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%。     

1960—2017年中国北方气候干湿变化及其与ENSO的关系

基于中国北方424个气象站实测数据,应用FAO Penman-Monteith模型计算潜在蒸散(Potential evapotranspiration,ET₀),使用降水和潜在蒸散数据计算得到标准化降水蒸散发指数(SPEI),以此研究了1960—2017年中国北方干湿时空变化特征,分析了ENSO对北方气候干湿变化的影响。结果表明:中国北方干湿变化的线性趋势总体不显著,四季中春季和冬季变湿趋势明显。空间上,西北西部存在明显的变湿趋势,干旱化趋势主要发生在黄土高原、内蒙古东部和东北东部地区。全区各级干旱事件呈减少趋势,各级湿润事件呈增加趋势,其中以中等干旱的减少最为显著。西北西部中等干旱和极端干旱明显减少,东北北部和新疆部分地区极端湿润明显增加。全区四季3类干旱事件均表现为减少的趋势,3类湿润事件均表现为增加的趋势,西北西部四季3类干旱事件均呈减少趋势。ENSO对北方干湿的影响存在一定程度的滞后性。El Ni?o翌年气候湿润,La Nina翌年气候干旱。在年际和春季2个尺度上,SSTA与翌年SPEI存在显著的正相关关系。     

非平稳标准化降水蒸散指数构建及中国未来干旱时空格局

旱灾是一种致灾因子与成害机理均非常复杂的自然灾害,也是目前对其检测与风险防御最为困难的自然灾害种类之一。随着全球气候变化,干旱的变化逐渐趋于非平稳化,水文气象序列的非平稳性已有广泛研究,但在干旱检测指标中却鲜有考虑。基于标准化降水蒸散指数（SPEI）和非平稳性理论,构建非平稳性标准化降水蒸散指数（NSPEI）并进行适用性评价,利用NSPEI评估未来不同排放情景下中国气象干旱时空格局演变规律。结果表明：① 非平稳性站点集中在东北平原、黄淮海平原、长三角地区、青藏高原及周边区域,NSPEI拟合最优的站点占中国气象站点的88%（2177个站点）。② SPEI对温度较为敏感,在评估未来干旱变化时会高估干旱强度和持续时间性,而NSPEI能够克服这一弱点,较SPEI可更好的检测中国气象干旱,且能很好的刻画中国未来干旱变化。③ 低、高排放情景下中国北方干旱加剧,南方呈湿润化趋势;中排放情景下中国北方湿润化趋势明显,而中国南方则呈干旱化。基于NSPEI干旱检测结果,中高排放情景下中国未来极端干湿历时与发生频率均呈增加趋势。     

基于日SPEI的近55 a西南地区极端干旱事件时空演变特征

利用1960~2014年中国西南地区141个气象台站的逐日气象资料,引入一个新的干旱指数——逐日标准化降水蒸散指数（日SPEI）,对极端干旱事件的年代际、年际、季节内变化及持续性特征进行了分析,结果表明：空间上,近55 a西南春季和年极端干旱程度呈一致的减弱趋势,重庆、四川与贵州的交界处及四川西北部极端干旱程度明显缓解,而夏、秋两季极端干旱表现出增强的趋势并有一定的区域性特征。时间上,春季和全年极端干旱频率、强度和持续天数逐渐减少,春季极端干旱的减弱程度较全年明显;夏、秋两季极端干旱频率、强度和持续天数呈增加趋势,夏季极端干旱的加重趋势比秋季明显。从极端干旱事件的持续性来看,20世纪60年代和21世纪初（2000~2014年）西南遭受的极端干旱最严重,持续期达60 d以上的站点分别占到站点总数的60%和73%。     

基于SPEI的广西干旱时空变化特征分析

以标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)作为干旱的评价指标,通过对1961-2013年广西地区87个气象站逐月降水量和平均气温的计算,得出各个站点不同尺度SPEI值,根据不同尺度SPEI值的变化规律、各个季节发生频率、空间分布、周期及变化趋势,分析广西干旱的时空变化特征。结果表明,受季风环流和地形分布影响,广西夏季发生干旱的概率较小,冬季普遍发生干旱,而春季和秋季干旱空间分布格局显著,桂西北地区和北部湾地区形成春季干旱格局,桂东北形成秋季干旱格局,且秋旱发生严重旱情的几率比春旱大。春旱区存在3 a、7 a和13 a的周期变化,秋旱区存在2 a、4 a、7 a和17 a的周期变化,且均在21世纪进入干旱周期。     

