基于信息熵的新疆降水时空变异特征研究

基于信息熵理论对新疆降水序列的时空变异性进行研究。利用边际熵研究不同时间尺度降水序列的变化特征。利用分配熵和强度熵分别研究降水量和降水天数年内和年代际(10a)分配情况。利用改进的Mann-Kendall趋势检验法分析新疆降水过程不确定性变化趋势。研究表明:(1)新疆降水量与降水天数年内分配不均匀性主要表现为由南向北减小的空间分布特征;(2)新疆不同尺度的降水序列不确定性具有明显空间特征;(3)越降水越稀少的地区,降水量与降水天数变异性就越大。本研究对该区域降水时空变异研究与水资源规划具有重要意义。     

中国东北地区近50年净生态系统生产力的时空动态

东北地区处于我国最高纬度地区,是全球气候变化最敏感的区域之一,研究东北地区净生态系统生产力对气候变化的响应,对阐明北半球中高纬度陆地生态系统碳源汇格局具有重要意义。基于CEVSA(Carbon Exchange between Vegetation,Soil and Atomasphere)模型,对1961—2010年东北地区净生态系统生产力NEP的时空格局及变化趋势进行分析,并探讨了气候变化与区域碳源汇的关系。结果表明:(1)1961—2010年,东北地区年NEP总量在-0.094PgC/a—0.117PgC/a之间波动,年平均0.026PgC/a,占全国NEP总量的15%—37%。过去50年东北区域NEP没有明显的线性变化趋势,20世纪80年代碳吸收量最高,20世纪90年代后碳吸收量开始下降。(2)东北地区NEP的空间分布呈现出东部高,西部和中部低,北部高,南部低的空间格局。过去50年来,碳源区向大气释放的碳量在减少,碳汇区从大气吸收的碳也在减少。(3)NEP的年际变化与温度呈负相关(r=-0.343,P0.05),与降水呈显著正相关(r=0.859,P0.01),东北地区NEP和年降水量的变化规律基本一致,即同期上升或达到最高值,温度和降水共同作用导致东北地区NEP的年际变化,而年降水量的变化对NEP年际变化起主要作用。在空间上,东北地区NEP与降水呈极显著正相关(P0.01)的面积占研究区域总面积的91.5%,与温度呈显著负相关(P0.05)的面积占31.6%,降水也是决定NEP空间分布的最主要因子。(4)升温伴随降水增加导致1961—1990年NEP呈增加趋势,而其后升温伴随降水减少则是近20年东北区域碳汇能力减弱的重要原因。     

近51年来三江源区降水变化的空间差异

利用1960—2010年三江源区12个气象站的降水资料,通过气候线性趋势分析、5年滑动平均、IDW插值法、Morlet小波分析和R/S分析法对该区降水量的时空变化特征进行了分析,并探讨了降水量变化趋势。结果表明:三江源区1960—2010年降水量总体呈现增加趋势,具体表现为20世纪60、70和90年代降水量偏低,80年代明显偏高,2000年以后显著增多;从季节变化来看,春季、夏季和冬季降水量均呈增加趋势,尤其春季增加显著,而秋季降水量呈减少趋势,不同流域的季节变化趋势不尽相同;空间变化上,三江源区绝大部分地区的降水量呈增加趋势,表现为北高南低,东西差异明显,同时不同季节的空间变化存在差异;不同流域降水量在一定的时间序列中存在不同周期变化;三江源区年降水量和各季节降水量的未来变化趋势与过去基本一致,但各流域降水的持续性强度有所不同。     

