基于综合气象干旱指数的石羊河流域近50年气象干旱特征分析

借助数理统计理论和GIS空间分析技术,利用综合气象干旱指数(composite index,CI),根据石羊河流域5个气象站1961-2010年实测气象资料,对石羊河流域近50a的干旱在时空上的变化特征进行分析.首先计算了各站历年逐日的CI指数,统计近50 a各站点出现的干旱过程、各时段的干旱事件,在此基础上分析了石羊河流域干旱发生的频率、覆盖范围和强度和不同等级干旱发生的多年平均日数.分析结果表明:(1)石羊河流域四季干旱发生频率均呈现北高南低的空间分布规律;在四季中,夏季干旱发生频率最高,冬季频率最低;极小值都在乌鞘岭,极大值略有不同:春、夏、冬季干旱发生频率极大值在民勤,秋季极大值在武威.(2)石羊河流域有大范围干旱发生的年份夏季和秋季较多分别有22 a、11a,冬季最少只有4a.(3)石羊河流域不同等级干旱日数总体上呈现夏季多冬季少、北部多南部少的规律,和降水量的空间分布有较好的负相关性.(4)干旱发生成因除了主要受东亚季风和西南季风的影响外,还应考虑到径流的影响.研究结果与实际情况相符,可为相关部门根据本地区干旱特征制定相应抗旱对策提供理论依据.     

基于综合气象干旱指数的1961—2012年阿勒泰地区干旱时空演变特征

基于阿勒泰地区7个气象站1961—2012年的逐日气温、降水等气象资料,运用趋势分析法、M-K突变检验法、小波分析法并结合Arc GIS软件,探究了阿勒泰地区干旱的时空演变特征.结果表明:综合气象干旱指数能较好地反映阿勒泰地区干旱状况.研究期间,阿勒泰地区虽然年和四季的干旱频次和不同等级干旱覆盖范围都呈减少趋势,但是旱情仍较为严重,年和季节的干旱发生频繁,且多年存在重旱和特旱发生在整个阿勒泰地区;秋季和冬季的干旱频次分别在1997和1983年发生减少突变,夏季的干旱频次首先在1962年发生增加突变,随后在1991年发生减少突变,年均和春季的干旱频次无突变发生;年和四季的干旱频次都存在明显的周期性.干旱频次和不同干旱等级在空间上的分布表明,东部清河县旱情较为严重,中部阿勒泰市、富蕴县、布尔津县、福海县旱情次之,西部地区的哈巴河和吉木乃县的旱情较轻.     

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。     

基于综合气象干旱指数的1961—2012年阿勒泰地区干旱时空演变特征

基于阿勒泰地区7个气象站1961—2012年的逐日气温、降水等气象资料,运用趋势分析法、M-K突变检验法、小波分析法并结合ArcGIS软件,探究了阿勒泰地区干旱的时空演变特征.结果表明： 综合气象干旱指数能较好地反映阿勒泰地区干旱状况.研究期间,阿勒泰地区虽然年和四季的干旱频次和不同等级干旱覆盖范围都呈减少趋势,但是旱情仍较为严重,年和季节的干旱发生频繁,且多年存在重旱和特旱发生在整个阿勒泰地区;秋季和冬季的干旱频次分别在1997和1983年发生减少突变,夏季的干旱频次首先在1962年发生增加突变,随后在1991年发生减少突变,年均和春季的干旱频次无突变发生;年和四季的干旱频次都存在明显的周期性.干旱频次和不同干旱等级在空间上的分布表明,东部清河县旱情较为严重,中部阿勒泰市、富蕴县、布尔津县、福海县旱情次之,西部地区的哈巴河和吉木乃县的旱情较轻.     

