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。

基于Copula函数的中国南方干旱风险特征研究

为了准确认识和分析与旱灾致灾因子危险性相关的干旱特征变量,利用中国南方96个气象站1961—2012年逐月降水资料,基于Clayton、Frank、Galambos、Gumbel以及Plackett Copula函数,建立了服从威布尔分布的干旱历时、服从对数正态分布的干旱严重程度两个相关特征变量的联合分布模型,择优使用Frank Copula函数计算了中国南方干旱条件概率与条件重现期,比较分析了该区域干旱事件第1、第2联合重现期的空间分布特征。研究表明,干旱严重程度(干旱历时)的条件概率分布随着干旱历时(干旱严重程度)阈值的增大而减小;干旱严重程度(干旱历时)的条件重现期与干旱历时(干旱严重程度)阈值成正比。当干旱历时阈值为6个月、干旱严重程度阈值为6时,中国南方整体存在较大的干旱风险,研究区整体第1"且"(干旱历时和干旱严重程度均超过给定阈值)联合重现期平均为4.8 a,第1"或"(干旱历时和干旱严重程度有一个超过给定阈值)联合重现期平均为2.6 a,第2"或"联合重现期平均为3.5 a。当干旱历时阈值为9个月、干旱严重程度阈值为13.5时,研究区整体第1"且"联合重现期平均为12.6 a,第1"或"联合重现期平均为4.7 a,第2"或"联合重现期平均为7.7 a。中国南方的干旱高风险的区域主要位于四川盆地、贵州东北部、广西北部、广东西部以及云南大部分地区;低风险的区域主要位于四川西北部,四川、云南、贵州三省交汇区以及广东中部地区。

干旱生态环境及水资源对全球气候变暖响应的研究进展

西北地区现代气候变化基本特征是冬暖夏干,采用脆弱度和影响指数方法定量评价了生态环境对全球气候变暖响应,重点阐述了西北现代气候变化对干旱生态环境和水资源这两个领域的影响.结果表明:由于现代气候变干变暖的自然和人为因素的共同作用,导致我国西北地区的黄土高原、黑河流域、石羊河流域、甘南高原和黄河首曲的地域生态环境有不断退化的趋势.气候变干使渭河上游、黄河上游(洮河和大夏河)以及黄土高原中部7条主要河流的径流量呈明显下降趋势,引起水资源短缺.

中国西北近50a来气温变化特征的进一步研究

利用国家气象信息中心最新整编的西北地区135站1960—2005年逐月资料,通过对该地区温度变化特征的分析,在前人研究成果的基础上,进一步揭示出了近50 a来西北地区气温变化的一些新特征:①西北地区的年和各季节均表现为一致的增温趋势,但陕西南部在夏季出现降温的趋势。冬季和秋季,从塔里木盆地西侧到河套地区,在35°—40°N的带状区域内是增温趋势最强的区域。西北区域整体年平均气温的变化幅度达0.37℃/10a,冬季增温可达0.56℃/10a。无论是年或四季平均的增温率,西北地区都比全国平均的要高。②西北地区冬季和年的平均气温在20世纪80年代中期以后开始表现为明显上升趋势;但春季、夏季和秋季均到了20世纪90年代中期以后,才开始出现气温明显上升的趋势。③西北地区年气温异常首先表现为全区一致的变化型,然后依次为南北相反变化型和陕南气温变化与其他地区不同的独特性。且整体一致型变化近50 a来呈加强态势,而陕南与西北其他地区气温非同步变化的趋势在逐渐缩小。④西北地区近50 a来年气温可分为南疆高原区、北疆区、西北东部区3个主要空间异常气候区。且从长期倾向来看,南疆高原区和北疆区有明显的上升变化倾向,西北东部区则表现为波动式的上升趋势。

陇东黄土高原塬区农业气象要素的变化特征

对1971—2000年陇东塬区气象资料分析表明,该区气温呈现出明显的线性上升趋势,且以冬季和春季增温为主。增温表现为平均气温、最高气温和最低气温同时上升。最高气温以季节转换时升幅最大,最低气温多数时间呈现上升趋势,且升温较最高气温显著。最高气温和最低气温均以12月上升最为显著。在气候变暖的趋势下,蒸发量显著增大,界限温度初日提前、终日推后,气温稳定通过0℃和10℃积温增加,无霜期延长,春秋土壤水分减少等。降水量、日照时数、太阳辐射和空气相对湿度等农业气象要素的整体变化不显著。认为气候变暖引起的多要素变化对农业的影响有利有弊,农业管理部门应根据当地气候变化特征,及时调整种植结构,优化种植模式,趋利避害,充分挖掘气候资源潜力,提高农业经济效益。

