基于SPEI和SDI指数的云南红河流域气象水文干旱演变分析

本文基于红河流域43个气象站1961-2012年逐月降水、气温数据以及干支流2个水文站1956-2013年逐月流量数据,采用标准化降水蒸散指数(SPEI)和径流干旱指数(SDI)分析流域气象水文干旱的演变特征,并探讨水文干旱对气象干旱的响应。结果表明：①1961-2012年期间,流域总体上表现出干旱化的趋势,季节变化上春季有变湿的趋势,而夏、秋、冬三季有变干的趋势,但趋势并不显著。干旱频率季节空间分布差异较大,春旱和冬旱发生频率较高。从干旱范围来看,春旱范围呈缩小的趋势,夏旱、秋旱和冬旱范围表现出不同程度的增大趋势;②1956-2013年期间,流域水文干旱表现出加剧的趋势,其中1958-1963、1975-1982、1987-1993、2003-2006和2009-2013年为水文干旱多发期,近10年来频率明显增加;③流域水文干旱滞后于气象干旱1~8个月,气象和水文干旱事件的干旱历时、严重程度和强度之间具有紧密的相关性,流域气象干旱是水文干旱的主要驱动力。     

1960—2014年广东省干旱时空演变特征

利用1960—2014年广东省24个气象站点的逐日降水资料,采用下次降水平均等待时间（Average Waiting Time for Precipitation, AWTP）计算得到的相当干期（Equivalent Dry Period, EDP）指数分析了广东省1960—2014年的干旱时空特性,重点分析其自21世纪以来的干旱时空演变趋势。结果表明：EDP指数能够较好地适用于本研究区。从空间分布上看,广东省干旱大致呈现自西向东、自北向南逐渐加重的空间分布格局,东南部沿海地区干旱程度较粤北和粤西地区更为严重。1960—2014年广东省干旱有明显的年代际的变化特征,且干旱程度存在显著的逐年加重趋势。此外,广东省存在典型的季节性干旱,秋旱和冬旱频发,其次是春旱;各季的干旱中心位置有所不同。21世纪以来广东省干旱的发生频率、强度和影响面积都远超20世纪后半叶。具体而言,进入21世纪,珠三角东部东源站和粤西云浮市罗定站的EDP值明显增高,成为广东省新的干旱中心。从季节性干旱的角度分析,21世纪以来,秋季与冬季的旱情加剧最为严重并向全省蔓延,秋、冬季EDP值在21世纪初期相对20世纪后半叶的增幅都为23%。春旱则是逐年缓慢加重,夏旱在1960—2014年较少,但进入21世纪后广东省夏旱也呈现频发的态势。     

基于SPEI的广西干旱时空变化特征分析

以标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)作为干旱的评价指标,通过对1961-2013年广西地区87个气象站逐月降水量和平均气温的计算,得出各个站点不同尺度SPEI值,根据不同尺度SPEI值的变化规律、各个季节发生频率、空间分布、周期及变化趋势,分析广西干旱的时空变化特征。结果表明,受季风环流和地形分布影响,广西夏季发生干旱的概率较小,冬季普遍发生干旱,而春季和秋季干旱空间分布格局显著,桂西北地区和北部湾地区形成春季干旱格局,桂东北形成秋季干旱格局,且秋旱发生严重旱情的几率比春旱大。春旱区存在3 a、7 a和13 a的周期变化,秋旱区存在2 a、4 a、7 a和17 a的周期变化,且均在21世纪进入干旱周期。     

华北不同地表覆盖类型区干旱演变特征

利用华北地区气象站点1960～2008年共49年的降水旬数据集逐旬计算1个月、3个月、12个月尺度的标准化降水指数(SPI)序列。采用SPI历史序列的多年滑动平均和滑动标准差方法,解析研究区及3种主要地表覆盖类型区(草原区、农田区、阔叶林带)干旱在整个时间序列上的演变周期和幅度。采用线性回归分析干旱的演变趋势和变化频度,并对趋势线进行预测。对比了3个子区域全年12个月份干旱演变特征的差异。结果表明:研究区干旱发生的频率和强度呈逐渐加重的趋势,且各月份干旱发展趋势有较大差异,夏季的6月、7月降水较历史时期增多,春旱(4月)、秋旱(9月和10月)加重趋势显著。草原区在整个历史时期的干旱变化趋势不如南部农作物区和中部阔叶林带明显。农作物区9月、10月两月份干旱加重的趋势最显著,说明黄淮海平原区的夏玉米将越来越受到秋旱的威胁,防旱抗旱形势重于冬小麦面临的春旱,冬小麦的秋种受干旱的影响将加重。     

