农业干旱监测研究进展与展望

本文全面分析了农业干旱的概念内涵及其与其他干旱类型之间的关系,进而从基于站点监测和基于遥感监测两个方面,系统梳理了国内外农业干旱监测的近今进展,对比了不同干旱监测指标的适用范围和局限性;同时,通过文献统计和重要文献引用揭示了国内外农业干旱监测研究的发展历程和最新进展,即农业干旱监测指标从传统的单一气象监测指标逐渐向气象与遥感相结合的综合监测指标转变。最后,在分析农业干旱监测现有挑战和困境的基础上,将农业干旱监测未来发展趋向归纳为5点展望,即进一步明晰农业干旱发生机理和受旱过程、识别农业干旱影响因素及其相互作用关系、构建多时空尺度农业干旱监测模型、耦合农业干旱定性表征与定量评估模型以及提高农业干旱监测模型中遥感数据的应用水平。     

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。     

中国气象农业非参数化综合干旱监测及其适用性

旱灾是对人类社会影响以及致损最大的灾种之一,如何进行可靠的旱灾监测是旱灾预警与旱灾防灾减灾的关键。气象干旱与农业干旱的综合干旱方法是目前干旱监测的主要方法之一。本文对多变量标准化干旱指数（MSDI）方法进行改进,以非参数化的方法计算标准化降水蒸散指数（SPEI）、标准化土壤湿度指数（SSI）,提出改进的MSDI,即气象农业综合干旱指标（MMSDI）。在此基础上,用1979-2015年中国降水资料、蒸散发资料以及土壤湿度数据对不同时间尺度（3月尺度与6月尺度）分别研究气象干旱、农业干旱、气象农业综合干旱,用气象农业综合干旱分别与气象干旱、农业干旱和改进之前的气象农业综合干旱对比,并结合实际记录的干旱事件时空特征验证,结果证实MMSDI指数可以同时监测气象与农业干旱,且其监测结果准确度高于单一变量的气象（SPEI）或农业（SSI）干旱监测,MMSDI指数对气象农业综合干旱具有更好的监测效果,可考虑作为中国气象农业综合干旱监测及旱灾预警的重要理论依据。     

以遥感为基础的干旱监测方法研究进展

总结了目前广泛应用的气象监测模型和基于遥感数据的干旱监测模型,将目前的遥感监测方法分为植被状态监测方法、微波土壤水分监测方法、热红外遥感监测方法和基于能量平衡的遥感监测方法进行综述,深入分析了基于遥感数据的监测方法的特点、适用条件和存在的问题。通过综述基于多源数据的干旱综合监测模型,对未来干旱监测方法的发展方向进行研究和探讨,指出集成多源数据的干旱综合监测模型是解决复杂的干旱监测问题的新方法。     

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。     

修订后水分盈亏指数在甘肃省冬小麦干旱监测中的应用

提高西北旱作农业干旱监测准确性和时效性,对农业生产防灾减灾有重要意义。利用甘肃省3个农业气象观测站长期土壤水分和冬小麦生育状况观测资料、1971—2016年43个冬小麦种植县气象观测资料及产量资料,基于冬小麦播前底墒和生育期水分盈亏量修订了作物水分盈亏指数,并确定了干旱等级指标,改进后作物水分盈亏指数与土壤贮水和冬小麦减产率高度相关,能更准确的反映甘肃省冬小麦干旱实况,并利用ArcGIS分析了近46 a甘肃省冬小麦不同生育期、不同等级干旱发生频率的时空分布特征。结果表明：甘肃省冬小麦从播种至开花期随着发育期推移,呈现干旱频率增加、范围扩大的趋势,多以中旱居多,其中拔节—开花期发生面积最大,陇中、庆阳市北部、平凉市西部、天水市西部、陇南市南部干旱出现频率较高;开花—成熟期随着降水量增加干旱发生频率减少、程度减轻。     

