华北地区2001-2014年植被变化对SPEI气象干旱指数多尺度的响应

近年降水量的减少以及全球气候变暖的影响导致我国华北区域干旱程度加剧,影响植被生长状况,使得区域生态环境恶化。基于华北地区2001-2014年的TRMM及MODIS数据,以归一化植被指数NDVI、净初级生产力NPP、植被状态指数VCI作为植被状况表征指数,以标准化降水蒸散指数SPEI作为气象干旱表征指数,对华北地区近年的气象干旱及植被状况时空变化进行评价,并分析植被对干旱的多尺度响应。结果表明：（1）华北地区干旱在西南部地区呈明显加重趋势,东北部地区干旱状况有所好转;针对不同时间尺度的SPEI表示干旱的变化趋势,得出月份尺度干旱呈现干湿交替特征,选取SPEI时间尺度越长,干旱化趋势越明显;（2）NDVI与NPP所反馈的植被长势空间分布略有差异,总体而言华北地区植被状况大部分地区呈好转趋势,但研究区中部部分地区及部分沿海地区植被状况转差;（3）植被状况指数与SPEI指数在大部分地区呈正相关,NPP与SPEI的相关性强于NDVI与SPEI的相关性,且相关程度在草原地区及中高海拔地区最高,林地对干旱的敏感度最弱;各植被类型在植被生长季的多数月份对SPEI-3响应最明显,且在夏季相关程度最高,夏季及其前期的季尺度干旱更易影响植被生长状况,SPEI-12对植被的影响主要表现为影响植被生长季初期的植被状态。     

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。     

东北地区植被NDVI对不同时间尺度SPEI的响应

植被在陆地生态系统中起至关重要的作用。近年来干旱频率逐渐增加,对植被的生长发育产生严重的影响。本研究基于1982—2015年的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和不同时间尺度的标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)的相关性来评估东北地区植被生长状况对干旱的响应。结果表明:年尺度和季尺度内NDVI和SPEI的最大相关系数值在研究区内西部内蒙古草原地区最大,东部长白山脉地区次之,中东部东北平原地区最小,且NDVI与SPEI的相关系数在12个月以上的时间尺度较大;生长季(4—10月)和夏季(6—8月)的NDVI对SPEI响应最为敏感,春季(4—5月)、秋季(9—10月)响应依次减弱;其中,5—7月的NDVI与SPEI-24的显著相关像元比例较高,而8—10月的NDVI则与SPEI-06的显著相关像元比例较高;不同的植被类型对干旱响应不同,森林NDVI在不同月份与不同尺度的SPEI大体上呈负相关,草原和农作物则主要以正相关为主。     

青藏高原植被绿度变化及其对干湿变化的响应

青藏高原是全球气候变化的敏感区,特殊的自然环境孕育了极端脆弱的植被及其生态系统,已成为研究植被对气候变化响应的一个理想区域。植被易受气候变化的影响且响应可能因季节和植被类型而异。该研究将标准化降水蒸散指数(SPEI)和MODIS归一化植被指数(NDVI)分别作为干湿度和植被绿度指标,采用Sen’s斜率估计、BFAST模型和相关分析,分析了2000–2018年青藏高原植被绿度变化的时空格局特征,并探讨了植被绿度对干湿变化的响应。结果表明:2000–2018年青藏高原植被绿度呈上升趋势,但变化速率空间差异显著。大部分高原地区植被绿度于2012–2015年间存在突变,突变后普遍呈上升趋势,以藏北地区最为突出。青藏高原植被生长季NDVI与不同时间尺度SPEI整体呈正相关关系,且在生长季的中后期相关性逐渐增强。青藏高原植被对SPEI的响应表现出一定的年内周期性,草本植被(草甸和草原)区尤为显著。相对于森林和灌丛植被,草本植被对SPEI响应更为敏感,且在生长季的不同阶段对不同时间尺度的SPEI的响应存在明显差异。     

2000—2019年长江流域植被覆盖时空演化及其驱动因素

长江流域作为中国重要的生态屏障，科学认识长江流域植被覆盖时空变化及其驱动因素，对有效开展长江流域生态工程建设具有重要的指导意义与应用价值。基于2000—2019年间MODIS-NDVI与相关气象等数据，采用Theil-Sen median趋势分析、Mann-Kendall检验、变异系数、偏相关分析、残差分析等方法，研究了近20年来长江流域植被覆盖的时空分布与变化特征，并探究了研究区植被覆盖的驱动因素。结果表明：(1)时间变化上，长江流域生长季NDVI呈现波动增长趋势，显著改善面积大于退化面积；(2)空间分布上，流域植被覆盖空间分布格局大致呈现为“中部高，东西低”,生长季NDVI多年均值为0.6164,呈较高植被覆盖状态；(3)变化趋势上，植被增长区域大于减少区域，具体表现为“中部强于东部、东部强于西部”;(4)变化稳定性上，流域植被变异系数介于0.0104—1.3199之间，呈现出“中间低，东西高，东西部局部区域高低波动并存，地域性差异明显”的空间变化稳定性特征；(5)影响因素上，流域植被覆盖变化受气温和降水的共同影响，大部分区域生长季NDVI变化以气候驱动为主，局部区域表现自然因素叠...     

