植被状况指数的改进及在西北干旱监测中的应用

干旱是全球分布最广、发生频率最高、持续时间最长、影响范围最大、造成的经济损失最为严重的一种自然灾害，干旱也是所有自然灾害中影响因子最为复杂、人类了解最少、监测最为困难的一种自然灾害，干旱监测是世界性的难题。干旱可以发生在任何气候带上，但干旱、半干旱地区是全球干旱灾害发生最频繁的地区。干旱发生特征和规律因地区的不同会有很大的差异，不同地区对干旱监测方法不同。目前，世界各国干旱监测主要利用基于气象、水文、农业和卫星遥感等观测资料建立的各种干旱指数开展，已经有150多种干旱指数。植被状况指数VCI是应用最为广泛的一种卫星监测干旱的指数，研究和业务应用结果表明，VCI对全球各地的干旱均有较好的反映，已经应用在美国国家大气海洋局（NOAA）日常干旱监测业务中，中国国家卫星气象中心干旱卫星遥感监测服务产品也是以VCI为基础。 我国干旱半干旱地区主要分布在新疆、甘肃、青海、陕西、宁夏以及内蒙古自治区的中西部，这里降水少且不稳定，降水变率大，是中国干旱发生频率最高的地区。干旱严重制约着当地经济发展和人类生活质量的提高，使本身非常脆弱的生态环境趋于恶化。为了了解条件植被指数VCI对西北地区不同气候区干旱的监测能力，以上述6省（区）为研究区，利用1982—2003年22年NDVI数据，计算了研究区域22年来逐月的VCI，对比分析了不同气候区VCI与降水距平的关系。结果表明，VCI在空间和时间上较好地反映了西北大部分气候干旱发生、发展和空间分布，是干旱监测的较好指标，但在干旱和极端干旱地区，VCI经常出现异常偏高现象，不能反映干旱气候区常年干旱的基本特点。通过对西北不同生态系统之间NDVI特点和各生态系统间NDVI年变化及其年际变化规律的研究，设计了VCI改进方案，提出了改进的条件植被指数RVCI。通过对22年来逐月RVCI与VCI的对比，RVCI客观地反映了干旱气候区常年干旱特点，较VCI有显著改进。      

气象干旱指数在河北省的适用性分析

基于河北省1974—2014年的气象观测和旱情资料,分析降水距平百分率PA、相对湿润指数M、标准化降水指数SPI和标准化降水蒸散指数SPEI这四种常用气象干旱指数在河北省的适用性。通过对比四种干旱指数与旱情资料、农作物产量等资料的一致性,结果表明：(1)从干旱事件分类的总体准确度来看,M指数最好,PA和SPEI指数监测效果次之。(2)四种干旱指数都能较好地监测河北省历年旱灾发生的空间范围,表现在四种指数的干旱站次比分别与旱灾受灾比和旱灾成灾比均有较强的相关性。(3)7月份SPEI和SPI指数均可较好地预报河北省雨养区(半干旱区)内的玉米产量。研究结论可为干旱防灾减灾及确保粮食生产安全提供理论依据。     

TRMM降水数据在气象干旱监测中的应用研究

针对热带降雨计划卫星(TRMM)的降水数据在气象干旱监测中还未有应用的现状,论文利用TRMM 3843降水数据产品,以2008年10月～2009年2月间我国北方冬麦区气象干旱为监测实例,采用降水距平百分率指数对干旱的空间演变过程进行了监测.监测结果显示:(1)累积降水距平百分率,由于充分考虑了前期降水的累积效应,其气象干旱监测结果与实际情况极为吻合.(2)在2008年10月～2009年2月期间,我国北方冬麦区气象干旱先后经历了一个不断加重到逐渐缓解的过程.其中,2009年1月份的干旱程度最高,干旱核心区主要分布在北京南部,天津、河北中南部,山西大部,陕西北部,山东西部,河南中北部,湖北北部以及安徽北部等广大区域;至2009年2月底,受多次有效降水过程的影响,我国北方冬麦区的抗旱压力则得到极大缓解.(3)TRMM降水数据较地面气象站点观测,具有较好的时空连续性,在全国性及区域性宏观气象干旱监测中具有较好的应用前景.     

