基于多源数据的农业干旱监测模型构建

在全球气候变暖的大背景下,干旱事件发生越来越频繁,严重危害我国的粮食生产安全。构建准确的干旱监测模型不仅能够及时地反映出干旱事件的发生,同时可以为地方政府制定减灾保产措施提供科学支撑和保障。传统的气象干旱监测方法因为缺乏对植被本身需水状态和土壤供水信息的考虑旱情判定结果往往比实际情况偏重,而遥感监测指标大多只考虑了植被或土壤等单方面因素具有局限性,目前已有的综合干旱监测模型大多以气象指标为因变量,一方面需要数据资料较多参数复杂,另一方面模型准确度依赖于气象指标对当地农业干旱的响应能力,而同一气象指标在不同区域适应性存在差异,因此同样存在局限性。本文以河南省的冬小麦为研究对象,利用2001-2011年的EOS-MODIS数据产品以及气象站点监测数据,计算了标准化降水蒸散指数SPEI、植被状态指数VCI、温度状态指数TCI、温度植被状态指数TVDI,同时结合河南省农业气象灾害旬报对冬小麦受灾的记录,构建了基于决策树的定性农业干旱监测模型。测试集结果表明,模型综合了大气异常信息、植被状态信息以及土壤水分信息,优于单个指标的监测结果。另外,基于此模型监测了河南省2009年4-5月的干旱事件,结果与实情相符,能够较好地反映农业旱情的发生和空间演变情况。     

2010年中国西南旱情的时空特征分析——基于MODIS数据归一化干旱指数

 近年来,干旱灾害频繁发生,对区域内农业生产和生态环境造成了极大的破坏。为了快速准确地获取大面积地表土壤水分信息用以评估地表受旱程度,本文以2010年年初中国西南大旱为例,运用MODIS可见光-红外波段数据以及像元可信度综合生成了归一化干旱指数(NDDI)。同时,结合研究区内地面气象站点实测的土壤湿度数据验证了NDDI对地表土壤湿度的敏感度。结果表明:相比于植被状态指数(VCI)干旱监测模型,NDDI能更加灵敏地对浅层地表干湿变化做出迅速响应。最后,本文利用NDDI分析了2010年年初中国西南大旱旱情发展的时空演变过程,宏观上重现了此次旱情的发展历程,并使用该指数统计了不同时间节点、不同干旱等级下的贵州省土地受旱面积。结果显示:2010年1月-2010年4月为贵州省旱情最为严重的4个月,平均受旱面积达103 352km²,最大受旱面积达132 257km²,占贵州省总面积的75%以上。同时,旱情等级为重旱的土地面积最大达到88 246 km²,占贵州全境土地面积的50%以上。     

基于随机森林的遥感干旱监测模型的构建

利用遥感数据进行大面积旱情监测是现有干旱监测的重要方法之一,然而传统的遥感干旱监测方法主要侧重于对土壤湿度或植被状况等单一干旱响应因子进行监测,对综合多因子的干旱监测研究较为有限。随机森林是一种机器学习方法,具有学习过程快速、运算速度快、稳定性好、预测精度高的优点,近年来被应用于生态环境等多个领域。本文利用2001-2010年4-9月的MODIS数据提取的植被状态指数（VCI）、温度状态指数（TCI）和土地覆盖类型（LC）,TRMM降水资料计算的TRMM-Z指数及SRTM-DEM、土壤有效含水量（AWC）等多个遥感及土壤资料提取的干旱因子为自变量,以气象站点的综合气象干旱指数（CI）为因变量,利用随机森林模型构建遥感干旱监测模型,并以河南省为研究区进行了评价和分析。该模型在2009-2010年的监测值和实测CI值的具有显著的相关性,并且二者干旱等级的一致率为81%。在2001-2010年4-9月间,模型监测值与气象站点的标准降水蒸散发指数（SPEI）总体干旱等级一致率为74.9%,较为一致,其中9月的模型结果与SPEI的干旱等级一致率最高,达到82.4%,空评估率和漏评估率最低;与10 cm土壤相对湿度的相关系数在0.475-0.639之间,达到极显著水平。河南省2011年4-6月干旱事件同样验证了本文构建的模型旱情监测结果,说明本模型能较好地就应用于监测区域旱情监测。     

