长江流域潜在蒸散量时空变化特征

根据1961-2011年长江流域116个气象站点的逐日气象资料,应用Penman-Monteith法计算该流域的潜在蒸散量,在此基础上使用反距离加权(IDW)插值、M-K突变检验、Morlet小波分析和R/S趋势分析等方法对该流域潜在蒸散量的时空变化特征进行研究.结果表明:近51年来长江流域潜在蒸散量年际变化倾向率为-0.34 mm· a-1,空间分布上表现为由西向东先减小后增大的趋势;从潜在蒸散量的季节变化来看,除秋季增加趋势比较明显外,其他各季均表现为不同程度的减小趋势,总体表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季;通过M-K突变检验和小波分析发现,全年潜在蒸散量的突变发生在1980年前后,年潜在蒸散量出现了准12年左右的第一主周期和准4年左右的第二主周期;R/S分析表明,除了降水量之外,其他气候因子与潜在蒸散量的变化都与过去保持持续的趋势一致性.     

基于干旱指数的宁夏干旱时空变化特征及其Morlet小波分析

基于宁夏9个气象站点1961—2012年逐日气温、降水、风速、日照时数和相对湿度数据,应用Penman-Monteith模型、Arc GIS反距离加权插值、突变检验和Morlet小波等方法,分析其参考作物蒸散量、降水量和干旱指数(AI)时空变化及其影响因素。结果表明:近52年来,宁夏潜在蒸散量(ET0)和降水量在波动中呈降低趋势,倾向率为分别-8.64 mm·10 a-1和-10.04 mm·10 a-1,AI指数则在波动中略呈增加趋势,倾向率为0.01 10 a-1,表明宁夏气候有变干的趋势;从年内分布看,ET0和降水量呈单峰型分布,峰值分别为8月的118.12 mm和7月的66.82 mm,而AI指数呈谷状分布,以8月最小,为0.42;AI指数空间差异明显,呈自南向北递增趋势,表明气候自南向北依次变干;宁夏ET0、降水量和AI指数均在1970年末期、1980年早期和1980年中期发生突变,均存在21 a中尺度的优势周期,并与太阳黑子活动22 a的海尔(磁)准周期基本一致,短周期为3、5、7 a,可能受大气环流和厄尔尼诺等影响。     

石羊河流域气候干湿状况分析及评价

分析了河西走廊石羊河流域用水区降水的年际时空分布和演化规律,用潜在蒸散、气候干旱指数、蒸降差计算了不同流域段的水分平衡收支情况。结果表明,20世纪80~90年代降水呈增加趋势,但量较小;春、夏季降水增加,秋、冬季降水减少;潜在蒸散多年平均值为1 026.1 mm,并由上游向下游逐渐增大。20世纪70~90年代潜在蒸散呈增加趋势,平均增加4.1~43.6 mm;季节潜在蒸散大小顺序为夏>春>秋>冬,平均为403.5~521.6 mm;历年气候干旱指数平均为0.002,极值出现在下游的民勤地区,达0.581。20世纪70~90年代,气候干旱指数呈增大趋势,气候变得越来越干燥;年水分亏缺量平均为810.7 mm,表现为水分严重不足。最后,提出了合理利用水资源的建议,以科学应对气候变化,促进流域经济持续发展。     

全球气候变化背景下华北平原气候资源变化趋势

在全球气候变化的大背景下,过去几十年,华北平原气候资源也发生了相应的变化,这一变化对该区域的粮食生产将产生深刻的影响。利用华北平原1961-2007年逐日气候资料,探讨了不同年代际间该区域气候资源的空间分布特征。研究结果表明:气候变暖使华北平原热量资源更加丰富,全区≥0℃和≥10℃积温呈整体增加趋势,空间分布呈北移东扩的变化特征;且气候带移动特征明显,向北移动了3个纬度,约300多km。过去47a,华北区域年降水量呈下降趋势,平均下降速率为18mm/10a。夏、秋两季降水量呈减少趋势,速率在25-40mm/10a之间;春、冬两季降水量呈微弱增加趋势,但增加幅度小于夏、秋两季的减少幅度。年平均参考作物蒸散量呈整体下降趋势,减幅小于降水量的变化趋势。全区日照时数显著减少,纬向分布特征明显,以大中城市附近减少最为突出。     

