基于Meta-Gaussian模型的中国农业干旱预测研究

在全球气候变化背景下,干旱愈加频发,有效且可靠的农业干旱预测对于保障粮食安全和水资源安全具有重要意义。以标准化降水指数（SPI）和联合标准化土壤湿度指数（JSSI）分别表征气象干旱和农业干旱,以前期的气象干旱和农业干旱指数作为预测因子,在1~3个月预见期下基于Meta-Gaussian（MG）模型对中国1961—2015年6—8月的农业干旱进行预测,并采用Brier Skill Score（BSS）和纳什效率系数（NSE）评价MG模型的预测性能。结果表明：① 将1个月、3个月、6个月、9个月和12个月时间尺度的标准化土壤湿度指数（SSI）结合起来得到的JSSI能够对中国农业干旱的综合状况进行客观评价。② 以中国2010年和2014年遭受严重的干旱事件为例,预见期为1~3个月时,除新疆南部、青海西部以及内蒙古西部等沙漠地区外,MG模型对6—8月农业干旱预测结果的分布范围与实际干旱的分布区域较吻合,预见期越短,吻合越好。③ 预见期为1个月时,6—8月BSS ≥ 0.5的面积比例分别为0.714、0.642和0.640,NSE ≥ 0.5的面积比例分别为0.903、0.829和0.837,表明MG模型能够对中国大部分区域的农业干旱作出可靠的预测。本文结果可为中国农业干旱的监测、预警及干旱决策提供科学指导。     

基于SPI的黑龙江省干旱时空特征分析

利用黑龙江省10个气象站点1953—2015年逐日降水数据,计算不同尺度下的标准化降水指数(SPI),并结合游程理论分析黑龙江省干旱的时空演变特征。结果表明:降水仍是黑龙江省干旱的主要影响因素;黑龙江省干旱夏季和秋季呈增强趋势,SPI变化速率分别为每10 a下降0.029、0.135,春旱和冬旱呈缓解趋势,速率为每10 a上升0.061、0.074,年SPI变化速率为每10 a下降0.044;黑龙江省20世纪60年代中后期~70年代末,干旱较为频繁,且干旱的持续时间长、干旱程度大、干旱强度大,出现了1974—1980年的连续干旱期,80年代~90年代中期较为正常,90年代末及之后,干旱频率及其持续时间、程度、强度呈增加趋势;干旱事件的持续时间从西北向东南呈增加—减少趋势,黑龙江省中部的干旱事件持续时间最长。     

ARIMA-LSTM组合模型在基于SPI干旱预测中的应用——以青海省为例

开展干旱预测是有效应对干旱风险的前提基础。利用1958—2017年青海省38个气象站点逐日降水量数据计算多尺度标准化降水指数（SPI）,并建立了SPI序列自回归移动平均模型（ARIMA）、长短时记忆神经网络模型（LSTM）和基于二者优点提出的ARIMA-LSTM组合模型;对模型参数进行率定和验证后,利用所建立的模型,以西宁站点为例,对多尺度SPI值进行预测,借助均方根误差（RMSE）、平均绝对百分比误差（MAPE）和决定系数R²对所有预测模型的有效性进行判定。结果表明：ARIMA-LSTM组合模型在SPI1和SPI12的RMSE值分别为0.159 7和0.181 0,均低于ARIMA模型的1.265 4和0.293 3,说明ARIMA模型与ARIMA-LSTM组合模型对SPI的预测精度都与时间尺度有关,ARIMA模型的预测精度随着时间尺度的增加而逐渐提高;结合GIS并利用实测数据与模型的预测数据相比较说明ARIMA-LSTM组合模型相比于单一ARIMA模型的预测精度更高,且能够很好拟合不同时间尺度的SPI值。     

基于马尔科夫模型的新疆水文气象干旱研究

在气象干旱SPI和水文干旱SRI的二维变量干旱状态的研究基础上,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,并预测未来非水文干旱到水文干旱的概率,研究结果表明：（1）开都河、和田河在干旱形成中危害大,阿克苏河在干旱演变中危害大,开都河和叶尔羌河在干旱持续中危害大。开都河和叶尔羌河主要以气象水文干旱为主,和田河和阿克苏河以水文干旱为主。（2）开都河连续湿润或者干旱的概率最大,状态2与状态4、状态5的相互转移概率低,和田河和开都河状态4不能一步转移到状态2。（3）在长期干旱预测中,塔河流域从状态2达到状态4或者状态5的概率最低,开都河（或和田河）从非水文干旱状态到状态4的概率最大（或最小）,从非水文干旱状态到状态5的概率最小（或最大）。     

