基于SPEI的中国干湿变化趋势归因分析

选用1960—2012年中国气象站点资料,利用标准化降水蒸散指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index),研究了中国干湿变化趋势及其原因。过去52 a,中国干湿变化由西北向东南呈现"+-+"的空间分布状况,其中黄河流域、长江流域西部、西南流域东南及珠江流域西部显著变干;淮河流域中西部和西北流域大部显著变湿;通过数值试验,定量计算了参考蒸散发及降水对干湿趋势的贡献状况。就中国总体而言,年平均参考蒸散发显著减少抵消了由年降水量减少导致的干化趋势,呈微弱变湿趋势;其次,降水仍然是多数区域干湿变化的主导因素(黄河流域中部、长江流域、西南流域、珠江流域及东南流域);同时,参考蒸散的影响值得引起注意,其在辽河流域、海河流域、淮河流域及西北流域对干湿趋势的贡献均超过降水贡献。     

RCP4.5情景下中国未来干湿变化预估

本文采用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中21个气候模式的试验数据, 利用土壤湿度以及由其他8个地表气象要素计算所得的干旱指数, 预估了RCP4.5(Representative Concentration Pathway 4.5)情景下21世纪中国干湿变化。结果表明:全球气候模式对1986～2005年中国现代干湿分布具备模拟能力, 尽管在西部地区模式与观测间存在一定的差异。在RCP4.5情景下, 21世纪中国区域平均的标准化降水蒸散发指数和土壤湿度均有减小趋势, 与之对应的是短期和长期干旱发生次数增加以及湿润区面积减小。从2016到2100年, 约1.5%～3.5%的陆地面积将从湿润区变成半干旱或半湿润区。空间分布上, 干旱化趋势明显的区域主要位于西北和东南地区, 同时短期和长期干旱发生次数在这两个地区的增加幅度也最大, 未来干旱化的发生时间也较其他地区要早;只在东北和西南地区未来或有变湿倾向, 但幅度较小。在季节尺度上, 北方地区变干主要发生在暖季, 南方则主要以冷季变干为主。造成中国干旱化的原因主要是由降水与蒸散发所表征的地表可用水量减少。     

我国干旱半干旱区气候变化特征及其对干湿波动的影响

气候干湿状况是表征区域气候特征的重要指标,是在全球气候变暖背景下,水循环与陆面蒸散发作用的综合结果。本文从湿润度指数入手,结合降水与潜在蒸散的时空变化,分析了我国干旱半干旱区气候特点与干湿变化特征及对土壤湿度的影响。分析发现：近50年来,我国干旱与半干旱区均呈变湿趋势。干旱区与半干旱区潜在蒸散与降水月差值在年内出现时间上存在不一致,且干旱区明显大于半干旱区;3～9月为干旱气候区潜在蒸散与降水差值大值期,3～6月半干旱区潜在蒸散明显大于降水,7月起差值明显减小。作用分析表明,在干旱区,降水对湿润度指数的影响更大,而对于半干旱区,降水与潜在蒸散作用相当。长期以来,我国整个干旱与半干旱区大部分土壤湿度在逐渐变干,尤其是农业耕作层的浅层土壤,几乎全区域一致呈现变干趋势,说明我国干旱半干旱区农牧业生产存在较大的潜在干旱风险。     

中国干湿变化的高分辨率区域气候模式预估

本文使用三个全球气候模式驱动下的高分辨率区域气候模式RegCM4的试验数据,首先评估了RegCM4对参考时段（1986～2005年）中国干燥度指数（AI）的模拟能力,而后根据典型浓度路径中等排放（RCP4.5）情景下RegCM4试验对中国未来干湿变化进行了预估研究。结果表明,RegCM4能够合理模拟中国区域AI的空间分布。两种潜在蒸散发计算方法得到的参考时段AI在空间分布和数值上存在一定差异,尤其是在中国西部高海拔地区和北方地区。在三个全球气候模式驱动场作用下的RegCM4预估试验中,21世纪中期（2046～2065年）和末期（2081～2098年）中国区域平均AI较参考时段分别减小2%～4%和2%～5%,其中西北中部变湿,其他地区均变干。不同地区未来干湿变化的主要影响因素存在差异,西北中部降水变化为主导因素,其他地区主要受控于升温所引起的潜在蒸散发变化。     

