基于SPI的石羊河流域气候干湿变化及干旱事件的时空格局特征研究

利用石羊河流域4个气象站1960—2013年逐月降水量资料,应用标准化降水指数(SPI)、游程理论等方法,分析石羊河流域近54年的气候干湿变化及不同时间尺度干旱事件时空演变特征。结果表明:1不同时间尺度SPI对降水量变化的敏感程度存在较大差异,时间尺度越小,SPI对一次降水的反应越明显。2石羊河流域年代际、年际和季的SPI在波动中均呈增加趋势,其中,冬季湿润化速度最快,对年湿润化过程的贡献最显著。31960—2013年,石羊河流域不同时间尺度干旱事件持续时间、干旱程度和干旱强度均呈减少趋势,且波动渐趋平缓;石羊河流域农业干旱和水文干旱最严重的时期分别为1964—1965年和1962—1964年。4两种时间尺度干旱事件持续时间的减少速度从上游至下游均逐渐变慢,上游乌鞘岭地区是农业干旱持续时间最长区域,永昌和下游民勤地区是水文干旱持续时间较长区域;两种时间尺度干旱事件干旱程度减少速度最快区域均在上游乌鞘岭地区;武威和民勤地区3月尺度干旱强度稍有上升,其它地区不同时间尺度干旱事件干旱强度均呈下降趋势,永昌地区是多尺度干旱事件干旱强度较大区域。     

1986—2019年黄土高原干旱变化特征及趋势

干旱作为极端气候事件之一,其频率和强度的变化影响到区域水资源,而干旱半干旱区植物生长的主要限制因素是水分,因此,研究黄土高原干旱时空特征及未来变化趋势对当地的生态环境具有重要意义。本研究基于1986—2019年降水和温度逐月格点数据,计算标准化降水蒸散发指数(SPEI)和干旱发生频率,并运用Mann-Kendall检验和Sen斜率估计方法,探讨了黄土高原的年、季尺度干旱时空分布及变化特征,最后利用NAR神经网络结合Hurst指数对黄土高原未来干旱趋势进行预测。结果表明: 研究期间,黄土高原总体呈现干旱化趋势,且年际和季节尺度的干旱发生频率在空间上差异较大。其中,年际、春季和冬季以黄土高原东南部和西部干旱发生频率最高,夏季和秋季以西北部干旱发生频率最高。夏季以中度干旱发生频率最高,年际及其他季节以轻度干旱发生频率最高。黄土高原春、夏季呈现干旱化趋势,秋、冬季研究区大部分区域干旱趋势减轻。黄土高原年际、春季、夏季的SPEI值在未来一段时间内仍处于下降趋势,即干旱化趋势加重,且夏季的Hurst指数最大,持续性变化最强,未来持续干旱的可能性高于其他季节。     

山西典型生态区植被指数(NDVI)对气候变化的响应

利用1982—2006年8 km的NSASA/GIMMS半月合成的月植被指数（NDVI）和同期气候数据,根据山西地形地貌结合土地利用及植被调查资料,将山西划分为9个区域,分析了这9个典型生态区的NDVI年际、年代际以及月季的变化规律,同时分析了NDVI对降水、气温以及干旱指数PDSI等气候要素的响应特征。结果表明：近25年来山西植被指数呈起伏上升趋势,并存在明显的年际变化;NDVI在空间变化上表现为南部好于北部、东部好于西部,不同生态区中林区>农业区>农牧区;林区春季植被指数显著上升,除晋南农业区月变化为双峰型外,其他生态区均表现为单峰型;林区NDVI与气温存在一致相关,PDSI与NDVI的相关好于降水、气温单一因子;植被指数对气候年际变化响应有明显的滞后性,降水的年际变化对植被指数影响最大,尤其是降水的累积效应。     

基于SPEI的北京低频干旱与气候指数关系

干旱是北京地区发生最频繁、波及面积最大、持续时间最长的一种自然灾害。基于1868—2010年每月的降水和平均气温数据,应用综合了降水和气温变化共同效应的新的干旱指标标准化降水蒸散指数(SPEI)定量描述北京地区的干湿状况,并利用历史旱灾记录对其进行验证;采用连续小波转换(CWT)分析近150 a来的干旱振荡特征,并利用交叉小波变换(XWT)探论了干旱与大尺度气候因子之间的关系。结果表明:1)SPEI揭示的干旱与历史记录比较吻合,证明该指数可以在多时间尺度上有效地反映北京地区旱涝程度及其持续时间;2)北京地区干旱具有80—120个月年际尺度和250个月、480个月年代际尺度的周期振荡,呈现了同大尺度气候因子相似的变化特征;3)北京干旱变化与四大气候因子存在着多时间尺度的显著相关性,SPEI和北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)、太平洋涛动(PDO)都具有100—120个月和250个月的年代际主共振周期,而SPEI和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)在整个研究期内都表现出极显著的32—64个月年际主共振周期,同时SPEI与4个气候因子在共振周期上均体现出比较明确的时滞特征(2—6月不等)。因此,可以基于大尺度气象因子结合SPEI预测北京地区未来的干旱变化。     