黄土高原草地净初级生产力时空动态及其影响因素

利用光能利用效率模型(Carnegie-Ames-Stanford approach,CASA)模拟2000-2015年黄土高原草地净初级生产力(NPP),分析黄土高原草地NPP的时空动态、NPP变化稳定性和持续性特征,从植被类型、地形因素、气候变化和人类活动4个方面探讨黄土高原草地NPP的影响因素.结果表明:黄土高原草地NPP的平均值为202.93 g C·m^-2·a^-1,其年际变化特征呈现显著增加的趋势,平均年增加速率为2.43 g C·m^-2·a^-1;分布具有明显的空间异质性,大体呈南高北低的状态.黄土高原草地NPP呈增加趋势的区域占总草地面积的91.2%,主要分布在陕西省的大部分地区、甘肃陇东及陇中地区和青海等地.草地NPP变化较为稳定的区域主要集中在鄂尔多斯的南部地区、陕北地区和甘肃等地.大部分地区草地NPP未来的变化趋势与过去一致,且陕西省的大部分地区以及甘肃省的陇中及陇东地区的草地NPP将呈现持续显著增加的趋势.坡面草地的平均NPP值最高,为703.37 g C·m^-2·a^-1;而高山亚高山草地NPP平均值最低,为57.28 g C·m^-2·a^-1.高海拔地区的草地NPP较高,而平原及丘陵地带草地NPP相对较低.研究期间黄土高原降水量的增加对草地NPP的增加具有明显的促进作用;人类活动诸如过度放牧状况的改善以及退耕还草等政策的实施对黄土高原草地NPP的增加也具有重要作用.     

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...     

黄土高原神府资源开采区生态环境质量时空格局特征

煤炭的开采促进了地区经济发展,同时也影响了当地的生态环境。因资源开采区在监测研究中常忽视了生态环境质量的长时间影响和时空变化。以神府开采区为例,基于Landsat系列遥感数据,使用遥感生态指数、Mann-Kendall检验法、R/S分析法等,对该区2000—2020年间生态环境质量时空格局特征进行时间序列分析和空间格局特征研究。结果表明：研究区域20年的RSEI均值为0.469,生态环境质量多年平均属于中等等级。2000—2020年间神府矿区生态环境质量总体上看有所改善,20年前后波动变化维持在0.523;同时建设用地也不断增加,从107.09km²增加至273.53km²。变化趋势上生态环境质量趋势变优、不显著和变差的面积比例分别约为56.1%、16.3%和27.6%。研究区生态环境可持续性整体上不强,大量区域显示反持续性特征。资源开采活动引发的地质环境问题致使生态环境退化,表现为直接影响区生态环境质量低于间接影响区,平均低2.68%。研究揭示了矿区长时间序列的变化状况与未来变化趋势及可持续性特征,探讨工矿业对生态环境质量的影响,为神府矿区...     

豫西黄土高原农作区鼠类群落动态：时空尺度格局的初步分析

本文分析了豫西农业生态系统中鼠类群落局部空间尺度的短期动态格局。在区域尺度上,该群落为棕色田鼠＋大仓鼠型,群落多样性与丰富度和均匀度都有显著的正相关,丰富度的作用大于均匀度的作用。由于资源分布的斑块性,群落优势种和次优势种对环境变异的季节性反应不同,故群落的时空格局具有明显的变化。在农田中,群落在秋季分化为棕色田鼠＋大仓鼠亚群落型和大仓鼠＋棕色田鼠型,后者的生境斑块为单一的玉米田和油葵田;在作物轮作的格局下,群落多样性与丰富度和均匀度都有显著的正相关。在果园中,无论果树树龄和季节的变化,棕色田鼠的多度总是大于大仓鼠,即群落格局是不变的,而群落多样性与丰富度和多度之间均无显著的相关性。然而,灌溉可使大仓鼠与棕色田鼠的数量关系发生逆转,因此灌溉不仅影响果园中鼠类群落格局的分化,而且也将影响到农田中的这种分化。在一年弃耕地中,群落格局从夏季开始由棕色田鼠＋大仓鼠亚群落型转化为大仓鼠＋棕色田鼠亚群落型;在第３年末演替结束时,多年生植物取代一年生植物成为优势种,大仓鼠＋棕色田鼠群落格局则趋于稳定。在此过程中,群落多样性和丰富度与均匀度均无显著的相关性。本研究结果还表明,异质性可导致农作区鼠类群落的多样性     

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...     