2001—2010年青藏高原干湿格局及其影响因素分析

基于RFE2.0模型和Penman-Monteith模型,采用潜在蒸散降水比分析了2001—2010年青藏高原生长季(5—9月)干湿气候的时空变化格局,并对其影响因素进行了探讨。结果表明:(1)干旱和半干旱区占整个青藏高原区域的67%,主要集中在高原中部及中部以北;(2)2001—2010年有25%的区域在逐渐变干,北部干旱程度总体上在逐渐减轻,南部及东南部有变干倾向;(3)降水是导致高原区域干湿气候空间格局差异的主要因素,高原干湿气候对潜在蒸散变化的敏感性最强。     

青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化研究进展

近几十年来,随着全球气候变暖,青藏高原降水整体呈现增加趋势,气候暖湿化趋势明显;与此同时,位于青藏高原东南缘的中国西南地区整体上呈现暖干化趋势,干旱事件频发。探讨青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化、揭示降水趋势性变化的原因已经成为当前研究热点。本文评述了近年来青藏高原降水的水汽来源研究,重点关注青藏高原变湿、西南地区变干的水汽来源变化原因以及青藏高原南北水汽来源差异,讨论了尚未解决的科学问题,展望了未来研究方向。现有研究表明,青藏高原以西的西风带控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现减少趋势,青藏高原以南和以东的季风控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现增加趋势,上述水汽源区贡献变化导致了青藏高原及其周边不同区域降水趋势性变化的差异。展望未来,水汽来源分析的模型和数据需要进一步验证及减少不确定性,青藏高原下垫面和蒸散发变化对周边地区降水的影响机制研究有待加强,全球变化与青藏高原降水水汽来源变化的关系尚需深入分析。     

中国干湿区变化与预估

本文采用干湿指数对1962~2011年中国干湿区范围变化进行了集中分析,并利用CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）模式对其变化趋势开展了预估研究。结果表明,1962~2011年平均极端干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区分别占中国陆地总面积的2.8%、11.7%、22.4%、32.6%和30.5%。期间,中国区域年干湿指数总体上呈现下降趋势,空间上表现为西部湿润化和东部干旱化的特征。显著缩小的是湿润区和极端干旱区,半湿润区、半干旱区和干旱区则显著扩大,这表明中国气候敏感区域在扩张。春季和秋季干湿指数变化趋势的空间分布与年平均的较为一致,冬季西北呈干旱化,夏季东南部地区为湿润化。相对于参考时段1986~2005年,在RCP4.5（Representative Concentration Pathway 4.5）情景下18个气候模式中位数的预估结果中,降水仅在东南南部减少,而潜在蒸散发在全区域增加,由于潜在蒸散发的增量超过了降水的增幅,中国区域将整体趋于干旱化,仅在西北地区呈湿润化特征;未来湿润区、干旱区和极端干旱区缩小,气候敏感性高的半湿润区和半干旱区仍将扩大。     

北疆绿洲农业区气象干旱指数的确定及干旱特征分析

气象干旱指数是衡量农业干旱程度的指标之一。选取降水距平百分率PA、标准化降水指数SPI、标准化降水蒸散指数SPEI、通过SPI和SPEI构建的综合指数nSPEI（新的标准化降水蒸散指数）四种干旱指数,利用北疆绿洲农业区1961－2020年的气象数据,进行相关性、回归拟合、不同等级干旱频率分布等方面的对比,优选出对旱情描述更符合实际的干旱指数,并进而分析研究区的干旱变化特征。结果表明：（1）PA的干旱标准低估了干旱程度,SPI对温度上升引起的干旱加剧不敏感,SPEI计算蒸散发选用的Thornthwaite方法会高估温度对干旱的影响,nSPEI克服了SPI和SPEI的不足,对研究区的适用性最优。（2）近60年,研究区季尺度气象干旱随时间呈波动性变化特征,进入21世纪以来,春、夏季表现为湿－干变化,秋季表现为弱的干－湿变化,在干旱强度上,春、夏季由弱增强,秋季略减弱,在干旱范围上,以全局性干旱为主,春季局域性干旱增多,夏、秋季局域性干旱减少,在干旱频次上,春季特旱多,夏季重旱多,要注意相伴随的大风灾害和高温灾害,都会进一步加重农业旱情和灾情。     

基于SPEI的1960—2018年赣江流域干旱特征

基于赣江流域39个气象站点逐月降水和气温数据,计算不同时间尺度标准化降水蒸散发指数(SPEI),采用Mann-Kendall突变检验、主成分分析(PCA)等方法,分析了赣江流域1960—2018年干旱时空变化特征.研究表明:不同时间尺度SPEI均有微弱升高的趋势,干旱形势有所缓解,SPEI能够较好地表征赣江流域旱涝情况.赣江流域中部的轻旱和特旱发生频率要高于其他地区,中旱主要高发地区主要分布在南部和西部区域,重旱主要集中在东部和北部.赣江流域干旱的空间分布具有较好的一致性,旱涝变化整体保持一致,南部与北部旱涝状态存在相反的纵向差异,且中部与南部、北部旱状况涝存在空间差异.     