甘肃省河东地区气象-水文干旱时空演变特征

干旱半干旱区是气候变化和人类活动的敏感和脆弱区,研究地区干旱时空演变特征有助于成灾机理分析。甘肃省河东地区是我国典型干旱半干旱区,主要依靠自然降水维持农业生产,旱灾尤为突出。基于标准化降水指数和标准化径流指数探讨河东地区气象-水文干旱的时空演变特征,结果表明：（1）气象干旱多发生于春夏两季及陇东地区,较少发生季节型以上气象干旱;（2）水文干旱较气象干旱历时更长,多年尺度干旱时有发生;（3）不同季节气象-水文干旱滞时不同,春夏两季几乎无滞后,秋季约滞后1个月,冬季约滞后4个月;（4）陇中和陇东地区历史受灾/成灾面积较大。本研究可为干旱半干旱区的旱灾预警评估和旱灾防控工作提供参考。     

青岛市气象和水文干旱变化特征分析

利用青岛市气象和天然径流资料,借助极端降水指数、气象和水文干旱指数,采用回归分析、相关分析和ARCGIS空间分析等方法对该市气象和水文干旱的变化特征进行分析。主要结论为:(1)青岛市无雨日数明显增多,降水量则呈减少的趋势;最大连续无雨日数(pxcdd)和平均干旱期长度(pdsav)的上升在西部地区大于东部地区,而降水量(prcptot)的下降在东部地区大于西部地区。(2)气象干旱指数SPI和水文干旱指数SSI均表明青岛市干旱呈加剧特征;SSI所反映的旱涝发生频次少于SPI,但持续时间大于SPI,尤以1个月和3个月尺度更明显。(3)干旱指数与历史旱灾面积的相关性较好,其中水文干旱指数与成灾面积的相关性更强,而气象干旱指数与受灾面积的相关性更强。此外,由于干旱的累积效应,在降水并不十分稀缺的年份,造成的局部旱情亦十分严重。     

基于SPEI指数的兰州干旱特征与气候指数的关系

基于1961~2012年逐日气象及同期4个气候因子资料系列,采用标准化降水蒸散发指数(SPEI)定量描述兰州地区干旱状况,利用M-K检验分析了该地干旱变化趋势,采用皮尔逊相关系数法以及交叉小波变换法研究了SPEI与北大西洋涛动(NAO)、北极振荡(AO)、太平洋十年涛动(PDO)以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)四个气候因子之间的关系。研究结果表明:干旱指数SPEI在月、春、夏、秋及年尺度上均呈显著下降趋势、冬季增长趋势不显著,未来兰州春、夏和秋季缺水有加重趋势,冬季有变湿润倾向;SPEI与PDO、ENSO在秋季呈显著负相关;ENSO主要影响干旱短周期的年际变化;干旱与PDO和AO呈滞后的负相关关系,两指数主要影响较长周期干旱的年际和年代际变化。     

1982～2010年气候与土地利用变化对无定河流域干旱指数变化的影响

基于19822010年无定河流域的遥感影像、气象和土地利用数据,利用Priestley-Taylor公式计算出潜在蒸散发,进而得到干旱指数,将各气象因子与干旱指数差值进行叠加、逐象元相关分析,得到了无定河流域19822010年干旱指数的时空变化,并分析了气候和土地利用变化对干旱指数变化的影响。结果显示:（1）1982年、2010年干旱指数分别为2.01和2.13,总体趋势是趋干旱的;（2）干旱指数2.0以下的区域迅速减少,2.15以上的区域明显扩张;（3）干旱指数均呈现增加趋势,显著增加的区域集中于无定河流域中游和下游地区;（4）干旱指数变化同气温、水汽压、净辐射的变化成正相关,同降水量变化成负相关;（5）各种土地利用类型的干旱指数均呈现增长趋势,但是增长的幅度有所不同:林地>耕地>草地>建筑用地>水域>未利用地。（6）土地利用对干旱指数平均值的影响非常微弱,干旱指数的变化主要是由于气候变化导致的。     

