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, P<0.01）;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。     

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TRMM降尺度和MODIS数据的综合干旱监测模型构建

京津冀地区是我国优质冬小麦的主产区之一,但在全球气候变暖影响下,该地区干旱灾害频发,因此准确监测京津冀地区旱情既能为区域农业生产提供科学指导,又起到保障国家粮食安全等重大战略作用。综合考虑干旱发生过程中大气降水—植被生长—土壤水分盈亏等致旱因子,首先利用GWR（Geographically Weighted Regression）模型对TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）3B43数据进行降尺度处理,得到1 km分辨率的降水状态参数（Precipitation Condition Index,PCI）;再结合MODIS（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer）数据,得到植被状态指数（Vegetation Condition Index,VCI）、温度状态指数（Temperature Condition Index,TCI）,最后基于多元回归模型构建综合干旱指数（Comprehensive Drought Index,CDI）,以实现对京津冀地区干旱时空监测评价。结果表明：（1）基于GWR模型与占比系数法得到的1 km空间分辨率TRMM年数据、月尺度数据,不仅在空间分辨率上相比原始TRMM数据得到很大的提升,并且数据精度也通过了检验,表明降尺度分析提高了TRMM数据对研究区降水时空特征的描述能力;（2）监测模型结果与京津冀地区所经历的干旱历程等实际旱情基本一致,并且CDI指数与标准化降水指数（Standardized Precipitation Index,SPI）做相关分析,其相关系数R在0.45~0.85之间,与作物受旱面积做相关分析,相关系数R介于在-0.81~-0.86之间,与作物标准化单产进行相关分析,其相关系数R均大于0.6,并且均通过P<0.05的显著性检验,表明本文所构建的综合干旱监测模型在京津冀地区是适用的。     

基于Copulas函数的多维干旱变量联合分布

通过构建多变量联合分布进行干旱分析,可揭示干旱的演变规律.根据新疆乌鲁木齐和石河子气象站的长系列月降水资料,提取干旱历时、干旱烈度和烈度峰值3个干旱特征变量,基于4种对称的Archimedean Copulas函数分别构建二维、三维干旱变量的联合分布;基于5种非对称的Archimedean Copulas函数构建三维干旱变量的联合分布,以进一步推求各自的重现期.经拟合优度检验,Frank Copula 函数对干旱历时和干旱烈度、干旱历时和烈度峰值的二维联合分布的拟合度最好;Clayton Copula 函数对于干旱烈度和烈度峰值的二维联合分布以及干旱历时、干旱烈度和烈度峰值的三维联合分布拟合效果最佳.单变量的重现期介于二维、三维变量联合重现期与同现重现期之间.表明Copulas函数能描述多维干旱特征变量的联合分布.     

基于气象和遥感数据的河南省干旱特征分析

干旱是一种常见的自然灾害,严重影响着我国的农业生产。论文分别采用标准化降水指数(SPI)和条件植被指数(VCI)对河南省干旱时空特征进行分析,并探讨了气象干旱和农业干旱的相关性。结果表明:近60 a河南省气象干旱频率呈现出轻微上升的趋势,夏秋两季气象干旱频率较高,农业干旱频率在秋冬两季较高,气象干旱和农业干旱频率在不同季节呈现出不同的空间分布特点。整体上看,农业干旱相对于气象干旱,存在一定程度的滞后:冬季最长,约为2个月,春季较长,约为1个月,而夏季最短,小于1个月;河南省SPI和VCI的相关性具有明显的时空分布特征:冬季和春季相关性较强,夏季次之,秋季最差;平原和盆地区等冬小麦/夏玉米种植区正相关性较强,在非耕地区有所减弱,而在信阳南部等水稻种植区正相关性差。     

基于水资源供需平衡机制的安徽省干旱时空分布

基于目前大多数干旱研究偏于气象、水文和农业干旱,不能较好地反映供求矛盾,论文根据水资源供需成因的旱情评价方法,对安徽省2001-2005年的旱情时空分布进行了综合分析。研究发现,在时间上,安徽省2001和2005两年同为中度干旱,但差别甚大,平水年份的2005年的旱情等级数(Drought Index,DI)(1.485 9)却远高于偏枯的2001年(DI 0.890 9);在空间上,平水年份的2005年总体为中度干旱,但各地市区域差异明显,经济发展水平较高、用水量大的城市干旱严重(如合肥、淮南、马鞍山、芜湖市等)。淮北(DI -0.146 1,无旱)与芜湖(DI 2.466 2,严重干旱)两市水资源自然量和人口数量都相当,但旱情迥异。研究发现,造成上述旱情差异的根本原因是由于社会经济发展水平的差异而引起的水资源供需量的巨大差别。研究认为,在现代的社会背景下,单独的气象干旱、农业干旱和水文干旱已不能全面反映旱情状况,而社会经济干旱对旱情的描述更为直观,采用水资源供需平衡机制对旱情的评价也更符合实际。     

