甘肃省河东地区气象-水文干旱时空演变特征

干旱半干旱区是气候变化和人类活动的敏感和脆弱区,研究地区干旱时空演变特征有助于成灾机理分析。甘肃省河东地区是我国典型干旱半干旱区,主要依靠自然降水维持农业生产,旱灾尤为突出。基于标准化降水指数和标准化径流指数探讨河东地区气象-水文干旱的时空演变特征,结果表明：（1）气象干旱多发生于春夏两季及陇东地区,较少发生季节型以上气象干旱;（2）水文干旱较气象干旱历时更长,多年尺度干旱时有发生;（3）不同季节气象-水文干旱滞时不同,春夏两季几乎无滞后,秋季约滞后1个月,冬季约滞后4个月;（4）陇中和陇东地区历史受灾/成灾面积较大。本研究可为干旱半干旱区的旱灾预警评估和旱灾防控工作提供参考。     

干旱指标的理论分析与研究展望

干旱作为最严重的气象灾害之一,已经对我国社会经济和人民生活造成严重影响。尽管关于干旱和干旱指标已有大量研究,但是由于干旱自身的复杂特性和对社会影响的广泛性,干旱指标都是建立在特定的地域和时间范围内,难以准确反映干旱发生的内在机理。为此有必要对干旱定义及国内外主要的干旱指标加以综述和评价,为干旱的监测和评估,特别是为全球变化中的气候-植被关系研究提供方法和依据。将干旱分为 4种类型：气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱,并对当前国内外主要的干旱指标进行介绍,指出了其适用范围,并在归纳现有干旱指标不足的基础上提出了干旱指标的研究方向和任务。     

宁夏中部干旱带露水形成机制及其对表层土壤水分的影响

露水的形成及其对土壤水分的影响是进一步量化水循环和生态水文过程的重要依据。为探明露水发生规律,在宁夏中部干旱带连续3 a观测了每30 min气象资料和表层土壤水分,用叶片湿度传感器测算了露水量。结果表明：该区年露水量可达56.41 mm, 75%发生在6—10月,最大月露水量和日露水量分别为13.40 mm和0.80 mm,主要发生在03:00—08:00;露水发生的气温、相对湿度和风速范围分别为0～24.4℃、50%～100%和0.16～1.74 m/s,风向为30°～60°(东北风)和270°～330°(西南偏西风);气温和露点差与相对湿度之间呈极显著线性逆相关,气温和露点差小于3℃且相对湿度大于80%时极易产生露水;日露水量为0.6 mm、0.7 mm和0.8 mm时表层5 cm土壤贮水量可分别提高0.10 mm、0.20 mm和0.25 mm。该地区年均降露量是降雨量的13.5%,露水年均发生频率为126 d(35%),是当地水循环和生态系统不可忽略的水源。     

湿地演变及其水文驱动机制分析——以嫩江流域为例

湿地与森林、海洋被地理学界称作＂三大生态系统＂,是最重要的富饶多产的生态体系之一。湿地由于受气候、环境与人类活动等共同影响下,正在逐年发生变化,使其区域的水文也跟着发生相应的变化。从而给人类生存活动带来不利影响。本文前半部分分析嫩江流域的沼泽湿地近三十余年来演变的现状,后半部分析沼泽湿地面积减少的水文驱动的因素。     

保定市一亩泉漏斗区地下水水化学特征演变及驱动机制解析

笔者等在对比分析一亩泉漏斗区地下水开采前—开采中—压采全过程地下水水化学特征基础上,综合利用数理统计分析、离子比例分析、水文地球化学模拟技术,揭示了漏斗区地下水水化学特征演化规律,解析了水化学特征演变驱动机制。结果表明,研究区地下水水化学特征演化表现出阶段性,在开采初期至压采初期,水化学类型、TDS、总硬度保持稳定,水化学类型以HCO^-₃—Ca²⁺·Mg²⁺型为主;在漏斗恢复期地下水水化学类型种类增多,TDS和总硬度显著增大,表现出向盐化和硬化方向演化趋势;1960～2010年研究区地下水水化学成分主要受脱白云石化作用、阳离子交换作用控制,呈自然演化规律;2010年以后,在漏斗恢复背景下,包气带中水岩相互作用过程加剧,地下水水化学演变受溶滤作用和离子交换作用控制,人类活动对地下水水化学特征的影响逐渐显现。研究结果可为漏斗区地下水保护与修复提供科学依据。     