我国极端干旱天气变化趋势及其对城市水资源压力的影响

随着全球气候变化和水循环的改变,降水不均和持续干旱等极端天气事件的频度和强度增加,对水资源,尤其是人口和社会经济密度高的城市的水资源带来很大的影响和压力。为了探究我国干旱天气的变化趋势、区域特征、及其对城市水资源压力的影响,采用全国917个气象站点1951—2014年的逐日降水量数据集,分析了我国水资源及干旱的变化趋势和空间分布特征,并以我国289个主要地级市为研究对象,构建了气候变化情境下的城市基于区域降水禀赋的水资源压力评估方法,预测并展望了不同时段和不同代表性浓度路径(RCPs)情景下的未来城市水资源压力的情况。结果显示,我国极端干旱情况整体是随着全球气候变化增加的,年最长连续无降水天数变化速度的平均值为2.3d/100a,但是具有区域性,具体表现为南部地区干旱减缓而北部地区干旱严重。我国城市水资源压力受水资源禀赋的影响,呈现北方高而南方低的分布,除此之外水资源消耗大的大城市资源压力也比较大。随着气候变化,近期我国整体城市水资源压力相对现阶段增加了2%左右,具体水资源压力上升的城市有170个,水资源压力减少的城市有110个,剩下的9个城市水资源压力受气候变化的影响比较小。在低应对的RCP8.5情景下的城市水资源压力远远高于在RCP2.6情景,这说明减缓气候变化工作对降低我国城市水资源压力有积极作用;城市水资源压力的变化并不是均匀的,呈现南部减少而北部增加的变化趋势,我国华北地区城市的水资源压力最大,随着气候的变化,该地区的水资源压力也在随着时间不断增加,需要政府积极行动,提出有针对性和前瞻性的水资源规划方案,并依据方案采取措施,以应对气候变化造成的城市干旱增加。     

2000—2015年青藏高原草地归一化植被指数对降水变化的响应

降水变化是造成青藏高原草地植被生长年际变异的重要因素,降水量、分配方式及发生时间是降水变化的重要特征.利用2000—2015年青藏高原及附近区域145个气象站点的降水资料,以年降水量表征降水整体状况,以改进的降水集度(PCI)表征年内降水的分配状况,以定义的降水重心(PC)表征降水的集中时期,分析青藏高原降水变化的时空特征;并进一步以归一化植被指数最大值(NDVI_max)表征植被生长状况,探讨了青藏高原草地对降水年际变化的响应.结果表明: 青藏高原年降水量和PCI存在明显的梯度特征,PC在西藏南部形成中心.青藏高原灌丛草地NDVI_max年际变化对PCI变化响应敏感,降水越均匀越有利于NDVI_max的增加,但受到降水量的限制;高寒草甸对降水特征没有表现出显著的相关关系;草原植被NDVI_max的年际变化同时受PCI和PC的控制;高寒荒漠植被NDVI_max的年际变化主要受降水量的控制.在研究降水变化对青藏高原不同类型植被的影响时,除降水量之外,还需进一步考虑降水的分配格局等特征.     

中国北方气候干湿变化及干旱演变特征

利用中国北方15个省(区、市)320个气象站1960—2014年逐月降水量资料,运用标准化降水指数(SPI)、标准差和相关分析等方法,基于不同时间尺度,对近55年来中国北方及不同干湿区气候干湿时空变化特征进行分析,并从干旱站次比、干旱强度等方面分析了年际干旱的时空变化特征。结果表明:(1)1960—2014年中国北方地区整体呈变干趋势,年际干旱站次比和干旱强度在同步波动中均呈下降趋势。(2)1960—2014年北方地区春季和冬季呈湿润化趋势,冬季湿润化趋势最明显,夏季和秋季呈干旱化趋势,夏季干旱化趋势最显著,夏季降水对年干湿状况的变化起决定性作用。(3)湿润区和半湿润区有干旱化趋势,而干旱区和半干旱区均呈湿润化趋势发展;湿润区和半湿润区年际干旱站次比、干旱强度呈上升趋势,而干旱区和半干旱区则相反。(4)中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区以及处于季风区和非季风区分界线两侧的半湿润区和半干旱区气候干湿变化均呈显著同步波动变化趋势,而中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区与中国北方西部非季风区的干旱区气候干湿变化呈显著反向波动变化趋势,夏季具有同样的规律,而冬季和春季四大干湿区干湿变化具有较好的同步一致性。     

