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。     

基于标准化降水指数的中国冬季干旱分区及气候特征

利用中国614个气象台站1951—2006年历年月平均降水资料,计算各站的标准化降水指数及其干旱等级序列,采用REOF等方法进行气候分区,分析各区域近55 a干旱等级的时空变化,并着重讨论了黄淮—华北冬小麦种植区冬季干旱的大气环流特征。结果表明,我国冬季降水具有显著的年代际变化,西北的新疆地区,华北及黄淮地区自进入21世纪以来,冬季降水量增加十分明显,而西南,青藏高原及华南地区冬季降水量有所减少。根据标准化降水指数的旋转载荷向量可将中国划分为13个区域,其干旱等级序列和代表站资料反映出近55 a西北地区东部、河套及华北北部有变干的趋势,而新疆北部、东北北部、华北南部、江淮、江南地区降水量有增加的趋势。乌拉尔山—青藏高原脊、东亚大槽及西太平洋副高是影响北方冬麦区旱涝最主要的大气环流系统,其对分析、预测旱涝具有十分重要的指示意义。     

基于标准化降水指数的1960—2011年中国不同时间尺度干旱特征

利用1960—2011年中国566个气象站逐日降水资料,采用标准化降水指数对近52年中国的干旱特征进行了详细分析。结果表明：近52年来,中国存在一条由东北向西南延伸的干旱趋势带,东北、内蒙古中东部、华北、西北地区东部以及西南地区东部趋于干旱,而西北地区西部的北疆地区、青海中部以及西藏中北部等地呈显著变湿趋势;华北地区干旱化主要是夏季趋于干旱引起的,东北和西南地区的干旱化主要是夏、秋季趋于干旱引起的,西北地区东部和长江中下游地区主要是春、秋季趋于干旱。东北地区20世纪70年代和2000年后轻旱以上日数较多,60年代干旱日数最少;华北地区和西北地区东部90年代最多,60—80年代旱日较少;西南地区东部2000年后干旱日数最多,60—70年代较少;长江中下游地区60年代和21世纪后干旱日数偏多,80年代较少。60年代,易旱区主要位于西北地区中、西部以及长江中下游部分地区;70年代,西北西部和东北地区是干旱的高发区;80年代,易旱区位于华北、黄淮、内蒙古中西部以及西南东部等地;90年代,易旱区转移到中部,西北地区东南部、华北、黄淮、江淮以及江汉等地是干旱的高发区;进入21世纪后,东北、内蒙古东部、西北地区东部、西南东部以及长江中下游的部分地区干旱高发。     

基于标准化降水指数的陕西黄土高原地区1971—2010年干旱变化特征

利用陕西黄土高原地区68个气象站降水资料,选择标准化降水指数（SPI）为干旱指标,分析了该地区最近40年（1971—2010年）的月、季、年干旱特征,在此基础上利用经验正交函数(EOF)分解方法进行了干旱分区,并分析了全年及各季节干旱站次比和干旱强度的年际变化。结果表明:EOF分解第1、2、3特征向量分别反映了陕西黄土高原地区干旱的一致变化、南-北反向分布和中部-南北反向分布的不同特点;年度干旱站次比和干旱强度有明显的阶段性分布特点,在年代之间有重-轻-重-轻的变化趋势。2001年以来,年度和夏、秋、冬季干旱强度都有不同程度降低,春季干旱有增强趋势。陕北和关中地区的春季、夏季干旱变化趋势相反,秋季、冬季干旱变化趋势一致。地区平均每年出现干旱月3.8个,几乎每年都有干旱月出现,最多的一年可出现6—9个干旱月。     

