基于土壤水分的农业干旱监测研究进展

土壤水分是评估农业干旱的关键变量。然而长期以来,由于缺乏大范围、高精度、长时间的土壤水分观测数据,基于土壤水分的农业干旱监测在实际应用中受到限制。近年来,随着遥感观测技术的发展,土壤水分数据的时空覆盖度和产品精度显著提升,基于土壤水分的农业干旱监测逐渐吸引更多的关注。论文系统归纳了站点观测与微波遥感观测的土壤水分数据特性,综述了目前基于土壤水分的3种农业干旱监测指标：基于长时间土壤水分序列的干旱指标、基于土壤水分与土壤水力学参数的干旱指标和基于土壤水分等多变量综合的干旱指标。最后,论文从提高土壤水分数据空间分辨率、加强农业干旱机制研究与完善农业干旱监测体系三方面提出基于土壤水分的农业干旱监测所面临的挑战与机遇,以期为未来的相关研究提供参考。     

以遥感为基础的干旱监测方法研究进展

总结了目前广泛应用的气象监测模型和基于遥感数据的干旱监测模型,将目前的遥感监测方法分为植被状态监测方法、微波土壤水分监测方法、热红外遥感监测方法和基于能量平衡的遥感监测方法进行综述,深入分析了基于遥感数据的监测方法的特点、适用条件和存在的问题。通过综述基于多源数据的干旱综合监测模型,对未来干旱监测方法的发展方向进行研究和探讨,指出集成多源数据的干旱综合监测模型是解决复杂的干旱监测问题的新方法。     

中国气象农业非参数化综合干旱监测及其适用性

旱灾是对人类社会影响以及致损最大的灾种之一,如何进行可靠的旱灾监测是旱灾预警与旱灾防灾减灾的关键。气象干旱与农业干旱的综合干旱方法是目前干旱监测的主要方法之一。本文对多变量标准化干旱指数（MSDI）方法进行改进,以非参数化的方法计算标准化降水蒸散指数（SPEI）、标准化土壤湿度指数（SSI）,提出改进的MSDI,即气象农业综合干旱指标（MMSDI）。在此基础上,用1979-2015年中国降水资料、蒸散发资料以及土壤湿度数据对不同时间尺度（3月尺度与6月尺度）分别研究气象干旱、农业干旱、气象农业综合干旱,用气象农业综合干旱分别与气象干旱、农业干旱和改进之前的气象农业综合干旱对比,并结合实际记录的干旱事件时空特征验证,结果证实MMSDI指数可以同时监测气象与农业干旱,且其监测结果准确度高于单一变量的气象（SPEI）或农业（SSI）干旱监测,MMSDI指数对气象农业综合干旱具有更好的监测效果,可考虑作为中国气象农业综合干旱监测及旱灾预警的重要理论依据。     

农业干旱业务化监测研究进展与展望

业务化农业干旱监测系统是农业干旱监测和预测以及农业风险评价和防范的有力工具,为了更好地促进农业干旱业务化监测的发展,系统回顾了基于气象变量、土壤湿度、植被状态和多变量等4类常用干旱指数,详细分析了美国、中国、欧洲和联合国粮食及农业组织等业务化农业干旱监测系统的特征,讨论了业务化农业干旱监测系统中存在的问题：如数据的质量及融合不稳定、综合干旱指数的构建不确定、监测的时间分辨率有待提高、缺乏考虑水文条件以及作物的生长过程等影响的问题。展望了未来农业干旱业务化监测,应从利用多源数据监测干旱、构建综合指标时需考虑区域时空差异及不同指标间的累积性和滞后性、加强机器及深度学习在综合指标构建中的作用、发展日时间尺度监测干旱以应对骤旱事件的发生、强化作物生长过程模型和先进的技术手段在干旱监测中的作用等方面深入发展。     

干旱指标研究的进展与展望

对气象干旱指标、农业干旱指标、水文干旱指标和社会经济干旱指标4个方面的研究成果进行了较为全面的对比分析,并提出了干旱指标研究中仍存在的主要问题以及今后研究的重点与展望。干旱气候的影响具有持续时间长、范围广、灾害程度重的特点,而干旱指标是衡量干旱气候的标准。分析指出,按照大气、土壤、水文和作物干旱的相互关系及其因果关系,应该首先考虑大气干旱,而考虑大气干旱时,最好利用降水百分数或距平百分率,这样便于统一比较各个地区的干旱程度。其次,再根据不同的领域和对象,考虑土壤、农作物、牧业和水文干旱等。在研制干旱指标时,要注意要素的可收集性及其适时性,考虑主要要素和监测业务的可行性,干旱指标要简单、明了,可计算性强,以便于业务使用和推广。     

