基于ERA-5和多源遥感数据的黄河流域气象干旱恢复研究

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干旱在全球范围内产生了深远的社会和经济影响,干旱事件已经成为全球范围内的研究热门。干旱恢复评估是干旱管理的一个重要组成部分,目前对于干旱研究,大多集中于干旱监测与干旱预测,对干旱恢复缺乏足够的研究。目前干旱恢复研究极少涉及定量评估干旱恢复所需降水量和干旱恢复概率,而这却是主动干旱管理的关键信息。它可以为干旱管理提供重要的数据参考。因此,本文对气象干旱恢复的研究集中于解决两个重要问题:(1)预计缓解气象干旱所需要的降水量;(2)随着时间的推移,气象干旱得到缓解的概率为多少。干旱监测是研究气象干旱恢复的首要任务,未发生干旱的情况下研究气象干旱恢复所需降水量和气象干旱恢复概率是没有意义的。因此,本文通过气象干旱的物理机制,通过ERA-5再分析资料获取的降水量和气温数据,构建了标准化水分滞留干旱指数(SWDDI),用于多时间序列的气象干旱监测。为了验证标准化水分滞留干旱指数的有效性,本文使用气象站点实测降水量和气温数据计算标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散发指数(SPEI)、TRMM降水数据计算的PCI、MODIS数据获取的地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)计算的TCI和VCI以及TVPDI对标准化水分滞留干旱指数进行有效性检验。最后本文通过标准化水分滞留干旱指数和降水量及降水量的分布特征,计算出干旱恢复所需降水量和干旱恢复概率,对黄河流域不同干旱程度下干旱恢复所需降水量和干旱恢复概率的时空分布特征进行分析,得到如下主要结论:(1)ERA-5再分析资料中的降水量和气温数据在黄河流域有较高的精度,其与气象站点实测的降水量和气温数据既有较高的相关性。其中ERA-5降水量数据虽然存在一定程度的高估,但是其变化趋势与气象站点降水量数据基本一致,而干旱指数主要通过降水量的变化情况来确定干旱情况,因此ERA-5再分析资料中的降水量和气温数据适用于黄河流域的干旱监测。(2)通过降水量和气温计算的两种标准化水分滞留干旱指数在黄河流域气象干旱监测中具有较高的可靠性。同时,标准化水分滞留干旱指数的表现整体优于其他四种干旱指数。说明基于物理机制的标准化水分滞留干旱指数在一定程度上优于仅使用数学方法对干旱影响因子进行融合,具有较高可靠性的同时也能在多时间尺度上对干旱事件进行监测。(3)气象干旱恢复所需降水量有明显的时空分布差异,其时空分布特征与累年月均降水量的分布特征一致。同时,黄河流域的气象干旱恢复所需降水量在空间分布上按照干旱区到半干旱区再到半湿润区的顺序逐渐增加,这与三个区域平均降水量的升序一致。说明在降水量较高的时空中,气象干旱恢复所需降水量也较高。除此之外,随着干旱程度的增加,黄河流域气象干旱恢复所需降水量均值也依次增加,增加量分别为轻旱的20%、25%和35%。(4)轻旱、中旱、重旱和特旱四个干旱程度下的恢复概率具有相似的时空分布特征,但随着干旱程度的增加,黄河流域的气象干旱恢复概率随之降低,同时气象干旱概率较低的区域面积和时间尺度也随之增加。(5)气象干旱恢复概率与恢复所需降水量的时空变化特征表现为在同一区域、同一月份中,气象干旱恢复概率与恢复所需降水量呈正相关关系;在不同区域、不同月份中,各月气象干旱恢复所需降水量与月均降水量的比值与气象干旱恢复概率呈正相关关系。
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