21世纪以来干旱研究的若干新进展与展望

干旱是中国影响范围最广、造成经济损失最严重的自然灾害之一,直接威胁国家粮食安全和社会经济发展,对干旱问题的认识和研究有助于提升国家防旱减灾能力。自新中国成立以来,中国对于干旱气象的研究取得了丰硕的成果。本文以21世纪以来中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室为平台开展的与干旱气象相关的科研项目群取得的研究成果为基础,通过成果检索,对干旱监测技术、干旱时空分布规律、干旱致灾特征、干旱灾害风险及其对气候变暖的响应以及干旱灾害风险管理与防御技术等方面的新进展进行总结和归纳。同时,基于干旱气象研究的前沿发展趋势,提出中国未来干旱气象研究应在加强气候变化背景下干旱高发区综合性干旱观测试验基础上,从不同维度和尺度定量研究干旱形成机理,构建多源数据融合和多方法结合的综合干旱监测新方法,揭示干旱致灾机理,科学评估干旱灾害风险,提出具有可执行性的风险管理策略等重点科学问题上取得突破。这对于推动中国干旱气象研究具有积极意义。     

关于骤旱研究的一些思考

骤旱是一类特殊的干旱现象，以快速发展为主要特征。在全球变暖背景下，骤旱可能会成为干旱的一种"新常态"，亟须开展深入研究。针对目前存在的骤旱定义争论，本文指出其本质为如何理解骤旱与传统干旱之间的区别与联系，并从骤发性、持续性、爆发和消亡过程等方面进行阐述，指出骤旱的典型时间尺度为次季节尺度，应纳入多尺度干旱体系中。在此基础上，回顾了极端个例诊断分析、人类活动检测与归因、生态环境效应等方面的研究进展。认为：未来应加强骤旱驱动机制（包括内部变率和外部强迫）、骤旱与生态系统之间的相互作用、骤旱可预报性来源以及预测方法等方面的研究；应从全球变化的视角，利用地球系统科学的研究方法，发展先进的监测和模拟预测技术，以应对日益增加的骤旱风险。     

干旱气象科学研究——“我国北方干旱致灾过程及机理”项目概述与主要进展

干旱灾害是影响社会经济发展、农业生产和生态文明建设的重要自然因素,随着气候变暖,极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势,影响不断加重。"干旱气象科学研究"是由中国气象局等国家部委组织的三大气象科学试验研究计划之一,是继"第三次青藏高原大气科学试验"实施后,于2015年以行业科研重大专项项目形式批准立项的又一重大科学研究计划。本文简要介绍了本项目的基本架构以及在外场观测试验和科学研究方面所取得的重点研究成果,展望了干旱气象科学研究趋势及可能取得的主要突破。项目以提升我国干旱防灾减灾能力、保障粮食与生态安全为科技支撑目标,以发展干旱基础理论为科学研究目标,以提高干旱监测预测预警及影响评估技术水平为业务应用目标,以我国北方地区为重点研究区域,开展跨学科、综合性、系统性的干旱气象科学试验和科学研究。实施以来,已在西北至华北的干旱半干旱区建立"V"型的干旱致灾过程及其陆—气相互作用观测试验站网布局,并开展系统性观测试验。科学研究方面也取得重要成果。研究发现,自我防御机制有助于我国北方草地主要优势种和建群种——贝加尔针茅适应未来气候变化。气候变化使中国骤发性干旱显著增加,尤其在湿润和半湿润地区可能性更大,且在未来几十年有可能持续下去,这对中国农业和水资源持续利用造成严重影响。另外,复杂下垫面地区的地—气交换研究方法得到有效改进;干旱半干旱区域的模式系统发展取得进展;发现春小麦、春玉米对干旱胁迫的响应特征,构建了玉米冠层含水量的普适性高光谱遥感估算方法等。     

