基于标准化降水蒸散指数的呼伦贝尔草原干旱变化特征及趋势分析

呼伦贝尔草原是我国北方地区重要的防风固沙和水源涵养生态功能区,在气候变化的背景下,该区的草原畜牧业和旱作农业深受干旱的影响。研究该区干旱发生的特征及趋势,对当地采取适应气候变化对策具有重要意义。基于1960—2017年呼伦贝尔草原4个气象站逐月降水和气温资料,计算标准化降水蒸散指数(SPEI),并采用Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析和R/S分析法分析了近58年呼伦贝尔草原年、季尺度的气候变化及干旱特征与趋势,并结合该区实际发生的灾害事件对SPEI指数进行了验证。结果表明:1)近58年来呼伦贝尔草原在气温显著上升,降水量减少的背景下干旱化趋势显著。2)该区域年尺度和季节尺度下干旱化特征具有差异性,其中,年尺度下,该区域SPEI指数以-0.218×10 a~(-1)倾向率呈显著下降趋势,1998年是干旱加剧的突变年,未来在11年尺度上有持续偏旱的趋势;季节尺度下,冬季SPEI指数显著增加,且未来在17年尺度上有持续偏湿的趋势,春、夏和秋季的SPEI指数均呈下降趋势,并分别在22年、9年和15年尺度上有持续偏旱的趋势。3)2000年以来,干旱发生的总频率尤其重旱和极旱的发生频率均显著高于其他年代;4)夏季和秋季分别是发生重旱和极旱次数最多的季节。5)SPEI指数在呼伦贝尔草原区的干旱监测与分析中具有较好的适用性。     

基于SPEI的辽宁省玉米生育期干旱特征分析

在全球气候变暖的背景下,探究玉米生育期的气候变化及干旱特征,对于预防干旱灾害对作物造成的损失,以及农业可持续发展意义重大。基于1967—2018年辽宁省33个国家级气象台站逐日观测数据,计算了不同月尺度下玉米各生育期标准降水蒸散指数（SPEI）,并结合干旱频率及干旱站次比综合分析了干旱时空变化情况。结果表明：（1）辽宁省玉米生育期降水量以13.31 mm/10a的速率减少,与SPEI呈显著正相关（P<0.01）;气温以0.25℃/10a的速率显著上升（P<0.01）,与SPEI呈负相关。（2）播种-出苗期、出苗-拔节期和喇叭口期SPEI在时间上均呈上升趋势,抽雄期和成熟期呈降低趋势;在空间上全生育期SPEI表现为西北向东南递增趋势。（3）全生育期干旱站次比以0.41%/10a的速率上升;出苗-拔节期干旱站次比呈减少趋势,其他生育阶段均呈上升趋势;发生干旱类型频次区域性干旱 > 部分区域性干旱 > 局域性干旱 > 全域性干旱。（4）全生育期干旱频率整体呈现出由西北向东南递减的特征,且干旱频发区主要在辽西地区;干旱发生频率轻旱 > 中旱 > 重旱 > 特旱。（5）出苗-拔节期为干旱站次比最高的时期;SPEI平均值和不同等级干旱频率最高的时期均为播种-出苗期。该研究成果可为区域农业干旱风险评价以及抗灾减灾等提供参考。     

基于SPEI指数的华北冬麦区干旱时空分布特征分析

气候变化的背景下,华北地区干旱化趋势不断加剧。利用华北冬麦区45个气象站1961—2010逐月温度与降水数据,选取标准化降水蒸散指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)作为区域干旱指数进行华北冬麦区近50年干旱时空特征分析。研究表明:(1)近50年来华北地区平均温度明显上升,研究区整体呈现干旱化加剧趋势。华北地区平均SPEI指数对于典型干旱年份的表征准确,与历史资料相符合。(2)华北不同区域之间增温率不同,导致干旱化趋势存在差异。通过对典型站点的分析,发现增温率越大的区域干旱化趋势越严重。(3)不同等级干旱发生的站次比能够较好地反映不同年型干旱的发生特点。对SPEI指数矩阵的EOF分析结果显示出华北地区典型的干旱时空分布特征,第一模态呈现全区旱涝变化一致型的分布形式,高值区包括山东西部、河南北部、河北南部地区,表明这些地区对干旱的反应最为敏感。时间系数序列未显示出明显的变化趋势;第二模态呈现南北相反的分布型,河北及山东的大部分地区空间系数均为正值,而河南大部分地区为负值。时间系数序列整体呈下降趋势,表明研究区北部干旱化趋势加剧,南部干旱化有所缓解;第三模态呈现东西相反的分布形式,这种分布特征的变化趋势不明显。     

