逐渐缩小;80年代以来,宁夏极端干旱年事件高频区明显扩大;不同气候型态下,极端干湿事件频率具有明显差异,冷干期极端干旱事件最多,极端湿润事件最少,冷湿期极端干旱频率最小,极端湿润频率最大。

近52年渭河流域气候变化及极端干湿事件演变特征分析

利用渭河流域及其周边区域23个站点1959—2010年的逐日气象数据,通过Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量(ET0)和湿润指数。采用气候倾向率、标准化指数、相关分析等方法就该地区气候变化和极端干湿事件的变化特征及其影响因素进行了分析。结果表明,①渭河流域气温分布呈东南向西北递减格局,近52年呈升温趋势(0.2℃/10a,P<0.001),升温较快的区域位于子午岭林区、陇东和丘陵沟壑区一带。降水分布东南高西北少,52年来呈减少趋势(-2.2mm/10a,P>0.1),减幅较大的区域位于关中和陇东一带。②湿润指数整体呈下降趋势,由南向北干旱化加剧,黄土高原丘陵沟壑区最干,秦岭和关中地区最湿。③极端干旱事件频率在波动中增加,频率5次及以上的年份占48%,极大值出现在20世纪90年代中期;极端湿润事件频率在波动中减少,20世纪60年代至今气候干湿演替规律依次为湿—干—湿—干—干。

阿勒泰地区极端干湿事件的时空变化特征

基于阿勒泰地区7个气象站1961-2012年的气象资料,应用FAO Penman-Monteith模型计算了各气象站年和月的地表湿润指数,进行标准化后确定了极端干湿事件频率。运用趋势分析法、Mann-Kendall法、Morlet小波分析法并结合Arc GIS软件对极端干湿事件的时空演变特征进行了探究。结果表明:(1)极端干旱事件呈减少趋势,并发生了减少突变。极端湿润事件呈增加趋势,并发生了增加突变。年和冬半年的极端干湿事件以及夏半年极端湿润事件存在明显的27a左右的周期,而夏半年极端干旱事件存在17a左右的周期变换。(2)空间变化上,极端干旱事件在中部较为频发,东部相对较少;极端湿润事件在西部较为频发,而在东部和中部相对较少。(3)相对湿度、日最低气温、平均气温和平均风速是影响阿勒泰地区极端干湿事件变化的主要气象因子;极端干旱事件与PANI呈负相关,而极端湿润事件与PANI呈正相关。

新疆天山极端干湿事件时空演变特征

基于新疆天山26个气象站1960—2017年的气象资料,采用FAO Penman-Monteith模型计算了各气象站月地表湿润指数,标准化后统计极端干湿事件频率。运用线性趋势分析法、反距离加权法探究了极端干湿事件频率的时空演变特征,并采用相关分析、偏相关分析及交叉小波分析分别探讨了气象因子和大气环流对极端干湿事件变化的影响。结果表明:(1)新疆天山极端干、湿事件分别呈减少、增加趋势,年际倾向率分别为-0.40次·(10a)^-1、0.37次·(10a)^-1。夏季为天山极端干、湿事件的共同高发季节,也是极端干旱下降趋势最大的季节,而秋季是极端湿润上升趋势最大的季节。(2)天山北坡是极端干旱事件和极端湿润事件的共同高发区域,极端干、湿事件发生频率高达4.44次·a^-1、2.76次·a^-1,也是极端干旱下降、极端湿润上升速率最快的区域,平均年际倾向率分别为-0.75次·(10a)^-1、0.58次·(10a)^-1。(3)平均相对湿度是导致该区域极端干湿事件变化的主要气象因子,厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation)是主要大气环流因素。