双季稻主要气象灾害研究进展

热害、洪涝、干旱和冷害是影响我国双季稻安全生产的主要气象灾害。气候变化背景下,双季稻遭受的极端气候事件增加,应对气象灾害的任务更加紧迫。我国双季稻主要气象灾害的时空分布特征不同:热害、洪涝和干旱发生频率整体呈增加趋势,西部南部较高;冷害弱减轻,北高南低,不同生育期存在差异。文中对双季稻生产的影响、监测预警技术（站点监测、遥感监测、指标预警、数理统计和动态机理模型）以及防御气象灾害的减灾保产技术进行了阐述。针对当前气候资源的时空分布特点以及关于双季稻气象灾害研究存在的不足,提出了双季稻气象灾害在未来研究中需要重点关注的科学问题,即双季稻气象灾变过程及其动态监测指标体系、气候变暖背景下双季稻气象灾害遥感监测技术及其气象灾损动态评估技术、星-地耦合的双季稻气象灾变过程数值模式研发、双季稻种植制度对气候变化的适应性及其抗灾减灾新技术与示范研究,为双季稻有效防御气象灾害和稳产高产提供依据和技术支撑。     

江西省旱涝灾害风险评估与农业可持续发展

采用旱涝受灾率、成灾率、降水变率、脆弱度、灾害损失率、干旱指数等要素,评估了江西省旱涝灾害风险的时空分布特征.并根据江西省旱涝风险的时空分布特征,提出防灾减灾对策,防御和减轻旱涝灾害,以达到农业可持续发展的目的.研究结果表明,江西省每年都存在不同程度的旱涝风险,且洪涝风险大于干旱风险;干旱风险的变异程度小于洪涝风险.其空间分布为干旱风险北部重于南部、山区轻于平原;洪涝风险东部重于西部、南部轻于北部.     

长江中下游地区骤发干旱与缓发干旱特征对比研究

基于再分析土壤湿度、大气等压面资料以及国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)数据,利用大气柱水分收支原理及归因方法,本文识别了1979—2020年长江中下游地区格点骤发干旱与缓发干旱,分析其空间分布及统计特征,并且诊断区域性典型骤发干旱与缓发干旱事件的发展过程及人为因素的影响。结果表明:该区域骤发干旱频发,主要发生在南部,强度偏强,且大多发展于夏季;而缓发干旱发生较少,主要发生在北部,强度偏弱,且大多发展于秋季。大气柱水汽净辐散对两类干旱的发展速度起到了重要作用,骤发干旱在发展过程中大气柱水汽净辐散偏强,造成蒸散发与降水差值较大,使得土壤湿度下降速度快于缓发干旱。2019年夏季长江中下游地区发生了一次大范围的骤发干旱事件,在发展阶段,副热带高压西伸增强了区域大气柱的风场辐散,使大气柱水汽净辐散强,干旱快速发展。2010/2011年发生了一次区域缓发干旱事件,在秋季发展阶段,近地层风场为一弱反气旋环流,风场辐散作用偏弱,大气柱水汽净辐散偏小,使干旱发展速度较慢。人类活动对2019年骤发干旱事件的影响强于2010/2011年缓发干旱事件。     

新书架

《中国重大干旱事件分析(1961—2020年)》邹旭凯等编著该书利用新构建的气象干旱指数(DI)和区域性干旱过程的统计方法,使用1961—2020年中国国家级气象观测站逐日平均气温和降水量资料,计算了历年中国区域性干旱事件的气象干旱指数及其强度,并对区域性重大干旱事件的发展演变特征和影响进行了较为详细的分析。主要内容包括:1961—2020年中国区域性干旱事件的频率、强度的时空分布和变化特征分析,1961—2020年最强前20名的全国区域性重大干旱事件和2001—2020年逐年的全国区域性干旱事件的气象条件、干旱强度和范围的发展演变情况及干旱影响评估,还给出了1961—2020年中国31个各省(自治区、直辖市)的区域性干旱过程的历年变化。该书可以为气象、农业、水利和环境等领域的科研与业务人员提供基础资料信息,也可为干旱灾害防御有关部门提供决策参考。     