黄土高原植被日光诱导叶绿素荧光对气象干旱的响应

随着气候变化的加剧,干旱的频率、持续时间以及发生范围都越来越严重,探索植被光合对干旱的响应以及气象因子对植被光合的影响对于人们如何应对干旱具有重要意义。基于遥感的日光诱导叶绿素荧光(SIF)具有对干旱条件下区域植被光合作用进行早期监测和准确评估的潜力。本研究基于星载SIF和标准化降水蒸散发指数(SPEI)研究了黄土高原地区2001—2017年生长季内(4—10月)植被光合作用对干旱的响应关系及其受气象因子的影响程度。结果表明: 黄土高原地区植被生长季内SIF与SPEI呈显著正相关关系的区域占比为87.8%,其中,半干旱地区植被光合对干旱的响应较敏感,半湿润地区敏感性较低。不同类型植被光合对干旱的响应存在差异,草地对干旱响应的敏感性最高,响应最强的SPEI时间尺度为3～4个月;林地的敏感性最低,SPEI时间尺度为3～10个月。气象因子与SIF存在显著的相关关系,其中,温度和降雨是影响黄土高原植被光合的重要影响因子,光合有效辐射的影响模式与温度相似。黄土高原地区生长季内不同的气候和植被类型条件下,植被光合所受干旱及各气象因素的影响存在较大差异。     

科尔沁沙质草地生物量积累过程对降水变化的响应模拟

科尔沁沙地是中国北方严重的沙漠化区域之一,理解其沙质草地生物量积累对降水变化的响应有利于该区域的生态恢复和后续经营管理。在植被-土壤水分耦合模型的基础上结合植被阈值-迟滞响应模式(T-D),在点尺度上模拟科尔沁沙质草地生长季植被生物量积累过程对降水变化的响应。结果表明(1)植被生物量积累对降水量变化表现出明显的非线性响应。降水量增加,促进植被生物量积累,反之则抑制生物量积累,但在同等程度的降水量变化下生物量积累对降水增加的响应远大于对降水量减少的响应。(2)生物量积累对降水频率变化的响应与单次有效降水量变化在干旱年和湿润年都显著正相关,但与累计有效降水量相关性微弱,而与有效降水间隔变化只在干旱年显著相关,表明在不同年份间降水频率变化实际上通过改变单次有效降水量和有效降水间隔来影响生物量的积累。(3)生物量积累过程对降水频率变化存在明显的响应阈值,但该阈值在不同的降水量和降水特征下并不相同。科尔沁沙质草地植被生物量积累过程对降水变化有明显的响应,植被-土壤水分耦合模拟与T-D模型的结合能有效地在日尺度上识别这种响应,这为探究植被和降水关系提供了新工具。     

中国灌木生态系统的干旱化趋势及其对植被生长的影响

大量研究表明,21世纪全球气温将持续升高,干旱将不断加剧,具有超强抗旱能力的灌木在未来的区域乃至全球生态系统过程中将会发挥越来越重要的作用。灌木在我国有着广泛的分布,其总面积超过了我国陆地面积的20%。本研究旨在通过计算中国灌木生态系统的标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)来分析其干旱变化趋势及其对灌木生态系统植被生长的影响。结果显示,中国灌木生态系统的SPEI在1961—2013年间总体上呈显著地下降趋势,但其趋势在1992年发生了显著变化,这表明中国灌木生态系统正在持续地干旱化,并且在最近二十几年干旱化加剧。我们还分析了不同灌木生态系统EVI(Enhanced Vegetation Index, EVI)对SPEI变化的响应,结果显示不同的灌木生态系统类型对SPEI变化的响应不同。夏季,高寒荒漠灌木半灌木、温带荒漠灌木半灌木和温带落叶灌木EVI与SPEI变化显著正相关,而亚高山常绿灌木和亚热带常绿灌木EVI则与SPEI的变化显著负相关。温带落叶灌木EVI与春季SPEI变化显著正相关,但却与秋季和冬季的SPEI显著负相关。此外,亚热带常绿灌木EVI还与春季SPEI变化显著正相关。从空间上来看,北方的灌木生态系统比南方的灌木生态系统对干旱的变化更加敏感,同时,南方湿润地区的灌木在生态系统尺度也体现了较强的抗旱能力。在全球持续干旱化的大背景下,研究灌木生态系统EVI对干旱变化的响应将有助于对区域生态系统过程变化的理解。     

