全球变暖背景下珠江流域极端气温与降水事件时空变化的区域研究

利用中国气象局最新编制的0.5°×0.5°逐日地面气温、降水网格数据,统计了16种极端气温与降水指数来定义极端气候事件,通过改进的Mann-Kendall趋势检验方法对珠江流域极端气温与降水事件的时空变化特征进行了研究,并从区域的视角检验了变化趋势的显著性和一致性,最后通过偏Mann-Kendall检验探讨了极端气温和降水事件变化与自然界大尺度气候振荡的潜在联系。研究发现:1在过去半个多世纪里,珠江流域总体上呈现出极端高温事件增多,极端低温事件减少,短时间极端降水增多,长时间极端降水减少的趋势,珠江流域面临着高温干旱和暴雨洪涝的威胁;2极端气温事件的变化趋势具有区域尺度上的显著性和一致性,而极端降水事件在区域层面上的趋势则不明显,并且区域差异大;3反映了大尺度气候振荡的多变量ENSO指数年际变化对珠江流域极端气温与降水事件的变化趋势没有显著的影响,在一定程度上说明了极端气温与降水事件的变化趋势并不是自然界大尺度气候振荡导致的必然结果,而可能是与人类活动共同作用的结果。     

IMERG卫星降水数据在嘉陵江流域的干旱监测效用评估

针对嘉陵江流域存在雨热同期,水旱灾害频发的现象,为快速且准确地把握流域内降水与干旱情况,利用覆盖范围广且分辨率高的网格化IMERG卫星降水数据对嘉陵江流域进行多时空尺度反演,并基于卫星降水数据采用标准化降水指数(SPI)对流域实行干旱监测。结果表明：1)根据分类指标与统计指标的计算结果,三种卫星降水数据中的IMERG-F能更准确地反映流域内的日降水量,与地面降水数据CC达0.737,整体高估地面降水2.6%,具有在干旱监测方面的应用潜力。2)三种卫星降水数据驱动的SPI指数在干旱监测方面存在一定的差异,IMERG-F驱动的SPI指数与地面降水数据驱动的SPI指数保持较高的一致性(CC>0.9),较近实时产品IMERG-F更能准确地呈现出流域的干湿特征。3)卫星识别降水与干旱监测的能力受地形地貌的影响,IMERG卫星降水数据在平原丘陵地带具有较好的适用性。     

长江流域陆地水储量与多源水文数据对比分析

从趋势性、滞后性及相关性三方面,对2002—2013年间GRACE重力卫星反演的长江上游与中游陆地水储量与模型模拟土壤含水量、实测降水和实测径流数据进行了对比分析,并从干旱强度及发展时间两方面评估了标准化陆地水储量指数SWSI、标准化降水指数SPI、标准化径流指数SRI和标准化土壤含水量指数SSMI对区域性干旱的表征能力.结果表明:长江上游地区陆地水储量与降水、径流和土壤水蓄量均无显著变化,而中游地区陆地水储量则与水库蓄量同样具有显著性增加,反映人类活动对中游地区陆地水储量变化有很大影响;各指标指示的各等级干旱月份数量基本相当,但各指标反映的特旱具体月份有较大差别,基于GRACE数据构建的SWSI指标对特大干旱的指示性不好;对比各指标对上游与中游地区干旱事件发展时间,体现出水文干旱、农业干旱对气象干旱存在一定的迟滞关系.     