利用GIS和多变量分析估算青藏高原月降水

随着空间降水信息需求的日益增加,空间降水插值已被广泛应用。降水区域不同,插值方法不同;时间尺度不同,插值方法也不相同。适合于所有地区的通用降水插值模型是不存在的。青藏高原自然地理特征独特,分析高原降水的时空格局意义重要。以青藏高原及其周边地区140个气象站点的月降水信息及其该地区的数字高程数据(DEM)为基础,利用G IS工具,对比分析了五种插值方法在青藏高原不同降水年份(以1998年、1997年分别代表丰水及欠水年份)的干湿季(1998年的干湿季分别以12月份和8月份为代表,1997年的干湿季分别以1月份和7月份为代表)月降水插值中的应用,并对整个高原地区的干季和湿季的月降水进行制图。这5种插值方法分别是:克里金插值法、反距离加权法、样条法、混合插值法Ⅰ和混合插值法Ⅱ,前3种插值方法未考虑海拔高度对降水的影响,而混合插值法则将高程作为降水的重要影响因子。结果表明:①在干季,无论是丰水还是欠水年份,月降水量都比较少,高程对降水量的影响较小,在月降水插值时可不考虑高程的影响,克里金法的月降水插值精度最高。②在湿季,月降水量较多,高程的影响较大,混合插值法比局部插值法及克里金插值法的精度高,尤以混合插值法Ⅱ(多元回归和样条法的综合)的精度最高。③干季,整个高原的月降水很少,西部和北部降水最少,东部和南部相对较多;湿季,高原的月降水较多,空间格局表现为由东南向西北递减。     

基于NDVI云南地区植被生态系统对气候变化的适应性分析

基于遥感影像数据资料和ArcGIS, 利用2000—2016年云南地区植被生态系统NDVI与气温及降水之间的响应关系, 分析不同区域气候变化类型对当地植被生态系统长势的潜在影响, 进行气候变化背景下植被生态系统的适应性分析。结果表明: 研究区2000—2016年NDVI整体呈现不同程度的增加趋势, 植被覆盖度显著增加的区域主要分布在滇东北和东部的部分地区, 植被覆盖度减小的区域主要集中在中部城市密集地区和滇西北。NDVI和气温整体上呈正相关关系, 尤其以东北和东部地区较为明显, 负相关的区域主要分布于滇西北高海拔地区; NDVI和降水的相关性小于气温。基于NDVI的植被生态系统表现为适应和中度适应当地气候变化类型的区域占研究区总面积89.16%, 主要分布于南部、东北部和东部地区; 表现为不适应当地气候变化类型的区域主要分布于中部城市密集地区、滇西北部分地区。森林生态系统表现为适应和中度适应当地气候变化类型的区域占研究区总面积的79.29%, 主要分布于东部、东北部和南部部分区域, 不适应当地气候变化的区域主要分布在滇西北和中部零星地区。     

基于时空数据挖掘技术的华东区域暴雨时空特征

基于TRMM 3B42降雨数据,构建5个年尺度的时间序列参数,结合数据挖掘和GIS空间分析技术,分析2003—2015年中国华东区域暴雨时空特征.结果表明: 2003—2015年,研究区年降水量与年暴雨降水量空间分布较为相似,年降水总量呈略微上升的趋势,年暴雨降水比例的时间波动较显著;暴雨降水空间分布在南北方向的差异性明显强于东西方向;年暴雨频次的时间波动较小但空间差异显著;年暴雨降水呈现向北偏移的趋势;5个变量的变化趋势均表现出较强的空间差异性,且大部分像元呈不显著的增加(或减少)趋势.     

近45年内蒙古大兴安岭林区不同等级降水变化特征

利用内蒙古大兴安岭林区11个气象站点1971—2015年逐日降水资料,采用一元线性趋势、反距离加权(IDW)插值法和Morlet小波分析方法,分析了该林区近45年不同等级降水(小雨、中雨和大雨)日数及强度的时空变化特征。结果表明:(1)小雨日数呈现减少趋势,中雨、大雨日数变化趋势不明显;不同等级降水强度年际变化趋势不明显,进入2000年以后,大雨强度波动趋于平缓;(2)各级降水对总降水的平均贡献率大小依次为小雨中雨大雨;(3)不同等级降水强度均存在不同时间尺度的周期变化规律,小雨存在7、13、19、27 a左右的周期变化,中雨存在22、10 a左右的周期变化,大雨存在25、7 a左右的周期变化;(4)在空间分布上,中雨、大雨日数和各级降水强度均呈现由西向东逐渐增加的空间分布趋势,小雨日数却呈相反趋势;(5)林区各地的降水量年际变化差异不显著。研究结果可为该地区林业、农业生产提供基础性参考。     

