7种气象干旱指数的中国区域适应性

作为干旱问题的基础,干旱指数的确定一直是干旱研究的难点之一,至今尚没有统一的干旱指数能适用于广泛的干旱研究,因此研究干旱指数的区域适用性具有重要的科学意义.本文使用Gravity Recovery And Climate Experiment(GRACE)反演的陆地水储量、观测的土壤湿度和径流数据,评估了Palmer干旱指数(PDSI)、基于中国台站观测数据的修正PDSI(PDSI CN)、自矫正PDSI(scPDSI)、地表湿润指数(SWI)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散发指数(SPEI)和气象观测数据驱动的陆面数值模式模拟的土壤湿度(CLM3.5/ObsFC)共7种干旱指数在中国的区域适用性.结果表明:scPDSI在中国地区的适用性最优,但其数值范围明显小于PDSI和PDSI_CN,需要制定新的旱涝等级分级标准.由于经验参数的代表性差,PDSI和PDSI CN在中国干旱区和湿润区的应用会存在一定的问题.SPI和SPEI在湿润地区的适用性较好,而在干旱半干旱地区的适用性较差.这是因为在干旱半干旱地区,SPI没有考虑气温异常的影响,因此结果偏湿;当采用Thomthwaite方法计算潜在蒸散时,SPEI会高估气温变化的影响,因此结果偏干.2000年之前,CLM3.5/ObsFC在中国区域的适用性较好,但2000年之后在干旱半干旱地区的适用性较差.在检测年尺度的干湿变化上,SWI与其他干旱指数表现出基本一致的年际与年代际演变特征.对于中国区域干湿变化的长期趋势,7种干旱指数的检测结果一致,均显示出明显的阶段性变化特征.但在量值上,不同干旱指数的检测结果存在明显的差异.这种差异既与指数自身的定义有关,也有气候变化有关.     

基于蒸散发构建的日干旱指数及其对区域干旱事件的表征分析

增温背景下,频发的干旱事件已对工农业生产和人民生活造成了巨大损失,旱情的监测和预报日益受到重视.然而,目前用于干旱研究的干旱指数绝大部分是针对月以上的时间尺度,适用于干旱监测和预报的日干旱指数相对稀缺,不利于对干旱监测和预报准确率的改进以及对现有日干旱指数的评估.文章利用气象站实测数据和ERA5高分辨率再分析资料,基于实际蒸散发和潜在蒸散发构建了一个新的日干旱指数——日蒸散发差指数(Daily Evapotranspiration Deficit Index,DEDI),并使用该指数分析了2019年春夏季发生在中国西南、华北、东北和西北东部地区的四个干旱事件的时空演变特征.通过与气象干旱综合指数和标准化降水蒸散发指数对比,系统地评估了DEDI对重大干旱事件旱情信号的表征能力.结果表明,DEDI较好地表征了2019年西南、华北、东北和西北东部地区四个不同强度干旱事件的时空演变过程,并在刻画旱情的起止时间及强度的多峰值方面更具优势.此外,DEDI还考虑了植被等下垫面条件,在气象甚至农业干旱监测和预警方面具有一定的应用潜力.     

三峡水库影响下长江中下游水文干旱演变及对气象干旱的响应

利用1960-2016年长江流域183个气象站逐月气温和降水数据以及干流3个水文站逐月径流资料,采用标准化降水蒸散指数(SPEI)和标准化径流指数(SRI)分析三峡水库蓄水运行前后长江中下游宜昌、汉口和大通站水文干旱的多时间尺度演变以及对气象干旱的响应特征.结果表明:(1)三峡水库运行后下游各站冬春季旱情明显趋缓,而秋季干旱状况略有加重;水库蓄水后各站中旱和重旱发生频率均呈减少趋势,其中中旱减幅明显,而特旱发生频率则总体表现为增加趋势;(2)三峡水库蓄水后3个站平均干旱历时的变幅相对较小,而干旱烈度和烈度峰值的均值增幅较大;同时,各站短时间尺度(1和3个月)干旱特征变量的变幅总体呈现沿程递增趋势,而长时间尺度(6和12个月)干旱特征变量的变幅整体表现为沿程递减趋势;(3)水库蓄水后各站短时间尺度SRI与SPEI的相关性减小,但相关性随时间尺度增加而迅速增强,12个月时间尺度的相关系数达到最大并略高于蓄水前;在年内相关性上,蓄水后各站短时间尺度SRI与SPEI的相关系数明显减小,冬季表现尤为突出,而长时间尺度的相关系数则略有增加;(4)水库影响下不同时间尺度宜昌站水文干旱滞后于气象干旱平...     