黑龙江省地表湿润状况及趋势分析

利用1958～2003年黑龙江省均匀分布的16站月降水和平均气温资料,通过计算地表最大潜在蒸发、地表干燥度指数、地表水分盈亏量,对比分析了黑龙江省各不同干湿气候区域地表干湿状况的分布规律及其变化趋势,并讨论了它与降水和气温的关系。给出了地表干燥度指数的地理分布和变化趋势。研究表明:全省及各区地表干燥度均存在变干的趋势,特别在进入21世纪以后,变干的趋势更加明显。但各地变干的特征差别较大,其中西部地区地表变干的程度最为严重,北部地区最轻,甚至个别地区还有变湿的倾向。     

标准化降水蒸发指数在中国区域的应用

利用中国气象局160个站1951～2010年月降水和月平均气温资料,分析了最近定义的一种干旱指数——标准化降水蒸发指数(SPEI)在我国不同等级降水区域的适用性,并与标准化降水指数(SPI)和湿润指数H进行了对比分析。结果表明:1)在我国年均降水量大于200 mm的地区,各种时间尺度的SPEI分析均适用;在干旱区(年均降水量小于200 mm),只有12个月以上的大尺度SPEI分析适用性较好;其中12个月尺度的SPEI分析在各区适用性最好。2)由于干旱区冬季的潜在蒸发量和降水量0值均较多,导致1、3、6个月的小尺度SPEI分析在该区不适用。3)与SPI和H指数相比,SPEI既能充分反映1997年气温跃变以后增温效应对干旱程度的影响,又可作为监测指数识别干旱是否发生和结束,能较准确地表征干旱状况。     

Leading Pattern of Spring Drought Variability over East Asia and Associated Drivers

Drought events have become more frequent and intense over East Asia in recent decades, leading to hugesocioeconomic impacts. Although the droughts have been studied extensively by cases or for individual regions, theirleading variability and associated causes remain unclear. Based on the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index(SPEI) and ERA5 reanalysis product from 1979 to 2020, this study evealuates the severity of spring droughts in East Asiaand investigates their variations and associated drivers. The results indicate that North China and Mongolia have ex perienced remarkable trends toward dryness during spring in recent decades, while southwestern China has witnessed anopposite trend toward wetness. The first Empirical Orthogonal Function mode of SPEI variability reveals a similarseesawing pattern, with more severe dryness in northwestern China, Mongolia, North China, South Korea, and Japan butincreased wetness in Southwestern China and southeast Asia. Further investigation reveals that the anomalously dry (wet)surface in North (Southwestern) China is significantly associated with anomalously high (low) temperature, less (more)precipitation, and reduced (increased) soil moisture during the previous winter and early spring, regulated by an anomalousanticyclone (cyclone) and thus reduced (increased) water vapor convergence. The spring dry-wet pattern in East Asia isalso linked to cold sea surface temperature anomalies in the central-eastern Pacific. The findings of this study haveimportant implications for improving the prediction of spring drought events in East Asia.     

基于SPEI指数的近58 a甘肃省干旱特征分析北大核心

利用甘肃省19个气象站点1960—2018年逐月平均降水量、气温等数据,应用标准化降水蒸散量指数(Standardized Preapitation Evapotranspiration Index,SPEI)、Penman-Monteith模型、小波分析等方法分析了甘肃省近58 a不同时间尺度干旱事件的时空演变特征。结果表明:月尺度干旱频率3月最高,2月最低;季尺度上秋季干旱最严重,春季次之;冬季干旱化趋势最慢,春季最快。近58 a甘肃省SPEI指数呈下降趋势,年尺度SPEI指数存在8 a、12 a、26 a的周期。干旱发生频率在年尺度和月尺度上的分布较为一致,河西走廊东段与甘南州地区频率较低,酒泉北部地区与甘肃省东、中部地区频率较高;季尺度上,春季兰州与武威南部地区频率较高,庆阳地区频率最低;夏季为白银与武威北部地区频率最高,张掖中部地区、白银北部地区以及临夏、庆阳、平凉地区最低;秋季频率最高的地区为兰州东部、定西东北部以及嘉峪关地区,最低的地区在酒泉、张掖、武威北部及平凉中部地区;冬季高值区在平凉,低值区在武威与甘南。干旱发生强度最高的地区为张掖,其次为酒泉、庆阳及白银等地区,最低的区域位于甘肃西南地区。酒泉、嘉峪关等地区干旱化程度逐年加剧;甘肃东南地区干旱速率较西北地区慢;中西部地区干旱化速率最慢,且甘南北部与武威西南部地区有湿润化趋势。     

