CHANGING TEMPORAL AND SPATIAL CHARACTERISTICS OF MIDWESTERN HYDROLOGIC DROUGHTS

Hydroclimatic parameters were examined to identify spatial variability among 19 Midwestern basins during the 1950–1990 period. The magnitude of annual streamflow variability values increased westward across the Midwest and appeared to be associated with a similar pattern in annual precipitation variability. Basin seasonal streamflow values were analyzed to determine the occurrence of hydrologic drought. A criterion that combined duration and severity of low-flow characteristics was used to determine hydrologic droughts. Sixteen of the 19 basins experienced between one and four hydrologic droughts, whereas 3 experienced none. The temporal distribution and spatial extent of the 45 hydrologic droughts indicated that there were two classifications of Midwestern hydrologic drought during this period. The first type–“long-term” hydrologic drought–occurred over: (1) a period of 12 or more consecutive seasons and (2) a broad latitudinal belt across the Midwest. Long-term hydrologic droughts occurred during the period from the early 1950s through the late 1960s. Since 1970, hydrologic droughts can be described as “short-term” and are characterized as having occurred over: (1) periods generally less than two years and (2) a smaller region. This information could assist hydrologists and water managers in understanding the more precise nature of temporal and spatial differences that exist in Midwestern hydrologic drought. [Key words: hydrologic drought, hydroclimatic variability, Midwest United States.]     

Multidecadal trend analysis of hydrological drought along River Niger using the Streamflow Drought Index

Droughts affect human well-being and the economy of countries across the world. Understanding the long-term evolution of droughts within a particular region will help in drought mitigation and adaptation plans, thereby reducing drought impact on the environment. This study examined the multidecadal trends in hydrological droughts at two stations along River Niger using 3-month, 6-month, and annual time scales. Hydrological drought events were identified using the streamflow drought index (SDI) between 1915 and 1990 based on the Theil-Sen slope and Mann-Kendall approaches. Across the timescales, extreme and severe droughts occurred in 1982/84 and 1983/84 with -2 ≤ S_d < -1.5. On an annual scale, the results from the annual SDI further showed that the 7th and 8th decades (1971−1990) recorded more drought events of varying degrees ranging from mild to extreme drought in both stations than in other decades. The last two decades (7th and 8th) further revealed the most extended hydrological drought duration from 1974/75 to 1988/89 for Baro and from 1979/80 to 1988/89 for Lokoja. The highest severity recorded at Baro was -15.56 and -14.26 at Lokoja. The prolonged duration of drought events across the stations and their associated yearly intensities suggests that more proactive measures are needed to ameliorate the hydrological drought impact in the study area.     

Effects of fire, grazing, and the presence of shrubs on Chihuahuan desert grasslands

Responses of herbaceous and suffrutescent species to fire, grazing, and presence of Prosopis glandulosa were examined in a Chihuahuan desert grassland in south-central New Mexico. Treatments were assigned randomly to eight 12×8 m plots within each of two blocks. Following fires in June 1995, unfenced plots were exposed to livestock grazing over 4 years. Plots were established that either included or excluded P. glandulosa. Perennial grass cover, primarilyBouteloua eriopoda , decreased by 13% in burned plots but increased 5% in unburned areas. Conversely, perennial forb cover was 4% greater after fire. Perennial grass frequency decreased 30% more and perennial forb frequency increased 10% more following burning. Further, increases in evenness after fire resulted in a 225% increase in species diversity. Grazing also resulted in a decrease in perennial grass cover while frequency decreased 22% more in grazed than ungrazed plots. Only frequency and not cover of perennial forbs and annual grasses increased more following grazing. Presence of P. glandulosa had no differential effect on responses of non-shrub species. Fires were conducted during near drought conditions while grazing occurred during years of precipitation equivalent to the long-term average. Precipitation immediately following fire may be critical for recovery of B. eriopoda -dominated desert grasslands; relationships between fire and post-fire precipitation patterns require future investigation.     

