半干旱地区流动沙地土壤湿度变异及其对降水的依赖

应用半干旱区科尔沁沙地1983- 1990年5~ 10月份土壤湿度定点观测资料,对流动沙地土壤湿度的时空变异及其与降水关系进行了研究。结果表明:半干旱区科尔沁沙地,在0~ 300cm的垂直剖面上,以20cm作为一个层次,流动沙地土壤湿度多年平均值变化于3.25%~ 3.47%,层次间无显著差异。在时间序列土壤湿度存在年内和年际变异,5月份的土壤湿度与6~ 10月份存在显著差异,但6~ 10月份之间土壤湿度差异不显著。年际间降水量变化于243.3~ 567.1mm (变异系数9505%)之间,流动沙地土壤湿度变化于3.10%~ 3.69% (变异系数18.68%)之间。0~ 40cm土壤湿度与前月降水量不显著相关,但40~ 300cm土壤湿度与前月降水量显著相关,当月降水量与各层土壤湿度均显著相关。     

中国黄土高原土壤湿度的气候响应

利用中国黄土高原59个气象站1961—2002年月降水量和29个农业气象观测站从建站到2002年逐年4—10月旬土壤重量含水率资料,分析了黄土高原土壤湿度的地域和时间分布特征以及土壤湿度对生态的影响。结果表明：①黄土高原4—10月土壤湿度与降水量的地理分布有较好的一致性,两者都从东南向西北减少。受六盘山和太行山阻挡东南季风影响,在陇中和晋中黄土高原出现一条南北向的干舌;黄土高原半干旱气候区降水和土壤湿度等值线梯度大,气候变化敏感。②采用年降水量和变差系数把中国黄土高原土壤湿度划分为5个气候区域：草原化荒漠带土壤严重失墒区,荒漠草原带土壤失墒区;草原带土壤失墒区;森林草原带土壤湿度周期亏缺区;森林带土壤湿度周期亏缺区。前3个气候区位于黄土高原中北部,经雨季之后,土壤水分不能得到有效恢复,土壤经常处于重旱或轻旱状态。后2个气候区位于黄土高原南部,经雨季之后,土壤水分能得到有效恢复,土壤有季节性缺水现象。③影响土壤湿度的主要因素是降水,但气温也有不可忽视的作用。近20 a来,中国黄土高原降水减少,气温升高,土壤湿度有下降的趋势。     

草甸草原降水特征与土壤水分对降水脉动响应——以呼伦贝尔草原额尔古纳市为例

利用额尔古纳牧业气象试验站降水量与土壤水分数据,通过降水与土壤水分动态变化及转化过程分析,确定土壤水分响应的降水临界值与不同降水级别引起土壤水分响应的概率,构建了降水过程量与土壤水分增量函数关系。结果表明：（1） 研究区降水量呈“先降后升”变化趋势,年内降水量呈单峰型分布。（2） 研究区以无降水天气为主,降水又以小降水事件占主导,大降水事件发生频次低、过程降水量大,小降水事件则相反。（3） 可以引起研究区0~50 cm各层土壤水分响应的降水临界值分别为8.1 mm、10.1 mm、19.0 mm、27.9 mm和31.6 mm,小雨仅能引起0~10 cm土壤水分响应的概率为28.6%,中雨不能引起40~50 cm土壤水分的响应。（4） 降水量与0~10 cm和10~20 cm土壤水分达到最大值时的滞后时间呈现出极显著负相关关系,与20~30 cm呈显著负相关关系,0~30 cm各层土壤水分达到最大值时的滞后时间与降水量符合幂函数关系。（5） 降水量和0~50 cm土壤水分增量均呈现出极显著正相关关系,降水量与0~10 cm和10~20 cm土壤水分增量符合线性关系,与20~30 cm、30~40 cm和40~50 cm土壤水分增量符合多项式关系。检验结果表明,构建的函数模型可以较好地模拟研究区0~30 cm各层水分增量。研究结果为地方政府抗旱减灾提供了科学依据。     

北京山区林地土壤水分时间序列分析

采用时间序列分析法,对北京山区4种主要林分类型2010-03—10的土壤含水量与降水量之间的相关关系进行了研究。结果表明:降水序列无明显自相关性,而土壤含水量则具有高度自相关性,其中20～40 cm土层自相关性最大;降水与土壤含水量在时间上有显著的相关性,油松林地和刺槐林地受当月降水的影响最大,侧柏林地和栓皮栎林地则是受前一个月降水量的影响最大;不同土层土壤含水量与降水的相关性不同,说明不同土层受降水的影响有时间上的不同。     