基于SPEI和SDI指数的云南红河流域气象水文干旱演变分析

本文基于红河流域43个气象站1961-2012年逐月降水、气温数据以及干支流2个水文站1956-2013年逐月流量数据,采用标准化降水蒸散指数(SPEI)和径流干旱指数(SDI)分析流域气象水文干旱的演变特征,并探讨水文干旱对气象干旱的响应。结果表明：①1961-2012年期间,流域总体上表现出干旱化的趋势,季节变化上春季有变湿的趋势,而夏、秋、冬三季有变干的趋势,但趋势并不显著。干旱频率季节空间分布差异较大,春旱和冬旱发生频率较高。从干旱范围来看,春旱范围呈缩小的趋势,夏旱、秋旱和冬旱范围表现出不同程度的增大趋势;②1956-2013年期间,流域水文干旱表现出加剧的趋势,其中1958-1963、1975-1982、1987-1993、2003-2006和2009-2013年为水文干旱多发期,近10年来频率明显增加;③流域水文干旱滞后于气象干旱1~8个月,气象和水文干旱事件的干旱历时、严重程度和强度之间具有紧密的相关性,流域气象干旱是水文干旱的主要驱动力。     

基于SPEI的中国东北地区1961-2014年干旱时空演变

利用中国东北地区84个气象站1961-2014年逐月气温、降水资料,采用标准化降水蒸散指数（SPEI）、气候倾向率及M-K统计检验方法,从不同时间尺度（年、季、月）探讨了东北地区干旱频率、干旱站次比和干旱强度的演变特征,研究了干旱指数与不同环流指数 （亚洲极涡面积指数I_APV、亚洲纬向环流指数I_AZC、东亚槽位置指数I_EAT、极地-欧亚遥相关型指数I_POL）的相关关系。结果表明：东北地区多年平均的干旱发生频率为26%～36%,不同等级干旱发生频次以重旱和特旱的增速最快。春、夏、秋三季干旱站次比和干旱强度都有所增强,其中秋旱变化最为显著,通过了0.95水平的显著性检验。从SPEI与各环流指数的相关来看,亚洲极涡面积指数与SPEI表现为全区一致的正相关关系,而其他3个指数与SPEI则表现出明显的反向变化。4个指数与SPEI的对应关系还存在明显的季节变化,其中亚洲极涡面积指数、亚洲纬向环流指数与SPEI在春、夏季的相关性更好,东亚槽位置指数、极地-欧亚遥相关型指数则是在秋、冬季与SPEI的相关性更显著。     

毛乌素沙地1969—2009年主要气候因子时间序列小波分析

采用Morlet复值小波变换法对毛乌素沙地5个气象站点1969—2009年主要气候要素不同时间尺度下的变化周期和突变点进行了分析,并根据主周期预测了未来气温、降水和相对湿度的变化趋势。结果表明:1969—2009年,毛乌素沙地年平均气温呈现出波动上升的趋势,平均上升0.401℃/10a,年降水量和年平均相对湿度的变化趋势不明显;毛乌素沙地年平均气温、年降水量和年平均相对湿度的年际变化过程中存在着多重时间尺度上的复杂嵌套结构,在不同的尺度周期中,表现出不同的冷暖、干湿振荡规律,总体表现为由小尺度无明显规律的剧烈振荡向大尺度有明显规律的振荡变化;目前气候正处于"暖干"向"暖湿"的过渡阶段,且这种暖湿化主要受气候周期性变化的影响。     