松花江区气象水文干旱演变特征

采用标准化降水蒸散指数和径流干旱指数分析了1961~2010年研究区水文干旱和气象干旱时空演变特征,并探讨了水文干旱与气象干旱的关系。结果表明：① 1961~2010年松花江区呈总体干旱化且又有明显时段性的特征,其中1967~1983年和1996~2010年气象干旱频发、覆盖范围广、持续时间长且强度大;其它时段气象干旱少有发生。其次,气象干旱空间分布差异明显,东部的平均干旱频次和强度都大于西部地区,中部（嫩江流域中下游）平均干旱持续时间最长;但在嫩江流域和黑龙江上游地区干旱略有减弱趋势。② 松花江流域和挠力河流域水文干旱呈加剧的趋势,尤其是近15 a干旱化趋势明显;挠力河流域干旱频发、强度大且持续时间很长。松花江流域水文干旱程度弱于挠力河流域,但极端水文干旱事件频发。 ③ 松花江区气象干旱与水文干旱密切相关,嫩江流域水文干旱滞后于气象干旱2个月,而第二松花江流域和松花江流域水文干旱滞后于气象干旱3个月;挠力河流域水文干旱与气象干旱无明显的时滞相关性。     

文献记录的河西地区小冰期旱涝变化及其机制探讨

基于文献资料重建了河西地区AD 1436-1949旱涝灾害等级序列,结果表明所研究的500余年内河西地区大体出现三次明显的干旱时段,分别为AD 1460-1539、AD 1616-1665和AD 1907-1949,而AD 1725-1748以及AD 1879-1906则为相对湿润时期。重建的旱涝等级序列与毗邻祁连树轮记录的干湿变化存在高度一致的对应关系;将其与NAO指数对比发现,冷期NAO高指数年对应旱灾多发,NAO低指数年对应涝灾多发。     

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。     

科尔沁沙地奈曼旗1970—2010年降水的多时间尺度分析

利用回归分析、小波分析和Mann-Kendall （M-K）突变分析研究了1970—2010年奈曼旗的降水变化特征。结果表明：（1） 不同雨量级中,0~5 mm降水事件最多,占全年降水事件的70%以上,其降水量也最多,占全年降水量的18%;降水间隔期以0~5 d为主,占全年无降水期的73%。（2） 1970—2010年奈曼旗年降水及季降水波动较大,基本呈相对少雨期和相对多雨期相间分布的特征;年降水及春、夏、秋和冬季降水的倾向率分别为-12.4、0.8、-3.2、-1.3 mm/10a和-0.3 mm/10a; 年降水及春、夏和秋季降水在1990年左右以正距平为主,而在1985年之前和1995年以后以负距平为主;冬季降水基本随年份增加呈减少的趋势。（3） 1月降水量最少,7月最多。7月降水量约占年降水量的30%以上,且与其他各月相比均有显著差异。（4） 通过小波分析发现,奈曼旗年降水存在6~8年的较短周期和17年左右的较长周期变化;年降水和夏、秋及冬季降水在进入21世纪后都有减少趋势。（5） M-K突变分析表明,奈曼旗年降水减少及春季降水增加的突变点分别为 2004年和2006年。     

内蒙古草原的畜牧业气候

畜牧业的发展是我国农业发展的一个重要方面,天然牧草是畜牧业的主要物质基础,本文试图对影响牧草和牲畜的地理分布及生物生产力作一初步分析。     

内蒙古典型地区牧户气候变化感知与适应的实证研究

我国北方草原地区是气候变化影响的脆弱和敏感地区。研究北方草原地区牧户对气候变化的感知和适应,对于提高牧区气候变化的适应能力,促进草原地区可持续发展意义重大。本文利用问卷调查的实证分析方法,研究了内蒙古草甸草原、荒漠草原、荒漠生态区牧户对气候变化趋势和极端气候灾害事件的感知和适应的现状与行为特征。结果表明：过去30年内蒙...     