云南省气候生产潜力的时空变化

利用云南省1961-2017年101个国家级气象站年平均气温、年降水量资料,运用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型计算了云南省3种气候生产潜力,用Mann-Kendell法进行突变检验,并分析了时空分布特征及未来趋势.结果表明:研究期间,云南平均温度气候生产潜力(Yt)、降水气候生产潜力(Yr)和蒸散气候生产潜力(Ye)值分别为1968、1477、1434 g·m^-2·a^-1,Yt呈波动上升状态,Yr/Yt值显示地区间水热配比差异大,约束性条件也明显不同;气候生产潜力存在突变现象,Yt在2001年开始明显突变,Yr没有突变,Ye在2002-2004年有突变;气候生产潜力及气候倾向性空间分布不均,全省各地年平均Yt、Yr和Ye分别在1030~2465、927~2341和832~1995 g·m^-2·a^-1,3种气候生产潜力均为滇西北和滇东北最低,滇西南和滇南最高,大部分地区Yt、Yr和Ye的气候倾向率分别为增长、减小和增长趋势;8种模拟未来气候变化的方案(仅气温增加1℃、仅降水增加10%、仅气温降低1℃、仅降水减少10%、气温增加1℃且降水减少10%、气温增加1℃且降水增加10%、气温降低1℃且降水增加10%、气温降低1℃且降水减少10%)将导致研究区Ye分别变化6~45、13~77.2、15~67、-87^-17、-74~46、58~96、-54~57、-101^-59 g·m^-2·a^-1.整体上,如果未来气候趋于"暖湿"化,将有利于研究区农作物增产,如果趋于"冷干"化,将不利于农作物生产.     

基于信息熵的我国日降水量随机性和时空差异性

我国日降水过程呈现明显的随机性与时空差异性,如何准确认识其时空变化规律对洪涝灾害防治等实际工作的影响具有重要意义.本文基于1961—2013年全国520个气象站点的日降水数据,选用信息熵指标研究我国日降水量的随机性.结果表明:研究期间,我国东南地区日降水量的随机性大于西北地区,且不同等级日降水量随机性的空间分布存在差异,小雨(降雨量0.1~10 mm,P_0)等级日降水量随机性较大,差异不明显,中雨(10~25 mm,P₁₀)、大雨(25~50 mm,P₂₅)等级日降水量随机性最大,差异明显,暴雨及以上(≥50 mm,P₅₀)等级日降水量随机性最小,差异最明显.整体上,日降水的信息熵值呈上升趋势,表明全球气候变化下我国大部分地区日降水量的随机性增大,尤其表现为极端暴雨发生的频次明显增大.日降水信息熵的空间分布及其变化趋势可以很好地综合反映我国日降水量随机性的空间分布格局,可为洪涝灾害防治、农业规划布局、生态环境规划等提供科学依据.     

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。     

1961-2009年淮河流域昼夜降水变化特征

利用淮河流域162个台站1961-2009年逐时降水资料,采用线性倾向估计、REOF分析、功率谱、Mann-Kendall突变检验等方法,分析淮河流域昼夜降水基本特征及其时空演变规律.结果表明:淮河流域昼夜降水空间差异明显,总体呈北少南多分布,年夜雨量和夜雨日略多于昼雨量和昼雨日,且不同季节和不同强度等级降水昼夜差异显著;气候变化导致淮河流域昼夜降水量格局发生改变,年夜雨量大部地区有增多趋势,年昼雨量呈东部减少而西部增多的趋势.REOF分析表明,年昼夜降水量空间模态基本划分为流域东北部、中北部、西北部、东部、西部和南部等6个高载场区;流域年昼夜降水量均存在7～9a显著主周期振荡,此外年昼雨量还存在2 a左右次周期变化.Mann-Kendall分析表明,年昼夜降水量均分别经历了一次减少和一次增多的突变,但未通过0.05的信度检验.     