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。     

基于植被指数和地表温度的冬小麦遥感干旱监测

针对河北省冬小麦主要种植区2007年发生的一次春旱过程,利用MODIS8天合成遥感资料,结合地面站点数据,分析植被供水指数及其多年距平值在冬小麦生长旺期对站点和区域尺度的旱情响应,探求其在河北省冬小麦旱情日常监测中的可操作性。研究结果表明：在三个典型干旱站点,植被供水指数多年距平值与土壤相对湿度多年距平值有较为一致的时间动态;在区域尺度,植被供水指数对水分亏缺状况敏感,与20cm土壤相对湿度的相关性较好。利用植被供水指数建立的遥感监测模型可用于反演冬小麦种植区旱情空间格局,结果与地面观测资料基本吻合。     

白洋淀流域径流过程对极端气象干旱的响应分析

以白洋淀流域为研究对象,选取唐河、沙河、白沟引河3条支流上游4个水文站1959—2016年的日径流数据,采用改进退水常数后的数字滤波法中的Chapman-Maxwell法对4个子流域的日径流进行基流分割,利用水文气象要素异常值法划分干旱时期,分析水文干旱（径流干旱与基流干旱）对极端气象干旱过程的响应规律。结果表明:1）白洋淀年降水量呈减少趋势,线性倾向率为1.81 mm/a2。在1979年发生减少突变,突变后降水量减少8%;并检测到白洋淀流域发生极端气象干旱,持续时间从1996年8月至2011年5月;2）4个子流域的水文干旱较气象干旱具有明显的时间滞后,且水文干旱持续时间比气象干旱更长,烈度、强度更大,表明长期干旱期间降雨-径流关系的不稳定性;3）4个子流域水文恢复时间较气象恢复平均滞后55个月,且基流恢复滞后于径流恢复。研究结果可加深径流与基流对气候变化的响应的理解,为核算河道生态需水以及维持河道生态系统健康提供一定理论依据和实践参照。     

基于CI指数的祁东县干旱特征分析

利用衡阳市祁东县气象站1960~2013年逐日平均气温、降水观测数据,计算综合气象干旱指数。以国家标准《气象干旱等级GB/T20481~2006》为依据划分不同干旱等级、计算干旱日数、干旱强度等,在此基础上统计干旱日的年、年代际统计并作了线性分析,并为应对干旱提出了自己的建议:祁东县干旱日每年均有出现,但不同强度干旱日发生频率不同,在全球变暖大背景下,干旱日等级越高,其增幅愈明显;祁东县的平均干旱过程数为2.5次/a,一年出现2次干旱过程几率最大,无旱过程的几率为9.3%;在统计年干旱强度时,选用持续时间最长的一次有较好代表性。近54a来,干旱强度年变化可分为三高两低,目前处于干旱强度较高期;祁东县大部分年份有季节性干旱,单季旱以秋旱为主,在双季干旱中,夏秋连旱居多,历史上夏秋冬连旱出现了三次;为了应对日趋严重的干旱,需增强人们的防旱抗灾意识、加大水利设置投入、推广节水农业和提高干旱监测预警能力。     

基于降水Z指数的朝鲜降水及旱涝时空特征

利用TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM）3B43月降水数据,并结合降水Z指数,研究朝鲜1998—2018年的降水和旱涝时空格局。结果表明：TRMM与站点观测降水数据有显著的相关性。朝鲜降水季节性特征明显,57.29%的降水集中在夏季,空间上自东北部沿海岸线向东南递增。朝鲜的区域综合旱涝等级基本处于正常状态,偏旱和偏涝发生的频率最高,其次是大旱和大涝,极旱和极涝发生的频率最低,夏季和冬季干旱发生最为频繁,而洪涝在秋季频发。朝鲜北部发生旱涝事件的频率明显高于南部,咸镜山脉和盖马高原是旱涝的多发地区,温泉平原则最不易受到旱涝影响。春季、夏季和秋季均呈现洪涝强度增强的趋势。夏季洪涝强度加剧的趋势明显,中北部地区通过95%的显著性检验。     

