基于SPI的西北地区气候干湿变化

干旱是西北地区乃至全国主要的自然灾害之一。论文应用标准化降水指数(SPI)对西北地区近50 a来不同时段的特旱和重旱发生频次及其空间分布进行了计算分析,结果表明:标准化降水指数(SPI)作为一种干旱重建指标,适用于西北地区,也可以作为气候变化的监测指标;降水量的西增东减趋势与干旱频次的西部和东北减少、东南增加相对应,亦即气候变化在某种程度上缓解了新疆北部和青海西部的干旱,但加重了甘肃东南部和陕西中南部的干旱;与气候变化相对应,全西北地区干旱频次有总体下降的趋势,尽管干旱发生的地域持续在改变。     

多种干旱监测指标在黄河流域应用的比较

利用黄河流域(包括青海、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、山东、内蒙古中西部)145个气象站1961—2010年月降水、气温、蒸发资料,为探讨目前国内常用的干旱监测指标的区域适用性,对比分析了几种干旱监测指数在黄河流域的应用情况,这些指数包括综合气象干旱指数(CI)、标准化降水指数(SPI)、帕默尔干旱指数(PDSI)、降水距平百分率(Pa)和K干旱指数(K)。结果表明,近50 a来,5种干旱指数中,K和CI对干旱的监测结果与实际情况吻合得较好,其次分别为SPI、Pa和PDSI。就CI和K而言,CI监测结果过于偏轻,对研究区内一些较重的干旱过程有遗漏;K对干旱程度的判断在某些区域(如青海、内蒙古中西部)过于偏重,对河南的夏、秋季干旱过程有遗漏。总体来说,在黄河流域,K指数监测的干旱结果与实况最为吻合,使用K的监测结果能最接近地反映实际的干旱状况,但以下情况除外,对于河南的夏、秋季,内蒙古的冬季,建议采用CI的监测结果;内蒙古的夏季,K和CI的监测结果均比较适宜,可结合使用;山东的冬季,K和Pa的监测结果可结合使用;山东的夏季,建议采用Pa的监测结果;而对于青海省,各个季节均建议使用SPI的监测结果。     

基于SPI指数的1981—2010年内蒙古地区干旱时空分布特征

依据内蒙古地区47 个地面观测站1981—2010 年降水资料,采用标准化降水指数(SPI)作为干旱指标,分析了内蒙古地区年度和四季干旱发生的频率、干旱强度和站次比(发生干旱站数与总站数之比) 的演变特点。结果表明:年度、秋季和冬季干旱强度变化趋势不明显,春、夏季干旱强度呈显著上升的趋势;近30 a 来年尺度上干旱强度表现为轻度干旱,四季干旱强度以轻度干旱为主;年、季尺度上干旱发生的覆盖范围为局域性干旱和区域性干旱;内蒙古东北部呼伦贝尔盟是年度干旱、中旱、重旱与特旱发生频率最高地区,而西部阿拉善盟地区干旱、中旱、重旱和特旱发生的频率相对较低;从季节上来看,内蒙古全区春、冬季干旱(含中、重和特旱)发生频率较为一致,表现为西部及西南部地区干旱发生的频率较低,而东部、中部、北部地区干旱发生的频率相对较高。     

基于SPEI和SPI指数的青海省东部农业区春夏气象干旱特征的评估

青海省东部农业区是青海省重要的粮食生产基地,春夏干旱直接影响着该区农业的有序发展。论文选取青海省东部农业区13个气象站点1961-2014年平均月降水和气温数据,采用泰森多边形法、SPEI和SPI指数、R/S分析等方法对比评估了该区的春夏气象干旱演变特征。研究表明：1）近54 a SPEI和SPI指数显示青海省东部农业区干旱年际变化在2000年代前基本一致,2000年代后变化趋势发生变化;SPEI指数显示2000年代后春夏旱逐渐加重,SPI指数显示2000年代后春旱逐渐缓解该区干旱,气温是导致两者产生差异的主要原因。2）该区干旱面积覆盖率与干旱年际变化规律保持一致,两种指数主要在1990年代中期前后有所不同,1990年代中期后SPEI指数显示的春夏干旱覆盖面积要比SPI指数显示的广。3）SPEI和SPI指数在2000年代后春夏干旱频率呈相反趋势,SPEI指数显示的2000年代为干旱高频期,SPI指数为干旱低频期;两种指数均显示春旱高频区由西部转向东部地区,夏旱高频区由西北转向东南地区。4）根据干旱周期及R/S分析法,未来4~6 a该区春旱加重,北部地区为春旱高发区;未来18~22 a夏旱也有所加重,西部和东部地区为夏旱高发区。5）通过对比分析发现,SPEI指数在该区的适用性较好,能为该区干旱监测提供较为科学的理论依据。     

