美国干旱监测预测业务发展及其科学挑战

干旱是全球普遍存在的对人类影响最为严重的一种自然灾害。近百年气候显著变暖和社会快速发展,加剧了干旱的影响程度,增强了干旱灾害的风险,给全球农业、水资源、生态环境安全以及社会可持续发展造成巨大威胁。提高干旱监测和早期预警技术是应对、管理干旱以及减轻干旱脆弱性的基础。本文介绍了近年来美国在干旱监测、预测业务及研究方面取得的新进展,回顾了美国在区域和全球尺度下干旱监测及数值模式预报系统的发展,重点概述了干旱科学研究与技术进步,并结合2016年美国政府部门的抗旱任务书,讨论了干旱监测和预测面临的机遇与挑战,为我国干旱监测与预测发展提供新视角。     

全球干旱指数研究进展

干旱是世界最严重的气象灾害,是自然灾害中经济损失最重、影响范围最广的灾害。我国深受干旱灾害的影响,近几十年干旱事件频繁发生,给社会造成的不利影响和对人们生存环境的危害日趋严重。因此,讨论全球干旱指数研究进展对于我国干旱研究及防旱抗旱工作具有重要意义。该文系统介绍全球特别是欧美等国气象干旱指数、农业干旱指数、水文干旱指数、遥感干旱指数以及综合干旱指数研究进展,并与我国干旱指数研究情况对比。探讨我国在干旱研究领域存在的主要问题,包括干旱指数适用性比较不足,新的机理性干旱监测指数研究不足,干旱预测预警研究不足。因此加强干旱机理机制研究、开展干旱监测准确性定量评估和加强数值模式在干旱预测预警中的应用是未来研究的重点和难点。     

全球干旱卫星监测计划

干旱是损失最严重的自然灾害之一,干旱监测已受到了广泛关注。目前,干旱的遥感监测取得了很好的进展,但是针对全球干旱的监测并未与基于气象数据的全球干旱信息系统实现有机结合。2007年以来,地球观测组织提倡实施全球干旱监测预警信息系统,以充分利用遥感的全球监测能力,而2008年发生的西方金融危机影响了全球干旱监测预警信息系统的建设。2011年全球20国集团农业部长确认的地球观测组织全球农业监测计划再次给全球干旱监测预警信息系统的建设带来了新的机会。美国已经用MODIS数据监测全球干旱以及干旱造成的作物减产分布,中国的风云卫星也具有全球干旱监测的潜力,国际社会应该努力推动建立集成遥感监测的全球干旱监测预警信息系统,为决策者及时提供干旱信息,以便积极应对可能发生的干旱,减轻干旱对国家社会经济的影响。     

干旱遥感监测技术进展

简单回顾了卫星遥感在可见光、热红外、微波、重力卫星、高光谱、叶绿素荧光、无人机以及多源遥感技术和大数据挖掘等领域的干旱监测技术;对各种指数(模型)应用中存在的问题进行评述;指出卫星遥感干旱面临的主要技术问题,并结合国家和气象行业需求提出研究对策及学科建议。     

陕西省干旱监测预测评估业务平台

从实际需求和业务应用着眼,利用MODIS遥感资料和地面加密气象与土壤湿度观测资料,综合气候、植被、水文和地质环境等因素,对陕西省生态农业气候环境进行了区划。建立基于MODIS卫星遥感资料的干旱监测业务化方法和模型,开发了气象干旱和农业干旱预测模型及干旱综合影响评估模型,形成了干旱监测预测评估业务平台,实现了省、市、县干旱监测-预测预警-影响评估的系列化服务。     

地理信息系统（GIS）支持下的冬小麦干旱NOAA／AVHRR遥感监测方法研究

在系统研究冬小麦干旱ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ遥感监测理论、模型、资料处理、指标及应用技术的基础上,建立了河南省冬小麦干旱ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ遥感监测模型,针对这一领域中存在的问题,在ＧＩＳ技术的支持下,进一步探讨了不同土壤质地和风速对遥感干旱监测的影响、用遥感表层土壤水分反演深层土壤水分的方法与模型、用单时相遥感资料反演土壤水分的方法等。在上述工作的基础上,建立了河南省冬小麦干旱遥感监测应用服务系统。     