干旱指标在陕西省应用的敏感性分析

利用陕西省1961—2005年各气象站旬气象资料、33个农气旬报站土壤相对湿度及2001年6月13日NOAA-16极轨气象卫星资料,分析了降水距平百分率、Z指数、Palmer干旱指数、土壤相对湿度对干旱的发生、发展、变化的敏感性,描述干旱发生的范围、程度的差异,并将反映出的旱情与同时段用遥感监测得到的旱情进行比较。结果表明:降水距平百分率、Z指数对旱情的变化具有很高的敏感性,各干旱指标都能反应出区域内干旱的发生,但各指标反映出的干旱程度和范围不同;与同时段遥感监测得到的旱情相比,遥感监测的旱情更加细致,并与地表状况有关。干旱是一个累积过程,同时与影响对象有密切关系,使用干旱指标分析旱情时需要根据受旱对象选用不同的干旱指标,综合考虑前期的水分状况与旱情发生、发展有关的因素。     

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。     

甘肃省河东地区干旱遥感监测指数的对比和应用

干旱是影响甘肃省河东地区农业生产的主要气象灾害之一。如何在众多的干旱遥感监测指数中选择适宜的指数是干旱遥感监测工作面临的主要问题。利用研究区30个农业气象站观测的不同深度土壤相对湿度和对应的MODIS数据,分析了7种典型干旱遥感监测指数(AVI、NDWI、VCI、PDI、MPDI、VSWI和MEI)的构建原理和模拟结果,并选择适宜的干旱遥感监测指数对2006年甘肃省河东地区干旱情况的时空分布做了动态监测。结果表明:7种干旱遥感监测指数均能反映研究区土壤湿度的时空变化特征;各干旱遥感监测指数对土壤水分监测的最佳深度为20 cm,其次为10 cm。从相关系数来看,PDI、MPDI指数对春季,VSWI、NDWI指数对夏季的土壤相对湿度有较好的监测结果;MEI指数对秋季土壤相对湿度模拟效果较差,其余指数对秋季模拟效果均较好;根据各指数与20 cm处土壤相对湿度的相关系数,结合各指数的构成原理,春季选择PDI和MEI,夏季选择VSWI和NDWI,秋季选择PDI和MPDI,分别对2006年甘肃省河东地区干旱情况进行监测。通过考虑各等级出现的频率,同时兼顾土壤相对湿度,评定各指数干旱等级。监测结果显示,庆阳市北部连续出现春旱、春末夏初旱、伏旱和秋旱,陇中北部和庆阳市北部旱情严重。     

农业干旱遥感监测模型综述

以农业干旱发生时所引起的若干地表特征变化为依坦,分别从土壤水分、植被水分、冠层温度和作物形态4方面,对现有主要农业干旱遥感监测模型进行归纳总结,分析了各种模型的优缺点,以及各自的适用范围。其中土壤水分变化类指数比较适宜于农业旱情预警及土壤干旱型农业旱情的监测;冠层温度变化类指数不仅适宜于农业旱情预警,更适宜于农业旱情监测;作物形态及绿度变化和植被水分变化类指数,较适宜于农业旱灾的预警以及灾后评估。     

基于CiteSpace国内干旱遥感监测的知识图谱分析

利用CiteSpace软件对1995~2017年中国知网的“SCI来源期刊”、“EI来源期刊”、“核心期刊”以及“CSSCI来源期刊”数据库中有关干旱遥感监测研究的642篇文献进行可视化分析得到知识图谱。结果表明：国内经历了传统基于站点的干旱监测、小范围的干旱遥感监测试验到大范围干旱遥感监测及应用三个阶段；干旱遥感监测主要从“干旱监测”、“遥感监测”、“温度植被干旱指数”、“土壤湿度”、“地表温度”以及“归一化植被指数”等方向展开；王鹏新、张树誉、张强等是主要的发文作者；中国科学院、中国气象局、中国农业大学等是主要的发文机构。基于多源信息的干旱综合监测模型、大范围干旱监测评估、预警以及决策支持系统、干旱遥感监测技术在社会服务方面的应用以及加强国内学者与机构之间的交流合作是未来国内干旱监测研究几个重要方面。     