基于空间聚类的中国东北气候分区及其气象干旱时间变化特征

近50年来,中国东北地区干旱化趋势明显,越来越频繁的干旱事件对该区域人民的生产和生活造成了严重的影响。基于1961-2016年中国地面降水和气温月值0.5°×0.5°格点数据,利用空间系统聚类方法对中国东北进行气候分区,通过标准化降水指数探讨了中国东北各亚区气象干旱的时间演变规律,并结合小波功率谱和小波全谱分析了各亚区干旱的周期变化特征。结果表明：（1）空间上,可将东北地区分为8个气候亚区,即西辽河平原半干旱农牧区、吉辽东部山地湿润农林区、呼伦贝尔高原半干旱牧业区、东北中部半湿润—半干旱农牧区、黑吉东部山地湿润农林区、大兴安岭北部湿润林业区、呼伦贝尔—黑河湿润—半湿润农林区、三江平原湿润农业区;（2）不同亚区的干旱事件时间演变特征存在明显差异,但大致都经历了3个干旱时期：1960s后期、1970s中后期至1980s前期、1990s后期至2000s;2000-2010年间东北地区干旱发生频率和影响范围最大,尤其是中、西部;（3）不同亚区干旱变化主要存在11年和3~8年的显著周期,第一主周期差异明显。研究结果对于弄清楚中国东北各亚区特有的气候变化驱动因素、制定气候均质区域干旱监测计划和水资源的管理具有重要的现实意义。     

重庆市干旱强度时空分布规律研究

根据重庆市34个国家级气象站点1961～2016年的日降水量数据,基于重庆市干旱标准,提出重庆市季节性干旱强度指数及年干旱强度综合指数的新算法,并研究重庆市干旱强度的时空分布规律。结果表明,重庆市季节性干旱强度的区域差异大,渝东北夏旱、秋旱及冬旱严重,渝西部为春旱、夏旱的主要分布区,渝中部伏旱最严重;渝东北除春旱外的其他季节性干旱、渝东南的伏旱及秋旱、渝西的夏旱及伏旱和渝中部的伏旱,其季节性干旱强度指数极值均可达到特重旱标准。年干旱强度具有从渝西部向渝东南减小的分布规律,渝西部地区干旱强度最大,其次是渝中部地区和渝东北地区,渝东南地区干旱强度最小。重庆市季节性干旱强度的时间变化趋势不同,春旱及冬旱强度指数总体上呈减小趋势,伏旱和秋旱强度指数总体上呈增加趋势,夏旱强度指数和年干旱强度综合指数时间变化趋势的地区差异较大。近55年来重庆市年干旱强度综合指数变化具有显著的3 a、5 a和18 a的周期性变化和阶段性变化,Hurst指数预测未来短时间内年干旱强度综合指数将增强。     

“衡邵干旱走廊”历史降雨量时空特征及趋势分析

采用"衡邵干旱走廊"28个气象站点建站以来的逐月降水资料,基于泰森多边形法、面积加权法得到该地区年、季、月尺度降雨量,应用Mann-Kendall(M-K)非参数检验、GIS空间分析及Hurst指数等研究了降水的时空特征及趋势,结合降水距平百分率指标(P_a)揭示气候异常特征.结果表明:时间上,"衡邵干旱走廊"年际降水呈弱增加趋势,无突变特征;年内降水集中,春季和夏季多,秋季和冬季较少,除了春季,其余季节降水均有突变;各站点年降雨量变化有增有减,仅武冈显著下降,M-K检验表明,有8个站点存在突变点.年尺度P_a显示,"衡邵干旱走廊"1994、2002年为中涝,2011年为中旱,其余绝大部分为正常年,且各站点雨涝重于旱情;从季、月尺度P_a来看,夏、秋季节干旱特征明显,秋季干旱强度高于夏季,且"伏旱"严重.空间上,"衡邵干旱走廊"降水高值区主要位于四周地势较高地区,低值区主要分布于盆地范围内;北部、东部降水呈增加趋势,中部、西部以减少趋势为主.Hurst指数揭示,"衡邵干旱走廊"降水未来趋势持续性略高于反持续性.     

