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不同類型干旱的時空變異性研究 版權信息
- ISBN：9787030702227
- 條形碼：9787030702227 ; 978-7-03-070222-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
不同類型干旱的時空變異性研究 內容簡介
本書系統介紹降水量偏差校正和參考作物騰發量估算方法對我國不同地區多站點干旱評估的影響。基于小波分析、經驗模態分解、經驗正交函數分解和多重分形等方法研究了氣象、水文和農業等不同類型干旱（以干旱指數反映）的時空變異規律，結合谷歌地球引擎和遙感大數據進行干旱監測，探討干旱的發生機制，并結合耦合模式比較項目第5階段的多種氣候模式，預測未來不同時期和不同氣候情景下標準化降水蒸散指數的演變趨勢。 本書可供水利工程、農業工程、農業水文和農業氣象等領域研究人員參考，也可作為水利工程等專業高校師生的參考用書。
不同類型干旱的時空變異性研究 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究目的及意義 1
1.2 研究現狀 3
1.2.1 干旱與驟旱 3
1.2.2 干旱指數 5
1.2.3 干旱嚴重程度的時空變異性 6
1.2.4 干旱評估的影響因素 10
1.2.5 水文要素與干旱演變 12
1.2.6 干旱發生機制 18
1.2.7 干旱預測 19
1.3 研究中存在的問題 21
第2章 干旱相關水文要素及土壤參數的變化規律 23
2.1 干旱相關水文要素的變化規律 23
2.1.1 研究區概況及研究方法 23
2.1.2 結果與分析 29
2.1.3 水循環的驅動機制 36
2.1.4 小結 36
2.2 土壤含水量和溫度的時空變化規律 37
2.2.1 數據來源 37
2.2.2 結果與分析 38
2.2.3 陸面參數的影響因素 46
2.2.4 小結 47
第3章 干旱嚴重程度的影響因素 48
3.1 參考作物騰發量的不同估算方法對干旱評估的影響 48
3.1.1 數據和方法 48
3.1.2 結果與分析 52
3.1.3 基于SPEI的干旱時空變化 66
3.1.4 小結 67
3.2 觀測降水量偏差校正對干旱評估的影響 67
3.2.1 數據和方法 68
3.2.2 結果與分析 71
3.2.3 干旱指數研究的現狀對比 77
3.2.4 小結 80
第4章 基于多指標干旱嚴重程度的時空變異性研究 82
4.1 不同區域干旱時空演變規律 82
4.1.1 數據和方法 82
4.1.2 結果與分析 83
4.1.3 不同方法估算ET0對干旱評估的影響 95
4.1.4 小結 97
4.2 SPEI的集合經驗模態分解和經驗正交函數分解 97
4.2.1 材料與方法 98
4.2.2 結果與分析 100
4.2.3 EEMD和EOF方法在空間分析中的應用優勢 110
4.2.4 小結 110
4.3 SPEI的多重分形性 111
4.3.1 材料與方法 111
4.3.2 結果與分析 113
4.3.3 小結 120
第5章 基于GEE和遙感大數據的干旱監測 121
5.1 TVDI的適用性研究 121
5.1.1 材料與方法 121
5.1.2 結果與分析 123
5.1.3 TVDI監測土壤干旱的適用性 129
5.1.4 小結 131
5.2 三種干旱指數的時空變化規律 131
5.2.1 材料與方法 131
5.2.2 結果與分析 135
5.2.3 干旱傳遞過程研究的參考性結果 140
5.2.4 小結 141
5.3 基于游程理論的干旱變量時空變化分析 142
5.3.1 材料與方法 142
5.3.2 結果與分析 142
5.3.3 小結 149
第6章 干旱的發生機制及未來預測 150
6.1 干旱的發生機制 150
