卫星遥感赋能旱情监测:进展与展望

我国干旱灾害发生频繁,造成的损失严重。传统的干旱监测主要基于气象和水文数据,在监测面上的旱情时存在局限。基于新质生产力开展旱情监测迫在眉睫,也是新时期干旱灾害防御工作的重要着力点。近年来,随着卫星遥感技术快速发展,大范围、高精度、高频次、全天候对地观测能力基本形成,旱情遥感监测由早期的模型研究向业务化应用方向发展,多源遥感星地协同旱情监测、精细化旱情综合评估以及遥感、水文气象耦合的旱情预警是未来发展趋势。

干旱灾害对粮食安全的影响及其应对技术研究进展与展望

干旱是当今世界出现频率最高、持续时间最长、危害范围最广的重大气象灾害,对全球农业、生态、社会发展和国民经济等影响巨大而广泛。农业旱灾是影响农业生产的重要因素,农业生产关乎着国家粮食安全。我国是一个农业大国,同时也是一个旱灾频发的国家,深入了解农业干旱灾害的成因、影响特征、旱灾强度、严重程度以及作物致灾的生理过程和机理等是提升农业干旱灾害监测预测预警水平、减轻和防御灾害损失、提高国家粮食安全生产需要解决的重要科学问题。本文综合回顾了国内外不同程度的农业干旱及其对粮食生产影响的最新研究进展,从农作物形态、生理、细胞和分子水平等方面探究了干旱影响特征及机制,围绕粮食生产如何有效应对农业干旱问题,评述了当前农业干旱监测的主要指标、方法、预警系统等,针对农业可持续发展和干旱新特征,讨论了当前防旱减灾和农业干旱应对的现状,强调了适应与减缓并举的一系列干旱应对措施,在此基础上结合国家、区域和行业发展需求提出了今后应着重加强的重要科学问题、研究对策及学科发展展望。

MSWEP降水产品在黄河流域气象干旱监测中的适用性评价

利用多个统计学指标和多个时间尺度的标准化降水指数(Standardized precipitation index,SPI)评估1981—2020年MSWEP(Multi-source weighted-ensemble precipitation)降水产品在黄河流域干旱监测中的准确性,并利用游程理论识别干旱事件并定量化分析其时空特征。结果表明:(1)MSWEP降水产品的月降水与以中国降水分析产品(Chinese precipitation analysis product,CPAP)为代表的地面观测降水的相关性较高,决定系数达到0.9347。(2)MSWEP降水产品可以较好地捕捉多年降水的空间格局和时间演变。(3)基于MSWEP降水产品计算的SPI一般可以重现基于CPAP计算的SPI的格局,但是相关性因地区而异。在捕捉干湿状况方面,MSWEP降水产品在黄河流域中下游表现较好,但在黄河源区的效果较差,相关系数低于0.5。值得注意的是,MSWEP降水产品捕捉干湿变化的能力随SPI时间尺度的增加而降低。(4)MSWEP降水产品在黄河流域中下游的表现明显优于上游。(5)MSWEP降水产品能够有效捕捉持续时间、烈度和严重度等干旱事件特征。总体来讲,MSWEP降水产品适用于黄河流域中下游的干旱监测,但在黄河源区地形复杂地区的干旱监测应用时,需要进一步修正其降水高估误差。

ERA5-Land降水产品在黄河流域干旱监测中的适用性研究

ERA5-Land再分析产品作为全球重要的地表要素数据,其在干旱监测中的误差评估对进一步提升干旱预警能力和降低灾害风险具有重要意义。利用1981—2020年国家气象信息中心逐日降水格网数据,结合标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI),定量评价欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的第五代再分析陆地产品(Land component of the Fifth Generation of European Reanalysis,ERA5-Land)降水资料在黄河流域及其子流域干旱监测中的误差特征,探讨ERA5-Land降水产品在不同地区和不同时间尺度下对降水的高(低)估以及对干旱特征的描述能力。结果表明:ERA5-Land降水产品在黄河流域对降水量存在明显高估现象,上游地区降水量高估误差最大,中游次之,而下游相对较低。在不同时间尺度下,ERA5-Land降水产品对干湿状况的反映能力存在明显差异,并随时间尺度的增加,差异也增加。针对黄河流域干旱事件,ERA5-Land降水产品存在明显的干旱频次高估和干旱历时低估。上游地区主要以干旱烈度和严重度高估为主,中下游则存在明显的干旱烈度和严重度低估现象。虽然ERA5-Land降水产品能够有效捕获典型干旱事件的空间分布,但对不同等级干旱面积的描述并不准确。因此,使用ERA5-Land降水产品数据进行干旱监测时,需特别注意其高估或低估现象。