近17年新疆干旱时空分布特征及影响因素

新疆是我国西北区重要的粮食和商品棉生产基地,受地理环境的影响,干旱频发,给社会经济及农业生产造成了巨大的损失。基于MODIS遥感数据和气象数据,估算温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index, TVDI),分析新疆2000—2016年干旱的年际、年内时空变化特征及其与气象因子的关系,结果表明:1)TVDI可以有效地描述新疆的干旱状况,适用于对该地区进行干旱监测;2)2000—2016年间新疆TVDI空间分布具有较强的地域分异性,呈现为天山山脉以北及昆仑山脉地区较湿润,塔里木盆地地区较干旱,新疆TVDI多年均值为0.751,整体上处于中旱状态。年内TVDI季节空间分布差异显著,不同季节的干旱程度大小为:夏季>春季>秋季>冬季;3)新疆各地州TVDI年内月变化整体上呈现为先增加后降低的趋势,最小值在1月(0.267),最大值在6月(0.930),在14个地州中,伊犁哈萨克、阿勒泰和博尔塔拉多年间基本处于无旱状态;4)17年间不同土地利用类型干旱程度表现为林地<草地<建筑用地<耕地,干旱类型转移的主要特点为无...     

近50年黄土高原地区降水时空变化特征

根据黄土高原地区214个地面气象站最近50年(1961-2010年)的逐日降水量数据, 采用非参数Mann-Kendall和Mann-Whitney法,从黄土高原地区、典型黄土高原和综合治理分区3个层面,对本地区年降水量(PTOT)、侵蚀性降水量(R12mm)、汛期降水量(RJJAS)和暴雨量(R50mm)的时空变化特点进行了研究。结果表明:(1)在黄土高原地区,PTOT、R12mm和RJJAS变化的空间格局基本一致,从东南向西北,其减少幅度逐渐变小,至西北部和最西部,其反而略有增加。但是R50mm变化的空间趋势不大明显。相比之下,典型黄土高原PTOT、R12mm和RJJAS变化的空间趋势更为突出。(2)在黄土高原地区,约83%的站点PTOT呈减少趋势,69%的站点R12mm和RJJAS呈减少趋势;其中20%的站点PTOT减少显著,10%的站点R12mm和RJJAS减少显著。而约68%的站点R50mm变化率为零。相比之下,在典型黄土高原,呈减少或显著减少趋势的站点比例较高,约92%的站点PTOT呈减少趋势,80%的站点R12mm和RJJAS呈减少趋势;其中24%的站点PTOT减少显著,12%的站点R12mm和RJJAS减少显著。R50mm变化率为零的站点比例则较底,约占62%。(3)近50a黄土高原地区的PTOT和R12mm总体上分别呈显著和接近显著减少趋势,递减率分别为9.9mm/10a和5.9mm/10a;但是其RJJAS和R50mm的减少不显著。近50a典型黄土高原的PTOT和R12mm均呈显著减少趋势,递减率分别为13.4 mm/10a和8.1mm/10a。其RJJAS减少趋势接近显著,递减率为7.6mm/10a。但是其R50mm减少不显著。(4)就5个综合治理区而言,第Ⅰ区和第Ⅱ区的PTOT总体呈显著减少趋势,这两个区的R12mm分别呈接近显著和显著减少趋势,而第Ⅲ至Ⅴ区的PTOT和R12mm总体呈不显著增加趋势。仅第Ⅱ区的RJJAS呈显著减少趋势。R50mm在第Ⅰ区、第Ⅱ区和第Ⅳ区减少不显著,在第Ⅲ区和第Ⅴ区变化率为零。(5)近50aPTOT减少的突变时间在黄土高原地区、典型黄土高原和综合治理第Ⅱ区始于1986年, 在第Ⅰ区始于1991年。PTOT在其余3个区没有出现突变现象。这些结果表明,在典型黄土高原,尤其是其水土保持重点区(即第Ⅱ区),近50a的年降水量、侵蚀性降水量和汛期降水量明显减少,但暴雨量却未显著减少。这意味着如果此种趋势继续下去,尽管因水蚀导致的土壤侵蚀量总体上会有所减少,但是缺水情形会更为严峻,因暴雨导致的剧烈水土流失仍不会有明显缓解。     