利用卫星遥感对干旱进行实时监测和预警

利用EOS／MODIS卫星资料反演对地表覆盖的植被信息归一化植被指数（NDVI）和地表温度（TS）信息，通过建立温度植被旱情指数，对研究区域进行旱情实时监测，并应用GIS对旱情变化动态进行监测和预警，初步建立了干旱遥感监测与预警实时系统，能够快速反应各地区旱情发生发展情况，在业务和服务中有较好的应用价值。     

利用MODIS资料监测和预警干旱新方法

为了提高遥感监测土壤水分和干旱的技术水平,在对常用遥感监测土壤水分和干旱方法进行评价的基础上,根据土壤热力学理论,提出了利用EOS/MODIS资料遥感监测农业干旱的新方法———能量指数模式。实际监测应用结果表明,能量指数模式更适合农作物土壤水分和干旱的监测,监测效果明显优于已经业务化的其它模式。农作物生长季节干旱的预警应当在土壤水分遥感监测的基础上,考虑未来预警期内的预报降水量和最高气温,并且把这个预报降水量和最高气温定量转化为土壤水分订正值,按照当地的标准划分成干旱预警等级。     

辽宁省农业干旱监测预报业务系统的设计与实现

为了提高农业干旱的监测预测服务能力,减少农业干旱对社会生产生活的影响,通过对干旱信息的采集、存储、加工处理和干旱产品的制作发布等环节进行梳理与完善,构建辽宁省农业干旱监测预报业务系统,实现了对农业干旱的一体化、精细化和定量化监测和预测,实现了干旱产品的标准化、自动化制作和发布。该系统依托农业干旱监测技术、遥感干旱监测技术、农业干旱预报技术等手段,实现了观测数据的收集存储、干旱信息的展示分析和干旱产品的制作发布等功能,并形成了省、市、县一体化干旱服务体系。最终实现对干旱的全方位监测、立体化服务模式,从而提高应对干旱灾害的防灾减灾能力。该系统的业务化应用提高了农业干旱监测预测的定量化、自动化和智能化水平,提升了地面和卫星遥感干旱监测预测的业务能力。该系统构建的省市县一体化服务模式,形成了省级农业气象业务中心统一制作干旱产品,省、市、县3级同时开展精细化干旱指导服务的体系。     

干旱遥感监测方法研究进展

本文对国内外学者在干旱遥感监测方面所做的工作进行了总结。根据选取资料的不同,将国外进行干旱遥感监测的情况归纳为5类,分别介绍了主要方法及其进展。同时,对国内开展干旱遥感监测的情况从空间尺度、时间尺度、监测手段、监测方法等4个方面进行了分析,并讨论了干旱遥感监测在实际应用中存在的问题。      

干旱指标研究进展及中美两国国家级干旱监测

分析比较了国内外常用的一些干旱指数如降水量距平、标准化降水指数及PDSI等的原理和计算方法。对美国和中国国家级干旱监测业务的发展与现状进行了综述,并详细地介绍了两国干旱监测业务流程、监测方法、产品内容及各自的干旱等级规定、影响评估及预警情况等。     

西北地区气象干旱监测指数的研究和应用

为了更有效地监测西北地区干旱,综合西北地区广泛应用的Z指数方法和帕默尔气象干旱指数基本原理的优点,选取西北地区138个代表站1961—2000年40年逐月降水量资料,分东、西两片分别建立了西北地区东部和西部的单站气象干旱监测指数。在此基础上建立了区域干旱指数,确定了区域旱涝等级的划分标准。以计算得到的干旱指数与历史旱情记录进行了对比验证,并对计算结果做了进一步的统计分析。结果表明:干旱指数对西北地区旱情的反映符合历史实际;西北地区东部近几十年来干旱发生的次数和强度较西部更重;从长期演变趋势看,西北地区东部干旱发生频率呈现出上升的趋势,尤其是1990年代中期后上升趋势更为明显,而西北地区西部则呈现下降趋势;西北地区东部3、4、5、6月份的区域干旱均具有5～10年的周期,而西北地区西部区域干旱的周期性不明显。这些指数的建立,将为更好地开展西北地区的干旱监测、诊断业务提供气象意义明显且应用简便的气象干旱指数。     

干旱监测预警指数研究

提出以降水的应时性、有效性、土层水的后效作用,以及大气温湿状况为依据,建立干旱指标的问题,给出了评价短期气候干旱状况的干旱实时监测和预警指数。同时对如何科学地度量干旱灾害程度也进行探讨。     