保定市一亩泉漏斗区地下水水化学特征演变及驱动机制解析

本文在对比分析一亩泉漏斗区地下水开采前—开采中—压采全过程地下水水化学特征基础上,综合利用数理统计分析、离子比例分析、水文地球化学模拟技术,揭示了漏斗区地下水水化学特征演化规律,解析了水化学特征演变驱动机制。结果表明,研究区地下水水化学特征演化表现出阶段性,在开采初期至压采初期,水化学类型、TDS、总硬度保持稳定,水化学类型以HCO-3—Ca2+·Mg2+型为主;在漏斗恢复期地下水水化学类型种类增多,TDS和总硬度显著增大,表现出向盐化和硬化方向演化趋势;1960~2010年研究区地下水水化学成分主要受脱白云石化作用、阳离子交换作用控制,呈自然演化规律;2010年以后,在漏斗恢复背景下,包气带中水岩相互作用过程加剧,地下水水化学演变受溶滤作用和离子交换作用控制,人类活动对地下水水化学特征的影响逐渐显现。研究结果可为漏斗区地下水保护与修复提供科学依据。     

基于条件分布模型的气象水文干旱传递分析

气象干旱发展到一定程度可以传递为水文干旱。以潘家口水库流域1961—2010年逐月平均降水数据和潘家口水库的入库径流序列为基础数据,分别计算了1、3、6、12个月时间尺度的标准化降水指数（SPI）和标准化径流指数（SRI）,以表征研究区域的气象干旱和水文干旱。基于条件分布模型,分析了不同时间尺度的气象干旱传递到未来的不同等级和不同的预测期（或滞后期）的水文干旱的概率。结果表明,当SPI时间尺度较短或预测期（滞后期）较短时,其对应的SRI水文干旱等级越倾向于维持与SPI相同的干旱等级;随着SPI时间尺度的增长或预测期（滞后期）延长,其对应的SRI水文干旱等级略低于气象干旱或恢复到正常状态。     

鄱阳湖区干旱演变特征与水文防旱对策

根据实测水文资料与历史记载资料,分析鄱阳湖区近1 000年来干旱的气候演变特征,表明从大周期上看,本世纪鄱阳湖区的气候严重干旱属正常偏少状态;但从小周期上看,本世纪前20年湖区气候严重干旱为偏多状态,未来十几年的抗旱形势依然十分严峻.利用都昌站水位资料,分析鄱阳湖区近55年来干旱的水文变化特征,表明干旱的水文变化较气候变化更为剧烈,且单向性变化趋势更加显著,说明湖区抗旱水资源利用困难呈加大趋势,旱期供水形势极为严峻.探讨了新形势下水文防旱对策.     

盆地流体的基本类型及其驱动机制

盆地流体是近年地学研究的热点之一。按照成国,盆地流体可以划分为内部流体和外部８流体两大类。盆地流体的驱动机制包括压实驱动、重力驱动和密度（热对流）驱动三种机制,其基本特征及岩石学记录各有不同。压实流动可产生蒙脱石的脱水转变和砂泥岩处的物质转移,大气水流动以矿物溶解和沉淀为特征,热对流的成岩作用主要涉及那些溶解度对温度变化敏感的矿物。     