我国各大流域复合高温干旱事件变化趋势与归因分析

受全球气候变化影响,复合高温干旱事件呈现增加趋势.通过构建表征复合高温干旱重现期变化的全微分方程,提出了一种复合高温干旱变化的归因方法,并利用1921～2020年月气温和月降水观测资料,分析中国夏季复合高温干旱事件时空分布特征及变化趋势,量化降水变化、气温变化和降水-气温相关关系变化这三种驱动因子在中国夏季复合高温干旱事件变化中的贡献.结果表明:近年来中国大部分地区夏季复合高温干旱事件呈现出明显的增加趋势,气温变化、降水变化、降水-气温相关关系变化对干旱高温复合事件变化的贡献依次递减.气温变化幅度最大、影响范围最广,在长江中上游地区以外的区域均导致复合事件增加,是最主要的驱动因子之一;降水变化是中国西部特别是新疆北部、青海和甘肃地区复合事件减少的重要原因;降水-气温关系则与其他驱动因子一起导致了在华南地区复合事件重现期的缩短和华东、西北部分地区复合事件重现期的增加.与此同时,降水和气温的均值趋势与离散程度的变化均可能导致复合高温干旱事件重现期的变化.     

基于SPEI的黄河流域干旱时空格局研究

干旱是对人类社会影响最为严重的自然灾害之一,在中国干旱灾害频发,严重威胁着人们的生存环境.黄河流域是中国各大流域中受干旱影响最严重的区域,所以对黄河流域旱情进行监测尤为重要.文章基于1961~2015年黄河流域124个站点的月值气象数据,以标准化降水蒸散指数SPEI作为干旱指标,应用极点对称模态分解ESMD方法对SPEI序列进行时频周期与趋势分解,运用B-G分割算法进行阶段划分,从干旱年际变化、季节变化、干旱频率和干旱强度等方面对黄河流域及其8个水资源分区的干旱时空格局进行研究.结果表明:(1)近55年来黄河流域的干旱呈显著增加趋势, SPEI倾向率为-0.148 (10a)~(-1),其中兰州至河口镇地区干旱化趋势最为明显(-0.214 (10a)~(-1));(2)黄河流域干旱具有准2.9年、准5年、准10.2年和准18.3年的周期特征,且可划分为3个阶段(1961~1996年、1997~2002年和2003~2015年),对应SPEI均值分别为0.20、-0.71和-0.21;(3)干旱频率从大到小依次为夏季春季秋季冬季,均值分别为71.0%、47.2%、10.2%和6.9%;(4)干旱强度从大到小依次为夏季春季冬季秋季,均值分别为0.93、0.40、0.05和0.04.     

大气环流对中东亚干旱半干旱区气候影响研究进展

亚洲干旱半干旱区占据北半球中纬度的大片区域,其主体是中东亚干旱半干旱区,该区域降水稀少、生态环境脆弱,对全球气候变化响应敏感.中东亚干旱半干旱区东部处于东亚季风区的边缘,受西风环流和季风环流的共同影响;中部和西部主要处于西风带气候区,为西风环流所控制.研究大气环流对中东亚干旱半干旱区气候的影响,对于认识和预测该区域的气候具有重要意义.基于近年来国内外学者针对大气环流对亚洲中、东部干旱半干旱区气候影响的研究,文章进行了系统回顾和总结.已有研究表明,大气环流对中东亚干旱半干旱区的气候具有不可忽视的影响.在强夏季风年,中国西北地区东南部受东亚夏季风影响,水汽通量显著增加,降水偏多;而弱夏季风年则相反,随着东亚夏季风的减弱,季风边缘的半干旱区气候呈现变干趋势;南亚季风的加强则使得更多的水汽输送至亚洲干旱半干旱区;高原夏季风与中亚地区夏季降水呈显著的正相关关系,而与中国华北地区、蒙古地区的夏季降水呈负相关.西风指数与中东亚干旱区的气温有显著的正相关关系,西风环流的变化可能是影响中亚干旱区降水变化的主要因素.     

