重庆市干旱时空分布及植被响应

论文摘要

我国干旱灾害频频发生,对农业、经济和社会都造成了严重的损失。湿润地区虽然降水充足,但复杂的地形和特殊的气候环境会造成降水在时空上分布不均匀,从而导致该地区发生季节性干旱。近年来,气温持续上升使得旱情更加严重。因此,探讨并研究湿润地区干旱灾害的时空分布是十分有必要的。本文以典型湿润地区重庆市为研究区域,以多年逐日气象站点观测数据、5天土壤相对湿度观测数据为基础（气象观测数据和土壤相对湿度观测数据均来自中国气象局国家气候中心）,选择并比较已有的气象干旱指数,包括相对湿润指数（M）、标准化降水指数（SPI）、标准化降水蒸发指数（SPEI）、综合干旱指数(CIspi)和修正后的综合干旱指数(CIwap),以土壤相对湿度数据为标准,选出最适合湿润地区的气象干旱指数,在此基础上对最适合的气象干旱指数、土壤相对湿度进行空间化,结合遥感数据,分析研究区干旱的时空分布规律以及植被对干旱的响应。主要研究内容和结果如下:（1）气象干旱指数的选择以2010-2013年6-9月5天的土壤相对湿度观测值（33个观测站点）为评价标准,比较M、SPI、SPEI、CIspi、CIwap指数评估研究区干旱情况的精度,结果表明M指数是最适合研究区的气象干旱指数;30天时间尺度的SPI、CIspi和CIwap指数低估了实际干旱的严重程度,而且无法识别一些中等干旱事件;30天和90天时间尺度的SPEI指数检测出的干旱程度比实际情况更加严重,也忽略了一些中等程度的干旱。而M指数所识别的三种干旱程度分类,即中等干旱、严重干旱、极端干旱,与土壤相对湿度识别干旱的结果更加一致。相关性系数和Kappa系数的分析结果进一步证明了M指数的准确性和适用性。基于长寿县、铜梁县和忠县气象站点数据,选择2011年土壤相对湿度、降水、潜在蒸散量等变量,计算与M指数的关系;以2006年特大干旱为例,调查研究区2006年的干旱发生情况,确定M指数评估干旱发生程度的适用性;并基于M指数,探讨研究区1970-2014年共45年伏旱的发展趋势。结果表明研究区每年都会发生干旱事件,其中大部分为中等干旱,且近年来伏旱的发生频率呈现轻微上升趋势。该结果也表明在全球变暖的大环境下,由温度升高所引起的潜在蒸散量增大和干旱发生频率增加不容忽视。（2）气象干旱指数的空间化最优气象干旱指数（M指数）的计算基于降雨量和潜在蒸散量,因此M指数的空间化包括降雨量空间化和潜在蒸散量空间化。选取1980-2009年重庆及周边共64个测量站点逐日气象数据,选择14种常用的潜在蒸散量模型,包括基于辐射-空气动力学方法的模型:FAO Penman-Monteith（PM）、Penman（Pe）、PenPan（PP）;基于辐射的模型:Abtew（Ab）、Jensen-Haise（JH）、Makkink（Ma）、McGuinness-Bordne（MB）、Priestley-Taylor（PT）、Turc（Tu）;基于风速的模型:Mahringer（Mah）、WMO;基于温度的模型:Hamon（Ha）、Hargreaves and Samani（HS）、Romanenko（Ro）,比较不同模型评估潜在蒸散量的精度。结果表明基于辐射-空气动力学方法的模型考虑影响因素全面,评估精度优于基于辐射、风速、温度的模型;基于辐射、风速、温度的模型只考虑部分影响因素,评估精度受到当地地形和气候的影响,计算误差也相对较大;基于辐射模型的精度略高于基于风速模型;气候变量的季节性变化是造成潜在蒸散量模型评估精度呈现季节性差异的主要原因。PM模型是精度最高的潜在蒸散量模型,用于计算研究区潜在蒸散量。根据已有文献资料,研究区降雨量以及计算潜在蒸散量需要用到的气候变量（日照、温度、相对湿度、风速等）均以经度、纬度和高程为辅助变量,采用薄板样条法（TPS）进行空间插值,使用PM模型计算空间上的潜在蒸散量,再计算研究区空间上的M指数。在此基础上,分析研究区1980-2009年年均气候变量以及年均M指数的空间分布情况。研究结果表明,渝西、渝中和部分渝东北地区的M指数相对较低,该地区降雨量较少且潜在蒸散量偏高,是干旱较为频繁的地区,而渝东南和部分渝东北地区M指数相对较高,是干旱不频发地区。（3）土壤相对湿度的空间化以2010-2014年3-9月5天的土壤相对湿度观测数据（167个气象观测站点,20 cm深度）和逐日气温观测数据（33个气象站点）为基础,比较不同空间插值方法估算土壤相对湿度的精度,包括反距离加权法（IDW）、多种克里格法（Krigings）、张力正则样条法（RST）和薄板样条法（TPS）。根据精度指标,IDW插值法的精度略优于其他方法,且计算简单,是最适合研究区土壤相对湿度空间插值的方法。使用IDW插值法,建立2010-2014年土壤相对湿度空间数据库,探讨研究区这5年干旱的时空分布。结果表明,研究区每年都发生干旱,并主要发生在8月和9月;研究区干旱具有明显的区域分布差异,易发生在渝西和渝中地区,与已有的研究结果一致,也间接证明了IDW用于研究区土壤相对湿度插值的可行性。（4）干旱时空分布及植被的响应基于2003-2009年16天的归一化植被指数（NDVI）,计算植被状态指数（VCI）,结合空间化后的M指数和土壤相对湿度,分析2006年前后共7年（2003-2009年）气候变化、植被生长状况、土壤相对湿度三者之间的关系,探索2006年重庆市伏旱的时空分布情况以及植被的响应。研究结果表明,2003-2009年多年平均气候因素以及M指数存在季节性分布差异和空间分布差异;NDVI、VCI与M指数具有较好的一致性和显著正相关关系,表明随着M指数升高,植被生长状况良好,当M指数降低到干旱临界值,植被生长也受到影响。土壤相对湿度与M指数在空间上也存在显著正相关关系,但两者的相关性系数随高程的增加而逐渐降低。以2006年伏旱为例,计算每天的M指数,统计结果表明2006年6-9月发生两次干旱,第一次干旱发生时间为6月9日-6月29日,旱情较轻;第二次干旱发生时间为7月29日-9月7日,干旱在渝西地区开始出现,并逐渐加重,8月中旬蔓延至渝中和渝东北地区,直到9月7日旱情才得以缓解。研究区干旱发生的面积占重庆市总面积的45%,中等干旱、严重干旱、极端干旱发生面积分别占重庆市总面积的19%、29%、9%,持续干旱时间最高可达52天;干旱主要发生在渝西、渝中和部分渝东北低海拔地区,而且严重干旱和极端干旱主要分布在渝西地区。NDVI以及NDVI变化率(NDVIvar)在时间和空间上与M指数具有较好的一致性。在2006年干旱情况最严重的时期,研究区中等干旱、严重干旱、极端干旱发生区域内NDVI均值与多年同期同区域NDVI均值比较,分别下降18.67%、23.64%、31.71%。渝西、渝中、渝东北、渝东南四个典型站点分析的结果也反映出植被生长状况对干旱的响应,也证明了M指数在研究区监测干旱的准确性和适用性。综上所述,本文筛选出最适合研究区的气象干旱指数（M指数）,结合土壤相对湿度以及遥感数据,在日时间尺度下探讨研究区干旱的时空分布以及植被的响应,为研究区干旱监测评估提供科学依据,对农业生产和社会经济都有着重要的指导意义。