海河南系平原浅层地下水开采耗能及其空间分布

本文针对海河南系平原不同时期地下水水位变化引起的能耗增加问题,基于开采井与其影响半径区域内的地下水开采耗能等效的假设,首次推导了浅层地下水耗能计算公式。利用三个不同时期浅层地下水流场的演化特点,结合GIS技术方法,对典型年份 (1964、1984和2001年 )春季农业生产季节地下水开采耗能及其变化进行比较分析。研制了海河南系平原农业春产期浅层地下水耗能空间分布图,分析获得20世纪60年代以来该地区地下水位下降导致开采耗能大幅度增加的态势和空间分布格局,结果表明:从海积平原地区到太行山前平原地区,开采浅层地下水耗能以及耗能差值都呈递增趋势。研究结果对北方地区水价政策等的制订有重要的参考价值,为研究区南水北调后地下水水位回升的社会经济效益评价提供参考。     

ARIMA和ANN模型的干旱预测适用性研究

开展干旱预测是有效应对干旱风险的前提基础,根据1960-2016年三江平原7个站点逐日降水和气温数据,利用ARIMA和ANN模型对不同时间尺度标准化降水蒸散指数（SPEI）序列进行分析建模预测。借助相关系数R、纳什效率系数NSE、Kendall秩相关系数τ、均方误差MSE和Kolmogorov-Smirnov （K-S）检验对模型的有效性进行了判定,然后分别用ARIMA和ANN模型进行12步预测,并将预测值与实际值进行比较。结果表明：（1） ARIMA模型和ANN模型对SPEI的预测能力都随时间尺度的增加而逐渐提高。（2）两种模型对3、6个月尺度SPEI的预测精度偏低,9、12、24个月的SPEI的预测精度在70%以上;（3）SPEI-9、SPEI-12、SPEI-24三个时间尺度ANN模型的预测精度优于ARIMA模型。     

海河流域分布式SWAT模型的构建

本文基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)构建海河流域分布式水文模型。针对海河流域的特点,对 平原区河网和入海口进行合理概化,对土壤类型和土地利用方式进行重分类处理。应用1995~2002 年水文气象系 列资料和下垫面空间分布信息,对模型的参数进行优化和灵敏度分析,最后选取多个站点对模拟结果进行检验与 分析。研究成果为SWAT 模型在国内复杂大流域的应用提供了范例,也为海河流域变化环境下的水资源与水环境 综合管理提供重要的水文学基础支撑。     

准噶尔盆地南缘古近系安集海河组沉积特征

安集海河组是一套广泛分布于准噶尔盆地南缘的重要岩石地层单元。依托于新疆维吾尔自治区东天山昌吉地区1∶50000地质调查项目,通过地质剖面测量、1∶50000路线调查、室内岩矿鉴定、粒度及C-O同位素分析等手段,查明该组厚度呈东薄西厚,沉积物粒度呈东粗西细,岩性主要为灰绿色细砂岩—灰绿色粉砂岩间或与红褐色粉砂质泥岩互层,多为钙质胶结,东侧见有砾岩,西侧仅见砾石夹层但多见碳酸盐岩。碳酸盐岩碳同位素数值位于(-1.5‰～-6.4‰)、氧同位素数值位于(-0.3‰～12.5‰)。表明研究区内安集海河组是在陆相湖泊环境下沉积的一套以灰绿色碎屑岩为主的地层,粒度分析证明东侧的沉积相表现为由河流向湖泊转化,沉积物的颜色表明沉积环境整体为弱还原、弱氧化—弱还原环境,来自岩屑的证据表明物源来自于沉积位置南方。部分碳酸盐胶结物的碳氧同位素特征则反映了成岩时的埋深情况,仅白云岩可能形成于地表环境。在缺乏湖水氧同位素的前提下,通过公式相减得到温度差,来减小湖水氧同位素影响。根据温度差与地温梯度计算出安集海河组埋深不小于2.44km,最大可能为3.25km,但未到达形成有效烃源岩的距离。     

