基于标准化降水指数(SPI)的宁夏中部干旱带旱灾危险性时空演变特征

[目的]揭示宁夏中部干旱带旱灾危险性的时空特征,为宁夏中部干旱带农业生产、农业灾害防治、种植结构调整和农业灌溉指导提供科学依据。[方法]收集宁夏中部干旱带的沙坡头区、中宁县、同心县、盐池县、海原县5个气象站点的气象观测资料,采用标准化降水指数(SPI)分析了近39年(1981—2019年)干旱等级的时空变化,并结合GIS技术评价其旱灾危险性时空演变特征。[结果]SPI 12结果表明代际干旱趋势呈波动中加剧趋势(趋势线斜率范围为-0.004~0.003)。SPI 3结果表明季尺度旱灾危险性时空分布异质性明显,空间上呈现出南低北高的特征,而时间上则表现为连旱特征突出。春冬两季旱灾发生频率高于45%;夏、秋两季干旱现象不显著,干旱发生频率处于10.26%~43.59%之间;旱灾危险性时空演变特征评价结果表明代际旱灾危险性呈现先下降后上升的变化趋势。季尺度旱灾危险性时空差异明显,空间上表现为旱灾危险性由南向北升高,时间上表现为春冬两季旱灾危险性较高,而夏、秋两季旱灾危险性较低。[结论]宁夏中部干旱带季尺度旱灾危险性时空异质性明显,沙坡头区、中宁县旱灾危险性高,未来应加强春、秋、冬三季的旱灾防治。

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。

标准化降水指数(SPI)和Z指数在淮北平原适用性研究

淮北平原是我国重要的粮食生产基地,分析其干旱时空变化特征和不同干旱指数的适用性,提高淮北平原抗旱风险能力,对农业生产和旱情监测具有重要意义。利用淮北平原20个气象站1962-2021年降水资料,计算了年尺度和季尺度的标准化降水指数(SPI)和Z指数,分析了两指数在淮北平原的一致性以及时空变化特征的差异性,并结合历史旱情资料对比分析,进一步研究两种干旱指数的适用性。结果表明,两指数在年、季尺度下的淮北平原均呈现较好一致性,并与该区降雨存在极强相关性;时间尺度上,两指数均在年以及夏冬两季呈缓慢湿润化趋势,春秋两季呈不显著干旱化趋势;空间尺度上,Z指数监测的干旱发生面积和发生频率均高于SPI指数;与历史旱情资料对比分析结果表明,与SPI指数相比Z指数监测结果具有一定持续性,不易出现异常现象,且与实际较为一致。综合分析表明,Z指数在淮北地区的干旱监测适用性较好。

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EMD-GWO-LSTM模型的新疆标准化降水蒸散指数预测方法研究

干旱预测一直是干旱研究领域的重大挑战,提高干旱预测的准确性是解决干旱问题的关键。基于1961—2019年新疆34个气象站点月降水和月平均气温数据,计算得到标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),对新疆气象干湿变化进行分析,提出一种经验模态分解方法(empirical mode decomposition,EMD)-灰狼优化算法(grey wolf optimizer,GWO)-长短期神经网络(long short-term memory network,LSTM)的数据分解型干旱组合预测模型进行预测,并进行模型性能评价。结果表明:(1)干旱周期性变化整体呈现平稳且周期长的特点;(2)EMD能够有效优化数据的平稳性,GWO优化预测模型参数,组合模型的预测精度相较于单一预测模型有明显提高;(3)4个预测模型结果精度由高到低的排序为:EMD-GWO-LSTM、GWO-LSTM、GWO-支持向量回归(Support Vactor Regression,SVR)、LSTM,拟合优度分别为0.972、0.939、0.862、0.830,EMD-GWO-LSTM组合预测模型的预测精度优于其余3个预测模型。EMD-GWO-LSTM组合模型可有效提高气象干旱的预测精度,为新疆地区气象干旱预报及抗旱减灾工作提供了新的方法手段。

