干旱气候变化对甘肃省干旱灾害的影响及防旱减灾技术的研究

西北地区干旱气候变化的主要特征,表现在20世纪90年代夏季降水量有明显减少趋势,干旱化趋势主要发生在西北地区东部,干旱连年发生,尤其是甘肃省河东地区。干旱气候的产生带来了严重的干旱灾害,甘肃省90年代的干旱发生最为频繁,干旱灾情最为严重,1995年是干旱最严重的一年,成灾率达45%,其次是2000年,成灾率为35%,伏秋旱连春末初夏旱是造成夏粮严重减产的旱灾类型。干旱气候变化引发干旱化趋势非常明显,应采取综合的技术措施减轻干旱危害,要加强干旱气候与干旱灾害的监测预测和改善生态环境、优化农业结构、提高水资源利用率以及大力开发空中水资源等防御对策。

干旱气候灾害及甘肃省干旱气候灾害研究综述

甘肃省是最典型、最严重的干旱省份之一,干旱灾害是最主要的气象灾害。对干旱气候灾害做了界定,对1949年以来甘肃省干旱气候灾害的气象学研究状况做了综述,并对今后甘肃省干旱气候灾害研究工作进行了探讨。

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。

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。

中国西北地区降水量及极端干旱气候变化特征

采用1960—2011年西北地区111个观测站逐日气象资料,利用FAO Penman-Monteith模型,计算出各气象站的潜在蒸散量,由此计算出各站的湿润指数,并对其进行标准化,统计极端干旱发生频率。对西北全区和不同自然区的降水量及极端干旱发生频率的时空变化特征进行了探讨分析。结果表明:近52年来西北全区年降水量变化倾向率表现出微弱的上升趋势,平均每年上升0.17 mm。由该区年降水量变化的空间差异,可将研究区划分为3个部分:明显增加区、轻度增加区、减少区。西北全区极端干旱发生频率的平均值为3.8月/a,气候变化倾向率总体上表现出明显的下降趋势,平均每年下降0.011月。根据西北地区极端干旱发生频率变化的空间差异,也可将研究区划分为3个部分:明显减少区、轻度减少区、增加区。极端干旱发生频率与降水量和平均气温表现为显著的负相关性,与无雨总日数呈现出显著的正相关性。

干旱灾害对干旱气候变化的响应

通过分析中国北方50 a来的降水资料,结果表明:干旱气候变化的主要特征表现在20世纪90年代夏季降水量有明显的减少趋势,干旱化趋势主要发生在北方,主要包括河北、山西、山东和西北地区东部.西北地区西部降水有明显增多趋势,西北地区东部降水量持续偏少,干旱连年发生.干旱气候的产生带来了严重的干旱灾害,无论从全国或甘肃省的近50 a来干旱灾害可以看出,90年代的干旱发生最为频繁,干旱灾情最为严重,2000年是干旱最严重的一年.干旱气候变化引发干旱化趋势明显,其影响程度非常严重和深远,应重视和加强干旱气候与干旱灾害的监测预测和防御对策的研究.

黄土高原半干旱区气候变化对春小麦生长发育的影响——以甘肃定西为例

利用黄土高原半干旱区春小麦生长发育定位观测资料、加密观测和对应平行气象观测资料,分析气候变化对春小麦生长发育的影响,以及春小麦穗干重生长与气象条件的关系。结果表明,研究区域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率为-15.796 mm/10a。降水量存在3 a、6 a的年际周期变化。气温年际变化呈上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率为0.362℃/10a。作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,干燥指数变化曲线线性拟合倾向率为0.12/10a,20世纪90年代初至2009年明显趋于干旱化。春小麦播种到成熟约需110—130 d,期间≥0℃积温为1500—2000℃,降水量为150—200mm,日照时数为800—1300 h。春小麦在播种后38 d开始,穗干重由缓慢生长转为迅速生长阶段;在播种后50 d,穗干重生长速度最大;播种后63 d开始,穗干重生长从迅速生长又转为缓慢生长。对春小麦生长发育全生育期而言,受气候变暖的影响,乳熟—成熟期每10 a缩短2—3 d、全生育期每10 a缩短4—5 d。气温对春小麦产量形成除出苗期和成熟期外,其余为负效应,孕穗期对气温变化十分敏感;降水量的影响函数同热量的影响函数呈反相位分布,除出苗期和成熟期降水量为负效应外,其余时段降水量对春小麦产量形成均为正效应,春小麦拔节—抽穗期对降水量变化十分敏感。

陇中半干旱区霜冻变化特征及其预报

为了有效减少霜冻灾害对农业生产的影响,基于1971—2020年陇中半干旱区气象观测资料,分析当地霜冻变化特征,并建立其预报方程。结果表明:该区域秋霜冻平均初日为10月4日,春霜冻平均终日为5月5日;秋霜冻初日显著推迟,全年平均无霜期显著延长,无霜期气候倾向率为3.94 d/10 a;霜冻初、终日及无霜期的波动幅度增大;研究区大范围的区域性霜冻大部分属于平流+辐射霜冻。在建立和完善霜冻防灾减灾管理机制,进一步提高监测、预报预警能力的基础上,建议采用传统防霜冻手段和现代防霜技术相结合,开展霜冻灾害综合防治,以减轻灾害损失。

