基于多源数据的干旱监测指数对比研究——以西南地区为例

干旱作为一种时常发生的自然灾害,影响范围广,对农业和粮食安全、人类生活等有深远影响。目前常用的干旱监测指数,都有各自的优缺点,无法适用于所有类型的干旱。论文利用基于气象要素驱动数据集的SPI(Standardized Precipitation Index)、基于MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)的ESI(Evaporative Stress Index)、ETI(Evapotranspiration Index)和基于GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)观测数据的水储量变化TWSC(Terrestrial Water Storage Changes),对西南地区2005—2014年间的干旱情况进行分析,对比了几种不同数据源下的干旱监测指标的监测效果。结果表明:1)4种干旱监测指标对西南地区的干旱都较为敏感,其中6个月尺度的SPI(即SPI-6)与3个月尺度的ESI(即ESI-3)相关性相对最强(R2=0.431,P0.01);2)基于GRACE的水储量变化受全局性大干旱的影响较大,且秋冬比夏天的影响大;3)SPI-6、ESI-3、ETI-3能够较为准确地监测出干旱的空间分布及干旱过程中重心的移动,ETI-3在2009—2010年的干旱中有明显滞后,SPI-6则在干旱末期夸大干旱严重程度。     

土地利用变化对区域水—能源—粮食系统耦合协调度的影响——以京津冀城市群为研究对象

将土地因素引入水—能源—粮食系统,运用耦合协调模型对京津冀城市群2005— 2018年水—能源—粮食—土地系统的时空变化特征进行研究。结果表明：（1）从空间尺度上来看,京津冀城市群建设用地由中心向四周扩散;从京津冀城市群土地利用格局来看,耕地和建设用地面积分别呈现较为明显的下降和增长趋势。（2）将土地纳入水—能源—粮食系统降低了京津冀城市群大多数城市水—能源—粮食系统间的耦合度和耦合协调度。（3）土地与水—能源—粮食子系统组成的两要素系统的协调水平会进行叠加或抵消进而影响水—能源—粮食—土地系统耦合协调度。本文的研究启示在于：京津冀城市群在考虑水、能源、粮食协调发展的同时,应考虑土地对水—能源—粮食系统整体及内部子系统的影响,根据城市自身资源优势合理配置资源、优化产业布局以实现可持续发展。     

三峡库区“耕—果”转换时空变化特征及其启示——以草堂溪流域为例

三峡库区坡耕地如何实现功能转型,及其转型过程的作用机制对库区未来的粮食安全、生态安全等问题意义重大。本文利用0.51 m高清遥感影像数据,以草堂溪流域为研究区,结合野外实地考察,通过分析坡耕地向经果林的农地用途转换过程来揭示三峡库区坡耕地功能转型的内在机制。研究表明：（1）草堂溪流域的耕—果转换重心在2012年后,以高程800 m为拐点由西南部低海拔平坝地区向东北部高海拔、坡耕地覆盖地区转移,变化发生点均在坡度 15°~30°范围内;（2）研究区耕—果转换的集聚特征一般发生在8.5 km左右的特征尺度上,且空间分布随时间推移愈发均匀;（3）耕—果转换现象与人为活动关系密切,多发生在河流、道路及农村居民点附近;（4）耕—果转换可在微观与宏观尺度上总结为六种变化模式,受社会经济与自然因素驱动,库区耕—果转换的本质为坡耕地功能转型,且转型重点倾向于经济效益与生态效益的共赢。     