天水地区条锈病的发生与气象条件关系研究

利用1994～2006年天水市条锈病监测资料、天水市7县（区）气象站的常规观测资料和冬小麦生长发育期资料，用数理统计方法分析条锈病的发生发展特征及气象因子与冬小麦生长发育期的关系。结果表明：全球气候变暖使条锈病的越冬、越夏条件优越，自1994年以来发生面积呈线性增长，发病程度天水市东南部重于西北部。条锈病的爆发流行既受当时气象条件制约，又受周边地区条锈病发生发展趋势的影响。根据分析制作的条锈病预测预报模型，为条锈病的积极防治及科学决策生产提供了依据。

模拟增温和降水变化对半干旱区春小麦生长及产量的影响

为了探索和验证未来气候变化对半干旱区春小麦生产的影响,了解春小麦生长发育和产量对增温和降水变化协同响应的基本特征,利用开放式增温系统和水分控制装置,设置不同水分和温度梯度来模拟气候变化对半干旱区春小麦的影响。结果表明:正常和增加30%降水条件下,增温2.0℃使春小麦株高降低。在不增温和增温2.0℃条件下,增加30%降水使春小麦株高增加;正常和增加降水条件下,增温的叶面积指数比不增温的低。正常和增温条件下,水分对叶面积指数的影响规律性不是很明显;增温和增水协同条件下的株高、叶面积指数小于不增温和正常降水条件下的株高、叶面积指数;增温导致叶绿素含量降低,增温情况下增水会使叶绿素含量提高;正常和增加降水条件下,增温的干物质质量比不增温的低。正常和增温条件下,降水增多则有利于干物质质量的积累;营养生长阶段和生殖生长阶段,在正常和增加降水条件下,增温对叶的分配系数有负效应,增水为正效应。增温对茎的分配系数有正效应,增水为负效应。增温对穗的分配系数有负效应,增水为正效应;增加降水对春小麦的产量有正效应,而增温则不利于产量的提高,即便是在增加降水的情况下,增温还是对产量有不利的影响。研究结果为中国半干旱区春小麦对全球气候变化下的敏感性及适应性提供理论参考。

近100年来中东亚干旱区气候异常与海平面气压异常的关系

利用中东亚干旱区近100年(1901—2002年)降水、气温及北半球海平面气压的格点资料,分析了该干旱区冬季、夏季降水和气温与海平面气压分布形势的相关关系,同时对典型的降水和气温异常年份的海平面气压距平场进行了合成分析。结果表明:冬季西北太平洋海平面气压持续增强、阿拉伯海附近维持较高气压时,中东亚干旱区冬季降水偏多、气温偏高。前期春季海平面气压的变化对中东亚干旱区夏季降水有显著的影响,当春季阿留申低压和其南部的西太平洋副热带高压偏强时,中东亚干旱区夏季降水偏多;当春季西太平洋副热带高压位置附近的海平面气压偏高时,中东亚干旱区夏季气温偏低;前期春季海平面气压的异常对中东亚干旱区气候变化的显著影响,对气候预测有很好的指示意义。另外,中东亚干旱区冬季异常多雨、高温年份,海平面气压在中高纬度地区为负距平,在低纬度地区则为正距平。而冬季异常少雨、低温年份,气压场分布的主要特征则相反。在夏季异常多雨年,中东亚干旱区主要位于正的气压距平区,夏季异常少雨年则反之。夏季异常气温偏高年,正距平区主要分布在印度半岛北部,中东亚干旱区西部处于负距平区、东部处于弱的正距平区中。分析结果同时说明了中东亚干旱区易出现冬季多雨/高温(少雨/低温)和夏季多雨/低温(少雨/高温)的气候配置。