气候变化与太湖蓝藻暴发的关系

对太湖区域40多年来气温、降水量、日照时数随时间变化的特征进行了分析,并对太湖蓝藻的爆发时间、次数、等级进行了统计,采用对比分析法对气候变化与太湖蓝藻暴发的关系进行了分析。结果表明:太湖区域1961—2007年总的气候倾向率,年平均气温为0.35℃.10a-1,年累计降水量为31.33mm.10a-1,年累计日照时数为-69.00h.10a-1;而突变点,气温在1989年,降水量在1979年,日照时数在1999年,在突变点年份后,气温升高、降水量增加和日照时数减少的趋势更加明显。2000—2007年气候变得异常,主要表现为气温上升速度加快,约为1961—2007年的3.7倍,5月和10月的这种气候倾向性更明显;降水量减少,比1961—2007年减少了178.10mm.10a-1,日照时数增加,比1961—2007年增加了244.23h.10a-1。气候变暖速度加快为太湖蓝藻的生长发育提供了热量条件;降水量减少,加速了太湖水质恶化,为蓝藻暴发提供了有利的水质环境条件;日照时数增多,充足的光照为蓝藻生长发育提供了优良的光合条件;温度偏高、降水量偏少、日照时数偏多的气候变化趋势对应太湖蓝藻暴发的次数也偏多,造成了太...     

泾河流域潜在蒸散量的时空变异

潜在蒸散量是水文循环中的重要变量,分析其当前特征并预测未来变化,对于区域干旱和水文特征分析具有重要的参考意义。基于15个气象站点的日数据、NCEP再分析数据以及HadCM3的预测数据,在分析当前潜在蒸散量的基础上,应用统计降尺度方法对泾河流域21世纪的潜在蒸散量进行了预测。结果表明,1961—2005年泾河流域潜在蒸散量年均值为934.6 mm,且存在空间差异,整体由东向西南方向递减;时间变化上呈不显著的上升趋势。21世纪泾河流域潜在蒸散量呈显著的上升趋势,但存在季节差异,夏季增幅较大而冬季增幅较小;空间分布基本保持现有模式,但区域差异增大。潜在蒸散量增加可能加剧泾河流域的干旱状况,需提前采取一定的应对措施。     

西藏羊卓雍湖流域气候干湿状况分析

应用Penman-Monteith模型分析了西藏羊卓雍湖流域潜在蒸散、干湿指数的年际变化趋势、年代际变化特征,并讨论了影响干湿指数变化的气象因子.结果表明:近46年(1961-2006年)羊卓雍湖流域年潜在蒸散以13.1mm·10a-1的速率显著减小,各季潜在蒸散均表现为减少趋势,减幅冬季最大,夏季最小;46年来羊卓雍湖流域季和年干湿指数的变化趋势均不明显,但近26年(1981-2006年)由于降水增加明显、潜在蒸散显著减小,除冬季外其他季节和年干湿指数都呈现明显的增大趋势,以夏季增幅最大;年平均干湿指数除20世纪80年代偏小外,其他年代均偏大,特别是90年代较为明显;干湿指数增大,暖湿化的气候变化趋势明显;降水量和相对湿度的明显增加,以及平均气温13较差的显著减小是干湿指数显著增加的主要原因,日照时数减少在干湿指数增加趋势中也起着重要作用.近年来,羊卓雍湖水位显现上升趋势,这可能与降水量增多和气温升高、冰雪融水增加有密切关系.     