西北干旱地区气候变化及其对草地生产潜力的影响

依据宁夏各县区24个气象站37年(1981—2017年)间的逐月气温、降水资料,采用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型计算宁夏草地生产潜力,分析其时空变化。结果表明:从时间变化来看,宁夏平均气温以0.47℃·(10a)^-1的速度持续上升,降水量呈先下降后上升的趋势,从2010—2017年年降雨量增加了40 mm;从空间变化来看,宁夏气候从西北向东南由“暖干”向“冷湿”逐渐变化;宁夏草地气候生产潜力从西北向东南逐渐递增;草地气候生产潜力变化趋势与降水变化趋势一致,各时间段气候生产潜力与降水呈显著正相关(P<0.01),与温度呈负相关关系。因此,降水是宁夏草地气候生产潜力的限制因素,草地生产潜力较大区域在宁夏中南部,而以温度升高为特征的气候变化,对宁夏草地气候生产潜力影响较小。     

近50年武威市地气温差变化趋势及影响因子

利用1961—2010年甘肃省武威市4个气象站月平均0 cm地温、气温及年日照时数、蒸发、降水、相对湿度和平均风速等观测资料,运用趋势系数法系统分析了该区域近50 a地气温差的时空分布特征,采用相关系数法和多元线性回归中的标准化回归系数分析了影响地气温差的气象因子。结果表明武威市地气温差的空间分布与地表植被、地层岩性、土层含水量等局域性因素有关,中部绿洲平原最大,北部荒漠区最小。月变化中,夏半年较大,6月最高;冬半年较小,12月最低。季节变化趋势不太一致,春夏季均呈上升趋势;秋季中北部上升,浅山区下降;冬季(除北部荒漠区外)均呈下降趋势。年和年代际变化总体呈上升趋势,中北部较显著;年平均地气温差的时间序列存在着5—7 a的准周期变化,并在2004年发生了突变。年地温、气温均呈升高趋势,年地气温差与地温、气温呈正相关。影响地气温差的主要因子是最高地温、蒸发量和降水量。地气温差与平均最高地温、平均最低气温和日照时数均呈正相关,但与蒸发、降水、相对湿度和平均风速均呈负相关。     

南岭山地1968到2015年降雨的时空变化特征研究

南岭山地位于广东、广西、湖南、江西、福建五省的交界处, 是我国南方重要的生态屏障带。认识南岭地区降水的时空分布特征, 对于深入了解南岭山地生态屏障作用及气候变化条件下该区域的降水规律意义重大。利用1968—2015年中国南岭区域14个气象站的逐月降水资料, 主要采用Mann-Kendall统计检验法、聚类分析法、小波分析方法和Kriging插值法, 研究了南岭地区48年内降水的时空分布特征。结果表明: ①南岭区域的多年平均雨量分布在1203.19 mm到2019.56 mm之间, 总体上来看, 南岭地区降雨量主要集中在南部, 自南向北呈减少趋势, 降水量随着经度增加而增加, 随纬度增加而减少, 且随海拔的升高而减少。②通过对14个站点的48 a降雨情况进行聚类分析可将南岭全区域划分为5个子区域, 全区域以及5个子区域春季、秋季的降水量呈下降趋势, 夏季和冬季呈上升趋势, 汛期大多表现出下降趋势, 非汛期大多呈上升趋势, 但除了南岭最西部的子区域的汛期降雨量表现出显著的下降趋势以外, 其余区域的各时间段降雨量趋势变化均不显著。③全区域和5个子区域的年均降雨量在48 a内没有发生显著的突变, 人类活动以及气候变化对于南岭地区的降水尚未造成非常明显的影响。④南岭地区降雨序列存在多个不同时间尺度的周期, 仅有2 a和13 a通过了85%的红噪声检验, 13 a周期所对应的小波方差峰值较2 a的峰值更高, 因此可将13 a作为南岭地区降雨量变化的主周期。研究结果可为南岭地区的农业、林业、旅游业发展决策和生态屏障作用评价提供参考依据。     

