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。     

基于马尔科夫模型的新疆水文气象干旱研究

在气象干旱SPI和水文干旱SRI的二维变量干旱状态的研究基础上,通过一阶马尔科夫链模型对二维变量干旱状态进行频率、重现期和历时分析,并预测未来非水文干旱到水文干旱的概率,研究结果表明：（1）开都河、和田河在干旱形成中危害大,阿克苏河在干旱演变中危害大,开都河和叶尔羌河在干旱持续中危害大。开都河和叶尔羌河主要以气象水文干旱为主,和田河和阿克苏河以水文干旱为主。（2）开都河连续湿润或者干旱的概率最大,状态2与状态4、状态5的相互转移概率低,和田河和开都河状态4不能一步转移到状态2。（3）在长期干旱预测中,塔河流域从状态2达到状态4或者状态5的概率最低,开都河（或和田河）从非水文干旱状态到状态4的概率最大（或最小）,从非水文干旱状态到状态5的概率最小（或最大）。     

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。     

ARIMA和ANN模型的干旱预测适用性研究

开展干旱预测是有效应对干旱风险的前提基础,根据1960-2016年三江平原7个站点逐日降水和气温数据,利用ARIMA和ANN模型对不同时间尺度标准化降水蒸散指数（SPEI）序列进行分析建模预测。借助相关系数R、纳什效率系数NSE、Kendall秩相关系数τ、均方误差MSE和Kolmogorov-Smirnov （K-S）检验对模型的有效性进行了判定,然后分别用ARIMA和ANN模型进行12步预测,并将预测值与实际值进行比较。结果表明：（1） ARIMA模型和ANN模型对SPEI的预测能力都随时间尺度的增加而逐渐提高。（2）两种模型对3、6个月尺度SPEI的预测精度偏低,9、12、24个月的SPEI的预测精度在70%以上;（3）SPEI-9、SPEI-12、SPEI-24三个时间尺度ANN模型的预测精度优于ARIMA模型。     

中国干旱预警系统研究

通过分析我国干旱预警现状,结合国家社会预警体系建设,提出我国4级干旱预警应急等级、预警管理和综合预警标准,并将全国划分为特旱、重旱、干旱3类预警区。文章重点探讨了干旱预警系统建设的目标,行动计划,以及干旱预警5大系统建设内容等。研究认为加强国际合作与交流,开展跨学科干旱预警研究,建立国家干旱监测预警和评估标准体系,组建中国干旱监测预警和研究中心是提高我国干旱监测、预测预警和减灾能力建设的重要途径。     

ARIMA-LSTM组合模型在基于SPI干旱预测中的应用——以青海省为例

开展干旱预测是有效应对干旱风险的前提基础。利用1958—2017年青海省38个气象站点逐日降水量数据计算多尺度标准化降水指数（SPI）,并建立了SPI序列自回归移动平均模型（ARIMA）、长短时记忆神经网络模型（LSTM）和基于二者优点提出的ARIMA-LSTM组合模型;对模型参数进行率定和验证后,利用所建立的模型,以西宁站点为例,对多尺度SPI值进行预测,借助均方根误差（RMSE）、平均绝对百分比误差（MAPE）和决定系数R²对所有预测模型的有效性进行判定。结果表明：ARIMA-LSTM组合模型在SPI1和SPI12的RMSE值分别为0.159 7和0.181 0,均低于ARIMA模型的1.265 4和0.293 3,说明ARIMA模型与ARIMA-LSTM组合模型对SPI的预测精度都与时间尺度有关,ARIMA模型的预测精度随着时间尺度的增加而逐渐提高;结合GIS并利用实测数据与模型的预测数据相比较说明ARIMA-LSTM组合模型相比于单一ARIMA模型的预测精度更高,且能够很好拟合不同时间尺度的SPI值。     