基于CI指数和K指数的近40a贵州安顺区域干旱演变特征

利用综合气象干旱指数(CI指数)和K干旱指数, 对贵州安顺地区1971-2011年41 a来气象干旱的时空分布状况、演变特征及突变情况进行了比较分析. 结果表明: 对严重的干旱时段, 两种指数均能表现出来, 对历年干旱过程及灾害的评定结果基本一致;CI指数对干旱的评定更为精细, 但K指数延续性更好;分季节的干旱分析中, 两种指数对于夏季出现干旱概率较小的结论一致, 对各季节平均干旱长度的评判基本一致. 对时间演变的线性变化趋势以及M-K检验结果对比分析表明, 春季和秋季干旱强度增强、夏季干旱强度减弱、年度平均干旱长度及春、秋季干旱长度增加的这几个趋势, 两种方法两种指数结果一致, 结论被认为是可信度较高的. M-K曲线检测表明: 年度干旱长度在2008年后为增加的趋势, 20世纪90年代以来春季干旱强度增强, 20世纪末以来夏季干旱强度趋于减轻, 秋季干旱强度增强, 1970年代中期后春季干旱长度有增加的趋势, 秋季干旱长度在20世纪80年代中期到90年代后增加的趋势可能发生了突变. 年度干旱强度存在12~14 a的长周期和年度干旱长度4~6a的短周期较为可信.     

集安市蒸发及干旱指数分析

为了掌握集安市不同时期的蒸发规律和干旱程度,为抗旱保墒提供科学依据。利用1956-2015年气象资料,分析多年平均蒸发量及干旱指数。分析得出:集安市多年平均蒸发量694.2 mm,多年平均干旱指数为0.8,多数年份为湿润气候。     

基于条件分布模型的气象水文干旱传递分析

气象干旱发展到一定程度可以传递为水文干旱。以潘家口水库流域1961—2010年逐月平均降水数据和潘家口水库的入库径流序列为基础数据,分别计算了1、3、6、12个月时间尺度的标准化降水指数（SPI）和标准化径流指数（SRI）,以表征研究区域的气象干旱和水文干旱。基于条件分布模型,分析了不同时间尺度的气象干旱传递到未来的不同等级和不同的预测期（或滞后期）的水文干旱的概率。结果表明,当SPI时间尺度较短或预测期（滞后期）较短时,其对应的SRI水文干旱等级越倾向于维持与SPI相同的干旱等级;随着SPI时间尺度的增长或预测期（滞后期）延长,其对应的SRI水文干旱等级略低于气象干旱或恢复到正常状态。     

基于CI指数的甘肃省黄土高原地区气象干旱的变化趋势分析

基于甘肃省黄土高原区33个气象站1962-2010年气象资料, 利用综合气象干旱指数(CI)对其近50 a的干旱频率和平均持续时间的空间分布、 干旱强度趋势变化和极端干旱事件频次进行了分析, 此基础上应用基于分型理论的R/S方法对干旱强度未来变化趋势进行了预测. 结果表明: 甘肃省黄土高原区干旱发生频率和多年平均持续天数在兰州-靖远一带和庆阳北部属于高值区, 而岷县、 渭源一带属于低值区; 106° E以西"临洮-通渭-天水"一带和庆阳东南部是干旱变幅最大的地方. 20世纪90年代以来, 干旱强度增大的较快, 四季均呈现出干旱强度变大的趋势, 其中春、 秋季干旱强度加剧的趋势明显, 夏季近10 a都处于非常严重的干旱状态, 但未通过0.01的显著性检验; 20世纪60年代至今, 极端干旱事件发生频次快速增多. 四季干旱强度Hurst指数H 均大于0.5, 同时分维数D 均小于1.5, 因此, 未来一段时间干旱强度仍然保持与过去相一致的变化趋势. 研究结果可为相关部门制定相应抗旱对策提供科学依据.     

青海湖布哈河流域树轮宽度指数与NDVI植被指数的关系

利用来自青海湖流域乌兰和天峻的树轮指数和1982-2003年逐月标准化植被指数(NDVI)数据及气候数据, 在分析树轮指数及草地NDVI与气候因子关系的基础上, 探讨了树轮宽度指数序列与青海湖布哈河流域草地NDVI之间的关系.结果表明: 树轮宽度指数及草地NDVI主要受6-8月份的水热条件的影响, 温度与同期树轮宽度指数及草地NDVI具有较高的正相关, 而降水的影响存在滞后性.树木年轮指数序列与6-8月草地NDVI有显著的相关关系, 与8月份的NDVI相关性最强.树轮指数与草地NDVI间的显著相关性为研究该地区草地过去的动态变化提供了基础, 利用乌兰和天峻的两条树轮指数重建了8月份NDVI的千年变化.     