6.1.1 材料與方法 150
6.1.2 結果與分析 151
6.1.3 不同地區干旱發生機制的對比 159
6.1.4 小結 160
6.2 未來不同氣候情景下的干旱預測 160
6.2.1 數據和方法 161
6.2.2 結果與分析 165
6.2.3 干旱研究中的引申問題 176
6.2.4 小結 181
第7章 結論及建議 182
7.1 主要結論 182
7.2 建議 186
參考文獻 188
彩圖
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究目的及意義 1
1.2 研究現狀 3
1.2.1 干旱與驟旱 3
1.2.2 干旱指數 5
1.2.3 干旱嚴重程度的時空變異性 6
1.2.4 干旱評估的影響因素 10
1.2.5 水文要素與干旱演變 12
1.2.6 干旱發生機制 18
1.2.7 干旱預測 19
1.3 研究中存在的問題 21
第2章 干旱相關水文要素及土壤參數的變化規律 23
2.1 干旱相關水文要素的變化規律 23
2.1.1 研究區概況及研究方法 23
2.1.2 結果與分析 29
2.1.3 水循環的驅動機制 36
2.1.4 小結 36
2.2 土壤含水量和溫度的時空變化規律 37
2.2.1 數據來源 37
2.2.2 結果與分析 38
2.2.3 陸面參數的影響因素 46
2.2.4 小結 47
第3章 干旱嚴重程度的影響因素 48
3.1 參考作物騰發量的不同估算方法對干旱評估的影響 48
3.1.1 數據和方法 48
3.1.2 結果與分析 52
3.1.3 基于SPEI的干旱時空變化 66
3.1.4 小結 67
3.2 觀測降水量偏差校正對干旱評估的影響 67
3.2.1 數據和方法 68
3.2.2 結果與分析 71
3.2.3 干旱指數研究的現狀對比 77
3.2.4 小結 80
第4章 基于多指標干旱嚴重程度的時空變異性研究 82
4.1 不同區域干旱時空演變規律 82
4.1.1 數據和方法 82
4.1.2 結果與分析 83
4.1.3 不同方法估算ET0對干旱評估的影響 95
4.1.4 小結 97
4.2 SPEI的集合經驗模態分解和經驗正交函數分解 97
4.2.1 材料與方法 98
4.2.2 結果與分析 100
4.2.3 EEMD和EOF方法在空間分析中的應用優勢 110
4.2.4 小結 110
4.3 SPEI的多重分形性 111
4.3.1 材料與方法 111
4.3.2 結果與分析 113
4.3.3 小結 120
第5章 基于GEE和遙感大數據的干旱監測 121
5.1 TVDI的適用性研究 121
5.1.1 材料與方法 121
5.1.2 結果與分析 123
5.1.3 TVDI監測土壤干旱的適用性 129
5.1.4 小結 131
5.2 三種干旱指數的時空變化規律 131
5.2.1 材料與方法 131
5.2.2 結果與分析 135
5.2.3 干旱傳遞過程研究的參考性結果 140
5.2.4 小結 141
5.3 基于游程理論的干旱變量時空變化分析 142
5.3.1 材料與方法 142
5.3.2 結果與分析 142
5.3.3 小結 149
第6章 干旱的發生機制及未來預測 150
6.1 干旱的發生機制 150
6.1.1 材料與方法 150
6.1.2 結果與分析 151
6.1.3 不同地區干旱發生機制的對比 159
6.1.4 小結 160
6.2 未來不同氣候情景下的干旱預測 160
6.2.1 數據和方法 161
6.2.2 結果與分析 165
6.2.3 干旱研究中的引申問題 176
6.2.4 小結 181
第7章 結論及建議 182
7.1 主要結論 182
7.2 建議 186
參考文獻 188
彩圖
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不同類型干旱的時空變異性研究 節選