近57年来黄土高原干旱特征及其与大气环流的关系

通过黄土高原地区52个气象站点1961-2017年的气象资料,利用不同尺度的标准化降水指数（Standardized Precipitation Index,SPI）和标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）对该区57年来干旱的时空变化特征进行了分析,并利用交叉小波变换探讨了干旱指标与大气环流的遥相关分析,得到了以下结论：（1）时间变化上,黄土高原57年来不同干旱指标均呈下降趋势,整体逐渐变干旱。但SPEI6指标较SPI6指标相比,干旱年份更多,干旱特征更明显,说明SPEI的计算由于考虑了蒸散发输入因此结果偏重.不同指标均显示,1999年以来,黄土高原地区干旱时有发生,但整体有降低的趋势。（2） SPEI6和SPI6的站次比和干旱强度最高点都出现在1999年,但SPEI6的站次比和干旱强度的变化幅度更剧烈,且出现全域性干旱的年份（5年）也多于SPI6（3年）;SPEI12相较于SPI12,站次比和干旱强度较为相似,都在1966年达到顶峰,虽然出现全域性干旱的年份SPEI12（9年）多于SPI12（3年）,但SPI12的干旱强度更高。（3）平原区的汾渭平原是轻旱多发区,河套平原、宁夏平原易发生中旱,同时宁夏平原还是重旱多发区。丘陵区西部的中宁、同心两地易发生重旱,乌审旗出现特旱。山地区干旱频率普遍较高,尤其是西部山地区的乌鞘岭重旱、特旱频发。（4） SPEI指数对环流指数的变化更敏感。AMO对区域各干旱指标的影响较小,ENSO、WPI对SPI6、SPEI6有显著的响应;而PNA对6个月尺度的干旱指标（SPI6、SPEI6）影响较小,对12个月尺度的干旱指标（SPI12、SPEI12）影响较大。区域干旱是一个复杂的自然现象,为了进一步探索不同干旱指标在不同区域的运用,必要时可采用多种指标,从不同角度比较多种干旱指标的相似性,从而避免单一指标对结果的局限性。     

基于主成分分析的广西省干旱时空格局

广西省地处喀斯特地貌区,土壤保水效率低,且年降水时空分布不均,研究干旱时空分布尤为重要。基于广西省1981—2010年20个气象站实测和2011—2100年HadGEM2-ES模型模拟数据,利用标准化降水指数(SPI, Standardized Precipitation Index)和标准化降水蒸散指数(SPEI,Standardized Precipitation Evapotranspiration Index),分析广西省干旱的时空变化。对不同时间尺度的SPI和SPEI应用主成分分析(PCA,Principal Component Analysis)确定干旱的空间模式,结果揭示了3个空间分布明确的区域:桂东北地区(PC1),桂西北地区(PC2)和桂南地区(PC3)。各区域干旱的时空变化和频率分布差异显著。PC1和PC3的SPEI-12呈负增长趋势,PC2的SPEI-12呈正增长趋势,且PC1、PC2和PC3的SPI-12均大于SPEI-12。年尺度(SPEI-12)上PC1和PC3的干旱频率大于PC2,其干旱频率分别为34.24%和35.83%。SPI和SPEI在空间和时间尺度上相关,且具有高度可比性。SPEI因子载荷的空间模式优于SPI,严重干旱年份(1988、1996和2003年)的SPI值明显小于SPEI,且SPEI检测到的干旱频率较高。研究结果可作为广西省干旱预测、评估及其风险管理和应用决策的重要科学基础,也可为广西省区域社会经济发展提供重要的科学参考。     

