基于蒸散发干旱指数的子牙河流域干旱时空变化特征分析

为探究子牙河流域干旱时空分布特征,基于2001—2021年逐月降水和遥感蒸散栅格数据,采用标准化降水蒸散指数(SPEI)和标准化蒸散发亏缺指数(SEDI)表征流域干旱情况,运用Sen斜率估计和Mann-Kendall检验法分析了流域2001—2021年季尺度干旱时空分布及变化趋势,统计了干旱面积、干旱次数、干旱历时和干旱烈度等特征变量。结果表明:SPEI对子牙河流域旱情发生时间、程度和范围识别的准确率更高,2001—2021年流域SPEI呈上升趋势,表现出湿润化态势,冬季SPEI呈下降趋势,表现为干旱化态势,忻州、阳泉市等地存在显著干旱化的区域;流域各季节干旱面积占比呈现波动变化,部分年份出现大范围季节性干旱,夏旱和秋旱干旱面积占比最高,超过90%;忻州和阳泉市部分区域、石家庄市西部区域和衡水市北部区域呈现干旱次数少、历时长、烈度大的特点,邯郸和邢台市部分区域、衡水市南部区域、石家庄市东部区域表现为干旱次数多、历时短、烈度小的特征。

标准化降水蒸散发指数在云南省历史干旱特征分析中的应用

鉴于标准化降水蒸散发指数(SSPEI)可用于多时空尺度的气象干旱过程评估,在采用Mann-Kendall方法分析1958~2013年间云南省37个气象站降水和气温变化趋势的基础上,对比分析了基于Thornthwaite公式和Penman-Monteith公式两种潜在蒸散发计算方法的SSPEI指数(SSPEI-Th和SSPEI-Pm)在历史干旱特征分析中的适用性。结果表明,云南省大部分气象站的SSPEI-Th和SSPEI-Pm时间序列均呈下降趋势,即变得更为干燥,站点主要分布于云南省南部地区;SSPEI-Th与SSPEI-Pm的相关性具有很好的一致性;两种潜在蒸散发计算方法的SSPEI指数在云南省均有较好的适用性,但SSPEI-Pm在中北部高海拔地区冬春干旱时间识别上精度更高。

不同干旱指数在唐山地区旱情评价中的应用

基于唐山地区1957—2011年的气象资料,比较分析标准化降水指数(S SPI)、标准化降水蒸散发指数(S SPEI)和帕默尔水文干旱指数(P PHDI)3种不同干旱指数的相关性,并评价了各个指数在唐山地区连旱期间的适用性。结果表明:各时间尺度(年、季、月)的S SPI和S SPEI均显著相关;P PHDI与年尺度的S SPI和S SPEI均显著相关。P PHDI对长期干旱判断效果明显优于短期干旱。年尺度S SPEI和S SPI对干旱事件识别效果比较接近,二者对长期干旱判断偏涝,对短期干旱判断效果明显优于P PHDI。在气温偏低的年份,季尺度的S SPI能很好地反映旱情的严重程度,在气候变暖的背景下,季尺度S SPEI比S SPI更能准确地判断和评价旱情。

1961–2015年新疆区域SPEI干旱指数数据集

新疆地处亚洲中部干旱区,地形复杂,生态环境脆弱,抵御灾害的能力较低,是全球气候变暖的敏感区和强烈影响区。随着全球气候变暖,新疆的干旱化问题引起了广泛关注。本文基于中国新疆区域55个气象观测站1961–2015年逐日气温和降水观测资料,经过数据质量控制和异常值剔除,计算得到每个站点1961–2015年1、3、6、12、24和48个月时间尺度逐月标准化降水蒸散发指数(SPEI)时间变化序列,整理出新疆干旱指数数据集。本数据集为分析新疆区域长时间序列不同时间尺度干旱变化趋势及变化特征提供了数据支撑,也可以作为基础数据来探索干旱事件对生态水文环境和农牧业生产的影响。