中国东部诸流域的干旱和湿润期:模式和预测

降水观测记录是近50a来中国九大流域干旱和湿润期时空变化分析的基础.以两年为时间尺度引入标准降水指数(SPI)来分析评价气候变化情景,结果表明黄河流域、长江流域和淮河(或珠江)流域等三个主要的区域表现为低频率变化指数:另外分析显示北方地区自20世纪70年代以来干旱更频繁的出现,在SPI时间序列中呈现负趋势变化.这也许与表征SPI信号的长周期有关(24a和48a周期).与这些长周期一起,也有一些其它方面的因素有助于频谱变化,范围从3a到9a不等.在指数时间序列中这些周期成分的存在为长期预测干旱和湿润期提供了很好的条件.     

基于Copula的洞庭湖-流域-长江系统水文干旱概率分析

洞庭湖是长江中游重要的通江湖泊,水系格局复杂.近年来在气候变化和人类活动的双重影响下,江湖关系发生变化,湖泊水文干旱事件频发.基于洞庭湖、流域和长江干流水文站点的实测数据,通过标准化水位指数和标准化径流指数识别了水文干旱事件,并运用Copula函数分析了洞庭湖-流域-长江系统水文干旱的联合概率分布特征.结果表明:在年尺度上,1964—2016年间洞庭湖共发生了9次水文干旱事件,水文干旱的发生概率为14.01%,洞庭湖-流域系统、洞庭湖-长江系统的水文干旱联合概率分别为9.65%和8.58%,表明年尺度上流域来水对洞庭湖水文干旱的影响更大.在季节尺度上,洞庭湖-流域系统春季水文干旱联合概率最高,且两者同时发生水文干旱事件的次数最多,表明洞庭湖春季水文干旱与流域入湖补给减少有密切关系;而洞庭湖-长江系统,其秋季水文干旱联合概率最大,尤其自2003年以后更加极端和频发,这一方面受秋季降水减少和流域内人类活动的影响,另一方面三峡水库秋季蓄水使长江中下游干流水位降低,长江对湖泊顶托作用减弱也是重要原因之一.     

全球变暖背景下中亚干旱区降水变化特征及其空间差异

依据Climatic Research Unit（CRU）1930～2009年间的最新0.5°×0.5°网格点的月均降水量序列,本文分析了中亚干旱区近80年来的降水变化特征及其区域差异.结果发现,近80年来主要受西风环流控制的中亚干旱区年降水整体上表现出增加趋势,年降水中以冬季降水的增加趋势最明显（0.7mm/10a）.中亚干旱区近80年来的降水变化存在空间差异,可划分为五个降水变化区域（Ⅰ-哈萨克斯坦西区,Ⅱ-哈萨克斯坦东区,Ⅲ-中亚平原区,Ⅳ-吉尔吉斯斯坦区,Ⅴ-伊朗高原区）,根据年降水分布模式以45°N为界划分为两类：研究区北部的两个区（Ⅰ和Ⅱ区）四季降水较均匀,南部的三个区均以春、冬季降水为主（占全年降水的60%～82%）.在降水变化趋势上,除了中亚干旱区西南（Ⅴ区）在近80年来有微弱的减少趋势外,其他四区均表现为增加趋势,尤以干旱区西部的Ⅰ区和Ⅲ区降水增加显著.近80年来降水增加或者减少的趋势主要取决于冬季的变化趋势.研究还发现,中亚干旱区降水存在较明显的年际变化, 中亚干旱区及其各分区都具有2～3 a的显著周期,南部三区（Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ区）还存在5～6 a的显著周期,在此基础上都具有3～4个阶段性的变化趋势.最近一次趋势性变化开始于20世纪70年代中后期,研究区降水更多的表现出区域的差异性.近80年来,中亚干旱区降水对全球变暖的响应复杂,西风环流变化可能是影响中亚干旱区降水变化的主要因素.     