基于标准化降水、径流指数的黄河流域近50年气象水文干旱演变分析

针对黄河流域近年来干旱频繁发生和水资源匮乏状况,基于1961-2010年黄河流域146个气象站的逐月降水和干流6个水文站的逐月径流资料,采用标准降水指数(SPI)、标准流量指数(SDI)及其相关评估指标,运用趋势、时滞互相关等气候学分析方法,分析了近50年黄河流域气象和水文干旱时空变化特征.结果表明:全流域年气象干旱表现出加剧趋势,且中游干旱化较突出.中游春旱、全流域秋旱和上、下游夏旱均呈加剧趋势,而全流域冬旱出现减轻态势,以上游较突出.沿干流从上游至下游水文干旱呈加重趋势,且自1990s后期开始水文干旱的发生更加频繁,干旱等级也越来越高.流域水文干旱主要与流域干旱、半干旱气候区的气象干旱有1～5个月的滞时.     

基于Copula函数的韩江流域旱涝组合事件概率特征研究

以韩江流域潮安、横山和溪口3个代表性站点1959—2000年日流量数据为基础资料,选取4种边缘分布函数拟合各站点春、夏、秋、冬四季的径流距平百分率序列,并利用线性矩法估计参数,在此基础上采用4种Copula函数拟合春-夏、夏-秋、秋-冬、冬-春径流距平百分率序列,然后计算出各站点连旱连涝和旱涝交替这2类旱涝组合事件发生的概率,结果表明:1)基于Copula函数建立的联合分布模型可以较好地描述季节间连旱连涝和旱涝交替这2类旱涝组合事件发生的概率;2)潮安与溪口站夏-秋、秋-冬时段平均每4年发生一次连旱连涝的事件,春-夏、冬-春时段发生连旱和先旱后涝的概率均在10%左右;横山站秋冬季节平均每1.28年就发生一次连续干旱的事件。     

基于 Copula函数的韩江流域旱涝组合事件概率特征研究

以韩江流域潮安、横山和溪口3个代表性站点1959—2000年日流量数据为基础资料,选取4种边缘分布函数拟合各站点春、夏、秋、冬四季的径流距平百分率序列,并利用线性矩法估计参数,在此基础上采用4种Copula函数拟合春－夏、夏－秋、秋－冬、冬－春径流距平百分率序列,然后计算出各站点连旱连涝和旱涝交替这2类旱涝组合事件发生的概率,结果表明：1）基于Copula函数建立的联合分布模型可以较好地描述季节间连旱连涝和旱涝交替这2类旱涝组合事件发生的概率;2）潮安与溪口站夏－秋、秋－冬时段平均每4年发生一次连旱连涝的事件,春－夏、冬－春时段发生连旱和先旱后涝的概率均在10％左右;横山站秋冬季节平均每1.28年就发生一次连续干旱的事件。     

基于SPI的黑龙江省干旱时空特征分析

利用黑龙江省10个气象站点1953—2015年逐日降水数据，计算不同尺度下的标准化降水指数(SPI)，并结合游程理论分析黑龙江省干旱的时空演变特征。结果表明：降水仍是黑龙江省干旱的主要影响因素；黑龙江省干旱夏季和秋季呈增强趋势，SPI变化速率分别为每10 a下降0.029、0.135,春旱和冬旱呈缓解趋势，速率为每10 a上升0.061、0.074，年SPI变化速率为每10 a下降0.044；黑龙江省20世纪60年代中后期~70年代末，干旱较为频繁，且干旱的持续时间长、干旱程度大、干旱强度大，出现了1974—1980年的连续干旱期，80年代~90年代中期较为正常，90年代末及之后，干旱频率及其持续时间、程度、强度呈增加趋势；干旱事件的持续时间从西北向东南呈增加—减少趋势，黑龙江省中部的干旱事件持续时间最长。     