Aboveground net primary productivity and soil respiration display different responses to precipitation changes in desert grassland

荒漠草原区地上净初级生产力和土壤呼吸对降水变化的不同响应 降水变化既影响地上植被动态,也影响地下碳循环过程,尤其以干旱半干旱生态系统对降水的响应更为敏感。然而极端降水如何影响土壤碳固存潜力仍未得出明确结果。本研究在黄土高原西部荒漠草原样地实施了为期3年的降水控制实验,该实验包含5个降水梯度(即自然降水(对照),以及在自然降水基础上的减水40%、减水20%、增水20%、增水40%)。通过对不同降水处理下植物生长指标、地上净初级生产力(ANPP)、土壤水分和土壤呼吸(Rs)进行监测,采用双侧不对称模型揭示ANPP和Rs对降水变化的响应规律;采用结构方程模型,分析降水变化下影响ANPP和Rs的直接和间接因素。研究结果表明,ANPP对极端干旱的响应比极端湿润更敏感,在干旱和湿润年份均符合负向不对称模型。ANPP的变化主要受到降水的直接影响,同时,干旱年份植物密度的变化也对ANPP产生了影响。在湿润年份,Rs对降水变化的响应也呈负向不对称性。然而,干旱年份,Rs对降水变化表现出正向不对称响应,即对降水增加响应的敏感性高于降水减少,这可能与植物生长和ANPP对增水处理的正响应增加使自氧呼吸增强,及降水事件对异氧呼吸具有较强的‘Birch效应’有关。在干旱年份Rs对极端干旱(减水40%处理)表现出饱和响应。ANPP和Rs对降水格局改变的响应模式差异表明荒漠草原区极端湿润或干旱可能降低研究区土壤碳固存的潜力。     

1956-2009年内蒙古苏尼特左旗荒漠草原的降水格局

弄清全球变化背景下不同地区降水格局的变化对科学理解气候变化及其影响具有重要意义。苏尼特左旗荒漠草原是温带干旱半干旱地区的典型荒漠草原,对气候变化,特别是降水变化非常敏感。利用1956-2009年的日降水资料探讨了苏尼特左旗荒漠草原降水格局的变化规律,以为揭示气候变化的影响机制提供依据。结果表明,该地区年均降水量为191.9 mm,年际变化剧烈,变异系数达26.63%;年均降水日数为63.8 d,变异系数16.9%。生长季降水占全年的85%,但各月变异系数均>50%;降水日数占全年的63%。年和生长季的各月降水以中等降水量、弱降水日数为主,中等强度以上降水事件较少。近50 a来,年和生长季的降水量、降水日数与各等级降水事件均呈下降趋势,年降水减少的原因在于中等降水事件的减少、生长季降水减少的原因在于弱降水事件的减少。年降水减少将影响草地的土壤水分与植物返青;而生长季降水减少将直接影响草地固碳。气候变化背景下年与生长季降水的减少将进一步加剧该地区干旱程度并影响植物的生长发育,从而直接威胁到草地畜牧业的发展。     

内蒙古羊草草原植物群落地上初级生产力时间动态对降水变化的响应

植被生产力对水热因子的反应是气候 -植被关系研究的焦点之一。利用 1981～ 1994年的固定围栏样地植物群落调查数据及同期降水资料 ,分析了羊草草原群落地上初级生产力和降水的年际变化特征及植物群落地上初级生产力的时间动态与降水年际变化的相互关系。结果表明 ,羊草草原年降水以及月降水的年际波动明显 ;年内降水分配不均匀 ,降水集中分布于 6～ 8月份。月均降水以 7月份最高 ,基本呈对称分布。群落地上初级生产力年际间变化介于年降水与月降水的年际变化之间。影响群落地上初级生产力时间动态最显著的因子是植物生长周期内前一年 10月至当年 8月的累积降水 ,而与年降水和月降水无显著相关。群落地上初级生产力时间动态对累积降水波动的反应呈显著的二次曲线关系 ,与空间尺度上地上初级生产力与年降水呈线性相关关系不同。因此 ,降水波动对羊草草原地上初级生产力的影响是一个累积效应 ,确定对植物生长产生影响的有效降水时间对建立羊草草原生产力模型关系具有十分重要的意义。