干旱与强震活动关系的研究实例

震前干旱与强烈地震之间的关系,已日益为地震界所重视.本文通过新疆柯坪——乌恰地区历年降水量与Ms6.0强震关系的研究发现,该地区Ms6.0地震大部分(85.7%)是在震前1——2年的干旱背景下发生的;震级随旱区面积大小而增减.运用鉴定震兆信息量R值方法,对该地区降水因子预报地震的预报效能进行评定,效果良好.本文还对1985年乌恰7.4级大震震前的降水异常特征进行了讨论. 研究表明,震前1——3年大面积的干旱与强烈地震的发生有着某种内在的联系.旱震关系,是强震中期综合预报的依据之一.      

青藏高原春季土壤湿度与我国长江流域夏季降水的联系及其可能机理

土壤湿度作为陆面过程的重要因子,对局地及邻近地区的大气环流和天气气候有重要影响.青藏高原的土壤湿度观测站点稀少,时间较短,鉴于此,本文使用经过部分观测站点检验的卫星反演数据,研究了春季高原土壤湿度的年际变化与后期夏季我国东部降水的联系和可能机理.结果表明:在全球变暖的背景下,高原土壤湿度总体呈现出显著增加的趋势,去除该线性趋势后,我们定义了一个高原土壤湿度指数TPSMI来定量表征高原土壤湿度的年际变化特征,发现表层、中层、深层的土壤湿度年际变率趋于一致,且春季土壤湿度与夏季土壤湿度显著相关(相关系数可达0.56).当TPSMI偏大时,即高原东部土壤湿度偏大,而西部偏小时,夏季在高原东部(西部)存在一个潜热(感热)热源,二者共同作用下,在对流层中高层从高原西部经我国大陆直至东北地区激发出一个气旋—反气旋—气旋波列,该波列呈相当正压结构,有利于东北冷涡的加强及冷空气向南爆发;与此同时,南亚高压加强东伸,西太副高西伸加强,低空南方暖湿气流与北方干冷气流在长江流域汇合,伴随着上升运动加强,从而有利于夏季长江流域降水增多;反之,当TPSMI偏小时,夏季长江流域降水减少.     

极端气候事件综合危险性等级指标构建及近60年来长江流域极端气候综合分析

本文利用经过均一化订正的长江流域共669个气象站近60年(1961—2020年)逐日观测资料,采用相对阈值和绝对阈值相结合的极值分析方法,对长江流域近60年极端高温事件、极端低温事件、极端干旱事件和极端降水事件进行识别,分析了年发生频率和线性变化趋势.在此基础上,考虑到全国极端气候事件发生情况,构建了多个极端气候事件综合危险性等级指标,比较客观地给出了长江流域极端气候事件综合危险性等级.研究结果表明,相对于全国其他地区,长江流域大部分地区极端气候综合危险性等级较高,虽然自1961年以来综合年发生频率呈现弱的线性减少趋势,但自20世纪90年代以来,长江流域极端气候事件发生的危险性相对于全国其他地区明显偏高.通过对不同极端气候事件危险性和变化规律研究,结果表明：长江流域近60年极端干旱事件年发生频率呈现线性减少趋势,与全国他其区域相比较,长江流域大部分地区极端干旱发生的危险性等级都在中级以上,说明长江流域容易发生极端干旱事件;长江流域近60年极端降水事件年发生频率呈现弱的增加趋势,危险性等级指数分析表明,高危险区主要位于长江中下游地区,湖南西部、江西大部、湖北南部等地发生极端降水事件的危险...     

一种基于地表能量平衡的遥感干旱监测新方法及其在甘肃河东地区干旱监测中的应用初探

目前遥感干旱监测方法的精度普遍不高,探求新的遥感干旱监测方法有助于干旱监测预警技术的提升与发展.波文比是感热通量与潜热通量之比,能综合反映地表水热特征,可尝试将其引入到遥感干旱监测领域加以利用.应用甘肃河东地区的EOS-MODIS卫星资料和同步地面气象资料,基于地表能量平衡原理构建了波文比干旱监测模型,对比分析了波文比(β)指数、温度植被指数(TVX)与土壤水分的相关性,并以典型晴空影像(2014年10月5日)为例初步建立了β的干旱分级标准,对研究区进行了旱情评估.结果表明:β与土壤相对湿度呈现出高度负相关,相比于当下广泛应用的TVX,β与0~20cm平均土壤相对湿度具有更好的相关性,监测精度得到了显著提高.用β干旱分级标准评估的研究区干湿状况与前期降水空间分布吻合得相当好,评估表明2014年10月5日研究区基本为适宜(无旱),与2014年9月的降水距平百分率特征一致.基于地表能量平衡的波文比(β)指数在干旱监测中效果突出,具有很好的应用前景.     