甘肃气象灾害与气候变化问题的初步研究

根据气象资料和社会经济资料,分析了甘肃省气象灾害特征及其对甘肃社会经济的影响,揭示了近50 a年甘肃气候变化的客观事实,探讨了在气候变暖背景下甘肃自然生态系统的变化。针对甘肃社会经济可持续发展中的气象与生态问题,提出了适应对策。

甘肃省小麦干旱灾害风险评估及区划研究

利用1980-2016年甘肃省84个县(区)的小麦产量资料,分析平均减产率、减产率概率系数、减产率变异系数构建的综合干旱灾害风险指数,根据综合干旱灾害风险指数来评估甘肃省各市小麦单产干旱灾害风险。结果表明:河西地区干旱发生频率高,属于灌溉农业,变异系数较大,其东部地区平均减产率高,风险概率大,属于高等风险区,河西地区的西部和中部分别属于低等和中等风险区;陇中地区干旱发生频率高,属于雨养农业,变异系数小,而平均减产率和风险概率较高,大部分属于中等风险区;陇东地区干旱发生频率较低,变异系数低,平均减产率和风险概率较高,属于中等风险区;陇南和甘南地区干旱发生频率较高,平均减产率和风险概率均较低,属于低等风险区。甘肃省小麦风险区划可为风险预算及防灾减灾提供科学依据。

RCPs情景下中国北方地区干旱气候变化特征

利用水平分辨率为50 km×50 km的区域气候模式RegCM4,单向嵌套BCC_CSM1.1全球气候系统模式输出结果,以中国西北东部到华北地区为研究区域,对该区域的气候特征以及干旱趋势进行了预估。结果表明:(1)RegCM4模式对研究区域气温和降水的模拟能力可信度较高,能较好地模拟它们的空间分布特征及时间变化趋势,但由于模式存在一些系统性误差,因此部分区域模拟结果比实际略偏高。(2)2041—2050年相较于2006—2010年来讲,RCP4.5情景下研究区域气温将增加1.0℃左右,RCP8.5情景下增加约1.4℃;两种情景下研究区域降水表现为波动变化,一致性趋势不明显,但2041年以后均进入降水减少期。(3)总体来讲,两种情景下2041-2050年研究区域均可能出现较明显的干旱;RCP4.5情景下,夏、秋季2041—2050年干旱情况比前期严重,其中秋季从2042年开始,SPI值普遍偏低,有可能出现连旱现象;RCP8.5情景下,夏季干旱总体呈增加趋势,秋季则呈波动减少趋势,但2045年以后秋季又转为较干期。

甘肃省气候暖干化与农业干旱灾害的联系

基于甘肃省59站的1961～2008年月平均气温和月降水量资料,计算了陆面蒸散量、干燥度及线性变化率,揭示了甘肃省气候暖干化的事实,分析了暖干化及与农业干旱灾害的联系。结果指出:甘肃近48a气温呈上升趋势,降水量呈减少趋势,干燥度呈增大趋势,气候暖干化趋势明显;气候暖干化导致了干旱灾害频繁发生,是农业受旱灾面积扩大,粮食减产的主要原因。

天水市干旱气候变化特征及粮食作物结构调整

分析了天水市1960—2005年干旱气候特征,包括温度、降水等气候因子及土壤水分、干旱频次等变化特点。结果表明,20世纪90年代为近46a来降水的最低值,进入21世纪后,降水变率明显增大。气温自20世纪60年代总体呈上升趋势,特别是90年代以来上升趋势明显,土壤蒸散发加大。20世纪90年代土壤含水量最少,水分亏缺最为严重,春旱、初夏旱、伏旱出现几率最多。根据46a来干旱气候变化特点及其对主要粮食作物生长的影响,引进影响系数,对主要夏、秋粮作物种植风险程度进行评估,并运用线性风险决策模式,提出适应干旱气候特点的当地主要粮食作物种植比例调整方案。

气候变化对半干旱地区作物微量元素利用率影响研究进展

气候变化对世界粮食增产和食品安全构成了威胁,尤其在半干旱地区。在此背景下,作物微量元素营养问题,及其在旱地土壤改良、粮食和食品安全方面的重要作用受到高度关注。本文分析了微量元素在粮食生产和食品安全上的重要地位,归纳了气候变化对作物微量元素利用影响的主要方面,初步梳理了半干旱地区开展相关研究的主要问题和方向,加深了对半干旱地区作物营养响应气候变化问题的理解。