基于SPEI法的陇东地区近50 a干旱化时空特征分析

选取陇东地区近50 a平均逐月降水和气温数据,采用Mann-Kendall方法、反距离加权插值（IDW）、功率谱分析、标准化降水蒸散发指数（SPEI）等方法分析了陇东地区近50 a来干旱变化的时空特征。研究显示：近50 a来陇东地区干旱化趋势非常明显,特别是20世纪90年代以来干旱趋势显著。持续干旱事件次数增多,持续干旱累积时间增长,以春夏连旱、伏秋连旱的次数增多为显著特征。发生干旱的周期在不同的时间尺度上表现不一致,随着时间尺度的增长,干旱出现的周期也在变长。干旱发生频率不断加快,尤其是在20世纪90年代以来,极端干旱事件的频率显著上升。近50 a来干旱频率较高的区域在环县西北部和六盘山以西静宁等地,干旱高频区逐步向中南部和东部转移。通过与其他方法对比分析和历史资料比对,证明SPEI在陇东地区有较好的适用性。     

近60年来西南地区旱涝变化及极端和持续性特征认识

利用1953~2012年中国西南地区44个气象台站的逐日降水、温度资料,通过降水和潜在蒸发均一化旱涝指数,从旱涝的年代际、年际、季节内变化以及极端和持续性特征等方面进行了分析,结果表明：从旱涝的空间趋势变化来看,西南近60 a来秋季和年变化呈显著的一致变旱趋势,而春、夏、冬3季旱涝变化趋势表现出一定的区域性特征;从旱涝的时间演变来看,在温度与降水双重因子驱动下春、夏、秋、冬均表现为干旱化趋势,相比较秋季的干旱化程度最强,而春季的最弱,夏、冬两季相当,而全年的干旱程度比四季的程度更强;从极端旱涝的多时间尺度来看,在年代际和年际尺度上,极端洪涝发生频次逐渐减少,而极端干旱发生频次逐渐增多,从季节尺度看,春、冬两季极端干旱发生频次较多,而夏季最少,极端洪涝发生频次夏季最多,春季次之,秋季最少。从旱涝的持续性特征来看,持续性干旱事件的持续时间有增长趋势,发生频率有增多趋势,发生强度有增强趋势,并且主要发生在冬春两季,而持续性洪涝事件的持续时间、发生强度没明显变化趋势,发生频率有减少趋势,发生的季节也没明显差异。     

近50 年云南区域气候变化特征分析

利用云南气温和降水资料, 分析了云南气候变化特征及强降水极端天气和高温干旱事件对全球气候变暖的响应。以云南香格里拉、西双版纳、昆明地区为代表, 分析了区域气象要素变化趋势。结果表明: 云南近50 年气温变化与全球、北半球、中国变化趋势基本一致, 气温变化幅度略大于全球, 弱于北半球和全国变化。云南20 世纪80 年代中后期以后出现增暖现象, 以90 年代后期增温最明显, 1986 年以来出现13 年暖冬, 大部分地区冬春季降霜日数减少。随气候变暖, 香格里拉地区降雪日数呈下降趋势, 西双版纳地区雾日明显减少, 全省降雨日数逐渐减少, 大雨频率变化不大, 暴雨、大暴雨频率上升, 高温干旱事件频率增加。进入21 世纪以后, 云南降水减少, 高温干旱事件有增强增多趋势, 由2～3 年一遇变为1～2 年一遇。2005 年春夏连旱和2006 年春旱是云南近50 年和20 年来最严重的旱灾。     