Spatial patterns and temporal trends of precipitation in Iran

Spatial patterns of monthly, seasonal and annual precipitation over Iran and the corresponding long-term trends for the period 1951–2009 are investigated using the Global Precipitation Climatology Centre gridded dataset. Results suggest that the spatial patterns of annual, winter and spring precipitation and the associated coefficients of variation reflect the role of orography and latitudinal extent between central-southern arid and semi-arid regions and northern and western mountainous areas. It is also shown that precipitation occurrence is almost regularly distributed within the year in northern areas while it is more concentrated in a few months in southern Iran. The spatial distribution of Mann–Kendal trend test (Z statistics) for annual precipitation showed downward trend in north-western and south-eastern Iran, whereas western, central and north-eastern exhibited upward trend, though not statistically significant in most regions. Results for winter and autumn revealed upward trend in most parts of the country, with the exception of north-western and south-eastern where a downward trend is observed; in spring and summer, a downward trend seems to prevail in most of Iran. However, for all seasons the areas where the detected trend is statistically significant are limited to a few spot regions. The overall results suggest that the precipitation is decreasing in spring and summer and increasing in autumn and winter in most of Iran, i.e. less precipitation during the warm season with a consequent intensification of seasonality and dryness of the country. However, since the detected trends are often not statistically significant, any stringent conclusion cannot be done on the future tendencies.     

Global warming and 21st century drying

Global warming is expected to increase the frequency and intensity of droughts in the twenty-first century, but the relative contributions from changes in moisture supply (precipitation) versus evaporative demand (potential evapotranspiration; PET) have not been comprehensively assessed. Using output from a suite of general circulation model (GCM) simulations from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project, projected twenty-first century drying and wetting trends are investigated using two offline indices of surface moisture balance: the Palmer Drought Severity Index (PDSI) and the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI). PDSI and SPEI projections using precipitation and Penman-Monteith based PET changes from the GCMs generally agree, showing robust cross-model drying in western North America, Central America, the Mediterranean, southern Africa, and the Amazon and robust wetting occurring in the Northern Hemisphere high latitudes and east Africa (PDSI only). The SPEI is more sensitive to PET changes than the PDSI, especially in arid regions such as the Sahara and Middle East. Regional drying and wetting patterns largely mirror the spatially heterogeneous response of precipitation in the models, although drying in the PDSI and SPEI calculations extends beyond the regions of reduced precipitation. This expansion of drying areas is attributed to globally widespread increases in PET, caused by increases in surface net radiation and the vapor pressure deficit. Increased PET not only intensifies drying in areas where precipitation is already reduced, it also drives areas into drought that would otherwise experience little drying or even wetting from precipitation trends alone. This PET amplification effect is largest in the Northern Hemisphere mid-latitudes, and is especially pronounced in western North America, Europe, and southeast China. Compared to PDSI projections using precipitation changes only, the projections incorporating both precipitation and PET changes increase the percentage of global land area projected to experience at least moderate drying (PDSI standard deviation of ≤?1) by the end of the twenty-first century from 12 to 30 %. PET induced moderate drying is even more severe in the SPEI projections (SPEI standard deviation of ≤?1; 11 to 44 %), although this is likely less meaningful because much of the PET induced drying in the SPEI occurs in the aforementioned arid regions. Integrated accounting of both the supply and demand sides of the surface moisture balance is therefore critical for characterizing the full range of projected drought risks tied to increasing greenhouse gases and associated warming of the climate system.     