石河子地区极端干湿事件变化特征

为探究气候变化下石河子地区极端干湿事件的演变特征,基于石河子地区1961—2012年逐日气象资料,计算各气象站年和月的地表湿润指数,进行标准化后统计极端干湿事件频次,并进一步分析极端干湿事件的变化特征。结果表明,近52年来,石河子地区极端干旱事件频次呈减少趋势,速率为-0.45次/10 a;而极端湿润事件频次呈增加趋势,速率为0.39次/10 a;夏半年和冬半年极端干旱事件频次均呈减少的趋势,变化速率分别为-0.20次/10 a、-0.25次/10 a;而夏半年和冬半年极端湿润事件频次呈增加趋势,速率分别为0.11次/10 a和0.12次/10 a;突变分析表明,石河子地区年极端干旱和极端湿润事件频次分别在1986年和1967年发生突变;近52年来石河子地区年极端干旱事件频次存在12～13年左右的主周期和2～3年的次周期,而极端湿润事件频次仅存在6～8年的小周期。极端干旱事件的减少和极端湿润事件的增加表明气候变化下石河子地区的湿润化趋势。

极端干湿循环作用下饱和泥浆红黏土的干缩裂隙发育特征

云贵高原红黏土常经历极端干湿循环过程,为研究极端干湿循环作用对红黏土干缩裂隙发育规律的影响,以昆明呈贡地区红黏土饱和泥浆样为研究对象,在室内进行5次干湿循环试验,通过监测红黏土质量和表面干缩裂隙的形成及其演化过程,分析了极端干湿循环作用对红黏土水分蒸发、干缩裂隙的形成及其演化、表面干缩裂隙网络结构形态的影响。结果表明:不同干湿循环次数下红黏土蒸发曲线各蒸发阶段的历时不等,后4次干湿循环的红黏土干燥完成时间比第1次干湿循环的红黏土短,红黏土的水分蒸发速率比第1次干湿循环的红黏土大;首次与后4次干湿循环红黏土干缩裂隙的形成及其演化特征、形成机理不同,首次干湿循环红黏土形成的干缩裂隙网络结构对后续干湿循环红黏土干缩裂隙的形成及其演化起控制作用;不同干湿循环作用下红黏土裂隙网络结构的几何形态特征相似;随着干湿循环次数的增加,红黏土表面干缩裂隙交点数、裂隙条数、土块数和裂隙总长度增加,土块平均面积、土块最大面积、裂隙平均长度和表面裂隙率减小,红黏土碎裂化程度加剧;首次极端干湿循环作用对红黏土水分蒸发和干缩裂隙发育强度的影响最显著,后续干湿循环作用对其的影响逐渐减弱并趋于稳定,且存在极限平衡状态。结果认为,极端干湿循环作用会显著影响红黏土的水分蒸发过程、干缩裂隙的形成及其演化、表面干缩裂隙网络结构形态,该研究结果可为红黏土地区工程建设及减灾防灾工作提供参考。

1960—2009年石羊河流域气候变化及极端干湿事件演变特征

利用石羊河流域4个气象站1960—2009年逐日气象资料,应用FAO Penman-Monteith模型、相关分析等方法分析石羊河流域气候变化特点。结果表明:①1960—2009年气温、降水及湿润指数均在波动中呈较明显的增加趋势,气温、降水和湿润指数变化倾向率分别为0.338℃/10 a、4.791 mm/10 a和0.006/10 a,1960年代—2000年代石羊河流域经历了相对冷干—冷湿—暖湿3个阶段,暖湿化趋势明显;②冬季是暖湿化趋势最明显的季节,其次是秋季;③从上游向中下游多年平均湿润指数逐渐减少,湿润指数离散程度由小变大,湿润化速度由快变慢,而增温速度大体上存在逐渐增加的趋势;④1960—2009年石羊河流域极端干旱事件频率在波动中呈减少趋势,极端湿润事件频率却在波动中呈增加趋势,1960年代和1970年代是石羊河流域极端干旱事件持续频发的年代,上中下游不同地区极端干湿事件持续频发的时间存在差异。降水和风速是影响极端干湿事件变化的主要气象因子。在全球变暖背景下,石羊河流域干旱的气候环境有一定的改善。