西南地区植被对陆地水储量的响应

为探究中国西南地区植被生长对陆地水储量变化的响应规律，本研究利用重力恢复和气候实验(GRACE)卫星的陆地水储量异常(TWSA)数据以及归一化植被指数(NDVI)数据分析了2003年1月—2021年12月间中国西南地区植被与TWSA的变化趋势及相互关系。结果表明：研究期间中国西南地区的NDVI整体呈现上升趋势，而TWSA在西藏中南部呈现显著下降趋势，在西藏西北部及中国西南地区东南部呈现显著上升趋势。Pearson相关分析表明，中国西南地区NDVI对TWSA变化的响应具有显著的空间差异，西藏大部分区域NDVI对TWSA的变化呈现显著的负响应，而中国西南地区东南部大部分区域NDVI对TWSA的变化呈现显著的正响应，这受到气候变化与地貌差异的影响。     

气候变化下中国不同植被区总初级生产力对干旱的响应

干旱变化具有明显的空间分异,不同植被类型对干旱的响应亦有差别。开展气候变化下不同植被覆盖类型对干旱响应的差异分析,厘清温升干旱化进程对植被的影响,对了解植被发展动态及预测未来格局有着非常重要的意义。基于1982—2017年的总初级生产力(GPP)数据和同时期东安格利亚大学气候研究中心(CRU)时间序列(TS)气候数据,分析了中国8个植被区GPP和干旱的变化趋势,通过对比标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)的趋势差异识别了典型的温升干旱化区域,在此基础上研究气温上升如何影响GPP对干旱的响应,进一步讨论了不同植被类型对干旱的敏感性差异。结果表明：(1) 36年来8个植被区除青藏高原高寒植被区呈湿润化,其他植被区均呈现变干趋势;(2)气温上升大面积加剧了温带荒漠区和温带草原区的变干趋势;(3)亚热带常绿阔叶林区和热带季风雨林、雨林区的GPP受温度和干旱影响相当,青藏高原高寒植被区和针叶、落叶林混交林区的GPP受温度主导,其他植被区GPP均受干旱主导。     

Changes and Relationships of Climatic and Hydrological Droughts in the Jialing River Basin,China

The comprehensive assessment of climatic and hydrological droughts in terms of their temporal and spatial evolutions is very important for water resources management and social development in the basin scale. To study the spatial and temporal changes of climatic and hydrological droughts and the relationships between them, the SPEI and SDI are adopted to assess the changes and the correlations of climatic and hydrological droughts by selecting the Jialing River basin, China as the research area. The SPEI and SDI at different time scales are assessed both at the entire Jialing River basin and at the regional levels of the three sub basins. The results show that the SPEI and SDI are very suitable for assessing the changes and relationships of climatic and hydrological droughts in large basins. Based on the assessment, for the Jialing River basin, climatic and hydrological droughts have the increasing tendency during recent several decades, and the increasing trend of climatic droughts is significant or extremely significant in the western and northern basin, while hydrological drought has a less significant increasing trend. Additionally, climatic and hydrological droughts tend to increase in the next few years. The results also show that on short time scales, climatic droughts have one or two months lag impact on hydrological droughts in the north-west area of the basin, and have one month lag impact in south-east area of the basin. The assessment of climatic and hydrological droughts based on the SPEI and SDI could be very useful for water resources management and climate change adaptation at large basin scale.     

基于SPEI指数的长江中下游流域干旱时空特征分析

基于长江中下游流域1961—2015年129个气象站点的逐日气温和降水数据,利用标准化降水蒸散指数(SPEI),对长江中下游流域近55年年尺度及各季节干旱变化趋势、站次比、强度和频率进行了分析,并探讨了干旱和区域气温、降水变化及ENSO的关系。结果表明:(1)在区域尺度,近55年长江中下游流域年尺度、春季和秋季呈干旱化趋势,春季干旱化趋势显著;夏季和冬季呈湿润化趋势。空间变化上,对于年尺度,汉江流域、中游干流区及洞庭湖流域以干旱化趋势为主,鄱阳湖流域、下游干流区和太湖流域以湿润化趋势为主;春季和秋季分别有96.90%和92.25%的站点呈干旱化趋势;夏季和冬季分别有82.95%和72.87%的站点呈湿润化趋势。(2)年尺度、春季和秋季干旱站次比及强度均呈增加趋势,春旱站次比与强度增加趋势显著;夏季和冬季干旱站次比和强度均呈下降趋势。(3)年尺度和春季干旱频率在21世纪初均达到最高,年尺度、春季和夏季干旱频率从20世纪90年代到21世纪初均呈增加趋势。(4)春、秋季干旱化趋势与降水量的减少及气温的上升相关,夏、冬季降水量的增加使得夏、冬季呈湿润化趋势。冬季SOI和次年春季干旱相关性极显著,冬季发生拉尼娜事件时,次年春季更易发生干旱。     