基于MODIS和TRMM数据的黄土高原农业干旱监测

农业干旱对农业生产影响最为严重,基于站点观测数据的干旱指数不能准确监测区域尺度的农业干旱特征。因此,利用2003—2015年MODIS地表温度(LST)、植被指数(NDVI)和TRMM降水(3B43)数据以及1960—2015年黄土高原地区及周边92个气象站点的月均温和月降水量数据,构建了综合遥感干旱监测模型规模干旱条件指数(Scale Drought Condition Index,SDCI),对黄土高原地区农用地生长季(4～10月)旱情的时空分布特征进行研究,结果表明:黄土高原地区农用地生长季多年平均干旱状态为中度干旱,干旱程度在空间上表现为西北部较严重,东南部较轻。2003—2015年黄土高原地区旱情年际变化总体呈波动减轻趋势,2003—2007年旱情越来越严重,2007—2014年旱情波动减轻,2014—2015年旱情有所加重。黄土高原地区旱情年内变化表现4～8月持续减轻,8～10月持续加重,干旱程度具体表现为4月、5月、6月和10月呈中度干旱,7月、8月和9月呈轻度干旱。研究表明利用多源遥感数据构建的具有适当权重的SDCI可以有效监测黄土高原地区作物生长季的干旱状况。     

甘肃省河东地区干旱遥感监测指数的对比和应用

干旱是影响甘肃省河东地区农业生产的主要气象灾害之一。如何在众多的干旱遥感监测指数中选择适宜的指数是干旱遥感监测工作面临的主要问题。利用研究区30个农业气象站观测的不同深度土壤相对湿度和对应的MODIS数据,分析了7种典型干旱遥感监测指数(AVI、NDWI、VCI、PDI、MPDI、VSWI和MEI)的构建原理和模拟结果,并选择适宜的干旱遥感监测指数对2006年甘肃省河东地区干旱情况的时空分布做了动态监测。结果表明:7种干旱遥感监测指数均能反映研究区土壤湿度的时空变化特征;各干旱遥感监测指数对土壤水分监测的最佳深度为20 cm,其次为10 cm。从相关系数来看,PDI、MPDI指数对春季,VSWI、NDWI指数对夏季的土壤相对湿度有较好的监测结果;MEI指数对秋季土壤相对湿度模拟效果较差,其余指数对秋季模拟效果均较好;根据各指数与20 cm处土壤相对湿度的相关系数,结合各指数的构成原理,春季选择PDI和MEI,夏季选择VSWI和NDWI,秋季选择PDI和MPDI,分别对2006年甘肃省河东地区干旱情况进行监测。通过考虑各等级出现的频率,同时兼顾土壤相对湿度,评定各指数干旱等级。监测结果显示,庆阳市北部连续出现春旱、春末夏初旱、伏旱和秋旱,陇中北部和庆阳市北部旱情严重。     

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。     

温度植被干旱指数(TVDI)在复杂山区干旱监测的应用研究

对地观测卫星(EOS)中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器因具有高时间分辨率、高光谱分辨率、适中的空间分辨率等特点,非常适合大范围、长时期、动态的干旱监测。本文选取云南省红河州地区为研究对象,利用MODIS植被指数和陆地表面温度产0品建立高原多山地区NDVI- T_s空间,并由此建立了复杂山区的温度植被干旱指数(TVDI)。利用该方法检测2006年3、4两个月的云南省红河地区的地表干旱情况,同时结合当地气象局信息和野外同步观测的表层土壤温度、湿度数据对该指标进行定量验证,结果表明,TVDI与土壤湿度显著相关,该方法可以用来对大区域干旱进行检测,能很好的用于山区的干旱预警与监测。     

Agricultural drought monitoring: Progress,challenges, and prospects

In this paper, we compared the concept of agricultural drought and its relationship with other types of droughts and reviewed the progress of research on agricultural drought monitoring indices on the basis of station data and remote sensing. Applicability and limitations of different drought monitoring indices were also compared. Meanwhile, development history and the latest progress in agricultural drought monitoring were evaluated through statistics and document comparison, suggesting a transformation in agricultural drought monitoring from traditional single meteorological monitoring indices to meteorology and remote sensing-integrated monitoring indices. Finally, an analysis of current challenges in agricultural drought monitoring revealed future research prospects for agricultural drought monitoring, such as investigating the mechanism underlying agricultural drought, identifying factors that influence agricultural drought, developing multi-spatiotemporal scales models for agricultural drought monitoring, coupling qualitative and quantitative agricultural drought evaluation models, and improving the application levels of remote sensing data in agricultural drought monitoring.     

