气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅳ.基于作物水分亏缺指数的玉米干旱时空特征

基于1959－2008年中国南方地区249个气象台站的地面观测资料,以作物水分亏缺指数为玉米干旱指标,计算其干旱频率和干旱站次比,分析中国南方地区春玉米和夏玉米各生育阶段发生干旱的时空分布特征.结果表明: 从干旱发生频率的空间分布看,春玉米在淮北、云南北部和华南南部发生的干旱较严重,在其他地区的干旱相对较轻;除了长江中下游地区、华南北部和西南东部的夏玉米在生育后期干旱较严重,研究区域内夏玉米在其生育前期和中期干旱较轻.从干旱面积和强度的变化趋势看,长江中下游地区春玉米在七叶到拔节阶段的干旱强度明显增加,在吐丝后到乳熟阶段的干旱面积和强度呈减小趋势;夏玉米在拔节后期到抽雄阶段以及吐丝后到乳熟阶段的干旱都呈减轻趋势.西南地区春玉米、夏玉米的干旱强度和范围没有明显趋势.从干旱面积和范围的年际和年代际变化看,长江中下游地区夏玉米的变化较大,而西南地区差异较小.     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅴ.南方地区季节性干旱特征分区和评述

在干旱特征研究的基础上开展季节性干旱分类分区,可为不同干旱区域应对全球气候变化、制定抗旱减灾对策和防控技术提供理论依据.以国家标准中的气象干旱、农业干旱指标为主要依据,利用南方地区268个气象台站1959-2008年的气候资料,在分析南方地区季节性干旱的气候背景和分布特征的基础上,采用综合因子与主导因子相结合方法、逐级指标筛选法,综合灾害分析和聚类分析方法,对季节性干旱进行3级分区.一级分区以年干燥度和季干燥度为主要指标,以年尺度和主要作物生长季的降水量为辅助指标,将南方区域分为半干旱区、半湿润区、湿润区和极湿润区4个一级区;在此基础上再划分为川滇高原山地温凉半干旱区,江北温暖半湿润区、华南暖热半湿润区和西南高原温凉半湿润区3个半湿润区,长江流域温热湿润区、华南暖热湿润区和西南山地温暖湿润区3个湿润区,以及华南暖热极湿润区和江南西南山区温凉极湿润区2个极湿润区,共9个二级干旱分区.最后基于多个干旱指标的干旱频率和干旱强度,将南方区域分成29个三级干旱区.在分区基础上对不同季节性干旱特征分区分布情况、干旱特点及对农业生产影响进行评述,并提出了防旱避灾措施.     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应.Ⅲ.基于降水量距平百分率的南方地区季节性干旱时空特征

分析季节性干旱时空特征和发生规律,可为全球气候变化背景下制定抗旱减灾对策提供理论依据.本研究利用南方15个省（市、区）的气象台站1959-2008年逐日降水、气温资料,以国家标准《气象干旱等级》中的降水量距平百分率作为干旱指标,并进行修正,计算了1959-2008年南方地区干旱指数,分析了年、季、月尺度干旱频率的空间分布特征、以及干旱强度、干旱站次比的年际变化.结果表明： 研究期间,南方地区年尺度干旱风险总体较小.干旱空间特征存在明显的季节性差异,南方地区季节性干旱以秋旱发生频率最高、强度最重,其多发生在长江中下游地区和华南地区等主要农作区;其次为冬旱,主要发生在西南地区西部和华南地区等冬作区;春旱和夏旱较轻,春旱多发区在西南地区西南部、华南南部以及淮北等地,夏旱多发区在长江中下游地区、福建东南沿海和西南地区东北部.研究区干旱多发区呈明显的月际波动变化和空间转换,11月到次年5月,干旱多发区范围随季节推移减小,5-11月,干旱多发区范围随季节推移增大,4-6月干旱发生范围最小,11-12月干旱多发区范围最广.1959-2008年,南方地区年尺度干旱范围略有减小、干旱强度略有增强,但不同季节表现不尽相同：春旱范围略有减小、强度减轻,夏旱范围明显减小、强度减轻,秋旱范围明显增大、强度增重,冬旱范围减小、强度减轻.     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅰ.降水资源演变特征