基于多源遥感数据的甘肃省农业干旱研究

干旱是农作物生长发育的主要环境胁迫因子,也是制约农业丰产丰收的关键自然要素。农业干旱监测通常基于气象站点观测数据,这在一定程度上难以反映区域尺度的农业干旱状况。以甘肃省为研究区,基于MODIS、TRMM、ESA CCI等遥感数据产品和气象站点数据,利用随机森林回归模型构建综合气象干旱指数（CMDI）,并对甘肃省2011—2019年农作物生长季（4—9月）旱情时空格局及变化规律进行分析。结果表明：（1）CMDI与实测值的决定系数（R2）在各月均高于0.634,且与标准化降水蒸散发指数（SPEI）在空间上具有一定的相关性,表明该指数可反映农业干旱的发生发展过程。（2）甘肃省农业干旱呈现明显的地域分异规律,干旱程度由东南向西北逐渐加重,其中河西地区多为特旱区和重旱区,陇中地区为重（中）旱区,陇南、陇东、甘南地区为干旱-无旱波动变化区。（3）2011—2019年甘肃省农业干旱在年、月尺度上均呈现较大的波动趋势,其中2012年干旱程度最轻,2017年则最为严重;甘肃省大部分地区在4月和6月,陇东、陇南地区分别在5月和9月以及甘南地区4—9月农业旱情有所减轻外,其余地区在农作物生长季的旱情呈加重趋...     

河南省农业干旱灾害度初探

本文根据河南省农业生产旱灾的自然,社会经济属性,提出了一种综合评价旱灾对全省农业生产影响程度的方法,并在此基础上对全省农业干旱灾害度分级,最后提出合理防治旱灾促进农业生产的若干建议。     

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。     

农业干旱风险研究进展

农业干旱风险分析是近年来兴起的一个新的研究领域,这一研究不仅是农业旱灾风险管理的基础和前提,也是农业干旱风险区划和灾前损失预评估的理论基础。本文系统阐述了农业旱灾风险的内涵及构成要素、风险分析体系及研究现状,在此基础上指出,依据自然灾害风险分析基本原理,从农业旱灾危害性以及承灾体脆弱性角度系统地建立农业旱灾综合风险分析程序框架和指标体系,尤其是开发针对每一风险要素的、动态的数学模型和指标体系是当前干旱灾害风险时空格局研究的当务之急。     

西北地区农业旱灾与预测研究

西北地区干旱灾害在中国乃至世界上具有代表性,常常对农业生产、社会经济和人民生活带来巨大威胁。利用西北五省区(陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆)1951～2000年的50年农业旱灾面积统计资料,分析了农业旱灾的时空强度变化。表明西北地区农业旱灾有增加趋势,以20世纪90年代增加最明显。利用西北地区均匀分布的40个站点50年的降水和气温资料,采用变换的Z指数法,探讨了干旱强度和地表径流量的时间变化与西北地区农业旱害的关系。表明降水量的减少及河川径流枯期与农业旱灾面积负相关关系密切。应用波谱分析与逐步自回归方法,分别建立了西北地区干旱指数的拟合回归预测模型,农业旱灾面积、成灾面积和绝收面积预测模型,并对西北地区干旱灾害的趋势进行了预测。表明西北地区干旱灾害在21世纪前十年有所减缓。经检验,模型预测效果良好,根据预测结果可以采取有针对性的减灾措施,减少西北地区农业灾害损失。     

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。     

农业旱灾综合风险防范多主体共识定量研究——以湖南鼎城区为例

全球气候变化背景下,干旱呈现加重趋势,加强旱灾风险防范对区域农业可持续发展具有重要意义。不同主体的共识程度会影响旱灾风险防范效果,因此,开展旱灾风险防范多主体共识定量化研究,有助于加深主体间合作抗旱机制的认识。本文从“认知—情感”维度出发,同时考虑主体情感积极程度,构建了共识指标体系和基于“距离”的模型,定量了湖南省鼎城区政府、乡镇政府、村委、农户和涉农企业等不同主体在旱灾风险防范上的共识。主要结论为：① “认知”共识中,各组主体在各项指标上的共识平均值呈现应急理解度>备灾理解度>恢复理解度的趋势,各村农户、村委、政府两两之间在恢复措施上的认知差异较为明显。② “情感”共识中,各组主体在各项指标上的共识平均值呈现公平感知<宽容感知<约束感知<归属感的趋势,主体在公平性、体谅他人和接受资源约束上的态度不够积极,其中政府、村委和企业的感知差异最为明显。③ 综合共识中,农户和乡镇政府、村委和区政府、乡镇政府和区政府共识的平均值均大于0.65,企业和其他主体共识的平均值均不超过0.6。以上结果揭示了主体间的感知差异,为社会—生态系统旱灾综合风险防范多主体“凝心聚力”研究开辟了一条定量化新思路,为进一步考虑灾害不同阶段、不同主体需求和资源配置等问题在风险防范中发挥的作用提供借鉴与参考。     

Simulating agricultural drought periods based on daily rainfall and crop water consumption

Even though drought is difficult to define precisely, rainfall is the most widely used indicator of drought. This paper presents a methodology on modeling of the agricultural drought duration. For this purpose, study area was divided into four hydrologic homogeneous sections as W, CN, CS and E. To constitute the monthly time series of each section, the number of days in each month in which daily rainfall was less than the water consumption of the critical crop was assumed to be drought periods. Then, constituted monthly time series of drought durations of each hydrologic homogeneous section was simulated using ARIMA model. No linear trend was observed for the time series except that of the CS section. In general, the predicted data from the selected best models for the time series of each section represents the actual data of that section.     