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。

基于标准化前期降水蒸散指数的新疆干旱时空演变特征

标准化前期降水蒸散指数(Standardized antecedent precipitation evapotranspiration index,SAPEI)是一种新的日尺度干旱指数,相对标准化降水蒸散指数(SPEI)而言,它不仅考虑当日的降水和蒸散情况,还考虑了早期水分平衡对当天干湿条件的影响,在描述和监测干旱方面更为稳健。本文根据新疆地区42个气象站2000—2019年气象要素数据计算SAPEI,利用线性趋势、M-K检验和反距离插值等方法,研究了21世纪以来新疆地区SAPEI时空变化特征,并基于SAPEI的分区和分代际比较分析了新疆地区干旱强度的时空变化,进而对新疆干旱发生的区域性和广泛程度的四季变化以及不同干旱等级发生频率的空间分布格局进行了探讨。结果表明:新疆气候整体呈湿润化,近年来干湿差异扩大,空间上存在部分相对湿润地区显著变干的现象;新疆春季变干,夏、秋、冬季变湿,夏冬两季在时间和空间上的干湿变化差异截然相反;20年来全疆和分区的干旱强度均显著降低,空间上东北部高、中部和西南部低;新疆干旱范围呈缩减趋势,近年来存在干旱等级提升风险,春季干旱范围扩大;新疆不同干旱等级的发生频率存在空间差异,北疆南部、东北部和西北部分别多发轻旱、中旱和重旱,南疆主要为中旱和轻旱,东疆西部多为轻旱,而东疆东部则主要为重旱。

基于标准化降水指数的1961-2020年昌吉地区气象干旱趋势分析

采用昌吉地区10个气象站1961-2020年降水量资料,计算昌吉地区年、季尺度标准化降水指数(SPI-12、SPI-3),并对SPI指数评价实际干旱的能力进行验证。运用趋势分析法、M-K突变检验法、小波分析法等方法,探究昌吉地区气象干旱变化特征;在此基础上分析年、季尺度上的干旱频率、干旱强度和干旱覆盖面积的变化趋势。结果表明:SPI指数可以表征昌吉地区的干旱特征;1961-2020年昌吉地区年SPI值呈明显的阶段性特征,年代变化趋势呈变干-变湿-变干的变化波动,进入21世纪以来,变干趋势较为明显;昌吉地区春、夏、秋季SPI呈不显著的湿润化态势,但进入21世纪以后,春、夏季逐年变干旱化,冬季呈显著的湿润化态势;干旱强度在全区范围内主要为轻旱和中旱等级,2010年以来春、夏、秋季干旱强度明显增大;1961-2000年干旱发生面积有轻微减少,进入21世纪以来干旱范围向扩大趋势发展,全域性和区域性干旱发生较为频繁;在周期性变化方面,存在着3~5 a、8~18 a、20~30 a的多重周期振荡,且随时间尺度降低,表现的“干-湿”交替渐趋频繁,但不同时间尺度表现出不同的干湿震荡规律。

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。

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。

基于标准化降水指数的中国南方季节性干旱近58a演变特征

近年来南方地区季节性干旱频繁发生,对农业生产造成了严重影响。分析其演变特征和发生规律,能为应对全球气候变化背景下制订抗旱减灾对策提供理论依据。该研究利用中国南方15个省(市、区)的气象台站降水资料,选择采用标准化降水指数(SPI)为干旱指标,计算了南方地区最近58a(1951-2008年)各月干旱指数,在此基础上分析了全年及各季季节性干旱的站次比(发生干旱站数与总站数之比)和干旱强度的年际变化。研究结果表明:干旱程度在时间尺度上呈不同程度增加趋势;干旱的季节性特征为春旱和秋旱有加重的趋势,而夏旱和冬旱有减轻的趋势。季节性干旱空间演变特征表现为:长江中下游地区、西南地区、华南地区等各区域季节性干旱变化与整个南方总体干旱变化表现基本一致。在当前气候变化背景下,我国南方干旱整体上呈现对农业生产的不利影响加重的趋势。研究和验证表明标准化降水指数(SPI)能很好地体现季节性干旱的年际变化特征。

基于标准化降水指数的陕西省干旱时空变化特征分析

干旱作为当今全球范围内危害严重且频发的一种自然灾害之一,对人类和自然系统都产生较大影响。该文基于陕西省长历时的典型测站逐日降水资料,采用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)、干旱频率、干旱站次比和干旱强度等干旱指标,揭示陕西省干旱时间与空间尺度上的变化特征,为区域水资源合理调配提供参考。结果表明:1)研究区域整体上干旱范围有扩大的趋势,研究时段内干旱较为频繁且持续时间较长,其中,区域内各个站点干旱发生频率均值为70.0%,轻旱和中旱发生频率较高,重旱和特旱发生频率相对较低;2)干旱站次比呈现出季节性特点,其中,春季、冬季干旱站次比呈增加趋势,夏季、秋季干旱站次比呈减少趋势;3)干旱强度变化不明显,其中,春季、冬季的干旱强度呈增强趋势,夏季、秋季干旱强度呈减弱趋势;干旱站次比和干旱强度变化趋势基本一致;4)干旱呈现出较明显的区域变化特征,其中,既有覆盖全省范围的全域性干旱,也有局部地区干旱,并且干旱频率、干旱站次比和干旱强度空间上分布上也存在差异。