基于中国南方地区15个省（市、自治区）262个气象台站1959-2008年的降水量资料,分析了季尺度降水量的趋势系数、降水变率、年际及年代际标准化降水距平的变化特征.结果表明：研究期间,中国南方地区降水变化趋势的季节差异较大,大部分地区春季和秋季降水量呈减少趋势,夏季和冬季降水量呈增多趋势,但西南部分地区略有不同;研究区域春旱发生可能性减小,夏旱、秋旱和冬旱发生的可能性增加;春旱更易发生在华南地区和西南地区,夏旱和秋旱发生可能性较高的地区为长江中下游地区和华南地区,冬旱发生可能性较高地区由华南地区扩大为华南和长江中下游地区.中国南方地区春季和秋季降水自20世纪80年代以来明显偏少,夏季和冬季降水在20世纪90年代以前偏少、20世纪90年代偏多、21世纪以来又偏少.中国南方各区域季节尺度降水量标准距平的年代变化基本一致,研究时段内秋季降水量呈减少趋势,夏季和冬季降水量呈增加趋势.     

气候变化背景下东北三省大豆干旱时空特征

利用1961—2010年东北三省大豆种植区71个气象站点地面气象观测资料,基于农业干旱指标作物水分亏缺指数(CWDI)及干旱等级,分析了气候变化背景下近50年来我国东北地区大豆干旱发生频率演变趋势及干旱程度演变特征,研究结果表明:东北三省大豆干旱频率空间差异较大,呈明显的西高东低的经向带状分布特征;大豆全生育期干旱频率以轻旱最高,中旱次之,重旱和特严重干旱频率最低;轻旱及以上干旱频率以播种到分枝阶段最高,分枝到开花阶段次之,开花到成熟阶段最低;作物水分亏缺指数年际变化趋势各地不同,总体而言以播种到分枝期干旱为主向开花到成熟期干旱转变的特点;大豆全生育干旱等级存在明显的年代际变化,20世纪80年代干旱范围最小、程度最轻,2000年以后重旱及中旱范围增加明显,干旱趋于严重。     

基于改进作物水分亏缺指数的玉米干旱致灾过程识别与动态定量评估

干旱的发生是一个累积渐进的过程,其对农作物的影响机理非常复杂,准确识别干旱的发生发展演变过程并做出动态定量评估非常重要。本文从作物、气象、土壤三个方面综合考虑,优化和改进了作物水分亏缺指数模型中供需水项的计算方法,实现了从出苗开始逐日模拟玉米的水分亏缺状况,进而能够动态定量描述玉米干旱发生发展致灾演变过程。基于辽宁地区1981—2018年气象、玉米发育期、土壤水分和产量数据,利用改进后的作物水分亏缺指数(CWDI_wp)结合春季、秋季、春夏季典型干旱年代表站点减产率与干旱强度的关系,确定了持续时间和CWDI_wp的双因子干旱致灾动态阈值指标,在此基础上对辽宁地区典型时段干旱致灾过程进行评估。结果表明:CWDI_wp与土壤相对湿度呈显著负相关,与改进前相比,CWDI_wp能够更精确地识别干旱的起止时间、干旱历时和干旱程度,更准确地刻画干旱的发生、发展、持续、缓解和解除的演变过程。区域应用显示,该方法可以逐日滚动评估干旱的发生发展,且与实际发生情况一致性较好,不同程度干旱面积对比误差约为9%。     