TRMM降水数据在气象干旱监测中的应用研究

针对热带降雨计划卫星(TRMM)的降水数据在气象干旱监测中还未有应用的现状,论文利用TRMM 3843降水数据产品,以2008年10月～2009年2月间我国北方冬麦区气象干旱为监测实例,采用降水距平百分率指数对干旱的空间演变过程进行了监测.监测结果显示:(1)累积降水距平百分率,由于充分考虑了前期降水的累积效应,其气象干旱监测结果与实际情况极为吻合.(2)在2008年10月～2009年2月期间,我国北方冬麦区气象干旱先后经历了一个不断加重到逐渐缓解的过程.其中,2009年1月份的干旱程度最高,干旱核心区主要分布在北京南部,天津、河北中南部,山西大部,陕西北部,山东西部,河南中北部,湖北北部以及安徽北部等广大区域;至2009年2月底,受多次有效降水过程的影响,我国北方冬麦区的抗旱压力则得到极大缓解.(3)TRMM降水数据较地面气象站点观测,具有较好的时空连续性,在全国性及区域性宏观气象干旱监测中具有较好的应用前景.     

气候变化对澜湄流域气象水文干旱时空特性的影响

受全球气候变化影响,澜沧江-湄公河流域气象水文干旱发生了较大变化,预测未来流域干旱的时空变化与传播特征是应对气候变化、开展澜湄水资源合作的基础。利用SWAT模型通过气陆耦合方式模拟了澜沧江-湄公河流域历史（1960—2005年）和未来时期（2022—2050年,2051—2080年）的水文过程,采用标准化降水指数和标准化径流指数预估并分析了流域未来气象水文干旱时空变化趋势。结果表明:①澜沧江-湄公河流域未来降水呈增长趋势,气象干旱将有所缓解,但降水年内分配不均与流域蒸发的增加,将导致水文干旱更为严峻,干旱从气象到水文的传播过程加剧;②水文干旱具有明显的空间异质性,允景洪和清盛站的水文干旱最为严重,琅勃拉邦、穆达汉和巴色站次之,万象站最弱;③未来流域水文干旱事件发生频次略有减少,但其中重旱、特旱事件占比增加,极端干旱将趋多趋强,且空间变化更加显著。     

GEV干旱指数及其在气象干旱预测和监测中的应用和检验

介绍了一种新的基于广义极值分布(Generalized Extreme Value,GEV)的干旱指数的构建过程及其原理。并利用1951—2010年中国地区160个气象台站的逐月降水资料,选择6个代表台站,检验1951—2010年60年间预测的干旱和实际干旱事件发生的吻合程度;利用2009—2010年资料检验GEV指数和实际发生的干旱事件在月尺度上的监测效果。结果表明,利用GEV方法定义的干旱指数能较好地监测干旱事件的发生和发展,与目前广泛使用的Ci指数监测结果较为一致。同时这种指数也能用于某一地区干旱事件的预测和干旱等级的划分。对干旱业务监测和预测有重要的参考意义。但该指数对站点疏密有一定的依赖性,站点稀疏的区域存在着一些误差。     

气象干旱指数在河北省的适用性分析

基于河北省1974—2014年的气象观测和旱情资料,分析降水距平百分率PA、相对湿润指数M、标准化降水指数SPI和标准化降水蒸散指数SPEI这四种常用气象干旱指数在河北省的适用性。通过对比四种干旱指数与旱情资料、农作物产量等资料的一致性,结果表明：(1)从干旱事件分类的总体准确度来看,M指数最好,PA和SPEI指数监测效果次之。(2)四种干旱指数都能较好地监测河北省历年旱灾发生的空间范围,表现在四种指数的干旱站次比分别与旱灾受灾比和旱灾成灾比均有较强的相关性。(3)7月份SPEI和SPI指数均可较好地预报河北省雨养区(半干旱区)内的玉米产量。研究结论可为干旱防灾减灾及确保粮食生产安全提供理论依据。     

