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。     

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。     

北京西山大气降水中D和18O组成变化及水汽来源

论文利用北京西山鹫峰地区2011年7月—2012年7月观测站点内大气降水δD和δ¹⁸O数据,研究了北京西山山前丘陵区降水稳定同位素的变化特征。结果表明：研究区的大气降雨δD和δ¹⁸O的平均值要低于中国和全球降水同位素的平均值,并与北京地区的降水同位素组成平均值之间显示出较大的差异,且同一个月份内降水的同位素特征也具有较大的变化范围。由于季风气候以及局地水汽循环的共同影响,使得夏季降水中的δD和δ¹⁸O值较小,并且在4—7月随着月降水量的增加和温度的升高,在温度效应和降雨量效应的交互作用中,降雨量效应此时起主导作用,月均δD和δ¹⁸O值呈现减小的趋势,而在7—9月,温度效应呈现出主导作用,δD和 δ¹⁸O值呈现增加的趋势,而冬季来自偏北风的大陆性气团形成的降水δD和δ¹⁸O值较大。同时局地水汽循环过程中降水的二次蒸发,也导致在典型长历时场降水过程中δD和δ¹⁸O值呈现出分段波动式下降的特征。研究区大气降水线方程为 δD = 7.17 δ¹⁸O + 1.46,斜率和截距小于全球和中国大气降水线方程,而与北京地区大气降水线方程的对比发现,斜率差异较小而截距差异明显,说明海洋水汽不是研究区唯一的水汽来源,同时受到大陆性气团以及局地较强的水汽循环和北京地区近年的干旱化过程的影响。而氘盈余的年内变化的无规律则间接反映了研究区水汽来源的复杂性。     

基于ENSO发展过程的中国夏季降水时空变化特征

利用1961—2019年中国地面降水月值格点数据,结合趋势分析、合成分析及T检验等气候诊断方法,对中国夏季降水时空变化特征进行分析,进而探讨不同类型ENSO事件对应夏季降水规律。结果表明：20世纪60—90年代末,长江、淮河夏季降水波动增加,海河降水持续下降,符合“南涝北旱”空间特征;21世纪后,除淮河夏季降水下降之外,其他流域降水均呈增加趋势;对于不同ENSO发展类型而言,以厄尔尼诺为主导的事件,副高脊线西伸增强,中国夏季多雨区集中在江淮地区,由南向北呈现“中间涝,南北旱”的空间格局;以拉尼娜为主导的事件中,副高脊线东移、控制面积缩小,中国夏季降水在胡焕庸线两侧、华南降水明显偏少;对于两种转换型事件而言,当前冬发生厄尔尼诺、夏季转为拉尼娜时,副高西伸且面积扩大,中国夏季降水偏多;反之,副高东移且面积缩小,中国夏季降水整体偏少。     

综合考虑植被、温度和降水的四川省月尺度伏旱遥感监测

基于四川农业大省的重要性、伏旱监测的必要性、复杂地貌背景区实测气象站点的有限性以及多云雾天气下高频伏旱遥感监测的困难性,综合降水（TRM）、植被（VCI）和地表热力状况（TCI）在旱情发生发展中的作用及体现,构建基于三者加权的伏旱遥感监测模型,并完成了2000—2015年7—8月四川省月尺度伏旱监测,从伏旱多年平均状态、演变趋势、频率三方面分析了四川省月尺度伏旱的时空演变规律。结果表明：1）SDCI（归一化旱情综合指数）=0.25×VCI+0.5×TRM+0.25×TCI模型是最适用于四川省的月尺度伏旱监测模型。该模型体现了在伏旱监测过程中考虑并突出降水的重要性。2）四川省7月平均旱情强度较强,8月旱情强度整体上有所减弱;各地貌类型区7、8月旱情强度则表现为川东盆地旱情强度最强,高原与盆地过渡区次之,川西高原最弱。3）四川省整体上7月伏旱呈减缓变化,8月旱情呈加重变化。川东盆地7月伏旱以加重变化为主,8月则为减缓变化;高原与盆地过渡区及川西高原7月伏旱以减缓变化为主,8月多表现为加重变化。4）四川省不同地貌背景区伏旱频率分布特征表现为川东盆地历年旱情发生频率最高,其次是高原与盆地过渡区、川西高原。川东盆地和高原与盆地过渡区以中度干旱较为频发,川西高原则多为轻度干旱。     