基于植被状态指数的云南省农业干旱状况时空分析

本文首先计算了云南省2004-2013年农业干旱指数VCI,然后使用Pearson相关系数评价降水与VCI的相关性,基于VCI识别云南省2004-2013年农业干旱事件,最后,与SPEI气象干旱识别结果进行对比分析,在VCI农业干旱识别的基础上,使用干旱频率和干旱面积占比指标分析了云南省2004-2013年农业干旱时空特征。结果表明：降水只是影响VCI指数的关键因素之一;VCI和SPEI指数均能够较好对干旱进行监测并识别典型干旱,但两者的识别结果存在差异;云南省农业干旱频率在春冬两季较高,夏季较低,秋季介于夏季和春冬季之间;春夏冬三季农业干旱频率空间分布较为均匀,秋季农业干旱频率呈南低北高的分布态势,整体上北部干旱频率高于南部;2004-2013年云南省整体干旱面积占比呈现先减小后增加再波动的趋势,春冬两季整体干旱面积占比最高,分别为46.63%和47.18%,呈现下降趋势,夏季整体干旱面积占比最低,为43.81%,呈现上升趋势,秋季整体干旱面积占比介于冬春季和夏季之间,为45.74%,呈现下降趋势。总之,云南省农业干旱春冬易发性最高,影响范围最大,夏季易发性最低,影响范围最小。     

长江流域陆地水储量异常的卫星重力监测与干旱指数对比分析北大核心CSCD

利用GRACE/GRACE-FO数据对长江流域2003~2021年期间发生的干旱事件进行定量分析,以探究卫星重力监测区域性干旱的可行性。采用3个机构发布的5种GRACE/GRACE-FO数据产品(CSR_SH、JPL_SH、GFZ_SH、CSR_M、JPL_M)反演长江流域陆地水储量异常(TWSA),计算陆地水储量亏损(WSD)和水储量亏损指数(WSDI),结合气象干旱数据(SPI、SPEI、scPDSI)对5种数据产品的结果进行比较,并对2003~2021年长江流域干旱事件进行分析。结果表明,不同机构发布的GRACE/GRACE-FO数据产品对长江流域干旱事件严重等级的划分具有一定差异;WSDI与6个月时间尺度的SPEI相关性最高,相关系数为0.66,与scPDSI相关系数最低为0.54,降水是影响长江流域陆地水储量变化的重要因素;长江流域最严重的干旱事件发生在2019年夏秋季,干旱强度为2.31,持续10个月,水储量累计亏损达到415 Gt,此次干旱事件的WSDI空间分布图显示2019-09干旱最为严重,出现极端干旱区域。WSDI可反映长江流域干旱分布的时空变化,可在监测全球和大尺度区域干旱方面发挥重要作用。     

基于GRACE重力卫星数据监测分析贵州干旱特征

基于GRACE重力卫星数据,采用改进的组合高斯滤波法和尺度因子法提高数据精度,利用陆地水储量变化原理反演贵州2003-08~2013-07的水储量变化量,并将计算的相对水储量指数作为干旱指标,提出运用游程理论基于相对水储量指数识别干旱历时和干旱烈度,监测分析贵州干旱特征。结果表明,基于GRACE卫星数据获得的相对水储量指数与SPI3变化趋势基本一致;GRACE卫星监测到2003-08~2013-07贵州每年都有干旱事件发生,历时最短为1个月,其中历时≥3个月的干旱事件共9次;干旱强度较大的事件发生在2003~2006年和2009~2011年,其中2006年和2011年水储量亏损较严重,与贵州实际的干旱情况相吻合。     