吉林省东部山区干旱时空特征

基于吉林省东部山区13个气象站点1958—2009年逐月降水量数据,采用标准化降水指数(SPI)作为干旱评价因子,对吉林省东部山区干旱程度及时空特征进行分析。在时间上,吉林省东部山区干旱具有持续性的特点,干旱出现的频率在增加。在空间上,发生轻旱的空间分布面积最广,安图县、和龙市、延吉市、龙井市、图们市、梅河口市、通化县和集安市的东南部这些地区轻旱、中旱、重旱的程度均较为严重。     

长江流域干旱时空变化特征及演变趋势

干旱通常被认为是我国最严重的自然灾害之一,其造成的经济损失十分巨大.长江流域作为典型的湿润-半湿润区,干湿交替明显,干旱事件时空分布特征较为复杂.为了深入认识和理解长江流域气象干旱现状及其特征,探究干旱事件发生规律,采用长江流域1951-2015年PDSI（Palmer drought severity index,帕尔默干旱指数,运用Mann-Kendall检验、EEMD（ensemble empirical mode decomposition,集合经验模分解）、REOF（rotation empirical orthogonal function,旋转经验正交函数分解）、森斜率估算等分析方法,探讨长江流域干旱面积时间变化特征、干湿情景时空分布特征以及变化趋势.结果表明:1951-2015年,长江流域发生季节性干旱的面积整体呈扩大趋势,2000年后该趋势有所减缓.流域内呈现6个明显的干湿空间分布型,2000年后流域的东南部呈变旱态势,整体而言,流域内"南涝北旱"特征十分明显.未来,长江流域整体有变湿的趋势,西北部更旱,东北部变湿,南部以及东南部PDSI上升趋势明显,有发生旱涝急转的可能.      

2000年以来内蒙古生长季旱情变化遥感监测及其影响因素分析

为探讨内蒙古旱情状况及其影响因素,利用MODIS 16 d合成的植被指数产品数据MOD13A2和8 d合成的地表温度产品数据MOD11A2构建Ts-NDVI特征空间,计算温度植被干旱指数（TVDI）,基于内蒙古2000—2017年生长季每16 d的TVDI分析了近18年来内蒙古生长季旱情时空分布特征,结合气温和降水资料初步探讨了旱情变化的影响因素。结果表明：（1）2000—2017年内蒙古生长季TVDI平均值为0.6,重旱和中旱所占面积最大,其中2007年、2010年为旱情最为严重的年份。内蒙古干旱空间分异明显,西南部以轻旱为主,中部地区以中旱为主,大兴安岭以西的呼伦贝尔草原等地旱情严重。（2）近18年内蒙古生长季干旱程度呈现轻微加重趋势,年际变化值θ_slope介于-0.07~0.7之间,阿鲁科尔沁旗东北部至霍林河一带旱情加重趋势最为严重,阿荣旗和扎兰屯等农业生产地区旱情有轻微加重趋势。（3）2017年内蒙古生长季以区域性和局域性干旱为主,6月和9月干旱最为严重,呼伦贝尔草原和鄂尔多斯高原西部干旱发生频率高且程度重。（4）内蒙古干旱影响因子分析结果表明,TVDI值与气温呈正相关、与降水和坡度呈负相关、与小于1300 m的高程呈正相关、与大于1300 m的高程呈负相关关系。内蒙古生长季TVDI与气温和降水偏相关分析结果表明,锡林郭勒盟苏尼特左旗北部、呼伦贝尔鄂伦春自治旗和呼伦贝尔草原等地旱情与气温正相关关系较为显著（P<0.01）,锡林郭勒盟东北部干旱情况与降水负相关关系较为显著（P<0.01）,其中,气温对旱情的影响强于降水。     