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。

干旱地区藜麦的耐旱机理及种植适宜性研究——以甘肃省永昌县为例

为了研究藜麦耐旱机理、需水规律,以及在干旱地区种植的适宜性,以‘陇藜1号’为试验材料,通过大田试验和数理统计方法测得:藜麦全生育期天数为142 d,单产达2895.3 kg/hm^(2),藜麦籽粒与茎杆比为1:0.99,单次灌溉量为450 m3/hm^(2)。结果表明:呈网状分布的发达根系、叶脉致密、角质层厚、茎杆粗壮、木质中空、表皮较厚、韧性很强、具有纤维状导管等生理结构特征使藜麦具有良好的耐旱特性。分枝期、现穗期、开花期分别是藜麦发育的关键阶段,也是需水的关键时期。综合地理、气候、土壤、灌溉等条件,藜麦在永昌表现出良好的适宜性。采用覆膜+膜下滴灌方式进行藜麦种植,具有节水、节本、抗旱、增效等多重效果,可以提高水分利用效率,适合在西北干旱地区进一步推广。

中国北方干旱多发带极端春夏连旱的主要影响因子特征

在全球变暖背景下,天气气候事件表现出的极端性愈加明显,由此造成的各种气象灾害对社会和经济的危害程度进一步加大。在中国北方干旱多发带(Northern Drought-prone Belt,NDPB),极端干旱事件发生的次数更为频繁、强度更为剧烈、范围更为广阔。本文利用气象干旱综合指数、站点的降水和近地面气温、再分析资料以及海表温度、积雪范围、海冰密集度资料,通过统计分析和合成分析方法揭示了NDPB极端春夏连旱事件的主要影响因子特征。研究表明,主要环流因子表现为:3月自巴芬湾东传的波列,5月从哈德逊湾南部到贝加尔湖以东“正-负-正-负-正-负”的位势高度异常,6月60°N附近东传的波列、丝路波列以及偏东偏弱的西太平洋副热带高压;主要的外强迫因子表现为:拉尼娜向厄尔尼诺的位相转变及印度洋海盆和北大西洋中部偏暖的海温异常,欧亚大陆中高纬和北美大陆40°N-60°N之间明显偏小、青藏高原前期偏大后期偏小的积雪范围异常,以及巴芬湾和戴维斯海峡附近偏少而格陵兰海附近偏多、从巴伦支海到喀拉海呈现“正-负-正”分布的海冰密集度异常。

气候变化对半干旱雨养农业区春小麦生长的影响

利用甘肃省定西农业气象观测站1986—2004年的观测资料,就气候变化对黄土高原半干旱雨养农业区春小麦生长的影响进行了初步探讨。结果表明,近19年来该地区气候变化呈现暖干化趋势,春小麦对气候变化的响应表现在生长季提前、生长期缩短、产量下降。相关分析也显示,降水量对春小麦生长的影响程度要高于温度。在春小麦整个生长发育过程中,其阶段生长和产量对气候变化的响应不完全一致:气候变化使该地区春小麦出苗期、拔节期、抽穗期和成熟期的出现时间均提前,而乳熟期出现时间推迟,导致播种—出苗期的营养生长阶段缩短、出苗—拔节期的营养生长阶段延长、拔节—抽穗期的生殖生长阶段缩短,抽穗—乳熟期的生殖生长阶段延长,乳熟—成熟期的生殖生长阶段缩短,最终造成全生长期缩短。出苗—拔节期、抽穗—乳熟期降水量减少对春小麦产量下降有显著的正效应(P<0.05),拔节—抽穗期的增温对产量有极显著的负影响(P<0.01)。预计随着未来全球气候进一步的变暖和半干旱区降水量的减少,将会更加严重影响春小麦的生长发育。

近50年来西北半干旱区气候变化特征

选用西北半干旱区33个气象站1951-2004年温度、降水、相对湿度、风速、蒸发量等气象观测资料,分析主要气候要素变化规律,揭示了近50年来西北半干旱区气候变化的一些新特征。结果表明,西北半干旱区降水量近50年来年际变化趋势除个别地方外绝大多数地区呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率在-59.168～-1.143 mm/10 a之间,秋季降水量减少最多,春季次之,而夏季部分地区和冬季大部分地区降水量呈略增趋势。降水量存在3年、6～8年的周期振荡特征,3年周期振荡在1962-1966年为中心的局部时段内最强,之后逐渐减弱。6～8年振荡在1980-1985年为中心的局部时段内最强。气温距平呈上升趋势,气温距平变化曲线线性拟合倾向率在0.074～0.507℃/10 a之间,大部分地区呈先降后升型,转型时间为20世纪60年代后期至70年代前期。冬季气温增高最多,秋季、春季次之,夏季陕、甘、宁交界区及陇中地区气温增高而其余地区气温距平略呈下降趋势。相对湿度近50年来年呈波动变化。平均风速近50年来年际变化趋势除个别地方略增外,其余各地均呈下降趋势。蒸发量近50年来年际变化趋势除个别地方呈上升趋势外,其余各地蒸发量呈下降趋势。