东北三省农业旱灾风险评估研究

气候变化背景下,干旱对农业生产造成的损失已不容忽视。明晰粮食主产区面临的旱灾风险特征有利于保障中国粮食生产安全。东北三省是中国最重要的粮食主产区之一,明晰该地区的农业旱灾特征对农业生产具有十分重要的作用。基于自然灾害系统理论针对东北三省构建了农业旱灾风险评估模型,并在县市尺度对不同等级农业旱灾风险进行了分区。研究中分别从省份尺度和县市尺度对农业旱灾危险性、暴露性、脆弱性、抗旱能力及农业旱灾综合风险进行评估。结果表明：省份尺度上,农业旱灾综合风险由高到低分别为黑龙江省、吉林省及辽宁省。其中危险性年际间差异明显,暴露性则相对稳定。2010-2015年间脆弱性呈增加趋势,三省抗旱能力均随年际变化而波动。空间范围上,东北三省农业旱灾风险由南向北递增。农业旱灾综合风险等级上,中级及其以上级别县市占对应省份的比例由高到低分别为黑龙江省（75.81%）、吉林省（41.30%）与辽宁省（0%）。值得注意的是,农业旱灾综合等级最高的地区主要集中在三江平原及松嫩平原区。     

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。     

胡麻生理生化代谢指标对干旱胁迫的响应及其模拟模型的研究

为进一步研究胡麻生理生化代谢指标响应干旱胁迫时对胡麻产量的影响,采用盆栽控水法模拟胡麻干旱胁迫,依据2013—2014年甘肃省定西市西巩驿镇胡麻试验数据,建立并检验胡麻干旱胁迫模型,模拟干旱胁迫时对胡麻生理生化指标及产量影响,利用均方根误差（RMSE）和决定系数（R²）描述模型拟合度。结果表明：（1） 模型产量模拟值的RMSE为41.3159~155.6685 kg·hm^-2,平均值为80.1837 kg·hm^-2;R²为0.8929~0.9894,平均值为0.9387,该模型具有较好的拟合度、可行性也较强。（2） 在重度干旱胁迫下,抗氧化代谢指标——超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）中,CAT活性表现趋势为下降,终花期POD活性增幅（26.09%~28.00%）最大;渗透调节的3种物质含量均显著上升,其中脯氨酸增幅最大,达236.22%。（3） 呈现出极显著相关性的各指标有3组,分别是脯氨酸与叶绿素、丙二醛和CAT活性;可溶性蛋白与丙二醛和CAT活性;POD活性与SOD活性。胡麻生理生化指标响应不同程度干旱胁迫与胡麻的产量有极强的关联,此模型的建立是对胡麻生理生化指标响应干旱胁迫的科学补充,进一步为胡麻的高效生产管理及农业生产系统提供理论依据和支持。     

4种干旱判别指数在东北地区适用性分析

利用东北地区207个国家基本气象站1961—2014年气象数据,计算改进后的综合气象干旱指数(MCI)、相对湿润度指数(MI)、标准化降水指数(SPI)以及标准化权重降水指数(SPIW)这4种常见的干旱指数,对比分析其在该区域的适用性,结果表明:在东北地区,4种气象干旱指数判断历年干旱持续天数及干旱过程强度的演变趋势基本一致;在干旱影响范围方面,SPI和SPIW指数对较长时间的干旱过程判别效果不佳,MCI指数能够较好的反应各时间尺度干旱过程的影响范围。在空间分布方面,SPI和SPIW指数无明显经向分布特征,MCI和MI指数的空间分布特征基本一致,呈现经向分布特征,干旱过程强度及干旱过程持续天数自西向东递减。从不同时间尺度的干旱影响范围、干旱累计强度和干旱持续天数的空间分布以及指数计算方法角度考虑,MCI指数较为接近实际灾情。