基于SPI-Markov链的淮河流域气象干旱特征研究

基于淮河流域29个气象站1960—2020年逐日降水量资料,采用标准化降水指数(standardized precipitation index, SPI)、Mann-Kendall趋势检验法和Markov链,研究了该流域不同气象干旱状态演变规律和概率转移特征.结果表明：淮河流域易发生轻旱及中旱事件,夏季干旱发生频率高、覆盖面积广,春季和冬季易发生重旱和特旱事件,但年际干旱特征呈不显著变化趋势;流域干旱频率空间分布不均,逐季干旱高值点在空间上呈顺时针转移变化,年际干旱发生频率由西向东递增;流域不同季节各干旱等级最易转移为无旱状态,夏季和秋季易发生干旱状态急转,出现强度较大的干旱灾害,且下游和沂沭泗水冬季和春季由无旱状态转移到特旱状态概率较高,冬春季节交替时易发生急旱;流域年尺度各干旱等级状态均极易转化为无旱状态,区域重旱特旱状态之间不能一步转移,连续特旱的概率极低.     

河南省干旱的时空分布规律与趋势分析

利用河南省1973—2012年的日平均气温和降水数据逐日计算综合气象干旱指数IC,通过统计各季节的干旱发生频率、强度、天数分析河南省干旱发生频率、空间分布、随季节的演变和年际、年代际变化,同时对全球变暖背景下的干旱时空分布规律和趋势进行分析.结果表明,河南省干旱具有显著的向北增多的分布特征,无论干旱的发生频率、持续天数还是强度都是北部地区大于南部地区,安阳、新乡是干旱最严重的地区.从干旱发生的季节性来看,易发生全省性春、秋旱,发生频率均在75%以上.从干旱的多年平均发生天数来看,春、夏和秋季易发生大范围轻旱,大部分地区的干旱天数在15d以上;大范围的重旱、特旱不易发生.从趋势分析来看,春、秋旱呈增加趋势,夏、冬旱呈减少趋势.在所统计的年份中,1978,1988,1995,1997和2001年是干旱最严重的5年.     

近50年云南省怒江、澜沧江流域气象干旱研究

基于怒江、澜沧江云南段31个气象站点1965—2013年的月降水、气温资料,计算两个流域各生物气候区的标准化降水蒸散指数(SPEI)。分析近50年的年、季节、月尺度的干旱过程、干旱发生频率及强度,揭示怒江、澜沧江云南段干旱发生的时空和强度演变特征。结果表明,自20世纪70年代后期以来,研究区季节、月尺度干旱整体上呈显著增加趋势,尤其是冬季;两个流域内各气候区干旱特征的空间分异不明显,干旱发生与全省性的大范围干旱发生较为一致;近50年来,研究区气温的显著升高可能比降水的微弱减少对其干旱变化贡献更大。     

珠江流域区域干旱风险评估*

利用珠江流域42个气象站点1951-2011年的月降水与气温数据,计算了3个月尺度的标准化降水蒸散发指数,采用旋转经验正交函数时空分解方法,将珠江流域划分成了5个干旱变化特征均质性区域。并根据游程理论选取历时和强度2个特征变量,基于多变量区域频率分析的方法对珠江流域的干旱风险进行了评估。广义正态分布和皮尔逊三型分布分别优选为不同分区的干旱历时边缘分布,广义帕雷托分布优选为干旱强度边缘分布,区域copula函数则分别为Clayton和Arch13 copula。从区域的角度,贺江、桂江、左江和右江流域地区遭遇的干旱风险较大,应视为珠江流域的重点干旱风险区。而从行政管理的角度,广西为干旱风险管理的重点省份。     