基于多源遥感数据的农业干旱监测模型构建及应用

干旱监测问题是干旱灾害模拟与预警及旱灾防灾减灾的关键。基于2001-2013年淮河流域40个气象站资料、28个土壤墒情站点和中分辨率成像光谱仪（MODIS）多源遥感数据,采用SEN趋势法和标准化降水蒸散指数（SPEI）等方法,综合了大气-植被-土壤相互作用等多元成因,构建了适用于淮河流域多源综合遥感干旱监测模型,探讨淮河流域干旱时空规律。研究表明：（1）基于多源数据构建综合干旱监测模型,利用土壤墒情和典型年份干旱监测对综合干旱监测模型适用性进行评价,通过了P < 0.01的显著性检验,构建的模型可综合反映出农业和气象干旱多源信息;（2）淮河流域干旱面积和干旱频率大都集中在4-5月和7-9月,9月份受旱面积最大。河南省是淮河流域受旱频率最高,其干旱面积占淮河流域多年平均干旱面积比重最大（38%）,其次是安徽（22%）,旱地受旱面积比重大于水田受旱面积比重;（3）淮河流域2、3和5月干旱有显著减弱趋势;而1、4和6月则有增强趋势。淮河流域小麦灌浆-成熟时期（4-6月）缺水对小麦粮食产量影响显著,综合淮河流域干旱趋势变化,需强化淮河流域4月份小麦的干旱监测与旱灾预警。     

气候变化背景下东北三省大豆干旱时空特征

利用1961—2010年东北三省大豆种植区71个气象站点地面气象观测资料,基于农业干旱指标作物水分亏缺指数(CWDI)及干旱等级,分析了气候变化背景下近50年来我国东北地区大豆干旱发生频率演变趋势及干旱程度演变特征,研究结果表明:东北三省大豆干旱频率空间差异较大,呈明显的西高东低的经向带状分布特征;大豆全生育期干旱频率以轻旱最高,中旱次之,重旱和特严重干旱频率最低;轻旱及以上干旱频率以播种到分枝阶段最高,分枝到开花阶段次之,开花到成熟阶段最低;作物水分亏缺指数年际变化趋势各地不同,总体而言以播种到分枝期干旱为主向开花到成熟期干旱转变的特点;大豆全生育干旱等级存在明显的年代际变化,20世纪80年代干旱范围最小、程度最轻,2000年以后重旱及中旱范围增加明显,干旱趋于严重。     

基于SPEI指数的1961-2014年东北地区气象干旱时空特征研究

干旱导致生态系统生产力降低,已成为全球观测的事实,并将在未来气候情景下继续加剧。揭示干旱的时空分布特征是抗旱防灾、保障农业生产安全、维持生态系统健康的迫切要求。应用标准化降水蒸散指数（SPEI）和经验正交函数（EOF）分解方法,分析东北地区干旱特征,揭示干旱发生的时空变化规律。基于东北地区90个气象台站,计算1961-2014年的SPEI指数,从干旱频率、干旱范围和干旱强度等方面研究其特征,并利用EOF分解方法解构干旱空间模态和时间系数。研究结果表明：1）东北地区干旱的时间差异明显。1961-2014年,东北地区以1983年、1995年和2008年为转折点经历了"干-湿-干-湿"的波动变化;夏季发生的干旱范围最大、强度最强,冬季的范围最小、强度最弱;2）东北地区干旱的空间分布差异大,西部干旱发生频繁、发生次数多、持续时间长、旱灾强度大;3）在1、3、6和12个月的多时间尺度下,东北地区年均SPEI变量场EOF分解的前3个主要空间模态均表现为全区一致型、南北相反型和东西相反型,其方差累积贡献率约为58%;4）随着研究时间尺度的增大,干旱的空间分布规律和时间变化趋势逐渐明晰,表明东北地区干旱具有明显的尺度特征。综上所述,基于SPEI指数对东北地区干旱进行多尺度时空分解,刻画了干旱的基本特征,并解构了干旱的时空分异规律,研究结果可为该区的干旱预警研究及生态系统灾害管理提供科学依据。     