2015—2017年南非西开普省干旱事件的时空特征分析

2015—2017年南非西开普省遭受了特大干旱冲击,造成了城市可用水资源的极度短缺,使其首都开普敦市成为人类历史上首个面临“零日”灾难（关闭该城市水龙头的确切时间）威胁的现代城市。但此次灾害的多种致灾因素的交互机理和过程尚不明确,人为供用水管理如何科学应对自然降水变异的模式有待进一步挖掘。因此,通过气象干旱、水文干旱和城市供用水管理3个维度挖掘其中的关键阶段、空间分布和管理效益。结果表明：(1)西开普省2015—2017年气象干旱面积和强度显著增加,且2017年5月干旱情况最为严重。相比于标准化降水指数,标准化降水蒸散指数检测到的干旱更为显著。(2)西开普省的水文干旱在2017年5月最为严重,这与气象干旱的时空特征规律大体一致,体现出气象—水文干旱迅速传播的特征。标准化径流指数结果与水库储水量变化均反映该地区的水资源缺乏,表明此次干旱事件对严重依赖降雨和水库供水的西开普省产生了显著影响。(3)西开普省政府针对此次干旱演进过程采取了不同等级的用水限制和管理政策,有效推迟和避免了“零日”灾难,但在政治和经济等方面解决用水不平等的问题还值得商榷和改良。研究表明城市干旱问题涉及气象、水文和供用...     

植被状况指数的改进及在西北干旱监测中的应用

干旱是全球分布最广、发生频率最高、持续时间最长、影响范围最大、造成的经济损失最为严重的一种自然灾害，干旱也是所有自然灾害中影响因子最为复杂、人类了解最少、监测最为困难的一种自然灾害，干旱监测是世界性的难题。干旱可以发生在任何气候带上，但干旱、半干旱地区是全球干旱灾害发生最频繁的地区。干旱发生特征和规律因地区的不同会有很大的差异，不同地区对干旱监测方法不同。目前，世界各国干旱监测主要利用基于气象、水文、农业和卫星遥感等观测资料建立的各种干旱指数开展，已经有150多种干旱指数。植被状况指数VCI是应用最为广泛的一种卫星监测干旱的指数，研究和业务应用结果表明，VCI对全球各地的干旱均有较好的反映，已经应用在美国国家大气海洋局（NOAA）日常干旱监测业务中，中国国家卫星气象中心干旱卫星遥感监测服务产品也是以VCI为基础。 我国干旱半干旱地区主要分布在新疆、甘肃、青海、陕西、宁夏以及内蒙古自治区的中西部，这里降水少且不稳定，降水变率大，是中国干旱发生频率最高的地区。干旱严重制约着当地经济发展和人类生活质量的提高，使本身非常脆弱的生态环境趋于恶化。为了了解条件植被指数VCI对西北地区不同气候区干旱的监测能力，以上述6省（区）为研究区，利用1982—2003年22年NDVI数据，计算了研究区域22年来逐月的VCI，对比分析了不同气候区VCI与降水距平的关系。结果表明，VCI在空间和时间上较好地反映了西北大部分气候干旱发生、发展和空间分布，是干旱监测的较好指标，但在干旱和极端干旱地区，VCI经常出现异常偏高现象，不能反映干旱气候区常年干旱的基本特点。通过对西北不同生态系统之间NDVI特点和各生态系统间NDVI年变化及其年际变化规律的研究，设计了VCI改进方案，提出了改进的条件植被指数RVCI。通过对22年来逐月RVCI与VCI的对比，RVCI客观地反映了干旱气候区常年干旱特点，较VCI有显著改进。      

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。     

基于SPI指数的衡水市干旱时空变化特征分析

基于衡水地区1963-2013年降水数据,选取SPI指数作为干旱指标,通过SPI指数得到研究区干旱发生频率,干旱站次比以及干旱强度,进而分析衡水市干旱时空变化规律。结果表明:衡水地区中北部、中部、中南部为干旱发生频率较高的地区。该地区易发生全区域性干旱,而干旱强度主要为轻度干旱。     