基于优选遥感干旱指数的华北平原干旱时空变化特征分析

基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)产品和气象资料,对比分析了作物缺水指数(CWSI)、干旱严重度指数(DSI)、归一化植被供水指数(NVSWI)和温度植被干旱指数(TVDI)表征华北平原干旱状况的适用性,并基于优选后的指数研究了2000—2018年干旱的时空变化特征。结果表明：(1)CWSI在反映干旱的效果上明显优于另外三种干旱指数。(2)时间上,2000—2018年春季干旱最严重,其次是秋季和冬季,夏季干旱最轻,但春季干旱强度有所下降,速率为-0.03/10a,而其他三季均呈增加趋势,速率为(0.01—0.08)/10a。(3)空间上,华北平原东部和东南部发生轻旱频率高,西部和北部中旱及以上干旱频率较高。山东省西北部及河南省东部、安徽省北部等地春旱呈显著减弱趋势(P<0.05);夏季华北平原东南部干旱增加趋势显著(P<0.05),而北部减弱趋势显著(P<0.05);秋季华北平原西南一带干旱上升趋势较大;冬季西部、中部及南部干旱增加趋势显著(P<0.05)。     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅵ.防旱避灾种植模式优化布局

南方地区是我国重要的农业种植区,季节性干旱严重影响该地区的农业生产.本文基于南方地区不同干旱分区中选取的13个典型地区1981-2007年气象资料和作物生育期、产量等资料,依据各地逐年降水量将其分为干旱年、正常年和丰水年3种不同降水年型,利用作物水分临界期需水量与降水量的耦合度、气象产量、单位面积产值以及全生育期的水分利用效率和降水量5个指标,对典型地区种植模式的综合效益进行评价,得到南方不同区域不同降水年型下的优化种植模式.结果表明: 半干旱区在干旱年型下,宜采取2种抗旱种植模式：马铃-玉米-甘薯和冬小麦-中稻-甘薯.半湿润区在干旱年型下,种植模式以冬小麦-中稻-甘薯最优,油菜-中稻-甘薯次之.在温润区(即典型的季节性干旱区),江南地区在3种年型下均以马铃薯-双季稻最优;西南地区宜搭配抗旱作物进行三熟制种植,如冬小麦-中稻-甘薯、冬小麦-玉米-甘薯、马铃薯-双季稻等.从最大程度利用水热资源角度考虑,三熟种植模式最优,以水旱轮作为主,丰水年型宜搭配水稻.     

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。     

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.     

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.     

中国遥感干旱指数时空特征及其对气候和地表覆盖变化的响应

干旱严重影响植被生长,威胁粮食安全,基于遥感计算的植被状态指数（Vegetation Condition Index,VCI）、温度状态指数（Temperature Condition Index,TCI）和植被健康指数（Vegetation Health Index,VHI）是常用的干旱指数,被广泛应用于干旱监测。为了探究近年来我国干旱特征及其对气候和地表覆盖变化的响应,分析了2003-2016年期间VCI、TCI和VHI的时空变化特征;采用最小二乘（OLS）和偏相关分析方法分析了这些指数对气候和地表覆盖变化的响应。基于上述干旱指数计算的干旱频率表明,中温带中部和南温带等地区干旱发生频率高,干旱指数变化趋势表明在2003-2016年期间中国大部分地区干旱缓解,但在中温带、南温带和高原气候区等局部地区干旱加剧;总体而言,干旱指数随着年平均温度的上升和年降水量的降低而减小,VHI与温度和降水量的相关性在不同气候区的一致性优于VCI和TCI;裸土的减少和植被的增加导致干旱指数增大,树木转变为低矮植被干旱指数降低。     

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。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅱ.西南地区农业气候资源时空变化特征

基于1961—2007年中国西南地区88个气象台站的地面观测资料,结合统计方法和GIS软件,分析了全年及温度生长期内农业气候资源的时空变化特征.结果表明:1961—2007年,西南地区年平均气温呈上升趋势,平均增速为0.18℃.(10 a)-1;温度生长期内≥10℃和≥15℃积温均呈增加趋势,平均增速分别为55.3℃.d.(10 a)-1和37℃.d.(10a)-1.全区年日照时数呈现由西向东逐渐减少的特征,且东部的减少趋势较西部更显著;温度生长期内日照时数整体呈增加趋势,但空间差异较大.全区降水资源总体减少,年降水量和温度生长期内降水量的平均下降速率分别为10 mm.(10 a)-1和8 mm.(10 a)-1.全区年参考作物蒸散量普遍降低,其减幅小于年降水量的变化趋势,约53%的站点温度生长期内参考作物蒸散量减少.     