1961-2010年中国东部林区降水的完整日值序列建立与变化特征

高精度地对各气象站缺测降水资料进行插补,从而获得完整序列的降水资料,对于提高气候变化影响分析的时空精度具有十分重要的意义.本文利用空间相关和逐步回归法,对东部林区月内有单日缺测或不多于7d缺测的降水资料进行插补,最终建立了853个站自1961-2010年完整序列的降水资料.在此基础上,应用趋势分析法,分析了1961-2010年降水量、降水日数和极端降水事件的变化特性.结果表明:1961-2010年,研究区年降水量略呈不显著增加趋势,倾向率为5.58 mm.(10a)-1,年代际变化明显;年降水日数呈显著减少趋势.极端降水日数和极端降水量呈显著上升趋势,倾向率分别为0.12 d·(10a)-1、10.22mm·(10a)-1.尤其是20世纪90年代以后,该区极端降水事件明显偏多偏强,极端降水量对总降水量的比率也呈显著增加趋势.极端降水日数和极端降水量均在1993年发生突变.     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅲ.西北干旱区农业气候资源时空变化特征

基于1961-2007年中国西北干旱区78个气象台站的气象资料,分析了西北干旱区全年、喜凉作物和喜温作物温度生长期内热量、光照和水分的时空变化特征.结果表明：研究期间,西北干旱区年均气温呈上升趋势,其气候倾向率为0.35 ℃·(10 a)^-1;喜凉作物和喜温作物温度生长期内积温总体呈升高趋势,其气候倾向率分别为67和50 ℃·d·(10 a)^-1;研究区大部站点的年日照时数呈明显下降趋势,除新疆大部地区和宁夏平原以东的喜凉作物和喜温作物温度生长期内日照时数呈降低趋势外,其余地区均呈升高趋势;研究区大部地区的全年参考作物蒸散量呈下降趋势,而喜凉作物和喜温作物温度生长期内的参考作物蒸散量则表现为研究区西部下降、东部上升.与1961-1980年相比,1981-2007年研究区大部地区全年及喜凉作物和喜温作物温度生长期内的降水量呈增加趋势,其增幅的空间变化趋势均由西北向东南递减.     

气候变化背景下我国东北三省农业气候资源变化特征

基于1961-2007年中国东北三省72个气象台站的气象资料,分析了东北三省全年及温度生长期内的平均气温、≥10 ℃积温、降水量、日照时数和参考作物蒸散量等农业气候资源的变化特征.结果表明：研究期间,东北三省年均气温总体呈升高趋势,其气候倾向率为0.38 ℃·10 a^-1;温度生长期内≥10 ℃积温同样呈上升趋势,且积温带逐渐北移东扩,全区高于3200 ℃·d积温带面积增加了2.2×10⁴ km²,2800～3200 ℃·d积温带北移0.85°、东移0.67°,2400～2800 ℃·d积温带北移1.1°;东北三省年日照时数显著下降,且以松嫩平原东部、吉林省中西部平原、辽河平原西部的减少尤为明显,全区年日照时数高于2800 h的区域面积由13.6×10⁴ km²缩小到4.1×10⁴ km²,2600～2800 h的区域向西推进了1.5°;全区温度生长期内日照时数平均为1174 h,与1961-1980年相比,1981-2007年温度生长期内的日照时数高值区明显减少,日照时数1200～1400 h的区域向西推进了0.9°;1961-2007年间,研究区年降水量及温度生长期内降水量均呈下降趋势;黑龙江省全年参考作物蒸散量整体呈增加趋势,吉林省中西部平原区有所减小、东部山区呈增加趋势,辽宁省均呈减小趋势,与1961-1980年的年均值相比,1981-2007年年参考作物蒸散量高于900 mm区域向西推移了约1°;黑龙江省和吉林省绝大部分区域温度生长期内参考作物蒸散量逐年增加,而辽宁省绝大部分区域以小于14 mm·10 a^-1的幅度在减少.     