利用GRACE时变重力场数据监测长江流域干旱

利用2003-01~2014-12 CSR和JPL的RL06 Mascon解、RL06球谐系数（SH）解及level-3等6种GRACE时变重力场模型数据和GPM数据产品,分别计算长江流域的水储量和降雨变化,并利用广义三角帽方法分析GRACE数据的不确定性,同时计算水储量亏损指数（WSDI）,以监测和分析长江流域干旱的时空特征,并与改进的帕默尔指数（scPDSI）进行对比。结果表明：目前在反演水储量变化方面,Mascon方法的不确定性小于球谐系数法,JPL_M、CSR_M、CSR_L3、JPL_L3、CSR_SH和JPL_SH的具体不确定性分别为3.51 mm、3.78 mm、5.45 mm、9.87 mm、9.12 mm及10.71 mm;降雨是影响长江流域水储量变化的重要因素,两者的相关系数达0.67,同时两者都具有明显的季节性变化;水储量亏损指数探测到2003-01~2014-12长江流域共历经6次干旱事件,最长时间的干旱始于2003-02,持续24个月;最严重的干旱发生于2006年春季和2011年夏季,强度分别为2.15和1.97;平均水储量亏损指数的空间分布表明,2006-07~2007-06几乎整个长江流域都处于干旱状态,而2011-03~11干旱主要集中于长江流域下游、中游和上游东南地区。     

利用GNSS垂向位移研究云南地区水文干旱特征

从中国大陆构造环境监测网络获取云南地区26个GNSS站2011～2019年垂向位移数据,计算基于GNSS垂向位移的干旱强度指数(GNSS-DSI),分析云南地区水文干旱事件。结果表明,GNSS-DSI与基于GRACE重力卫星观测数据计算的干旱强度指数(GRACE-DSI)具有较好的相关性,2种DSI数据在81%的站点具有中强相关性(0.45～0.78);GNSS-DSI可以探测并定量表征云南地区2011～2019年发生的7次中度到特大干旱事件。     

利用GRACE/GRACE-FO重力卫星探测黄河流域水储量能力及极端气候发生的可能性

基于2004~2021年GRACE/GRACE-FO重力卫星数据反演黄河流域陆地水储量时空变化,并构建干旱指数模型和洪水因子模型,对黄河流域的极端气候现象进行分析研究。结果表明,2004~2021年黄河流域的陆地水储量以0.56 cm/a的速度减少,具有明显的季节周期性特征,在夏季和秋季呈盈余状态,春季和冬季呈亏损状态;干旱指数模型监测到期间黄河流域发生极度干旱事件22次、重度干旱事件37次,干旱事件范围涵盖整个黄河流域;洪水因子模型探测到黄河流域共发生洪水事件118次,多出现在夏季和秋季雨水较为丰沛的时候,期间黄河流域陆地水储量能力较弱,降雨量增大。利用GRACE/GRACE-FO重力卫星数据构建的干旱指数模型和洪水因子模型探测的气象结果与实际观测结果较为符合,能真实反映黄河流域发生的极端气候,可为极端气候研究提供有利工具。     

干旱胁迫下植物抗逆性大尺度遥感监测方法

目前干旱与植被关系的研究主要集中于气候因子与植被时空变化的相关性分析以及植被对气候变化的响应,能够适用于大尺度的植物抗逆性监测方法还较为欠缺。本文基于归一化植被指数（NDVI）、总初级生产力（GPP）、修正花青素含量指数（mACI）、短波红外水分胁迫指数（SIWSI）监测干旱胁迫下的植被变化,综合考虑植物抗逆过程,建立滞后时间、抗逆时差、响应程度与恢复能力4个植物抗逆性监测指标,构建了一种能够适用于大尺度的植物抗逆性综合监测方法。利用各省份作物抗逆性综合评分与绝收比例进行相关性分析,两者呈显著负相关。利用该方法对干旱胁迫下我国不同类型植被的抗逆性进行评估,结果表明：① 从全国整体水平来看,不同季节植物抗逆性差异较大,其中夏季植物抗逆性最弱,冬季最强。我国植物抗逆性空间异质性显著,春季植物抗逆性综合评分低于70分的区域主要位于山西、陕西北部,综合评分高于90分的区域主要集中在内蒙古东北部以及云南的南部地区; ② 不同类型植被的抗逆性有明显差异,夏季落叶针叶林抗逆性最强,类内差异最小,春秋两季草地抗逆性最强但抗逆性类内差异最大。本文提出的植物抗逆性综合监测方法有助于探索干旱胁迫下植物抗逆性规律,对帮助降低灾害风险具有借鉴意义。     