湘江流域近30年径流量与水位的长期变化规律研究

河川径流量和水位变化是反应气候变化和人类活动的重要表征,对其长期变化规律的研究结果可为该区域的水资源管理与洪水灾害风险研究提供重要的参考.本文选择频受洪水严重威胁的湘江流域为研究对象,利用近30年的径流量和水位观测的日资料及派生出的月、季和年资料,采用Mann-Kendall趋势检验法对湘江流域主要水文站的径流和水位进行了趋势分析和突变检验,并从气候变化和人类活动两方面分析其造成洪水危险性增大的原因.结果表明:(1)近30年来,湘江流域中下游的年径流量表现出增大趋势,而多数站点年最大径流量变化不大;(2)湘江流域径流的季节变化明显,多数站点春、冬季径流量没有明显变化趋势,但夏、秋季径流量呈显著上升趋势,这与夏季降水量的增大有关;(3)湘江流域7月和8月径流量呈增大趋势,5月份径流量呈减少趋势,7、8月径流量的突变点与夏季降水突变时间基本吻合,由降水变化导致径流增加的贡献率达57%以上;(4)湘江流域多数站点年平均水位和年最高水位均呈现显著的上升趋势.对比湘江流域年径流量,年平均水位的增长趋势更为明显,这可能是由于植被破坏,水土流失严重造成的淤积所致.     

广东省晚稻干旱灾害评估及其特征分析

根据广东晚稻产量及生育期资料,采用逐日气象干旱指数DI计算各个生育期干旱指数,建立了晚稻干旱灾害评估模型并分析其时空特征。结果表明:1 1981-2010年广东省平均晚稻干旱年频率为14 a一遇,减产率为0.7%,以轻旱为主。干旱主要发生在晚稻抽穗-乳熟期。2晚稻干旱频率及减产率均呈北高南低分布,旱灾高发区集中在西北部,频率为4~7 a一遇,减产率为1%左右。3近30 a广东省晚稻干旱灾害总体减弱但不显著,其中东南部干旱灾害趋于增强,其它地区均趋于减弱。4气候变暖后,晚稻全生育期、抽穗-乳熟期的干旱致灾频率和减产率呈减小趋势。由此可见,广东省晚稻干旱灾害的关键时期是抽穗-乳熟期,重点关注区域是西北部地区。     

基于SPEI的华北平原近55年干旱时空特征分析

基于华北平原53个站点1960—2014年逐日气象数据,利用标准化降水蒸散指数(SPEI)、Mann-Kendall趋势分析、小波分析等方法,对华北平原的干旱年际变化趋势、干旱频次变化特征、干湿周期变化、干旱四季变化趋势、干旱频率等进行分析,从而揭示出华北平原干旱的时空特征变化.结果表明:近55年华北平原及表现出干旱化趋势.干湿变化存在3年、5年以及10年的振荡周期,且未来几年干旱趋势为偏旱.四季干旱趋势变化具有明显差异性,秋旱范围最广,具有较明显干旱化趋势.春旱频率分布呈北多南少,东多西少的特点;夏旱频率以河北省西部和河南省最高;秋旱高频区较夏季少,频率大都在32%~34%间;冬季干旱频率在河南省北部、山东半岛以及河北省西部较高.     

东亚干旱、半干旱区范围与边界层高度变化的关系分析

采用1979-2014年ERA-Interim再分析资料,对东亚干旱、半干旱区边界层高度(BLH)的时空变化特征进行了系统分析,初步探讨了BLH变化在干旱、半干旱区范围变化中的反馈作用.结果表明,BLH整体呈经向扁平分布,以塔克拉玛干沙漠为高值中心,其西部和北部边界层高度变化梯度较大、向东变化则较平缓,干旱、半干旱区的分界线与边界层高度的分布存在较好的一致性.36 a数据分析可知,边界层高度呈增大的趋势,分析年代际尺度变化发现,从20世纪末到21世纪初,边界层高度在高值中心及其北部呈先增后减的趋势,其西部、中部和东部的边界层高度呈减、增、减的年代际变化趋势,干旱、半干旱区分界线也有对应的变化趋势.边界层高度增加,分界线向外扩张;边界层高度减小,分界线向内缩减,干旱、半干旱区的范围也相应地扩大和缩小,进一步表明东亚干旱、半干旱区范围的变化与边界层高度的变化有着较好的对应关系.边界层高度的变化对干旱、半干旱区范围变化存在着反馈作用.边界层高度升高,增加了水分蒸发,使得大气中的水汽含量增多,空气变得湿润,在一定程度上缓解了气候变干的趋势,阻止干旱、半干旱区范围的持续扩大.     