气象干旱指标在内蒙古干旱监测评估中的应用

对在内蒙古气候中心干旱监测评估业务中经常使用的降水量距平百分率、土壤相对湿度干旱指数、综合气象干旱指数三种气象干旱指标进行详细介绍和适用性分析。并对三种气象干旱指标的监测结果进行对比分析,结果认为综合气象干旱指数指标能较确切反映出干旱程度,尤其在对干旱过程的跟踪方面具有明显的优势。降水量距平百分率指标反映干旱程度较轻,土壤相对湿度指标反映干旱程度比较敏感。     

Atmospheric data assimilation on the equatorial beta plane

Abstract

Kalman filter theory shows great promise when applied to the assimilation of atmospheric observations. Previous work has concentrated on extratropical dynamics, and tropical aspects have not yet been seriously tackled. In this article, a Kalman filter is applied to the linearized shallow water equations on an equatorial beta plane. The system or model error is constructed from the slow eigenmodes of the model and is based on an expansion in parabolic cylinder functions. The resulting second‐moment statistics are discussed in some detail. The Kalman filter is applied to a special observation network that allows the diagonalization of the system. Following Daley and Ménard (1993), it is then possible to obtain the complete space and time solution for the second‐moment forecast and analysis error statistics. The slow (low‐frequency) and fast (high‐frequency) error statistics are examined separately for both the optimal and suboptimal cases.     

渭河流域干旱特征及干旱指数计算方法初探

利用游程分析、马尔可夫平稳概率、随机过程等方法分析了渭河流域的干旱特征。结果表明，近44年（1958-2001年）渭河流域降水连续多水（少水）期多持续2～3年，单独多（少）水年出现的概率比连续多水（少水）年的概率大，连少年的概率比连多年的概率大，平均连续少水年数大于平均连续多水年数；枯（丰）水与偏丰（偏枯）之间的转移突变较大，对用水可能带来不利影响；偏枯年出现的概率最大，偏丰年次之，丰水年最小；渭河流域连续少水2～3年不仅发生频率较高，而且干旱强度也较大。同时根据降水和同期气温、天然径流量资料建立了适用于渭河流域的S干旱指数。     

昌吉市气候干旱指标对比分析

利用昌吉市观测站1961-2004年的各年降水量资料,对目前有代表性的干旱分析指标进行了系统的归纳总结,并对各种干旱指标的特点和使用性进行了对比分析,认为利用Z指数法判据干旱比较客观。最后统计分析干旱的变化特征、规律及其趋势,为干旱分析研究及其治理提供依据。     

干旱指标及其在浙江省干旱监测分析中的应用

对浙江省气候业务中经常使用的距平百分率指标、Z指数指标、干燥度指标三种干旱指标进行比较分析，认为Z指数指标能较确切反映出干旱程度，距平百分率指标反映干旱程度较轻，干燥度指标反映干旱程度过于敏感。在此基础上，基于Z指数指标建立了浙江省干旱监测评价的强度指数、面积指数，对浙江省自1952年以来的干旱进行了逐年分析，发现浙江省夏秋连旱几率较高，干旱具有阶段性特征，1990年以来发生干旱频率有增多趋势，且旱情也加重，其中秋旱更为明显。     

哈密地区气象干旱监测指数研究

应用Z指数方法和帕默尔气象干旱指数基本原理的优点,选取哈密地区6个代表站1961—2010年逐月降水量资料,分南、北两个区域建立区域修正帕默尔气象干旱指数,确定了区域旱涝等级的划分标准。以计算得到的干旱指数与历史旱情记录进行对比验证,并与Z指数、降水距平百分率干旱指数对比分析,结果表明该干旱指数对干旱的反应符合历史实际,较Z指数、降水距平百分率干旱指数更适合当地应用。在此基础上,对哈密地区修正帕默尔气象干旱指数与旱情的关系及干旱发生的特征作了更进一步分析。     

2002年夏季山东干旱成因分析

分析了山东省 2 0 0 2年夏季降水、气温特点和干旱情况 ,并从大气环流、北太平洋SST、气候背景等方面对少雨干旱气候的影响进行了分析 ,指出冬季大气环流、北太平洋SST对山东夏季旱涝趋势的预测具有重要的指示意义。