联合干旱指数在干旱监测中的应用——以广东韶关地区为例

气候变化影响了水循环与地区的水量平衡过程,一定程度上改变了干旱的形成与演变条件。以标准化降水量与蒸散发量差值表征水分偏离正常程度的标准化降水蒸散发指数(SPEI)为基础,从多时间尺度联合的视角建立联合干旱指数(JDI),并以广东韶关为例分析修正的新指数JDI在干旱监测中的准确性和有效性。结果表明,综合了不同时间尺度干旱特征信息的JDI能够较全面地反映干旱的形成与演进过程。通过对干旱监测的评价以及与实际旱情的对比分析,验证了联合干旱指数JDI在实际干旱监测中的准确性和有效性,其可作为未来干旱监测的新理想指标。

考虑多种气候指数的淮河流域气象干旱预测

干旱是一种形成机制复杂的自然灾害,其对人类社会造成的严重危害促使干旱预测技术的发展。为提高淮河流域的干旱预报水平,通过标准化降水蒸散发指数(SPEI)监测干旱状态,利用Regular vine(R-vine)Copula模型建立多维变量联合分布,将厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、中部型ENSO(ENSO Modoki)、北大西洋涛动(NAO)、印度洋偶极子(IOD)和北极涛动(AO)作为预报因子以提高基于SPEI的干旱等级转移的预报精度。分析结果表明R-vine Copula在评价气候指数对转移概率的影响上表现良好,且多维指数较单维指数更能提升预报精度,这与区域气象干旱同时受多种气候因子调节的事实相一致。为多维气候指数影响下干旱转移行为的研究提供了新的认识。

关中地区气象水文综合干旱指数及干旱时空特征

根据陕西关中地区22个气象站和3个水文站1961-2016年的气象水文资料,计算了不同时间尺度的标准化降水蒸散发指数(SPEI)与径流干旱指数(SDI),运用Gumbel Copula函数构建了气象水文综合干旱指数(MHDI),探讨了MHDI的适用性,并分析了气象水文综合干旱时空分布特征。结果表明:MHDI综合了SPEI与SDI的优点,可同时表征月尺度和年尺度的气象干旱与水文干旱;关中地区MHDI序列值有明显的下降趋势,干旱情况逐年加剧;MDHI序列存在变异,年尺度变异点集中于1986年和1990年;年尺度的序列值主周期多集中在20~22 a;泾河流域干旱发生频率最低,为19.11%,北洛河流域干旱发生频率最高,为47.97%,渭河流域干旱发生频率介于两者之间,为26.42%。

粒子群优化极限学习机模型在河南省干旱预测中的应用

干旱预测是提高防旱抗旱能力的重要非工程措施。在评价不同时间尺度标准化降水蒸散指数(SSPEI)对河南省干旱识别能力的基础上,以能有效表征河南省干旱状况的SSPEI为模型输出,以基于信息变化率和条件互信息的特征变量选择方法(ICR-CMIFS)筛选得到的河南省主要致旱气候系统指数为模型输入,构建了基于粒子群算法优化极限学习机(PSO-ELM)的干旱预测模型,通过对比该模型与标准极限学习机(ELM)、差分进化算法优化极限学习机(DE-ELM)模型的干旱预测结果,验证PSO-ELM模型在河南省干旱预测中的适用性。结果表明,SSPEI-3能有效识别河南省典型干旱事件,从时间和空间上可较准确地反映河南省干旱状况;ICR-CMIFS筛选出的河南省主要致旱气候系统指数为西太平洋副高面积指数和NINO指数;PSO-ELM模型能较准确地预测河南省干旱,且预测精度优于DE-ELM模型和标准ELM模型,在河南省干旱预测中具有较好的适用性。

基于SPEI的安徽省干旱时空变化特征分析

安徽省降水时空分布不均,可利用水资源量较少,干旱灾害频发,为此,对安徽省近59年的干旱时空变化特征进行分析,降低干旱灾害对区域的影响。选用研究区内1960—2018年的降水与气温数据,利用标准化降水蒸散发指数(SPEI)结合干旱站次比、干旱频率等方法对全省59年干旱时空变化进行分析。研究发现:时间上,1960—2018年干旱整体呈小幅度下降趋势,春季、夏季与秋季季节性干旱无明显趋势性变化,冬季减弱趋势显著;空间上,安徽省境内的干旱发生以轻旱与中旱为主,淮河以北地区轻旱与特旱发生频率较高,淮河以南地区中旱与重旱发生频率较高,滁州市地区年际干旱减弱趋势显著,区域内季节性干旱趋势显著。SPEI指数在安徽省干旱分析研究中具有较好的适应性。