气候变化背景下贵州省农作物生长期干旱时空变化规律

以干旱高发区贵州省为研究对象,利用贵州省19个站点1960—2013年气象日值资料,考虑气象干旱累积效应及当地秋收农作物生长时期需水要求,验证了秋收作物生育期内标准降水蒸散指数（Sep-SPEI-6）与粮食减产量之间的相关性。基于Sep-SPEI-6指数采用Mann-Kendall法、滑动t检验、Morlet小波周期分析以及Hurst指数等方法分析了贵州省干旱时空变化特征。结果表明：① Sep-SPEI-6与贵州省及各州、市粮食减产量呈极显著负相关性。② 在1991、2001年前后贵州省气候发生了突变。③ 与第一阶段（1960—1991年）相比,第二阶段（1992—2001年）干旱发生频率和影响范围均减少了10.59%;较第二阶段,第三阶段（2002—2013年）分别增加了23.67%和24.74%;与前两阶段相比,第三阶段的干旱历时与强度增加显著。④ Sep-SPEI-6时间序列存在明显的周期性振荡特征,以22 a为第1主周期。⑤ 各站点Sep-SPEI-6的Hurst数值均大于0.5,说明其变化具有较好的持续性。⑥ 干旱易发区呈现由东向西的转移趋势。⑦ 农作物生长期内日降水>1 mm天数和日照总时数是影响农作物生长期干旱的主要气象因素。研究成果为贵州省抗旱减灾措施的制定提供了理论依据。     

祁连山七一冰川物质平衡的时空变化特征

基于2011-2016年七一冰川的野外观测资料,结合气象站数据及1975-2015年的遥感影像,分析了冰川末端变化、物质平衡时空变化特征及其对气候变化的敏感性,结果表明：1975年以来,七一冰川末端持续退缩235 m,平均退缩速率为5.9 m/a,冰川面积减少0.13 km²（4.5%）。2011-2016年,七一冰川的平均物质平衡为-476 mm w.e.,平均ELA为4941 m a.s.l.,物质平衡梯度为2.9 mm/m。从季节变化看,受风吹雪和冰面升华影响,11月至次年3月冰川呈负平衡;4月和9月物质平衡受降水控制,随海拔变化呈现降水效应;强消融期（6-8月）物质平衡随海拔升高线性增加;消融期末由9月初延后至9月底。敏感性分析结果表明,物质平衡对气温变化的敏感性为-178.7 mm w.e. °C^-1 a^-1,对降水变化的敏感性为+2.93 mm w.e. mm^-1 a^-1。即61 mm的降水增加才能弥补暖季气温升高1 °C引起的冰川净物质损失。     

气候变暖对东北三省春玉米布局的可能影响及其应对策略

玉米是我国重要的粮食作物之一,东北三省春播玉米区是我国第一大玉米产区,在气候变暖背景下研究气候变化对东北春玉米生产的影响及其应对策略,对我国粮食安全具有重大意义。论文以东北三省为研究区域,利用71个气象台站1961—2010年和未来气候情景RCP 4.5下2021—2040年逐日温度数据,分析了气候变化情景下东北三省热量资源和春玉米种植熟性的时空变化特征,探索性地研究了东北春玉米应对气候变暖应采取的对策。研究结果表明：未来2个年代际,东北三省日平均气温稳定通过10 ℃初日提前、10 ℃终日和初霜日推迟,稳定通过10 ℃日数和积温呈增加趋势,其中三江平原地区变化幅度最大,10 ℃初日将提前约8 d,初霜日推迟约10 d,10 ℃日数和积温分别增加约15 d和300 ℃·d;不同熟性春玉米种植北界在未来 2个年代际的北移东扩速度较过去50 a更快,尤其是中晚熟春玉米可种植区北界到2030年代将北移至49°32′N、东扩至我国东部边境135°E;为应对气候变暖,在不改变耕作制度和更换更晚熟春玉米品种的前提下,预计到2030年代,东北的松嫩平原春玉米播种期可提前或推迟16~20 d,部分地区可超过20 d;三江平原和辽河平原区可提前或推迟8~12 d;南部沿海地区播种期变化范围较小,在8 d以内;同时,亦可通过种植区北移东扩以充分利用气候变暖带来的热量资源,预计到2030年代,东北三省晚熟、中晚熟和中熟春玉米的种植北界将在现有基础上分别北移2°13′N、1°08′N和近3°N。     

