我国干旱半干旱区近60 a气象干旱气候特征分析

为研究我国干旱半干旱区连续无雨日气候特征的变化趋势,利用该区域74个气象站1961—2022年逐日降水观测资料,对研究区连续无雨日变化特征及其在1961—1990年和1991—2020年前后两个时段的差异等进行分析,重点关注16 d及以上连续无雨日,并将16~25 d、26~40 d、41~60 d、60 d以上连续无雨日分别定义为轻旱、中旱、重旱和特旱。结果表明:我国干旱半干旱气候区16 d及以上连续无雨日的发生次数和日数存在明显差异,尤其是重旱、特旱对应的连续无雨日发生次数和日数,干旱区分别是半干旱区的2.0倍与6.0倍左右;1991—2020年与1961—1990年相比,研究区西部不同等级气象干旱发生次数明显减少,而中东部有所增加;研究区西部不同等级干旱发生日数同样减少明显,中部轻旱和中旱发生日数减少,而重旱和特旱发生日数有所增加;研究时段内,该区域绝大部分气象站点不同等级干旱发生次数和日数均未发生突变。

我国不同区域气象干旱成因研究进展与展望

在全球增暖背景下,我国干旱灾害的严重程度、持续时间和影响范围均呈增加趋势。气象干旱是干旱灾害发生的前提,厘清气象干旱形成原因,对提高干旱预警能力、制定干旱灾害应对策略和防御措施有重要科学意义。本文较为全面地梳理了我国气象干旱成因的研究进展。首先,考虑干旱的成因具有区域差异性,分别总结了我国西北、华北、东北、华东、华南及西南6个区域的干旱成因;考虑干旱的时间持续性,基于季节干旱、两季连旱和三季连旱,分别从冷暖空气、位势高度场、海温场异常等方面归纳各区域不同持续时间气象干旱形成的主要影响因子。其次,提出了目前我国气象干旱成因研究面临的科学问题和未来研究方向。鉴于已有的干旱成因研究多以对单一影响因子研究为主,即便考虑了干旱形成的多个影响因子,但仍然相对缺乏对多因子间协同作用的定量分析,因此未来需要关注不同影响因子对气象干旱形成的贡献率及彼此间协同作用的定量关系。

气象干旱指数在中国的适应性研究进展

在全球变暖背景下,中国极端干旱事件频繁发生,其强度和范围都不断增大,这不但给国民经济特别是农业生产等带来巨大损失,还会造成水资源短缺、荒漠化加剧、沙尘暴频发等诸多深远的不利影响。为进一步提高干旱监测、预测、评估和决策服务等方面的技术水平,以气象干旱为对象,对常用的气象干旱指标在中国的时空适应性进行了系统总结。首先,从指数的计算原理及考虑要素的角度回顾了国内常用干旱指数及其特点,这些指标主要分为两类:一类是只考虑单一因子的干旱指标,另一类是考虑多要素的干旱指标。其次,系统归纳了这些干旱指数在我国不同区域、不同季节的适应性,阐述了对现有干旱指数的进一步修正、改进及其应用效果,并对影响干旱指数适应性的主要因素进行探讨。最后,提出目前干旱研究领域存在争议的问题,探讨今后在气象干旱监测指标及其适应性研究中应重点解决的关键科学问题及发展趋势。

干旱形成机制与预测理论方法及其灾害风险特征研究进展与展望

在全球变暖背景下,干旱事件发生的频率和强度不断增大、影响不断加重,干旱发生规律的异常性和机制的复杂性也更为突出,对干旱形成机制、预测理论方法及灾害风险变化规律等方面都提出了新的挑战,也制约了当前干旱预测、预警及其灾害防控能力的提高。近年来,在国家重点基础研究发展计划(973计划)课题等多个国家级项目支持下,已在干旱灾害形成机制与预测理论方法及其风险特征方面取得了一系列新成果。通过动力诊断、数值模拟和田间试验等方法,开展了干旱形成的多因子协同作用和多尺度叠加机制、干旱致灾过程的逐阶递进特征,以及干旱灾害风险分布演化的主控因素等方面的研究。对如下几方面的新进展进行了系统总结归纳:(1)厘清了全球变暖背景下青藏高原热力、海温、夏季风、遥相关等多因子对干旱形成的作用机制。(2)发现了降水亏缺时间尺度和农作物不同生长阶段的干旱敏感性规律。(3)揭示了变暖背景下典型区域干旱灾害风险分布及其变异的新特征;构建了干旱灾害风险新概念模型。(4)研发了东亚季风区的季节和次季节干旱集成预测系统。在总结归纳已取得研究成果的基础上,对未来干旱形成机制及其灾害风险科学研究进行了展望,提出了5个重点研究方向:(1)多因子联动及其多尺度叠加效应对干旱形成的影响;(2)系统整合人类活动和决策以及相关反馈的气候模式研究;(3)揭示陆-气耦合和大气环流协同作用对干旱的影响;(4)认识干旱灾害对粮食安全和生态安全影响的关键过程;(5)提高不同气候情景下干旱预估的准确度。