甘肃黄土高原土壤水分变化对冬小麦产量的影响

甘肃黄土高原属半干旱和半湿润气候过渡区。潜在蒸散量大于降水量,土壤水是影响冬小麦生产最直接因素。运用甘肃西峰农业气象试验站1981-2010 年冬小麦大田试验及土壤湿度观测资料,对近30 年土壤水变化规律及与冬小麦各产量要素的关系进行分析。结果表明,冬小麦贮水量最大时段为冬前生长期,其次为返青期至拔节期,最小为孕穗期至成熟期。耗水量最大时段为孕穗期至成熟期,其次为冬前生长阶段,最小为返青期至拔节期。1981-2010年土壤100 cm土层、1990-2010 年200 cm土层贮水量呈减少趋势,耗水量呈增加趋势。冬小麦土壤水分利用率呈上升趋势,变化转折点出现在1998 年。200 cm、100 cm土层贮水量与冬小麦不孕小穗率相关性显著。不同生长阶段各层次土壤贮水量均与千粒重相关性显著,且随着深度加深,相关性愈加显著。冬前生长阶段、返青期至拔节期各深度层次土壤贮水量与单株成穗数相关性分别通过0.1、0.01 信度水平检验。在冬小麦各生长阶段,各层次土壤贮水量与单产相关性显著。5 月中旬100 cm 土层贮水量对产量影响较大,aj(t) 值达20 kg/hm²·mm。不孕小穗率与不同生长阶段100 cm土层耗水量均呈显著负相关关系。千粒重与冬前生长阶段的各深度层次耗水量相关性显著。单株成穗数与返青期至拔节期上层土壤耗水量相关性显著。单产与孕穗期至成熟期各层次耗水量相关性显著。从当年9 月到次年5 月100 cm土层耗水量对单产影响逐渐增大,5 月中旬aj(t) 达25 kg/hm²·mm。此后耗水量对产量的影响逐渐降低。     

1961—2012年甘肃省干湿变化特征及其影响因子

基于1961—2012年甘肃省和青海省祁连山区54个气象站逐日气象数据,分析了甘肃省地表湿润指数的时空变化特征及各气象要素对不同区域干湿变化的影响程度.结果表明:近52年,以黄河为界,甘肃东、西部呈现出不同的干湿变化趋势,河东地区趋于干旱,尤其是陇中和陇东部分地区;河西部分区域趋于湿润,尤其是祁连山中部地区.河东变干主要是秋季显著变干,其中9月最突出;河西变湿主要是冬季变湿,尤其是在12月和1月.敏感性和贡献度分析表明,除降水量外,地表湿润指数对空气相对湿度的敏感性最高,其次是日照时数,再次是最高温度和平均风速,对最低温度的敏感性最低.近52年地表湿润指数-30％～30%的相对变化量中,降水量的贡献最大,贡献量在-30%～25%;其次是风速,贡献量在-4％～12%,最高温度、最低温度、日照时数以及相对湿度的贡献较小,在-4％～4%.     

中国土壤湿度的时空变化特征

基于中国155个农业气象观测站1981-2010年逐旬土壤湿度资料,分析了全国和12个气候区域0~50 cm逐层的土壤湿度时空分布规律,采用趋势分析和Cramér-von Mises（CVM）方法探究了土壤湿度的变化趋势及突变性。结果表明：西南、江淮、东北、江南、江汉、黄淮和华南地区各层土壤湿度均高于全国平均值,内蒙古地区最低;随着深度增加,西南地区土壤湿度增加最明显,仅青藏高原地区土壤湿度减小。不同区域0~50 cm各层土壤湿度年变化和季节变化差异明显,并具有阶段性特征,大部地区深层土壤湿度高于浅层;总体上,新疆、华南、华北、青藏高原、东北、黄淮地区1981-2010年土壤湿度减小趋势显著,其中新疆地区减小最为明显。除江淮地区外,各区域土壤湿度均存在较为明显的年际差异,突变时段主要集中在20世纪80年代后期至90年代初期、90年代后期两个时间段。     

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。     

黄土丘陵区人工油松林地土壤水分动态的时间序列分析

利用时间序列分析方法研究了黄土丘陵区人工油松林地土壤水分序列和降水序列之间的关系。在黄土丘陵区，降水时间序列不存在自相关关系，相反土壤贮水量之间存在自相关关系；这说明了前期降水对后期降水没有影响，而前期土壤含水量的高低影响了后期含水量的多少。降水时间序列与人工油松林地0～80cm土层总贮水量序列之间存在相关关系，同时油松林地贮水量与降水时间序列相比表现出1个滞后时间距(1月)，说明贮水量主要受当月和前一个月降水的影响。对于上部三个层次(0～10cm，10-20cm，20～40cm)的贮水动态与降水时间序列相关；而20cm以下的土层，与一个滞后时间距的降水时间序列相关系数增大；说明20cm以上土层的贮水量主要受当月降水的影响，20cm以下土层贮水量与当月和前一个月的降水有关。当月降水可以补充到40cm深土层。     