龙江流域下游南岸段遥感干旱监测研究

针对龙江流域下游南岸段干旱缺水的自然灾害现象,文章建立了新的基于温度植被干旱指数(TVDI)的遥感监测信息模型,并建立了干旱分级标准。经过反复试验结果表明,该干旱遥感监测模型对于区域性的干旱监测具有较好的实用性,可广泛用于干旱的监测、评估及预报工作。     

干旱遥感监测方法及其应用发展（可下载全文）

 干旱是世界上影响范围最广和造成社会经济损失最严重的一种自然灾害。本文从干旱遥感监测的不同角度出发,总结了目前干旱遥感监测的主要方法、应用状况及优缺点。主要包括针对裸土地表类型的热惯量法、微波法,针对植被覆盖地表类型的可见光、近红外、短波红外等波段反射率数据的归一化植被指数法、距平指数法、条件植被指数法、归一化差值水分指数、归一化干旱指数、植被供水指数等,以及热红外遥感数据的温度植被干旱指数、温度条件指数、作物缺水指数、水分亏缺指数等。最后,提出了加强干旱遥感监测技术研究的建议,同时指出将可见光和微波相结合的指数模型的研究是干旱遥感监测可能的发展方向。     

基于SPEI的内蒙古地区近55年干旱时空变化趋势分析

研究干旱变化的特征,有利于预防干旱发生.利用1961～2016年内蒙古境内的气温、降水数据计算得到不同时间尺度的标准化降水蒸散指数,结合趋势分析法、Mann-Kendall突变检验法和消除趋势波动(DFA)分析法,分析不同时间尺度干旱演变趋势及未来干旱预测.结果表明:①内蒙古年际干旱呈现增加趋势,1995年发生突变,由湿润转变为干旱.总体上,内蒙古地区呈现东部干旱程度加重,而西部减缓的趋势.轻旱发生频率较高,且东南部干旱的发生较多.②春、夏和秋季存在明显变干及突变趋势,且突变年份不一致,而冬季有不太明显的变湿趋势.春、夏和秋季干旱发生较为严重且范围较广.③在未来,内蒙古地区干旱将保持现有趋势,干旱仍持续一段时间.     

甘肃庆阳地区春末夏初干旱的气候特征及预测模型

应用自然正交函数分解(EOF)方法,分析了甘肃省庆阳地区春末夏初干旱的综合评价指数DH的空间分布特征及随时间演变规律,并提出了抗旱生产建议;分析了春末夏初干旱对冬小麦和玉米产量的影响;应用逐步回归方法建立了春末夏初干旱的预测模型,业务使用效果良好.     

延安地区明代干旱灾害与气候变化研究

通过对陕西省延安地区明代(公元1368—1644年)历史资料的搜集和整理,对该时期干旱灾害等级、时间变化及成因进行了分析。结果表明:在明代的277年中,延安地区共发生干旱灾害91次,平均每3年发生1次。轻度干旱灾害发生17次,中等干旱灾害发生30次,大干旱灾害发生29次,特大干旱灾害发生15次,分别占到干旱灾害总数的18.7%、32.9%、31.9%和16.5%。大干旱灾害与特大干旱灾害发生频次高是明代延安地区干旱灾害的突出特点,指示明代总体为干旱气候期。延安明代干旱灾害可分为4个阶段,第一阶段为公元1368—1420年,为干旱灾害少发期;第二阶段为公元1421—1520年,为干旱灾害多发期;第三阶段为公元1521—1617年,为干旱灾害少发期;第四阶段为公元1618—1644年,为干旱灾害多发期。各等级干旱灾害特别是大与特大干旱灾害显著增加,指示第二、四阶段气候显著变干,降雨量明显减少。延安地区明代出现了2个极端干旱气候亚阶段,分别在1480—1499年和1626—1641年之间,当时年均降水量比现今少200 mm左右。     