应用GPS垂向位移定量分析2011—2020年云南省极端干旱时空特征

干旱指数是评估干旱严重程度的重要指标.本文基于FastICA(Fast Independent Component Analysis)反演模式,利用GPS垂向位移反演了云南省2011—2020年的等效水高GPS-EWH(GPS Equivalent Water Height),并根据GPS-EWH、GRACE Mascon产品与自校正帕默尔干旱指数SCPDSI(Self-Calibrating Palmer Drought Severity Index)产品,分别计算了GPS干旱指数GPS-DSI(GPS Drought Severity Index)、GRACE干旱指数GRACE-DSI(GRACE Drought Severity Index)及归一化SCPDSI,用于定量分析云南省干旱时空分布特征.研究结果表明,在滇中、滇西北与滇西南地区GPS-DSI、GRACE-DSI及归一化SCPDSI具有较高相关性,因此在该地区GPS-DSI可作为分析干旱事件的补充数据.但在滇东南与滇东北地区,GPS-DSI与GRACE-DSI、归一化SCPDSI的相关性极差,通过分析GPS站点分布特征,...     

广东省干旱灾害空间分布特征

利用1956-2005年126个雨量站逐月降水资料,采用标准化降雨指数和经验正交函数分解法,探讨了广东省干旱灾害空间分布规律.结果表明:广东省虽然总体比较湿润,但局部干旱时有发生,且在空间上存在东西差异、南北差异、中部差异的特点;春旱大致呈自西向东、自北向南逐渐加重的趋势;秋旱空间分布特点与春旱相反,由东向西、由南向北逐渐加重;春旱、秋旱在中部地区也有微弱的差异.     

鄱阳湖流域干旱气候特征研究

本文利用鄱阳湖流域127个站点1960-2007年逐日降水和温度资料,选用Z指数对鄱阳湖流域的气象干旱进行分析,并将干旱分为偏旱、大旱和特旱三个等级.研究结果表明鄱阳湖流域干旱基本呈现出南少北多、南强北弱的空间分布形式.鄱阳湖流域7-12月发生的干旱以偏旱为主,大旱和特旱主要出现在1-6月.线性趋势变化分析表明,2000年以来干旱范围和干旱强度均呈现出增加的趋势,其中,2003、2004和2007年的干旱较为严重.2003年大部分月份偏旱范围广、强度大,全年大旱和特旱出现的范围均较小,但3-4月和6-7月的大旱和特旱强度较大;2004年大部分月份偏旱范围和强度均相对较小,但在3月和6月出现范围较大且强度较强的大旱和特旱;2007年干旱分布更为极端,仅在7、10和11月出现范围较广或强度较大的偏旱,而在5月集中出现面积超过80%的大旱和特旱.     

区域土壤湿度模拟检验和趋势分析——以陕西省为例

基于DEM数据和土壤分类、土壤属性、土地利用分类、植被属性和观测气象数据,利用分布式水文模型SWAT(Soiland Water Assessment Tool),对陕西区域进行了土壤湿度模拟和检验.模拟土壤湿度与实际观测土壤湿度的对比分析表明:SWAT较好的模拟了区域土壤湿度的变化特点及其长期趋势,且对多气候类型及复杂地形区域的土壤含水量时空变化有较强的模拟能力;表层土壤湿度在植被状况好的陕南地区和地形性降水明显的秦岭山地等区域量值较大,而深层土壤湿度较大值出现在河流及平原地区;1951～2004年土壤湿度变化总体上不同深度的土壤湿度均呈下降趋势,深层下降趋势较表层表现更明显,秦岭以北地区比以南地区表现更明显;土壤干化趋势的强度深层大于表层,秦岭以北地区大于以南地区,土壤干化(土壤湿度减小的趋势)的范围深层亦大于表层,且多分布于秦岭以北地区.与NCEP和ERA40再分析土壤湿度数据对比分析表明,SWAT模拟的土壤湿度日变化、月和年平均值的变化趋势均优于NCEP和ERA40的土壤湿度变化趋势.     