西北地区东部汛期降水季节内分布特征分析

基于西北地区东部1961-2015年54个台站汛期（5~9月）逐日降水资料,通过表征时间分配特征的参数-降水集中度和集中期,对西北地区东部5~9月逐旬降水的季节内非均匀性分布特征进行分析,结果表明：西北地区东部5~9月降水集中度和集中期的平均空间分布存在明显差异,从集中度来看,其东北部降水较集中,西南部较分散,而集中期主要在7月中旬到8月上旬,相比较甘肃陇东地区集中期较晚;从降水集中度与集中期的异常特征来看,第一模态均表现为全区一致性,第二模态均表现西北和东南反向变化特征,而集中度第三模态表现为东北和西南反向变化特征,集中期第三模态表现为东西反向变化特征;从降水集中度与集中期的变化趋势来看,近50 a来降水集中度越来越小,而降水集中期越来越早;另外从汛期降水量同同期降水集中度与集中期的关系来看,其与两者均存在正相关,其中集中度与降水的显著相关区在内蒙古西部以及陕西和宁夏北部,而集中期与降水的显著相关区在陕西和甘肃南部。另外利用前期大气环流指数对降水集中度和集中期建立的预报模型具有一定的预测能力,从而为西北东部汛期降水的季节内非均匀性分布特征的短期气候预测提供参考依据。     

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。     

1983—2019年黑龙江省春季土壤湿度时空变化特征及影响因素

春季土壤湿度是影响东北粮食产量和品质的重要因素。在气候变暖的背景下,东北春季土壤湿度如何变化,鲜有研究。本文基于1983—2019年黑龙江省22个农业气象站的土壤湿度和气象观测资料,采用方差分析、突变分析及空间分析等方法,分析20世纪80年代以来黑龙江省春季土壤湿度的时空变化特征及其影响因素。结果表明：1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度均值为88.22%,0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度平均值分别为82.63%、89.66%、92.36%,土壤湿度随深度增加而增加,各层均未出现干旱状态。但各层土壤湿度均出现极显著下降趋势,21世纪最初10年较20世纪80年代各层土壤湿度下降6%~15%,在20世纪80年代末进入偏干期。黑龙江省春季土壤湿度呈现由东到西逐渐减小的趋势,32%左右的观测站点呈现显著下降趋势,主要集中在黑龙江省西部及东部地区。前秋季降水量、积雪期长度和积雪初日是影响各层及各月份土壤湿度最重要的因素,其对土壤湿度的影响能持续到5月份,并能影响到20~30 cm。积雪深度及积雪终日对4月份表层土壤湿度有重要影响。地表温度、日平均气温、日平均风速和降水量也是影响不同时期不同深度土壤湿度的关键因素。     

西北地区东部可利用降水的时空变化特征

 利用西北地区东部91站1961-2009年间的实测气温降水资料,分别计算了该区水分资源各分量降水、蒸发及可利用降水,使用REOF等统计方法,整体分析了该区可利用降水的时空变化特征。结果表明：西北地区东部水分资源匮乏且年际变化大,水分资源各分量时空分布极不均匀;总体上各分量从该区东南部向西北部递减,呈南多北少特征,其中该区东南侧的陕南、陇南、六盘山区及青藏高原东部部分地区年降水量、蒸发量和可利用降水量分别在500、200和200 mm以上,年降水可利用率在30%~50%,可利用降水标准差达80~110 mm,而该区西部的河西走廊和青海西部的年降水量不足50 mm、年可利用降水量不到10 mm,年降水可利用率不足10%,可利用降水标准差在20 mm以下;各分量夏季最大,冬季最小,5~9月是该区主要降水和可利用降水的集中期;降水在水资源各分量中起决定性作用,因此降水的小幅变化导致可利用降水的大幅变化是降水稀少的西北地区东部可利用降水资源匮乏的主要原因,但气温变化造成的影响也不可忽视;西北地区东部5~9月可利用降水异常分布的局域特征明显,常出现陇南、河东、高原、河西走廊等4种异常分布特征。近50 a来,区内可利用降水总体呈东部减少(六盘山区及陇南区尤甚),西部增加的变化格局。     

不同植被盖度沙质草地生长季土壤水分动态

水分是干旱半干旱沙地生态系统最大的限制因子，研究植被盖度和土壤水分之间的关系有助于沙地生态恢复和保护。基于生长季科尔沁沙质草地不同植被盖度下土壤水分动态和降水的观测试验，分析了沙质草地植被盖度和土壤水分的耦合关系。结果表明：在土壤剖面上土壤水分存在明显的分层结构，依次为水分剧变层（0~40 cm）、缓变层（40~100 cm）和稳定层（100~180 cm）；植被盖度对土壤水分有很大影响，不同植被盖度下土壤含水量存在显著差异，土壤水分与盖度之间呈倒“V”型关系，土壤水分状况在28%的盖度下最优；不同的植被盖度下土壤水分对降水的响应也存在差异，在13%盖度下响应最敏感，28%和46%的盖度下响应微弱，后二者的土壤水分也相对稳定。在沙地生态恢复建设过程中合理的植被盖度配置可提高降水利用效率，并能使土壤水分和植被达到一种良好的平衡状态，从而有利于生态系统的稳定。     