中国西北地区NPP变化及其对干旱的响应分析

为探究多年来中国西北地区NPP（植被净初级生产力）变化及其与干旱的关系,基于改进的MOD17A3数据,利用变化率分析、Mann-Kendall统计检验方法及GIS分析方法,对2000-2015年中国西北地区及其各省区NPP的地域分异规律及变化特征进行了研究;同时,利用PDSI（帕尔默干旱指数）与NPP数据实现了NPP对干旱的响应分析.结果表明:2000-2015年,中国西北地区NPP分布格局基本一致,整体上呈自西北向东南逐渐增加趋势,但各省区NPP的增幅不同,其中,以甘肃省的增幅最为明显,宁夏回族自治区和陕西省其次,青海省再次,新疆维吾尔自治区增幅最不明显.中国西北地区NPP增加区域主要分布于甘肃省、宁夏回族自治区南部及陕西省中北部,减少区域主要分布于新疆维吾尔自治区天山中段哈尔克山一带及陕西省中部.PDSI与NPP的相关性分析显示,中国西北地区81.71%区域的NPP与PDSI呈正相关;同时,NPP对PDSI变化响应结果显示,由于人为因素的影响,部分地区NPP与干旱程度变化呈现异向关系,说明人为因素开始成为中国西北地区NPP的重要影响因素.研究显示,2000-2015年中国西北地区NPP整体呈现增长态势,年增长速率约为0.59 g/m2,新疆维吾尔自治区天山中部及阿尔泰山一带NPP变化较为剧烈,多年NPP变化率均低于-20%;与此同时,干旱仍旧是制约中国西北地区NPP增长的主要因素.      

中国西北地区1961—2009年极端高温事件的演变特征

利用中国西北地区135个测站1961—2009年历年逐日地面最高气温和NCEP/NCAR资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall、子波分析、合成分析等方法,分析了近49 a西北地区高温事件的演变特征。结果表明:西北地区极端高温的高值区在新疆大部分地区、河西走廊西部、甘肃中北部、陇东南、宁夏北部和陕西,这些地方的高温阈值在30 ℃以上;区域年极端高温频率以1.8 d/10 a的速率显著增多,1970年代中期高温日数发生由少至多的转型,1994年有突变,高温频数有显著的3~5 a周期,目前仍处于高温频发阶段;极端最高气温介于22.5~47.8 ℃之间,最大值出现在吐鲁番盆地。4—10月皆可出现高温,但主要出现在6—8月,其中7月最多。6月高温频率增加最显著,其他月份增加不明显;高温越强,持续日数越长,高温频发的时段也是高温最强的时段。气候变暖导致极端高温事件增多,强度增强。从大气环流合成分析表明,乌山脊、巴尔喀什湖低槽和蒙古脊中高层位置稳定,大气为准正压状态,西北地区在蒙古高脊控制下,有利于形成大范围持续性高温天气。     

近14年西北地区甲醛柱浓度的时空变化研究

基于臭氧监测仪（OMI）卫星反演数据,对2005~2018年西北4省区域大气甲醛柱浓度数据进行提取及分析,探讨其时空变化特征及影响因素.结果表明：在时间变化上,14a甲醛柱浓度整体呈先上升后下降的波动变化趋势,夏秋季显著高于冬春季,且冬季均值略高于春季.在空间分布上,甲醛柱浓度自西向东、自北向南逐渐升高,高值区集中于陕西和甘肃东南部及青海西南部;低值区集中于宁夏、青海和甘肃的西北部;稳定性呈现出东部分散、西部集聚、差异显著的分布格局.影响甲醛柱浓度变化的因素包括自然和人为因素,自然因素中,甲醛柱浓度受地形影响显著,与风向、气温均呈现显著正相关;人为因素中,甲醛柱浓度与人口密度、地区生产总值、工业废气排放量及建筑房屋竣工面积均表现出正相关关系,与工业废气排放量的相关度最高.大气中甲醛分子与气溶胶粒子二者间呈显著正相关关系,这进一步说明甲醛浓度受到了诸多因素的综合影响,但气溶胶粒子、气温及工业废气的排放是主导因素.     

陕西省水资源供求指数和综合干旱指数及其时空分布

识别区域的干旱时空特征对于防旱抗旱具有重要指导意义。论文采用两种方法研究了陕西省干旱时空分布特征并比较了两种方法在应用中的优缺点：其一,考虑社会经济因素对干旱的影响,采用基于水资源供水和需水平衡的陕西省社会经济干旱指标（水资源供求指数）;其二,结合SPI、PDSI和SPEI的特点,运用模糊综合法建立了综合干旱指数。结果表明：陕西省干旱发生频率很高,南北多发生轻微干旱,中部多发生中重度干旱。陕西省干旱在空间上分布差异大,两种方法均表明咸阳、西安、渭南和铜川地区旱情最为严重。在水资源量存在巨大差异的地区,如商洛与榆林,仅用一种类型的干旱指标无法全面体现实际情况,两种方法的结论存在差异：综合干旱指数表明榆林干旱较重,但供求指数为轻旱;商洛供水可满足需水,但综合干旱指数为轻旱。气象干旱指数,在水资源短缺的地区或自然生态系统中,结果更贴近于实际;社会经济干旱指数——水资源供求指数,更适宜用于水资源极其丰富且供水能力强的地区。     