第1章 緒論 1.1 研究目的及意義 全球近百年的增溫速率為(0.74±0.18)℃/(100a)，且在未來仍有增加趨勢(趙宗慈等，2020)。我國近百年的增溫速率與全球保持一致，而近50年的增溫速率高出全球近一倍。氣候變暖向世界各國和不同地區的災害應對提出了嚴峻挑戰。 干旱是水分的收支或者供求不平衡造成的水分短缺現象，是復雜、破壞性很強的自然災害之一(徐向陽，2006)。干旱從古至今都是人類面臨的主要自然災害之一，即使在科技發達的今天，仍然可能造成災難性后果。干旱的發生頻率高，影響范圍廣，每年造成的直接或間接經濟損失巨大(Dai，2013，2011a，2011b；Wilhite，2000)。干旱的發生會對糧食安全、經濟發展和社會穩定等方面造成惡劣影響(Mishra et al.，2010；Sen，1998)。干旱不僅發生在干旱半干旱地區，還發生在濕潤地區(Chen et al.，2015)。全球變暖伴隨人口的快速增長導致水資源危機，干旱頻發已經成為全球嚴重的環境問題之一(Wilhite，2000)，從而成為被廣泛關注的科學問題之一(Guo et al.，2018；Wang et al.，2014b)。 干旱是多種成因機制或驅動因素共同引起的，其發生機理和發展過程十分復雜，是*具災難性的自然災害之一(Schubert et al.，2016；Chen et al.，2015；Mishra et al.，2010)。干旱，尤其是極端干旱的發生，直接威脅到國家糧食安全和社會經濟穩定。近幾十年來，全世界不同地區已經發生了多起嚴重干旱事件，如2010～2011年東非干旱(Dutra et al.，2013)、2011年美國得克薩斯州干旱(Nielsen- Gammon，2012)、2012年美國中部大平原干旱(Hoerling et al.，2014)和2011～2014年美國加州干旱事件(Seager et al.，2015)等，給農業、社會和生態系統造成了巨大損失，也對農作物生產和供水造成了嚴重威脅。 我國位于亞洲東部、太平洋西岸，幅員遼闊，緯度跨度較廣，地勢西高東低，呈三級階梯形分布，陸地距海洋距離差距較大，因此氣溫、降水組合多種多樣，形成了多樣性氣候。在全球變暖的背景下，我國陸地地表近100年平均增溫為0.5～0.8℃(《氣候變化國家評估報告》編寫委員會，2007)。我國自然災害頻發，其中氣象災害造成的經濟損失占比很大(約70%)，干旱災害造成的經濟損失又占氣象災害的50%以上(王勁松等，2012)。氣溫升高將引起干旱事件增加。20世紀90年代，全國受旱面積達2733萬hm2，造成糧食生產的重大損失(損失產量達總產量的4.7%)(李潔等，2005)。旱災不僅在我國北方干旱區多發，而且在南方的濕潤和半濕潤區域頻發(Yan et al.，2010)。根據丁一匯(2008)的研究，在我國不同區域，干旱幾乎每年都會發生。尤其在1961年、1965年、1972年、1978年、1986年、1988年、1992年、1994年、1997年、1999年和2000年，發生了全國性的嚴重干旱。2006年，重慶發生了嚴重的高溫干旱。四川和湖南在2004年和2007年分別遭遇了2次嚴重干旱，導致水資源虧缺嚴重，從而引發了若干問題(如都江堰水庫管理問題、湖南湘江水位下降到歷史*低等)。2009～2010年的西南干旱百年一遇，旱情波及云南、貴州、廣西、四川、重慶等省(市)，對這些地區甚至全國的經濟發展和生態環境造成了嚴重的影響。2011年春季，長江中下游地區發生了1954年以來*為嚴重的旱情，給當地農業和水產業造成了嚴重損失。2011～2012年，云南出現有史以來*為嚴重的伏旱和春旱，干旱持續三年，災情波及了云南大部分地區，造成了嚴重損失。2014年，全國26個省(市、區)發生了干旱災害，造成了巨大的經濟損失(占當年國內生產總值的0.14%)。