黄土高原地区气象干旱动态格局演变及其对植被的影响

本文以黄土高原为研究区域,通过识别气象干旱的三维连续时空体,剖析了1982—2018年夏秋季节气象干旱(SPEI)事件发生发展过程与区域植被覆盖(NDVI)之间的响应关系。结果表明:①基于空间聚类识别的黄土高原三维气象干旱事件与历史真实干旱事件的发展演变过程基本吻合;②从时间和空间维度综合来看,黄土高原气象干旱发生区域NDVI往往会比同区域非干旱时期减少,且NDVI减少程度与气象干旱强度显著相关(R2=0.4389,P<0.05);③从黄土高原不同土地利用类型(耕地、草地和林地)对干旱事件响应关系来看,草地最易受干旱胁迫且对干旱强度的变化最敏感,抗旱性最差;而耕地在干旱强度较大的干旱事件中更易受到影响。本研究对科学合理地理解区域干旱的动态格局演变及阐明其对植被生态系统的影响机制均具有重要参考意义。

基于SPEI的长江流域气象干旱时空特征分析

受全球气候变化影响,长江流域干旱发生不确定性增加,而揭示其干旱特征能为更好应对提供科学依据。本研究基于标准化降水蒸散发指数(SPEI),对流域1982~2018年干旱事件发生频次、强度和历时的时空特征及其变化规律进行分析表明,其间流域年尺度和季尺度干旱均呈增加趋势,其中冬季干旱化趋势尤为显著;年尺度、夏季和冬季的干旱强度和历时呈增加趋势,春季和秋季的干旱强度和历时呈下降趋势。空间上,流域中部累计干旱强度较大,累计历时较长。干旱历时和发生频次具有显著空间异质性,不同季节空间异质性存在较大差异。金沙江流域中部、汉江流域、长江干流的中游地区干旱整体呈增加趋势;长江源头和流域南部干旱整体呈缓和趋势。

基于日光诱导叶绿素荧光探测植被光合对气象干旱的响应

干旱是世界范围内最常见、最复杂的气象灾害,一定程度上会削弱陆地生态系统的碳汇功能。开展植被对干旱响应的研究并选择敏感的干旱探测因子,有助于掌握干旱对植被的影响规律、理解植被对干旱胁迫的响应过程和机理。本研究以日光诱导叶绿素荧光(SIF)数据和标准化降水蒸散发指数(SPEI)为基础,利用最大相关系数法分析中国区域内2000-2018年生长季植被光合对气象干旱的响应,比较不同干旱梯度、不同植被对干旱响应的敏感性以及SPEI响应时间尺度的变化特征。结果表明:(1)SIF与SPEI具有很好的相关性,显著正相关的面积达到75.05%,主要分布在东北、西南和青藏高原地区,且大部分地区对SPEI的响应时间尺度以中短期为主。(2)SIF在春季对SPEI显著相关的区域占比最少,夏季达到最高,秋季又略有下降。对干旱响应的时间尺度在春季以短期为主,而夏季响应时间尺度长的区域较春季有所增加。(3)半干旱区对干旱的敏感性最强,干旱区最弱,不同气候区对干旱的响应时间尺度均以短期为主。(4)研究所选植被类型均能较早地对干旱做出响应,其中,草地对干旱最敏感,林地和农田相对较弱,阔叶林比针叶林对干旱更敏感。研究结果表明在不同干旱梯度和不同植被类型下SIF均能快速反映环境胁迫对植被光合作用的影响。

多种干旱指标在天津地区干旱评价中的应用

以天津地区为例，基于1954～2011年的月降雨和月气温等气象资料，比较分析了标准化降水指数（SPI）、帕默尔干旱指标（P㈣）和标准化降水蒸散发指数（SPEI）三种干旱指数在不同时间尺度的相关性，并探讨了在干旱事件评价中的应用效果。结果表明，不同时间尺度的SPI和SPEI相关性显著，PDSI与年尺度SPI、SPEI显著相关，SPEI对实际旱情的判断稍优于SPI和PDSI天津地区持续干旱在加剧，值得进一步关注。