资源承载力监测——以西藏“一江两河”地区为例

对自然资源的无序开发和对生态系统的破坏制约了我国的可持续发展。资源承载力是描述地区发展受自然资源限制的重要工具,也是衡量区域可持续发展的重要依据。基于西藏“一江两河”地区县级统计数据,定量计算水、土和生态等资源承载力,并根据定量评价结果构建资源承载力监测体系并应用于“一江两河”地区。研究结果表明:（1）“一江两河”地区人粮关系趋于紧张,部分地区人口—粮食—土地矛盾突出,76.5%的县土地资源承载力下降,83.3%的县土地资源承载指数增长;“一江两河”地区各县（市、区）水资源承载力远大于实际人口,承载指数均小于0.05,但77.8%的县水资源承载力下降,县域承载指数均增长;各县生态承载力增长,承载指数下降,部分县处于生态赤字状态。（2）“一江两河”地区资源承载力的主要制约因素由生态承载力转变为土地资源承载力。2000—2015年,在“一江两河”地区资源承载力处于临界超载或超载的县中,对资源承载状态影响最大的资源承载力由生态承载力逐步转变为土地资源承载力。（3）“一江两河”地区资源承载力等级逐渐提升,可能带来的危害或负面影响程度降低。2000—2015年,资源承载力为三级（中度负载）及以下等级的县由15个（83.3%）降至3个（16.7%）。资源承载力长效监测机制的建立有助于明晰资源开发利用现状,科学利用区域自然资源,促进地区生态保护和可持续发展。     

农业生产何以存在低碳效率幻觉?——来自1997—2016年31个省份面板数据的证据

利用1997—2016年中国31个省份的面板数据,测算基于农业污染物影子价格的农业低碳效率,探讨各省份农业低碳效率幻觉存在与否的问题,并在此基础上分析农业低碳效率幻觉程度的影响因素。结果表明：（1）1997—2016年,中国农业低碳效率均值呈先下降后上升的总体趋势,且“东—中—西”梯度递减的态势明显。（2）总体上,存在农业低碳效率幻觉的省份数量呈先增后减趋势;分区域看,东部和中部存在农业低碳效率幻觉的省份数量逐渐减少,而西部地区则不断增加。（3）农业经济发展水平、农业生产节能技术水平、农业发展重视程度、农业产业结构对农业低碳效率幻觉程度具有负向影响,而农业规模化水平、农业受灾率和农业人力资本的影响效应为正。     

农业干旱与气象干旱关联性——以淮河蚌埠闸以上地区为例

基于淮河蚌埠闸以上地区60个站点1961—2015年气象数据,计算作物水分亏缺指数（Crop Water Deficit Index,CWDI）与相对湿润度指数（Relative Moisture Index,M）,以冬小麦干旱作为农业干旱的代表,分析生育期内冬小麦干旱与气象干旱时空特征,并通过游程理论识别30场主要干旱事件的历时、烈度及重现期频率,展开农业干旱与气象干旱关联性研究,结果表明：（1）时间上,冬小麦生育期内农业干旱旱情年占比均高于气象干旱,年际差最多年份均发生在冬前生长期;（2）空间上,全生育期和各个生育期内的冬小麦干旱和气象干旱呈纬向分布,由南至北旱情逐渐加重,冬小麦干旱75%以上中旱占比发生在越冬期至灌浆成熟期,气象干旱仅在越冬期出现;（3）冬小麦干旱相较气象干旱存在延时,且烈度大于气象干旱,平均历时分别为18.8旬和17.3旬,平均烈度分别为12.2和9.9;（4）气象干旱历时达到1.28旬或干旱烈度达到3.35时,便会引发冬小麦干旱,且冬小麦干旱历时、烈度重现期频率大于气象干旱,农业干旱较气象干旱持续周期更长、频率及强度更大,气象干旱加剧农业干旱旱情。     

基于“情境—结构—行为—结果”分析的上海市低效工业用地减量化治理

探索低效工业用地减量化治理对优化土地资源利用格局、促进产业升级和城市高质量发展具有重要意义。在分析低效工业用地治理复杂系统特征的基础上,建构“情境—结构—行为—结果”分析框架,以超大城市上海市为例,采用扎根分析方法,揭示减量化过程和运行机理。结果显示：（1）低效工业用地减量化具有规划限制性、公共利益性和乡村嵌入性特征,由外部环境、用地效益、主体角色和减量化治理共同构成“外缘—内核”式的复杂适应系统。（2）建设用地“天花板”刚性约束下的宏观资源—环境—发展压力与微观用地效益是减量化的外部情境;内源性主体治理能力不足与外源性主体基于公共利益主动介入共同构成基于价值共享的治理结构;刚性政策、激励政策和支持政策形成了“三元互补”系统推动了集体行动;结果则呈现出城市高质量发展与资源再配置的协调,而平衡生态保护与经济发展、解决减量化短期压力将成为持续开展减量化的重点与难点。研究结果可为长三角其他城市开展低效工业用地治理提供经验和案例的借鉴。     