1960—2009年河西地区极端干湿事件的演变特征

采用1960—2009年甘肃省河西地区13个观测站逐日气象资料,应用FAO PenmanMonteith模型计算各气象站年和月的地表湿润指数,进行标准化后统计极端干湿事件频率。采用反距离加权插值法、Mann-Kendall法及Morlet小波分析对河西地区极端干湿事件的时空演变特征进行探讨。结果表明:近50 a,河西地区极端干旱和湿润事件频率在波动变化中分别呈减少和增加趋势,其倾向率分别为-0.009次/a、0.019次/a,且2000年以后,趋势更为显著;空间变化上,区域内极端干旱事件倾向率的空间差异整体呈减小趋势,以2000—2009年的空间差异为最小。20世纪60年代,大部分区域极端干旱事件频率增加区与极端湿润事件频率减少区相对应,而极端干旱事件频率减少区与极端湿润事件频率增加区相对应。突变分析表明,极端干旱和湿润事件频率分别在1998年和1986年发生突变。平均风速、平均气温和相对湿度是影响河西地区极端干湿事件的主要气象因子,极端干旱和湿润事件频率的主周期分别为19 a和26 a。

长三角地区地表干湿状况及极端干湿事件特征研究

利用Penman-Monteith模型及1957—2014年长三角地区43个气象站点逐日降水、气温、风速、日照时数及空气相对湿度实测数据,对参考作物蒸散量、地表湿润指数和极端干旱/湿润事件进行了计算和统计。运用线性回归、Trend-free pre-whitening(TFPW)Mann-Kendall趋势检验、Morlet小波分析等方法,分析了研究区地表湿润指数及极端干湿事件的时空分布特征。结果显示:1)近58 a长三角地区年及季节平均湿润指数在空间上呈南高北低分布格局;2)年湿润指数呈波动下降趋势,变化倾向率为-0.021/10 a,气候趋于干旱化。湿润期集中在20世纪80、90年代。突变年为2003年,并存在多个振荡周期。四季中,春秋季气候趋于干旱化,冬夏季反之。年际湿润指数变异系数和变化趋势存在明显的空间差异;3)年极端干旱事件发生频率呈波动上升趋势,年极端湿润事件则呈现微弱的下降趋势,均存在空间差异。

1960-2016年中国北方地区极端干湿事件演变特征

基于中国北方地区424个气象站点1960-2016年的日气象数据础,应用FAO PenmanMonteith模型计算潜在蒸散(ET0),基于降水量和潜在蒸散计算湿润指数,对湿润指数进行标准化后统计极端干湿事件频率,分析极端干湿事件频率的空间变化趋势、多时间尺度演变特征以及ENSO事件对极端干湿事件变化趋势的影响。结果表明:北方极端干旱和极端湿润事件频率分别呈显著下降和显著上升趋势,年际倾向率分别为-0.10次/10年和0.13次/10年。空间上,极端干旱频率整体呈减少趋势,包括青藏高原、西北和东北地区。西北极端干旱频率减少速率较大,青藏高原中部、新疆北部和东北北部部分站点极端湿润频率增加幅度较大。各年代中,华北极端干旱多发,东北和青藏高原极端湿润多发。季节上,分区极端干旱发生概率均大于极端湿润发生概率,华北极端干旱发生概率最高,青藏高原极端湿润发生概率最高。ENSO与湿润指数存在滞后性的关系。El Ni?o翌年,气候偏湿润的年份较多;La Nina翌年,气候偏干旱的年份较多。SSTA与翌年湿润指数在年际和夏季两个时间尺度上存在显著的正相关关系。