此外，在北部地區持續干旱的情況下，我國南部濕潤地區的干旱事件也在增多，如長江中下游地區2011年發生的春夏連旱事件(Lu et al.，2014)，2009～2010年西南地區發生的冬春極端嚴重干旱事件(Zhao et al.，2013)。這些干旱事件導致大量作物減產，造成巨大經濟損失。干旱頻發和日益加劇，嚴重威脅我國糧食和生態環境安全，制約了國民經濟的穩步發展。 發生在作物生長季的短期干旱常常伴隨著熱浪等高溫天氣，并通過陸面-大氣間的正反饋機制進一步加劇(Yuan et al.，2015)。這種短期干旱發生和發展迅速，強度較大，破壞性很強，被稱為驟發性干旱(flash drought)，簡稱驟旱(Senay et al.，2008；Svoboda et al.，2002)。在我國，驟旱更有可能在南方和東北地區發生。1979～2010年，在全球變暖背景下，中國驟旱事件增加了109%(Wang et al.，2016b)。由于驟旱持續時間短、發展快且很難預報，對農業生產和糧食安全造成了嚴重威脅。因此，提高監測干旱和驟旱的準確度，建立實時干旱預警系統，增強防旱抗旱能力，已經成為我國經濟發展中亟待解決的重大科學問題。 綜上所述，干旱給農業糧食生產、社會經濟發展、生態環境系統，甚至人類生存都會帶來嚴重的威脅(Mishra et al.，2011；Quiring et al.，2003)，由此導致的作物減產，使得全球范圍內糧食供應不足，將進一步促使糧食價格上漲，加大社會貧困率和饑餓率(Godfray et al.，2010)。因此，研究干旱嚴重程度的區域化特征、時空分布特征及發生機制，并進一步揭示干旱時空影響因素，預測未來干旱的發展趨勢，對提出干旱應對策略至關重要。 1.2 研究現狀 1.2.1 干旱與驟旱 1. 干旱 干旱的概念廣為人知，但由于學者們的研究領域、目的和出發點不同，干旱的內涵和外延存在分歧(Mcevoy et al.，2012；凌霄霞，2007)。Palmer(1965)認為干旱一般是指持續數月或數年，在此期間某一地區的實際水分供給持續低于數學期望、滿足地區經濟社會運行、生物生長用水適宜的需水量。Andreadis等(2005)和Sheffield等(2009)認為當某區域大范圍土地面積土壤含水量長期低于一定閾值時干旱開始發生，該閾值一般為20%。陳端生等(1990)將干旱定義為一種氣候現象，指某地區長期無降水量(precipitation，P)或降水量很少，造成空氣干燥和土壤含水量很低的氣候現象。趙聚寶等(1995)對廣義干旱進行定義，即在區域自然生態系統的水分循環中，水分收入量小于支出量，水分虧缺的積累使供水量在一定時段內不能滿足生物活動需水量的現象。 干旱不等于旱災，只有對人類造成損失和危害的干旱才稱為旱災。干旱不僅是一種物理過程，而且與作物生長和社會經濟有關。根據物理和社會經濟原因，干旱可分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱(Vicente-Serrano et al.，2012a；Heim J，2002；Wilhite et al.，1985)四種類型，具體介紹如下。 (1) 氣象干旱：某時段內蒸發量和降水量的收支不平衡(水分蒸發大于水分收入)而造成的異常水分短缺現象。降水是主要的收入項，且降水量資料*易獲得，因此氣象干旱通常以降水量的短缺程度作為標準。氣象干旱一般可用降水量低于某數值的日數、連續無雨日數、降水距平的異常偏少及各種大氣參數的組合等表征。 (2) 農業干旱：指作物生長關鍵時期因外界環境影響使土壤含水量持續不足，發生嚴重水分虧缺，造成作物無法正常生長，導致減產或失收的農業氣象災害。農業干旱的影響因素較多，包括土壤狀況、作物品種、大氣和人類活動等。按成因不同可將農業干旱分為土壤干旱、大氣干旱和生理干旱三種類型。