西南山地流域NDVI变化特征及降水敏感性——以贵州沅江流域为例

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是反映植被生长的重要指标,探究其时空变化特征,对生态保护、退耕还林和灾害防治具有重要意义。选取2000—2015年贵州沅江流域典型年份NDVI,采用重心分析、标准差椭圆、地理加权回归等方法,从干旱视角探究流域NDVI变化和降水敏感性。得出以下结论:(1)2000—2015年贵州沅江流域NDVI总体处于上升趋势,植被正在改善,期间西部植被改善最为明显,退耕还林还草取得较好成果。(2)2000—2015年贵州沅江流域干旱年与正常年NDVI空间变化趋势不一致,干旱程度对植被影响具有区域差异。(3)贵州沅江流域NDVI与降水呈负相关,空间敏感性自西向东递增,降水对流域西部喀斯特山区NDVI影响更明显。(4)2000—2015年贵州沅江流域NDVI时段变化与降水主要为负相关,降水越多NDVI时段变化敏感性越弱,退耕还林还草工程应重点放在负敏感区。研究结果可为退耕还林还草和干旱灾害防治提供科学参考。     

Drought footprint on European ecosystems between 1999 and 2010 assessed by remotely sensed vegetation phenology and productivity

Drought affects more people than any other natural disaster but there is little understanding of how ecosystems react to droughts. This study jointly analyzed spatio‐temporal changes of drought patterns with vegetation phenology and productivity changes between 1999 and 2010 in major European bioclimatic zones. The Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index (SPEI) was used as drought indicator whereas changes in growing season length and vegetation productivity were assessed using remote sensing time‐series of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Drought spatio‐temporal variability was analyzed using a Principal Component Analysis, leading to the identification of four major drought events between 1999 and 2010 in Europe. Correspondence Analysis showed that at the continental scale the productivity and phenology reacted differently to the identified drought events depending on ecosystem and land cover. Northern and Mediterranean ecosystems proved to be more resilient to droughts in terms of vegetation phenology and productivity developments. Western Atlantic regions and Eastern Europe showed strong agglomerations of decreased productivity and shorter vegetation growing season length, indicating that these ecosystems did not buffer the effects of drought well. In a climate change perspective, increase in drought frequency or intensity may result in larger impacts over these ecosystems, thus management and adaptation strategies should be strengthened in these areas of concerns.     

干旱与湿润区流域时变水热耦合参数的归因分析

气候变化和下垫面条件的改变共同影响着流域的水热耦合状况,定量剖析其影响对研究变化环境下流域水量平衡和能量分配具有重要意义。以往多数研究只做了定性分析,对不同影响因素的定量贡献研究甚少。基于此,以干旱区无定河流域和湿润区汉江上游为研究区域,在Budyko框架下,估算了干旱与湿润区流域的时变水热耦合参数,并通过逐步多元回归模型、敏感性和贡献率分析,定量归因了水热耦合控制参数的演变,并将干旱与湿润区流域做了对比分析。结果表明：干旱与湿润区流域的水热耦合参数在1970-2013年间均呈显著上升趋势;不同气候区水热耦合参数变化的主导因子不同,干旱区无定河参数对降水和植被覆盖度（NDVI）具有较高的敏感性,且NDVI的变化主导着参数的变化（贡献率为89.5%）;湿润区汉江上游参数的变化对气温、有效灌溉面积（EIA）和NDVI更敏感,其中,EIA主导着参数的变化（贡献率为83.1%）;总体来说,下垫面的变化是无定河和汉江上游水热状况改变的驱动因素。     

Satellite detection of cumulative and lagged effects of drought on autumn leaf senescence over the Northern Hemisphere