关于复合型极端事件的新认识和启示

近年来,极端天气气候事件频繁发生,且常常表现为多种事件交织形成的复合型极端事件。为了更好地认识复合型极端事件,IPCC AR6基于现有的新证据评估了复合型极端事件的最新研究成果,并取得一些新认识：扩展了有关复合型极端事件的定义,重点围绕高温干旱复合型极端事件、复合洪水和野火,评估了复合型极端事件的变化特征,探讨了复合型极端事件多因子之间的依赖性,对人类活动的影响进行了归因分析并给出了未来可能的变化。这些评估结果丰富了对复合型极端事件的基本认识。但根据现有的评估可以发现,目前在复合型极端事件发生发展机理认识方面还存在不足;同时,未来仍需进一步完善跨学科跨部门跨区域研究,加强对复合型极端事件形成机理、预估及其对生态系统,经济社会影响风险的评估,提高对区域气候变化的适应能力。     

气候变化背景下影响广西的主要气象灾害及变化特征

利用广西常规气象资料和主要气象灾害数据,采用数理统计方法分析近50a来气候变化背景下影响广西的主要气象灾害及其变化特征。结果表明,影响广西的主要气象灾害有暴雨洪涝、干旱、台风、寒冻害和强对流天气(冰雹、大风、雷暴、龙卷风、飑线等),广西气象灾害具有灾种多,灾害频繁、灾情严重的特点;近50a来广西气候存在明显变暖趋势,升温速率为0.145℃/10a,在这种气候变化背景下,广西气象灾害的变化表现为降水呈现两极化发展态势,干旱和洪涝频率同时增加,高温事件增加,低温事件减少,极端天气气候事件频率增加,气象灾害严重程度增加。     

近10年来中国主要农业气象灾害监测预警与评估技术研究进展

频繁发生的农业气象灾害制约着我国农业生产的快速、健康发展。农业气象灾害一直是广大气象科技工作者开展的主要研究课题之一。在国家科技攻关等计划的支持下,近10年来农业气象灾害研究取得了许多成果。完善农业气象灾害监测业务和预报服务,构建农业气象灾害风险评估、防御体系是农业气象灾害研究的重点。基于3S技术和地面监测相结合,构建了农业气象灾害动态监测系统,从宏观和微观角度来全面监测农业气象灾害的发生发展;建立和完善了卫星遥感监测系统,开展干旱、洪涝、冷害等灾害的动态监测,逐步建立集3S于一体的高空时空分辨率的灾害监测预警系统。农业气象灾害预警研究主要包括:数理统计预报方法进一步发展,农业气象模式与气候模式结合的初步尝试,GIS和网络等高技术在农业气象灾害预警中的应用,省级农业气象灾害预测系统的研制。我国农业气象灾害风险(影响)评估的研究,大致可以2001年为界分为二个阶段。第一阶段,以灾害风险分析技术方法探索研究为主的起步阶段,第二阶段,以灾害影响平度的风险化、数量化技术方法为主的研究发展阶段,构建灾害风险分析、跟踪评估、灾后评估、应变对策的技术体系;具体研究包括农业气象灾害风险分析、风险评估、风险区划和基于遥感监测信息的农业干旱评估。近年来我国农业气象灾害防御研究主要是将高效利用农业气候资源的主动防御技术和开发防灾制剂的被动防御技术相结合,在防御农业干旱和低温冷害方面取得了良好效果。     

中国区域性骤发干旱特征分析

基于国家气象信息中心2 400多个观测站的候平均日最高气温、GLDAS 2.0/2.1的土壤湿度、蒸散发资料和ERA5的500 hPa位势高度、925 hPa风场再分析资料,定义了格点骤发干旱指数,在分析1979—2017年4—9月中国区域骤发干旱气候特征和骤发干旱指数的经验正交展开空间模态的基础上,确定骤发干旱发生频繁及变率大的区域,给出了区域性骤发干旱事件的识别标准,并对其演变过程进行合成分析,最后分析了典型个例的要素和环流特征。结果表明:骤发干旱多发于我国南方夏季,其中7月最多,以湖南和浙江地区发生最为频繁,这两个区域也是骤发干旱发生气候变率最大的区域。合成分析显示,高温是两个区域骤发干旱爆发的主要驱动因素:干旱爆发前一候,气温迅速升高,蒸散发快速增大,土壤湿度下降明显。2013年6—7月在湖南区域爆发了两次骤发干旱事件。第一次干旱爆发前,湖南地区500 hPa位势高度迅速增大,异常下沉气流导致降水减少和绝热增温,蒸散发随气温升高而增加,使土壤湿度减少,这次干旱由高温驱动;第二次干旱爆发前期,明显偏西、偏北且稳定的西北太平洋副热带高压使地表太阳净辐射通量增强、近地层的偏南气流使高温维持,蒸散发随降水而变化,这次干旱为降水减少所驱动,高温起促进作用。     