一种新的综合物理指数构建及其在强降水预报中的应用

强降水是洪灾及相关衍生灾害的最主要原因之一,而过去单靠某一种变量诊断预报强降水,具有较大难度.本文在已有研究的基础上,根据强降水发生发展的物理机制,将引起降水的热力、动力和水汽条件综合考虑,尝试性地构建了一个新的综合指数THP(Temperature,Helicity and Precipitable water).然后针对两次强降水过程,利用NCEP/NCAR 1°×1°的再分析资料和地面常规观测资料,对THP指数进行了诊断分析,并选用2012年7月1日—8月15日的降水实况,对该指数进行了普适性检验.结果表明:(1)THP指数的变化可以有效表征强降水过程的发展和移动.对于降水落区的预报,THP指数的大值区与未来6h的降水中心基本对应;对于降水发生时刻的预报,THP指数的位相变化超前于地面降水的变化,具有较好的指示性;(2)对于高空槽前型降水,THP指数对降水强度也有一定的诊断意义,且普适性检验表明,该指数在我国中东部地区的盛夏期间具有良好的适用性;(3)基于配料法的思想,THP指数将有利于强降水出现的、具有清晰物理意义的信号进行了集成,相比于表征单一物理量的指数,其稳定性得到了增强.     

基于马尔科夫链模型的鄱阳湖流域水文气象干旱研究

基于气象和水文干旱的二维变量干旱状态基础上,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,建立水文气象干旱指数,从干旱灾害形成、演变和持续3方面对干旱灾害进行研究,同时预测未来6个月非水文干旱到水文干旱的概率.结果表明:(1)修河流域在干旱形成中危害大,抚河流域和修河流域在干旱演变中危害大,赣江流域和饶河流域在干旱持续中危害大;(2)鄱阳湖流域状态4(气象、水文干旱)发生的频率最高,为0.30,连续湿润或者干旱的概率最大,湿润状态(状态2)与水文干旱(状态4、状态5(气象湿润、水文干旱))的相互转移概率最低;(3)在长期干旱预测中,鄱阳湖流域从状态2转到状态4和状态5的平均概率为0.11,属最低,而状态1(气象、水文无旱)和状态3(气象干旱、水文湿润)到达状态4的概率为0.23,发生概率最大.修河流域在非水文干旱状态下未来发生气象、水文干旱状态的平均概率为0.28,是"五河"中最高的,而赣江流域在正常或者湿润状态下未来发生气象、水文干旱的概率最低,为0.18,该研究对于鄱阳湖流域水文气象干旱的抗旱减灾具有重要理论与现实意义.     

区域土壤湿度模拟检验和趋势分析 -以陕西省为例

基于DEM数据和土壤分类、土壤属性、土地利用分类、植被属性和观测气象数据, 利用分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool), 对陕西区域进行了土壤湿度模拟和检验. 模拟土壤湿度与实际观测土壤湿度的对比分析表明: SWAT较好的模拟了区域土壤湿度的变化特点及其长期趋势, 且对多气候类型及复杂地形区域的土壤含水量时空变化有较强的模拟能力; 表层土壤湿度在植被状况好的陕南地区和地形性降水明显的秦岭山地等区域量值较大, 而深层土壤湿度较大值出现在河流及平原地区; 1951~2004年土壤湿度变化总体上不同深度的土壤湿度均呈下降趋势, 深层下降趋势较表层表现更明显, 秦岭以北地区比以南地区表现更明显; 土壤干化趋势的强度深层大于表层, 秦岭以北地区大于以南地区, 土壤干化(土壤湿度减小的趋势)的范围深层亦大于表层, 且多分布于秦岭以北地区. 与NCEP和ERA40再分析土壤湿度数据对比分析表明, SWAT模拟的土壤湿度日变化、月和年平均值的变化趋势均优于NCEP和ERA40的土壤湿度变化趋势.