用隔绝法对极干旱区土壤水分来源的分析

 通常认为极干旱区土壤水分来源于降水、大气或凝结水,深埋区不存在潜水蒸发。然而通过使用拱棚法初步证明在极干旱深埋区存在潜水蒸发,而潜水是土壤水分的重要来源。为了进一步求证土壤水分来源,开挖200 cm×200 cm×200 cm的土坑,完全隔绝与下层土壤及四周的水分联系,回填后监测土壤10、30、50、100、150 cm的空气温湿度;同时设置与四周隔绝但底面联通的对照坑。27 d后都模拟25 mm降雨。监测发现模拟降雨前联通土壤的水分含量、空气相对湿度、绝对湿度都明显高于隔绝土壤。1 a后远离降雨时土壤水分的检测发现隔绝土壤水分含量低于联通对照,但因隔绝土壤处于潜水蒸发漫溢的相同气象环境,其湿度不会无限下降。隔绝对比实验反演证明深埋极干旱区存在潜水蒸发。     

Assessing artificial neural networks coupled with wavelet analysis for multi-layer soil moisture dynamics prediction

Soil moisture simulation and prediction in semi-arid regions are important for agricultural production,soil conservation and climate change.However,considerable heterogeneity in the spatial distribution of soil moisture,and poor ability of distributed hydrological models to estimate it,severely impact the use of soil moisture models in research and practical applications.In this study,a newly-developed technique of coupled(WA-ANN) wavelet analysis(WA) and artificial neural network(ANN) was applied for a multi-layer soil moisture simulation in the Pailugou catchment of the Qilian Mountains,Gansu Province, China.Datasets included seven meteorological factors:air and land surface temperatures,relative humidity,global radiation, atmospheric pressure,wind speed,precipitation,and soil water content at 20,40,60,80,120 and 160 cm.To investigate the effectiveness of WA-ANN,ANN was applied by itself to conduct a comparison.Three main findings of this study were:(1) ANN and WA-ANN provided a statistically reliable and robust prediction of soil moisture in both the root zone and deepest soil layer studied(NSE >0.85,NSE means Nash-Sutcliffe Efficiency coefficient);(2) when input meteorological factors were transformed using maximum signal to noise ratio(SNR) and one-dimensional auto de-noising algorithm(heursure) in WA, the coupling technique improved the performance of ANN especially for soil moisture at 160 cm depth;(3) the results of multi-layer soil moisture prediction indicated that there may be different sources of water at different soil layers,and this can be used as an indicator of the maximum impact depth of meteorological factors on the soil water content at this study site.We conclude that our results show that appropriate simulation methodology can provide optimal simulation with a minimum distortion of the raw-time series;the new method used here is applicable to soil sciences and management applications.     

博州不同级别降水及极端降水事件的时空变化

根据1961—2005年新疆博州（博尔塔拉蒙古自治州的简称,下同）4站逐日降水资料,用阈值检测方法计算出博州地区极端降雨（雪）的阈值,并用气候趋势系数、Kendall-τ秩次相关以及滑动t检验等分析了博州地区不同量级降水日数以及极端降水日数的变化特征。研究表明,博州地区极端降水阈值与年平均降水量的空间分布基本一致：山区大,盆地小,地区间差异极大。3—10月一日降水量≤0.2 mm的微量降雨日数大范围减少;年降水量增加的方式在不同子区域是不同的：①对于年平均降水量仅有100 mm左右的艾比湖一带而言,主要体现在中雨、小雪次数的增加上,其他量级的雨雪日数及强度增加趋势不显著,这种增量对干旱区而言很小,无法改变干旱区的本质。②博河上游地区夏半年主要体现在小雨、大雨次数的增加以及中雨强度的增加上,冬半年主要体现在小雪、大雪或极端降雪日数的增加以及大雪、暴雪强度的增加上。虽然博河上游地区大雨次数显著增加,但强度显著降低。这种增加方式导致博河上游地区冬季牧区易出现雪灾,夏季易出现洪灾。③博河中游地区主要体现在小雪、中雪、大雪（或极端降雪）、中雨频次以及小雨强度的增加上,而且一日降水量≤0.2 mm的微量降雨日数的减少趋势大于其他量级降雨总次数的增加趋势。降水日的这种变化方式在该区域气候显著偏暖的气候背景中,极易造成春夏阶段性极端干旱事件频发。     

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。