1947-2006年东半球陆地干旱化特征——基于SPEI数据的分析

 利用1947—2006年逐月全球陆地高分辨率(0.5°×0.5°)标准化降水蒸散指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)资料,分析了过去60 a东半球(40°S—80°N,20°W—180°E)陆地的干旱化趋势和变率、干旱面积变化、干旱事件的持续性和周期性以及可能的变化成因等。结果显示,东半球80%的陆地上目前处于干旱化进程中,其中北非及中蒙边界等地干旱化趋势最为显著。干旱变率最大地区出现在非洲北部、中国青藏高原、中国西北东部及中蒙边界一带、俄罗斯中北部以及东北部。北非、中蒙边界中段及中国青藏高原地区也是持续性异常干旱事件出现频次最高的地区。基于功率谱的周期分析则显示,东半球大部分地区第一显著周期为1.5～3 a左右,中亚部分地区存在准4 a周期振荡,而北非地区存在准12 a周期的年代际变化。SPEI距平场的经验正交函数(EOF)分析第一模态反映了东半球陆地大部分地区干旱化总体上具有一致性,对应的时间函数与全球陆地气温距平相关系数高达0.81,表明全球变暖与东半球干旱化趋势有着紧密联系;第二模态对应的时间函数与超前8个月的南方涛动指数(SOI)的相关系数为0.60,因而大尺度的干旱周期性振荡受ENSO活动影响显著。     

毛乌素沙地现代沙丘沙的粒度特征及其意义

对毛乌素沙地不同类型41个现代沙丘的沙粒度分析结果表明,流动沙丘沙主要由细沙和中沙组成,平均粒径为2.17 Φ;固定-半固定沙丘沙的主要粒级是细沙和极细沙,平均粒径为3.09 Φ。流动沙丘沙平均粒径整体自西北到东南减小,而分选性总体表现为中等-较好,无明显空间变化规律。概率累计曲线和粒度特征参数散点图表明,毛乌素沙地沙丘沙以跃移搬运方式为主,存在着就地起沙和就地堆积的可能。平均粒径和分选性空间变化规律的差异,是在频繁强烈的风沙活动环境下物源和大气环流共同作用的结果。     

两种不确定性来源对干旱指数SPEI及干旱评估的影响

全球气候变暖背景下,干旱问题更加频繁、持久,影响范围也逐步扩大。采用干旱指数进行干旱评估与研究时,受多种因素影响,干旱评估结果往往存在一定的不确定性。以黑河流域为研究区,分析概率分布模型和参数估计误差这两种不确定性来源对标准化降水蒸散指数（Standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI）和干旱特征变量（干旱强度、干旱峰值和干旱历时）的影响。结果表明：这两种来源均会对SPEI和干旱特征变量产生影响,且SPEI越极端,其影响越大,二者对于极端和严重干旱的影响程度远大于对轻度和中度干旱的影响;对于极端和严重干旱,概率分布模型导致的干旱强度和干旱峰值的不确定性更大,参数估计误差导致的干旱历时的不确定性更大。研究结果可为干旱的准确评估提供支撑,在防旱减灾工作中为制定更加准确有效的抗旱决策提供理论支持,以避免可能造成的减灾能力不足或抗旱资源的浪费。     

毛乌素沙地与浑善达克沙地水分深层渗漏特征对比

深层渗漏是沙地地表水和地下水连通性的重要指标.为了深入分析不同沙地深层渗漏的特征,采用渗漏仪实时监测流动沙丘降雨对200 cm深层的补给水量.结果表明:浑善达克沙地2017-2019年降雨量为229.9±45.6 mm,年渗漏量8.2±7.4 mm、年渗漏量占同期降雨量3.1％±2.3％;毛乌素沙地2013-2015年...     

毛乌素沙地土地沙漠化评价

基于遥感监测反演数据,以多等级土地沙漠化转化度为评价指标,研究构建了毛乌素沙地土地沙漠化转化度模型,并对20世纪80年代末到90年代末期间毛乌素土地沙漠化转化情况和转化机理进行了系统评价和分析。评价发现,毛乌素沙地土地沙漠化情况为:东部区沙漠化发展的转化度为12.113%,逆转的转化度为9.639%,所以该区沙漠化呈现加重的态势;中部区沙漠化发展的转化度为14.551%,逆转的转化度为18.954%,但强烈发展所占比例较大,可见该区土地沙漠化呈现面积缩小、程度加重的特点;西部区沙漠化发展的转化度为8.731%,逆转的转化度为7.298%,说明该区土地沙漠化发展略大于逆转,沙漠化面积扩大,但分析发现该区重度、极重度沙漠化土地逆转的转化度很高,总和为6.483%,约为发展转化度总和的两倍,所以该区土地沙漠化程度整体减轻。     