陇东黄土高原农业物候对全球气候变化的响应

通过对多年来陇东黄土高原董志塬主要农作物冬小麦和主要果树苹果、梨发育物候和气候变化的同步观测,分析了陇东黄土高原农作物发育物候对气候变化的生态响应。分析发现,董志塬近35年来年平均气温呈显著增加的趋势,且以冬季和春季增温为主(冬小麦越冬期增温线性趋势达0.0672℃a/),和全球气候变暖趋势基本一致。增温线性趋势达0.0507℃a/,远高于全国20世纪60年代以来平均增温幅度,也高于陇东黄土高原近35年平均增温幅度(0.0348℃a/),是陇东黄土高原增温中心地带。气候变暖对董志塬冬小麦和果树的生态影响主要体现在春季发育期普遍提前,冬小麦越冬期显著缩短(缩短的线性趋势达0.674d a/),而冬小麦和果树春季各发育期间隔并未出现缩短的趋势。而且由于当地种植冬小麦品种为强冬性、长日照型品种,发育期提前导致日长缩短,对发育有一定抑制作用,抵消了一部分增温的影响,因此果树春季各发育期提前的线性趋势比冬小麦明显。就果树而言,梨树春季发育期提前的线性趋势又比苹果树明显。结论认为气候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。     

1960-2016年中国北方地区极端干湿事件演变特征

基于中国北方地区424个气象站点1960-2016年的日气象数据础,应用FAO Penman-Monteith模型计算潜在蒸散（ET₀）,基于降水量和潜在蒸散计算湿润指数,对湿润指数进行标准化后统计极端干湿事件频率,分析极端干湿事件频率的空间变化趋势、多时间尺度演变特征以及ENSO事件对极端干湿事件变化趋势的影响。结果表明：北方极端干旱和极端湿润事件频率分别呈显著下降和显著上升趋势,年际倾向率分别为-0.10次/10年和0.13次/10年。空间上,极端干旱频率整体呈减少趋势,包括青藏高原、西北和东北地区。西北极端干旱频率减少速率较大,青藏高原中部、新疆北部和东北北部部分站点极端湿润频率增加幅度较大。各年代中,华北极端干旱多发,东北和青藏高原极端湿润多发。季节上,分区极端干旱发生概率均大于极端湿润发生概率,华北极端干旱发生概率最高,青藏高原极端湿润发生概率最高。ENSO与湿润指数存在滞后性的关系。El Niño翌年,气候偏湿润的年份较多;La Nina翌年,气候偏干旱的年份较多。SSTA与翌年湿润指数在年际和夏季两个时间尺度上存在显著的正相关关系。     

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。     

干旱综合防御集成技术机制及在华北冬麦区的示范应用研究

论文将底墒效应利用技术、土壤深松技术、秸秆覆盖技术、有限水分胁迫效应利用技术、喷施多功能防旱剂五项单项抗旱技术在冬小麦播前及各个发育阶段适时、适地综合集成,并给出了应用量化指标。于1998～2000年在河南、河北、山东省进行示范推广应用。结果表明:冬小麦干旱综合防御集成技术是通过各单项抗旱技术触发和优化冬小麦找水、增水、保水、节水、控水的五种水分利用机制,发挥了植物生理生态、土壤理化性状、土壤水库、麦田小气候效应和化学制剂喷施等多种防旱抗旱的效能,时间贯穿于冬小麦整个生育期,可实现持续防旱抗旱。集成技术具有比各单项技术更显著的增产、节水效果。在两个典型大旱年的情况下,集成技术使水分利用效率提高10.6%～53.7%,平均提高27.7%;小麦增产7.0%～42.3%,平均增产16.6%;每公顷增加纯收入490～1200元。     

辽西北春玉米旱灾灾损风险区划

开展干旱风险区划研究,对实现抗旱减灾及粮食稳产增产至关重要。以辽西北为研究区域,以作物水分亏缺指数（CWDI）为干旱表征指标,利用该区1965—2019年逐日气象数据及多年玉米种植资料,通过数理统计和通径分析方法揭示研究区玉米干旱时空演变及对各气象因子的响应特征,在此基础上构建干旱灾损指数进行旱灾风险区划,结果表明:（1）近54年春玉米抽穗—成熟期CWDI值以2.2/10 a的速率上升,其他生育阶段呈下降趋势,空间上干旱频率由辽西向辽北递减;（2）相对湿度和降水量与CWDI指数呈明显负相关,其他气象因子呈正相关,其中气温和相对湿度对其直接影响最大;（3）辽西北分四个灾损风险区,且风险程度由辽北向辽西递增。研究结果可为优化春玉米农田管理和防灾减灾提供一定参考。     

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。