近50年华南气象干旱时空特征及其变化趋势

采用标准化前期降水指数(SAPI)和常年平均相对湿润度指数(M)构建的逐日气象干旱指数(DI),根据华南(广东、广西)174个气象站资料分析了近50年(1961—2010年)气象干旱时空特征及其气候变化趋势。结果表明:(1)华南近30年(1981—2010年)总旱日频率平均为26.0%,其中轻旱、中旱、重旱和特旱日分别为12.3%、8.1%、4.2%和1.4%。(2)各等级旱日频率具有非汛期(10月至次年3月)高于汛期(4月至9月)、广西高于广东的特征。(3)近50年华南最旱的5a依次为:1963、1991、2004、2009、1977。(4)气候变化趋势分析表明,1至9月降水和月干旱指数(MI)以增加趋势为主,各等级旱日数以减少趋势为主,其中7月份MI增加趋势及各等级旱日减少趋势均达到0.1显著水平;而10至12月降水和MI以减小趋势为主,各等级旱日数以增加趋势为主,其中11月份MI减小趋势及中旱、重旱、总旱日增加趋势均达到0.05显著水平。(5)年总旱日趋于增加、减少的站点数各占60%、40%,有11%的站点达到0.1以上显著水平。各等级旱日显著增加的站点大多集中在广西,而旱日显著减少的站点主要集中在广东,表明广西干旱总体上重于广东的格局可能进一步加剧。目的为进一步开展华南气候变化影响评估、水资源利用及应对气候变化提供基础。     

基于SPEI指数的辽宁省生长季干旱时空特征

根据辽宁省50个气象站1961—2015年温度和降水资料,采用标准化降水蒸散指数(standardized precipitation-evapotranspiration index,SPEI)、线性趋势分析、突变检验、经验正交函数分解等方法,研究了辽宁省生长季干旱的时空分布特征。结果表明:近55年来,辽宁省生长季干旱指数以0.13 10 a~(-1)的速率显著下降,干旱整体呈现加剧趋势;20世纪60年代和70年代、80年代初到90年代中后期,干旱强度呈减弱趋势;80年代初、90年后期代初到2015年,干旱强度呈加剧趋势;1996年全省SPEI指数发生了突变性下降,干旱程度发生了突变性增强,其中,2000年全省有47个站点发生了干旱,干旱率高达94%,是近55年来干旱发生范围最大的年份,其次是1999和2014年,干旱率分别为92%和88%;全省SPEI指数的空间分布主要呈现全区一致型、东南与西北反向型、中部与其他地区反向型等3个模态,其中,全区一致型高值区包括葫芦岛沿海地区、锦州地区、沈阳地区、鞍山地区等,表明这些地区对干旱的反应最为敏感。时间系数序列显示出明显的下降趋势;东南与西北反向型中,空间系数0值线位于辽宁中部,呈东北西南向,0值线以西的辽西和辽北地区其空间系数为负值,而0值线以东地区的空间系数为正。时间系数序列的变化趋势不明显;中部及渤海沿岸与其他区反向型中,东南及西部地区空间系数均为正值,而其他区为负值。时间系数序列无明显变化趋势。     

淮河流域干旱时空演变特征及成因

基于淮河流域149气象站点1962—2016年标准化降水蒸散发指数、16个气候因子和NCEP/NCAR再分析资料,通过小波分析和旋转经验正交函数等手段,分析淮河流域干旱重心的转移轨迹,研究气象干旱与气候因子的相关关系,并通过大气环流的异常特征揭示气象干旱的主要成因。结果表明:(1)干旱重心分布主要从淮河流域中心向四周扩散,淮河流域大范围区域呈干旱化态势。2013年干旱重心从西北部→中部→西南部→中部变化,随着干旱面积的增大,干旱重心由四周向中心移动。(2)PDO、ONI、Nino4、Nino3.4、MEI、BEST与SPEI均呈显著正相关关系,SOI、TNI与SPEI则呈显著负相关关系。(3)干旱周期主要集中在1970年代、1990年代和2000年代存在2—5年显著周期,气候因子在3.4—4.5年存在显著周期。(4)春季高纬度地区的气流南下,与印度洋、孟加拉湾北上气流导致南湿北干;夏季蒙古气旋偏弱与异常偏北风覆盖导致东干西湿;秋季大陆高压控制,偏北风和南风相互影响造成东干西湿;冬季盛行下沉气流与盛行东南风造成东湿西干的气候特征。     