基于空间距离指数的中国西北干旱内陆河流域生态敏感性时空演变特征——以石羊河流域为例

生态敏感性是生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的反映程度及生态环境问题发生难易程度和可能性大小的重要因素之一。以中国西北地区典型的干旱内陆河流域-石羊河流域为例,通过借鉴前人研究成果及实地调查研究,将石羊河流域生态敏感性分为生态风险敏感性、水土流失敏感性和生物多样性敏感性三个方面,并系统构建生态风险敏感性指数、水土流失敏感性指数和生物多样性敏感性指数三个定量评价指标,对石羊河流域综合生态敏感性进行研究。并通过格网编码、圈层分析,探讨近30年石羊河流域生态敏感性的时空变化。研究结果表明:(1)1987—2016年间石羊河流域生态敏感性总体上逐年降低,综合生态敏感性指数(Comprehensive ecological sensitivity index,CESI)值从1987年的1.143上升到2016年的1.287,反映出流域生态环境当前还是向着可持续发展的方向发展;(2)流域生态敏感性整体偏高,常年极度敏感区和常年重度敏感区占流域总面积的42.26%。此外,敏感性空间分异明显,流域上游及下游荒漠区敏感性相对稳定,中下游绿洲区敏感性波动变化较为频繁,且波动变化区占总面积的51.24%,这表明流域生态敏感性与人类活动及工农业生产有较为密切的关系;(3)目前流域生态敏感性整体趋于好转,但局部地区有恶化的趋势,敏感性波动降低的区域面积为11693.57km~2,占流域总面积的28.82%,敏感性波动升高的区域面积为9099.66km~2,占流域总面积的22.43%,这表明一方面在国家宏观政策的引导下,当地在生态环境保护方面做了大量工作,另一方面也表现出在全球生态环境逐渐恶化的大背景下,当地的生态环境治理工作仍然任重道远。     

土壤碳氮特征沿干旱梯度时空格局及对气候变化的响应——基于中国生态系统研究网络(CERN)长期定位监测数据

土壤碳氮含量及其化学计量特征是表征生态系统碳汇能力和土壤质量的重要指标,在支撑生态系统结构功能以及缓解气候变化中起着关键作用。利用中国生态系统研究网络(CERN)长期定位监测数据,分析了土壤碳氮特征沿干旱梯度的时空规律及其对气候变化的响应。结果表明：空间上,典型荒漠草原生态系统随着干旱加剧,土壤有机碳和全氮含量减少,土壤有机碳对干旱响应的敏感性降低,而土壤全氮对干旱响应的敏感性增加,土壤有机碳随土壤全氮含量的增加而增加。时间上,2005—2018年,荒漠草原生态系统土壤有机碳和全氮含量变化速率沿干旱梯度表现出由负转正的增加趋势,其中,干旱区呈减少趋势,半干旱和半湿润地区呈增加趋势,鄂尔多斯站和沙坡头站呈显著增加趋势。从影响因素来看,土壤碳氮特征对降水量增加的敏感性沿干旱梯度呈现出先增强后减弱的“上凸”抛物线趋势,温度变化对土壤碳氮特征的调控没有表现出明显的干旱梯度效应。土壤碳氮比、土壤有机碳含量、土壤全氮含量对降水量和平均温度变化响应的敏感性均依次降低。不同干旱梯度土壤碳氮特征的变化规律为未来气候变化下生态系统结构与功能预测提供科学依据。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ. 黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959—2007年降水资料和1983—2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续（无）降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明：1959—2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a) ^-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)^-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ.黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959-2007年降水资料和1983-2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续(无)降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明:1959-2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a)-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.