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摘要

Abstract

第1章文献综述

1.1 基于气象干旱指数的干旱研究进展

1.1.1 帕默尔干旱指数

1.1.2 标准化降水指数

1.1.3 标准化降水蒸散指数

1.1.4 综合气象干旱指数

1.1.5 潜在蒸散量

1.2 基于土壤水分的干旱研究进展

1.3 植被对干旱响应研究进展

1.4 小结

第2章绪论

2.1 研究背景和意义

2.2 研究目的

2.3 研究内容与研究方案

2.3.1 研究内容

2.3.2 研究方案

2.3.3 技术路线

第3章气象干旱指数的选择

3.1 材料与方法

3.1.1 研究区概况

3.1.2 数据来源

3.1.3 气象干旱指数

3.1.4 统计方法

3.2 结果与分析

3.2.1 气候数据基础统计

3.2.2 气象干旱指数的评估

3.2.3 基于M指数的干旱检测

3.3 小结

第4章气象干旱指数的空间化

4.1 材料和方法

4.1.1 数据来源

4.1.2 潜在蒸散量模型

4.1.3 统计方法

4.2 结果与分析

4.2.1 气候数据基础统计

4.2.2 潜在蒸散量与气候和地形因子相关性分析

4.2.3 潜在蒸散量模型比较

4.2.4 气候变量空间化

4.2.5 M指数空间化

4.3 小结

第5章土壤相对湿度的空间化

5.1 材料与方法

5.1.1 数据来源

5.1.2 空间插值方法

5.1.3 统计方法

5.2 结果与分析

5.2.1 土壤相对湿度数据基础统计

5.2.2 土壤相对湿度空间插值方法比较

5.2.3 基于土壤相对湿度插值的干旱时空分布

5.3 小结

第6章干旱时空分布及植被的响应

6.1 材料与方法

6.1.1 数据来源

6.1.2 统计方法

6.2 结果与分析

6.2.1 多年气候变量时空分布

6.2.2 多年M指数时空分布

6.2.3 多年NDVI与 VCI时空分布

6.2.4 植被生长状况与M指数的相关性

6.2.5 土壤相对湿度与M指数相关性

6.2.6 2006 年伏旱时空变异及植被响应

6.3 小结

第7章研究结论与展望

7.1 研究结论

7.2 研究特色与创新点

7.3 研究展望

参考文献

致谢

在学期间所发表的文章

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈绘

导师: 刘洪斌,武伟

关键词: 土壤相对湿度,气象干旱指数,空间插值,潜在蒸散量,植被指数

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,气象学

单位: 西南大学

分类号: P426.616;Q945

总页数: 140

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