1951-2008年中国西北干旱区降水时空变化及其趋势

在全球气候变化背景下,地处生态脆弱区的中国西北干旱区降水响应特征及其未来变化趋势的量化研究极为重要,依据中国西北干旱区95个站点1951-2008年月降水资料,运用自然正交分解法(EOF)、Morlet小波分析、轮次分析、游程理论、极差分析、季节性指数分析、Mann-Kendall检验及气候趋势系数分析等方法分析了西北干旱区降水时空变化特征及其未来趋势。结果表明:西北干旱区降水场前4个特征向量累计方差贡献率达81.61%,第一特征向量最高为48.53%,属"相间复杂"型,依据其荷载空间分布特征将研究区划分为北疆子区、南疆子区、河西子区、青海子区及内蒙古子区;西北干旱区及各子区降水存在9年及12年主周期;各地的极大丰水历时均小于极限枯水历时,单独丰水年的概率高于单独枯水年,连枯年的概率高于连丰年,干旱主要发生在新疆和河西地区;降水序列具有长期相关性,Hurst系数在0.629～0.845间波动;西北干旱区40.0%的地区降水具有明显的季节性分布;61%地区重现性指数大于0.7,降水年内分配的年际差异较小;86.3%地区降水量呈增加趋势,其中20.0%通过信度0.01的显著性检验,48.4%通过了0.05显著性检验,增幅16.6～0.1 mm/10a;11.6%地区呈减少趋势,减幅为5.2～0.3 mm/10a。     

非平稳标准化降水蒸散指数构建及中国未来干旱时空格局

旱灾是一种致灾因子与成害机理均非常复杂的自然灾害,也是目前对其检测与风险防御最为困难的自然灾害种类之一。随着全球气候变化,干旱的变化逐渐趋于非平稳化,水文气象序列的非平稳性已有广泛研究,但在干旱检测指标中却鲜有考虑。基于标准化降水蒸散指数（SPEI）和非平稳性理论,构建非平稳性标准化降水蒸散指数（NSPEI）并进行适用性评价,利用NSPEI评估未来不同排放情景下中国气象干旱时空格局演变规律。结果表明：① 非平稳性站点集中在东北平原、黄淮海平原、长三角地区、青藏高原及周边区域,NSPEI拟合最优的站点占中国气象站点的88%（2177个站点）。② SPEI对温度较为敏感,在评估未来干旱变化时会高估干旱强度和持续时间性,而NSPEI能够克服这一弱点,较SPEI可更好的检测中国气象干旱,且能很好的刻画中国未来干旱变化。③ 低、高排放情景下中国北方干旱加剧,南方呈湿润化趋势;中排放情景下中国北方湿润化趋势明显,而中国南方则呈干旱化。基于NSPEI干旱检测结果,中高排放情景下中国未来极端干湿历时与发生频率均呈增加趋势。     

1960—2011年甘肃河东地区极端降水变化

选取甘肃河东地区13个气象站点1960—2011年的日降水资料,运用气候线性趋势、Mann-Kendall检验、Morlet小波分析、反距离加权法和R/S方法,分析了甘肃河东地区极端降水的时空分布,并预测了未来变化趋势。结果表明:（1）河东地区近52年持续干旱日数呈显著增加趋势,而其余极端降水指标呈减少趋势,其中只有中雨日数通过了显著性检验;各极端降水指标在河东季风区和河东高寒区存在明显差异;在河东季风区,中雨日数、R95极端降水量和降水强度显著减少,而持续干旱日数显著增加;在河东高寒区持续降水日数显著减少。（2）空间分布上,除持续干旱日数大多数区域增加外,其余极端降水指标大部分区域减少,减少区域集中在河东中部和河东东南部。（3）极端降水指标主要以20年和5～8年的周期为主,在不同的时间序列信号强弱不同\.（4）中雨日数、持续干旱日数、R95极端降水量、降水强度在20世纪70年代发生趋势性突变,持续降水日数和最大5天降水量在80年代转折性突变。（5）除中雨日数、持续降水日数在河东高寒区未来发展不稳定外,其它各指标在各区域未来表现出持续性,与过去变化趋势一致。     

宁夏中南部地区干旱变化趋势分析

采用国家最新发布的综合气象干旱指数,详细分析了宁夏中南部地区干旱发生频率、日数和强度的变化趋势。发现宁夏中南部地区春、夏季干旱变化趋势基本相似,而与秋季干旱变化趋势基本相反。20世纪60年代至80、90年代,宁夏中南部地区春、夏季干旱总体呈弱减轻趋势,而秋季干旱呈非常显著的加剧趋势,80、90年代秋季干旱强度较60年代增强了两倍多;进入21世纪以来,春、夏季干旱显著加剧,中部干旱带春、夏季干旱、南部山区夏季干旱强度较20世纪90年代平均增加了约1~2倍,而秋季干旱出现了明显减弱的新趋势。随着春、夏季干旱加剧,对农林牧业\,生态环境、人畜饮水的影响越来越严重,旱灾造成的损失也在不断增大,应引起高度重视。最后提出了应对干旱加剧的措施建议。     