SPEI指数在中国东北地区干旱研究中的适用性分析

干旱指数的区域适用性是准确表征区域干旱的重要前提,本文以中国东北地区为典型研究区,探讨标准化降水蒸散指数(SPEI)在该地区应用的有效性。基于研究区90个气象台站的逐日气象资料,计算1961—2014年多时间尺度的SPEI指数。从Kolmogorov-Smirnov(K-S)拟合优度检验、SPEI与典型干旱事件核准、SPEI与农作物受旱灾面积及与土壤湿度相关性分析等方面,验证SPEI指数在东北地区的适用性。分析结果表明:1)东北地区多时间尺度的累积水分亏缺量符合Log-logistic分布,SPEI指数在东北地区的应用具备数学统计理论基础;2)生长季平均SPEI值与黑龙江省、吉林省和辽宁省农作物受旱灾面积比例均呈极显著负相关(P0.01);3)在1、3、6和12个月尺度下,SPEI与土壤湿度呈显著正相关(P0.05)的站点比例分别为90.2%、92.16%、90.2%和88.24%。综上所述,SPEI指数不仅满足数学理论统计的要求,而且与干旱灾情数据和土壤水分监测值均具有极度的关联性,说明其在东北地区干旱预测和定量化研究中具有较好的适用性。     

基于SPEI-PM指数的黄淮海平原干旱特征分析

利用黄淮海平原45个气象站点1961—2014年月值气象数据,基于Penman-Monteith蒸散模型计算了标准化降水蒸散指数(SPEI),对黄淮海平原近54年干旱变化趋势、发生频率和持续性特征进行了分析,并探讨了SPEI指数与河南、河北和山东省农业干旱面积的关系,结果表明:(1)改用Penman-Monteith蒸散公式后,SPEI干旱指数在黄淮海平原呈整体上升趋势,即趋于湿润;(2)近54年干旱演变具有明显的年代际差异,20世纪60年代干旱频率最高,而21世纪初(2000—2014)干旱频率整体偏低;(3)黄淮海平原干旱发生具有持续性的特点,20世纪60年代遭受的持续性干旱最为严重,平均干旱持续时长约2.6个月,21世纪初下降到1.5个月;(4)河南、河北和山东省的农业干旱面积年际变化表明,干旱面积呈减少趋势,2000年以后年均受灾面积、成灾面积和绝收面积比2000年之前分别下降了58.0%、44.4%和49.1%;(5)农业干旱面积与SPEI具有中等以上的相关强度,其中对山东省受灾、成灾和绝收面积相关系数r达到-0.7以上,表明基于Penman-Monteith蒸散模型的SPEI指数在黄淮海平原具有良好的适用性。     

植被对不同时间尺度干旱事件的响应特征及成因分析

利用标准化降雨蒸散发指数(SPEI)与归一化植被指数(NDVI)系统研究了中国不同区域、不同土地利用类型的植被对不同时间尺度干旱事件的响应特征,并对成因做出探讨。研究表明:(1)全国大部分区域NDVI与SPEI呈显著正相关,表明中国大部分区域植被生物量变化受干旱时空特征的影响。而沿北纬30度附近的长江流域区域,尤其是长江流域东南部、珠江流域下游等降水相对丰沛区域;黑龙江东北部及长白山地区、四川西部等高寒区域,NDVI与SPEI表现出弱相关性,受干旱影响较小;(2)多年平均水平衡是影响植被对干旱响应的关键因素,土壤水分变化是植被活力与生物量变化的关键影响因子。多年平均日照时数较长的区域,植被变化受干旱影响较大。从对干旱影响敏感性程度来讲,越是水量丰沛的区域,植被受干旱的影响越小,其中,草地对干旱的影响最为敏感,其次为灌木与森林。     