毛乌素沙地植被物候时空变化特征及其影响因素

利用MODIS归一化植被指数(NDVI)对2001-2013年毛乌素沙地植被物候的时空变化进行了研究,并分析了物候与海拔、气候的关系。结果显示:(1)毛乌素沙地植被生长开始期(SOG)集中在第90～156天,生长结束期(EOG)在第245～323天,生长季长度(LOG)118～200 d;从东到西,SOG逐渐推迟,LOG逐渐缩短;随着海拔的升高,SOG显著推迟,EOG提前,LOG显著缩短。(2)2001-2013年,毛乌素沙地植被SOG明显提前,变化幅度为9 d/10a(R=-0.46,p=0.06),EOG和LOG分别呈提前和延长趋势,但变化都不显著。(3)研究区植被物候与温度的相关性不明显,但较多受降水量的影响,SOG与春季降水量的相关系数为-0.58(p=0.02);EOG与秋季降水量的相关系数为0.42(p=0.07);LOG与秋季降水量的相关系数为0.48(p=0.05)。     

毛乌素沙区沙漠化土地防治区划

毛乌素沙区在自然条件、沙漠化程度和变化趋势及产业经济发展特征等方面具有明显的空间异质性,合理地进行区域沙漠化土地防治区划是因地制宜开展土地沙漠化防治工作的重要基础。选取自然条件、沙漠化发展过程及人类活动等方面12个指标,将毛乌素沙区划分为黄土高原与鄂尔多斯高原过渡区、毛乌素沙地腹地典型草原区和西鄂尔多斯荒漠草原区3个区、7个亚区、12个小区。在区域可持续发展战略的实施过程中,要根据亚区和小区的特点有针对性地进行沙漠化土地的防治,充分利用区域资源优势,优化产业结构,确保经济效益、社会效益和生态效益的稳步提升。     

毛乌素沙地样品扫描电镜的矿物定量分析

矿物定量分析实验用捷克FEI公司生产的MLA650F型矿物解离分析仪,采用MLA原样法和MLA重矿法分别对毛乌素沙地西南和东南地区典型沙样的矿物组成以及含量进行分析,结果表明:MLA650F仪器测量结果的重复性好,精确度高,测得的矿物种类比光学显微镜更丰富,但不能如同光学显微镜一样直接提供矿物最原始的颜色、形状、透明度、光泽、表面断口等特征。虽然扫描电镜与光学显微镜测得的单个矿物含量和矿物分析指标存在一定差异,但矿物含量变化趋势基本一致,均得到毛乌素沙地主要轻矿物以石英-长石为主,重矿物以角闪石-石榴子石为主的结论。此外,扫描电镜与光学显微镜对同一样品的矿物分析指标变化趋势基本一致,其中MLA原样法与光学显微镜的Q/TF和ATi指标同化学风化指标CIA结果一致,均表明毛乌素沙地西南地区风化作用较东南地区强。虽然扫描电镜与光学显微镜均能反应沉积物的沉积环境,但在实际工作中,要注意所使用的数据应建立在同一测量系统内,不同实验室或实验方法测得的实验数据在引用时要慎重。     

毛乌素沙地现代人为活动的生态环境效应研究进展

毛乌素沙地地处中国北方农牧交错带,是典型的生态环境脆弱区。随着农牧业的发展、能源开发以及区域政策措施的实施等人为活动的增强,该地区生态环境发生了显著变化,人为活动产生了相应的生态环境效应。本文通过梳理国内外对毛乌素沙地生态环境效应的研究进展,从土地沙漠化、土地利用/覆被变化、植被演变3个方面系统总结了该地区的人为活动(重点关注人口变化、自然资源开发及重大环境工程的实施)对生态环境产生的正效应和负效应,并总结了该区域有关人为活动的生态环境效应评价的研究成果及存在的问题等。这可为进一步在该区域开展环境保护的实践与研究工作提供参考。     