乡村文化记忆资源的“文—旅”协同评价模型与应用——以苏州金庭镇为例

乡村文化记忆资源是乡村“文—旅”协同的链接点。基于文化记忆理论从文化信息层、物质载体层与社会行为层解析其内涵和协同框架,构建“文—旅”空间协调度、文化记忆连续性和旅游市场认同度的协同评价模型,以苏州金庭镇为例进行实证分析。结果表明:（1）时间格局上,旅游景点与生活生产类空间关联性不断提升,与功能象征类空间依赖减弱,与社会表征类和精神意识类空间关系有所降低但维持高度耦合水平。（2）空间格局上,与生活生产类空间呈极核带状格局,与其余三类空间呈现一核多极格局。（3）旅游景点与生活生产类空间协同关系从“文—旅”空间协调度、文化记忆连续性转向旅游市场认同度为主导,其余空间以“文—旅”空间协调度为主导。（4）影响协同关系的机制包括记忆延续与文化交融、空间优化与旅游融合和社会支持与政策保障等。研究结论可为乡村旅游地的文化振兴和文旅融合提供理论指导和应用模式。     

2000—2015年江汉平原农田生态系统NPP时空变化特征

基于MODIS数据和VPM（Vegetation Photosynthesis Model）模型估算2000—2015年江汉平原农田NPP,利用空间自相关和Sen趋势分析方法,分析16年间江汉平原农田NPP的时空变化特征及其影响因素。结果表明：（1）江汉平原农田年均NPP在2000—2005年呈上升趋势,2005—2009年呈波动性下降趋势,2009—2015年呈上升趋势;农田年NPP总量在2000—2015年整体上趋于平稳。（2）高中低产田面积占比分别为66.03%、27.04%和6.93%。2000—2015年NPP具有很强的空间聚集性且呈逐年增强趋势,并随空间距离增加聚集性减弱;江汉平原NPP主要呈高—高聚集和低—低聚集特征。（3）江汉平原农田NPP显著上升、无显著变化和显著下降区域面积分别占1.30%、69.50%和29.20%。     

基于“乡土—生态”系统韧性的红色旅游资源利用空间格局优化研究——以大别山革命老区为例

红色旅游资源利用与开发将对旅游地的人地关系地域系统产生强烈扰动,基于“乡土—生态”系统韧性水平厘定红色旅游资源利用空间格局,有利于推动红色旅游资源开发与区域可持续发展共促共赢。以大别山革命老区为例,从经济、社会、文化、生态四方面构建红色旅游地“乡土—生态”系统韧性水平评价体系,并对红色旅游资源的空间特征与类型进行识别。研究结果为：（1）各县域“乡土—生态”系统韧性以中低水平为主,呈“中部高、四周低”的空间分布特征。（2）区域内各子系统韧性处于勉强协调状态,县级行政单元的协调度呈现中等水平多、较高与较低水平少的“橄榄型”等级结构。（3）红色旅游资源的冷、热点区分别位于大别山南北两侧及中心地带,呈现出“大集聚、小分散”的特征,根据其规模、影响力划为五种聚类分区。（4）依据“乡土—生态”系统韧性在红色旅游资源高富集区可通过内部要素重构向更高水平发展、在中低密度区因吸纳和适应外界扰动力较弱而与红色旅游资源开发相互抑制这一特征,初步厘定“三区、两带、三核心”的红色旅游资源利用空间格局,并针对不同区域从“乡土—生态”系统韧性视角下提出差异化建议,以期排除红色旅游资源开发对“乡土—生态”系统产生的干扰。     