淮河流域植被NDVI与干旱条件的相关性

淮河流域特殊的地理环境导致干旱灾害频发且持续时间长,严重影响该区域植被生长,而前人大多探讨了该区域气象干旱情况或植被生长状况,对二者之间的关系研究较少,且多采用气象站点降水资料进行干旱分析,不能充分反映降水时空分布的差异性。因此,基于MODIS NDVI遥感影像与TRMM 3B43卫星降水数据,采用降水距平百分率(P_a)作为气象干旱评价指标,分析了2001—2016年淮河流域植被NDVI与降水距平百分率的年际变化特征以及二者的相关性。结果表明:2001—2016年淮河流域植被NDVI总体呈现稳中有升的趋势,植被NDVI有所改善的区域比例为54.86%,NDVI基本不变的比例为43.25%,仅1.89%的NDVI出现退化。流域16年间以轻旱和中旱为主,较少出现重旱和特旱,干旱程度有所降低。植被NDVI和降水距平百分率呈正相关和负相关的区域分别占流域的61.31%和38.69%,正相关最显著的区域为河南省和安徽省的南部,而河南省东北部、安徽省西北部、山东省西部以及江苏省东部边界呈负相关关系。     

基于标准化降水指数的贵州省近54a干旱时空特征分析

近年来我国干旱灾害频繁发生,对人们生活、生产造成了严重影响。本文以贵州省为例,选用标准化降水指数为干旱指标,分析年度和季节的干旱发生频率的变化特征。结果表明：近54年来,贵州省年季和季节干旱总体上呈现阶段化趋势,整体表现为干旱增加趋势,1980s中后期和21世纪初期是干旱频发期。干旱频率在空间分布上差异显著,东部地区年尺度干旱较为常见;季节尺度上,除了夏旱高频区呈零星状分布外,其他如春旱主要发生于中部及东部地区,秋旱高发区集中分布于中部和东北部地区,冬旱常发生于贵州省北部地区。研究表明SPI指数能够较好地反映研究区年际及季节性干旱变化特征,能为该地区制定防旱抗旱措施提供理论支撑。     

基于标准化降水指数的贵州省近54年干旱时空特征分析

近年来中国干旱灾害频繁发生,对人们生活、生产造成了严重影响。以贵州省为例,选用标准化降水指数为干旱指标,分析年度和季节的干旱发生频率的变化特征。结果表明:近54年来,贵州省年季和季节干旱总体上呈现阶段化趋势,整体表现为干旱增加趋势,20世纪80年代中后期和21世纪初期是干旱频发期。干旱频率在空间分布上差异显著,东部地区年尺度干旱较为常见;季节尺度上,除了夏旱高频区呈零星状分布外,其他如春旱主要发生于中部及东部地区,秋旱高发区集中分布于中部和东北部地区,冬旱常发生于贵州省北部地区。研究表明SPI指数能够较好地反映研究区年际及季节性干旱变化特征,能为该地区制定防旱抗旱措施提供理论支撑。     

基于SPEI的渭河流域干旱特征分析

本研究采用渭河流域20个气象站点1961—2013年的气象数据,计算该流域多重时间尺度的SPEI值,分析SPEI在该流域的应用情况,同时基于SPEI分析渭河流域干旱时空分布特征。研究结果表明:渭河流域SPEI值呈显著下降趋势,干旱日趋严重。其中,春秋干旱有明显加重的趋势,夏旱及冬旱无明显变化。就总体分布而言,干旱主要发生在西北部,其中轻旱、中旱、重旱大部分主要分布在西北部地区。相反,受1995年及1997年历史特大旱灾事件影响,特旱主体分布在东南部地区。     

黄河流域极端干旱的时空演变特征及多变量统计模型研究

干旱是黄河流域经常性发生的自然灾害之一,给该地区的社会生产、人民生活带来了巨大的影响.本文选取黄河流域61个气象站点1960—2009年的气象资料,计算每个站点月尺度和年尺度的PDSI指数,分析了该地区极端干旱和干旱的时空演变特征,并利用Copula函数,构建干旱历时和干旱强度之间的两变量统计模型,研究该地区干旱发生风险的空间分异特征.研究发现,黄河流域在过去50年有逐渐变旱的趋势,其中20世纪60年代该地区降水较为丰沛,但也有少部分年份发生了比较严重的干旱.20世纪80年代以后,黄河流域极端干旱和干旱的发生频次均有增加的趋势.黄河流域干旱发生频率大体上呈现出北高东南低的空间分布特征.通过对特定站点(陕西吴旗站)的分析,发现干旱历时和干旱强度之间具有很好的相依性,从Chi图中可以反映出上述两个变量之间具有上尾相关的特征.K-S检验的结果表明,指数分布和Gamma分布能够分别很好的拟合干旱历时和干旱强度.拟合优度检验的结果表明,在所选择的3种Copula函数中,Gumbel Copula能够较好的描述干旱历时和干旱强度之间的相关结构.重现期分析的结果表明,黄河上游和中游北部发生干旱的风险相对较高,而流域下游地区风险相对较低.     