黄土高原1961-2009年参考作物蒸散量的时空变异

基于48个站点的气象数据,对黄土高原1961—2009年参考作物蒸散量的空间分布特征和时间变化趋势进行了分析。结果表明,黄土高原年均参考作物蒸散量为1060.3 mm,西北部高于东南部,最低值出现在西南区。1961—2009年整体呈上升趋势,年均增幅1.3 mm;春季变化最显著,冬季变化最小。ET0在1994年发生上升趋势的突变,之后上升趋势一直非常显著。湿度和温度是最重要的影响因子。ET0不断增长而降水呈降低趋势,这将恶化该区水资源短缺的问题,需要采取一定的措施来减缓气候变化带来的负面影响。     

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。     

黄土丘陵小流域景观格局指数的粒度效应

采用基于GIS的景观格局分析法,研究了1975-2007年黄土丘陵沟壑区大南沟小流域景观格局指数在1～50 m粒度范围内的粒度效应.结果表明：研究区小流域景观格局指数的粒度效应明显,不同年份之间的差异显著;该区景观格局指数的粒度效应可分为5种类型,即稳定不变型、平稳降低型、波动降低型、波幅增强型和不规则变化型.研究区景观的斑块丰富度属于稳定不变型,即随着粒度增大保持不变;边界长度、边界密度、景观形状指数、聚合度指数和蔓延度指数属于平衡降低型,即随着粒度增大呈显著的线性降低趋势;分维数随粒度增大呈波动递减趋势,属于波动降低型粒度效应;景观总面积、Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数的波幅呈显著增大趋势,属于波幅增强型粒度效应;不规则变化型粒度效应的景观格局指数包括斑块数、斑块密度、平均斑块面积、最大斑块指数、破碎度指数和景观分离度指数.1975年研究区上述景观格局指数的粒度效应与其他年份之间的差异显著,甚至截然相反.     

甘肃省黄土高原旱作玉米水分适宜性评估

运用甘肃省天水、西峰农业气象试验站1981—2008年玉米观测资料及两地相应时段的气象资料,利用FAOPenman-Monteith公式及作物系数对玉米各生育阶段的需水量进行估算,建立了玉米水分适宜度计算模型,对1981—2008年玉米全生育期及各生育阶段的水分适宜度进行了计算,分析了玉米产量与水分适宜度的相关性。结果表明,甘肃省黄土高原种植玉米的水分条件比较优越,年平均水分适宜度均在0.50以上。陇西黄土高原(天水)与陇东黄土高原(西峰)水分适宜度相关程度较好,变化趋势比较一致。1995年是水分适宜度的转折年份,1981—1995年陇西黄土高原水分适宜度以0.12/10a的趋势降低,陇东黄土高原以0.11/10a的趋势下降;1995—2008年陇西黄土高原水分适宜度以0.18/10a的趋势升高,陇东黄土高原以0.06/10a的趋势上升。水分适宜程度以成熟期较好,降水量可满足玉米需水的70%以上,旺盛生长阶段水分适宜程度较差,降水量只能满足玉米生理需水的49%—55%,初始生长阶段耗水较少,大气降水对需水的满足程度在50%以上。出苗期—七叶期、拔节期—抽雄期、抽雄期—乳熟期、乳熟期—成熟期的水分适宜度呈20世纪80年代较高,90年代较低,21世纪初较高的趋势变化;七叶期—拔节期水分适宜度从20世纪80年代到21世纪初持续降低。陇东黄土高原各个生长阶段的水分适宜度比陇西黄土高原偏高约0.1。除成熟生长阶段外,陇西黄土高原的需水量均大于陇东黄土高原。水分适宜度与玉米产量相关性最显著的时期为七叶期—拔节期,其次为拔节期—抽雄期,出苗期—七叶期、抽雄期—乳熟期及乳熟期—成熟期的水分适宜度与玉米产量相关性不显著。利用建立的水分适宜度模型可对甘肃省黄土高原旱作玉米的水分适宜性进行评价,为当地玉米种植区划及科学管理提供依据。     