基于标准化降水蒸散指数的中国干旱趋势研究

标准化降水蒸散指数(SPEI)通过标准化潜在蒸散与降水的差值表征一个地区干湿状况偏离常年的程度,是分析干旱演变趋势的新理想指标,目前已经广泛应用于干旱评估、水资源管理等领域。用SPEI和1951—2009年中国区域160个站的月降水量及月平均气温资料,对中国59年来干旱化的空间分布、四季干旱趋势变化和全国极端干旱事件发生频次进行了分析,并定性分析了干旱发生的原因。结果表明,我国普遍存在干旱化的事实,西部、华北和东北地区干旱化最为显著。我国四季均呈现干旱化趋势,其中春、秋季干旱化趋势明显,夏季最近15年都处于干旱状态,但干旱化趋势未通过0.05显著性检验;另外全国极端干旱事件发生频率明显增多。东北和华北地区的降水呈现轻微减少趋势,而温度升高趋势明显,降水和温度的共同作用导致了明显的干旱化。四川盆地温度升高趋势不显著,但降水减少显著,降水较少是导致四川盆地干旱化的主要原因。降水频率的减少和集中也导致近几年极端干旱事件明显增多。我国普遍的干旱化趋势和明显增多的极端干旱事件可能对我国经济发展产生阻碍。

多尺度标准化降水指数的ARIMA模型干旱预测研究

采用关中地区39 a的月平均降水量数据,计算了该地区不同时间尺度的标准化降水指数(SPI)值,运用ARIMA模型对SPI序列进行分析建模,并进行12步预测。结果表明,ARIMA模型对所有时间尺度的SPI 3、6、9序列可进行精度在10%以下的1步预测,对SPI 12、24序列可进行平均精度在10%以下的9步预测,说明ARI-MA模型较适合SPI 3、6、9序列的短期预测,适合SPI 12、24序列的长期预测。

三种遥感干旱监测指数在黄土高原东部的适用性研究

研究不同遥感干旱监测方法在黄土高原东部山西省的适用性,对于提高地形复杂区域农业气象服务水平和防灾减灾能力具有重要意义。本文利用风云气象卫星数据,结合气象站观测资料,通过本地化修正作物水分胁迫指数(Crop Water Stress Index,CWSI)中地形和天气参数,对比分析2022年5月6—12日降雨过程前后及整个作物生长期植被供水指数(Vegetation Supply Water Index,VSWI)、温度植被指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)和CWSI 3种遥感干旱监测指数在山西省的监测效果。结果表明:一次降雨过程前后,CWSI、TVDI、VSWI均表现出与实测土壤墒情同样的变化趋势,但当旱情严重时,TVDI、VSWI易低估旱情等级,反之,则易高估旱情等级,而CWSI均接近于实测土壤墒情,并能够实时反映降雨对土壤墒情的影响;整个作物生长期,CWSI均与实测墒情相吻合,TVDI只在春季时与实测墒情接近,对于植被覆盖较好的夏、秋季则效果较差,VSWI则不适用于地形复杂区域干旱监测。此外,前期累积遥感干旱监测结果比当天监测结果更接近于地表浅层土壤墒情。总之,修正后CWSI能够有效反映山西省遥感干旱状况,为黄土高原复杂地形区遥感干旱监测提供了新的尝试。

基于标准化降水指数的淮河流域干旱演变特征分析

利用淮河流域35个气象站点的降水资料,采用标准化降水指数(Standardized Drecipitafion in-dex,SPI)分析了淮河流域近50年(1961～2010年)的年度干旱指数,并利用干旱发生频率、干旱站次比和干旱强度三项干旱指标分析了淮河流域的干旱演变特征。研究结果表明,近50年来,淮河流域以轻旱、中旱为主,重旱、特旱相对较少,有干旱发生面积有逐年递减而发生强度呈增强趋势。在当前气候变化背景下,淮河流域干旱对农业生产的不利影响有减小的趋势。