农业干旱监测研究进展与展望（英文）

In this paper, we compared the concept of agricultural drought and its relationship with other types of droughts and reviewed the progress of research on agricultural drought monitoring indices on the basis of station data and remote sensing. Applicability and limitations of different drought monitoring indices were also compared. Meanwhile, development history and the latest progress in agricultural drought monitoring were evaluated through statistics and document comparison, suggesting a transformation in agricultural drought monitoring from traditional single meteorological monitoring indices to meteorology and remote sensing-integrated monitoring indices. Finally, an analysis of current challenges in agricultural drought monitoring revealed future research prospects for agricultural drought monitoring, such as investigating the mechanism underlying agricultural drought, identifying factors that influence agricultural drought, developing multi-spatiotemporal scales models for agricultural drought monitoring, coupling qualitative and quantitative agricultural drought evaluation models, and improving the application levels of remote sensing data in agricultural drought monitoring.     

基于MODIS数据的华北地区遥感干旱监测研究

选择4种遥感干旱监测模型,与土壤相对湿度（RSM）和自校准帕默尔干旱指数（sc-PDSI）进行相关性分析,并探讨了研究区生长季干旱的时空变化特征。结果表明：作物缺水指数（CWSI）和植被供水指数（VSWI）更适合监测华北地区的土壤水分,在草原区和农区CWSI干旱监测较好,在森林区和荒漠区VSWI干旱监测效果较好;研究区干旱化趋势有所减缓,且2007—2011年为干旱到湿润的转折区间;干旱空间分布呈北部大于南部、西部大于东部的变化趋势,阿拉善高原的干旱最严重,而大兴安岭山脉基本无干旱发生;干旱整体上向好的趋势发展,尤其是鄂尔多斯南部、山西省、燕山山脉和华北地区-东北地区交界处的农区,且易旱区重心有向西移动的趋势,该成果可以为区域农业干旱监测提供一定的参考。     

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...     

干旱指标在陕西省应用的敏感性分析

利用陕西省1961—2005年各气象站旬气象资料、33个农气旬报站土壤相对湿度及2001年6月13日NOAA-16极轨气象卫星资料,分析了降水距平百分率、Z指数、Palmer干旱指数、土壤相对湿度对干旱的发生、发展、变化的敏感性,描述干旱发生的范围、程度的差异,并将反映出的旱情与同时段用遥感监测得到的旱情进行比较。结果表明:降水距平百分率、Z指数对旱情的变化具有很高的敏感性,各干旱指标都能反应出区域内干旱的发生,但各指标反映出的干旱程度和范围不同;与同时段遥感监测得到的旱情相比,遥感监测的旱情更加细致,并与地表状况有关。干旱是一个累积过程,同时与影响对象有密切关系,使用干旱指标分析旱情时需要根据受旱对象选用不同的干旱指标,综合考虑前期的水分状况与旱情发生、发展有关的因素。     

温度植被干旱指数(TVDI)与多因子关系研究

利用EOS/MODIS数据,采用归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)构建NDVI-Ts特征空间,依据该特征空间计算温度植被干旱指数(TVDI)。通过对2009年6期冬小麦数据比较和多因子相关分析,认为TVDI与LST为极显著正相关关系,与NDVI相关性次之。气象因子中降水量(JSL)因子与TVDI相关性较为显著,在作物生长中后期,降水距平(JSJP)因子影响日趋明显;其它气象因子及海拔、灌溉与否等因子作用不显著,在进行大尺度干旱监测时基本可以忽略。如将TVDI与影响较为明显的因子组合建立新的指标或许是一个更好的监测方法。