陕北黄土高原生态系统涵养水源价值的时空变化

在GIS支持下,采用水量平衡法、容量折算法等计算了生态系统涵养水源的物质量,采用成本核算、市场价格法等计算了涵养水源的价值量.结果表明:陕北黄土高原生态系统涵养水源量及其价值在1978-2000年总体呈先增加再减少的趋势.其中,1978-1990年生态系统总涵养水源数量从15.98×109t·a-1增加到19.19×109t·a-1,总涵养水源价值从10.71×109元·a-1增加到12.86×109元·a-1,年均递增率为1.39%;1990-2000年生态系统总涵养水源数量从19.19×109t·a-1减少到17.96 x 109t·a-1,总涵养水源价值从12.86×109元·a-1减少到12.03×109元·a-1,年均递减率为0.68%.陕北黄土高原生态系统涵养水源量及涵养水源价值在空间分布上存在一定的差异,呈现南北高、中部低的趋势.     

干旱胁迫下黄土高原4种乡土禾草抗氧化特性

采用盆栽实验,对干旱胁迫下黄土高原4种乡土禾草冰草、长芒草、无芒隐子草和白羊草叶片过氧化氢(H₂O₂)、丙二醛(MDA)含量、抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性和非酶抗氧化物质还原型抗坏血酸(AsA)、还原型谷胱甘肽(GSH)、类胡萝卜素(Car)含量进行了测定。 结果表明:随着干旱胁迫程度的加剧,4种乡土禾草叶片H₂O₂、MDA含量均呈增加趋势,这说明它们均遭受了干旱所造成的氧化胁迫,且干旱程度越大其遭受的氧化胁迫也越大。由于4种乡土禾草均为禾本科植物并生存于相同的生态环境中,它们在抗氧化特性上具有一定共性。在60%FC和45%FC干旱胁迫下,4种乡土禾草均可以通过增加抗氧化酶SOD、CAT、APX、GR、DHAR、MDHAR、GPX活性和非酶抗氧化物质AsA含量来抵御干旱所造成的氧化胁迫。由于种属差异,4种乡土禾草的抗氧化特性也存在差异。在60%FC和45%FC干旱胁迫下,冰草、无芒隐子草和白羊草还通过增加非酶抗氧化物质Car含量增强抗氧化能力,长芒草和白羊草则还可通过增加POD活性抵御干旱。在60%FC干旱胁迫下,冰草还可通过增加非酶抗氧化物质GSH含量提高其抗氧化性。采用隶属函数法对4种乡土草种抗氧化能力的综合评价表明,冰草的抗氧化能力最强,其次为无芒隐子草和白羊草,长芒草的抗氧化能力最差。     

1961-2010年陇东参考作物蒸散量时空变化及气候影响因子

基于陇东地区15个气象站点1961-2010年的逐日气象资料,采用气候倾向率、偏相关分析、线性回归分析等方法,结合GIS空间分析技术中的反距离权重法(IDW),对各站不同时间和空间尺度的参考作物蒸散量(ET0)进行定量化分析,并研究其时空变化特征及气候影响因子.结果表明:近50年陇东地区年均ET0呈微弱下降趋势;夏季ET0显著减少,是造成年均ET0下降的主因,春季ET0明显增加,秋、冬季变化趋势不明显;各站点月均ET0变化趋势呈一致的单峰型;本区北部和中部年均ET0较大,西部较小;春季大部分地区ET0呈增加趋势,夏季全区ET0呈减少趋势,秋、冬季各站变化趋势不明显;ET0的变化与相对湿度和降水量呈负相关,与温度、日照时数和风速呈显著正相关;日照时数、风速和相对湿度为影响本区ET0的主要气象因子.