青藏高原植被覆盖时空变化及其对气候因子的响应

研究青藏高原植被覆盖时空分布特征对加深气候变化的认识及生态环境保护具有重要的生态价值和现实意义。利用2000—2016年MODIS NDVI 1km/月分辨率数据以及气象观测数据,采用最大合成法、趋势性分析以及相关分析方法,探讨了不同时间尺度青藏高原地区NDVI的分布特征及其与降水、气温的关系。结果表明:(1)青藏高原东南部植被状况明显好于西北部,植被覆盖的分布格局与区域水热条件的时空分布保持了较好的一致性;近17年来青藏高原植被覆盖改善的地区要比退化的地区面积大,严重退化的区域主要位于青藏高原西南部;青藏高原NDVI值在2000—2016年呈幅度较小的增加趋势。(2)除夏季降水量外,研究时段内其他季节降水量均呈增加趋势;气温均呈增加趋势,尤其以春季增加最为显著,整体上青藏高原气候呈现"暖湿化"趋势。总体上年降水量与年最大合成NDVI呈较好的正相关;年平均气温与年最大合成NDVI在高原东南部呈正相关,西南部呈负相关。降水量和热量条件均是高原植被生长的影响因素,降水与植被覆盖的影响较气温密切。     

基于卫星遥感的宁夏PM_(10)时空变化特征分析

为摸清宁夏地区2013年以来大气环境的变化情况,利用MODIS卫星遥感AOD数据、气象数据及同期地面观测的PM10质量浓度数据,采用地理加权回归方法构建宁夏地区PM10遥感估算模型,分析了2013—2016年宁夏地区PM10时空变化特征。结果表明:从空间分布上看,2013—2016年,宁夏地区PM10空间差异较为明显,南部六盘山区域和西北边缘贺兰山区较低,中部半干旱区和北部引黄灌区较高;宁夏地区PM10浓度年均值为100μg·m-3,区域内年均值分布范围在76~127μg·m-3;年内季节差异明显,冬季最高,春季次之,夏季最低;从时间变化趋势上看,2013—2016年总体呈下降趋势,下降趋势为每年15.8μg·m-3;区域间差异呈减少趋势,PM10浓度年均值区域方差下降速率为每年2.8μg·m-3。     

1967-2017年甘肃省玉米需水量与缺水量时空分布特征

基于1967-2017年甘肃省28个气象站点的逐日气象数据,采用联合国粮食与农业组织（FAO,Food and Agriculture Organization of the United Nations）推荐的作物系数法计算了玉米各生育阶段和全生育期的需水量,结合美国农业部土壤保持局（SCS,Soil Conservation Service）推荐的方法计算了玉米全生育期的有效降水量,进而得到需水量。并利用线性倾向估计、Mann-Kendall检验和空间插值法对甘肃省玉米需水量和缺水量的年际变化趋势和空间分布特征进行分析。结果表明：1967-2017年甘肃省玉米全生育期平均降水量、平均有效降水量、平均需水量和平均缺水量分别为210.43、113.21、545.95 mm和421.00 mm;在时间上,51年来,甘肃省玉米全生育期内的降水量和有效降水量整体上呈明显的下降趋势,而需水量和缺水量整体上没有明显的变化趋势,属于正常波动;在空间上,玉米全生育期的降水量和有效降水量整体上由东南向西北减少,而需水量和缺水量整体上由东南向西北增加。28个站点中,51年来只有甘南和岷县站点的有效降水量能满足玉米生长初期的需水要求,其他站点在任何生长阶段均不能满足玉米需水要求,需要进行人工灌溉。     