基于SPEI指数的秦岭南北地区干旱时空变化特征

基于秦岭南北地区47个气象站点1960-2016年实测气象资料,利用标准化降水蒸散指数（SPEI）定量分析了秦岭南北地区不同时间尺度干旱发生频率和强度的时空演变特征,并试图揭示该区域干旱发生的原因。结果表明：SPEI值能够较好的反映秦岭南北地区的干旱特征及干湿演变状况。从时间变化上看,近57 a来秦岭南北地区呈干旱化趋势,以20世纪90年干旱化趋势最为显著,干旱化趋势最显著的区域为秦岭以北地区,但近22 a秦岭南北地区开始出现湿润化趋势;从季节来看,四季大部分区域呈干旱化趋势,秋季干旱化趋势最显著且开始最早,春季次之,冬、夏干旱化趋势相对不显著。从空间来看,秦岭南北地区在年、季、月尺度上均有干旱发生且各地区分布极不均匀;其中秦岭以北地区干旱发生频率较高,其他子区域干旱发生频率的空间分布特征较为复杂。干旱发生强度呈现出中西部强,四周弱的特点,干旱发生强度最强的地方为陕西石泉,为14.7%,最弱的地方为四川阎中,为23.6%。     

基于帕默尔干旱指数的中国春季区域干旱特征比较研究

利用全国515个站(1957-2000年)气象资料,修正计算帕默尔干旱指数(Palmer drought severy index),进行干旱区划和研究春季区域演变特征.结果表明:中国干旱变化全区一致性程度低,干旱演变的区域差别大,存在着以内蒙古高原、南岭、华北北部及长白山脉、长江中下游、黄土高原、黄淮地区、天山北部、东北平原、河西走廊、云贵高原、塔里木盆地、青藏高原等为代表的12个干旱特征区.内蒙古高原区、华北北部及长白山脉区、黄土高原区、天山北部区域、东北平原区、河西走廊及其沙漠戈壁区春季干旱指数趋势变化呈下降趋势.南岭区、长江中下游区、黄淮区域、云贵高原区、塔里木盆地区、青藏高原区春季干旱指数趋势变化呈上升趋势.中国春季干旱指数大多存在5～8年的短周期年际周期变化,12～13年、15～16年的长周年际周期变化存在于部分区域,个别区域还存在20年长周期年际周期变化.中国干旱的区域特征差别显著.     

海河流域水资源管理分区研究

流域水资源管理分区对制定流域水资源管理政策具有重要意义。作者根据环境、粮食、水资源和社会经济4大类30个指标,利用聚类分析方法和地理信息系统等工具,分析其聚类过程,把海河流域分为太行、燕山山区、山前洪、冲积扇区、京津唐地区、山前平原区、中东部平原区和淀东清南天津区 (天津市区) 和徒骇马颊河平原区7个区,分区结果符合流域水资源管理的要求。各区各具特点,应制定不同的水资源管理政策。     

Remote sensing monitoring on regional crop water productivity in the Haihe River Basin

Crop water productivity （CWP） agricultural development in water scarcity is one of the important indicators for sustainable area. There is serious conflict between water sup- ply and requirement in the Haihe River Basin. CWP of winter wheat and summer maize from 2003 to 2007 in the Haihe River Basin is estimated based on large-scale evapotranspiration （ET） and crop yield obtained by remote sensing technology. Spatial and temporal distribution of CWP of winter wheat and summer maize is investigated in this study. Results show that CWP of winter wheat in most parts of the study area varies from 1.02 kg/m3 to 1.53 kg/m3, and CWP of summer maize varies from 1.31 kg/m3 to 2.03 kg/m3. Multi-year averaged CWP of winter wheat and summer maize in the study area is about 1.19 kg/m3 and 1.59 kg/m3. CWP results show certain promotion potential to alleviate the water shortage in the Haihe River Basin. Correlation analysis of CWP, crop yield and ET shows that there is great potential for crop yield promotion without the growth in irrigation water. Large-scale CWP estimated by remote sensing technology in this study shows spatial distribution features, which could be used to real-time agricultural water resource management combined with crop yield and ET.     

松花江流域季节性气象干旱特征及风险区划研究

利用松花江流域67个代表性气象站1960~2009年气象观测资料,采用标准化降水指数（SPI）为评价指标,计算松花江流域50 a中各季干旱指数,在此基础上分析了流域季节性气象干旱演变特征及规律,研究发现,松花江流域气象干旱呈现出明显的空间分带性和季节分带性。从地域变化来看,流域干旱区主要分布在东北、西南部;从季度变化来看,春旱和夏旱是流域气象干旱的主要类型,夏季干旱最严重,春季次之。建立评价指标体系实现了基于GIS技术的气象干旱风险区划,针对不同风险区提出相应的抗旱措施,为流域有效应对干旱灾害提供依据。     

海河流域太阳辐射变化及其原因分析

太阳辐射是控制气候形成的基本能量,分析太阳辐射的变化有助于深入理解气候变化的原因.本文利用海河流域及其周边46个气象站气象资料以及TOMS(the Total Ozone Mapping Spectrometer)卫星反演逐日气溶胶指数资料,分析了海河流域太阳辐射的时空变化规律,并对太阳辐射变化的原因进行了初步分析.研究结果表明,1957-2008年海河流域太阳总辐射呈明显下降趋势,其中太阳直接辐射下降趋势明显,散射辐射呈增加趋势;从空间分布上看,流域南部和冀东沿海的人口高密度区相比流域北部的燕山和太行山人口低密度区太阳总辐射减小趋势更为明显.对太阳辐射下降原因的研究表明,人类活动造成气溶胶的显著增加可能是引起太阳辐射下降的重要原因.     