辽宁省潜在蒸散量演变规律及归因分析

根据辽宁省21个气象站点1965—2017年的逐日实测气象数据,利用Penman-Monteith法、小波分析法、敏感系数和因子分析法探究潜在蒸散量的时空变异规律及其主要气象要素多年变化定量分析。结果表明:(1)从变化趋势来看,在时间尺度上,辽宁省潜在蒸散量下降趋势显著,变化率为2.89 mm/a,多年平均值为955.82 mm,21个气象站点中有20个气象站点潜在蒸散量呈递减趋势,仅有1个气象站点呈递增趋势;在空间尺度上,辽宁省潜在蒸散量由西向东呈递减趋势。(2)潜在蒸散量对相对湿度最为敏感,对最低气温敏感性最小。(3)平均风速是对潜在蒸散量影响最大的气象因子,相对湿度与潜在蒸散量呈负相关。     

2000-2015年中国陆地生态系统蒸散时空变化及其影响因素

准确量化区域蒸散时空格局及其影响因素对理解陆地生态系统碳水循环具有十分重要的意义。近年来中国经历了严重的空气污染及气候波动,亟须探讨蒸散的时空变化及其影响因素。基于PT-JPL（Priestly-Taylor Jet Propulsion Laboratory）模型,集成遥感数据和气象数据模拟了中国陆地生态系统2000-2015年蒸散,并分析其时空变化及影响因素。结果表明：1）参数优化后PT-JPL模型可解释蒸散年际变化的68%,优于原始模型及MODIS蒸散产品;2）中国地区多年平均蒸散为440.16 mm/a,呈东南沿海到西北内陆逐渐递减的空间格局;3）2000-2015年蒸散整体呈轻微下降趋势（slope=6.48 Gt/a,P=0.17）,但具有年代际差异,2000-2010年中国地区蒸散呈显著下降趋势（slope=21.05,P < 0.01）,占全国蒸散总量45.05%的内蒙古地区、甘新地区、黄土高原地区及青藏地区解释了61.88%的年际变化;2010-2015年呈轻微上升趋势（slope=10.48,P=0.71）,各地区均无显著变化趋势;4）辐射主导了蒸散的年代际差异,分别解释了2010年前后蒸散下降及上升趋势的51.45%、85.26%。蒸散呈显著变化趋势的内蒙古地区、黄土高原地区及青藏地区主要受辐射控制,甘新地区主要受降水和温度的影响。     

Beyond Precipitation: Physiographic Gradients Dictate the Relative Importance of Environmental Drivers on Savanna Vegetation

Background

Understanding the drivers of large-scale vegetation change is critical to managing landscapes and key to predicting how projected climate and land use changes will affect regional vegetation patterns. This study aimed to improve our understanding of the role, magnitude and spatial distribution of the key environmental factors driving vegetation change in southern African savanna, and how they vary across physiographic gradients.

Methodology/Principal Findings

We applied Dynamic Factor Analysis (DFA), a multivariate times series dimension reduction technique to ten years of monthly remote sensing data (MODIS-derived normalized difference vegetation index, NDVI) and a suite of environmental covariates: precipitation, mean and maximum temperature, soil moisture, relative humidity, fire and potential evapotranspiration. Monthly NDVI was described by cyclic seasonal variation with distinct spatiotemporal patterns in different physiographic regions. Results support existing work emphasizing the importance of precipitation, soil moisture and fire on NDVI, but also reveal overlooked effects of temperature and evapotranspiration, particularly in regions with higher mean annual precipitation. Critically, spatial distributions of the weights of environmental covariates point to a transition in the importance of precipitation and soil moisture (strongest in grass-dominated regions with precipitation<750 mm) to fire, potential evapotranspiration, and temperature (strongest in tree-dominated regions with precipitation>950 mm).

Conclusions/Significance

We quantified the combined spatiotemporal effects of an available suite of environmental drivers on NDVI across a large and diverse savanna region. The analysis supports known drivers of savanna vegetation but also uncovers important roles of temperature and evapotranspiration. Results highlight the utility of applying the DFA approach to remote sensing products for regional analyses of landscape change in the context of global environmental change. With the dramatic increase in global change research, this methodology augurs well for further development and application of spatially explicit time series modeling to studies at the intersection of ecology and remote sensing.     