亚洲季风区过去700年来夏季极端干/湿事件多尺度变化特征分析

长期器测数据的缺乏妨碍了对亚洲季风较长历史时期的时空变化特征及对这一变化背后的驱动因子的深入研究,Monsoon Asia Drought Atlas(MADA)资料是根据亚洲季风区内300多个不同地点的树木年轮而测定的一个历时700年(1300-2005年)的在整个亚洲范围内的季风变化记录。利用MADA资料中504个格点逐年夏季的帕尔马干旱指数(Palmer Drought Severity Index,PDSI),以5年为一个间隔得到1300-2005年夏季整个区域内处于极端湿润、严重湿润、极端干旱和严重干旱等级格点数的变化序列,分析了各序列的整体变化特征;针对气候系统的非线性/非平稳性和气候层次理论,采用集合经验模态分解(Ensemble empirical mode decomposition,EEMD)方法对亚洲季风区过去700年来的极端干/湿事件进行多尺度分析,求出各个序列的本征模态分量(IMF),分析了各IMF分量的方差贡献率,并对各个IMF分量进行了显著性检验;基于不同时间尺度的IMF分量,分析了亚洲季风区过去700年来极端和严重等级干湿状态在不同时间尺度的振荡变化特征,以及各个IMF分量的振荡对整个亚洲季风区干湿变化的影响作用。

1960-2020年松嫩平原干湿时空演变及其与涛动指数的关系

松嫩平原是中国重要的商品粮基地和湿地分布区,干湿演变关乎区域粮食安全和生态安全。基于松嫩平原及其周边36个气象站逐日的气温、降水、风速等气象资料,采用Penman-Monteith公式计算了各站点月地表湿润指数,标准化后进一步计算了极端干湿事件频次;然后运用趋势分析法、克里金插值法探究了极端干湿事件频次的时空演变特征,并采用交叉小波分析了干湿事件演变与涛动指数的关系。结果表明:(1)1960-2020年松嫩平原年极端干旱事件频发,过去60年均值为7.86次,而年极端湿润事件较为少发;年极端干旱事件频次呈明显的下降趋势,年极端湿润事件频次呈上升趋势,其气候倾向率分别为-0.10次/10 a和0.02次/10 a。(2)空间上,松嫩平原大部分地区极端干旱事件频发且呈不明显的减弱趋势,极端湿润事件少发且变化趋势呈明显的东增西减的变化趋势特征。(3)松嫩平原干湿演变与涛动指数密切相关,年极端干旱事件频次与北极涛动指数、大西洋北美涛动指数和北大西洋涛动指数呈正相关,年极端湿润事件频次与三者主要呈负相关;极端干湿事件与南方涛动指数在年际尺度上和年代尺度上位相关系有明显的差异。(4)极端干湿事件频次演变与区域社会经济部门用水量密切相关,影响区域的水安全。本研究可以为气候变化松嫩平原农业-湿地系统水资源规划和管理提供支撑。

北疆北部地区春季地表湿润状况特征分析

利用北疆北部地区12个气象站1961-2008年3-5月月平均气温、降水量及相对湿度资料,计算得到春季地表湿润指数,对北疆北部地区48a来春季地表湿润指数年际及年代际变化特征及分布规律进行了较为深入的研究。结果表明:2O世纪6O年代以来,北疆北部地区春季地表有变干趋势;从空间分布上看,呈经向分布,偏西地区春季地表湿润指数大于偏东地区,表明偏东地区春旱重于偏西地区。同时探讨了北疆北部地区春季地表湿润指数与降水量、气温和空气相对湿度的关系以及春季极端干湿事件频率的空间分布。

The extreme dry/wet events in northern China during recent 100 years

Using monthly precipitation and monthly mean temperature, a surface humid index was proposed. According to the index, the distributed characteristics of extreme dryness has been fully analyzed. The results indicated that there is an obvious increasing trend of extreme dryness in the central part of northern China and northeastern China in the last 10 years, which shows a high frequency period of extreme dryness; while a low frequency period in the regions during the last 100 years. Compared with variation trend of the temperature in these regions, the region of high frequent extreme dryness is consistent with the warming trend in the same region.