基于FY-3 A/VIRR数据的藏西北干旱遥感监测研究

藏西北地区生态环境脆弱,由于地形复杂、气候独特,该区的观测资料非常缺乏。利用遥感技术开展藏西北地区的干旱监测,能获取在空间上连续变化的地表干旱情况,对于指导该区农牧业生产具有重要的意义。基于FY-3A/VIRR的一级数据和标准旬产品（地表温度、植被指数）,采用温度植被干旱指数（TVDI）进行藏西北地区的干旱监测研究,并将监测结果分别与基于EOS/MODIS数据监测的结果、同期的野外实测土壤水分数据以及气象站点的降水量数据进行了对比分析。结果表明：利用FY-3A/VIRR数据的TVDI遥感监测结果与实测土壤水分、气象站累计降水量数据均呈显著的负相关关系,通过了0.01水平的显著性检验;利用FY-3A/VIRR数据与EOS/MODIS数据估算的TVDI干旱等级空间分布特征基本一致,FY-3A/VIRR数据可以代替EOS/MODIS数据在藏西北地区开展干旱遥感监测,可为指导藏西北地区农牧业生产提供数据支持。     

基于大范围地面墒情监测的鄱阳湖流域农业干旱

以鄱阳湖流域为研究区, 基于2011—2020年22个墒情站的逐日地面墒情监测数据、1956—2020年49个雨量站的日降雨数据及2016—2019年墒情站所在灌区的气象数据, 采用考虑植被生理状态的土壤水分亏缺指数(SWDI)表征农业干旱, 分析不同尺度下墒情、包气带缺水量和降水量的时空分布, 评估SWDI在鄱阳湖流域农业干旱监测中的适用性, 揭示该流域农业干旱时空演变特征及其对气象干旱的响应规律, 初步探讨土壤质地与农业干旱强度的相关性。结果表明: ① SWDI对鄱阳湖流域农业干旱诊断具有较好的适用性; ②近10 a该流域农业干旱呈显著加重趋势, 其中2019—2020年发生流域性重度农业干旱, 且夏、秋、冬连旱, 是近10 a的主导季节性农业干旱, 对水稻、油菜等粮食产量影响显著; ③相较于气象干旱, 农业干旱发生、结束时间分别平均约晚2.5周和3周, 历时长10.1周, 频次更低, 干旱等级更小; ④砂土持水性最差, 易发生特大农业干旱, 黏土、黏壤土保水性最好, 轻旱和中旱发生概率较大, 壤土、砂壤土和壤砂土则介于二者之间。     

降水变化对陕北黄土高原植被覆盖度和高度的影响

植被特性及生长模式是土壤侵蚀研究的重要因子,而降水是植被生长的主要限制因素.通过3年的观测数据,分析了陕北黄土高原地区降水年际变化和年内变化对6种植被覆盖度和高度的影响,得到如下主要结论:①年降水量对刺槐林、灌木林、荒草地和农地植被的影响较大,平水年份和干旱年份最大覆盖度相差约一倍.而对于植被高度来说,受影响最大的是休闲地和农地植被.②降水的年内分布,尤其是6～8月份的降水量是限制植被覆盖度和高度的主要原因.对于荒草地、农耕地覆盖度和高度的影响尤为显著.农作物覆盖度、高度甚至每年播种日期和种类都受到生长季降雨量的制约.研究结果对于估计黄土高原地区植被参数的变化,以及对土壤侵蚀模拟和退耕还林还草都具有参考价值.     