2001-2015年天山北坡植被覆盖对干旱的响应——基于土地利用/土地覆盖分析

天山北坡生态系统脆弱,易受干旱影响,全球变暖和不合理的人类活动加剧了干旱的影响,评估植被覆盖对干旱的响应,为改善生态环境和减轻干旱影响提供科学参考。基于MODIS-NDVI遥感数据以及气象数据,计算了2001-2015年天山北坡多尺度标准化降水蒸散发指数（SPEI）和植被覆盖度,总结出植被覆盖度与多尺度SPEI时空动态变化规律,从土地利用/土地覆盖（LUCC）的角度分析了植被覆盖度对气候干旱的响应。结果表明：（1）天山北坡绝大部分区域呈湿润状态,中部（石河子、呼图壁）、西北部（克拉玛依市）呈轻度干旱。3个月、6个月、12个月时间尺度SPEI均表现出干旱化增强的年际变化趋势;（2）天山北坡植被覆盖度整体上属中低覆盖,总体呈南高北低,天山山区、城市绿洲内部高的分布特点。2001-2015年天山北坡植被覆盖度变化总体呈下降趋势;（3）年尺度天山北坡植被覆盖度与SPEI整体呈正相关关系。不同土地利用/土地覆盖的植被覆盖度与12个月时间尺度SPEI（SPEI 12）的相关性不同,大小依次为：草地 > 未利用地 > 城乡用地 > 林地 > 水域 > 耕地;（4）季节尺度夏季和春季干旱对植被覆盖度的影响最明显,不同季节干旱对不同土地利用/土地覆盖植被覆盖度影响程度不同。     

近60年秦岭山地旱涝变化规律

随着极端气候变化,山地灾害频发。基于秦岭山地32个气象站点的实测数据,以标准化降水蒸散指数(SPEI)为旱涝量化指标,研究了过去60年秦岭山地旱涝时空变化特征、频率、周期等变化规律,结果表明：(1)1960—2019年,秦岭山地年SPEI指数以0.124/10a的速度下降,其中,90.23%的面积呈显著下降趋势,1.96%的面积呈显著上升趋势,并在1990年发生干旱突变;秦岭北坡的干旱化趋势大于南坡,且高海拔地区干旱化更为明显。(2)突变前秦岭山地湿润比例平均值为36.94%,突变后下降为18.19%;干旱比例由突变前的17.64%急剧上升到突变后的38.19%;突变前30年秦岭山地极端干旱事件、严重干旱事件极少发生,发生频率几乎为0;突变后30年严重干旱和极端干旱事件发生频率增加,秦岭南北坡极端湿润和严重湿润事件近乎销声匿迹。(3)整体上,太阳黑子与秦岭山地旱涝变化以显著负相关关系为主;ENSO事件对秦岭山地的旱涝变化影响较大,在La Nina年易发生洪涝事件,在El Ni1o年易发生干旱事件;在不同时域范围内,海表温度距平(SSTA)对秦岭山地旱涝变化的影响不同：1990年以前,S...     

云南省植被NDVI时间变化特征及其对干旱的响应

基于云南省74个气象站点的1997—2012年逐日降水资料和逐旬SPOT-NDVI值,利用标准化降水蒸散指数(SPEI)多尺度分析了云南省干旱时间和强度演变与NDVI时间动态特征及其相关性分析,进而探讨气候变化对植被的影响。结果表明,1999—2013年云南省年平均NDVI值和年最大NDVI值均呈现波浪式的发展趋势,其趋势线斜率分别为0.0017和0.0011;NDVI年内各月变化情况大体上相同;不同季节NDVI的年际变化特征呈现出显著差异。1997—2012年不同时间尺度SPEI均体现出干旱化加剧的趋势,并随SPEI的时间尺度增大而增大;3个月尺度的SPEI值(SPEI3)结果表明,各月的变化呈现先增大后减小的趋势;SPEI3反映出多年季节水平的干旱强度为:冬季秋季春季夏季。总体上,云南省的年均NDVI与SPEI的相关性极弱,年最大NDVI与SPEI呈正相关;多年月均NDVI与不同尺度SPEI的相关性较强且存在滞后性;不同季节NDVI与SPEI的相关性及滞后性有较大差异,其中冬季NDVI、秋季NDVI与其当年当季SPEI的负相关性较强。