Climate change has substantial influences on autumn leaf senescence, that is, the end of the growing season (EOS). Relative to the impacts of temperature and precipitation on EOS, the influence of drought is not well understood, especially considering that there are apparent cumulative and lagged effects of drought on plant growth. Here, we investigated the cumulative and lagged effects of drought (in terms of the Standardized Precipitation–Evapotranspiration Index, SPEI) on EOS derived from the normalized difference vegetation index (NDVI3g) data over the Northern Hemisphere extra‐tropical ecosystems (>30°N) during 1982–2015. The cumulative effect was determined by the number of antecedent months at which SPEI showed the maximum correlation with EOS (i.e., R_max‐cml) while the lag effect was determined by a month during which the maximum correlation between 1‐month SPEI and EOS occurred (i.e., R_max‐lag). We found cumulative effect of drought on EOS for 27.2% and lagged effect for 46.2% of the vegetated land area. For the dominant time scales where the R_max‐cml and R_max‐lag occurred, we observed 1–4 accumulated months for the cumulative effect and 2–6 lagged months for the lagged effect. At the biome level, drought had stronger impacts on EOS in grasslands, savannas, and shrubs than in forests, which may be related to the different root functional traits among vegetation types. Considering hydrological conditions, the mean values of both R_max‐cml and R_max‐lag decreased along the gradients of annual SPEI and its slope, suggesting stronger cumulative and lagged effects in drier regions as well as in areas with decreasing water availability. Furthermore, the average accumulated and lagged months tended to decline along the annual SPEI gradient but increase with increasing annual SPEI. Our results revealed that drought has strong cumulative and lagged effects on autumn phenology, and considering these effects could provide valuable information on the vegetation response to a changing climate.     

Ecosystem Evapotranspiration as a Response to Climate and Vegetation Coverage Changes in Northwest Yunnan,China

Climate and human-driven changes play an important role in regional droughts. Northwest Yunnan Province is a key region for biodiversity conservation in China, and it has experienced severe droughts since the beginning of this century; however, the extent of the contributions from climate and human-driven changes remains unclear. We calculated the ecosystem evapotranspiration (ET) and water yield (WY) of northwest Yunnan Province, China from 2001 to 2013 using meteorological and remote sensing observation data and a Surface Energy Balance System (SEBS) model. Multivariate regression analyses were used to differentiate the contribution of climate and vegetation coverage to ET. The results showed that the annual average vegetation coverage significantly increased over time with a mean of 0.69 in spite of the precipitation fluctuation. Afforestation/reforestation and other management efforts attributed to vegetation coverage increase in NW Yunnan. Both ET and WY considerably fluctuated with the climate factors, which ranged from 623.29 mm to 893.8 mm and –51.88 mm to 384.40 mm over the time period. Spatially, ET in the southeast of NW Yunnan (mainly in Lijiang) increased significantly, which was in line with the spatial trend of vegetation coverage. Multivariate linear regression analysis indicated that climatic factors accounted for 85.18% of the ET variation, while vegetation coverage explained 14.82%. On the other hand, precipitation accounted for 67.5% of the WY. We conclude that the continuous droughts in northwest Yunnan were primarily climatically driven; however, man-made land cover and vegetation changes also increased the vulnerability of local populations to drought. Because of the high proportion of the water yield consumed for subsistence and poor infrastructure for water management, local populations have been highly vulnerable to climate drought conditions. We suggest that conservation of native vegetation and development of water-conserving agricultural practices should be implemented as adaptive strategies to mitigate climate change.     

多尺度下宝鸡地区干旱动态格局演变及其与植被覆盖的关系

利用宝鸡地区11个气象站点1974—2013年逐月气温和降水量数据,基于标准化降水蒸散指数(SPEI),结合土地利用/覆盖数据,从干旱发生频率、发生强度及与植被NDVI相关性等角度,探讨了近40年来干旱时空变化格局及其对植被覆盖的响应。结果显示:宝鸡地区年均SPEI指数以-2.50%/a的速度下降,干旱趋势明显增强。自20世纪末以来,全区年均干旱指数呈明显的上升趋势,以2007—2010年增大趋势最为显著(超过0.05临界线);近40年来,春季干旱发生频率达60%及以上的有21 a,达90%以上的有9a。1981—1986年起伏变化最为剧烈。秋季平均干旱发生频率为46.29%,为春、夏、秋、冬4个季节中最低。从干旱发生强度来看,全区年际、四季及月6个时间尺度上干旱强度高、低值区域分布均比较集中;秋季强度最弱的区域面积表现最高,占总面积的75.47%。干旱发生最严重的是春季,占总面积的11.90%。全区干旱与植被覆盖相关性均表现较好(均通过0.05显著性水平检验),林地、草地负相关性最为显著(除夏季),夏季、秋季、月尺度上,耕地、水域、城乡地区干旱与植被覆盖的相关性与土地利用类型无关。