基于概率矩阵的干旱等级变化评估及应用

干旱等级具有多级和跃迁性质,有必要提出一种既能反映不同干旱等级变化特征,又能体现干旱总体变化特征的定量评估方法。通过构建干旱等级变化的概率矩阵,引入变化率乘子和变化程度乘子,推导干旱等级变化率和变化程度计算公式,提出干旱等级变化的综合定量评估方法;借助标准化降水蒸散指数和标准化径流指数,应用于东江流域评估月、季和年尺度的气象干旱向水文干旱传递过程中干旱等级变化及水库影响下水文干旱等级变化。结果表明:①气象干旱向水文干旱传递过程中干旱总体变化程度较小,但干旱等级变化明显,月、季和年尺度的总体变化率分别达到了45.9%、46.8%和34.9%;②干旱在10月下降了约1.4个等级,在春季上升了约1.3个等级;③水库径流调节对于缓解月、季尺度水文干旱作用显著,干旱等级总体变化率均约为33%,其中春季干旱程度下降了约1个等级。该方法不仅适用于评估干旱变化,也可应用于评估具有分级特征的其他灾害变化。     

层序级别划分与驱动机制的探索

在多年研究的基础之上,地质学家提出了两种层序级别划分途径。第一种划分方案是按层序界面特征和属性进行级别划分,不受时间范围的限制,有利于小型陆相孤立盆地的层序级别划分。第二种划分方案以层序发育时限为基础进行级别划分,把全球海平面振荡作为形成层序的驱动机制,为研究全球变化和地层的大范围对比提供了一个有效途径。海平面变化与构造运动、沉积物供给等因素相互影响形成层序的假设已得到普遍认可,同时将这种旋回性与天文周期结合起来为进一步探索形成层序的最终驱动机制提供了一个更加广阔的思考空间。基于显生宙资料得出的层序地层模式在前寒武纪地层划分对比中还存在许多问题,有待于进一步解决。各种不同的概念和模式都是前辈地质学家对解释复杂而不完整的地层记录的一种尝试,追踪这一具有重要意义的层序地层学基本问题可以为今后的研究提供线索。     

区域气象干旱评估分析模式

为应对全球范围内日益严重的干旱问题,对区域气象干旱相对完整的评估分析模式开展了探讨。提出了从区域气象干旱识别到干旱特征值计算,再到干旱特征多变量分析的3个分析评估步骤。并以渭河流域为例,对研究区域进行了矩形干旱评估单元划分,选取了RDI（Reconnaissance Drought Index）为评估指标对区域内各单元各时段的干旱状态进行了识别,结果与历史记载的干旱年份吻合较好。分别采用了分布拟合、相关系数和Copula函数等统计学方法对区域干旱的干旱特征值（干旱历时、干旱面积、干旱强度和干旱频率）进行了特征分析,得出了一系列的单变量、双变量及多变量特征分析对比结果。通过对各类分布函数的计算和绘图,得到了渭河流域干旱事件发生的条件概率和重现期,形成了一套相对完整的区域干旱评估分析模式。     

吉林西部向海湿地环境退化及驱动机制研究

向海湿地位于半干旱的吉林西部平原区,特殊的地理位置和水文条件决定了湿地处于动态变化之中.在自然和人为驱动影响下,系统结构和功能发生明显的退化趋势,湿地面积缩小、调节功能削弱,区域荒漠化发展迅速.通过对湿地发育的环境背景条件分析,剖析了湿地退化的现状及驱动机制,水陆界面的脆弱性是湿地退化的环境背景条件,而气候干旱化、上游水的大量截流、水利工程设施及土地资源的不合理开发利用等自然、人为因素的耦合作用,加速了湿地的退化过程.基于湿地退化的现状和驱动机制,河流湿地退化的恢复必须从湿地的水文功能出发,考虑水资源的循环和转化,制定水资源综合利用方案及生态技术和生态工程措施.     