近50年来毛乌素沙地的沙漠化过程研究

根据野外考察、应用遥感和地理信息系统技术对毛乌素沙地进行动态研究表明，50年代沙漠化土地面积约为12900km^2，到了70年代中期达41110km^2,80年代后期，减少为32590km^2，至1993年又下降到了30650km^2。50-70年代是沙漠化土地迅速发展的时期，而进入80年代以后，总体上是处于逆转过程中，已有近9460km^2的沙漠化土地得到了治理，这主要得益于“三北”防护林工程的实施和当地政府与干部群众积极开展沙漠化防治的努力，也进一步证明了：沙漠化主要是人类造成的，也只有人类能够控制它。     

毛乌素沙地库伦生态经济圈可持续性评价

毛乌素沙地库伦生态经济圈最显著的特征是以户为单元,由点到面形成毛乌素沙地库伦生态经济圈集群模式。为探索其可持续性,依据库伦生态经济圈聚类特征进行分类,再对不同类型的库伦生态经济圈可持续性进行综合评价研究。结果表明：毛乌素沙地库伦生态经济圈存在林果种植加工模式、种养加链条模式、小规模种养模式、懒散经营模式;可持续性综合评价得分值最高的是种养加链条模式（81.6106）,其次为林果种植加工模式（63.8506）,较差的是小规模种养模式（46.5691）和懒散经营模式（24.8808）,且后两种模式普遍存在于毛乌素沙地,说明毛乌素沙地上库伦生态系统整体可持续水平较低,需以现有的资源为基础,改善经营技术手段和决策方式,优化库伦生态经济圈运营模式,提高生态生产效率,增强系统物质循环与能量转化功能,使各种库伦生态经济圈朝着永续利用方向发展,进而整体推进毛乌素沙地的可持续性。     

毛乌素沙地风况及输沙势特征

利用毛乌素沙地腹地野外实测风速风向数据,系统分析了毛乌素沙地的起沙风和输沙势的变化特征。结果表明：（1）毛乌素沙地的起沙风和输沙势主要分布在NW、NNW和N等3个方位。（2）毛乌素沙地春季（3—5月）起沙风频率和输沙势最大,分别占全年的46.23%和52.97%。（3）起沙风频率的日内变化呈单峰曲线：16：00起沙风频率最大,为22.11%。起沙风平均风速的日内变化呈双峰曲线：00：00起沙风平均风速最大,为7.84 m·s^-1;14：00起沙风平均风速为7.63 m·s^-1,是次峰值。（4）毛乌素沙地年输沙势为66.75 VU,按照Fryberger风能环境划分标准,属于低风能环境;方向变率指数RDP/DP为0.51,中比率,钝双峰风况,其中偏北峰值远大于偏南峰值。     

毛乌素沙地低湿地维管植物区系特征

运用植物学及植物地理学方法,结合野外实地调查,对毛乌素沙地低湿地植物区系组成、地理成分、生活型及水分生态类群特征进行了分析研究。结果表明,低湿地共有维管植物59科182属323种,其中被子植物占总数的99.07%。单种科、寡种科和单种属、寡种属是低湿地植物区系的主体,是植物区系复杂性及物种多样性的主要来源,寡种属优势明显。中型科属和较大科属虽不占主体,但却往往是构成植物群落的建群种或为植物区系的代表成分,对植物区系的构成及植被的分布格局都有很大的影响。植物区系地理成分多样,温带分布型是低湿地植物区系地理成分的主要组成部分,低湿地植物具有典型的温带特征。低湿地草本植物占数量优势,草本植物以多年生为主,多年生草本植物对低湿地环境影响作用较为明显。低湿地植物地理成分及分布特征也说明气候、环境条件,植物种的生态幅度及其对环境的适应能力对植物地理分布具有决定性影响。