小麦干旱监测技术研究进展与展望

发展小麦干旱监测技术是客观监测小麦干旱程度、准确反映干旱波及范围和持续时间的基础,从而能够对小麦干旱灾害做出预警并有效地评估其影响。本文系统梳理了国内外小麦干旱监测方法,包括基于地面常规观测、基于水分控制试验、基于作物模型模拟和基于遥感手段的4个方面的研究进展。分析表明,基于地面常规观测资料构建的小麦干旱监测指数,更多地考虑到业务和服务的应用需求,具有计算过程简单、资料获取方便、物理意义明确的特点;但其以气象观测要素为主,监测结果与农业旱情存在一定的偏差。基于人工水分控制试验的监测手段,直接与小麦生长状态联系,能反映实际的旱情;但仅靠部分站点的试验监测结果难以反映大范围的小麦干旱状况。作物模型可细致描述作物生长发育的全过程以及作物生长同降水量和土壤水分之间的动态关系;但其监测所需参数较多,模型本地化释用程度不高。遥感技术能够及时、客观地获取大范围地表综合信息,但受到天气状况、地表粗糙度、地形和植被等因素的影响,反演结果具有一定的偏差。因此,对于小麦干旱监测应该针对特定地区和特定生长阶段赋予不同干旱监测指数影响权重,应用综合监测指数以更准确地反映作物干旱状况。

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。

2021年秋季中国气候异常特征及主要气象灾害

利用1961—2021年中国区域2400余站地面气象常规观测资料,根据2019年中国气象局发布的《区域性重要过程监测和评价业务规定》,对2021年秋季中国气候基本概况及主要气象灾害进行全面分析。结果表明:(1)2021年秋季,中国气候状况总体偏差,平均气温较常年同期偏高,平均降水量较常年同期偏多;由于台风登陆个数偏少,且强降水以及冷空气过程影响区域叠加累积效应显著,导致北方部分省份雨、雪和冰冻灾害影响明显高于南方。(2)2021年秋季,我国气象灾害形势复杂严峻,极端天气气候复合事件多发,以暴雨洪涝、高温干旱、低温冰冻雨雪灾害为主,灾害极端性和区域性特征显著。区域暴雨过程较常年同期偏多4.2次,北方多地发生罕见秋汛,山西、陕西等地洪涝灾害较重;阶段性区域高温天气多发,区域高温过程较常年同期偏多2.4次,导致江南、华南高温干旱复合发展;寒潮过程较常年同期偏多1.2次,过程影响区域叠加累积效应显著,东北三省和内蒙古部分地区雪情较重。

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。

多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究

通过分析我国东北、华北、西北地区东部、西南以及黄淮、江淮和江汉5个区域不同时间尺度气象干旱指数与20cm土壤相对湿度的相关关系,探讨了前期气象干旱对后期土壤湿度的影响,并利用多元线性回归方法分区域、分季节建立了土壤湿度预测模型.结果表明:春季,东北地区土壤湿度主要受前5～6个月,尤其是上年秋末冬初的降水的影响,而其他4个区域土壤湿度主要受前1～2个月大气水分的影响;各区域夏季土壤湿度与前1～2个月时间尺度上的大气水分相关最密切;秋季,东北地区20cm土壤湿度主要受前2～4个月的气象干旱的影响,其余区域土壤湿度仍与前1～2个月尺度的大气水分相关最密切.基于前期气象干旱指数建立的各区域、各季节的土壤湿度回归模型对当地土壤湿度具有一定的拟合能力,平均估计偏差在10.1%～13.9%之间,其中,西北地区东部和华北地区春、夏季偏差较大,2008-2011年间干旱等级拟合准确率在65%～74.9%之间;东北、西南、黄淮、江淮和江汉区域拟合较好,拟合准确率在88%以上.