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。     

黄土高原气象干旱和农业干旱特征及其相互关系研究

选择标准化降水指数（SPI）和植被状态指数（VCI）分别作为评价黄土高原气象干旱和农业干旱的指标，使用干旱频率和Sen斜率分析了黄土高原地区干旱的分布特征与变化趋势，并探讨了气象干旱与农业干旱的相关性。结果表明：① 黄土高原西部干旱频率总体上高于东部。气象干旱和农业干旱变化趋势在空间上表现有所不同，黄土高原西部、北部气象干旱呈不显著减缓趋势，东部和南部呈不显著加重趋势，但绝大部分地区的农业干旱呈减缓趋势，尤其是400 mm等降水量一线两侧区域。② 季节上，黄土高原夏季和秋季气象干旱频率较高，春季和冬季气象干旱频率相对较低。黄土高原农业干旱频率春季最高，夏季其次，VCI对农业干旱实时监测的适用性更强。③ 不同季节，农业干旱滞后气象干旱的时间长短不同，冬季滞后约2个月，春季滞后约1个月，夏季和秋季滞后少于1个月。黄土高原一熟制种植区的SPI-12值与VCI值具有较好的正相关性。研究结果可以为黄土高原的干旱监测和预警、干旱区划以及干旱灾害风险评估提供科学依据。     

洞庭湖流域各季节旱涝及其与大气环流和关键区海温的关系

利用逐月降水数据和NCEP/NCAR再分析数据,分析了洞庭湖流域春、夏、秋季57年来旱涝异常的年际变化以及典型旱涝异常年份的全球海温分布形势,并利用降尺度和趋势分析方法探究气象因子对ENSO和关键区海温的响应,以加强对流域旱涝前期影响因素的认识。结果表明：1）流域在春、秋季旱涝变化趋势不明显,在夏季较明显地变湿。2）前期冬、夏季ENSO事件分别对流域春、秋季旱涝产生显著影响,而与夏季呈不显著的统计特征。3）在消除前期ENSO信号后,阿留申群岛附近海域（S3）、澳大利亚东部海域（S4）海温和印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole, IOD）现象仍分别为春、夏、秋季与流域旱涝有密切联系的海温因素。4）S3区SST对流域春季旱涝的影响通过西风带环流实现,S4区SST偏高似乎是东亚夏季风强度偏弱的表现,成熟的IOD现象为流域秋季旱涝的主导因子。     

Summer and winter drought in a cold desert ecosystem (Colorado Plateau) part I: effects on soil water and plant water uptake

We investigated the effects of winter and summer drought on plants of the Colorado Plateau in western North America. This winter-cold, summer-hot desert region receives both winter and summer precipitation. Droughts were imposed for two consecutive years using rainout shelters. Here, we examine drought effects on the hydrologic interactions between plants and soil. We chose three perennial species for this study, representing different rooting patterns and responsiveness to precipitation pulses: Oryzopsis hymenoides, a perennial bunch grass with shallow roots; Gutierrezia sarothrae, a subshrub with dimorphic roots; and Ceratoides lanata, a predominantly deep-rooted woody shrub. Drought effects on plant water status were qualitatively similar among species, despite morphological differences. Summer drought affected the water status of all species more negatively than winter drought. Isotopic analysis of stem water revealed that all three species took up deeper soil water under drought conditions and shallow soil water after a large rainfall event in summer. Thus all three species appeared to use the same water sources most of the time. However, after a particularly dry summer, only the deepest-rooted species continued to take up soil water, while the more shallow-rooted species were either dead or dormant. Our study suggests therefore that increased occurrence of summer drought could favor the most deep-rooted species in ecosystem.     