IMERG卫星降水数据在嘉陵江流域的干旱监测效用评估

针对嘉陵江流域存在雨热同期,水旱灾害频发的现象,为快速且准确地把握流域内降水与干旱情况,利用覆盖范围广且分辨率高的网格化IMERG卫星降水数据对嘉陵江流域进行多时空尺度反演,并基于卫星降水数据采用标准化降水指数(SPI)对流域实行干旱监测。结果表明：1)根据分类指标与统计指标的计算结果,三种卫星降水数据中的IMERG-F能更准确地反映流域内的日降水量,与地面降水数据CC达0.737,整体高估地面降水2.6%,具有在干旱监测方面的应用潜力。2)三种卫星降水数据驱动的SPI指数在干旱监测方面存在一定的差异,IMERG-F驱动的SPI指数与地面降水数据驱动的SPI指数保持较高的一致性(CC>0.9),较近实时产品IMERG-F更能准确地呈现出流域的干湿特征。3)卫星识别降水与干旱监测的能力受地形地貌的影响,IMERG卫星降水数据在平原丘陵地带具有较好的适用性。     

长江流域陆地水储量与多源水文数据对比分析

从趋势性、滞后性及相关性三方面,对2002—2013年间GRACE重力卫星反演的长江上游与中游陆地水储量与模型模拟土壤含水量、实测降水和实测径流数据进行了对比分析,并从干旱强度及发展时间两方面评估了标准化陆地水储量指数SWSI、标准化降水指数SPI、标准化径流指数SRI和标准化土壤含水量指数SSMI对区域性干旱的表征能力.结果表明:长江上游地区陆地水储量与降水、径流和土壤水蓄量均无显著变化,而中游地区陆地水储量则与水库蓄量同样具有显著性增加,反映人类活动对中游地区陆地水储量变化有很大影响;各指标指示的各等级干旱月份数量基本相当,但各指标反映的特旱具体月份有较大差别,基于GRACE数据构建的SWSI指标对特大干旱的指示性不好;对比各指标对上游与中游地区干旱事件发展时间,体现出水文干旱、农业干旱对气象干旱存在一定的迟滞关系.     

骤发干旱前期气象驱动条件及可模拟性分析

骤发干旱（简称骤旱）是一种以短历时、高强度、快速度为特征的极端事件,其形成速度已超出现有干旱监测工具的能力范围,监测模拟难度大。基于欧洲中心再分析产品（ERA）土壤含水量数据,构建考虑旱情开始速度的骤旱识别方法,提取中国1979—2018年骤旱事件,剖析旱情初期气象要素异常值的变化规律,探讨利用气象条件模拟骤旱的可行性。结果表明:①开始速度在空间上呈现显著的南北差异,长江以南地区较快,西北地区较慢;②骤旱比缓慢干旱具有更强的气象驱动力,骤旱各气象要素异常值的均值、峰值及变化幅度比缓慢干旱变化更为显著,尤其是峰值,约超过缓慢干旱0.5个标准差;③综合考虑骤旱爆发前后不同时段多个气象要素异常,能够较好地模拟开始速度,可用于监测与模拟骤旱。     

吉林西部气象干旱的多标度分形特征

选用标准化降水指数作为气象干旱指标,通过引入多标度分形理论,运用乘法级联模型,以吉林西部6个气象站点1957年1月-2010年10月的月降水量数据为基础,对吉林西部气象干旱的多标度性质进行分析。研究结果表明,吉林西部气象干旱的发生在时间尺度上均具有多标度分形特征,但在不同站点多标度分形的强度不同,表现出一定的空间差异性。其强弱次序为：长岭<通榆<白城<前郭<扶余<乾安。     

地下水和干旱指数对植被指数空间分布的联合影响:以鄂尔多斯高原为例

鄂尔多斯高原无定河与都思兔河之间的地段属于我国西北地区典型的干旱-半干旱过渡带,覆盖毛乌素沙地,存在大量的地下水浅埋区,为植被生长创造了有利条件。前人研究表明鄂尔多斯高原沙地植被的盖度随着地下水埋深的减小而增大,但没有充分考虑气候梯度的影响。本研究依托大量井孔调查资料建立了研究区地下水埋深的高分辨率栅格数据,与区内增强型植被指数EVI的遥感数据和气候数据进行相关分析,并建立地下水埋深与干旱指数双因素坐标系来确定区域植被指数对地下水和气候背景的联合响应。研究结果表明:干旱指数和地下水埋深的增大都会导致植被指数的概率统计值减小。干旱指数介于3~5时,地下水埋深对植被指数的影响比较显著,且地下水埋深介于1~3m最有利于高盖度植被的出现。地下水显著影响植被分布的临界埋深约为7m。这一结果改进了前人关于鄂尔多斯生态水文地质特征的认识。