我国气象干旱研究进展评述

近几十年来,在全球变化和社会经济高速发展的影响下,全球环境问题尤为突出。其中最为严峻的问题之一是干旱的频繁发生。干旱已经成为全球性的问题,由干旱,尤其是重大干旱灾害所引起的水资源匮乏、粮食危机、生态恶化(如荒漠化等),直接威胁到国家的长期粮食安全和社会稳定。针对这些问题,本文介绍了国家对干旱研究的需求和近年来在干旱研究领域的主要科技进展,提出了目前干旱研究领域存在争议的问题、以及面对国家需求应解决的关键科学问题。并对未来5～10 a该领域的发展趋势进行了简要分析。

气象与农业业务化干旱指标的研究与应用现状

分析了国内目前干旱监测业务中使用的气象干旱指标、农业干旱指标和逐日动态干旱指标的构成要素,讨论了各指标揭示的干旱机理及其在各地使用的效果,并提出了干旱指标的研究正朝着多因子综合、能够用于动态监测并与地理信息系统结合的方向发展。

中国生态气象灾害研究

综述了生态气象灾害的定义、类型与特点;7种主要生态气象灾害的危害特征,包括危害现状、发展趋势以及主要危害;气象因子对7种主要生态气象灾害的影响;生态气象灾害的监测、预警与评估;生态气象灾害的应急管理与防御措施和恢复重建技术等5个重要方面的内容。生态气象灾害是我国一种综合性的、重大的自然灾害,其危害特点:具有累积性与长期性、难恢复性和不可抗逆性。它不仅直接危害到生态系统本身的健康,使生态系统严重恶化,还极大地危害到人类赖以生存的物质基础,最终严重地制约了社会经济可持续发展。生态气象灾害是一门多学科交叉、新型而又重要的领域。

干旱气象科学研究--“我国北方干旱致灾过程及机理”项目概述与主要进展

干旱灾害是影响社会经济发展、农业生产和生态文明建设的重要自然因素,随着气候变暖,极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势,影响不断加重。"干旱气象科学研究"是由中国气象局等国家部委组织的三大气象科学试验研究计划之一,是继"第三次青藏高原大气科学试验"实施后,于2015年以行业科研重大专项项目形式批准立项的又一重大科学研究计划。本文简要介绍了本项目的基本架构以及在外场观测试验和科学研究方面所取得的重点研究成果,展望了干旱气象科学研究趋势及可能取得的主要突破。项目以提升我国干旱防灾减灾能力、保障粮食与生态安全为科技支撑目标,以发展干旱基础理论为科学研究目标,以提高干旱监测预测预警及影响评估技术水平为业务应用目标,以我国北方地区为重点研究区域,开展跨学科、综合性、系统性的干旱气象科学试验和科学研究。实施以来,已在西北至华北的干旱半干旱区建立"V"型的干旱致灾过程及其陆—气相互作用观测试验站网布局,并开展系统性观测试验。科学研究方面也取得重要成果。研究发现,自我防御机制有助于我国北方草地主要优势种和建群种——贝加尔针茅适应未来气候变化。气候变化使中国骤发性干旱显著增加,尤其在湿润和半湿润地区可能性更大,且在未来几十年有可能持续下去,这对中国农业和水资源持续利用造成严重影响。另外,复杂下垫面地区的地—气交换研究方法得到有效改进;干旱半干旱区域的模式系统发展取得进展;发现春小麦、春玉米对干旱胁迫的响应特征,构建了玉米冠层含水量的普适性高光谱遥感估算方法等。

卫星遥感结合气象资料计算的中国干旱区夏季地面感热特征

选用美国国家海洋和大气局(NOAA)系列卫星观测的1982-2006年历年夏季每半月合成的归一化差值植被指数(NDVI)数据资料和针对我国西北干旱区不同下垫面的Ch-INDV参数化关系式,计算了我国110°E以西/35°N以北区域内84个气象站历年夏季各月的地表热力输送系数Ch值和地面感热通量序列,并将其与ERA-40再分析感热资料进行了比较分析。随后,通过数理统计和经验正交函数(EOF)分析方法,研究其时空分布的基本特征和异常变化的演变规律及其东、西部地面感热年际变化的差异。主要结论为:(1)我国西北干旱区夏季地面感热通量实际计算值与ERA-40再分析感热资料相比,两者在值的大小、分布形势和年际变化趋势上均较一致,但感热实际计算值的空间分布更加明显地突出了各气象站所在区域的局地特征。(2)对西北干旱区夏季地面感热EOF分析表明,第一模态反映了全场一致的空间变化,第二和第三模态在干旱区东部和西部区具有不同的南北反向或东西反向的空间变化。第一和第二主分量有较明显的年代际或更长时间尺度的周期变化,第三主分量的年际变化较明显。(3)西北干旱区东部和西部夏季地面感热输送具有相反的年际变化趋势,干旱区东部呈逐年增加的趋势,而西部表现出显著的逐年减弱的趋势,气候倾向率分别为0.34和-2.08 W.m-2.(10 a)-1。(4)西北干旱区夏季地面感热输送具有较明显的年代际变化特征。20世纪80年代,地面风速比气候平均值偏大使得地面感热输送整体偏强;90年代,地面风速和地气温差比气候平均值均偏小使这一时期的地面感热输送整体偏弱;21世纪初几年,西北地区中部的感热输送偏弱,东、西两边除个别站外均偏强,这主要由新疆西部和内蒙古部分地区的地气温差迅速拉大而成。