1901~2020年中国西北地区干湿变化的时空特征

西北地区是我国西部大开发的主战场和重要的生态安全屏障,研究西北地区在全球变化背景下的干湿演化规律对我国高质量发展具有重要意义。本研究选取0.5°空间分辨率的逐月标准化降水蒸散指数(SPEI)格点数据集,利用Mann-Kendall趋势检验、EOF经验正交函数分解以及小波分析等方法,探索西北地区1901~2020年月尺度、年尺度、4年尺度的干湿变化时空演化特征。研究结果表明,西北地区SPEI值总体上呈逐渐下降的趋势。空间变化上,西北地区干湿变化情况存在明显的空间分异,研究区西南和西北部分表现为湿润趋势,而在中部和东部则表现为干旱趋势,这种反相变化特征在长时间尺度干旱上表现更加明显。时空模态的分解表明,西北地区月尺度干湿演化具有空间一致性,而在较长时间尺度上,区域干湿演化跷跷板模式占据主导地位,且这种空间差异模式在1990年代末期明显增强。在时间变化上,西北地区干旱具有较显著的2~8年短时间尺度的周期性变化规律,同时具有明显且连续的约11年和约22年长时间尺度的周期性变化特征。基于本分析结果,可以推断西北地区干湿变化时空演化特征可能受太阳活动和厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)等因素的影响。研究结果还表明,SPEI指数在中国西北地区干旱分析研究中具有较好的适用性,研究结果可为该地区预防干旱事件和适应气候变化工作提供参考。

     

人类活动对于我国气象干旱的影响分析

干旱导致相当的经济社会损失和生态环境破坏。基于CMIP6多模式历史模拟降水数据,计算标准化降水指数,采用阈值识别干旱事件,设计对比实验评估人类活动对于我国1851—2005年干旱的影响。结果表明：自然强迫下,我国呈现略微湿润化趋势;人类活动和自然强迫下,我国东南地区干旱频率显著提高、干旱持续时间显著增长、最大干旱强度显著增加,西北地区干旱频率则显著降低。人类活动使我国54.2%的网格干旱频率提高值超过了自然强迫下提高值的最大10%分位数,最大干旱持续时间和最大干旱强度中分别为41.8%、31.6%。气溶胶使得我国大部分地区干旱频率显著提高,温室气体则使得干旱频率显著降低。     

GPM IMERG降水产品在珠江流域的适用性分析

以珠江流域为研究区域,以CMFD再分析降水数据集为基准值,对2010～2018年的GPM卫星降水产品进行适用性评价,主要从多时间尺度精度表现、日降水探测能力、极端降水监测能力等方面进行分析。结果表明,该降水产品在珠江流域具有较高的观测精度,多年平均相对偏差仅为3.78%,皮尔逊相关系数高达0.96;该卫星降水产品对日降水的探测能力与降水强度关系密切,降水强度越大,探测能力越弱,当日降水强度为5 mm/d左右时,探测能力最佳;此外,该卫星降水产品对珠江流域极端降水事件的监测能力较好,能准确刻画出极端降水的空间分布特征。整体来看,GPM卫星降水产品在珠江流域具有较高的应用潜力,可为流域降水监测、降水过程再现等工作提供数据支持。     

珠江流域降水干湿时空特征及气候因子影响研究

利用模糊C-均值聚类算法、皮尔逊相关和滑动相关分析等方法,对珠江流域做了气候一致性分析,在此基础上,研究了珠江流域不同分区年降水和干湿季降水变化的时空特征,分析了区域干湿变化与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北大西洋涛动(NAO)、印度洋偶极子(IOD)和太平洋10年涛动(PDO)等主要气候因子的遥相关关系,探讨了珠江流域干湿变化的气候成因。在此基础上,进一步研究上述气候指标对不同时间尺度干湿变化影响的平稳性与差异性。除此之外,还研究了气候指标的冷暖期对基于6个月SPI值的珠江流域干湿状态的影响。研究表明:(1)IOD、NAO和ENSO分别是导致珠江流域年降水、湿季降水和干季降水发生变化的主要影响因素,且对当年及下一年降水的影响是相反的。(2)珠江流域不同时间尺度的降水与对其有显著影响的气候指标(年降水与IOD,湿季降水与NAO,干季降水与ENSO),两者之间不同时期的滑动相关往往具有较强的相关性和前后相关一致性。(3)各气候指标对珠江流域不同时间尺度降水的影响在空间分布上不太均匀。(4)不同位相下气候指标对珠江流域干湿状态的影响存在较大差异。总体而言,当处于各气候指标暖期时珠江流域出现湿润期的概率较冷期时更大且在空间分布上更均匀。     