太阳活动对年代际-亚轨道尺度气候变化的驱动机制探讨

近年来有关太阳活动的研究被越来越多的学者所关注,从冰芯、石笋、树轮以及湖相沉积物中提取的高分辨率古气候替代指标数据序列中都发现存在着年际-百年甚至千年尺度的变化周期,这些不同时间尺度的气候变化周期信号与不同时间尺度的太阳活动周期的信号存在着某种关联性,但是其具体的物理驱动机制仍然是一个未解之谜。本研究利用实际观测的和重建的太阳黑子数据序列以及反映不同季风和降水强度的美国加州白山山脉狐尾松（Pinus longaeva）树轮的碳同位素数据和南美洲巴西Pau d'Alho洞及中国贵州董哥洞石笋的氧同位素数据序列,通过频谱分析、小波变换的交叉谱和相干谱分析以及振幅调制等方法,发现石笋和树轮中记录的气候变化的周期信号与太阳活动的年际-千年尺度的周期存在着明显的相关性,这些气候指标中记录的这些周期信号与太阳活动周期之间具有1/4个到3/4个周期的滞后,据此推断地球表层气候系统在年代际-千年尺度的变化受到了太阳活动周期的驱动。并且发现约88 a的周期是约11 a太阳黑子活动周期的振幅调制周期信号,而约500 a、1000 a和2000 a的气候变化信号是太阳活动周期约88 a和210 a振幅变化的调制周期信号,从而推断地球的气候不但受到像偏心率调控岁差周期这样的驱动机制,可能同时还受到约88 a周期调制约11 a太阳活动周期振幅的变化,以及约500 a调制约88 a周期振幅的变化,约1000 a和2000 a周期调制210 a周期振幅的变化等驱动。目前地球正处于88 a周期变化的振幅低值时期,未来几年地球可能存在着变冷的趋势,结合偏心率长周期的变化趋势,本研究为预测未来地球气候变化的短期和长期趋势提供了重要的科学依据。

     

基于统计-动力反演的近千年印度夏季风驱动机制探讨

过去1000年的气候变化是最近数十年人类活动影响加强情况下全球气候变化的自然背景, 其变化规律和驱动机制的研究对预测未来气候变化有着重要意义。非线性统计-动力反演方法结合了统计模型和动力模型的优点, 能充分利用观测数据反演系统各因子之间的相互关系。本文尝试应用非线性统计-动力反演方法建立印度夏季风的动力方程, 为研究印度夏季风的驱动机制提供量化参考。经研究发现:近千年印度夏季风系统是复杂非线性动力系统; 工业革命前印度夏季风变化的主要驱动力是北大西洋海表温, 其次是温室气体(N2O和CO2)浓度与阿拉伯海海表温、ENSO及太阳辐照度等的相互作用; 在工业革命后期, 温室气体(CH4、N2O和CO2)浓度及其与北大西洋海表温、太阳辐照度、ENSO及北极温度等的相互作用成为印度夏季风的主要驱动力; 单因子甲烷和N2O是印度夏季风的驱动力, 而它们的非线性相互作用(两个因子的交叉项)却是稳定作用力。总体来说, 工业革命前, 北大西洋海表温度是印度夏季风的主要驱动因子; 工业革命后, 温室气体则成为主要的驱动因子。     

基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法

为研究实际水利条件下农业干旱的发生规律,简化农业干旱事件的评估方法,提出基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法。通过构建农业用水量距平百分率干旱指标W_A,在基于降雨量距平百分率干旱指标P_A识别干旱事件的基础上,提取W_A干旱指标下的干旱历时和干旱烈度特征变量,并根据以P_A为干旱指标的干旱烈度频率分布曲线F_S（x）和干旱历时频率分布曲线F_D（x）,运用Copula的简化方法计算基于W_A的干旱事件重现期T,最后结合基于P_A的干旱事件重现期T₀,回归分析出T与T₀间关系的计算公式。选取干旱灾害影响严重的亳州市为实证区域开展应用研究,计算得到1975-2007年各场干旱事件的T₀和T以及T₀与T的经验关系式。结果表明:T比T₀更合理地反映区域农业实际受旱状况,重现期T₀和T间存在高度的相关关系,采用T的回归方程可简化计算考虑区域实际抗旱能力下的干旱事件重现期,在区域防旱减灾实践中具有推广应用价值。     