1960—2013年北京旱涝变化特征及其影响因素分析

基于1960—2013年北京及其周边34个气象站点逐日降水数据,利用标准化降水指数(SPI),辅以小波分析、滑动平均和相关分析等气候诊断方法,论文分析了近54 a北京旱涝变化特征,探讨了城市化和大气环流异常与旱涝变化的关系。结果表明:1近54 a北京轻微旱涝事件呈减少趋势,极端旱涝事件逐渐增多;2在年代变化上,20世纪60—80年代SPI值呈稳定波动,80年代中后期SPI值呈下降趋势,涝灾逐渐减少,旱灾逐渐增多,1999—2008年形成10 a连旱的降水偏少期;3快速城市化对北京旱涝变化影响明显,但是并未改变旱涝宏观变化趋势;4 ENSO与北京旱涝变化关系存在不稳定性,El Nio事件并非严格对应旱灾,La Nia事件并非严格对应涝灾;副热带高压位置和东亚夏季风强弱与北京旱涝变化关系相对稳定。当副热带高压明显北移、东亚夏季风偏强时,北京多发生干旱;反之,则北京明显偏涝。     

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。     

西南地区旱涝特征及其趋势预测

应用Z指数和标准化降水指数SPI,结合REOF方法和Hurst 指数对西南地区旱涝等级及其时空分布规律、演变趋势进行分析和预测,结果表明:SPI 和Z指数的计算结果和现实情况较一致,从多年平均值来看,云南的中甸及四川的石渠、德格等地干旱指数处于低值区,属重旱区。贵州和广西及云南南部部分地区属易涝区。逐年的SPI 和Z指数结果大体一致,2000 年以后,干旱指数波动较大。通过REOF分析,Z指数的分布大致分为川西区、川东(包括渝)区、云贵(包括广西北部)区、广南四个区域。云贵区Z指数总体呈下降趋势,涝情呈减弱趋势;川西区在1964 年至1973 年间干旱严重,1995 年以后变化相对稳定,但干旱也时有发生;川东区旱涝变化不显著。经Hurst 指数分析,西南五省市未来的旱涝情况大致为干旱程度呈逐步加大的态势,洪涝程度呈较弱的逐步减小态势。     

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。     

石漠化地区植被对干旱敏感性的遥感观测

西南石漠化地区是国家重点治理的生态脆弱区域,该区尽管年降雨量大,但由于独特的水文特征,植被也常因缺水生长受到抑制。本文利用2000至2004年中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)250 m归一化植被指数(NDVI)作为植被生长的指标参数,分析了石漠化地区植被对春旱、夏旱的敏感性。结果表明:干旱发生后,石漠化地区NDVI降低明显,而非石漠化地区植被受到的影响很小。春旱发生后,生长初期NDVI比其它年份减少约12%,生长期开始的时间与春季降雨量有重要关系;夏旱发生后,生长后期NDVI减小约16%,但夏旱对植被的影响具有一个月的滞后。这说明石漠化使生态系统抗旱能力减弱,更易受气候波动的影响。     

Artificial neural networks models for predicting effective drought index: Factoring effects of rainfall variability

Though most factors that trigger droughts cannot be prevented, accurate, relevant and timely forecasts can be used to mitigate their impacts. Drought forecasts must define the droughts severity, onset, cessation, duration and spatial distribution. Given the high probability of droughts occurrence in Kenya, her heavy reliance on rain-fed agriculture and lack of effective drought mitigation strategies, the country is highly vulnerable to impacts of droughts. Current drought forecasting approaches used in Kenya are not able to provide short and long term forecasts and they fall short of providing the severity of the drought. In this paper, a combination of Artificial Neural Networks and Effective Drought Index is presented as a potential candidate for addressing these drawbacks. This is demonstrated using forecasting models that were built using weather data for thirty years for four weather stations (representing 3 agro-ecological zones) in Kenya. Experiments varying various input/output combinations were carried out and drought forecasting network models were implemented in Matrix Laboratory’s (MATLAB) Neural Network Toolbox. The models incorporate forecasted rainfall values in order to mitigate for unexpected extreme climate variations. With accuracies as high as 98 %, the solution is a great enhancement to the solutions currently in use in Kenya.     