宁夏暖季小时极端降水时空分布特征

极端降水频发,对人类的生产生活影响越来越大。利用2005—2020年宁夏24个国家级气象观测站小时降水资料,研究了宁夏不同区域暖季(5—9月)小时极端降水时空分布特征。结果表明：宁夏小时极端降水量和降水频次呈自北向南逐渐增大的特点,小时极端降水强度相反。宁夏北部引黄灌区大部分区域的白天极端降水量和降水频次均较夜间偏少,而南部山区和中部干旱带偏多,南部山区尤为明显;除零星点外,宁夏白天降水强度均强于夜间,昼夜差高值区主要集中在中部干旱带。宁夏有16.7%的站点极端降水量增加趋势通过0.1的显著性检验;有70.8%的站点极端降水强度呈增加趋势。宁夏三个区域小时极端降水量、降水频次和降水强度均呈增加趋势,其中中部干旱带极端降水量增加趋势通过了0.05显著性检验。南部山区和中部干旱带极端降水量和降水频次8月最大,而北部引黄灌区7月最大;5、6月小时极端降水强度自北向南递增,7、8月北部引黄灌区降水强度最大,9月中部干旱带小时极端降水强度最大。南部山区逐时极端降水量主要由极端降水频次贡献,北部引黄灌区和中部干旱带逐时极端降水量由降水频次和降水强度共同影响。     

基于降水Z指数的贵州省农业干旱时空演化特征

探讨贵州省农业干旱时空演化特征,以期为农业干旱驱动机制研究提供理论参考。选取1961—2015年贵州省77个气象台站逐年降水资料,基于降水Z指数,识别贵州省农业干旱程度,结合空间插值与线性趋势方法,分析贵州省农业干旱等级及频率的时空特征。结果表明:1)近55年,贵州省农业干旱现象较为普遍,干旱面积百分比均值高达65%,干旱强度呈周期性"增强"、"减弱"交替出现的趋势; 2)重旱发生区域主要分布在贵州省东北部、中部、西南部,2011年重旱现象最为严重,重旱面积占全省总面积的26%; 3)贵州省农业干旱强度与干旱频率呈负相关,重旱频率为1. 26%～11. 39%,大旱频率为1. 55%～25. 74%,偏旱频率为1. 53%～29. 11%。     

云南省干旱时空演变规律及季节连旱的概率特征分析

选取云南省29个气象站点1960—2010年的降水数据,计算每个站点季尺度和年尺度的标准化降水指数(SPI),分析了云南省干旱的时空演变规律.在此基础上,利用广义极值分布(GEV)拟合季节SPI序列分布,通过离差平方和最小准则(OSL)法选择Frank Copula拟合各季节SPI二维联合概率分布,研究云南地区季节连续干旱及连续特旱事件的概率特征.研究结果表明,云南省在过去51年呈不显著变旱的趋势,其中,夏、秋和冬季发生干旱的频率均呈增加趋势,而春季发生干旱的频率呈减少趋势;春夏、夏秋和冬春连续干旱与连续特旱发生频率呈北多南少的规律,高频率地区主要集中在云南省西北、东北及中部,而秋冬连续干旱与连续特旱高频率地区则主要集中在云南省西南部.     