甘肃陇南冬小麦条锈病气象等级预测模型的建立与应用

甘肃陇南地区是中国小麦(Triticum aestivum)条锈病菌核心越夏区,其越夏菌量对中国中东部来年春季小麦条锈病发生发展程度影响很大。本研究利用陇南冬麦区14个代表站点1990-2007年的气象资料和条锈病资料,依病田率将气象条件划分为5个等级,采用逐步回归方法建立了小麦条锈病气象等级预测模型。经历史回代检验,预测模型误差达2个等级的占12%,完全准确的为25%;对于实际病害等级为1～2级的气象等级拟合误差达2个等级的为23%,其他都在1个等级之内,预测效果良好。

天水桃气候适宜性变化研究

桃是天水市特色水果之一,为探索气候变化对天水桃生产的影响,为当地特色水果可持续发展提供支持。运用甘肃省天水农业气象试验站2003—2010年桃物候观测资料及1971—2010年气象资料,建立桃生长发育的气候适宜性评价模式,分析该地区气候变化特征及气候变化对桃生长发育的影响。结果表明,1971—2010年天水市气温线性增加明显,降水量呈周期变化。桃综合气候适宜度较高(0.59),温度适宜度为0.73,水分适宜度为0.47。近年来,萌芽开花阶段温度适宜度呈线性增加趋势,水分适宜度呈降低趋势。温度、水分适宜度反相关显著。果实膨大阶段及果实成熟期,温度、水分适宜度均呈下降趋势。温度、水分适宜度变化比较一致。桃的后期生长环境条件变差趋势明显。水分适宜度明显低于温度适宜度,在建立桃园时应考虑关键生育时段的水分补充设施的建设。

气候变化背景下陇东塬区麦田土壤水分变化及生产特征研究

董志塬20世纪90年代以来增温最为显著,年增温线性趋势0.099 5℃/a,其中春季、冬季、夏季、秋季增温幅度和显著性依次减弱。年降水量以V抛物线形式变化,90年代中后期为明显的枯水期,以春季和秋季降水减少最为显著,1998年以来春季降水量以准2 a为周期,丰水年和枯水年交替出现。由于增温和降水量减少的共同影响,冬小麦春季重要生长阶段麦田土壤水分含量呈现出逐年减少,春旱逐年加重的趋势。早春耕作层土壤水分逐年减少的一致性比较好,春末夏初2 m土层含水量逐年减少的一致性比较好,其余时段土壤水分年际变化和降水量年际变化基本一致。尽管麦田不同时段土壤水分年际变化不同,但不同年型麦田土壤水分年内变化形式则基本一致,即以V抛物线形式显著变化,冬小麦成熟期的6月份土壤含水量降至最低,伏秋收墒期含水量又逐步回升,其中1998和1999年为特殊年型,土壤水分年内变化线性趋势明显。气候变化特征影响土壤水分盈亏,土壤水分盈亏又决定农业生产年景。分析显示,土壤水分盈亏基本与产量水平一致,水分年型基本与农业生产年景一致。

陇东地区越夏小麦条锈菌等级的气象预报

通过对陇东地区越夏小麦条锈菌等级与夏季气象要素相关分析得出,越夏小麦条锈菌等级与气温、降水、日照和空气相对湿度的关系密切。7月下旬和8月下旬的旬平均气温、7月中下旬和8月中旬降水之和、7月下旬和8月下旬日照、7月下旬和8月下旬相对湿度是影响越夏小麦条锈菌的关键因子,据此建立了越夏锈菌等级预报方程(p<0.01);利用此方程对陇东地区2006年和2007年越夏小麦条锈菌等级进行预报,结果与市植保站当年实际观测调查结果吻合,说明模型可用于预报服务。

天水地区干旱过程风险评估方法研究

为研究天水地区干旱变化特征并对其进行定量评估,本文采用天水地区7个气象站1965—2012年48年的气象观测资料,依据风险评估和正态分布等相关理论,首先确定了干旱过程综合评估指数;其次分析了天水地区干旱过程的变化特征;再次利用干旱过程综合评估指数序列对天水地区干旱过程强度风险评估等级进行划分,确定了明显干旱过程重现期评估指标;最后利用等级划分指标及重现期评估指标对2013年天水明显干旱过程进行了试评估。结果表明,该方法能科学、及时、有效的对天水干旱过程风险进行量化评估,对提高防灾减灾和决策气象服务的实效性具有一定的参考价值和意义。