近百年中国华北农牧交错带与非洲Sahel 地区环境变化的比较分析

非洲Sahel 地区与中国华北农牧交错带在环境特征及演变过程中体现出许多相似之处, 存在明显内在联系。对两个地带近百年降水变化、植被覆盖、干旱事件和沙尘事件对比分析, 可以 对我国干旱/半干旱地区环境变化的相关科学问题有更好认识。两个地区年降水量序列的年代际 变化趋势有很大相似性。非洲Sahel 地区年降水量在1950s 以前存在明显的年际变化特征, 从 1960s 中期起主要以年代际变化为主; 其大部分地区植被覆盖表现为增长趋势; 降水量年代际变 化可能是影响该地区干旱的重要因素, 温度变化也可能存在作用; 该区沙尘暴频次年际、年代际 变化与降水量相应尺度变化有显著关系, 年均温变化和天气变率可能具有一定影响。华北农牧交 错带年降水量以年际变化为主要特征, 有明显低频波动; 该带偏北和偏东地区植被覆盖增长比较 显著, 南部部分地区植被覆盖呈下降趋势; 降水量年代际变化是影响该地区干旱的重要因素, 但 相同降水量可能引发不同程度的干旱; 该带春季沙尘暴频次与前冬温度变化及天气变率有密切 联系, 与春季降水量也有一定关系。     

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。     

近百年中国华北农牧交错带与非洲Sahel 地区环境变化的比较分析

非洲Sahel 地区与中国华北农牧交错带在环境特征及演变过程中体现出许多相似之处， 存在明显内在联系。对两个地带近百年降水变化、植被覆盖、干旱事件和沙尘事件对比分析， 可以 对我国干旱/半干旱地区环境变化的相关科学问题有更好认识。两个地区年降水量序列的年代际 变化趋势有很大相似性。非洲Sahel 地区年降水量在1950s 以前存在明显的年际变化特征， 从 1960s 中期起主要以年代际变化为主； 其大部分地区植被覆盖表现为增长趋势； 降水量年代际变 化可能是影响该地区干旱的重要因素， 温度变化也可能存在作用； 该区沙尘暴频次年际、年代际 变化与降水量相应尺度变化有显著关系， 年均温变化和天气变率可能具有一定影响。华北农牧交 错带年降水量以年际变化为主要特征， 有明显低频波动； 该带偏北和偏东地区植被覆盖增长比较 显著， 南部部分地区植被覆盖呈下降趋势； 降水量年代际变化是影响该地区干旱的重要因素， 但 相同降水量可能引发不同程度的干旱； 该带春季沙尘暴频次与前冬温度变化及天气变率有密切 联系， 与春季降水量也有一定关系。     

蒙古国植被对干旱响应的敏感性研究

本文分析了蒙古国不同区域、不同土地覆被类型区的植被生长状况对干旱响应的敏感性特征,并探讨了成因。研究表明：① 2001—2019年,蒙古国虽然发生了3次较为严重的干旱事件,但整体上干旱程度呈轻微降低趋势,SPEI出现轻微上升,总体增速为0.001%/a;植被生长状况出现了好转,植被指数也呈上升趋势,总体增速为0.15%/a。② 蒙古国大部分区域植被生长受干旱影响较强,各植被指数与干旱指数呈较明显的正相关关系,在NDVI与SPEI-12的相关性分析中,正相关面积占比达76.36%;而在杭爱山脉和肯特山脉以北降水量丰沛的区域和阿尔泰山脉以南荒漠化严重和植被极为稀少区域,植被生长受干旱影响较弱,植被指数与SPEI相关性较小。③ 不同类型植被对干旱响应的敏感性也有差异,其中草地敏感性最强（0.22）,而森林敏感性最弱（-0.04）。④ 干旱持续时间长短,对植被生长影响有较大差异,蒙古国大部分区域的植被对延续3个月至半年的干旱最为敏感,而年内以7月份干旱对植被影响最强。⑤ 植被对干旱响应的敏感性实质是区域水分平衡的植被影响,对同种植被而言多年平均气温越高或降水量越少,植被对干旱响应的敏感性越强,反之则越弱。本文的研究结果对蒙古国因地制宜开展荒漠化防治具有重要参考价值。     