中国生态脆弱区高温热浪和干旱历史变化特征分析北大核心CSCD

高温热浪和干旱是影响陆地生态系统最主要的极端天气气候事件。已有关于中国高温热浪和干旱历史变化的定量研究主要针对全国范围、地理分区或单一区域,对于我国生态脆弱区相关极端事件的历史变化特征尚不清楚。本文利用中国CN05.1格点化观测数据集中的日最高气温观测资料和全球逐月标准化降水蒸发指数格点数据,分析了中国典型生态脆弱区1980~2014年发生的高温热浪和干旱的时空变化特征。结果表明:1980~2014年中国生态脆弱区的年高温日数和热浪次数整体呈增加趋势,两者变化趋势的空间分布类似。在空间分布上,高温热浪显著增加的区域主要位于北方生态脆弱区的中部和西部以及南方生态脆弱区的东部。其中,高温热浪增长显著的面积比率在西南岩溶山地石漠化脆弱区最高,在南方农牧脆弱区最低。区域平均来看,除南方农牧脆弱区较少发生高温热浪外,各脆弱区高温日数和热浪次数均呈现增加趋势,且除北方农牧林草区外,其余脆弱区增加趋势显著。北方生态脆弱区高温和热浪的发生频率和年际变化在20世纪90年代中期起均迅速增加。此外,中国生态脆弱区东部多呈现变干趋势且中等和极端干旱发生月数增多,其余地区则多变湿且极端干旱发生月数减少;区域平均来看,除西南岩溶山地石漠化脆弱区区域平均的干旱发生月数呈现显著增加趋势以外,其他区域的干湿和干旱发生月数的变化趋势小且不显著。     

基于SPEI干旱指数的凉山州干旱特征分析

本文采用凉山州17个国家气象站1971~2017年的气象资料,利用基于Penman-Monteith模型的标准化降水蒸散指数SPEI,分析月、季、年不同时间尺度下凉山州SPEI干旱指数的时空分布状况,并以西昌气象站为代表进行了SPEI干旱指数的突变性M-K检验。结果表明:(1)标准化降水蒸散指数能较好地反映凉山州干旱发生程度;(2)凉山州干旱的年代际变化明显,20世纪70年代、80年代和21世纪10年代总体偏旱,20世纪90年代和21世纪00年代则相对较为湿润;(3)凉山州干旱发生频率空间分布不均,中部干旱发生频率高于北部和南部地区;(4)西昌市近30年来干旱总体偏轻,最近一次干湿突变发生于1987年;⑤各季节最近一次由干转湿的突变点,冬季在1999年、春季在1996年、夏季在1994年、秋季在1991年,呈逐季提前的趋势。      

基于SPEI的近百年天津地区气象干旱时空演变特征

基于1921—2016年天津地区降水、气温观测数据,对全球降水气候中心降水(GPCC-P)、东英吉利大学气候研究中心气温(CRU-T)进行适用性评估后发现GPCC-P和CRU-T均能较好地反映天津地区降水和气温的变化。在此基础上,进一步利用GPCC-P、CRU-T计算的标准化降水蒸散指数(SPEI)分析天津地区近百年干旱时空演变特征并判断其未来变化趋势。结果表明:(1)天津干旱主要发生于1940年代初期、1990年代末和2000年代初期,四季均以轻旱和中旱为主,干旱高频季节由秋、冬季逐渐转为春、夏季。(2)天津全区SPEI气候趋势在6个时期除秋季整体呈"升、降、升"分布特征外,春、夏、冬季均表现为"升、降"的分布特征,且夏季下降趋势最为显著,1961—2010年宁河每10 a下降0.30。(3)1921—1970、1931—1980、1941—1990年天津春、冬季湿润化趋势由降水主导,而夏、秋季则由气温和降水协同影响;1951—2000、1961—2010、1971—2016年春季干旱趋势主要受气温影响,夏、冬季则为气温和降水协同影响,随着全球变暖,气温升高对干旱的影响逐渐增强。(4)1921—2016年天津地区四季SPEI与PDO呈负相关关系,春、夏季相关性从西北向东南递减,而秋、冬季相关性则由东南向西北递减。(5)未来夏季天津全区、冬季天津西南部呈干旱化趋势,春季干旱化趋势、秋季湿润化趋势不明显。     

1959-2003年青海省干湿变化分析

利用青海省1959-2003年气象资料,计算了修正的Palmer干旱指数,并对其进行了分析。结果表明：在青海省旱涝监测中,PDSI指数反映旱涝程度更为客观;青海省的干旱主要以轻旱为主;夏秋季年际干湿交替较冬春季频繁,变化振幅也较大;秋季青海省干旱化倾向最为严重,冬春季出现轻旱几率最大。另外,春季干旱总面积在减小;夏季轻旱面积增加,而中旱、重旱面积在减小;秋冬季重旱面积在增加。