基于CI指数的江苏省近50 年干旱的时空分布规律

根据江苏省54 个气象台站1960-2009 年实测气象资料,利用气象干旱复合指数(compositeindex, CI) 对江苏省近50 年的干旱特征进行了时空分析。通过计算各站历年逐日的CI 指数值,统计近50 年各站点出现的干旱过程,分析江苏省各地区干旱发生的频率、范围和强度,揭示了江苏省干旱发生的时空分布规律。研究结果表明：(1) 江苏省全年和各季干旱发生频率都是北高南低,四季中,冬旱发生频率最高,夏旱发生频率最低,秋旱南北差异不显著。(2) 冬季江苏省干旱大范围发生的年份最多,夏季最少;近50 年来,全年和四季干旱覆盖范围的线性变化趋势不明显。(3) 这50 年中,江苏省逐年干旱持续日数和干旱强度虽然存在着明显的年际波动,但线性变化趋势不明显。(4) 江苏省各等级干旱日数总体上呈现冬季多夏季少、北部多南部少的规律。     

1960-2016年黄土高原多尺度干旱特征及影响因素

明晰黄土高原干旱特征对于生态工程建设和社会经济可持续发展具有至关重要的作用。基于1960—2016年黄土高原59个气象台站数据和标准化降水蒸散指标（SPEI）,本文分析了黄土高原多尺度干旱时空变化特征,并探讨了遥相关指数对黄土高原干旱变化的影响。结果表明：① 黄土高原SPEI指数呈下降趋势,其中70年代初和90年代末为显著干旱时期,80—90年代初为较湿润时期;② 年尺度SPEI呈下降趋势的区域遍布整个黄土高原,以山西西部、宁夏北部和甘肃中东部最为显著,而黄土高原西北和西南部则表现为变湿趋势;③ 春、夏和秋三季SPEI均呈下降趋势,且夏、秋季下降趋势较大,趋势系数均为-0.03/10a。春季干旱趋势与年际变化较为一致,秋季干旱趋势范围较大,占总面积的64.53%,冬季干旱范围较小且不显著;④ 多尺度干旱同时受IOD、NAO、PDO、AMO和ENSO3.4等遥相关指数的共同影响,且该影响存在明显的年际和年代际相位转换特征。多元回归分析显示,IOD和NAO对黄土高原干旱解释率较高,分别为22.98%和12.23%,而ENSO3.4解释率较低,表明黄土高原降水变化与西南季风具有较好的关联性。     

天山北坡东部叉子圆柏(Sabina vulgaris)树轮宽度气候重建潜力评估

叉子圆柏(Sabina vulgaris)年轮边界清晰,广泛分布于天山北坡海拔1 200~3 100m范围,比雪岭云杉的海拔分布范围更广。该树种最大树龄在200a以上,目前还未见利用这一树种开展树轮年代学研究的报道。建立了天山北坡东部木垒山区叉子圆柏的树轮宽度年表,分析其年表特征及其与木垒气象站降水量、降水日数、气温、蒸发量和标准化降水蒸发指数(SPEI)的相关关系,评估叉子圆柏的气候信息含量及其用于气候重建的潜力。结果表明:叉子圆柏树轮宽度具有较高的敏感度和序列间的一致性,树木径向生长受到当年生长季(3—8月)及其前期降水和蒸发的综合影响,宽度年表与当年的降水量和降水日数显著正相关,与气温和蒸发量显著负相关,与当年4—7月SPEI的正相关最为显著(n=55,r=0.650,P0.0001)。基于一元线性方程(Y=2.783 X-2.975,R~2=42.2%,R_(adj)~2=41.1%),利用叉子圆柏树轮宽度重建了东天山北坡木垒4—7月SPEI变化。与基于雪岭云杉树轮宽度重建的东天山降水记录的比较表明:1860—2013年间二者相关系数为0.381,低频变化都记录了1910—1940年的持续干旱期。SPEI序列中的部分极端干旱年与降水记录并不一致,SPEI记录的20世纪90年代以来的持续偏干趋势在树轮降水记录中并不明显,可能是由于两个重建的要素和时段不一致,SPEI指数考虑了增温引起的蒸发作用加剧的影响。叉子圆柏主要分布在阳坡(雪岭云杉一般生长在阴坡),特别是可以在天山北坡雪岭云杉下树线以下的区域生长,叉子圆柏树轮宽度反映的气象要素和时段与雪岭云杉存在差异,因此在天山山区树轮年代学研究中能作为雪岭云杉的有益补充。     