基于SPEI的潮白河流域气象干旱时空特征分析

在全球变暖加剧的背景下,区域干旱情况愈发严重。潮白河流域作为密云水库的重要集水区,对其干旱特征研究具有重要的现实意义。基于中国区域地面气象要素驱动数据集,提取潮白河流域1979—2018年的气象数据,计算不同时间尺度的标准化蒸散发指数(SPEI)值,分析潮白河流域气象干旱时间和空间上的变化特征。结果表明:①1979—2018年,潮白河流域降水和潜在蒸散发分别以11.02 mm/(10年)和9.95 mm/(10年)的速度增长,流域降水增加趋势由西向东减少,潜在蒸散发的增加趋势则相反,流域东部地区干旱风险变大;②潮白河流域干旱特征主要以轻旱和中旱为主,月、季尺度的SPEI值呈现出减小趋势,半年和年尺度的SPEI值呈现出增加趋势;从季节的干旱分布来看,春、夏、冬季有着变干的趋势,但趋势并不明显,秋季干旱情况则有显著缓解;③从空间分布来看,1979—2008年,流域干旱频率高和干旱烈度大的地区主要集中在潮白河流域西部和南部。但是2009—2018年的出现反转,干旱烈度和干旱频率中心出现在流域东部和北部地区。

珠江流域区域干旱风险评估

利用珠江流域42个气象站点1951-2011年的月降水与气温数据,计算了3个月尺度的标准化降水蒸散发指数,采用旋转经验正交函数时空分解方法,将珠江流域划分成了5个干旱变化特征均质性区域。并根据游程理论选取历时和强度2个特征变量,基于多变量区域频率分析的方法对珠江流域的干旱风险进行了评估。广义正态分布和皮尔逊三型分布分别优选为不同分区的干旱历时边缘分布,广义帕雷托分布优选为干旱强度边缘分布,区域copula函数则分别为Clayton和Arch13 copula。从区域的角度,贺江、桂江、左江和右江流域地区遭遇的干旱风险较大,应视为珠江流域的重点干旱风险区。而从行政管理的角度,广西为干旱风险管理的重点省份。

RCP4.5情景下中国未来干湿变化预估

本文采用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）中21个气候模式的试验数据,利用土壤湿度以及由其他8个地表气象要素计算所得的干旱指数,预估了RCP4.5 （Representative Concentration Pathway 4.5）情景下21世纪中国干湿变化.结果表明：全球气候模式对1986～2005年中国现代干湿分布具备模拟能力,尽管在西部地区模式与观测间存在一定的差异.在RCP4.5情景下,21世纪中国区域平均的标准化降水蒸散发指数和土壤湿度均有减小趋势,与之对应的是短期和长期干旱发生次数增加以及湿润区面积减小.从2016到2100年,约1.5％～3.5％的陆地面积将从湿润区变成半干旱或半湿润区.空间分布上,干旱化趋势明显的区域主要位于西北和东南地区,同时短期和长期干旱发生次数在这两个地区的增加幅度也最大,未来干旱化的发生时间也较其他地区要早;只在东北和西南地区未来或有变湿倾向,但幅度较小.在季节尺度上,北方地区变干主要发生在暖季,南方则主要以冷季变干为主.造成中国干旱化的原因主要是由降水与蒸散发所表征的地表可用水量减少.

基于马尔科夫过程的珠江流域干旱特征研究

对干旱转移概率的有效把握是干旱预报的关键,进而能够用于减轻干旱危害。基于此,根据Copula函数导出了马尔科夫链的转移概率矩阵。将干旱分为了6种状态,干旱事件和干旱状态不同,当干旱事件的严重程度不小于某一干旱状态时,在本文中就被定义为具有该严重程度的干旱事件。为了研究珠江流域的干旱特征,对某一严重程度干旱事件的平均历时、从任一干旱状态到没有干旱状态的平均首达时间、以及从没有干旱状态到某一严重干旱事件的平均首达时间进行了分析。研究结果表明:1非常极端干旱事件持续约1.5个月,轻微干旱事件持续约3个月;2从非常极端干旱状态恢复到没有干旱状态需要约3.5个月,从轻微干旱状态恢复到无旱情需要约1.7个月的时间;3一般来说,珠江流域平均0.5 a中有一次中等干旱事件,1 a中有一次严重干旱事件,1.5 a中有一次极端干旱事件,以及3.5 a中有一次非常极端干旱事件。此外,研究结果还表明,珠江流域东南部地区干旱风险较高,而该地区人口稠密、经济发达,特别是其中的珠三角地区,因而需要特别重视干旱风险。同时,珠江流域西部地区也是干旱风险较高的区域。