变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应

在干旱事件不确定性和枯期径流变异性的双重影响下,水文干旱特征时序非一致性问题为其联合分布模拟带来困难。基于东江干流测站日径流过程数据,采用游程理论提取水文干旱事件,并结合干旱特征均值变化、时序一致性分析及边缘分布模拟,以确定干旱事件融合及剔除评判标准的合理取值。基于Rosenblatt变换Cramer-von Mises检验统计量拟合方法,构建水文干旱特征两变量联合分布Copula模型,并根据同频法设计两变量组合值。通过对比枯期径流变点分隔子序列干旱特征,分析变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应。结果表明:水文干旱事件融合和剔除的评判标准值分别取0.1和0.3比较合理。干旱特征两变量之间具有较高的正相关性,但不同时间系列不同变量之间的联合分布及边缘分布最优模型并不一致。流域水库尤其是新丰江水库的径流调节作用,对于缓解东江中下游水文干旱效果明显,超阈联合重现期为2年的设计干旱持续时间、总缺水量和最大日缺水量分别减少了63%~71%、71%~84%和30%~47%,但如果要满足东江河道内最小管理流量目标,其依然分别达到了12~18 d、6 114万~9 030万m3和715.0万~929.0万m3。     

A simple mechanism for the climatological midsummer drought along the Pacific coast of Central America

The global distribution, seasonal evolution, and underlying mechanisms for the climatological midsummer drought (MSD) are investigated using a suite of relatively high spatial and temporal resolution station observations and reanalysis data with particular focus on the Pacific coast of Central America and southern Mexico. Although the MSD of Central America stands out in terms of spatial scale and coherence, it is neither unique to the Greater Caribbean Region (GCR) nor necessarily the strongest MSD on Earth based on an objective analysis of several global precipitation data sets. A mechanism for the MSD is proposed that relates the latitudinal dependence of the two climatological precipitation maxima to the biannual crossing of the solar declination (SD), driving two peaks in convective instability and hence rainfall. In addition to this underlying local mechanism, a number of remote processes tend to peak during the apex of the MSD, including the North American monsoon, the Caribbean low-level jet, and the North Atlantic subtropical high which may also act to suppress rainfall along the Pacific coast of Central America and generate interannual variability in the strength or timing of the MSD. However, our findings challenge the existing paradigm that the MSD owes its existence to a precipitation-suppressing mechanism. Rather, aided by the analysis of higher-temporal resolution precipitation records and considering variations in latitude, we suggest the MSD is essentially the result of one precipitation-enhancing mechanism occurring twice.     

煤层底板水害超前区域治理理论框架与关键技术

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学−有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明：CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6 m),最浅位于断层下盘(23 m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

     

基于MODIS数据的西藏干旱自动监测系统实现的关键技术研究

干旱是一种危害较大的自然灾害, 影响范围大、持续时间长. 随着经济发展和人口的增加, 水资源短缺现象日益严重, 这也导致了干旱范围的扩大和干旱化程度加重. 为降低业务人员负担, 提高业务工作效率, 探讨了基于MODIS遥感数据的西藏干旱监测系统实现的关键技术. 首先, 阐述了MODIS 轨道数据快速投影处理的正向投影处理技术原理, 然后分析了温度植被干旱指数算法(TVDI)及其实现, 最后, 将干旱监测方法集成到业务系统软件, 最终实现西藏全区的干旱遥感监测业务工作. 通过与传统手工干旱监测方法进行对比, 发现干旱自动监测系统具有速度快、自动化等优点, 具有十分重要的实践意义.