秦岭山地气候变化的地形效应

研究不同地形下的山地气候变化对于植被生长、不同动物种群的生存习性及对气候的应激性有重要意义。本文基于陕西秦岭地区1959—2016年32个国家站的日气温和降水资料,采用Anusplin插值法、标准化降水蒸散指数(SPEI)、稳健回归和Theil-sen回归法等方法分析了山区地形对气候变化的影响。结论如下:(1)58年来秦岭四个坡向上年均温度随着海拔的升高呈现显著下降趋势,年降水随着海拔的升高呈现不同程度的上升趋势。温度随坡度的增加表现出下降趋势;除秦岭南坡西段外,降水随着坡度的增加呈现出上升趋势,但均不显著。(2)年尺度上,秦岭山地南坡和南坡东段的气温呈显著增温趋势,南坡西段和北坡呈不显著增温趋势;四个方向上的降水均呈显著下降趋势。秦岭山地四个方向上的干湿等级为正常,北坡和南坡西段的干湿状况一致,58年年均SPEI均为0.07,南坡东段较暖湿(0.08),南坡较暖干(0.05)。(3)季节尺度上,秦岭山地四个方向上除了夏季外,其他季节的气温均表现出不同程度的升温趋势,降水均呈下降趋势。秦岭四个方向上四季干湿变化属于正常等级。秦岭北坡出现春季干暖化趋势;南坡秋季较暖湿;南坡东段和西段的冬季呈暖湿化特征;南坡西段夏季呈现暖干化特征。     

1960-2016年黄土高原多尺度干旱特征及影响因素

明晰黄土高原干旱特征对于生态工程建设和社会经济可持续发展具有至关重要的作用。基于1960—2016年黄土高原59个气象台站数据和标准化降水蒸散指标（SPEI）,本文分析了黄土高原多尺度干旱时空变化特征,并探讨了遥相关指数对黄土高原干旱变化的影响。结果表明：① 黄土高原SPEI指数呈下降趋势,其中70年代初和90年代末为显著干旱时期,80—90年代初为较湿润时期;② 年尺度SPEI呈下降趋势的区域遍布整个黄土高原,以山西西部、宁夏北部和甘肃中东部最为显著,而黄土高原西北和西南部则表现为变湿趋势;③ 春、夏和秋三季SPEI均呈下降趋势,且夏、秋季下降趋势较大,趋势系数均为-0.03/10a。春季干旱趋势与年际变化较为一致,秋季干旱趋势范围较大,占总面积的64.53%,冬季干旱范围较小且不显著;④ 多尺度干旱同时受IOD、NAO、PDO、AMO和ENSO3.4等遥相关指数的共同影响,且该影响存在明显的年际和年代际相位转换特征。多元回归分析显示,IOD和NAO对黄土高原干旱解释率较高,分别为22.98%和12.23%,而ENSO3.4解释率较低,表明黄土高原降水变化与西南季风具有较好的关联性。     

中国利用树轮资料重建干湿变化研究进展

树木年轮资料定年准确、分辨率高、连续性强,已成为研究过去全球变化的重要信息来源之一。中国树轮与干湿变化研究,样点分布广泛,研究树种较多,重建尺度较长。基于树轮宽度、密度和同位素等各种代用指标,在分析树木径向生长对干湿变化响应、重建历史时期干湿变化等方面取得很大进展。一般来说,在干旱半干旱区的低海拔区域,水分条件,尤其是春季、秋季和年湿润状况,是树木径向生长的重要影响因素。森林上限、相对冷湿区域以及亚热带气候区,树木生长与降水的相关性偏弱。在时间尺度上,基于树轮重建的长于1000年甚至超过2000年的干湿变化序列已有多条,主要分布在青藏高原地区。目前最长年表已达4500年,最长降水序列为3500年。本文通过对部分树轮成果的简要概括,以期为树轮采样和干湿变化重建提供借鉴与帮助。     