塔里木河流域干旱风险评估与区划

选取不同尺度的标准化降水指数为危险度指标和9个干旱易损度指标建立塔河流域的干旱风险评估模型,并分析了塔河流域干旱危险度、干旱易损性及干旱风险度的空间变化特征,研究结果表明:1)塔河流域北部和西部地区的SPI3的干旱危险度高,南部和东部地区干旱危险度低;塔河流域中部和西北部地区SPI12的干旱危险度高。塔河流域西北部和西南部地区的干旱易损度高于其他地区,其中西南部地区的干旱易损度最高。农业人口比重、总抚养比和因旱农业经济损失占GDP比重与干旱易损度的相关性最高。2)塔河流域中部地区和西部地区的女性与男性比、人口密度、文盲率、抚养比、农业人口比重、灌溉面积比重大于其他地区;中部地区和西部地区的粮食产量低于塔河流域其他地区。3)塔河流域西部的干旱风险等级是最高的,其次塔河南部和西北部地区的干旱风险等级较高,东北地区和东南地区的县市的干旱风险度较低。     

基于标准化降水指数SPI的西江流域多尺度干旱特征及其驱动力分析

为了较为全面表征流域气象干旱的演变特征,本文基于西江流域33个气象站1960-2015年降雨资料,采用标准化降雨指数(SPI)作为干旱指标,分别从年尺度(SPI_(12))和季尺度(SPI_3)两个方面,分析了西江流域地区干旱站次比、干旱频率、干旱趋势和驱动力。结果表明:1)流域各地年降水量分布差异较大,且从东南往西北方向呈明显的逐步减少趋势;2)流域气象干旱处于正常的概率最大,发生极端干旱的概率最小;年尺度(SPI_(12))表征的长期干旱发生频率高于季尺度(SPI_3)表征的短期干旱发生频率;3)流域西北地区SPI序列呈现较为显著的下降趋势,气象干旱有加重的趋势;4)太阳黑子和部分大气环流异常因子对西江流域气象干旱的形成与演变有较大的影响,影响程度高低依次是太阳黑子、北极涛动和厄尔尼诺。研究成果对于评估西江流域干旱灾害的风险性、防旱减灾策略的制定具有一定的参考意义,为干旱的应对和防御提供科学依据。     

未来气候情景下海河流域参考蒸发蒸腾量预估

开展未来气候情景下海河流域参考蒸发蒸腾量的预估研究,揭示流域未来气候变化背景下的水文响应规律,有助于更好地为水资源分配和管理提供科学基础和理论依据.根据海河流域及其周边共40个气象站1961—2010年逐日气象资料,基于FAO Penman-Monteith法计算参考蒸发蒸腾量(RET),通过统计降尺度模型(SDSM)实现HadCM3输出RET数据网格到站点的尺度降解,进而生成未来情景下RET并分析其时空变化规律.结果表明,基于SDSM模型的模拟效果较好,可以用于未来情景下海河流域GCM输出RET的降尺度应用;虽然过去50年流域大部分站点的RET年值呈下降趋势,但SDSM模型预测的未来气候情景下大部分区域却呈增加的趋势,其中H3A2情景下增加量略高于H3B2情景,且随着时间的推移增加量越来越大,以流域西北部边缘区域、滦河上游和下游以及徒骇马颊河流域的增加趋势最为明显,RET减少的区域在2020s时期主要位于流域中部,随着时间的推移逐渐缩小到京津塘地区;RET季节值的变化同样具有很强的时空特性,而除了春季时在流域南部、秋季在2020s时期滦河流域下游和海河北系的东部部分区域、冬季在流域的西南部和东北部RET呈减小趋势外,其余RET则主要呈增加的趋势;同时研究表明未来情景下RET增加主要由温度的上升导致.     

泾河流域淤地坝拦沙对降雨的响应分析

采用回归统计方法对泾河流域淤地坝拦沙对降雨的响应关系进行了分析。通过降雨—产洪产沙—淤地坝拦沙关系的定量研究,提出了不同年代淤地坝拦沙量与降雨因子的响应关系式及其阈值;从实用角度给出了淤地坝年拦沙量的预估公式;简析了淤地坝拦沙量与减蚀量的尺度关系。结果表明:泾河流域淤地坝年拦沙量大于阈值1000万t/a对应的降雨阈值分别为最大1日降雨量大于40 mm、汛期降雨量大于350 mm和年降雨量大于450 mm;黄河中游地区不同空间尺度流域的淤地坝拦沙量与减蚀量均呈正比关系。随着流域空间尺度(面积)的减小,淤地坝减蚀量占拦沙量的比重呈增大趋势。