IPCC AR6报告关于不同类型干旱变化研究的新进展与启示

基于IPCC第一工作组(WGI)第六次评估报告(AR6),从干旱的定义和类型、干旱的驱动因素、监测到的干旱变化、干旱的归因以及预估5个方面进行了分析和总结.IPCC评估指出:(1)在全球变暖的背景下,监测到的气象和农业干旱的变化在全球尺度上并不显著,但干旱频发区域呈现不同程度的增加趋势.这种增加的趋势表明,人为气候变化...     

关于中国重大气候灾害与东亚气候系统之间关系的研究

在总结中国国旱涝等重大气候灾害的种类、时空分布特征及其形成机理研究的基础上,分析东亚气候系统对东亚地区水分循环和中国旱涝等重大气候灾害发生的影响;并且,从东亚气候系统各成员,特别是从大气圈中的东亚季风、西太平洋副热带高压、中纬度扰动,海洋圈中的ENSO循环、热带西太平洋暖池和印度洋的热力状态,以及从青藏高原的动力、热力作用、高原积雪等来分析和讨论中国重大气候灾害的形成机理.此外,还结合1998年夏季长江流域的特大洪涝以及从20世纪70年代末迄今华北地区的持续干旱所发生的具体实际,进一步分析了东亚气候系统异     

Probabilistic assessment of projected climatological drought characteristics over the Southeast USA

The study makes a probabilistic assessment of drought risks due to climate change over the southeast USA based on 15 Global Circulation Model (GCM) simulations and two emission scenarios. The effects of climate change on drought characteristics such as drought intensity, frequency, areal extent, and duration are investigated using the seasonal and continuous standard precipitation index (SPI) and the standard evapotranspiration index (SPEI). The GCM data are divided into four time periods namely Historical (1961–1990), Near (2010–2039), Mid (2040–2069), and Late (2070–2099), and significant differences between historical and future time periods are quantified using the mapping model agreement technique. Further, the kernel density estimation approach is used to derive a novel probability-based severity-area-frequency (PBS) curve for the study domain. Analysis suggests that future increases in temperature and evapotranspiration will outstrip increases in precipitation and significantly affect future droughts over the study domain. Seasonal drought analysis suggest that the summer season will be impacted the most based on SPI and SPEI. Projections based on SPI follow precipitation patterns and fewer GCMs agree on SPI and the direction of change compared to the SPEI. Long-term and extreme drought events are projected to be affected more than short-term and moderate ones. Based on an analysis of PBS curves, especially based on SPEI, droughts are projected to become more severe in the future. The development of PBS curves is a novel feature in this study and will provide policymakers with important tools for analyzing future drought risks, vulnerabilities and help build drought resilience. The PBS curves can be replicated for studies around the world for drought assessment under climate change.     

升温1.5℃和2.0℃情景下中亚地区干旱耕地暴露度研究

基于CMIP5中的5个全球气候模式统计降尺度的降水、最高和最低气温等数据,利用标准降水蒸发指数（SPEI）和强度-面积-持续时间（IAD）方法识别全球升温1.5℃与2.0℃情景下中亚地区干旱事件,结合30 m分辨率土地利用数据,探讨中亚干旱事件的演变及耕地暴露度变化。结果表明：相比基准期（1986—2005年),中亚地区的降水和潜在蒸发量均有所增加;全球升温1.5℃与2.0℃情景下,中亚地区的干旱事件频次、强度和面积均将增加,其中重旱和极旱事件的频次和影响面积大幅上升,而中旱事件的频次和影响面积持续下降;1986—2005年中亚地区年均干旱耕地暴露度约11.5万km2,全球升温1.5℃和2.0℃情景下,干旱耕地暴露度将分别上升到17.9万km2和28.6万km2,且暴露在极旱下的耕地面积增加最明显。全球升温1.5℃与2.0℃情景下,增加的干旱事件将会严重威胁当地农业生产和粮食安全,中亚地区需对干旱事件采取长期的减缓与适应措施。     