长江中下游地区气象干旱特征

长江中下游地区是中国重要的粮食生产基地,在当前全球气候变化的背景下,旱灾将直接影响该区域人民的生产生活和国家粮食安全。基于标准化降水指数（SPI）,采用1961-2015年的中国地面降水月值0.5°×0.5°格点数据集,通过游程理论定义气象干旱事件,并获取了描述干旱事件特征的三个变量：干旱历时、干旱烈度和烈度峰值。指数函数和伽马函数分别用来拟合干旱历时和干旱烈度的边缘分布,Clayton Copula函数用来构建干旱历时和干旱烈度的联合分布。在此基础上,分别用常规单变量和基于Copula双变量的频率分析方法探讨55年来长江中下游地区干旱事件在不同时间尺度下的空间特征。结果表明：（1）不同时间尺度下,长江中下游地区的干旱特征空间格局存在一定的差异,最严重的干旱主要发生在长江下游地区; （2）不同时间尺度的干旱历时和干旱烈度均呈正相关,即较严重的干旱事件通常持续更长的时间;（3）鄱阳湖流域和长江干流下游的北部干旱风险较高,而陕西南部、河南南部、湖北大部和湖南的中北部干旱风险较低。研究结果可为长江中下游地区水资源的科学管理和干旱灾害的风险评估提供理论依据。     

基于标准化降水指数的近40a陇东地区旱涝时空特征

论文基于陇东地区15个气象站点1971-2010年的月降水资料,采用不同尺度的标准化降水指数(SPI)反映不同时间尺度的旱涝状况,并结合GIS空间分析技术和数理统计理论,对其旱涝特征进行定量化分析,阐述其时空演变规律。结果表明:近40 a陇东地区呈干旱化演变趋势;1971-2000年旱涝频繁,30 a间共出现7次干旱事件和5次雨涝事件,而2001-2010年旱涝频率较小。春、 夏、 冬季干旱呈弱增加趋势,秋季旱涝基本持平。该区降水存在三种空间分布型,并依此划分为三个旱涝区域,即东南部(雨涝区)、 北部(干旱区)和中西部(降水适宜区)。季节旱涝存在较大的空间分布差异,其中北部的环县、 华池在夏秋冬三季普遍干旱,西部的静宁在冬春夏三季易旱;而中部的西峰、 镇原和南部的泾川、 崇信、 华亭等地四季降水偏多,易形成雨涝。     

Typologies of crop-drought vulnerability: an empirical analysis of the socio-economic factors that influence the sensitivity and resilience to drought of three major food crops in China (1961–2001)

Why is it that sometimes small droughts trigger serious crop losses while in other cases even large droughts do not have such a major effect? In this paper, we identify socio-economic indicators associated with sensitivity and resilience to drought for each of China's main grain crops (rice, wheat and corn). Provincial harvest and rainfall data (1961–2001) are used to calculate an annual “crop-drought vulnerability index”. We separate “sensitive cases” (where significant harvest losses occurred in years with only minor droughts) and “resilient cases” (where harvest losses were minimal despite there being a major drought) and explore the socio-economic characteristics of these different situations. Results show that sensitive cases were particularly common in economically poor landlocked provinces and in wealthy coastal areas that have a limited land base. In such “sensitive cases”, the size of the rural population and the quantity of agricultural inputs were negatively correlated with drought vulnerability, while for resilient cases, vulnerability was negatively correlated with the abundance of land. This leads us to propose a series of drought-vulnerability typologies based on the extent to which land, labour, capital, agricultural technology, and infrastructure buffer or exacerbate the effect of a drought event.     

基于AWTP指数的浙江省干旱规律时空分析

利用浙江省51个气象站1960-2009年的50 a逐日降水资料,基于降水的平均等待时间(AWTP)指数,采用小波分析和克里金空间插值方法对浙江省干旱时空特性进行分析。结果表明,浙江省的干旱随时间增加有加剧趋势。在50 a中,1979年干旱程度最强,相当干期值最大,达到52 d。在趋势变化上还同时叠加着明显的年际和年代际变化。浙江省干旱存在3 a左右的主周期;另外浙江省的干旱具有明显的区域性,干旱程度由南向北递增。嘉兴的平湖市及浙西金华周围内陆丘陵盆地发生干旱比其他地区更明显,其次是杭州市西部、温州市及台州市温岭等东南沿海山地丘陵地区,中东部的宁波市和绍兴市、西北部的湖州市以及浙江西南部等地区发生干旱程度较轻。