京津风沙源区干旱时空特征及对植被变化的影响

本文基于京津风沙源区27个站点1960—2014年逐月气温和降水数据,采用标准降水蒸散指数(SPEI),从干旱趋势、干旱面积和干旱频率等方面分析了研究区干旱的时空变化特征;在此基础上,利用SPEI和NDVI指数,分析了干旱对区域植被变化的影响。结果表明:(1)1960—2014京津风沙源区SPEI呈显著下降的趋势,多次严重干旱均出现工程实施的近15年。过去55年京津风沙源区大部分区域SPEI呈下降趋势,显著下降的区域主要集中在内蒙古草原地区。(2)1960—2014年轻度干旱、中度干旱和严重干旱的面积均呈上升的趋势。2001年和2009年严重干旱面积分别占整个研究区的49.00%和41.10%。(3)1960—2014年干旱频率从西北向东南呈递减趋势。1996—2014年干旱频率比1978—1995年和1960—1977年分别增长了7.59%和9.09%。京津风沙源区最长干旱持续时间都接近或超过半年。(4)1982—2014年研究区92.52%的区域SPEI和NDVI呈正相关关系,表明干旱会对区域植被产生重要影响。干旱趋势、干旱面积和干旱频率均表明,京津风沙源区干旱情况加重,尤其治理工程实施的近15年干旱程度更加严重。本文研究结果对京津风沙源区植被恢复重建具有重要的指导意义。     

基于SPEI指数的近53年河南省干旱时空变化特征

干旱在中国发生较为频繁,对农作物的影响较大。基于1961-2013年实测气象资料,利用标准化降水蒸散指数（SPEI）定量分析了河南省不同时间尺度干旱发生频率和发生强度,揭示了该地区干旱发生的时空演变特征及干旱发生的原因。结果表明：SPEI值能较好地反映河南省干旱的变化特征;随着时间尺度的减小,SPEI值波动幅度增加,干旱发生频率增加。近53年河南省干旱发生频率总体呈上升趋势,且各地区之间分布不均匀。周口地区发生频率最高,达35%以上;豫中和豫西地区最低,为26%左右。四季中以春、夏两季干旱发生最为严重,其次为秋季,冬季最弱。在年际变化方面,1966-1968年、1998-2000年和2011-2013年发生了大范围的持续干旱。干旱发生强度呈现豫北和豫西偏东地区高,豫东和豫南北部地区低特点;干旱发生强度最强的地区为安阳,为22.18%,最弱的地区为驻马店,为16.60%。     

树轮记录的吉尔吉斯斯坦东部过去百年干湿变化

利用吉尔吉斯斯坦东部chon-kyzyl-suu附近的两个树轮宽度年表,与CRU气温、降水资料和PDSI资料进行相关分析和响应分析,重建该地区过去百年的降水和PDSI,分析近百年吉尔吉斯斯坦东部干湿变化特征。结果表明：（1）该地区树轮宽度对降水和PDSI响应较好,利用树轮宽度年表可以较好地重建该地区过去百年上年7月到当年6月的降水和PDSI序列;（2）近百年该地区干湿变化具有明显的6 a、13 a和21 a左右的变化准周期;在1913年前后、1943年前后和1972年前后发生了由多到少的气候突变,在1950年前后发生了由少到多的气候突变;（3）吉尔吉斯斯坦东部过去百年干湿变化与中国境内天山山区降水变化一致：1890s偏干,1900s是最为湿润的10 a,1910s是最为干旱的10 a,1917年是近百年来最干旱的1 a,1920s-1930s偏湿,1940s偏干,1950s-1960s偏湿,1970s偏干,1980s-2000s偏湿,尤其是1980年以后到现在,天山山区经历了近百年最为漫长的增湿期;重建的近百年吉尔吉斯斯坦东部干湿变化能较好的代表西天山大部分区域尤其是西天山北坡吉尔吉斯斯坦境内的干湿变化。     

秦岭南北日照时数时空变化及突变特征

根据秦岭南北47个气象站1960-2011年逐月数据,采用样条曲线插值法（Spline）、气候倾向率、Pettitt突变点检测、相关分析等方法对该区日照时数的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行了分析。结果表明：（1）研究区多年平均日照时数为1 838.7 h,空间分布呈东北向西南递减格局,按各分区日照长短排序为秦岭以北>秦岭南坡>汉水流域>巴巫谷地。四季日照时数分布特征与年尺度上的结论基本一致,4个季节按其大小排序为夏季>春季>秋季>冬季,四季均以秦岭以北的日照时数最大。（2）近52 a各区年日照时数变化趋势较为一致,绝大部分站点呈下降趋势。下降的站点占本区站点总数的比例排序为巴巫谷地>汉水流域>秦岭以北>秦岭南坡,秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北日照下降更明显。春季47%的站点呈上升趋势,显著上升的站点集中于中部地区;夏季98%的站点呈显著下降趋势;秋季和冬季变化特征及其空间分布无明显规律。（3）年尺度、春季和夏季突变年份集中于1978-1981年间,秋季的突变特征不甚明显,突变年份和空间分布无明显规律性可言,冬季日照时数突变年份同步性和一致性较差。（4）绝大部分站点日照时数与风速、最高气温、平均气温呈正相关关系,与降水和相对湿度呈负相关关系,与最低气温关系不明显。     