全球变化背景下多尺度干旱过程及预测研究进展

干旱是一种周期性的气候异常,主要受气候自然变率驱动,具有发展缓慢、持续时间长、影响范围广等特征。然而,气候变化使得干旱不仅有增加趋势,其特征也在发生变化。例如,发展迅速的干旱,也称骤旱,近年来频繁发生。此外,人类活动通过改变陆地水循环,直接或间接地影响干旱过程。在全球变化背景下,干旱机制研究由海-陆-气相互作用影响气象干旱的气候动力学研究扩展到包含干旱传递过程机理认识、考虑区域尺度人类活动影响,面向农业、水利、生态等行业的农业干旱和水文干旱研究,为认识干旱可预报性、发展预测方法带来了新的挑战。本文将针对多尺度干旱过程及预测,讨论相关的研究进展及未来发展方向。     

Construction and Application of a Climate Risk Index for China

In the context of global warming, China is facing with increasing climate risks. It is imperative to develop quantitative indices to reflect the climate risks caused by extreme weather/climate events and adverse climatic conditions in association with different industries. Based on the observations at 2288 meteorological stations in China and the meteorological disasters data, a set of indices are developed to measure climate risks due to water-logging, drought, high temperature, cryogenic freezing, and typhoon. A statistical method is then used to construct an overall climate risk index (CRI) for China from these individual indices. There is a good correspondence between these indices and historical climatic conditions. The CRI, the index of water-logging by rain, and the high temperature index increase at a rate of 0.28, 0.37, and 0.65 per decade, respectively, from 1961 to 2016. The cryogenic freezing index is closely related to changes in the consumer price index for food. The high temperature index is correlated with the consumption of energy and electricity. The correlation between the yearly growth in claims on household property insurance and the sum of the water-logging index and the typhoon index in the same year is as high as 0.70. Both the growth rate of claims on agricultural insurance and the annual growth rate of hospital inpatients are positively correlated with the CRI. The year-on-year growth in the number of domestic tourists is significantly negatively correlated with the CRI in the same year. More efforts are needed to develop regional CRIs.     

Future impacts of global warming and reforestation on drought patterns over West Africa

This study investigates how a large-scale reforestation in Savanna (8–12°N, 20°W–20°E) could affect drought patterns over West Africa in the future (2031–2060) under the RCP4.5 scenario. Simulations from two regional climate models (RegCM4 and WRF) were analyzed for the study. The study first evaluated the performance of both RCMs in simulating the present-day climate and then applied the models to investigate the future impacts of global warming and reforestation on the drought patterns. The simulated and observed droughts were characterized with the Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index (SPEI), and the drought patterns were classified using a Self-organizing Map (SOM) technique. The models capture essential features in the seasonal rainfall and temperature fields (including the Saharan Heat Low), but struggle to reproduce the onset and retreat of the West African Monsoon as observed. Both RCMs project a warmer climate (about 1–2 °C) over West Africa in the future. They do not reach a consensus on future change in rainfall, but they agree on a future increase in frequency of severe droughts (by about 2 to 9 events per decade) over the region. They show that reforestation over the Savanna could reduce the future warming by 0.1 to 0.8 °C and increase the precipitation by 0.8 to 1.2 mm per day. However, the impact of reforestation on the frequency of severe droughts is twofold. While reforestation decreases the droughts frequency (by about 1–2 events per decade) over the Savanna and Guinea coast, it increases droughts frequency (by 1 event per decade) over the Sahel, especially in July to September. The results of this study have application in using reforestation to mitigate impacts of climate change in West Africa.