天山北坡东部叉子圆柏(Sabina vulgaris)树轮宽度气候重建潜力评估北大核心CSCD

叉子圆柏(Sabina vulgaris)年轮边界清晰,广泛分布于天山北坡海拔1 200~3 100m范围,比雪岭云杉的海拔分布范围更广。该树种最大树龄在200a以上,目前还未见利用这一树种开展树轮年代学研究的报道。建立了天山北坡东部木垒山区叉子圆柏的树轮宽度年表,分析其年表特征及其与木垒气象站降水量、降水日数、气温、蒸发量和标准化降水蒸发指数(SPEI)的相关关系,评估叉子圆柏的气候信息含量及其用于气候重建的潜力。结果表明:叉子圆柏树轮宽度具有较高的敏感度和序列间的一致性,树木径向生长受到当年生长季(3—8月)及其前期降水和蒸发的综合影响,宽度年表与当年的降水量和降水日数显著正相关,与气温和蒸发量显著负相关,与当年4—7月SPEI的正相关最为显著(n=55,r=0.650,P<0.0001)。基于一元线性方程(Y=2.783 X-2.975,R^2=42.2%,R_(adj)~2=41.1%),利用叉子圆柏树轮宽度重建了东天山北坡木垒4—7月SPEI变化。与基于雪岭云杉树轮宽度重建的东天山降水记录的比较表明:1860—2013年间二者相关系数为0.381,低频变化都记录了1910—1940年的持续干旱期。SPEI序列中的部分极端干旱年与降水记录并不一致,SPEI记录的20世纪90年代以来的持续偏干趋势在树轮降水记录中并不明显,可能是由于两个重建的要素和时段不一致,SPEI指数考虑了增温引起的蒸发作用加剧的影响。叉子圆柏主要分布在阳坡(雪岭云杉一般生长在阴坡),特别是可以在天山北坡雪岭云杉下树线以下的区域生长,叉子圆柏树轮宽度反映的气象要素和时段与雪岭云杉存在差异,因此在天山山区树轮年代学研究中能作为雪岭云杉的有益补充。     

基于标准化降水蒸散指数（SPEI）的毛乌素沙地1981—2020年干旱特征研究

大气干旱是影响半干旱沙区植被建设、生态恢复及社会经济可持续发展的重要因素。基于1981—2020年毛乌素沙地10个气象站点的逐月气象资料,计算了月、季和年尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI）,分析了该沙区近40年降水和气温的变化趋势、干旱事件及其频率的时空特征。结果表明：（1）毛乌素沙地近40年降水量和气温均呈现显著的上升趋势（P<0.05）;秋季和冬季降水量呈现显著的上升趋势（P<0.05）,四季气温均呈现显著的上升趋势（P<0.05）。（2）毛乌素沙地总体上呈现出不显著的湿润化趋势（P>0.05）,但秋季呈显著的湿润化趋势（P<0.05）;中、西部地区呈现出湿润化趋势,而东部地区则呈现干旱化趋势。（3）近40年毛乌素沙地的月尺度下干旱总频率达32.71%,各等级发生频率为轻旱>中旱>重旱>特旱,季节发生频次为冬季>夏季、秋季>春季;轻旱主要发生在毛乌素沙地的北部、中部、东南和西南部,中旱在东部、北部和西部边缘,重旱在东部、中部以及南部地区,特旱在西北部、南部和东南部区域。