Sensitivity and areal differentiation of vegetation responses to hydrothermal dynamics on the northern and southern slopes of the Qinling Mountains in Shaanxi province

The Qinling Mountains, located at the junction of warm temperate and subtropical zones, serve as the boundary between north and south China. Exploring the sensitivity of the response of vegetation there to hydrothermal dynamics elucidates the dynamics and mechanisms of the main vegetation types in the context of changes in temperature and moisture. Importance should be attached to changes in vegetation in different climate zones. To reveal the sensitivity and areal differentiation of vegetation responses to hydrothermal dynamics, the spatio-temporal variation characteristics of the normalized vegetation index(NDVI) and the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI) on the northern and southern slopes of the Qinling Mountains from 2000 to 2018 are explored using the meteorological data of 32 meteorological stations and the MODIS NDVI datasets. The results show that: 1) The overall vegetation coverage of the Qinling Mountains improved significantly from 2000 to 2018. The NDVI rise rate and area ratio on the southern slope were higher than those on the northern slope, and the vegetation on the southern slope improved more than that on the northern slope. The Qinling Mountains showed an insignificant humidification trend. The humidification rate and humidification area of the northern slope were greater than those on the southern slope. 2) Vegetation on the northern slope of the Qinling Mountains was more sensitive to hydrothermal dynamics than that on the southern slope. Vegetation was most sensitive to hydrothermal dynamics from March to June on the northern slope, and from March to May(spring) on the southern slope. The vegetation on the northern and southern slopes was mainly affected by hydrothermal dynamics on a scale of 3–7 months, responding weakly to hydrothermal dynamics on a scale of 11–12 months. 3) Some 90.34% of NDVI and SPEI was positively correlated in the Qinling Mountains. Spring humidification in most parts of the study area promoted the growth of vegetation all the year round. The sensitivity of vegetation responses to hydrothermal dynamics with increasing altitude increased first and then decreased. Elevations of 800 to 1200 m were the most sensitive range for vegetation response to hydrothermal dynamics. The sensitivity of the vegetation response at elevations of 1200–3000 m decreased with increasing altitude. As regards to vegetation type, grass was most sensitive to hydrothermal dynamics on both the northern and southern slopes of the Qinling Mountains; but most other vegetation types on the northern slope were more sensitive to hydrothermal dynamics than those on the southern slope.     

汉中盆地全新世沉积物成因研究

对于汉中盆地全新世沉积物野外考察和实验分析表明 ,汉江第一、二、三级阶地的松散沉积物具有风成黄土的特点。将其粒度成分和各项参数与黄土高原全新世典型黄土的对比分析 ,证明了汉中盆地在全新世时期有风成黄土堆积和古土壤形成。     

秦岭陕西段南北坡植被对干湿变化响应敏感性及空间差异

秦岭位于暖温带与亚热带交界处,也是中国南北地理分界线,秦岭南北坡植被对干湿变化响应敏感性,可以折射出暖温带、亚热带地区主要植被类型对于湿变化的响应规律和机制特征,对深入理解不同气候带植被变化规律具有重要意义.本文利用秦岭山地32个气象站点的气象数据和MODIS NDVI时间序列数据集,探讨了2000-2018年秦岭南北...     

秦岭中部山地降水的垂直变化研究

明确秦岭高海拔山区降水的变化规律,是深入理解秦岭作为中国南北地理过渡带特征、认识秦岭水资源在南水北调中线工程中重要作用的前提。但秦岭高海拔地区长期缺乏有效的降水观测数据,导致对其降水变化缺乏了解。利用2018年6月1日—2019年5月31日秦岭太白山海拔3760 m实测降水数据,发现在秦岭海拔3760 m处年降水量可达1300 mm,远高于汉江盆地和关中平原600~800 mm的年降水量。在此基础上,检验了克里金（Kriging）、反距离加权（IDW）和薄盘样条（ANUSPLIN）插值方法,以及GPM修正数据（GPM-cal）和ERA5再分析资料对秦岭中部山地年和季节降水空间模态的再现效果,各方案均能揭示秦岭高山区是降水高值中心,且降水随海拔的升高而增大,但利用克里金、反距离加权插值方案不能得到准确的高海拔降水值,与此相比,GPM-cal数据、薄盘样条插值与ERA5资料能较准确刻画秦岭中部山地年降水量随地形的变化。水汽通量分析显示,秦岭凭借高大地形对600 hPa高度以下的南来湿润气流具有明显的阻挡、强迫和拦截作用,使其南坡成为区域降水高值中心。结合高山区降水观测、薄盘样条插值、多源格点资料和数据修正方法,是认识秦岭山地降水形成和变化的有效途径。     

