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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于同化数据的标准化土壤湿度指数监测农业干旱的适宜性研究

农业干旱是导致作物减产的主要灾害之一,及时、准确地监测农业干旱状况有助于制定区域减灾策略,降低灾害损失。标准化土壤湿度指数(SSMI)是基于历史土壤湿度时间序列构建的一种农业干旱指数,目前分析该指数监测农业干旱的适宜性研究十分缺乏。本文以黄淮海平原为研究区,利用数据同化的根区土壤湿度数据构建SSMI,并通过与标准化降水蒸散指数(SPEI)、农业干旱灾害记录数据的对比以及与冬小麦产量的关系分析,综合评价SSMI监测农业干旱的适宜性。结果表明,SSMI与SPEI具有良好的一致性,二者之间具有极显著相关关系(P0.001);利用SSMI识别的农业干旱与农气站点干旱灾害记录是基本一致的,SSMI能够有效反映干旱发生、发展直至减轻的演变过程;冬小麦生长季SSMI与减产率显著相关,利用SSMI识别的农业干旱发生区域与基于统计数据计算的减产区域基本相符,SSMI能够对农业干旱引起的冬小麦减产起到一定的指示作用。综上所述,基于同化数据构建的SSMI能够反映黄淮海平原的农业干旱状况,利用SSMI监测区域农业干旱状况是适宜的。研究可为基于土壤湿度的农业干旱监测业务化运行提供依据,为黄淮海平原的抗旱减灾提供科学参考。     

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。     

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。     

2001—2020年秦巴山区植被生产力对干旱的响应

为定量评估干旱对秦巴山区植被生产力的影响,本研究利用MODIS GPP数据和标准化降水蒸散指数(SPEI),分析了2001—2020年秦巴山区总初级生产力(GPP)和干旱时空变化特征,识别了不同植被类型GPP负异常事件的波动趋势,量化了GPP的干旱脆弱性和干旱风险。结果表明: 2001—2020年间,秦巴山区98.0%的区域年GPP呈增加趋势。除湿地外,其余植被类型GPP均呈极显著增长。秦巴山区23.8%的区域SPEI呈减小趋势。GPP负异常事件数无显著变化,但GPP异常波动程度逐渐加剧,并以耕地最明显。2011年后,所有地类GPP负异常与干旱并发事件比例均下降,但干旱在GPP负异常事件中的时空范围呈扩大趋势。与2001—2010年相比,2011年后GPP干旱脆弱性和干旱风险为正值的区域占比分别增长104.1%和6.7%,即干旱导致GPP下降的面积有所扩大。所有地类中,干旱导致湿地GPP下降的程度最大。研究结果揭示出2001—2020年干旱使秦巴山区GPP波动加剧,极端值出现频率增大,进而导致多数植被类型GPP出现不同程度的下降。     

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。     

1980—2013年中国陆地生态系统总初级生产力对干旱的响应特征

干旱事件通过影响陆地生态系统的组成、结构和功能显著改变整个陆地生态系统碳循环。陆地生态系统总初级生产力(GPP)是全球陆地碳通量中最大的组成部分,反映了陆地生态系统的生产力水平。本研究利用基于过程模型模拟的GPP数据(DLM GPP)、基于通量观测升尺度的GPP数据(FLUXCOM GPP)和标准化降水蒸散指数(SPEI),量化分析了1980-2013年中国陆地生态系统GPP和干旱的时空格局,讨论了不同时间尺度上GPP对干旱的响应特征。结果表明:1980-2013年,两种不同GPP数据在中国地区呈现的时间变化趋势的空间分布格局较为一致,上升趋势主要分布在西南地区,下降趋势主要分布在东北大部分地区;中国干旱面积的长期时间变化趋势略有下降,其中干旱化趋势主要位于秦岭淮河以南地区,而西北内陆地区则呈现明显的湿润化趋势;时间尺度上,GPP与SPEI年际变化格局基本吻合,1986、1997、2001和2011年等干旱年份的GPP显著降低;空间尺度上,北方大部分地区的GPP与SPEI呈正相关,南方大部分地区呈负相关,干旱对GPP的影响在半干旱地区表现更加明显;GPP对干旱的响应格局与选取干旱指数的时间尺度密切相关,而且不同方式估算的GPP对干旱响应和敏感度存在差异。因此,未来需进一步改进GPP模型和方法,增加观测站点,提高GPP估算的精确性。     

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。     

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。