基于机器学习的两个代表城市上呼吸道感染与气象要素关系及其发病风险预测研究

选取华南地区深圳市、西南地区攀枝花市2个不同气候区的当地医院上呼吸道感染发病逐日就诊病例数据和同期气象数据,采用随机森林方法和RNN(Recurrent neural network)深度学习方法,通过对两地上呼吸道感染发病特征及其与气象条件关系进行研究,分别构建了两地上呼吸道感染发病风险预测模型。结果表明:(1)深圳市上呼吸道感染就诊人数峰值出现在6—8月,谷值出现在1—2月,呈现以热不舒适的效应为主;而攀枝花市上呼吸道感染就诊人数峰值出现在11月—次年1月,谷值出现在3—7月,呈现以冷不舒适效应为主。(2)逐日平均气温的变化对两地上呼吸道感染发病的影响最明显,当日平均气温>25℃或者<10℃时,两地上呼吸道感染发病风险明显上升。(3)日平均风速影响次之,它与日平均相对湿度和日平均气温一起,通过对气候舒适度产生影响,进而影响人群上呼吸道感染发病情况。(4)在上呼吸道感染与气象要素关联性分析及预测方法优选的基础上,基于RNN深度学习方法构建的两城市上呼吸道感染发病风险预测模型,可为当地相关疾病风险预测及防控提供重要科技支持。

西北地区气象干旱监测指数的研究和应用

为了更有效地监测西北地区干旱,综合西北地区广泛应用的Z指数方法和帕默尔气象干旱指数基本原理的优点,选取西北地区138个代表站1961—2000年40年逐月降水量资料,分东、西两片分别建立了西北地区东部和西部的单站气象干旱监测指数。在此基础上建立了区域干旱指数,确定了区域旱涝等级的划分标准。以计算得到的干旱指数与历史旱情记录进行了对比验证,并对计算结果做了进一步的统计分析。结果表明:干旱指数对西北地区旱情的反映符合历史实际;西北地区东部近几十年来干旱发生的次数和强度较西部更重;从长期演变趋势看,西北地区东部干旱发生频率呈现出上升的趋势,尤其是1990年代中期后上升趋势更为明显,而西北地区西部则呈现下降趋势;西北地区东部3、4、5、6月份的区域干旱均具有5～10年的周期,而西北地区西部区域干旱的周期性不明显。这些指数的建立,将为更好地开展西北地区的干旱监测、诊断业务提供气象意义明显且应用简便的气象干旱指数。

兰州市冬春两季PM10重度污染的气象条件分析研究

根据兰州市环境监测站2001年1月1日～2005年12月31日兰州市区空气质量日报和同期兰州气象观测资料,分析了兰州市区可吸入颗粒物(PM10)和PM10重度污染季节分布特征。结果显示:5年间兰州市共出现108dPM10重度污染,其中97d分别出现在春季(3～4月)和冬季(12～2月)。其日平均浓度变化在春季和冬季分别表现为"陡峰型"和"缓慢累积型"。春季造成PM10重度污染的原因是强沙尘暴东移向下游的兰州输送大量尘土,主要由"外源"造成,污染日前后气象要素变化剧烈。冬季PM10重度污染由于地面连续处于地面高压和均压场影响之中,加之冬季近地面有逆温层结,抑制了污染物的扩散,地面气象要素表现为水平风速小、能见度差。

厄尔尼诺事件对甘肃武威温度降水以及气象干旱影响分析

2023年甘肃武威发生了60 a一遇的高温干旱事件,造成巨大经济损失。为提高极端气候事件的预报预测精度并减轻其造成的损害,基于武威国家基本气象站1959—2023年逐日降水、气温和干旱实况资料,以及国家气候中心发布的ENSO(El Niño and Southern Oscillation,厄尔尼诺-南方涛动)事件记录,采用气候统计学方法分析厄尔尼诺事件对该地区干旱气候的影响。结果表明:在厄尔尼诺事件发生年,该区域倾向于出现全年气温偏高和夏秋季节降水偏少的现象,冬季降水则偏多,且春、夏、秋、冬季节均可能出现气候异常现象。此外,在这些年份中,中度到特重干旱的发生概率明显增加。在厄尔尼诺事件结束年,区域气候表现出四季气温偏高的特点,同时春季降水偏多,冬季降水偏少且极端天气事件发生概率上升。在厄尔尼诺事件结束的次年,约有25%的年份会发生拉尼娜事件,而50%的年份可能再次进入厄尔尼诺期,气候变化主要受当前气候事件的影响。研究还发现,在拉尼娜事件结束后立即进入厄尔尼诺期的年份,气候异常现象尤为显著,发生极端天气的概率增加。