基于随机森林算法高分土壤湿度产品的构建与评估

以湖南地区干旱精细化监测业务需求为牵引,基于多源卫星遥感、实时地面观测、中国气象局模式等资料,应用随机森林学习算法,建立土壤湿度因子与降水、地温、地表反照率、蒸发、植被覆盖等多种卫星遥感影响因子的降尺度模型,研制一种高分辨率土壤湿度产品(1 km×1 km)。对建模形成的高分辨率产品进行评估,结果表明,该产品能够很好地模拟湖南地区0~10 cm土壤湿度时空变化,平均偏差为-0.01 m^(3)/m^(3),相关系数为0.9,在旱情较重的夏秋季准确性较高。所研制产品能够为农业干旱精细化监测提供可行性方案,对于地广人稀且监测站点相对较少的地区有广阔的应用前景。

油茶产量对关键生长时期热积温和高温日数的响应

【目的】研究气象因子对油茶产量的影响,确定油茶关键生长时期的高温干旱指标及其影响关系,为油茶高温干旱灾害预警提供参考。【方法】基于湖南省不同区域油茶标准化产量数据和2007—2015年气象资料,包括油茶果实膨大高峰期和油脂转化期的平均气温、降水、日照时数、降水日数以及≥30℃热积温和≥30℃高温日数等气象指标,对油茶标准化产量进行回归分析,确定可指示高温干旱出现的因素和阈值,并建立产量预测模型。【结果】在果实膨大高峰期,降水日数与油茶标准化产量呈显著负相关;在果实膨大高峰期和油脂转化期,≥30℃热积温和≥30℃高温日数均与油茶标准化产量呈显著负相关。油茶果实膨大高峰期≥30℃热积温达到36.7℃或≥30℃高温日数达到26天,以及油脂转化期≥30℃热积温达到13.6℃或≥30℃高温日数达到10天,为高温干旱出现的阈值。采用果实膨大高峰期≥30℃日热积温预测油茶标准化产量的模型效果最好。【结论】可将导致高温干旱灾害的果实膨大高峰期和油脂转化期的热积温或高温日数阈值作为油茶产量降低的预警信号,并提出防灾减灾措施;采用果实膨大高峰期至油脂转化期≥30℃热积温和≥30℃高温日数建立油茶产量预测模型,可较好进行油茶产量预测预报,为油茶管理决策提供参考。

使用MODIS陆地产品LST和NDVI监测中国中、西部干旱

利用中分辨率成像光谱仪AQUA-MODIS卫星资料反演的地表温度LST和归一化差值植被指数NDVI,在中国中、西部地区应用植被温度混合状态指数VTCI方法,遥感监测干旱的空间分布状况。同时结合该地区有代表性的气象站逐月降水资料与VTCI指数进行相关分析,来验证此方法的适用性。结果表明,VTCI指数不仅与当月的降水量,也与其前期2至6个月的累积降水量有较好的线性相关性,显示VTCI方法不仅是较为有效的近实时大范围干旱监测方法,对于干旱的缓慢发展过程也有一定指示作用。

基于作物模型模拟年际生物量变化的冬小麦干旱监测研究

选择关中平原地区冬小麦为研究对象,在对农业技术转移决策支持系统(DSSAT)中的CERES-Wheat模型进行标定的基础上,根据距平的方法分析了模型模拟的冬小麦生物量的年际变化情况。结果表明:生物量距平为正值时,未发生旱情或旱情不明显;生物量距平为负值时,发生了干旱。据此建立了基于生物量距平的干旱监测模型。通过气象网站的降水量资料对该研究区域2000—2009年每年4月下旬的单点干旱监测结果进行验证,结果表明生物量距平与最近2旬至5旬的累计降水量距平的相关性较高,证实了应用该模型进行干旱监测的可行性和近实时性。将该模型与2000—2009年MODIS每8天的GPP产品相结合,得到了干旱的区域分布结果,结果表明:关中平原在2000、2003年和2007年4月下旬时发生干旱,在其余研究年份4月下旬时未出现旱情。

基于TVDI与荧光的呼伦贝尔市干旱时空动态监测研究

【目的】呼伦贝尔地区降水量少,年际和年内分布不均,灌溉条件不发达,干旱对当地农业和畜牧业生产造成了严重影响,结合干旱监模型与荧光数据可对呼伦贝尔干旱情况进行有效监测。【方法】文章使用MODIS归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)产品,建立Ts-NDVI特征空间,计算温度植被干旱指数(TVDI),同时结合GOME-2 L2级荧光产品,综合分析评价2017—2018年呼伦贝尔地区干旱时空变化特征。【结果】该文建立的干旱指数模型能有效监测呼伦贝尔市干旱状况,干旱等级划分结果表明,2017—2018年呼伦贝尔地区存在不同程度的干旱问题,此模型在该研究区干旱监测上具有很好的适用性;通过SIF与NDVI的变化过程对比分析发现,SIF对水分胁迫等植被生理变化比较敏感,SIF较NDVI而言,能更有效地反映植物受胁迫状况。【结论】通过MODIS产品与GOME-2 L2荧光产品相结合,可以更准确地监测分析该研究区内的干旱时空动态变化,为呼伦贝尔市的旱情监测提供重要参考。