1985—2015年陕西黄土台塬表层土壤有机碳空间分布

中尺度范围土壤有机碳的长期动态变化状态对大气温室气体的浓度、当地环境的生态效应至关重要。论文研究了陕西黄土台塬近30 a表层（0~20 cm）土壤有机碳密度的空间分布特征,并探讨了气候、地形、土壤类型、土地利用与土壤有机碳密度和储量的关系。结果表明：1）近30 a黄土台塬土壤有机碳密度和储量呈增加趋势,且增加幅度愈来愈明显,其中,1985—2000年有机碳密度和储量的增量分别为0.20 kg/m²和1.46×10⁶ t,2000—2015年分别为0.75 kg/m²和10.87×10⁶ t。2）1985—2015年有机碳密度随气温和降水量的增加而增加,随高程和坡度的增加呈现先增加后减少的趋势,在高程679~779 m、坡度10°~20°范围达到最大值。3）大多数土壤类型有机碳密度和储量随时间延长呈增长趋势,其中,黑垆土有机碳密度增加最大（1.59 kg/m²）,黄绵土储量增量最多（5.64×10⁶ t）;不同土地利用类型有机碳密度和储量随时间延长也呈增加趋势,林草地有机碳密度增加量明显大于耕地。4）研究区表层土壤有机碳密度与气温、土壤类型、土地利用类型在P<0.001水平上相关性显著,与降水在P<0.05水平上显著相关。     

ENSO事件对珠江中下游地区降水氢氧同位素的影响

水汽源区变化与ENSO事件显著影响季风区水循环过程。基于珠江中下游地区4个GNIP站点（中国香港、广州、桂林、柳州）的降水同位素及OLR（向外长波辐射）数据,研究了ENSO背景下δ¹⁸O的时空分布特征及ENSO事件对降水中氢氧同位素特征的影响机制。结果表明：ENSO事件是影响稳定同位素年际差异的主要因素,通过影响雨季降水的年内分配而实现;正常年大气降水线方程的斜率与截距均大于厄尔尼诺年而小于拉尼娜年;拉尼娜年加强 δ¹⁸O的反温度效应,厄尔尼诺年减弱反温度效应;厄尔尼诺与拉尼娜年热带辐合带的变化规律呈现出相反的趋势,其OLR场的变化与研究区稳定同位素特征有着较强的对应关系;ENSO事件年不同的水汽源区相对湿度特征是造成d值年际差异的主要因素。     

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。     

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。     

基于MODIS EVI的重庆植被覆盖变化的地形效应

基于2000—2015年的MODIS EVI数据,采用趋势分析结合地形差异修正,分析了重庆市植被覆盖变化在高程、坡度和坡向上的空间分布差异。结果表明:1)近16 a来,重庆植被以低覆盖度和中覆盖度为主,低覆盖度呈下降趋势,劣覆盖度、中覆盖度和高覆盖度呈上升趋势;2)研究区植被显著减少趋势占3.84%,基本不变占81.12%,显著增加占15.04%,植被变化总体上呈恢复趋势;3)在地势低(400 m)、坡度小(6°)的区域,植被覆盖度低,但变化趋势显著;在400~1 200 m、6°~15°的区域,植被变化趋势分布出现由优势到非优势或由非优势到优势的转折;4)在地势高(1 200 m)、坡度大(15°)的区域,植被覆盖度高,变化趋势较弱,但是在高程大于1 500 m、坡度大于25°的区域也存在植被减少的现象;5)不同坡向上,除了在平地区域植被变化趋势较显著外,其余坡向差异不明显。     

青藏高原东北部气候变化的异质性及其成因

利用1961-2016年西宁等青藏高原东北部13个气象台站气温、降水等气象资料以及国家气候中心发布的南海季风指数、西伯利亚高压指数等大气环流特征量数据,分析近56年来气候变化与高原主体的差异性及其可能的气候成因。研究表明：近56年来青藏高原东北部气候变暖趋势十分显著,年平均气温气候倾向率高达0.39 ℃/10 a,呈现出三次明显的阶梯性增高态势,并于1994年前后发生了由冷到暖的突变,同时具有明显的空间差异性;年降水量及四季降水量均没有明显变化趋势,虽然经历了2002年左右由少到多的变化,但并未出现明显突变,年降水量具有3年、5年的准周期,而年降水日数微弱减少,降水强度呈增加趋势;该区域气候变化的年际波动主要受到东亚季风、高原季风和南海季风的年际振荡及其相互作用的影响,而西风环流的作用并不明显,植被覆盖的恢复既是对2002年以来降水量增加的具体反应,同时也对于气候变暖趋势起到了一定的缓和作用。