甘肃陇东地区春耕春播关键期降水气候变化特征及生产对策研究分析

为了研究春耕春播关键期降水气候变化特征及生产对策,利用西峰气象站1952—2015年3月下旬—4月中旬降水量记录和西峰农业气象试验站1990—2015年玉米生育期观测资料,采用气候趋势系数、相关分析等方法,分析旱作区春耕春播土壤水分利用的适宜关键期3月下旬—4月中旬降水量逐年变化特征。结果表明:春耕春播适宜关键期3月下旬—4月中旬降水总量偏少的概率高达54.7%;4月上旬降水量偏少的概率大于3月下旬和4月中旬。为最大限度科学开发利用春季土壤解冻返浆水和3月下旬之前降水气候资源,旱作区在玉米等大秋作物适宜播种期的4月18—25日不适宜推广使用一次性完成施底肥覆膜与下种的复合型春播机械,应在3月下旬完成施底肥覆膜,避免播种前期的土壤水分蒸发损失。

增温和降水变化对旱作农田土壤细菌群落结构和功能的影响

设置对照(CK),增温(W),降水量增加(+P30),降水量减少(-P30),增温和降水量增加(W+P30)和增温和降水量减少(W-P30)6个处理,开展了增温和降水变化对旱作农田土壤细菌群落结构和功能影响的田间试验.采用宏基因组测序研究不同处理下土壤细菌群落的组成、多样性、网络结构和代谢功能特征.结果表明,W和W+P30处理显著增加了α变形菌纲的相对丰度,W+P30处理显著增加了绿弯菌门未定名属的相对丰度,W、+P30、W+P30和W-P30处理显著降低了放线菌门未定名属的相对丰度.+P30处理显著提高了Shannon指数、Simpson指数和Pielou指数,但W-P30处理显著降低了细菌的α多样性指数.增温、降水变化及其交互对细菌群落β多样性的影响存在显著差异.W、+P30、W+P30和W-P30处理的复杂性和连接性高于CK,但-P30处理的相关参数低于CK.W、-P30和W+P30处理增加了连接节点的数量,但+P30和W-P30处理没有增加连接节点的数量.W处理显著增加了循环系统的相对丰度,+P30处理显著降低了外源物质降解和代谢的相对丰度,-P30处理显著降低了排泄系统的相对丰度,W+P30处理显著降低了核苷酸代谢的相对丰度.增温、降水变化(降水量增加或减少)及其交互作用对小麦田土壤细菌群落结构和代谢功能有显著影响.

径流量Z指数与Palmer指数对河西干旱的监测

利用河西内陆河水文代表站1959—2004年逐月径流量资料、内陆河流域灌溉区1949—2001年耕地面积及代表站1961—2005年的气象资料,通过对径流量进行正态化处理来确定径流量Z指数,并以径流量Z指数作为径流干旱指数,对旱涝等级进行划分;考虑径流量Z指数的旱涝等级与农业灌溉用水实际情况之间的关系,给出了径流量Z指数的灌溉指标。将径流量转化为降水量,改进Palmer旱度模式,且在作改进后,又将潜在蒸散量的计算法由利用桑斯威特公式改为利用彭曼公式。结果表明:将径流量考虑到Palmer干旱指数中并改变蒸散量的算法,使得该指数对河西灌溉区干旱情况的监测均有所改善。对照河西地区的干旱事件,径流量Z指数监测到的干旱情况,比Palmer干旱指数改进前、后监测到的干旱情况效果更佳。径流量Z指数能更真实地反映河西灌溉区干旱状况。