辽宁省农业干旱监测预报业务系统的设计与实现

为了提高农业干旱的监测预测服务能力,减少农业干旱对社会生产生活的影响,通过对干旱信息的采集、存储、加工处理和干旱产品的制作发布等环节进行梳理与完善,构建辽宁省农业干旱监测预报业务系统,实现了对农业干旱的一体化、精细化和定量化监测和预测,实现了干旱产品的标准化、自动化制作和发布。该系统依托农业干旱监测技术、遥感干旱监测技术、农业干旱预报技术等手段,实现了观测数据的收集存储、干旱信息的展示分析和干旱产品的制作发布等功能,并形成了省、市、县一体化干旱服务体系。最终实现对干旱的全方位监测、立体化服务模式,从而提高应对干旱灾害的防灾减灾能力。该系统的业务化应用提高了农业干旱监测预测的定量化、自动化和智能化水平,提升了地面和卫星遥感干旱监测预测的业务能力。该系统构建的省市县一体化服务模式,形成了省级农业气象业务中心统一制作干旱产品,省、市、县3级同时开展精细化干旱指导服务的体系。

CLDAS融合土壤相对湿度产品适用性评估及在气象干旱监测中的应用

基于2008—2017年全国自动气象观测站逐旬土壤相对湿度观测数据,综合评估中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)0~20 cm层融合土壤相对湿度产品在中国地区的适用性,评估表明CLDAS土壤相对湿度产品在中国东北、西北、江南大部及华南等地区存在较大系统性误差,总体上适用性较差。为消除CLDAS土壤相对湿度产品的系统性误差,采用回归订正法、7旬滑动平均订正法和临近加权前旬订正法对CLDAS土壤相对湿度产品进行误差订正处理,对订正结果评估发现:订正处理后CLDAS土壤相对湿度产品与站点观测的相关性显著增加,系统偏差基本消除,适用性明显提高,3种订正方法中临近加权前旬订正法的订正效果最优。最后,采用经不同方法订正后的CLDAS土壤相对湿度产品对2017年5月东北—华北地区一次气象干旱个例进行重现,对比验证表明:相对其他两种订正方法,经临近加权前旬订正法处理后的CLDAS土壤相对湿度产品能更为精准地重现2017年5月东北—华北地区气象干旱的落区和强度。

基于CAgMSS框架的多区域干旱监测产品制作方法

在CAgMSS框架下利用CAgMSS的二次开发技术,实现对多个区域的干旱监测产品进行自动加工制作,并自动分发的技术进行研究。结果表明,该技术实现了基于省级干旱监测产品自动制作市、县两级各个区域的干旱监测产品,达到省、市、县三级干旱监测产品的统一,避免了因数据源范围不同而引起的监测结果差异。

TRMM卫星降水产品和SPDI在河南省干旱监测中的适用性

本文选取河南省15个具有代表性的气象站点,根据其1998—2019年的逐月气象观测资料和TRMM 3B43V7逐月卫星降水数据,运用多种统计指标评估TRMM 3B43V7卫星降水产品在河南省的适用性;采用卫星降水数据代替地面降水资料计算标准化帕尔默干旱指数(SPDI),并寻求最优时间尺度;结合历史干旱事件记载,评估SPDI指数在河南省干旱监测中的适用性。结果表明:TRMM3B43V7卫星降水数据与实测地面降水数据相比,精确度很高(Bias=-0.05)、相关性很强(CC>0.88);由TRMM卫星降水数据计算得到的SPDI指数用于评估河南省历史干旱表现良好,且12个月时间尺度的SPDI指数(SPDI12)适用性最好。鉴于以上结论,可以考虑基于TRMM卫星降水产品和SPDI12指数构建河南省的干旱监测业务化系统。

基于GIS下的旱地马铃薯干旱风险区划技术探讨

通过榆中县马铃薯逐年减产率与实测资料计算出的马铃薯不同生育时段的农田蒸散量进行线性回归分析,建立干旱监测模型.以减产率农业干旱指标等级⑴为标准,通过干旱监测模型计算出马铃薯的农田蒸散量农业干旱指数,用此指数统计马铃薯不同生育时段干旱等级的发生概率,用Pearson-Ⅲ频次密度函数⑵统计出马铃薯全生育期不同重现期的各乡镇减产率,最后利用GIS空间分析模块绘制马铃薯干旱等级概率分布图、不同重现期下的减产率分布图、不同干旱等级风险区划图.