基于copula函数的区域干旱分析方法

提出不同网格干旱等级影响下的区域干旱指数。采用copula函数,建立了区域干旱历时和干旱强度的联合分布,计算联合分布的重现期,并对实际重现期作区间估计。所提出的区域干旱指数能够反映研究区域内发生干旱的严重程度和该区内不同干旱等级所影响面积的大小,且联合分布同时考虑了干旱历时和干旱强度,更全面地反映区域的干旱状况。重庆市2006年干旱实证分析表明,区域干旱指数能够较好地描述本次干旱的发生发展过程,并计算出联合分布的重现期为118年。     

基于日值SPEI的青藏高原干旱演变特征

利用1980-2014年青藏高原74个台站的气象资料,通过Penman-Monteith公式计算了蒸散发及标准化降水蒸散指数（SPEI）,并采用M-K趋势分析和小波分析等方法研究了高原干旱变化的时空分布特征及变化趋势。结果表明,基于Penman-Monteith公式计算潜在蒸散发的逐日SPEI指数能够很好地反映青藏高原干旱特征。1980年以来青藏高原SPEI值总体呈上升趋势,即偏于湿润,干旱强度有所降低。高原近35年的干旱演变具有明显的年代际差异,20世纪90年代之前干旱较为严重。小波分析结果表明高原干旱的发生存在2~4 a的振荡周期,在2~4 a的时间尺度上总体表现出干-湿周期变化。在整体小波变化周期中,1983-1997年虽然出现了干旱严重区间,但在1997年以后高原总体上呈现湿润趋势,3.7 a的主周期并没有影响整体变湿的趋势,且三种指标的3.7 a振荡主周期均通过了95%的红噪声检验。     

西北地区45a来降水异常的时空变化及其标度特征

利用西北地区(73°~113°E,30°~50°N)157个气象站的1960—2004年日降水观测资料,通过非参数趋势检测和旋转主成分分析方法对年降水异常的时空特征进行研究.根据降水特征的差异,西北地区可以划分为西北东北部、东南部、西北部、西南部、中北部及中南部等6大区域.结果表明:西北地区降水自东南向西北逐步递减,降水变化趋势则是东南为负、西北为正,变化幅度东南大于西北.根据每个分区的降水序列标度特征,采用消除波动趋势分析方法,对6个分区45 a来降水时间序列所纪录的大气动力过程影响的时空差异进行分析,定量区分区域气候系统和局地要素对不同区域降水贡献的差异及其年代际变化.     

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。     

CLDAS土壤湿度业务产品的干旱监测应用

针对2012年中国区域严重的干旱, 利用2013年国家气象信息中心发布的中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS-V1.0)土壤体积含水量数据集产品, 并结合新的中国地表土壤水文参数数据集, 计算2012年中国区域土壤相对湿度, 依据《气象干旱等级》国家标准进行干旱监测. 结果表明: 该土壤相对湿度数据集能较为全面的反映2012年中国的干旱发生发展的空间特征, 在西南、江淮黄淮、华南以及东北等4个主要的干旱区域表现的尤为明显. 结果表明, 利用土壤容重、田间持水量等信息, 结合CLDAS-V1.0实时业务产品, 可实时获取时空连续的土壤相对湿度产品, 可以实现对中国区域的干旱实时监测.