干旱强度及发生时间对华北平原五省冬小麦产量影响

本文利用2001-2016年时间分辨率为8 d的MOD09A1和MOD16A2的数据集,构建了基于NDVI和ET/PET的干旱指数（DSI）,分析华北平原五省不同程度的干旱在时间和空间上的分布情况,探究不同程度的干旱作用于冬小麦不同生长阶段对农作物产量产生的影响。研究表明：① 年际分布上,2001-2002年干旱最为严重,其余年份干旱显著减缓,年内分布上,干旱主要集中发生在春季和秋季,夏季次之,冬季最少;② 空间分布上,河北北部、河南南部、安徽及江苏的中部和北部、山东东部是干旱多发区;③ 干旱对冬小麦产量的影响研究表明,越冬期发生初旱对产量起促进作用,而在乳熟成熟阶段发生初旱则会导致农作物减产;轻旱发生在乳熟期会对冬小麦产量产生显著影响,而中旱发生在开花、乳熟成熟期都会对产量产生显著影响,随干旱程度加重,干旱对作物产量产生显著负作用的生长期越长;此外,在播种时若出现水分短缺也会对冬小麦的产量产生影响,尤其是发生重旱和特旱。研究不同强度干旱发生在不同生长阶段对冬小麦产量的影响,对研究区的灌溉时间规划以及保墒增产具有重要理论与现实意义。     

鄂尔多斯高原地区清代旱灾与气候特征

通过对鄂尔多斯高原地区文献资料的搜集整理, 研究了该区清代旱灾等级、频次、周期和气候特征。结果表明, 鄂尔多斯高原地区清代旱灾频次较高, 约0.34 次/a, 以轻、中度旱灾为主。该区旱灾的发生具有明显的阶段性, 1701-1780 年、1821-1845 年和1876-1911 年为多发阶段, 1644-1700 年、1781-1820 年和1846-1875 年为低发阶段。约90%的旱灾发生在春、夏季或春夏连旱。该区清代旱灾有7 a 左右的短周期, 23-29 a 左右的中周期和54 a左右的长周期;各等级旱灾有准5 a 短周期, 特大旱灾的第1 主周期是17 a。干冷多风的区域气候环境, 以及农业活动是该区旱灾发生的两个主要原因。推测该区清代发生大旱灾和特大旱灾年份的年降水量约为200~250 mm, 年蒸发量约为2400~2600 mm。该区清代气候可划分为6 个阶段:1644-1700 年→1701-1780 年→1781-1820 年→1821-1845 年→1846-1875 年→1876-1911 年, 对应的年降水量特征为:多→少→多→少→多→少, 而蒸发量和风沙天气特征为:少→多→少→多→少→多。确定1762-1766 年、1875-1878 年、1899-1902 年为3 个干旱气候事件, 推测这3个干旱气候事件期间年平均降水量为230 mm左右, 蒸发量为2500 mm左右, 大风沙尘天气频繁。     

CLIMATOLOGY OF PRECIPITATION DROUGHTS IN ILLINOIS BASED ON WATER SUPPLY PROBLEMS

Drought begins with a reduction in precipitation, but different kinds of precipitation deficiency episodes (duration, intensity, and areal extent) create varying problems for drought-sensitive activities; an agricultural droughttypically is not a water supply drought. Shared characteristics of precipitation deficiency events and related surface water supply problems in Illinois were used to define climatological characteristics of precipitation deficiency droughts that cause problems for water supply systems. The temporal and spatial characteristics of these water supply precipitation droughts were assessed revealing that droughts typically: (a) begin in warm season months; (b) become more widespread when more severe and/or of shorter duration (although all droughts could be expected to cover at least 75%-85% of the state); (c) are more severe and frequent in central Illinois; and (d) end with much above normal precipitation in the initial post-drought months, but tend to recess to slightly drier than normal conditions (but not drought levels).