52 a来秦岭南北径流变化对比及影响因素

运用集中期、M-K突变检验法、径流系数等数理统计方法,基于1960-2011年马渡王与南宽坪径流数据及气象数据,对比分析灞河与金钱河流域径流变化特征,揭示秦岭南北气候变化差异得出：（1）52 a来灞河与金钱河年均径流深变化趋势相似,金钱河年径流深的变异程度大于灞河;（2）灞河与金钱河流域径流与降水在年内分配上存在滞后效应,秦岭南北从流域降水开始经过停蓄、漫流、河槽集流,然后汇流至金钱河河道大概需要20 d 左右的时间;（3）秦岭南北气候因子突变的时间点具有一致性,均发生在1990年左右,该突变可能是由于大尺度的气候变化导致局部地区自然环境变化引起的;（4）径流变化的下降趋势是降水、气温、植被变化和人类活动综合作用的结果。20世纪90年代末的径流突变主要原因是气候变化引起的,人类活动对其影响十分微小,因此,某些明显的突变现象是由于大的气候变化引起的,人类活动的影响是一个长期的过程,所以对自然资源应采取开发与治理同时进行。     

近60 a来西秦岭及周边地区降水的分布格局

基于西秦岭及周边地区15个气象站点的降水、气温等月值、年值资料,采用相关统计分析及检验的方法,研究了1951年以来该区域近60 a干湿变化的时空特征。结果表明:西秦岭及周边地区1951年以来降水量呈下降趋势,秋季降水量减少趋势最明显,速率为-18.6 mm· (10 a)^-1;而近60 a年平均气温呈上升趋势,升温速率为0.28℃· (10 a)^-1。对比气温和降水要素,西秦岭及周边地区年平均温度每升高1℃,则年降水减少37 mm,表明该区近60 a由冷湿向暖干转变。同时将气候要素与Niño3.4指数进行相关分析,结果显示在厄尔尼诺事件发生当年该区降水少,气温高,容易发生干旱。利用改进的经验正交函数法分析西秦岭及其周边地区15个气象站点的气候要素,发现该区年降水距平百分率的第一模态解释方差为49.0%,整个区域呈同向变化,而年平均温度距平第一模态解释方差为78.8%,在整个区域内亦呈现同向变化。对比两个要素第一模态显示西秦岭近60 a东部地区与西部地区相比,呈现降水减少幅度大,气温升高速率小的分布格局。     

1966—2018年河西走廊春季寒潮频次及影响因子分析

基于甘肃河西走廊15个国家基准基本站点提供的1966年1月1日~2018年12月31日春季（3~5月）逐日最低气温值数据,利用线性回归分析方法、Spline空间插值法和Mann-Kendall趋势和突变检验法,探讨了河西走廊地区1966—2018年春季（3~5月）寒潮频次变化及其影响因子。研究表明：（1） 1966—2018年河西走廊地区春季（3~5月）单站寒潮频次总体呈现下降趋势〔–0.098次·（10 a）^–1〕,其中1980—2010年寒潮频次呈显著下降趋势,2010年之后下降趋势变缓,未通过显著性检验;区域寒潮53 a来频次总体呈缓慢下降趋势〔–0.015次·（10 a）^–1〕。（2） 近53 a河西走廊地区春季三个月中,单站寒潮总量4月>3月>5月,其中4月、5月寒潮频次下降不明显,3月频次下降显著。（3） 空间上,大致以北大河和黑河干流为界,两河中间区域春季寒潮频次低,而北大河以北和黑河干流以东区域则是寒潮高值区,走廊外围地区寒潮频次较高,且大多呈显著下降趋势,寒潮频次与气温距平存在明显负相关关系,内部地区变化趋势不明显。（4） 河西地区春季寒潮频次受气候变暖、地形和大气环流的影响,寒潮频次变化趋势存在地区差异。研究可提高对甘肃河西走廊寒潮演化过程的认知,为河西走廊气候变化的进一步研究奠定基础。