Agricultural drought monitoring: Progress,challenges, and prospects

In this paper, we compared the concept of agricultural drought and its relationship with other types of droughts and reviewed the progress of research on agricultural drought monitoring indices on the basis of station data and remote sensing. Applicability and limitations of different drought monitoring indices were also compared. Meanwhile, development history and the latest progress in agricultural drought monitoring were evaluated through statistics and document comparison, suggesting a transformation in agricultural drought monitoring from traditional single meteorological monitoring indices to meteorology and remote sensing-integrated monitoring indices. Finally, an analysis of current challenges in agricultural drought monitoring revealed future research prospects for agricultural drought monitoring, such as investigating the mechanism underlying agricultural drought, identifying factors that influence agricultural drought, developing multi-spatiotemporal scales models for agricultural drought monitoring, coupling qualitative and quantitative agricultural drought evaluation models, and improving the application levels of remote sensing data in agricultural drought monitoring.     

农业干旱监测研究进展与展望（英文）

In this paper, we compared the concept of agricultural drought and its relationship with other types of droughts and reviewed the progress of research on agricultural drought monitoring indices on the basis of station data and remote sensing. Applicability and limitations of different drought monitoring indices were also compared. Meanwhile, development history and the latest progress in agricultural drought monitoring were evaluated through statistics and document comparison, suggesting a transformation in agricultural drought monitoring from traditional single meteorological monitoring indices to meteorology and remote sensing-integrated monitoring indices. Finally, an analysis of current challenges in agricultural drought monitoring revealed future research prospects for agricultural drought monitoring, such as investigating the mechanism underlying agricultural drought, identifying factors that influence agricultural drought, developing multi-spatiotemporal scales models for agricultural drought monitoring, coupling qualitative and quantitative agricultural drought evaluation models, and improving the application levels of remote sensing data in agricultural drought monitoring.     

基于MODIS数据的华北地区遥感干旱监测研究

选择4种遥感干旱监测模型,与土壤相对湿度（RSM）和自校准帕默尔干旱指数（sc-PDSI）进行相关性分析,并探讨了研究区生长季干旱的时空变化特征。结果表明：作物缺水指数（CWSI）和植被供水指数（VSWI）更适合监测华北地区的土壤水分,在草原区和农区CWSI干旱监测较好,在森林区和荒漠区VSWI干旱监测效果较好;研究区干旱化趋势有所减缓,且2007—2011年为干旱到湿润的转折区间;干旱空间分布呈北部大于南部、西部大于东部的变化趋势,阿拉善高原的干旱最严重,而大兴安岭山脉基本无干旱发生;干旱整体上向好的趋势发展,尤其是鄂尔多斯南部、山西省、燕山山脉和华北地区-东北地区交界处的农区,且易旱区重心有向西移动的趋势,该成果可以为区域农业干旱监测提供一定的参考。     

干旱对作物产量影响研究进展与展望

粮食安全关乎人类生存和社会发展,是总体国家安全观的重要组成部分。本文首先梳理了作物产量影响因素及干旱对作物产量的影响过程,进而从基于田间控制实验、统计模型、作物生长机理模型以及遥感反演模型等4个方面系统回顾了干旱对全球主要作物产量影响评估的最新进展,揭示出当前研究呈现出由单灾种向多灾种、由单目标向多目标、由统计模型向综合模型转变的特征。文献计量分析表明,1990—2020年干旱对作物产量影响研究发文量呈指数增长,且研究主题经历了由传统的作物水分胁迫到作物受旱影响与适应综合研究的转变过程,体现出研究视角的不断深化和综合。在学科分布上,农学、植物学和环境科学是研究干旱对作物产量影响的主要学科,建议应加强地理学多要素多尺度的系统性思维在粮食和水资源耦合系统研究中的应用。最后,在分析现有问题和挑战的基础上,将未来应关注的重要议题归纳为以下4个方面,即构建干旱对作物产量影响的多源信息数据库、阐明干旱对作物产量影响的关键过程及机理、发展耦合宏观与微观过程作物生长机理模型和搭建作物产量与粮食安全综合监测平台系统,旨在通过提高干旱对作物产量影响的监测预警和科学管控,实现农业可持续发展和全球粮食安全。