河南省冬小麦需水量和缺水量的时空格局

基于河南省30个气象站气候资料以及冬小麦生育期资料,采用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算了有效降水量,应用Penman-Monteith模型和作物系数计算1981—2010年各站冬小麦全生育期需水量,结合数理统计方法,分析近30年来河南省冬小麦需水量和缺水量的时空变化特征,并对其主要影响因子进行探讨。结果表明:Penman-Monteith模型对河南省冬小麦全生育期参考作物蒸散量的模拟能力较强,模拟值与同期小型蒸发皿蒸发量的相关系数r=0.85(P0.01);近30年来,河南省冬小麦全生育期降水量、有效降水量、需水量和缺水量的平均值分别为244.0、114.9、408.0和293.1 mm;在空间分布上,冬小麦全生育期降水量和有效降水量自南向北逐渐减少,而需水量和缺水量与之相反,呈自南向北逐渐增加;1981—2010年各地冬小麦全生育期降水量和有效降水的区域间差异增大,而需水量和缺水量的区域差异在缩小;从时间上看,需水量和缺水量均有下降趋势,但其线性变化趋势并不显著;各站点变化趋势存在区域差异,豫西和豫北呈增加,其余地区呈下降。偏相关分析表明,风速减小是导致河南省冬小麦需水量呈下降的最主要原因,而缺水量与降水量关系最为密切。逐步回归分析显示,需水量和缺水量的变化是各气象因素以及物候期综合作用的结果,从影响因素看,全生育期天数和降水量分别对需水量和缺水量的贡献最大。     

1959—2006年长白山地区降水序列的多时间尺度分析

基于长白山地区松江、东岗、长白、和龙、临江和天池6个气象站1959—2006年的月均降水量和年降水量数据,采用Morlet小波分析方法,对1959—2006年长白山地区植被生长季(5—9月)降水量、降雪季(11月至次年4月)降水量和年降水量序列进行多尺度特征分析,并运用Daubechies小波系中的db5小波对各降水序列进行不同层次的分解和低频重构,对重构序列进行了趋势识别和分析.结果表明:研究期间,长白山地区植被生长季降水量存在3～6a、10～13a和24～30a的特征周期;降雪季降水量存在1～2a、5～7a和17～20a的特征周期;年降水存在8～10a、16～20a、25～30a的特征周期;研究区年降水量序列呈现整体下降的趋势.     

中国西北部草地植被降水利用效率的时空格局

植被降水利用效率(PUE)是评价干旱、半干旱地区植被生产力对降水量时空动态响应特征的重要指标。利用光能利用率CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算了2001—2010年中国西北七省草地植被净初级生产力(NPP),结合降水量的空间插值数据,分析了近十年草地植被PUE的空间分布、主要植被类型的PUE,及其时空格局的驱动因素。结果表明:(1)2001—2010年西北七省草地植被的平均PUE为0.68 g C m~(-2)mm~(-1)。在温带草地各类型中,PUE的大小顺序为草甸草原灌丛典型草原荒漠草原荒漠,各类型草地PUE之间差异显著;对于高寒草地而言,高寒草原的PUE显著高于高寒草甸;(2)温带草地PUE的空间分布与年降水量的关系呈抛物线形状(R~2=0.65,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=472.9 mm的地区;荒漠地区植被PUE的空间分布与年降水量的关系同样呈抛物线形状(R~2=0.63,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=263.2mm的地区;对于高寒草地而言,年降水量100 mm以下地区植被PUE变异较大,年降水量大于100 mm的地区植被PUE的空间分布随降水量的变化呈抛物线形状(R~2=0.47,P0.001),PUE峰值出现在P=559.2 mm的地区;(3)不同降水量区域,植被PUE的年际波动与气候因子的关系也有较大差别。在年降水量为200—1000 mm的地区,草地PUE的年际波动与年降水量的变化呈正相关;在年降水量高于1050 mm的地区,草地PUE的年际波动与年均温的相关性较强,相关系数最高可达到0.4。