模拟增温对半干旱雨养区春小麦物质生产与分配的影响

为了明确未来气候变化对半干旱区春小麦生产的影响,了解增温条件下春小麦不同生长阶段物质生产的响应特点以及光合产物在不同器官中的分配特征,利用开放式红外增温系统设置不同的温度梯度,即不增温(对照)、增温1和2℃,模拟田间增温对春小麦物质生产与分配的影响。结果表明:温度增加,春小麦发育加快,全生育期明显缩短,增温1和2℃,比对照分别缩短7和11 d;从各器官干物质生产来看,相对于对照,在增温1、2℃处理下,叶干物质质量在三叶期分别增加了11.23%和27.49%,在拔节期及其以后分别平均降低了20.12%和30.83%。茎干物质质量在拔节期及其以前分别平均增加了17.30%和30.30%,拔节期以后分别平均降低了13.19%和22.09%。根干物质质量在孕穗期及其以前分别平均增加了10.26%和23.30%,孕穗期以后分别平均降低了15.79%和26.05%。穗干物质质量分别平均降低16.43%和29.00%;增温处理下春小麦物质生产随时间的响应规律主要是由净同化率的变化所致;从各器官干物质分配来看,与对照相比,增温1、2℃处理下,春小麦叶和穗干物质质量占全株干物质质量的比例在整个生育期分别平均下降了8.32%、12.01%和0.56%、3.40%,且增温幅度越大,下降的越多。增温1、2℃处理下,茎和根干物质质量占全株干物质质量的比例在整个生育期分别平均增加了3.92%、6.25%和3.86%、8.71%,且增温幅度越大,增加的越多。结果为中国半干旱区春小麦对全球气候变化下的敏感性及适应性研究提供理论参考。

亚洲中部干旱区在20世纪两次暖期的表现

利用亚洲中部干旱区1901-2002年近100 a气温及北半球海平面气压、冬季西伯利亚高压强度指数、西风指数资料,分析了20世纪全球变暖的两个较明显时期在该干旱区的响应特征,以及大气环流变化和太阳活动对干旱区气温异常的影响.结果表明:亚洲中部干旱区对20世纪全球发生的两次暖期的响应特征是有显著差异的.对1920-1940年代全球发生的第一次暖期,亚洲中部干旱区整体并没有响应,仅在其东部的季风影响边缘区有响应;而对1970年代以后发生的第二次暖期,亚洲中部干旱区整体都作出了响应.冰岛低压的异常加深、同时北大西洋亚速尔高压的显著增强,西伯利亚高压强度指数的异常减弱,以及西风指数的异常增强是导致亚洲中部干旱区气温偏高的可能原因,可以初步解释研究区整体对20世纪全球两次暖期响应不同的原因.太阳活动作为外部影响因子之一,对干旱区气温的影响是阶段性的,且在百年时间尺度上,二者并没有显著的相关性.

气候变化对甘肃玛曲草原生态的影响

采用甘肃省玛曲县1967年至2005年的年降水、气温、大风、沙尘等气候资料和1997～2005年卫星数据资料（NOAA14-AVHRR和EOS—MODISD），分析了玛曲草原38年来的气候演变特征和近10年来的草地植被月及年与相同时相降水之间的关系。结果表明：玛曲在降水量减少、气温升高的气候条件下，大风沙尘天气却显著减少；秋季降水出现明显转型信号，从90年代中期转入连续增加；近10年中，草原植被1997～2001年逐年显著减少（除个别年份随年降水波动外），2000年最差，草原沙漠化占总面积的5％，退化面积高达45％；2001～2005年间牧草植被缓慢恢复，呈现不显著的增加趋势，增加的变幅总体小于减少的变幅。

黄土高原中部冬小麦生长对气候变暖和春季晚霜冻变化的响应

利用位于黄土高原中部的甘肃西峰试验田资料和当地平行气象观测资料,分析了春季气温、终霜冻和冬小麦生长发育对气候变暖的响应特征。结果表明:1981年以来,春季平均气温和平均最低气温分别以1.2℃/10a和1.1℃/10a的速率升高,5月的极端最低气温以1.2℃/10a的速率升高;1997年以来4月极端最低气温波动幅度增大,在气候变暖大背景下2001年和2006年出现了最小值,属于反常年份,冻害严重;终霜日期提前的气候趋势比较明显,速率为3.2d/10a,终霜日地面最低温度表现为波动变化,个别年份出现反常的重霜冻灾害;终霜冻过程的持续日数表现出阶段性增加规律,地面最低温度负积温在反常年份2005-2006年有增强变化;1981年以来冬小麦拔节期以4.5d/10a的速率极显著提前(P<0.01),1997年以来提前趋势更加明显,1997-2008年平均拔节期比1981-1996年提前9d。气候持续变暖,冬小麦拔节期提前的速率大于终霜日提前的速率,表明冬小麦春季拔节-孕穗期遭受终霜冻危害的气候风险在增大。