近55年来新疆多时间尺度干旱格局演变特征

在气候变暖背景下,全球干旱问题日益严峻。采用新疆地区55个气象站观测数据,基于不同时间尺度标准化降水蒸散发指数(SPEI),结合ArcGIS反距离插值法,分析了1961—2015年新疆地区的干旱变化特征。结果表明,近55 a来,新疆地区降水和气温整体呈波动上升趋势,近15 a气温在高位波动,而降水呈波动下降趋势,引起区域干湿格局变化;新疆地区主要是以轻度和中等干旱事件为主;1961—1996年气候呈变湿趋势,干旱范围减小,强度减弱,且以局域性和区域性干旱为主;1997—2015年呈变干趋势,干旱范围扩大,强度和频次加强,以区域性和全域性干旱为主。研究结论对研究区水资源的管理和灾害防控等有着重要参考价值。

长江流域气象干旱演变特征及未来变化趋势预估

基于长江流域及周边范围在内的318个气象站点1956—2018年的实测资料和CMIP5全球气候模式在3种RCPs情景下的预估数据,以标准化降水蒸散发指数作为干旱等级的划分指标,对流域历史气象干旱时空演变特征进行了分析,并预估了流域未来不同排放情景下的气象干旱时空变化趋势。结果表明:①近60 a,流域干旱率年际变化较大,平均干旱率为18.21%。从年代变化来看,近20 a干旱影响范围普遍较大;干旱频发地区主要位于岷江流域,干旱次数呈从上游向下游递减的趋势;高强度的干旱多发生于金沙江中下游地区和成都平原地区,平均场次干旱强度也呈从上游向下游递减的趋势;②在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,2020—2050年长江流域多年平均干旱面积分别为74.1万km2、75.7万km2和126.4万km2;流域上、中、下游干旱频次多年平均值分别为1.1~1.2次/a、1.0~1.1次/a、1.0~1.1次/a。预估时段内上、中、下游干旱频次较历史时段分别增加38.4%~50.7%,33.7%~45.3%和32.6%~49.6%;预估时段内上、中、下游干旱强度多年平均值分别为-1.68,-1.64,-1.60,与历史时段差别不大。研究结果可为相关部门制订科学合理的干旱灾害防范措施和对策提供科学依据。

基于SPEI及游程理论的云贵地区1960—2014年干旱时空变化特征

基于云贵地区49个气象站点1960—2014年的逐月气象数据,计算得到云贵地区季尺度及年尺度的标准化降水蒸散发指数序列,结合游程理论及经验正交(EOF)等方法,揭示云贵地区干旱的时空变化特征.研究结果表明:(1)云贵地区气候呈现逐渐变干的趋势,且年尺度和季尺度在21世纪初均出现由湿转干的迹象.(2)同一干旱历时条件下,不同等级干旱发生的频率不同,等级越小发生频率越高,反之亦然.同一等级的干旱发生频率随干旱历时长度的增加而减小.(3)在历时2~5个月的干旱事件中,云南省的干旱重现期均小于贵州省,即云南省发生干旱事件较贵州省频繁.27°N以北地区的干旱重现期较长,干旱事件发生频率较小.(4)对云贵地区近55a的SPEI进行经验正交(EOF)分析知,EOF展开第1模态反映的是季风系统控制下的云贵地区旱涝一致性变化情况,21世纪后,云贵地区普遍处于干旱状态;EOF展开第2模态反映的是受乌蒙山阻隔,东西两侧干旱呈现反相位变化的空间分布特征.该研究对于认识和把握区域气候干旱趋势与规律,提高区域干旱预警能力,保证粮食安全和生态经济稳定有重要的现实意义.