基于标准化降水指数的锡林郭勒盟干旱特征分析

在全球气候变暖的大背景下,锡林郭勒盟干旱灾害频发,给农牧业生产和人民生活等造成了严重的影响和损失,分析其干旱的时空特征和规律,能为防灾减灾提供借鉴。基于全盟15个气象站点1960-2013年的逐月降水资料,计算了12个月和3个月尺度的标准化降水指数,分析了年度和季节干旱演变规律,并应用主成份分析和空间插值方法分析了干旱的空间特征。结果表明:(1)锡林郭勒盟的年度与季节的干旱均较为频繁且持续时间较长,各尺度干旱频率均为30%左右,干旱等级主要为轻旱和中旱,重旱和特旱频率较低;年度与夏季干旱站次比和干旱强度呈增加和增强趋势,春季、秋季和冬季的干旱站次比和干旱强度呈减少和减轻趋势。(2)前4个特征向量的空间分布与锡林郭勒盟4大类植被覆盖区域基本一致,即农牧交错区、荒漠草原区、典型草原区和草甸草原区,4个区域的干旱时段存在很强的一致性,且均存在干旱化趋势,干旱强度为荒漠草原区>典型草原区>农牧交错区>草甸草原区,4个区域的干旱频率和干旱站次比基本一致。

标准化降水指数在新疆极端干旱事件中的应用

利用1961-2008年新疆49个气象观测站逐月降水量计算相应标准化降水指数(SP I),利用RPCA模态分析的方法研究新疆极端干旱的气候特征.结果表明:1961-2008年新疆极端干旱面积率总体处于减小趋势;20世纪80年代以前极端干旱面积率较大,基本在20%以上;80年代后在10%左右;2000年后极端干旱面积率有增加的趋势;M-K突变检验表明,极端干旱突变出现在20世纪70年代中期.新疆北部是极端干旱发生频率最高的区域,利用主成分旋转法可将新疆极端干旱分为3个区域:北疆区(代表站为石河子观测站)、南疆区(代表站为柯坪观测站)和东疆区(代表站为七角井观测站).依据极端干旱年的定义,1961-2008年新疆极端干旱年份分别是1962-1965,1967-1968,1973-1979,1982,1984-1985,1991,1995和1997年,其中强极端干旱年分别是1962,1974-1975和1997年,相应年份极端干旱的站数远远超过该时段平均值.

基于标准化降水指数分析宁夏山区干旱演变特征

利用宁夏山区8个县站降水资料,采用标准化降水指数(SPI)比较分析了宁夏山区近38 a(1971-2008年)的各月干旱指数,并分析全年、月度干旱的站次比和干旱强度的年际变化。研究结果表明,宁夏山区年季干旱强度呈现降低趋势,但干旱发生频率和干旱面积增加,特别是2000年之后干旱频率和站次比呈增加趋势;宁夏山区以轻旱-中旱为主,特大干旱发生相对较少,近5 a来山区各县发生区域性干旱频率增加较明显;春旱和秋旱有加重的趋势,而夏旱和冬旱发生少,但春、夏、秋连旱在2000年之后发生频率和涉及的区域呈现增加的趋势;在当前气候变化背景下,宁夏山区干旱对农业生产的不利影响有加重的趋势。

标准化降水指数与有效干旱指数在新疆干旱监测中的应用

基于干旱监测理论,根据新疆测站1961—2010年逐日降水资料,对比分析了基于不同时间尺度(1、3、6、9、12、24个月)标准化降水指标(SPI)与有效干旱指数(EDI)对干旱监测的有效性与实用性。结果表明:不论针对短期干旱还是长期干旱,EDI监测能力均明显优于SPI。短时间尺度的SPI受短时间降水影响较大,能反映短时间新疆地区的干旱变化特征;随时间尺度的增加,SPI对短时间降水的响应能力较差,但仍可反映长时间序列下明显的干旱变化趋势。与SPI相比,EDI能够很好地反映出短期干旱和当时降水量的影响;同时能够随时间迁移,给每日降水量分配以不同权重,考虑前期降水量对当前干湿状况的影响。相关研究结果可为湿润区及其他气候区洪旱灾害监测提供重要理论依据。