利用GRACE监测中国区域干旱及其影响因素分析

利用2003-01~2012-12的GRACE时变地球重力场模型计算我国长江中下游平原、西南地区和华北平原陆地水储量变化的时间序列。结果表明,长江中下游平原和华北平原的陆地水储量变化量最低值在2011-05,西南地区最低值在2010-03。根据陆地水储量变化的水平衡原理计算3个区域地下水储量变化情况。结果表明,长江中下游平原和西南地区地下水储量呈缓慢增长的趋势,增长速率分别为0.54 mm/月和0.34 mm/月;华北地区呈缓慢减小的趋势,减小速率为0.33 mm/月。3个区域干旱时期地下水储量的亏损情况分别为：长江中下游平原-21.31 mm/月,华北平原-19.88 mm/月,西南地区-15.72 mm/月。最后,用NOAA发布的月降雨和气温数据对3个区域干旱期间的降雨量和蒸发量进行量化,分析3次干旱产生的原因。结果表明,西南地区2010年春季干旱的主要原因是气温异常,长江中下游平原和华北平原2011年干旱的主要原因是降雨量偏少。     

党旗猎猎战旱魔——记广西抗旱救灾中的各级党组织和党员干部

<正>在中国抗旱救灾历史上,2010年注定要留下浓墨重彩的一笔!2009年8月以来,中国西南地区遭受了罕见的秋冬春连旱,旱情等级达到严重干旱,其中位于广西西北     

干旱荒漠区植被覆盖变化的遥感监测分析

多期的遥感数据可以用来分析干旱荒漠区植被的空间分布格局和变化特征。本文以1989、2000和2007年3个不同时相的Landsat TM/ETM+影像为数据源,利用线性光谱混合分析和RGB彩色合成法构建一个研究框架,对古尔班通古特沙漠西缘进行植被信息的提取和变化监测分析。在混合像元分解过程中,通过多种方法选择端元,比较...     

四川盆地避旱时段的诊断分析及干旱胁迫分型

利用干旱动态评估模型,设计出评估干旱胁迫程度的干旱胁迫指数,并分析了各地避旱时段。根据避旱时段的不同,确定了四川盆地的干旱胁迫分型。同时还研究了不同等级避旱时段的分布规律,为农业生产的合理布局提供了重要的科学依据。     

北方农牧交错区干旱特征变化及其对植被总初级生产力的影响

北方农牧交错区地处半湿润/半干旱生态脆弱过渡带,干旱是影响该区植被生产力的关键因素之一。探究干旱对植被总初级生产力的影响,对深刻理解气候变化下生态系统生产力变化响应特征及优化区域碳水循环具有重要意义。为了更好地了解水分限制区不同干旱特征对GPP影响,本研究以北方农牧交错区为例,基于长时间序列的标准化降水蒸散发指数(SPEI3,1900—2020年)和植被总初级生产力(GPP,1982—2018年)等数据,首先采用小波分析明确SPEI3与GPP强相关周期,在此基础上利用游程理论识别干旱特征,进而分析了北方农牧交错区干旱特征与GPP的变化趋势,最后厘定了不同干旱特征对GPP的影响。结果表明:(1) 1982—2018年北方农牧交错区SPEI3与GPP在半年周期和年周期存在显著相关关系,滞后效应随时间变化而变化;年际分析能够减弱滞后效应对SPEI3与GPP相关性的影响;(2) 1900—2020年北方农牧交错区干旱历时、干旱烈度和烈度峰值均呈现显著增加趋势,干旱烈度随着干旱历时和烈度峰值的增加而加剧,干旱特征高值区往往具有更强的增加趋势;(3) 1982—2018年北方农牧交错区GPP总体呈...