Change of the solar radiation and its causes in the Haihe River Basin and surrounding areas

Solar radiation is an important driving force for the formation and evolution of climate system. Analysis of change in solar radiation is helpful in understanding mechanism of climate change. In this study, the temporal and spatial variations of solar radiation and the cause of the change in solar radiation have been analyzed based on meteorological data from 46 national meteorological stations and aerosol index data from TOMS over the Haihe River Basin and surrounding areas. The results have shown that solar radiation and direct radiation significantly decreased, while scattered radiation increased during the period 1957–2008. Spatially, the decreasing trend of solar radiation was more and more significant from low population density areas to high population density areas. The spatial distribution of increase in aerosol index is consistent with that of decrease in solar radiation. The increase in aerosols resulting from human activities was an important reason for the decrease in solar radiation.     

海河流域雨季气候特征及监测分析

论文采用日降水量和NCEP/NCAR(美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心)再分析环流资料,针对华北(海河流域)雨季监测困难问题,通过对比分析和合理性分析,建立了基于连续气象变量的海河流域雨季监测比湿副高法(简称QSH),并分析了海河流域雨季变化,以期改进该区域雨季监测技术.主要结论为:①采用比湿副高法QSH监测...     

海河流域及周边地区太阳辐射变化成因

Solar radiation is an important driving force for the formation and evolution of climate system. Analysis of change in solar radiation is helpful in understanding mechanism of climate change. In this study, the temporal and spatial variations of solar radiation and the cause of the change in solar radiation have been analyzed based on meteorological data from 46 national meteorological stations and aerosol index data from TOMS over the Haihe River Basin and surrounding areas. The results have shown that solar radiation and direct radiation significantly decreased, while scattered radiation increased during the period 1957–2008. Spatially, the decreasing trend of solar radiation was more and more significant from low population density areas to high population density areas. The spatial distribution of increase in aerosol index is consistent with that of decrease in solar radiation. The increase in aerosols resulting from human activities was an important reason for the decrease in solar radiation.     

云南省金沙江流域干旱灾害区划研究

云南金沙江流域干旱灾害较为严重。选取11个指标,运用模糊聚类方法进行了该流域干旱灾害区划,将该 流域划分为4个干旱灾害区、9个干旱灾害亚区,揭示了干旱灾害的地域差异性,为因地制宜地制定干旱灾害防治规 划及减灾防灾措施提供了科学依据。     

海河流域水资源短缺风险研究

本文对海河流域水平衡和水资源短缺风险进行评价。文章采用研究时段为1994-2007年,作者首先研究了海河流域的水量平衡问题,并提出了流域非用水消耗量的概念和计算方法,经过分析,计算得出海河流域多年平均非用水消耗量为5.91×109m3。通过建立水资源短缺风险的评价方法,得出海河流域1994-2007年处于缺水量较多、缺水风险较高的时期,计算出缺水风险率、恢复性指标、稳定性指标和脆弱性指标分别为0.786、0、0.154和0.173。在考虑社会系统应对措施的条件下,水资源短缺风险将会显著下降。考虑南水北调工程对于该地区的影响,分别考虑在50%和75%两种来水水平年下,如果南水北调工程一期（2014年）的来水量为5×109m3,未来该地区的水资源短缺风险会从0.229-0.297下降到0.152-0.234。     

气候变化对河北省海河流域径流量的影响

利用河北省境内海河流域51个气象站、68个水文站1956~2000年近50年的气象、径流量数据,分析了气象要素和径流量的变化规律。河北省境内海河流域多年平均地表径流量为67.0×10⁸m³,从20世纪 50 年代至 90 年代地表径流量呈逐渐减小的趋势,50年代为105.3×10⁸m³,90年代为54.7×10⁸m³。地表径流量随降水量的减少而减小,随气温的升高而下降,用回归方法建立的径流量与气象要素之间的模型为对数模型。根据未来气候变化情景对河北省海河流域径流量的预测:2030年为70.0~76.8×10⁸m³,2050年为69.8~76.9×10⁸m³。