分布式模型在流域蒸散模拟中的应用与验证

根据四川杂谷脑河流域上游地区1989～2000年气象站常规观测数据,应用分布式模型方法,考虑流域的空间异质性及时空变异性,选择离散单元格尺度为500 m,时间步长为1 d,采用Penman-Monteith公式的改进形式,估算流域多年平均潜在蒸散量的时空分布;结合流域下垫面特点,估算逐日实际蒸散量的时空分布;并将模型模拟的多年平均值与研究区同期水量平衡法计算结果相比,相对误差为+3.47%且时空分布合理.为流域分布式降雨-径流模型提供了可靠的实际蒸散量模拟方法.     

分布式模型在流域蒸散模拟中的应用与验证

根据四川杂谷脑河流域上游地区1989～2000年气象站常规观测数据,应用分布式模型方法,考虑流域的空间异质性及时空变异性,选择离散单元格尺度为500 m,时间步长为1 d,采用Penman-Monteith公式的改进形式,估算流域多年平均潜在蒸散量的时空分布;结合流域下垫面特点,估算逐日实际蒸散量的时空分布;并将模型模拟的多年平均值与研究区同期水量平衡法计算结果相比,相对误差为+3.47%且时空分布合理.为流域分布式降雨-径流模型提供了可靠的实际蒸散量模拟方法.     

基于全球气候模式集合的鄱阳湖流域未来潜在蒸散量及其干旱效应研究

鄱阳湖流域近年来旱涝灾害频发,原有的水量平衡被打破。因此,开展鄱阳湖地区潜在蒸散量及干旱效应研究具有重要意义。潜在蒸散量（Reference Evapotranspiration,ET₀）是评价区域水资源配置和计算干旱指数的重要指标。以我国的鄱阳湖流域为研究区,依托统计降尺度模型,基于站点观测数据、气候模式数据以及美国环境中心再分析数据,运用遗传算法构建多模式集合,模拟未来情景下流域潜在蒸散量和干旱指数（Drought Index,DI）时空演变特征。结果表明：基于遗传算法构建的模式集合较单一气候模式或等权模式集合,模拟性能佳;RCP4.5、8.5情景下流域ET₀均呈上升趋势,ET₀变化的第一主周期分别为20年和4年,流域ET₀未来空间变化特征表现为东高西低;RCP8.5情景下,鄱阳湖流域DI在年际上呈显著上升趋势,9-11月是干旱风险防范的关键时期;流域年DI变化的主周期为8年,流域的中东部地区将是未来干旱风险防范的重点区域。本研究为认识区域尺度下气候变化对潜在蒸散量的影响提供借鉴,同时为政府部门科学应对鄱阳湖流域未来时期可能出现的旱情提供的决策支持。     

基于实际蒸散构建的干旱指数在黄淮海地区的适用性

基于NOAH陆面模式模拟的实际蒸散产品,分析了2002—2010年黄淮海地区实际蒸散的时空分布特征.同时,结合MOD17潜在蒸散数据和MOD13 NDVI构建了2002—2010年的农业干旱指数——干旱敏感性指数(DSI),并以2002年1—12月为例,利用帕默尔干旱指数(PDSI)、冬小麦减产率以及实际旱情资料,分析了DSI在该地区干旱监测的适用性.结果表明: 黄淮海地区年均实际蒸散从西北向东南递增,最高值出现在研究区域东南部(800~900 mm),最低值出现在西北部(<300 mm);DSI、PDSI两种干旱指数的年际变化呈正相关(R²=0.61)和变化趋势的一致性,均在2002年达到最低(-0.61和-1.33),2003年最高(0.81和0.92),DSI与冬小麦减产率的相关性(R²=0.43)明显优于PDSI(R²=0.06),且表征干旱的空间分辨率较高,对区域农业干旱程度的判断和旱情的指示比较可靠.     