其中，土壤干旱是土壤缺水，植物根系吸收不到足夠的水分去補償蒸騰的消耗造成的危害；大氣干旱是空氣成分干燥，經常伴有一定的風力，雖然土壤并不缺水，但強烈的蒸騰使植株供水不足而形成的危害；生理干旱是不良的土壤環境使作物生理過程發生障礙，植株水分平衡失調造成的損害。這類不良的條件有土壤溫度過高或過低、土壤通氣不良、土壤溶液濃度過高及土壤中積累某些有毒的化學物質等。 (3) 水文干旱：降水與地表水、地下水收支不平衡造成的異常水分短缺現象。由于地表徑流是大氣降水與下墊面調蓄的綜合產物，它在一定程度上能反映降水與地面條件的綜合特性。 (4) 社會經濟干旱：指自然與人類社會經濟系統中水資源供需不平衡造成的水分異常短缺現象。工業需水、農業需水和生活與服務行業需水難以滿足，需水大于供水時，就會發生社會經濟干旱。 一般情況下，氣象干旱的發生早于其他類型的干旱，其發展和結束較為迅速，而農業干旱發生晚于氣象干旱。當氣象干旱結束后，水文干旱仍將持續較長的時間(圖1-1)。 圖1-1 不同類型干旱發生的順序 2. 驟旱 通常情況下，干旱是一個緩慢發展的過程，可能需要持續幾個月甚至幾年才能達到*大的強度，但是持續幾個星期的短期大氣異常，也會使干旱迅速發生(Senay et al.，2008；Svoboda et al.，2002)。Mo等(2015)提出兩種類型的驟旱，即熱浪型驟旱和降水虧缺型驟旱。熱浪型驟旱指高溫條件下蒸散增加和土壤含水量降低導致的快速干旱，其中降水有很重要的作用，但是降水異常并不是這類驟旱的驅動因素。降水虧缺型驟旱是指降水量短缺條件下蒸散的減少和溫度增加導致的干旱。如果驟旱出現在作物生長的敏感階段(如出苗、開花授粉和灌漿階段)，短期的嚴重水分脅迫會導致減產，甚至降低作物的品質。降水虧缺只是驟旱發生的因素之一，因此用僅基于降水量的干旱指數不能完全監測驟旱(Otkin et al.，2013)。雖然標準化降水指數(standardized precipitation index，SPI)可以計算短的時間尺度，但是其效果有限，因為SPI并沒有考慮溫度、風速、輻射和驟旱演變的關系。 研究發現，土壤含水量異常能有效監測驟旱(Mozny et al.，2012)。然而，世界大部分地區缺乏土壤含水量空間分布的網格數據，限制了驟旱的廣泛監測(Ford et al.，2015)。Otkin等(2016，2015a，2015b，2013)研究表明，蒸發脅迫指數(evaporative stress index，ESI)(Anderson et al.，2013，2011，2007)結合遙感技術可以提供驟旱演變預警。但是，由于云層遮擋等，ESI在不同地區的使用也受到限制。Hobbins等(2016)提出了一個新的干旱指數，即蒸發需求干旱指數(evaporative demand drought index，EDDI)，它能在比月更短(如一到幾周)的不同時間尺度上進行分析。EDDI是一個基于物理的多尺度干旱指數，它利用蒸發需求和實際蒸散發(evapotranspiration，ET)的相互關系改進蒸發動力學在干旱監測中的應用并提供干旱預警。EDDI不僅可以作為驟旱監測指標評估日和周時間尺度的干旱，也可以用來評價月和年時間尺度的持續干旱。EDDI還可以捕捉水分脅迫的前兆信號，是干旱預警中一個強有力的工具。 1.2.2 干旱指數 干旱指數是對干旱程度的量度，它是干旱評估的必要變量，也是定義干旱參數的重要指標(Mishra et al.，2010)。干旱指數的合理選擇是干旱監測的基礎和前提(陳學凱，2016)。為了更好地量化干旱嚴重程度、科學準確地評估干旱的時空變異性，學者們提出了不同的干旱指數，其中常用的有帕爾默干旱指數(Palmer drought severity index，PDSI)(Palmer，1965)、降水距平指數(rainfall anomaly ind
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