中国西北地区近47a日照时数的气候变化特征

利用中国西北地区135个测站1961—2007年1—12月日照时数资料,采用EOF、REOF、趋势分析、Mann-Kendall分析、相关分析等方法,分析了47 a来西北地区日照时数的时空分布特征及其变化规律。结果表明:西北地区的日照时数从东南向西北减少,甘青新交界区是西北地区日照的高值区。冬季日照最少,夏季最多,春季多于秋季。西北地区大部分地方日照时数显著减少,全区平均减少速率为19.92 h/10 a,1980年发生突变。新疆西南部和青海南部日照时灵敏有明显增多趋势,甘南—陇中—宁南—陇东—陕中日照时数不显著增多。将西北地区日照时数分为7个不同类型区域:即西北地区东部区、新疆中北部区、新疆西南区、海西北高原区、祁连山区、青南高原和河西走廊区。西北地区东部和新疆中北部的日照时数为单峰型,河西走廊、祁连山区、新疆西南部的日照时数呈双峰型分布,青海高原的日照时数呈三峰型分布。在气候变暖的背景下,西北地区相对湿度增加,云量增多,是造成大部分地方日照减少的主要原因。     

西北地区气候因素与北京市沙尘天气的关系研究

利用西北地区气象台站资料以及北京市沙尘天气资料,根据西北地区的气候状况对气候影响指数进行了一定的改进,分析了西北地区气候因素与北京市沙尘天气的关系.结果表明,在2001~2010年10年间,受全国沙尘天气过程的影响,北京市在2001、2002和2006年的沙尘天气日数均超过了30d,其中在2001年全年沙尘天气日数达到了39d;西北地区D指数年平均值的高值区位于盆地和沙漠地带,春季平均值最高,为2.0,冬季次之,为0.9,夏季为0.8,秋季最小,为0.59;在D指数与沙尘天气的相关性分析中,宁夏地区的相关性系数平均值为0.84,甘肃地区相关性系数为0.82,陕西为0.81,青海为0.78,新疆为0.74,内蒙古地区为0.72;西北和北路传输路径对北京市沙尘天气的影响更大,毛乌素沙漠与黄土高原交界地以及内蒙古浑善达克沙地附近地区气候影响指数与沙尘天气日数呈现显著正相关,相关性系数达0.9,该地区气候对于北京市沙尘天气的发生有较大的影响.     

基于信息扩散和模糊评价方法的四川盆地气候干旱综合评价

利用1961~2005年历史气象资料,以受旱天数、湿润度指数、标准化降水指数、温度距平、日照距平百分率等5个要素作为干旱评价指标,应用信息扩散方法建立了各单个评价指标的春、夏、伏旱旱情等级划分标准,采用模糊综合评价方法对1961~2006年四川盆地气候干旱进行评价,并给出了各市干旱出现的频率。结果表明:2006年四川盆地发生了严重的春旱、夏旱和特别严重的伏旱,盆区17个市均有伏旱发生,其中有13个市伏旱特别严重;伏旱期少雨天气平均为30年一遇,高温天气平均为60年一遇,约29%的台站的少雨和90%的台站的高温为50年以上一遇;春、夏旱主要出现在盆地西北部和盆地南部,约2.5年出现一次,伏旱则主要出现在盆地东部,约2年出现一次。     

基于标准化降水蒸散指数的陕西省近50 a干旱特征分析

基于陕西省18 个气象站点1961-2010 年实测气象资料,利用标准化降水蒸散指数(SPEI),通过计算各站历年逐月的SPEI 指数值,统计近50 a 各站点出现的干旱过程,分析了陕西省历年、历年各季及月尺度上的干旱发生频率、覆盖面积和干旱发生强度,揭示了陕西省干旱发生的时空和强度演变特征。研究结果表明,近50 a 来陕西省干旱发生频率呈明显的增长趋势,尤其是1990 年以来的近20 a;陕西省在年、春、夏、秋、冬及月尺度上均有干旱发生。其中,秋季干旱最为严重,春季次之。在年代际变化方面,全省以20 世纪90 年代干旱最为严重,2000 年以来的干旱次之;干旱出现既有全省性的大范围干旱,也有区域性的局部干旱,分布极不均匀,总体分布特征是北多南少;干旱发生强度分布呈现出关中最强、陕南次之、陕北最弱的特点。