辽宁省潜在蒸散时空变化特征与成因

潜在蒸散量是衡量变化环境下区域水热资源演变的重要参数,探究其历史变化规律及制约因素对预测农业用水走势乃至合理制定相关决策都至关重要。基于辽宁省23个气象站点1966—2015年的逐日气象数据,采用FAO推荐的Penman-Monteith模型与偏相关性检验法辨识辽宁省近50年潜在蒸散量的时空特征及其影响因素。结果表明:辽宁省各监测站年平均潜在蒸散量为453—1043 mm,多年变化趋势以1.43 mm/a的速度递减,并于2003年发生突变。此外,其时空差异性较为显著。在年代际尺度上表现为,辽西北至辽西南逐次降低;在季节尺度上表现为,夏季潜在蒸散量最高、春秋季节次之、冬季最低;日最高气温、日最低气温和日照时数的减少共同导致过去50年辽宁省潜在蒸散量在整体上表现出减少的趋势。该研究成果可以为水资源的优化配置,评价区域干湿程度等提供一定的理论支撑。     

Root clumping may affect the root water potential and the resistance to soil-root water transport

We have appraised for clumped root systems the widely-accepted view that the resistance to water flux from soil to roots (‘soil resistance’) is low under most field conditions, so that root water potential would closely follow the mean soil water potential. Three root spatial arrangements were studied, simulating either the regular pattern generally assumed in models, or two degrees of root clumping frequently observed in the field. We used a numerical 2-dimensional model of water transfer which assumes a control of evapotranspiration by root signalling. Calculations were carried out at two evaporative demands and for two contrasting soil hydraulic properties. The rate of soil depletion, the timing of the reduction in evapotranspiration and the difference between root water potential and mean soil water potential were all affected by the root spatial arrangement, with a greater effect at high evaporative demand and low soil hydraulic conductivity. Almost all the soil water reserve was available to plants without reduction in evapotranspiration in the regular case, while only a part of it was available in clumped cases. In the regular case, calculated ‘soil resistances’ were similar to those calculated using Newman's (1969) method. Conversely they were higher by up to two orders of magnitude in clumped root spatial arrangements. These results place doubt on the generality of the view that ‘soil resistance’ is low under common field conditions. They are consistent with the results of field experiments, especially with recent data dealing with root-to-shoot communication.     

中国西北干旱区蒸散发时空动态特征

利用MODIS ET数据集中2000—2014年的地表实际蒸散发量产品,运用变异系数、Theil-Sen median趋势分析与MannKendall检验和Hurst指数法,研究了中国西北干旱区蒸散发的空间格局、不同维度的空间异质性和时间变化特征及未来趋势预测。结果表明:(1)2000—2014年全区蒸散发量总体较小,蒸散发量小于200 mm的区域占总面积的38.329%。在空间上ET自山区向两侧平原减少,不同土地覆盖的ET大小为:林地农用地草地稀疏植被。受降水和土地覆盖的综合影响,ET的高值区(400 mm)主要在降水丰富的山区林地和草地,而低值区(200 mm)主要在降水较少的平原稀疏植被区和草地。(2)近15年全区蒸散发变异程度不明显,以相对较低的波动变化为主。各亚区内波动较低区域的比例为:北疆天山祁连山内蒙西部河西走廊南疆。(3)15年间全区年均蒸散发量呈波动变化,总体有微弱的减小趋势,变化率为-0.9348 mm/a。基于像元尺度的分析也表明全区ET以减小的变化趋势为主,但各亚区的减小程度各异:天山内蒙西部河西走廊北疆祁连山,仅南疆有增加趋势。(4)全区ET的Hurst指数均值为0.689,Hurst指数大于0.5的范围所占比例为80.033%,未来全区蒸散发的变化趋势以持续性减小为主。其中22.003%区域的变化趋势无法确定。未来各亚区ET的减少趋势为:内蒙西部天山河西走廊北疆祁连山南疆。